9sicr圆板牙热处理实用工艺设计(完美版)

《金属学与热处理》课程设计报告

9SiCr圆板牙的热处理工艺设计

学 院 化学工程与现代材料 专 业 金属材料工程

姓 名 二飞 学 号 12042418

指 导 教 师 美丽 完 成 时 间 2015.05

目录

摘要................................................................................................................................ 4 1引言 ............................................................................................................................ 4 2材料设计 .................................................................................................................... 5 2.1性能特点 .............................................................................................................. 5 2.1.1 9SiCr的基本信息 .......................................................................................... 5 2.1.2 9SiCr物理特性 .............................................................................................. 6 2.1.3 9SiCr的钢材规格 .......................................................................................... 6 2.2成分特点 .............................................................................................................. 6 2.2.1 9SiCr中合金成分及含量 .............................................................................. 6 2.2.2 9SiCr中合金成分的作用 .............................................................................. 7 3零件设计 .................................................................................................................... 7 3.1圆板牙的服役条件、失效形式 .......................................................................... 7 3.1.1服役条件 ....................................................................................................... 7 3.1.2失效形式 ....................................................................................................... 7 3.2设计零件 .............................................................................................................. 8 3.2.1圆板牙的技术要求 ....................................................................................... 8 3.2.2圆板牙的平面图及剖面图 ........................................................................... 8 3.3.3圆板牙钢的材料选择 ................................................................................... 8 4热处理及机械加工设计 .......................................................................................... 10 4.1圆板牙的加工工艺 ............................................................................................ 10 4.1.1圆板牙的加工工艺图 ................................................................................. 10 4.1.2 9SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热处理工艺 .................................... 10 4.1.3锻造工艺曲线 ............................................................................................. 11 4.1.4球化退火工艺曲线 ..................................................................................... 12 4.1.5淬火工艺曲线 ............................................................................................. 14 4.1.6 低温回火工艺曲线 .................................................................................... 16 4.2 9SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论 ....................................... 17 4.2.1退火原理 ..................................................................................................... 17 4.2.2淬火工艺原理 ............................................................................................. 17

4.2.3 回火工艺原理 ............................................................................................ 18 4.3圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法 .................................................... 19 4.3.1圆板牙球化退火的缺陷及其预防、补救 ................................................. 19 4.3.2圆板牙球化淬火的缺陷及其预防、补救 ................................................. 19 4.3.3圆板牙低温回火的缺陷及其预防、补救 ................................................. 20 5选择检测设备及方法 .............................................................................................. 21 5.1选择检测设备 .................................................................................................... 21 5.1.1设备 ............................................................................................................. 21 5.1.2仪表 ............................................................................................................. 22 5.1.3工具夹 ......................................................................................................... 23 5.2圆板牙热处理质量检验项目、容及要求 ........................................................ 23 6结束语 ...................................................................................................................... 24 7参考文献 .................................................................................................................. 25

摘要：这篇设计工艺设计论文主要阐述了9SiCr圆板牙的热处理工艺设计。

通过对9SiCr钢的性能特点、成分特点以及圆板牙的服役条件、失效形式、技术要求的综合对比确定圆板牙的选材；根据热处理工艺理论制订了圆板牙的热处理工艺为：球化退火+淬火+低温回火；通过金相观察实验分析了圆板牙的热处理常见缺陷以及补救措施。是一片成功的工艺设计论文，具有一定的参考价值。 关键字： 圆板牙 9SiCr 热处理 缺陷分析

9SiCr圆板牙的热处理工艺设计

1引言

合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和检验尺寸使用的量具用钢三类。合金工具钢广泛用作刃具、冷、热变形模具和量具，也可用于制作柴油机燃料泵的活塞、阀门、阀座以及燃料阀喷嘴等。

