毕业设计(论文)-15Cr活塞销的热处理工艺设计.doc

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1、攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目： 15Cr活塞销的热处理工艺设计 学生姓名： X X X 学 号： 2011111020XX 所在院(系)： 材料工程学院 专 业： 2011级材料成型及控制工程 班 级： 材料成型及控制工程（1）班 指 导 教 师： X X X 职称： 讲 师 2013年12月15日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目15Cr活塞销的热处理工艺设计1、课程设计的目的使学生了解、设计15Cr活塞销的热处理工艺，融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识、分析问题和解决问题的能力。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）内

2、容 ：（1）明确设计任务（包括用途、服役条件及性能要求）（2）绘出热处理件零件图（3）给出设计方案（4）写出设计说明（5）设计质量检验项目（6）设计热处理工艺卡片（7）15Cr活塞销的热处理缺陷及预防或补救措施要求：（1）通过查找资料充实、完善各项给定的设计内容。（2）分析热处理过程中可能出现的缺陷，针对这些缺陷提出预防措施或补救措施。（3）提交设计说明书（报告），2千字以上。报告格式请参照“毕业论文（设计）”格式。3、主要参考文献1 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 20052 中国机械工程学会热处理分会热处理工程师手册机械工业出版社2003第一版.3 张玉

3、庭主编热处理技师手册机械工业出版社2006第一版4 中国机械工程学会热处理学会热处理手册机械工业出版社2003第三版.4、课程设计工作进度计划第十四周：对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。第十五周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。指导教师（签字）孙青竹日期2013年11 月 25 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、

4、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处

5、理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日攀枝花学院本科课程设计（论文） 摘要摘 要 本课设计了15Cr活塞销热处理工艺设计。主要的工艺过程包括锻造、预备热处理（完全退火）、渗碳、淬火+低温

6、回火等过程。15Cr钢是一种常用的低碳合金渗碳钢，活塞销在较高温度下工作，承受很大的周期性冲击载荷，损坏形式主要是表面磨损和疲劳裂纹。因此要求其具有足够的强度和刚度，表面应耐磨，心部有较好的韧性和较高的疲劳强度。渗碳钢活塞销在渗碳后经淬火、低温回火处理。性能要求较高的活塞销采用二次淬火、回火。对合金元素含量较高及尺寸稳定性要求较高的活塞销，渗碳淬火后要进行深冷处理，活塞销是连接活塞和连杆小头，在运动时相当于双点支撑梁，在较高工作温度下承受非对称交变载荷和一定的冲击载荷，其表面长期在润滑条件差的摩擦条件下工作。活塞销的主要失效方式是表面磨损和疲劳裂纹。关键词：15Cr钢，活塞销,完全退火，渗碳，

7、淬火，低温回火，攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 设计任务目 录摘 要1、设计任务11.1设计任务11.2设计的技术要求11.3热处理工件图12、设计方案22.1 活塞销设计的分析22.1.1工作条件22.1.2失效形式22.1.3性能要求22.2钢种材料33、设计说明43.1加工工艺流程43.2具体热处理工艺43.2.1预备热处理工艺53.2.2机械加工53.2.3渗碳工艺53.2.4淬火+低温回火热处理工艺63.2.5活塞销的质量检验74、分析与讨论84.1缺陷及防治措施85、结束语96、热处理工艺卡片10参 考 文 献111 设计任务1.1设计任务15Cr活塞销热处理工艺设计1.2设计

8、的技术要求 15Cr钢是一种常用的低碳合金渗碳钢，在渗碳时可显著地增加表面含碳量，增大渗碳深度，但在高温长时间渗碳时有晶粒长大倾向及形成网状碳化物的倾向；对形状简单、要求不高的零件，渗碳后可直接降温淬火，但热处理后变形较大，又有回火脆性，钢的淬透性较15号碳钢高，在油中临界淬透直径为215mm，在水中临界淬透直径为629mm。此外，钢的冷变形塑形高，焊接性良好，在退火状态下可切削性甚好。由于它的含碳量低(在0.12-0.16%之间)所以，硬度比较低。因此，为满足其在制造活塞销的寿命要求，应提高其硬度。活塞销在较高温度下工作，承受很大的周期性冲击载荷，损坏形式主要是表面磨损和疲劳裂纹。因此要求其

