金属材料工业缝纫机牙架

1、金属材料工程课程设计目录摘要 21. 工业缝纫机牙架服役条件 22. 工业缝纫机牙架零件材料选取 33. 零件加工工艺路线 53.1 零件机加工工艺基准的选择 53.2 热处理工序 63.3 零件加工工艺路线的制订 64. 热加工过程及分析 64.1 牙架零件热处理工艺分析 74.2 对原热处理工艺改进后的热处理工艺如下 105. 性能检测方法及分析 125.1 零件外观尺寸检测 125.2 力学性能检测 125.3 成分组织及检验 155.4 渗碳层深度的测定 166. 结论或建议 17参考文献 17金属材料工程课程设计摘要本文就工业缝纫机的牙架从选材，加工工艺流程、热处理工艺作出分 析，针

2、对热处理引起该零件变形制订热处理工艺流程，零件表面硬度、硬 化层深度、变形量、金相组织得到改善，很好的解决了零件变形这个问 题。关键词 20Cr 热处理变形 碳氮共渗 淬火回火1. 工业缝纫机牙架服役条件工业缝纫机牙架结构图如下（图 1）【1】，零件实际的服役条件和失效方式是比较复杂的，为了使材料的机械性能更好地满足零件工作要求，必 须了解零件的服役条件和失效形式及其相关性能指标。AA图 1 工业缝纫机牙架结构图金属材料工程课程设计由于该零件在服役状态承受快速运动的接触应力，需具有高的耐磨 性，同时该零件系精密装配件，要求有较高的尺寸精度。为此零件要求距 表面 0.4mm 范围硬度为 HRC5

3、5，但心部硬度不高于 HRC40。此外还要求 热处理后牙架两侧平面翘曲变形量 0.1mm，叉口间平行度及胀缩量均 0.1mm，零件表面粗糙度不大于 2.5 。2. 工业缝纫机牙架零件材料选取根据服役条件可知，工业缝纫机牙架材料应保证高耐磨性，根据要求 本文对以下机械零件用钢 15Cr、20钢、 20Cr 作成分和性能对比，根据零件 参数要求从中选择最合适的材料。 15Cr、20 钢、 20Cr的成分含量比较（表 1），15Cr【2】、20 钢、20Cr【2】力学性能比较（表 2）：表 1 15Cr、20钢、 20Cr 钢的成分含量（ w%）化学成分CSiMnCrSPNiCu15Cr0.140.

4、170.170.370.40.70.70.960.0350.03500.30.0320钢0.170.240.170.370.350.650.250.0350.0350.250.2520Cr0.170.240.170.370.50.80.821.140.0350.0350.030.03金属材料工程课程设计表 2 15Cr、20钢、 20Cr的力学性能表力学性能抗拉强 度b (MPa)屈服强 度s (MPa)伸长率 s()断面收 缩率 ()冲击功 Akv (J)冲击韧性 值kv (J/cm2)15Cr7354901145556920钢410245255520Cr83554010404759相对于

5、15Cr，20Cr有较高的强度及淬透性；临界淬透直径；油中约为 1520 mm ，水中约为 1140mm 韧性较差，渗碳时有晶粒长大倾向，降温 直接淬火，对冲击韧性影响较大，所以需二次淬火以提高心部的韧性，无 回火脆性倾向；钢的冷变形塑性高，可在泠态下拉丝，可切削性在高温正 火或调质状态下良好，但退火后较差，焊接性能较好，焊后一般不需热处 理，但对厚度 15mm的零件，焊前应预热到 100150 。所以 20Cr钢大 都用作渗碳钢，适用于制造心部强度要求较高，表面承受摩擦，截面尺寸 在 30mm 以下或形状复杂而载荷不大的渗碳件(油淬)，如机床变速箱齿 轮，齿轮轴，凸轮，蜗杆，活塞销，爪形离合

6、器等，对要求热处理变形小 和高耐磨性的零件，渗碳后可进行高频表面淬火，也可在调质状态下使 用，用于制造工作速度较大并承受中等冲击载荷的零件 【2】。从某种意义上讲， 20Cr钢实际就是在 20钢钢的基础上加入一定量的 Cr 而形成的一种合金钢。 20Cr钢由于在 20钢碳素钢的基础上加入了 0.70% 1.00%的 Cr，不仅对 Fe -C平衡相图中相变点由所改变。显微组织的变 化，必将带来力学性能的变化。与 20钢相比，其强度和淬透性有明显提 高，经淬火及低温回火后有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回金属材料工程课程设计火脆性不明显，该钢渗碳时有晶粒长大倾向，因此要求渗碳后应进行二次

