GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术.docx
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GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术
辽宁工业大学
材料工艺学课程设计(论文)
题目:
GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术
院(系):
专业班级:
学号:
学生姓名:
指导教师
起止时间:
2013-7-2~2013-7-12
课程设计(论文)任务及评语
院(系) 教研室:
材料科学教研室
学号
学生姓名
专业班级
材料113
课程设计(论文)题目
GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术
课程设计(论文)要求与任务
一、课设要求
熟悉设计题目,查阅相关文献资料,概述相关零件的热处理工艺,进行零件的服役条件与失效形式分析,提出硬度、耐磨性、强度等要求。
完成工艺设计。
阐述GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术理论基础,选择设备、仪表和工夹具,阐述GGr15钢滚动轴承热处理质量检验项目、内容及要求;阐明GGr15钢滚动轴承热处理常见缺陷的预防及补救方法;给出所用参考文献。
二、课设任务
1.GGr15滚动轴承钢材料的选择(要求在满足工件使用性能的前提下,兼顾经济性和工艺性,合理选择材料);
2.GGr15滚动轴承钢相应的C曲线;
3.给出GGr15滚动轴承钢热加工工艺流程图;
4.制定GGr15滚动轴承钢热处理工艺。
三、设计说明书要求
设计说明书包括三大部分:
1)概述;2)工艺设计;3)参考文献。
设计说明书结构见《工艺设计模板》。
工作计划
集中学习天,资料查阅与学习,讨论天,设计7天:
1)概述天,2)服役条件与性能要求天,3)失效形式、材料的选择天,4)结构形状与热处理工艺性天,5)冷热加工工序安排天,6)工艺流程图天,7)热处理工艺设计2天,8)工艺的理论基础、原则天,9)设计工夹具天,10)可能出现的问题分析及防止措施天,11)热处理质量分析天,设计验收1天。
指导教师评语及成绩
成绩:
指导教师签字:
年月日
前言
热处理在机械制造工业中,占其中有十分重要的地位。
它是提高机器零件质量和延长使用寿命的关键工序,也是充分发挥金属材料潜力,节约材料的有效途径。
正确地选择材料,合理地进行热处理,不仅可以减少废品,而且可以显著提高机器零件和工模具寿命,热处理还可以消除钢材经铸造锻造焊接等热加工工艺造成的各种缺陷,细化晶粒消除偏析降低内应力,使组织和性能更加均匀。
量具钢是用来制造各种测量工具的钢种,如制作量规,块规等。
要求高的尺寸稳定性,高的硬度和高的耐磨性以及足够的韧性。
由于块规在使用过程中易磨损和碰撞,另外块规本身尺寸精确,因此要求块规具有高的硬度,高的耐磨性和高的尺寸稳定性以及一定的韧性。
但块规没有单独专用的钢种,为了满足上述性能要求,块规选用,低合金工具钢(CrWMn)。
CrWMn钢块规采用淬火及低温回火热处理工艺,其组织是回火马氏体和残余奥氏体,并残存一定的淬火应力。
这种组织状态在长期放置和使用过程中,将发生变化,从而使块规的尺寸也发生变化,对于高精度的块规,这种变化是不允许的。
尺寸变化的原因主要是残余奥氏体转变为马氏体使尺寸增大,以及残留应力在量具内部重新分布和消失所引起的组织变化。
为使CrWMn钢块规尺寸和形状稳定,确保其精度,对要求较高的精密的,淬火温度应低些。
同时在淬火后立即将其冷却到-80℃左右,甚至在液氮中进行冷处理,然后取出再进行正常回火。
为了进一步提高CrWMn钢块规尺寸稳定性,在精磨或研磨前,必须进行时效处理,进一步消除内应力,必要时,这种处理要重复多次[1]。
本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试,其内容讨论如何设计GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术,重点是制定合理的热处理规程,并按此设计GGr15钢滚动轴承热处理工艺方法。