刃具钢又可分为低合金刃具钢和高速钢两类。低合金刃具钢一般为过共析钢，锻轧和锻造成毛坯后，都要经过球化退火的热处理，以达到消除锻造应力、降低硬度、便于切削加工的目的，并提供良好的碳化物球化组织。球化组织的硬度和强度较片状组织低，有利于切削加工，且能获得光洁的表面。球化组织与片状组织相比，淬火温度围较宽，不容易过热，淬火变形及开裂倾向较小，淬火后的组织较均匀

刃具钢要求具有高的硬度和耐磨性，一定的强度和韧度，在大负荷高速切削时，还要求具有红硬性。低合金刃具钢是在碳素钢的基础上发展起来的。先介绍碳素刃具钢，碳素刃具钢是含碳0.65%~1.35%的碳钢。如T7、T8、T12和T7A、T8A、T10A、T12A等。热处理为球化退火，淬火和低温回火。碳素刃具钢价格便宜，加工性能良好，热处理后可获得高的硬度和耐磨性，广泛地用于制造各种工具、模具。但是碳素刃具钢也有很多弱点，如淬透性差，热处理变形大，回火

抗力低，红硬性差等。低合金刃具钢在碳素钢刃具钢的基础上，加入一些合金元素，其含量少于5%称为低合金刃具钢。低合金刃具钢的成分特点是含碳量在0.8%~1.5%之间，常用的合金元素有Si、Cr、Mn、W、V。低合金刃具钢的热处理特点是预先热处理一般采用球化退火，最终热处理为淬火及低温回火。常用的低合金刃具钢有9SiCr，CrWMo，Cr06等。

对于一种低合金刃具钢，选用什么样的钢材合理，首先应从工具的工作条件、失效形式同时还应考虑工具钢的工艺性能包括加工性能、切削加工性能和热处理工艺性能。然后选择合适的钢种，最后再制定正确的热处理工艺。对于圆板牙这一刀具，不但要了解它的机械加工的大致情况，而且要了解机械加工与热处理的关系。圆板牙热处理前，攻螺孔时，其径公差的控制和切削毛刺的存在与热处理关系很大。制造圆板牙要有良好的耐磨性，淬透性等采用9SiCr钢这种材料是符合上述要求的，且具有良好的工艺性能。

通过9SiCr圆板牙钢的热处理工艺的分析，更加明确在执行热处理工艺过程中所需要注意的问题。能够正确确定加热温度、时间，保温时间，冷却方式，其目的就是通过正确的热处理工艺，使金属材料的潜在能力得到充分的发挥。

2材料设计

2.1性能特点

2.1.1 9SiCr的基本信息

9SiCr钢是低合金刃具用钢，但也常常制作冷作模具零件，效果很好。它比铬钢(Cr2或9Cr2)有更高的淬透性和淬硬性并且有较高的回火稳定性。适合分级淬火或等温淬火。该钢最早引自前联的9XC，过去曾称作9CrSi钢。成分和性能与9XC完全一样。在我国已有很长的应用历史。外国同类钢号仅有德国的90CrSi5瑞典的2092和SR1855，DF-1。其他国家未见有相似钢号。该钢可作多种形状复杂，变形要求小的冷作模具零件。

2.1.2 9SiCr物理特性

高碳合金工具钢，韧性较好，具有较好的回火稳定性，热处理时变形小。该钢中碳化物分布均匀，不易析出碳化物网，并易于正火消除，通过正火可以消除网状以及粗片碳化物组织。但是抗压强度和耐磨性不足，加工性较差。该钢的表面残余含碳量为0.6%-0.7%的脱碳层时，由于碳化物的减少使得表面层的过热敏感性增大。经正常加热淬火以后表面硬度仍可

以达到60-62HRC，但其抗弯强度却下降40%-50%。表面层晶粒度达到7级，心部为10级。

该钢锻造性能良好，由于易脱碳，需要在中性气氛或者保护气氛炉中加热。施以锻热调质处理，可以获得细密的回火索氏体组织，简化工艺，省时节电，既有良好的切削加工性能，又有理想的余热处理组织。