7、淬火以保证心部的韧性 【3】。20Cr 是一种常见的合金结构钢。对于渗碳钢而 言，它又属于常见的低淬透性渗碳钢。综合以上分析考虑，工业缝纫机牙架属长薄板型复杂零件，材料选用 20Cr 钢。3. 零件加工工艺路线零件加工工艺路线包括机加工工艺路线和热处理工艺路线。工业缝纫 机牙架首先用 20Cr 钢，经浇铸成型，是长薄板型铸件。 3.1零件机加工工艺基准的选择在铸件机加工过程中正确选取工艺基准的方法很重要，基准是用来确 定生产对象的几何要素之间的几何关系所依据的那些点、线、面。从设计 与工艺两个方面看基准，可以把基准分为设计基准和工艺基准两大类。工 艺基准又分为工序基准、定位基准、测量基准和装配

8、基准。其中工序基准 与定位基准选择的合适与否。对铸件最终能否加工成为合格品至关重要。 工序基准的选择原则包括 3 个方面：应首先考虑与设计基准、铸造基准 一致；方便铸件的定位与检查；当采用设计基准与铸造基准为工艺基 准有困难时；可另选工艺基准，但必须可靠地保证零件设计尺寸要求。定 位基准是获得零件尺寸的直接基准，占有很重要的地位，定位基准又可分 为粗定位基准和精定位基准。选择粗定位基准时，必须保证定位准确，装 夹可靠。要求选用的粗定位基准尽可能平整、光洁和有足够大的尺寸。通 常铸件毛坯结构形式复杂，标注尺寸多，很多尺寸互相关联。工件加工成 成品后，将出现 3 种类型的尺寸：非加工面到加工面的尺

9、寸；加工面到非金属材料工程课程设计加工面的尺寸；加工面到加工面的尺寸。各种类型的尺寸，分别有相应的 尺寸公差标准要求。铸件最后加工成成品后，每一个尺寸必须满足图样技 术要求及需要的尺寸公差等级要求 【4】。3.2热处理工序铸件毛坯在粗车前应根据材质和技术要求安排正火火退火处理，以消 除应力，改善组织和切削性能。性能要求较高的毛坯在粗加工后、精加工 前应安排调质处理，以提高零件的综合机械性能；对于硬度和耐磨性要求 不高的零件，调质也常作为最终热处理。相对运动的表面需在精加工前或 后进行表面淬火处理或进行化学热处理，以提高其耐磨性。 3.3零件加工工艺路线的制订下料铸造成坯预备热处理（去应力退火）

10、机加工（以图1 左侧为基准粗加工精加工）碳氮共渗处理淬火（油淬）回火检验 成品（合格）4. 热加工过程及分析热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理 一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微 组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点 是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 为使金属工件具 有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形 工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。该零件表面要求有很高硬度而心 部又要求有韧性的零件，其热处理工艺采用渗碳淬火回火，因此热处理质 量的好坏直接影响其使用寿命，因此

11、热处理工艺的制订是很重要的。金属材料工程课程设计工业缝纫机牙架属板型复杂零件，采用 20Cr 铸钢浇注成型，然后机加 工到规定尺寸。而铸件一般都存在铸造应力。铸造应力消除得充分与否， 对后续的热处理变形有明显影响。如果热处理工艺对零件应力处理不好， 就会引起零件变形，所以在原热处理工艺进行改进。思路如下：4.1 牙架零件热处理工艺分析铸造应力与铸态组织 1铸件一般都存在铸造应力。铸造应力消除得充分与否，对后续的热处 理变形有明显影响。铸态的粗大晶粒及网状组织对淬火变形也有不利影 响。根据霍尔派奇关系式 :-1/2s=1+kds材料的屈服强度d晶粒平均直径k、 1与材料有关的两个常数 可见，晶粒

