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辽 宁 工 业 大 学
工艺 课程设计（论文）

题目：Al-12.5 Si-3 Cu-2-2Ni-0.5Mg铸造合金热解决工艺设计

院（系）：
光伏学院
专业班级：
材料工程技术102
学号：

学生姓名：
杨向天
指导教师：
李青春
教师职称：
副专家
起止时间：
2023-7-5~2023-7-16

前 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，按用途大体可分为刃具、模具和检查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。
此设计是通过在课堂学习热解决理论知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计圆板牙钢的热解决工艺，重点是制定合理的热解决规程，并按此完毕Al-12.5Si-3Cu圆板牙钢的热解决工艺设计。
目 录（小二号黑体，段前段后1行，1.25倍行距，居中排列）
1 低合金刃具钢热解决工艺概述 1
2 圆板牙钢的热解决工艺设计 2
2.1 圆板牙钢的服役条件、失效形式 2
2.2 圆板牙技术规定及示意图 2
2.3 圆板牙钢的材料选择 4
2.4 圆板牙 9SiCr钢的C曲线 5
2.5 圆板牙9SiCr钢加工工艺流程图 6
2.6 9SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热解决工艺 6
2.7 9SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热解决工艺理论 11
2.8 选择设备、仪表和工夹具 12
2.9 圆板牙热解决质量检查项目、内容及规定 14
2.10 圆板牙热解决常见缺陷的防止及补救方法 15
3 参考文献 18

1 低合金刃具钢热解决工艺概述（小二号黑体，段前段后1行，1.25倍行距，居中排列）
低合金刃具钢的含碳量一般在0.8%~1.5%，其化学成分特点是高碳低合金化。低合金刃具钢一般为过共析钢，锻轧和锻导致毛坯后，先以球化退火作为预先热解决，以达成消除锻造应力、减少硬度、便于切削加工的目的，并提供良好的碳化物球化组织。再进行淬火加低温回火作为最终热解决，目的是便钢具有在回火马氏体基体上均匀分布细粒状的碳化物组织，以提高刃具的强度、硬度及耐磨性，从而提高刃具的使用寿命。（正文小四号宋体，段前段后0.25行，1.25倍行距）
2 圆板牙钢的热解决工艺设计（小二号黑体，段前段后1行，1.25倍行距，居中排列）
2.1 圆板牙钢的服役条件、失效形式
2.1.1 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，保证圆板牙内
2.1.2 失效形式
1）磨损 磨损大都是由于
2）崩刃 涉及微崩刃、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
3）断裂与破碎 切削工具由于承受较大的冲击或者由于工具自身的脆性较大有时会产生整体
4）被加工工件达不到技术规定 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
2.2 圆板牙技术规定
2.2.1 圆板牙的技术规定
圆板牙属于手工切削或低速切削的工，规定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的范围内。
装炉量：5件。
2.2.2 圆板牙的平面图

图1 圆板牙平面图
2.2.3 圆板牙的剖面图

图2 圆板牙剖面图
2.3 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，制造的材料组织中具有均匀分布的
9SiCr钢为常见的合金工具钢，为过共析低合金工具钢，其重要化学成分和临界温度如下表1和表2所示。
表1 9SiCr钢的化学成分（GB/T 1299—2023）W/%
C
Si
Mn
Cr
S
P
0.85～0.95
1.20～1.60
0.30～0.60
0.95～1.25
≤0.030
≤0.030

2.4 圆板牙9SiCr钢的C曲线
对于“C”曲线的变化来讲，奥氏体晶粒粗大，成分均匀性提高，奥氏体稳定性增长，“C”

图2 9SiCr钢奥氏体等温转变曲线（奥氏体化温度875℃）
2.5 圆板牙9SiCr钢加工工艺流程图

毛坯

锻造

球化退火

机械加工

淬火

检查

检查

回火

清洗

外观解决

发黑解决

图3 工艺流程图

2.6 9SiCr圆板牙(M12)钢退火-淬火-回火热解决工艺
制造9SiCr圆板牙（M12）采用的热解决工艺涉及预备热解决德球化退火和最终热处

2.6.1 锻造工艺曲线
图4 9SiCr圆板牙(M12)热解决全过程工艺曲线
制造圆板牙的毛坯要通过锻造后获得基本的形状。锻造是运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