模具钢该钢受热软化温度为320℃，淬透性比铬钢好，油淬淬硬性深度40-50mm。该

钢零保温淬火韧化工艺，可以消除搓丝=板因常规淬火加热氧化脱碳造成的早期失效，不均匀奥氏体修或可以细化马氏体，搓火后得到隐晶马氏体或者细针状马氏体，这种组织强韧性好。

9SiCr量具刃具用钢，是常用的低合金工具钢，具有较高的淬透性和淬硬性，以及较高的回火稳定性。

2.1.3 9SiCr的钢材规格

9SiCr国产合金工具钢材 ∮45 9SiCr国产合金工具钢材 ∮50 9SiCr国产合金工具钢材 ∮55 9SiCr国产合金工具钢材 ∮60 9SiCr国产合金工具钢材 ∮65

2.2成分特点

2.2.1 9SiCr中合金成分及含量

碳 C :0.85~0.95 硅 Si:1.20~1.60 锰 Mn:0.30~0.60 硫 S :≤0.030

磷 P :≤0.030 铬 Cr:0.95~1.25

镍 Ni:允许残余含量≤0.25 铜 Cu:允许残余含量≤0.30

2.2.2 9SiCr中合金成分的作用

9SiCr中合金元素Cr、Mn、Si、W、V等可以溶入渗碳体中，形成合金渗碳体。溶入奥氏体中，可以提高过冷奥氏体的稳定性，提高淬透性，强化马氏体基体，提高回火抗性。

3零件设计

3.1圆板牙的服役条件、失效形式

3.1.1服役条件

圆板牙是用来加工外螺纹专用工具。作为刃具必须具有较高的淬透性，保证圆板牙部刃口部位淬硬；螺孔中径、螺距及孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，切削工作温度不高，其工作温度一般不超过300℃，并不要求高的红硬性，但是其螺距及孔要求变形小，刃部不得脱碳。此外，工作时受扭矩较大，所以要保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，圆板牙寿命长，则须保证材料有良好的强韧性配合。

3.1.2失效形式

1）磨损 磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损造成的，有时也可能是由于工件表面形成积屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。工具产生不正常磨损的原因是耐磨性不高。热处理时产生工具表面脱碳，脱元素等现象也可能造成耐磨性降低。

2）崩刃 包括微崩刃、大块崩刃、掉牙、掉齿等现象。很多崩刃现象的产生是由于切削时切削刃长期承受循环应力所产生的一种疲劳破坏现象，有时也可能是由于突然产生冲击应力而造成的。

3）断裂与破碎 切削工具由于承受较大的冲击或者因为工具本身的脆性较

大有时会产生整体的断裂、破碎现象。工具的断裂、破碎与工具本身的韧性不足有关，但是所有的断裂、破碎现象都是因为脆性较大而引起的。

4）被加工工件达不到技术要求 在切削过程中，由于工具产生严重的磨损或工具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时工具虽然可以继续切削，但是由于被加工工件的尺寸精度或者表面粗糙度达不到技术的要求，因而不能继续使用。

3.2设计零件

3.2.1圆板牙的技术要求

圆板牙属于手工切削或低速切削的工，要求齿部有较高的耐磨性，同时齿部不能太脆，因此要有较高的韧性且变形要小，因此不能脱碳。

硬度：60～63HRC。

金相组织：马氏体针﹤3级，残留碳化物网≤3级。

尺寸：螺纹中径应控制在12mm、厚度为14mm、外圆直径34mm的围。 装炉量：5件。

3.2.2圆板牙的平面图及剖面图

平面图 剖面图

3.3.3圆板牙钢的材料选择

圆板牙属于薄刃工具，其刃部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均

匀分布的细小合金碳化物，使用时刃口部位不易崩刃，淬透性好，淬火应力和变形小，只有这样才能保证上述技术要求。综合圆板牙的工作条件、失效形式、性能要求等诸多因素来选择材料。制造圆板牙常用的钢种有9SiCr，GCr15，T12，CrWMn等。