9、具有足够的强度和刚度，表面应耐磨，心部有较好的韧性和较高的疲劳强度。1活塞销对渗碳及热处理的要求较高，外圆表面硬度要求HRC55-62，渗碳层厚一般控制在0.8-1.2mm范围内，心部和内孔表面硬度要求严格控制在HRC38以下。这种工艺要求的依据就是基于传统理论的分析，外表面淬硬是为适应脉动单向最大弯曲应力发生在外表面的分布情况，而心部和内孔壁面不得渗碳的要求是用来满足抗冲击性能的。2 在15Cr钢进行热处理时，即去应力退火，渗碳，淬火和回火时应严格按照卡片所列出的时间进行保温以及其它操作的要求。 1.3 热处理工件图 图1 活塞销工件图1攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2 设计方

10、案2.1活塞销设计的分析2.1.1工作条件活塞销在高温下承受很大周期性冲击载荷，并且润滑条件也比较差，因此，要求强度高耐冲击且表面耐磨损。为减小活塞销本身的往复惯性力，还要求重量尽量轻。32.1.2失效形式活塞销的主要失效形式是表面磨损和疲劳断裂。表面磨损。活塞销在发动机工作时，承受较大的交变载荷，它与活塞销座孔和连杆衬套间的配合处产生相对运动而发生磨损。磨损后配合间隙增大，从而使配合件间出现不正常的敲击声，加速零件的磨损疲劳断裂。主要是活塞销与销孔和衬套配合间隙过大，在交变冲击力作用下，活塞销疲劳折断或者活塞销质量差。42.1.3性能要求 活塞销的制造尺寸、公差、材质在设计上是非常严格的。原

11、厂发动机设计的活塞销形式大都使用半浮式设计，也就是活塞销固定在连杆小端是不转动的，而在活塞两侧的销孑L内，销子是可以转动的。如果活塞已经升级为锻造活塞，这时的活塞销几乎全都需要采用全浮式的设计，即销子相对于连杆小头、相对于活塞座孔都是可以转动的。全浮式和半浮式在结构上的差别只是装配上的公差配合不同。因此，在装配全浮式活塞销时，一定要仔细测量活塞销孔和连杆小端的尺寸与配合公差。如果连杆小端的间隙比活塞孔间隙大时，受负荷后，活塞部分因紧度的差别可能会停止转动，唯一能转动的部分只剩下连杆小端，接着就会发生活塞销和连杆小端异常的磨损，甚至会有咬死的现象产生，对发动机将造成致命性的损害。515Cr钢其塑

12、性、韧性高，但强度、硬度高，锻造、焊接和冷冲压性能不良，冷变形塑性高，但切削加工时不易得到光洁的表面。用于制造受力不大、韧性要求高的零件和渗碳件，紧固件和冲模锻件以及不经热处理的低负荷零件。15Cr钢力学性能：抗拉强度 b (MPa)：735，屈服强度 s (MPa)：490，伸长率 5/（%）：11。2攀枝花学院本科课程设计（论文） 2 设计方案2.2钢种材料 15Cr钢是一种常用的低碳合金渗碳钢，在渗碳时可显著地增加表面含碳量，增大渗碳深度，但在高温长时间渗碳时有晶粒长大倾向及形成网状碳化物的倾向；对形状简单、要求不高的零件，渗碳后可直接降温淬火，但热处理后变形较大，又有回火脆性，钢的淬透

13、性较15号碳钢高，在油中临界淬透直径为215mm，在水中临界淬透直径为629mm。此外，钢的冷变形塑形高，焊接性良好，在退火状态下可切削性甚好。3攀枝花学院本科课程设计（论文） 3 设计说明3 设计说明3.1加工工艺流程15Cr活塞销热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的工艺流程: 下料锻造预备热处理(完全退火)机械加工渗碳淬火+低温回火精加工组装。A钢属于低碳钢，其成分6如下表1表1 A钢的化学成分（质量分数，%）CMnPSCrSiNi其他0.120.180.400.700.0350.0350.701.000.170.37一一成分分析：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。它能消除或减