12、愈粗大，屈服强度愈小，即抵抗变形的抗力愈小，则零件 淬火后愈易变形。由于前述原因，要减小铸件的热处理变形，必须首先对 铸件施以合适的预处理措施，消除铸造应力与细化铸态组织。 预先热处理（退火）和最终热处理去应力退火 - 这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件， 冷拉件等的残余应力。对于牙架属长薄板型复杂零件，合适的预处理对控制其热处理变形是 至关重要的。牙架的原生产工艺采用正火预先热处理，由于牙架的尺寸较 小正火冷却速度较快，冷却中会产生新的应力，因此应以去应力退火处理金属材料工程课程设计代替正火处理。实践表明，牙架退火炉冷到 500以下，出炉后继续用料筐 垂直吊挂空冷的效果较好。渗碳

13、温度与淬火加热温度愈高，淬火后零件的变形就愈大。经过反复 试验，拟用中温碳氮共渗工艺代替渗碳并降低淬火温度，收到了显著的效1】。淬火淬火将钢加热到 Ac3或 Ac 1以上，保温一定时间使其奥氏体化，再以 大于临界冷却速度快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺 【5】。是为 了提高硬度采取的方法，主要形式是通过加热、保温、速冷。表面淬火是 对工件表层进行淬火的工艺。它是将工件表面进行快速加热，使其奥氏体 化并快速冷却获得马氏体组织，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退 火、正火或调质状态的组织。表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应 力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面层的硬度和耐磨性，达到

14、外 硬内韧的效果，并可造成表面层压应力状态，提高疲劳强度，延长工件的 使用寿命。本文中牙架零件选用就是表面淬火，所以时间较短。最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的 硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点，但却易使工件变形严重， 甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的 一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火 【1】。淬火油需要具备以下基本性 能： 具有较好的破膜能力，以改善淬火冷却的均匀性 （ 即较高的特性温 度） ；足够的冷却能力，以保证有效硬化层的要求；较低的低温冷速， 减小组织应力，利于控制畸变； 科学合理的冷却分布，有效的控制淬火 工件的应

15、力分布 【6】。淬火加热温度与冷却介质的温度之差愈大，冷却介质 的冷却能力愈强，淬火后零件的热应力与组织应力也愈大，工件变形就金属材料工程课程设计大。基于此点，我们采取了提高淬火介质温度的办法，采用120140热油淬火。合理的装炉方法与正确的淬火入油冷却方式对控制牙架的热处理变形 是至关重要的。所以牙架装炉应当采用特制的吊具，使每件牙架在炉内都 能处于垂直自由吊挂状态，互不碰压，淬火时，将牙架与吊具一起非常细 心地从炉内自然垂直吊出，不能碰炉壁，零件间也不能互相磕碰，急速垂 直入油并在油槽内悬吊冷却。淬火后获得具有晶粒边界效应的 +M 双相纤维状复合组织，在单轴拉 伸条件下，其强度遵循两相混合

16、物定律，随 M 含量增高而增高，延伸率随 M 含量增加而降低。在 +M 双相复合组织中， 和 M 两相硬度差较大， M 显微硬度为 306HV ，铁素体显微硬度 153HV ，硬度相差一倍。变形时， 受 M 强烈拘束作用，其裂纹首先通过 解理断裂而形成，随后以理解断裂 方式通过 ，裂纹通过 M 时表现为准解理韧性断裂。解理断裂应力与马氏 体岛及铁素体的平均自同由程度有关，细化铁素体晶粒及马氏体岛的直径 均可提高解理断裂应力，从而增加试样的冲击韧性 【7】。碳氮共渗处理 碳氮共渗处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质 （ 气体、液 体、固体 ）中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮

17、、硼和铬等 元素。碳氮共渗可以显著提高零件的弯曲疲劳强度，提高幅度高于渗碳。 这是由于当残余奥氏体量相同时，含氮马氏体的比容大于不含氮的马氏 体，共渗层的压应力大于渗碳层。还有人认为，由于细小的马氏体与奥氏 体均匀混合，使得硬化层的微观变形均匀化，可以有效防止疲劳裂纹的形 成与扩展。 碳氮共渗中化合物的相结构与共渗温度有关， 800以上，基 本上是含氮的渗碳体 Fe3（C、 N）；800以下由含氮渗碳体 Fe3（C、N）、金属材料工程课程设计含碳 相 Fe23（ C、 N）及 相组成。化合物的数量与分布决定于碳氮浓度 及钢材成分 【8】。实践证明，牙架的渗碳层深度在技术要求的偏上限时，淬火后翘