9SiCr钢工作温度可达300℃。由于钢中 Cr、Si的加入，提高了淬透性。因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀，使用时刃口部位不易崩刃；Cr除了提高淬透性、回火抗力外，还可以减少Si石墨化倾向；Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时多采用分级或等温淬火，变形也很小。其缺点是脱碳敏感性比较大。根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。

CrWMn钢由于Cr、W、Mn同时加入，使其有较高的淬透性使，Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到~66HRC，但热硬性不如9CrSi，但CrWMn钢热处理后变形小，故称微变形钢。W能细化碳化物，改善了韧度；由于Mn的存在大为降低了Ms点，淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；但该钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。

GCr15是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。热处理变形比较小，尺寸很稳定。但是该钢和9SiCr 相比，回火稳定性比较差。因此，对刃口要求高且在部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。因此选择9SiCr作为制造圆板牙的材料。

4热处理及机械加工设计

4.1圆板牙的加工工艺

4.1.1圆板牙的加工工艺图

检查 清洗 淬火+回火 机械加工 球化退火 锻造 毛坯

4.1.2 9SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热处理工艺

制造9SiCr圆板牙（M12）采用的热处理工艺包括预备热处理德球化退火和最终热处理的淬火+低温回火。球化退火的加热温度选择为800℃，500℃出炉后空冷；淬火的温度；等温淬火的加热温度为630℃，等温温度190℃，冷却介质

为硝盐；低温回火的温度选择为200℃，保温90分钟，空冷，目的是获得强度、韧度、塑性及耐磨性。9SiCr圆板牙（M12）整个热处理工艺去曲线如下图所示。

9SiCr圆板牙(M12)热处理全过程工艺曲线

4.1.3锻造工艺曲线

制造圆板牙的毛坯要经过锻造后获得基本的形状。锻造是利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形，以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造按坯料在加工时的温度可分为冷锻和热锻。钢的再结晶温度约为460℃，但普遍采用800℃作为划分线，高于800℃的是热锻；在300～800℃之间称为温锻或半热锻。本设计采用的是热锻。根据9SiCr钢的锻造工艺规，以及本设计的尺寸要求，选择始锻温度1050℃，终锻温度为860℃。9SiCr钢的锻造工艺曲线如图所示。

锻造工艺曲线

查阅《热处理工艺规数据手册》可以找出9SiCr钢的锻造工艺的加热温度、始锻温度冷却方式，本设计具体的锻造工艺参数如表所示。

9SiCr钢的热加锻造工艺规

项目

加热温度/℃

开始温度/℃

终止温度/℃

冷 却

钢锭 1150~1200 1100~1150 880~800 缓冷（砂冷或坑冷）

钢坯 1100~1150 1050~1100 850~800 缓冷（砂冷或坑冷）

4.1.4球化退火工艺曲线

圆板牙属于低合金刃具钢。低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是降低硬度，改善锻造组织和切削加性能，为最终热处理作组织准备。9SiCr圆板牙球化退火前的组织要细片状珠光体，经等温球化退火后为球状珠光体，其经淬-回火后的力学性能与原始组织为片状珠光体相比，在强度、硬度相同情况下，其塑韧性都要高，且对淬火温度的敏感性也相对较小。

查阅《简明热处理工手册》可知9SiCr钢的球化退火加热温度为790～810 ℃，

保温时间为2～4h，以小于40℃∕h的速度炉冷至500 ℃出炉空冷；等温温度为700～720 ℃，保温时间4～6h后炉冷至500 ℃出炉空冷。本设计9SiCr圆板牙钢M12的批量为5件。由于球化退火的加热及保温时间与工件的尺寸、装炉量及炉子的特性有关。正常的退火组织为球状的珠光体，级别为2～5级。球化退火后的硬度为197～241HRC。