14、弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn和Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。 硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。3.2具体热处理大量生产的活塞销均为冷挤压或温挤压成形后进行渗碳，产量较小时则可采用棒料或管料经机加工后进行渗碳。 冷挤压活塞销坯料需经退火，使其硬度降至140HBS，提高塑性，为挤

15、压工艺作准备，15Cr钢退火见预备热处理工艺。退火后尚需磷化处理，以减少挤压成形时所需的挤压力和提高挤压模具的寿命。渗碳钢活塞销在渗碳后经淬火、低温回火处理。性能要求较高的活塞销采用二次淬火、回火。对合金元素含量较高及尺寸稳定性要求较高的活塞销，渗碳淬火后要进行深冷处理，以减少渗层中残留奥氏体。15Cr钢见渗碳工艺。活塞销渗碳淬火后的表层组织为细针状马氏体，不允许有粗的或连续游离碳化物网心部为板条马氏体加铁素体。同一销的表面硬度差不超过3HRC，心部硬度为2425HRC。743.2.1预备热处理工艺退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以

16、得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。退火的目的是：a消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化。b消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷。c降低硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。d细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做组织准备。e消除钢中的内应力，以防止变形与开裂g。 750760 炉冷550图2 15Cr钢完全退火工艺曲线3.2.2机械加工由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处只能说明其在车床上进行加工。3.2.3渗碳工艺渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900950的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保

17、持一定的强度和较高的任性。 固体渗碳工艺如图3 8所示。 920950 890 时间/min 120 150300 0180 煤油/滴min 220 120280 5060 甲醇/滴min 0 0 2030图3 15Cr钢的渗碳工艺曲线53.2.4淬火+低温回火热处理工艺淬火淬火是将钢加热至临界温度点Ac3或Ac1以上一定的度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。其目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。钢的理想淬火冷却曲线如图49所示 Ac3 Ac1 A AP AB Ms图4低温回火回火是将淬火钢加热到A

18、1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理操作。其目的在于：a.降低脆性，消除内应力。工件淬火后存在着很大的内应力和脆性，若不及时回火，零件会产生变形或开裂。b.得到对工件所要求的力学性能。工件淬火后，硬度高，脆性大，为了了获得对工件要求的性能，可以用回火温度调整硬度，减小脆性，得到所需要的塑性、强度和硬度。c.稳定工件尺寸。淬火后的组织是马氏体和残余奥氏体，这两种组织都是不稳定的，会自发地逐渐地发生组织转变，因而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火，可以促使这些组织转变。达到较稳定状态，以便在以后的使用过程中不发生变形。63.2.5活塞销的质量检验常用钢活塞销的质量检验参见

19、表2 10检验项目检验方法检验要求渗碳层深度/mm 硬度（HRC）组织JB/NQ54.1TB1461表面心部渗碳层心部过公析层加共析层加1/2过渡层过共析层加共析层加过渡层不同部位至少测三点，取平均值距活塞销两端20mm之内横向截取，观察整个截面观察磁力探伤在两平面间压碎或用v形槽按产品图样要求按产品图样要求，按产品图样要求，同一销的工作面硬度差不大于3HRC细针状马氏体，不允许有粗块状或连续网状碳化物板条马氏体和铁素体，不允许大块铁素体无裂纹、锈蚀、麻点、黑斑、刻痕、尖角、毛刺、氧化皮无裂纹，注意退磁表面质量 探伤压碎试验表27攀枝花学院本科课程设计（论文） 4 分析与讨论4 分析与讨论 A

20、钢制造机床B热处理工艺设计已经在前面展示，单就其性能以及热处理的过程想必是没多大问题，若放入实际生产中有很多不可预知的问题，因此，不能纸上谈兵须得到工厂或者实验室中反复的通过实验数据进行分析，然后在得出最重要的结论用于实践中，从而在生产中减低成本、提高效率并且减少工时，降低能源消耗。4.1活塞销的缺陷及补救措施15Cr活塞销常见缺陷及补救措施见表3 11缺陷名称产生原因预防及补救措施渗碳浓度过高，表面层有粗块状或网状碳化物，淬火后渗层中残留奥氏体级别过高等 渗碳炉气氛碳势过高 强渗后扩散时间不够或扩散温度过低 应控制炉气氛碳势合适 改进扩散工艺：900920扩散以消除过多的碳化物 在86088