1GGr15钢滚动轴承热处理工艺技术概述
GGr15钢滚动轴承热处理包括锻造后的预先热处理(球化退火)和机械加工后的淬火,低温回火处理。
最终的热处理环节要解决的问题是使轴承钢应有高的接触疲劳强度,高硬度和耐磨性及足够的韧性和淬透性,这要通过提高其组织的稳定性来实现。
在保证硬度前提下尽量降低淬火文都,以减少稳定性差的残余奥氏体的数量。
淬火后立即进行一次-70~-80℃进行深冷处理。
使残余奥氏体可能地转变为马氏体,然后进行,低温回火。
热处理不仅可以改善钢的加工性能,更重要的是可以改善其使用性能,特别显著地提高钢的机械性能,延长其使用寿命。
我们知道,不同化学成分的材料可以具有不同的机械性能,而同一种化学成分的钢材料,由于有不同的内部组织也可以具有不同的性能,通过不同的热处理方式可以可以改变内部组织。
热处理就是使固态钢铁材料加热到一定温度,并在这个温度保持一定时间,然后一定的冷却速度,方式冷却下来,从而改变钢的的内部组织,获得预期的工艺过程。
达到充分发挥材料潜力,提高产品质量,延长使用寿命的目的[2]。
块规热处理必须进行球化退火及淬火,低温回火处理。
为了获得高硬度与高耐磨性,其回火温度低。
块规热处理主要问题是保证尺寸稳定性,块规尺寸不稳定的原因有三残余奥氏体转变引起尺寸膨胀。
马氏体在室温下继续分解引起尺寸收缩淬火及磨削中产生的残余应力未消除彻底而引起变形,所有这些,所引起的尺寸变化虽然很小但对高精度量具是不允许的。
为了提高量具(CrWMn块规)尺寸稳定性,可以淬火后立即进行低温回火,高精度块规在淬火,低温回火后,还要进行一次稳定化处理,以尽量使淬火组织转变成较稳定的回火马氏体,使残余奥氏体稳定化。
且在精磨后在进行一次稳定化处理,以消除磨削应力。
最后才能研磨,从而保证块规稳定性。
此外,块规淬火时一般不采用分级淬火或者等温淬火,淬火温度也尽可能低一些,以免增加残余奥氏体的数量而降低尺寸稳定性。
根据块规的服役条件、失效形式及性能要求,从《热处理手册》中本设计选择了CrWMn等作为块规的材料,在设计热处理工艺中,本设计借鉴了《热处理手册》《热处理技术》《机械材料工程》《机械设计》及《钢的热处理》等。
根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程,使热处理后的块规除具有高强度、高耐磨性外,还具有一定的硬度和尺寸稳定性,从而满足块规的质量要求。
2CrWMn钢块规的服役条件、失效形式
服役条件
CrWMn钢块规是用来测量的,对它的性能要求高。
1高硬度,高的耐磨性。
2高的尺寸稳定性以及良好的磨削加工性,使量具能达到很小的粗超度值。
3块规要求淬火变形小。
4对于高精度的块规形状复杂的的用滚动轴承钢。
块规按尺寸系列分为组成套,有42块一套和87块一套等几种图1。
图1成套块规
失效形式
块规的工作部分应具有高的的硬度和耐磨性,以保证量具在长期使用过程中不因磨损而失去原有精度。
块规在使用过程中和保存期间,应具有尺寸稳定性,以保证高精度。
块规在使用时,偶尔受到碰撞和冲击,不致发生崩落和破坏。
CrWMn钢块规在保存和使用过程中的尺寸变化主要是残余奥氏体继续转变为马氏体而引起的尺寸膨胀。
氏体继续分解,它的正方度减小而引起尺寸的收缩。
回火过程中硬度过高,过低或者不均匀,主要由于回火温度过低,过高或炉温不均匀造成的产生尺寸不稳定,从而影响量具的测量。
残余应力松弛造成的弹性变形,部分转变为塑性变形,从而引起尺寸的变化[3]。
3CrWMn钢块规的材料选择及技术要求
CrWMn钢块规其中含碳量,钢中含有较高的碳量(%~%),主要是为了形成足够数量的渗碳体和获得碳过饱和的马氏体组织,以保证高的硬度和高的耐磨性。
表面硬度硬度必须满足技术要求,表面硬度的误差范围,根据不同类型的工件不能超过表1的规定[4]。
表1淬、回火件的表面硬度误差范围
淬、回火件
硬度要求
范围
表面硬度误差范围HRC
单件
同一批件
<35
35~50
>50
<35
35~50
>50
特殊重要件
3
3
3
5
5
5
重要件
4
4
4
7
6
6
一般件
6
5
5
9
7
7
淬火回火的畸变允许值不得超过表2的规定,表面硬度必须达到图样或技术条件要求。
有效硬化层必须达到图样或技术条件要求[4]。
表2淬、回火件允许弯曲的最大值