若退火温度过高奥氏体较为均匀，晶核数量减少，又会局部出现粗片状珠光体，致使切削性能变差，淬火过热敏感性大，淬火后的变形也大；若球化退火温度过低，原始的珠光体虽然溶解，但浓度不大，冷却时局部组织会出现片状珠光体，因此加热温度选择为800℃。根据本设计的装炉量为5件，圆板牙径尺寸为12mm，所以保温时间不宜太长，所以加热保温时间选择2小时，等温保温时间为4小时。如果保温时间太长，奥氏体均匀性太高，不利于球化。具体的球化退火的工艺参数如上图所示。

温度T∕℃ Acm 870℃ 800℃ 100℃∕h 2h 4h 710℃ 30℃∕h 炉冷 500℃出炉 空冷 时间t∕h

Ac1 770℃ Ar1 730 ℃ 9SiCr等温球化退火工艺曲线

9SiCr钢制造圆板牙的球化退火过程中冷却速度应小于40℃∕h，由于本次设计的批量比较少，冷却速度不应很大，选择30℃∕h。在球化退火前要注意的是球化退火前的组织要细片珠光体，不允许有严重的网状碳化物，否则在球化退火前安排正火处理。球化退火的组织为索氏体和粒状碳化物。

4.1.5淬火工艺曲线

本设计采用等温淬火。因为等温淬火除了有消除应力、提高力学性能和耐磨性等作用外，还可使组织应力和热应力减至最小，并大大减少工件的变形，适合要求变形小、形状复杂的刃具，所以对圆板牙这类要求变形较高的工件，宜采用等温淬火工艺。

1）温度的确定 查阅《热处理工艺规数据手册》可知9SiCr钢的淬火加热温度围在850～880℃，盐浴炉中加热系数为30～45s∕mm，冷却介质为油或硝盐。淬火加热温度的确定，除了考虑控制未溶碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、工具尺寸等因素。因为尺寸较大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的圆板牙宜采用较低的淬火加热温度，如：小于M10的圆板牙，常采用860～870℃；大于M10的圆板牙，采用850～860℃。

温度T∕℃ 860℃盐浴炉 A cm 870℃ A c1 770℃ 630℃ 190℃ 21min 11min 45min 油冷 时间t∕h

9SiCr等温淬火工艺曲线

本设计为M12的圆板牙，批量为5件，查阅《热处理手册》第4版，第2卷可知，不同规格的圆板牙其淬火温度与分级温度的关系如表所示。

不同规格的圆板牙其淬火温度与分级温度的关系

规格 加热温度∕℃ 分级温度∕℃

根据上表的规数据，本设计的淬火加热温度选择860℃，等温温度选择为190℃。等温时，部分奥氏体转变为下贝氏体，从而使钢的硬度、强度和韧性得到良好的配合，并保证工件具有良好的耐磨性。等温温度过高，硬度、强度会急剧下降；等温温度过低，得不到所需的下贝氏体数量。等温温度也会影响随后空冷时形成的马氏体数量，从而对螺孔的胀缩有影响。同样等温停留时间对力学性能也有影响，适当的时间使钢具有最佳的强韧性。

2）淬火时间的确定 低合金刃具钢的导热性差，并且此设计的圆板牙尺寸较大，形状复杂，所以除了应该缓慢加热外，还应该在600～650℃预热，预热为淬火时间的两倍左右，以减少高温停留的时间，从而减轻9SiCr圆板牙钢的脱C现象。确定淬火时间的公式如下：

t=a·K·D

t-加热时间（min或s） a-加热系数（min/mm或s/mm） D-工件有效厚度(mm)①

K-装炉条件修正系数，通常取1~1.5

在盐浴炉中加热，由于盐浴炉的脱氧，也可以减轻圆板牙的脱C倾向。查阅《热处理手册》第4版，第2卷可知，在盐浴炉中预热到600～650℃的加热系数为60~90s/mm，淬火时的加热系数为30~45 s/mm。计算圆板牙的淬火时间

