热处理工艺课程设计 滚珠丝杠.docx

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热处理工艺课程设计滚珠丝杠

目录

第一章热处理工艺课程设计的目的……………………3

第二章热处理工艺课程设计的内容和步骤……………3

2.1滚珠丝杠的简图……………………………………3

2.2技术要求……………………………………………3

2.3材料的选择…………………………………………3

2.4GCr15钢的化学成分及合金作用…………………4

2.5GCr15滚珠丝杠的热处理流程及工艺设计………4

2.6总工艺曲线…………………………………………11

第三章挂架、装具、夹具………………………………11

第四章热处理工艺分析…………………………………12

4.1球化退火工艺分析………………………………12

4.2淬火工艺分析……………………………………13

4.3高温回火工艺分析………………………………13

4.4去应力退火工艺分析……………………………14

4.5中频淬火工艺分析………………………………14

4.6低温回火工艺分析………………………………14

4.7稳定化回火工艺分析……………………………14

第五章热处理工艺的检验………………………………14

第六章热处理工艺规范及操作守则……………………15

第七章热处理工艺设计的见解及体会…………………17

第八章热处理工艺卡……………………………………19

参考书目……………………………………………………20

1、热处理工艺课程设计的目的

热处理工艺课程设计是材控专业热处理方向学生的一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节，其目的是：

（1）培养学生综合运用所学热处理知识去解决工程问题的能力，并使所学知识得到巩固和发展。

（2）学习热处理工艺课程设计的一般方法，热处理设备选用和装夹具设计等。

（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

2、热处理工艺课程设计的内容和步骤

2.1滚珠丝杠的简图

2.2技术要求

1、退火后组织：

点状或细粒状P。

按JB1255—81评定2-3级合格；

2、退火后硬度：

187—229HBS，碳化物网按JB1255—81评定≤2级合格。

3、丝杠硬度：

58--62HRc。

2.3材料的选择

2.3.1GCr15钢的性能

GCr15钢具有高硬度、高耐磨性和在高温下稳定的机械性能，由于承受极高的交变载荷，滚珠与套圈的工作接触面很小，产生极大的摩擦，因而要求具有较高的疲劳极限、极高均匀的硬度和耐磨性，还有一定的韧性和淬透性，并在大气和润滑介质中具有一定的抗蚀能力，而Gcr15钢具有良好的成分设计和工艺性能，用于制造滚珠丝杠还是适宜的。

2.4GCr15钢的化学成分及合金作用

2.4.1GCr15钢的化学成分

C（%，质量分数，下同）：

0.95～1.05

Cr：

1.4～1.65

Mn：

0.25～0.45

Si：

0.15～0.35

V：

≤0.025

2.4.2合金元素的作用

C：

含量较高，以保证高硬度和高耐磨性

Cr：

主要的合金元素，提高淬透性，并与C形成颗粒细小且弥散分布的碳化物，使钢在热处理后获得高而均匀的硬度及耐磨性

Si、Mn：

进一步提高其淬透性

V：

提高钢的耐磨性并防止过热

2.5GCr15滚珠丝杠的热处理工艺流程及设计

2.5.1工艺流程

备料→球化退火→粗车→调质→去应力退火→精车外圆及螺纹→中频淬火及低温回火→粗磨外圆与滚道→低温稳定化处理→精磨外圆与滚道

2.5.2工艺设计

2.5.2．1球化退火

球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺，将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。

对于轴承钢而言，球化退火具有以下优点：

淬火效果均一；减少淬火变形；提高淬火硬度；改善工件切削性能；提高耐磨性和抗点蚀性等轴承的性能。

（1）加热温度：

790～810℃

确定依据：

若加热过高，则奥氏体晶粒会过于粗大，影响材料的综合性能；若加热温度过低，碳化物不能充分溶入到奥氏体中。

确定方法：

745±20～30℃

（2）加热方法：

随炉温加热

确定依据：

简单易控制，且是预备热处理，对性能要求不高。

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

保温4h降至680～700℃保温6h后随炉冷至500℃出炉空冷

加热时间可按下列方法进行确定：

t=K·a·D,式中t为加热时间（min）；a为加热系数（min／mm），对合金钢而言，一般取1.5～2.5；K为装炉修正系数，一般取2.5～4.0；D为有效厚度，根据所给工件尺寸取40mm