21、0长时间加热后淬火以消除碳化物网 采用深冷处理或二次淬火消除过量的残留奥氏体渗碳层浓度过低 渗碳时炉气氛碳势过低 炉气氛循环不良 零件装炉量过大 严格控制炉气氛碳势 改进炉气氛循环系统 减少装炉量，保证零件间间隙合适，避免堆放 层深未超上限者允许补渗8渗碳层深度不合格 渗碳温度控制不当 渗碳时间控制不当 健全温度控制管理体系并认真实施 严格控制渗碳时间 渗碳层深度偏浅时允许补渗渗碳层深度不均匀 零件表面附有脏污、物或积灰 装炉不当，零件表面相互挤碰渗碳前应清理装炉要合理摆放层深未超上限者允许降低渗碳温度补渗表面脱碳 渗碳后在空气中冷却时，冷却速度过慢 重新加热淬火时炉气氛碳势过低或盐浴脱氧不良

22、 空冷时避免零件密集堆放 渗碳后在保护气氛中冷却 放在带水套的冷却井中冷却 盐浴及时脱氧 脱碳层深度在磨削余量范围者允许通过，否则报废材料裂纹原材料缺陷报废表3攀枝花学院本科课程设计（论文） 5 结束语5 结束语 这次15Cr 钢制造活塞销热处理工艺设计的完成，让我不仅通过自己的努力大致了解了15Cr钢制造机床变速箱齿的制作流程，还学会了把自己书本上学到的知识运用到实际物体上去。15Cr活塞销是装在活塞裙部的圆形销子，所以15Cr钢必须具有强的硬度和高的耐磨性和耐腐蚀性。通过这次的课程设计让我感觉到了自己的不足，由于金属学课程没有认真的学习，加上自己对论文的格式不太了解。所以做这次课程设计感觉

23、非常的困难。这次拿到的课题是15Cr活塞销的热处理工艺，通过自己大量的查阅资料书籍，让我了解了许多的钢种，并且对热处理也了解了很多的知识，自己更加深刻的学习了正火、退货、渗碳、淬火、回火的工艺。通过自己的努力做完了这次课程设计让我体会到了学以致用，并且体验到了自己成功的喜悦。也发现了自己的不足，在以后的学习生活中加以弥补。9攀枝花学院本科课程设计（论文） 6 热处理工艺卡6 热处理工艺卡片 12零件名称： 活塞销热处理工艺卡处理要求： 下料、锻造、预备热处理(完全退火)、机械加工、淬火+低温回火、平磨、组装热处理技术要求：恰当控制温度和时间外表面硬度HRC5562 内孔表面硬度HRC38材料：

24、15Cr工序号名称设 备工具装 料工 艺 规 范冷 却备 注工具数量一工具装数量/件温度/加热时间保温时/h间合计介质温度/1锻造加热10001050-炉冷2完全退火7507605min1h1h炉冷3渗碳9209505min5h2h渗碳气氛4淬火101h1-22-3h空气5低温回火1701802h3-5678910更该日期更改单号更改标准更改者10攀枝花学院本科课程设计（论文） 参考文献参 考 文 献1 陈雪，陈锦秀 20Cr钢渗碳活塞销淬火后取消回火的实验. 内燃机. 2000（1）：18-202 酱立康，许国义 活塞销失效与制造工艺分析 天津商学院学报. 1995（2）：9-133 刘长生

25、编著.风力灭火机.中国林业出版社,2001.01.4 来自 拖拉机驾驶员实用手册 -沈瀚 19915 安永东，张德生主编.汽车改装技术与实例.化学工业出版社,2010.10.6 来自世界各国钢号手册-周俊，林慧国编19707 中国机械工程学会热处理分会热处理工程师手册机械工业出版社2003第一版.8 王忠诚,齐宝森,李杨等.典型零件热处理技术M.北京,化学工业出版社.2010,7.9 崔中圻,谭耀春.金属学与热处理（第2版）M.北京,机械工业出版社.2012,1.10 夏立芳主编. 金属热处理工艺学. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 200511 张玉庭主编热处理技师手册机械工业出版社2006第一版12 中国机械工程学会热处理学会热处理手册机械工业出版社2003第三版11