160~170 170~180 180~190

190~210

M1~M2.5 M3~M5 M6~M9 M10~M14 M16~M27 M27~M36

860~870

850~860

不根据零件的直径，而是根据厚度计算。本设计的有效厚度为14mm，装炉条件修正系数取1，所以预热时间和淬火时间分别为：

预热时间 t= a·K·D=90×1×14=1260s=21min；

淬火时间t= a·K·D=45×1×14=630s=10.5min，取11min；

3）等温时间 等温停留的时间对力学性能也有影响，适当的时间使圆板牙具有最佳的强韧性。试验表明，超过60分钟，圆板牙的性能大为下降。这因为下贝氏体和残余奥氏体量太多的缘故。所以等温时间为30～45min。根据装炉量等因素采用45分钟比较合适。等温淬火后的金像组织为：细小马氏体+粒状合金碳化物+残余奥氏体。

4）淬火的冷却 冷却时淬火的关键，应根据9SiCr圆板牙钢的淬透性、工件尺寸和形状有关。9SiCr钢的淬透性较高，一般均在油中火硝盐中淬火，本设计选择油淬。因为尽量缓慢的冷却可使降低淬火应力，减小变形和防止开裂。

4.1.6 低温回火工艺曲线

由于钢中 Cr、Si的加入，提高了9SiCr圆板牙钢的回火稳定性，因此可采用低温回火。查阅《简明热处理工手册》可知9SiCr圆板牙的回火温度为190~200℃，回火时间为90~120min。淬火后后的圆板牙应立即回火，以消除淬火应力，并提高韧性和塑性。采用低温回火可以保持圆板牙的高硬度、高耐磨性和高韧性。低温回火过程中，马氏体分解，残余奥氏体部分转变，使淬火应力降低很多，脆性也降低了。

本设计的圆板牙直径为12mm、装炉量5件，所以选择回火温度为200℃，保温时间90min。低温回火后组织为：细小马氏体+粒状碳化物+少量的残余奥氏体。硬度为60～63HRC。在选取回火温度时，应避免第一类回火脆性（250~350℃）。冷却方式为空气中冷却。具体的回火工艺参数如下图所示。

温度T∕℃ Ar1 730℃ 200℃ 90min 空冷 硬度60～62HRC 时间t∕h

9SiCr回火工艺曲线

4.2 9SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热处理工艺理论

4.2.1退火原理

将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却以达到接*衡状态组织的热处理工艺称为退火。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能、消除或减少应力，并为零件最终热处理准备合适的部组织。

钢件退火工艺种类很多，按加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火，又称相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、扩散退火和球化退火等；另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火等。

4.2.2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。淬火方法有以下种：

1）单液淬火法：一种冷却介质,用于形状简单的工件。

2）预冷淬火法：先在空气中预冷,再投入介质中冷却，可减小应力。 3）双液淬火法：先在冷却能力较强的介质中冷却，再转入冷却能力弱的介质中冷却，即保证获得马氏体组织，又减小淬火应力，但工艺控制难。

4）分级淬火法：在盐浴炉中保温一定时间后，出炉空冷，获得马氏体组织， 可保证工件较小的变形与防止开裂，适用于截面尺寸不大、形状复杂的工件。

5）等温淬火法：在盐浴炉中保温足够时间，发生下贝氏体转变后出炉空冷，获得下贝氏体组织，淬火应力小，具有良好的综合力学性能，适用于处理形状复杂、尺寸较小，要求较高硬度和韧性的工件。

6）局部淬火法：只对工件需要硬化的部位进行加热淬火。

4.2.3 回火工艺原理

回火是指将淬火钢加热到临界点A1以下某一温度，保温一定时间，使淬火组织转变为稳定的回火组织，然后以适当的方式冷却到室温的一种热处理工艺。回火分五个阶段进行：马氏体中碳的偏聚；马氏体分解；残余奥氏体的转变；碳化物的转变；α相得状态的变化及碳化物的聚集长大。回火目是获得工件所需的组织和性能、稳定工件尺寸和消除或减小淬火应力。回火的种类：