（5）冷却方法：

随炉冷

确定依据：

获得球状或颗粒状的珠光体，以保证良好的机械性能

（6）冷却介质：

空气

（7）热处理后检验方法：

用布氏硬度计检验硬度，要求硬度187～229HBS；用金相显微镜观察点状或细粒状珠光体为2～3级，碳化物网≤2级合格

（8）热处理工艺曲线

（9）设备的选择及型号

选用RJ2-50-12Q井式电阻炉，设备参数如下表所示

型号额定功率（KW）额定电压（V）相数炉膛直径炉膛深度

（mm）（mm）

RJ2-50-1250380／2203600800

注：

外形尺寸为1700×1610×2526

（10）工艺曲线

2.5.2.2调质

调质即淬火加高温回火工艺，以获得回火索氏体组织。

调质后的材料不仅具有较高的强度和硬度，塑性、韧性也都有很大的提高。

GCr15滚珠丝杠的调制处理可以选择在（800±10）℃，保温2h油冷，然后在（680±10）℃回火，保温3～4h空冷。

淬火

（1）加热温度：

淬火为（800±10）℃

确定依据：

Ac1以上某一温度

确定方法：

GCr15钢的Ac1是745℃

（2）加热方法：

采用直接到温加入炉加热的方法

确定依据：

GCr15钢的淬透性较好，且工件形状简单，故采用直接到温加入炉加热的方法，这种方法简便，加热速度快，节约时间，节约能源，成本较低，便于批量生产

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

2h

确定依据：

与退火保温时间的依据相同，不再赘述

（5）冷却方法：

水冷

确定依据：

水冷的临界淬透直径约为32mm，而油冷的临界淬透直径约为19mm。

（6）冷却介质：

水

（7）设备的选择及型号

加热设备与退火设备相同

（8）热处理工艺曲线

高温回火

（1）加热温度：

（680±10）℃

确定依据：

因为是调质处理过程，高温回火的温度一般设置在600℃以上

（2）加热方法：

用空气电阻炉采取到温加热方式

确定依据：

减少工件加热时间，节约能源，回火后硬度下降较小。

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

1h

t=Kn+An×D式中，t为回火时间，min；Kn为回火时间基数，An为回火时间系数，D为工件有效厚度，mm.查手册可知Kn可取10，An可取1

（5）冷却方法：

空冷

（6）冷却介质：

空气

（7）设备的选择及型号选择：

选择箱式电阻炉RX3-75-9

型号额定功率（KW）额定电压（V）相数炉膛尺寸（长×宽

×高，mm×mm×mm）

RX3-75-97538031800×900×550

注：

外形尺寸为3030×2350×2440

（8）热处理工艺曲线

2.5.2.3去应力退火

去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。

就GCr15滚珠丝杠而言，可将工件加热到（560±20）℃，保温2～3小时，随炉冷至500℃以下出炉空冷。

（1）加热温度：

（560±20）℃

确定依据：

避免引起组织的转变，

（2）加热方法：

随炉温加热

确定依据：

简单易行

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

2～3h

确定依据：

与球化退火保温时间的确定依据相同，不再赘述

（5）冷却方法：

随炉冷

确定依据：

避免产生附加的残余应力，因此随炉至500℃

（6）冷却介质：

空气

（7）设备的选择及型号：

选择井式电阻炉RJ2-25-6，部分参数如下表示

型号额定功率（KW）额定电压（V）相数炉膛直径炉膛深度

（mm）（mm）

RJ2-25-625380单400500

（8）工艺曲线

2.5.2.4中频淬火

表面热处理可以使工件表层具有较高的耐磨性，而心部具有良好的塑性和韧性。

（1）加热温度：

与调质处理中淬火温度相同

（2）加热方法：

电流加热

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

t=h／v，式中t为加热时间（s），h为感应器高度（mm），v为工件进给速度

（5）冷却方法：