类型
每米允许弯曲的最大值
备注
1类
0.5mm
以成品为主
2类
5mm
以毛胚为主
3类
不要求
成品或毛胚
合金元素:
常加入CrWMn等合金元素,在CrWMn钢中含%~%Cr,%0~%W%~%Mn。
它们增强钢的淬透性,可采用缓和的介质淬火,减少热处理变形。
它们降低Ms点使残余奥氏体量增加,也能减少钢的淬火变形,另外Cr,W,Mn等溶入渗碳体,形成合金渗碳体而提高钢的硬度和耐磨性.块规(见图2)是机械制造工业中的标准量块,它用来测量及标定线性尺寸[5]。
图2块规示意图
块规是一种精密的量具,常用来作为长度标准以校验其他量具,也可以比较法对高精度的工件尺寸进行测量,或者进行精密机床的调整。
块规为长方六面体,它有两个测量面和四个非测量面。
两测量面之间的距离为块规的工作尺寸。
由于测量面非常平直和光洁,将两块块规的工作面擦净后相互推合,可以牢固地粘在一起,因此可以用几块块规组合所需的尺寸。
为了减少误差,组合块规尺寸时,一般不超过4块[6]。
4GrWMn钢块规材料的C曲线
图3为CrWMn钢块规的等温转变曲线(C曲线),块规材料为CrWMn钢,参照CrWMn钢块规的C曲线制定生产工艺[3]。
图3CrWMn钢C曲线
5GrWMn钢块规加工工艺流程图
量具由于用途不同和所要求精度不同,因而所选用的热处理工艺不同。
CrWMn钢块规生产过程的工艺流程图如下:
下料→锻造→球化退火→机械加工→淬火→深冷处理→低温回火→粗磨→人工时效处理→精磨→去应力退火→研磨[5]。
球化退火:
钢经锻造后空冷,所得组织是片层状与网状体,这种组织硬而脆,不仅难以切削加工,且在以后过程中也容易变形和开裂。
而经球化退火得到的是球状珠光体组织,其中的渗碳体呈球状颗粒,弥散分布在铁素体基体上,和片状珠光体相比,不但硬度低,便于切削加工,而且在淬火加热时,奥氏体晶粒不易长大,冷却时工件变形和开裂倾向小。
淬火:
淬火时采用较低的淬火温度,即下限的温度,以减少应力和残余奥氏体量,淬火介质的温度不能过高,一般为室温。
深冷处理:
量具淬火后,应立即在-70~-80℃进行深冷,尽可能减少钢中的残余奥氏体,稳定量具尺寸,残余奥氏体是一种极不稳定的组织,在使用或长时间放置过程中会发生组织转变,从而导致量具尺寸变化。
低温回火:
冷处理后在进行低温(150~160℃)及长时间(3~6h)的回火,以及减小应力,并获得M,以保证高硬度和高耐磨性。
时效处理:
对精度要求高的量具,经深冷处理再进行低温回火、粗磨之后,还要用低温时效处理,以进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力,一般在120~150℃经过24~26h的处理,组织和性能:
M回+碳化物。
性能为62~65HRC也可以去除粗磨加工时产生的应力。
精磨以后还要去除磨削应力,以及保持量具尺寸的长期稳定性[5]。
去应力退火:
为了消除变形的加工硬化和机械加工应力,减小淬火时的变形开裂倾向,可以进行去应力退火处理,然后缓冷。
CrWMn钢块规的热处理主要特点是:
增加了冷处理和时效处理,其目的是为了保持好的工艺性能。
6GrWMn钢块规热处理工艺曲线
经查阅《机械工程材料》,得CrWMn钢制块规的热处理工艺,如图1。
根据工艺需求确定而来[5]。
1淬火热处理工艺曲线
CrWMn钢块规采用加热到650℃然后保温一段时间,然后再继续升温直到(820℃~60℃),在油冷却介质中冷却。
图4CrWMn钢块规淬火工艺的热处理工艺
2深冷和回火热处理工艺曲线
CrWMn钢块规采用淬火冷却以后(-75℃~-78℃,3h)的冷处理可以使淬火后的残余奥氏体继续转变为马氏体,减少了残余奥氏体量。
冷处理后的低温回火(140℃~160℃,3h)是为了减小冷处理时所产生的内应力。
图5CrWMn钢块规深冷和回火工艺的热处理工艺
3低温人工时效和去应力退火热处理工艺曲线
CrWMn钢块规采用低温回火处理以后,再进行(110℃~120℃,36h)的长时间低温人工时效处理,有利于冷处理后尚存的的极少的残余奥氏体得到稳定,并且还可以使马氏体正方度和残余应力减低至最小程度,从而使CrWMn钢块规获得高的硬度和耐磨性,以及尺寸长期稳定性。
CrWMn钢块规再经过精磨以后又进行(110℃~120℃,3h)的去应力退火处理,这是为了消除新生的磨削应力,使量具(CrWMn钢块规)的残余应力保持在最小的程度。