1）低温回火（150～250 ℃） 组织：回火马氏体。

目的：降低应力和脆性、保持高硬度和高耐磨性。 用途：刀具、模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件。 2）中温回火（350～500 ℃）

组织：回火托氏体。

目的：较高的强度、硬度以及良好的塑性和韧性、高的弹性极限。 用途：弹簧、热锻模具。 3）高温回火（500～650 ℃） 组织：回火索氏体。

目的：获得较好的综合力学性能。 用途：汽车、机床等的重要结构零件。

4.3圆板牙热处理常见缺陷的预防及补救方法

4.3.1圆板牙球化退火的缺陷及其预防、补救

圆板牙球化退火后易产生组织缺陷为球化组织粗大不均、球化不完全、组织中有网状碳化物，原因是球化退火千没有消除网状渗碳体，在球化退火时集聚而成或退火温度过高或过低、等温时间短。消除办法是进行正火和一次球化退火。防止措施是改善锻造工艺或采用正火预备热处理，消除网状碳化物及碳化物不均匀性

常见的缺陷还有过烧、黑脆。过烧是由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。黑脆是在钢退火后硬度虽然很低但脆性很大，一折即断。金相组织特点是部分渗碳体转变为石墨。产生原因是退火温度过高保温时间过长，冷却缓慢。预防办法是制定正确的热处理工艺，发生黑脆后不能返工。

4.3.2圆板牙分级淬火的缺陷及其预防、补救

圆板牙对变形的要求非常高，所以应特别注意淬火的变形缺陷。淬火时产生变形、开裂。预防措施是尽量做到均匀加热及正确加热；进行及时的回火；选择

正确的冷却方法和冷却介质。补救办法是重新淬火工件中间退火。产生变形的主要矛盾是热应力和组织应力。热应力由于表层冷却快，产生热涨冷缩，部受压应力，此时产生塑性变形，形成表面积大的部分向外伸展，表面积小的齿部向缩进的情况，如图14所示。

热应力对板牙的影响

组织应力的作用正好相反,板牙继续冷却的时候，表层冷却转变为马氏体，马氏体比容较大，因此产生膨胀，其部由于外层而产生应力，外层受压应力，此时部产生塑性变形。

组织应力对板牙的影响 脱碳是圆板牙9SiCr制造圆板牙的缺，发生脱碳的根本原因是盐浴中存在大量的氧化物，因此必须对盐浴进行严格的脱氧。圆板牙脱碳后其表面硬度下降，磨去表面脱碳层，硬度仍能达到要求。热处理后板牙螺纹不再磨加工，因此齿部脱碳使耐磨性大大降低。脱碳后圆板牙难以挽救，只能预防。

4.3.3圆板牙低温回火的缺陷及其预防、补救

回火的主要缺陷是硬度不合格，过高或过低、硬度不均匀，以及回火时产生变形及脆性等。主要是由于回火温度过低，回火时间过短。硬度太高可以适当的

提高回火温度适当的重新回火来进行调整。

回火后工件可能发生变形，这是由于回火前工件应力不平衡，回火应力松弛或产生应力重分布所致。要避免回火变形，采用多次校直多次加热或采用压具回火。

回火脆性的出现因为所选的回火温度不当。防止脆性的出现，应当正确的选择回火温度。本设计的回火温度为200℃，为避免第一类回火脆性，只有通过重加热淬火，另选温度回火。