盐浴

（6）冷却介质：

10％的碳酸钠溶液

确定依据：

提高在高温区的冷却速度，使工件获得较厚的淬硬层

（7）设备的选取及型号：

选用DGF-C-58-2BPS50／8000

`

功率（KW）电压（V）电流（A）频率（Hz）

发电机50750748000

电动机65380110

淬火层深度：

1.3～5.5

（8）工艺曲线

2.5.2.5低温回火

低温回火是指温度在250℃以下进行的回火，可减小淬火应力，即可提高钢的韧性，又可保证足够的硬度、强度和耐磨性。

（1）加热温度：

160～180℃

确定依据：

要保证足够的硬度，加热温度不能太高

（2）加热方法：

直接随炉温加热

确定依据：

简单易操作,成本较低

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

4～6h

确定依据：

保温足够的时间以尽量降低其内应力

（5）冷却方法：

随炉冷

确定依据：

避免产生附加的应力

（6）冷却介质：

空气

（7）设备的选择及型号：

选取RJ2-25-6型井式电炉

型号额定功率（KW）额定电压（V）相数炉膛直径炉膛深度

（mm）（mm）

RJ2-25-625380单400500

（8）工艺曲线

2.5.2.6稳定化回火

稳定化回火是指为了稳定组织与尺寸进行的回火。

（1）加热温度：

120～160℃

确定依据：

为了得到回火马氏体，保证足够的硬度，回火温度不能太高

（2）加热方法：

直接随炉加热

（3）加热介质：

空气

（4）保温时间：

6～12h

确定依据：

保温足够的时间以更好地稳定组织及尺寸

（5）冷却方法：

随炉冷

确定依据：

较慢冷却速度，避免产生内应力。

（6）冷却介质：

空气

（7）设备的选择及型号：

与低温回火的设备相同

（8）工艺曲线

2.6总工艺曲线

3、挂架装具夹具

4、热处理工艺分析

4.1球化退火的工艺分析

（1）加热到温后，得到均匀的奥氏体，塑性韧性较高；加热温度过高，会引起奥氏体晶粒长大，加热温度过低，会使得渗碳体不能完全溶入奥氏体中，钢的硬度太高。

（2）组织转变：

正常保温时，零件会形成均匀的奥氏体组织，保温时间过长会形成粗大的碳化物，脆性增加，保温时间不足时，会产生欠热现象，致使原材料组织不均匀。

（3）球化退火后正常冷速会形成颗粒状的珠光体，具有良好的切削加工性能；若冷速太大，则会形成细小的珠光体和铁素体，硬度和强度增大，塑性变小，不利于机加；冷速不足，会形成珠光体+大块铁素体，并伴有粗大碳化物出现，热处理后硬度偏低，脆性增大，不利于切削。

（4）常见的缺陷及防止方法

过烧

报废

过热

完全退火或正火补救

球化不均匀

正火后重新球化退火

硬度偏高

重新退火

脱碳

在保护气氛中退火或复碳处理

4.2淬火的工艺分析

（1）加热到温后，珠光体转变为奥氏体，晶粒细化，冷却后室温组织为马氏体+残余奥氏体+少量的碳化物，硬度较高，有良好的耐磨性；加热温度不足，加热后组织为奥氏体+珠光体+铁素体，室温组织为马氏体+珠光体+铁素体，硬度不足，塑性增大；加热温度过高，会形成粗大的奥氏体晶粒，冷却至室温后会形成粗大的马氏体，脆性增加。

（2）组织转变：

珠光体→奥氏体→马氏体+残余奥氏体+少量的碳化物

（3）正常冷却速度下会形成马氏体+残余奥氏体+少量的碳化物；冷速过快会形成马氏体，但是热应力和组织应力较大，产生开裂和变形；冷速过慢会形成马氏体+贝氏体，工件硬度和强度不高，塑性较大。

（4）常见的缺陷及防治方法

淬火变形、开裂

均匀加热、及时回火

表面氧化、脱碳、腐蚀及过烧

在保护气氛或盐浴炉内进行

硬度不足

重新加热淬火

硬度不均匀

不同方向的锻打，或再一次进行退火或正火，使组织细化、均匀化

组织缺陷

按淬火缺陷进行补救

4.3高温回火工艺分析

（1）加热到温后，组织为马氏体+碳化物，保温过程中马氏体分解，析出碳化物，冷却至室温后，组织为回火索氏体，塑性韧性都有较大提高；若回火温度不足，加热后得到的组织为马氏体+大量的碳化物，冷却至室温后，组织为回火马氏体或回火屈氏体，硬度偏高，而塑性韧性偏低；若回火温度太高，加热后的组织可能为奥氏体，即发生逆转变，冷却至室温后奥氏体又转变为马氏体，产生“二次淬火”