图6CrWMn钢块规低温人工时效和去应力退火工艺的热处理工艺
7GrWMn钢块规淬火、回火、时效工艺理论
淬火工艺原理
把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度,保温一定时间,然后以大于临界淬火速度的速度冷却,使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火[7]。
CrWMn钢块规在淬火加热时应在600℃~650℃和820℃~840℃,保温一定时间后,在油中冷却,以防止变形和开裂。
当温度达到840℃,以使更多的合金元素溶入奥氏体中,达到淬火后获得高合金元素含量马氏体的目的。
淬火温度不宜过高,当温度超过840℃时,会引起马氏体晶粒粗大。
淬火冷却采用油冷,以减少变形和开裂。
在保证硬度的前提条件下,尽量降低淬火温度,以减少稳定性的残余奥氏体的数量。
图7为钢块规的硬度与冷却关系曲线[3]。
图7硬度与冷却关系曲线
回火工艺原理
回火是指将淬火后的钢在A1以下的温度加热保温并以适当速度冷却的工艺过程为回火[7]。
CrWMn钢块规通常在140℃~160℃或者是在110℃~120℃进行多次回火主要是为减少残余奥氏体量,稳定组织,并产生二次硬化,在回火过程中,随温度的升高,大量细小弥散的碳化物从马氏体中析出来,使钢的硬度不仅下降,反而明显提高,同时由于残余奥氏体的碳和合金元素含量下降以及所受马氏体的压力降低,Ms点上升,在回火冷却时转变为马氏体,也使硬度提高,产生二次硬化。
多次回火为了是逐步减少残余奥氏体量,同时每次加热都使前一次回火冷却时产生的淬火马氏体回火。
图8为CrWMn钢在回火时硬度与温度变化曲线[3]。
图8CrWMn钢在回火时硬度与温度变化曲线
回火的基本目的是:
提高淬火钢的塑性和韧性,降低其脆性,但却往往不可避免地要降低其硬度和强度,回火的另一个目的是降低或消除淬火引起的残余内应力,这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。
回火可以在A1以下很宽的温度范围内进行,钢的性能也可以在很宽的范围内变化,因此,回火是钢制零件的性能以满足使用要求的有效手段[7]。
时效热处理工艺原理
为保证量具在长期使用过程中尺寸不发生变化,时效处理是为了要求块规有高的精度,使量具尺寸进一步稳定,经过深冷处理再进行低温回火,粗磨之后,还要用低温失效处理,一般在120~150℃经过24~26小时的处理。
以进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力,也可以去除粗磨加工时产生的应力。
此外精磨后还要去磨削应力,以保证块规尺寸的长期稳定性[8]。
去应力退火工艺原理
去应力退火主要用于消除机加工的残余应力,以防止块规的变形和产生裂纹、降低精度。
钢块规的去应力退火操作是将块规随炉缓慢加热到110℃~120℃,保温3h然后随炉缓慢冷却,再出炉空气中冷却的工艺操作。
去应力退火后的组织不发生明显变化,其性能(如硬度、强度、塑性、韧性等)也无明显变化,尽是残余应力得到松弛。
8选择设备、仪表和工夹具
设备
加热炉为主要的设备。
按加热方式分为:
间接加热电阻炉,直接加热电阻炉。
按热源分为:
电阻炉,燃料炉和各种表面加热装置。
按加热介质分为:
自然气氛炉,浴炉,可控气氛炉,真空炉,流动粒子炉。
按工作温度分为:
低温炉,中温炉和高温炉。
按功能不同分为:
淬火炉,退火炉,回火炉,渗碳炉,氮化炉等。
按炉型结构分为:
箱式炉,井式炉,台车炉,罩式炉,振底式炉。
按工作规程分为:
周期式炉,连续作业炉[6]。
经分析,由于CrWMn钢块规为小件,且需淬火后低温回火处理,因此本设计综合考虑,选用低温井式电阻炉作为主要设备如图9。
图9低温井式炉结构
1—风扇电动机2—炉盖3—密封圈4—炉罐
5—炉村6—电热元件7—炉壳
仪表
热处理炉中应用最多的是热电温度计,它通常作为感温元件,与相应的补偿导线和仪表组成在一起,与热电偶配用的仪表有动圈和自动平衡电位差计式两种,前者采用平偏差法测温,后者采用零位法。
常见的温度仪表有接触式和非接触式两大类,接触式仪表应用最为广泛的是热电温度计。