5选择检测设备及方法

5.1选择检测设备

5.1.1设备

加热炉为主要的设备。按工作介质分：空气炉、盐浴炉、保护气氛炉、流动离子炉、真空炉。按外形和炉膛形状分：箱式炉、井式炉、台车式炉、推杆式炉、转底式炉、底式炉。根据圆板牙的热处理工艺选择用盐浴炉加热，盐浴炉主要是利用熔盐的对流加热工件。按加热方式分热式和外热式。用的最多的是热式盐浴炉为电极盐浴炉，这类炉子加热迅速均匀，工作温度围较宽，工件不易产生氧化脱碳，适用于合金的加热。

电极盐浴炉分为插入式电极盐浴炉和埋入式电极盐浴炉。插入式电极盐浴炉的优点是炉膛截面有长方形、方形、圆形及多边形等形状。埋入式电极盐浴炉则能够节约电能和提高工作室的利用面积。本设计选择插入电极式盐浴炉，如图所示。

插入式电极盐浴炉结构

埋入式电极盐浴炉结构

5.1.2仪表

热处理中温度是一个很重要的参数，实现精确的测量与控制，对提高热处理质量十分重要。温度测量与控制主要用测温元件和显示仪表。测温原件主要有热

电偶，热电阻，辐射高温计等，显示仪表主要有毫伏计，电子电位差计等。热电偶可以插入介质中，简单便捷。电子电位差计是一种自动平衡显示仪，能同时显示温度、自动记录曲线和控制炉温，在热处理中应用比较广泛。本设计选择热电偶和电子电位差计。

5.1.3工具夹

圆板牙的特点是厚度与直径相比显得薄，淬火时孔易涨大，除了用等温淬火来消除变形外，必要时要利用夹工具来调整尺寸变形。常用工夹具的主要用途，以便加热，冷却；减小或加热、冷却时的变形；对已变形的工件校正等。热处理常用的工夹具为淬火架，淬火挂（吊）具，渗碳吊具、淬火篮筐等1本设计选择如图11所示的两种挂具作为工夹具加热。

图11 淬火挂（吊）具

5.2圆板牙热处理质量检验项目、容及要求

1）变形检查 圆板牙在热处理过程中加热、冷却，并便随有相变发生，所以会产生变形，如弯曲或翘曲变形超过图纸技术或工艺要求围，必须校正。

2）外观检查 表面淬火后不能出现过烧、熔化、裂纹等缺陷。硬度合格后应进行发黑处理，处理后的颜色为棕色或棕黑色。

3）硬度检查 为保证圆板牙热处理后达到技术或工艺要求，待检件选取应有代表性，通常从热处理后的零件中选取能反映零件的工作部位或零件的工作部位硬度的其他部位，对每一个待检件的正时试验点数一般应不少于3个点。用洛氏硬度准确测量HRA再换算成HRC。圆板牙检验部位如下图12所示。

图12 圆板牙硬度检查部位示意图

表4 淬火回火硬度偏差围

表面硬度偏差围 HRC

零件类别

＜35

特殊重要件 重要件 一般件

5 7 9

30～50 5 7 9

＞50 5 7 9

4）金相组织检查 圆板牙球化退火后应该为珠光体2～5级，网状碳化物＜3级。按GB∕T1299—2000评定。低温回火后的金相组织为：马氏体 + 下贝氏体 + 残余奥氏体 + 碳化物。组织检验应注意残余奥氏体和针状碳化物，都按国家标准评定。

6结束语

通过本次课程设计让我系统梳理和巩固金属学与热处理的基本知识以及热处理工艺原理。9SiCr钢是一种低碳合金钢，其性能较适合做刃具及刀具。这次设计的主要容就是用9SiCr做圆板牙，在设计过程中遇到很多只是不了解的时候就去看一下前辈高人的相关经典论文或者查一下国家标准以及相关书籍，最终让

自己的困惑得以解决，同时顺利完成9SiCr圆板牙的热处理工艺设计。

我感觉9SiCr圆板牙的热处理工艺设计是我目前做的最成功的一次课程设计，得益于老师的谆谆教诲以及严格要求和同学们的支持。为此感每一位帮助我的老师及朋友，大家！

7参考文献

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