图5 锻造工艺曲线
查阅《热解决工艺规范数据手册》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3所示。
表3 9SiCr钢的热加锻造工艺规范
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）
2.6.2 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解决是球化退火，目的是减少硬度，改善锻造组织和切削加性能，为最终热解决作组织准备。9SiCr圆板牙球化退火前的组织规定是细片状珠光体，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。
Acm 870℃
Ac1 770℃

Ar1 730 ℃

30℃∕h 炉冷

500℃出炉

空冷
800℃
710℃

2h
4h
温度T∕℃
时间t∕h
100℃∕h

图6 9SiCr等温球化退火工艺曲线
2.6.3 淬火工艺曲线
本设计采用等温淬火。由于等温淬火除了有消除内应力、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，适合规定变形小、形状复杂的刃具，所以对圆板牙这类规定变形较高的工件，宜采用等温淬火工艺。
A cm 870℃

630℃
860℃盐浴炉

190℃
21min
A c1 770℃
11min
45min
油冷
温度T∕℃

时间t∕h

图7 9SiCr等温淬火工艺曲线
2.6.3 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。

图8 9SiCr回火工艺曲线
2.7 9SiCr圆板牙钢退火、淬火、回火热解决工艺理论
2.7.1 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，保温一定期间，然后缓慢冷却
2.7.2 淬火工艺原理
把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上一定温度，保温一定期间，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解决工艺称为淬火。淬火方法
2.7.3 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，保温一定期间，使淬火组织转变为
2.8选择设备、仪表和工夹具
2.8.1设备
加热炉为重要的设备。按工作介质分：空气炉、盐浴炉、保护气氛炉、流动离子炉、

图9 插入式电极盐浴炉结构

图10 埋入式电极盐浴炉结构
2.8.2仪表
热解决中温度是一个很重要的参数，实现精确的测量与控制，对提高热解决质量十分
2.8.3工夹具
圆板牙的特点是厚度与直径相比显得薄，淬火时内孔易涨大，除了用等温淬火来消除具加热。

图11 淬火挂（吊）具
2.9 圆板牙热解决质量检查项目、内容及规定
1）变形检查 圆板牙在热解决过程中加热、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规定范围，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解决，解决后的颜色为棕色或棕黑色。
3）硬度检查 为保证圆板牙热解决后达成技术或工艺规定，待检件选取应有代表性，通常从热解决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实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。圆板牙检查部位如下图12所示。

图12 圆板牙硬度检查部位示意图
表4 淬火回火硬度偏差范围
4）金相组织检查 圆板牙球化退火后应当为珠光体2～5级，网状碳化物＜3级。按GB∕T1299—2023评估。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。组织检查应注意残余奥氏体和针状碳化物，都按国家标准评估。
2.10圆板牙热解决常见缺陷的防止及补救方法
2.10.1圆板牙球化退火的缺陷及其防止、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
2.10.2圆板牙球化淬火的缺陷及其防止、补救
圆板牙对变形的规定非常高，所以应特别注意淬火的变形缺陷。淬火时产生变形、开
图13 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，其内部由于外层而产生张应力，外层受压应力，此时内部产生塑性变形，如图15所示。

图14 组织应力对板牙的影响
脱碳是圆板牙9SiCr制造圆板牙的缺陷，发生脱碳的主线因素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，硬度仍能达成规定。热解决后板牙螺纹不再磨加工，因此齿部脱碳使耐磨性大大减少。脱碳后圆板牙难以挽救，只能防止。
2.10.3圆板牙低温回火的缺陷及其防止、补救
回火的重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

3 参考文献
[1] 王广生. 热解决手册.第4版.第2卷. 北京: 机械工业出版社，2023, 1.
[2] 张玉庭. 热解决技师手册. 北京: 机械工业出版社, 2023.
[3] 樊东黎. 热解决工程师手册. 北京: 机械工业出版社, 1996, 6.
[4] 安继儒. 热解决工艺规范数据手册. 北京: 化学工业出版社, 2023, 1.
[5] 李泉华. 热解决技术400问解析. 北京: 机械工业出版社, 20232, 1.
[6] 樊东黎. 热解决技术数据手册.第2版. 北京: 机械工业出版社, 2023, 4.
[7] 张玉庭. 简明热解决技工手册. 北京: 机械工业出版社, 1998, 9.