（2）组织转变：

马氏体→回火索氏体

（3）正常冷速下会形成回火索氏体，塑性韧性良好；冷速过快时，会形成回火马氏体+碳化物，硬度提高，塑性韧性下降；冷速不足，会形成细粒状的回火索氏体，硬度不足，塑性偏高。

（4）常见的工艺缺陷及防治方法

硬度不合格

合理控制回火炉的温度

畸变

校直

回火脆性

对于第一类回火脆性，要重新加热淬火；第二类回火脆性要重新回火和回火后快速冷却

4.4去应力退火

（1）加热到温后，与前一道工序相比，组织基本上不发生变化，若加热温度过高，会形成奥氏体+碳化物，若加热温度不足，则达不到消除内应力的目的。

（2）组织转变：

无明显转变

（3）正常冷速下会得到珠光体组织，冷速过慢，组织为细粒状珠光体，硬度不足，塑性偏高；冷速过快，则会形成贝氏体或马氏体，硬度偏高。

（4）常见的工艺缺陷及分析与球化退火基本相同，不再赘述。

4.5中频淬火

（1）加热到温后，工件表面的组织为成分均匀的奥氏体，而心部组织与前一道工序相比基本上不发生什么变化，冷却至室温后由表面向心部的组织为马氏体、马氏体+铁素体、马氏体+铁素体+珠光体、铁素体+珠光体；若加热温度不足，表面会形成奥氏体+渗碳体，冷却后表面组织为马氏体+渗碳体，硬度不足，耐磨性降低；若加热温度过高，表面会形成粗大奥氏体，冷却至室温后，会形成粗大的马氏体，硬度偏高。