非接触式仪表主要包括各种辐射温度计。
常用的感温元件有热电偶,热电阻以及一些热敏,光敏元件等。
感温元件和对温度信号作适当处理的电路组成温度变送器[9]。
本设计中所用热处理炉的热电极金属以及避免热电偶冷端受炉体热辐射等的影响。
通常在热电偶和测温仪表之间要用补偿导线连接。
设计工夹具
块规在热处理过程中,根据块规的外形结构,尺寸及批量和选用的加热炉型号,需要多种工夹具和吊具以保证块规的加热均匀,不会变形,为了保证操作时的安全性。
热处理中的工夹具可分为吊具、架具和挂具等,本次设计应用挂具。
挂具和吊具如图10所示。
图10挂具和吊具
9CrWMn钢块规热处理质量检验项目、内容及要求
1)外观检查
工件表面不允许有裂纹和有害的伤痕(必要时可用磁粉检测或其他无损检测方法检测)。
锻造余热淬火工件,表面不能有折叠等缺陷。
2)硬度检查
硬度对于控制材料冷热加工工艺质量有一定的参考意义,硬度对材料的断裂度存在一定的经验关系,表面硬度和显微硬度试验反应了金属表面及其局部范围内的力学行为,因此可以用于检验材料表面热处理或微区组织鉴别。
硬度检验可分为:
压入法,回跳法刻划法,压入法主要有布氏硬度,洛氏硬度,维氏硬度,显微硬度,努氏硬度。
回跳氏法有肖氏硬度,刻划法为莫氏硬度。
都用于材料硬度检测。
3)金相组织检查
中碳钢和中碳合金结构刚淬火后一般应得到马氏体。
由于奥实体化温度不同,马氏体形态和大小不一样,一般分为8级。
包括晶粒度、基本组织和碳化物、表面腐蚀与元素贫化等。
10CrWMn钢块规热处理常见缺陷的预防及补救方法
淬火的缺陷及其预防、补救
淬火过程中某一瞬间热应力和组织应力的综合作用大于钢的屈服强度时,就会产生畸变,当两种应力的综合作用超过钢的抗拉强度时,则引起公工件开裂。
合理选择钢材与正确设计结构,正确锻造和进行预备热处理,采用去应力退火,去除切削加工造成的内应力。
加热温度高,或在高温下加热时间过长,仪表失控而超温。
正确选择淬火加热温度和保温时间,定期检查仪表热电偶,经常观察炉膛颜色,用盐浴炉加热时防止工件距电极太近。
在淬火介质中停留时间不够,正确控制在淬火介质中停留的时间[10]。
人工时效处理的缺陷及其防止、补救
采用冷处理减少淬火后的残余奥氏体量,从而稳定尺寸,效果很好,但是残余奥氏体毕竟不能百分百的被消除,总会有极少量的残余奥氏体保存下来。
它们会在工件长期使用中发生转变,使尺寸发生变化,这对于高精度量具块规工具是不允许的。
时效处理就是残余奥氏体稳定化的处理方法,可以消除应力并稳定组织,以保证具有的稳定性能和尺寸[2]。
深冷处理的缺陷及其预防、补救
工件进行冷处理前,必须彻底地仔细清洗工件上的油污,并烘干。
这是因为油污和水可能和冷却剂发生激烈的化学反应引起爆炸。
不能在冷冻机附近内吸烟,这是因为空气中含有一定的氨气有可能引起爆炸。
操作深冷处理时,必须穿长衣长裤,以免溅到衣服上。
将工件放入冷却器,或从冷却器中却出时,都要用长柄的工具,以免直接接近冷却器[2]。
回火的缺陷及其预防、补救
回火过程中中硬度过高,过低或者不均匀,主要由于回火温度过低,过高或炉温不均匀造成的。
回火后硬度过高还有可能由于回火时间短,这类问题可以通过调整回火温度等来控制,硬度不均匀是原因可能是一次装炉过多,或者选择加热炉不恰当所致。
如果回火在气体介质炉中进行,炉内应有气流循环风扇,否则炉内温度可能不均匀。
回火后工件发生变形,由于回火前工件内应力不平衡,回火时应力松弛或产生应力重新分布所致。
要避免回火后变形,或采用多次直接加热,或采用压具回火等措施[6]。
尺寸不稳定性缺陷及其预防、补救
冷处理温度高或时间短,残余奥氏体组织未彻底转变为马氏体。
低温回火或时效时间短,应力未彻底消除。
精磨或研磨后未进行时效处理或时间短。
严格执行热处理的工艺要求,确保组织彻底转变。
延长保温时间,或适当提高回火或时效温度。
认真执行工艺规范,满足其稳定性的需要。
11参考文献
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化学工业出版社..
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机械工业出版社..
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