（2）组织转变：

表面会是由珠光体→奥氏体→马氏体，心部无明显变化

（3）正常冷速下表面会得到马氏体组织,冷速过快，会得到马氏体，但硬度太高，不利于机加，且硬化层深度不足；冷速过慢，表面组织为马氏体+大量的渗碳体，硬度不足。

（4）常见的工艺缺陷及分析与调制处理中的淬火基本相同，不再赘述。

4.6低温回火

（1）正常加热到温后，冷却会得到回火马氏体；加热温度不足，则不能内应力；加热温度过高，冷却后可能会得到回火屈氏体，硬度有所降低。

（2）组织转变：

表面会得到回火马氏体

（3）正常冷速下会得到回火马氏体，冷速不足会得到贝氏体，冷速过快会得到回火马氏体，但硬度会太高。

（4）常见的工艺缺陷及分析与高温回火基本相同，不再赘述。

4.7稳定化回火

稳定化回火主要是为稳定工件的尺寸而设置的工序，其工艺分析与低温回火进本相同，但是在这个工序中，要注意工件要有足够的保温时间。

5、热处理工艺的检验

退火

淬火

回火

感应加热表面淬火

硬度

用布氏硬度计或洛氏硬度计检验是否合格

回火前的硬度值应大于或等于技术要求中的限值

用布氏硬度计或洛氏硬度计检验硬度是否合格

用维氏硬度计测量被测零件取样部位横截面的分布来测量硬化层深度，用布氏硬度计测量心部硬度

变形

用百分表测量其径向圆跳动量

轴类零件弯曲变形、其全长径向圆跳动量应小于直径磨量的1／2

用百分表测量其径向圆跳动量

按工艺卡的要求进行检查，需要用校直控制的变形量的，按校直工艺进行，一般采用冷压校直法

外观

用肉眼低倍放大镜观察其表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点及锈迹等缺陷

显微组织

退火后的珠光体组织2～4级合格

回火马氏体组织1～3级为合格，

6、热处理工艺规范及操作守则

牌号

临界温度（℃）

热加工温度（℃）

Ac1

Ac3（Accm）

Ms

加热

始锻

Ar1

Ar3

（Arcm）

Mf

终锻

GCr15

760

900

185

1050～1100

1020～1080

695

707

-90

800～850

普通退火

等温退火

温度（℃）

冷却

硬度（HBS）

加热温度（℃）

等温温度（℃）

冷却方式

硬度（HBS）

790～810

炉冷

179～207

790～810

710～720

空冷

270～390

高温回火

淬火

温度（℃）

硬度（HBS）

温度（℃）

淬火介质

硬度（HRC）

650～700

229～285

835～850

油

≥63

回火

不同温度回火后的硬度值（HRC）

常用回火温度范围

硬度值（HRC）

150（℃）

200（℃）

300（℃）

400（℃）

500（℃）

550（℃）

600（℃）

64

61

5549

49

41

36

31

150～170

61～65

淬火的工艺规程

（1）目的：

不同要求的工件淬火后再经一定温度的回火，可获得所需要的性能。

如：

强度、硬度、塑性、韧性，耐磨性及其他特殊物理性能。

（2）操作要点：

允许不同材质但具有相同加热温度的零件同炉处理；需防氧化或脱碳涂料的需涂涂料，或工件放入盛有已用过的木炭和铁屑的铁箱中加盖密封；冷却方式因不同的材质和形状而异，轴类零件垂直淬入最佳，形状复杂的零件可先预冷再淬入，减小变形。

回火的工艺规程

（1）目的：

调整淬火工件的力学性能，降低或消除工件的残余淬火应力，保证工件使用过程中的尺寸稳定。

（2）操作要点：

尽量使截面尺寸相近的工件同炉回火，在盐浴炉中回火时，工件在液面以下的距离大于或等于20mm；工件入炉时炉温不得超过规定的回火温度；需要多次回火的工件应在上一次回火彻底冷却后再进行下一次回火（但有些材质不宜在空气中停留时间太长；易变性的细长，薄壁工件及弹簧入炉时，应平放或吊柱，防止翘曲。

7、热处理工艺设计的见解和体会

通过此次热处理工艺课程的设计，我学到了很多专业方面的知识，认识到了有关热处理方面的手册对本专业的重要性，在我们以后的工作中，如果从事热处理行业，都离不开对手册的查询，因此不得不说手册使我们机械行业的老师。

除此之外，本次课程设计也让我深刻体会到认真、耐心的重要性，尤其是对本专业而言，要想成为一名优秀的工程师，必须要有严谨的工作态度和正确的学习方法。

8、热处理工艺卡

热处理工艺卡

产品型号

WZ-12

零（部）件图号

07

产品名称

滚珠丝杠

零（部）件名称

简图：

材料牌号

GCr15

零件重量

工艺路线

备料→球化退火→粗车→调质→去应力退火→精车外圆及螺纹→中频淬火及低温回火→粗磨外圆与滚道→低温稳定化处理→精磨外圆与滚道

技术条件

检验方法

硬化层深度

滚道底大于等于1mm

用维氏硬度计测量硬度，直至硬度值为维氏硬度计的极限值

硬度

58～62HRC

维氏硬度计测量硬度

金相组织

回火马氏体

金相显微镜观察

力学性能

允许变形量

小于等于0.1mm／全长

检测平台、塞尺

工序号

工序名称

设备

装炉方式及数量

装炉温度（℃）

加热温度

加热时间

保温时间

冷却

工时

介质

温度

时间

1

球化退火

RJ2-50-12

利用吊具均匀排布，每炉600kg

室温

790～810

6h

4～6h

空气

50

2

淬火

RJ2-50-12

利用吊具均匀排布，每炉600kg

室温

800

3

2

水

30

3

高温回火

RX3-75-9

堆放，每炉600kg

500

680

2

1

空气

18

4

去应力退火

RJ2-25-6

利用吊具均匀排布，每炉600kg

室温

500

3

2

空气

30

5

中频淬火

DGF-C-58-2

BPS50／8000

利用吊具均匀排布，每炉600kg

室温

800

10％的碳酸钠溶液

6

低温回火

RJ2-25-6

利用吊具均匀排布，每炉600kg

100

140～160

6

4

空气

50

7

稳定化回火

RJ2-25-6

利用吊具均匀排布，每炉600kg

室温

120～160

12

6

空气

80

参考文献

（1）中国机械工程学会热处理学会，热处理手册，2009

（2）樊东黎，徐跃明，佟晓辉，热处理工程师手册第2版，第3版，2005，2011

（3）《热处理设备选用手册》编写组，热处理设备选用手册，1989

（4）才鸿年，马建，现代热处理手册，2010

（5）中国机械工程学会热处理学会，《热处理手册》编委会，热处理手册工艺基础第3版，2005

（6）中国机械工程学会热处理专业学会，《热处理手册》编委会，热处理手册第2版第2卷,1997