18、曲变 形量增大，韧性较差，整形时极易断裂。严格控制牙架的渗层深度 0.350.45mm范围内，牙架的变形小且易于整形，在校正过程中，即使过量 敲击也不发生断裂，效果较好。回火在牙架淬火处理后，立即回火处理。如此可以消除或减少淬火产生的 内应力。牙架零件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火可能会会 发生变形甚至开裂。 可以调整 牙架零件的机械性能，经淬火后零件硬度高 而脆性大，为了满足力学性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬 度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。同时也可以稳定工件尺寸。4.2 对原热处理工艺改进后的热处理工艺如下退火 机加工（到规定尺寸） 碳氮共渗处理 淬火（油淬）

19、回火1）空炉升温至 700，放入零件，通入 1号渗剂。升温至 820， 通入 2号渗 剂， 50min。2）淬火时的温度应该保持在 800±5 。3）淬火过程中应该保温 10min，油淬，空冷至室温。4）回火时温度应该保持在 180±l0 。5）回火时应该保温 3 h，空冷至室温。10金属材料工程课程设计零件浇铸成型后进行退火处理，退火工艺曲线如（图 2）a 所示。然后 经机加工到规定尺寸，进行碳氮共渗处理，中温碳氮共渗工艺曲线见下图 （如图 2b）【1】。图 2a 牙架退火工艺曲线图2 b牙架碳氮共渗工艺曲线 A为 1号渗剂 B为 2号渗剂滴量单位 d/min （如图 1

20、80、150、40的单位 ）碳氮共渗在 RJJ一 35一 9 炉中进行。零件入炉前进行清洗除油，空炉 升温至 700时，零件与挂具一起自由垂直吊挂炉中，并立即通入乙醇与含 氮有机物组成的 1 号渗剂并排气；炉温升至 820时，滴入煤油与催渗剂组11金属材料工程课程设计成的 2号渗剂，到共渗温度后排气 30min 查看碳、氮势，调整滴量使炉气 处于合适状态。共渗 50min 后，检查随炉试片，测量渗层深度。渗层深度 达 0.4mm 时，降温至 800出炉。出炉操作需仔细，特别要防止零件互相 挂碰及与其它物体相碰等。将零件垂直从炉内吊出，立即快速垂直入油，悬吊在油槽中；油温控 制在 120140左

21、右， 10min 后提出空冷至室温，然后转入 180回火油槽 中挂吊回火 3h。经上述工艺处理后，牙架表面硬度为 HRC 5660，平面翘曲变形量 0.1mm；叉口部位平行度及胀缩量均在图纸技术要求之内。对牙架腰叉柄 部进行敲击变形试验，变形量在 0.5mm 内不发生断裂。经共渗、淬火和回 火处理后，牙架的金相组织，表层为细小粒状碳氮化合物，含氮回火马氏 体和残留奥氏体；过渡区为含氮回火马氏体和残留奥氏体；心部为板条马 氏体。与原渗碳组织相比，共渗层金相组织显著细小均匀。5. 性能检测方法及分析5.1 零件外观尺寸检测 零件外观尺寸检测包括形状尺寸检验、表面粗糙度的检验和表面缺陷 检验。按照零

22、件要求用测量仪器测量零件的外观各部分的尺寸（长50mm，厚 2mm ），检测是否合格。再用测量仪器测量表面粗糙度（ 2.5），检测是 否合格。检测零件的变形量（热处理后牙架两侧平面翘曲变形量0.1 m，叉口间平行度及胀缩量均 0.1mm）。5.2力学性能检测材料的力学性能是指材料在不同坏境下，承受各种外加载荷（拉伸、12金属材料工程课程设计压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时所表现出的力学特性，通常是 指材料的弹性、塑性和强度。在实际钢材进厂的力学性能检验和制成锻件后的力学性能检验中，总 有一定批次的钢材或锻件出现力学性能不合格的情况，强度和塑性很不容 易同时兼顾。有必要寻找力学性能不合格的

23、影响因素。对于牙架零件进行 力学性能检测要在热处理之前。强度及塑性检测 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形或断裂）的 性能 【9】。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强 度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有 一定的联系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破 坏的能力 【9】。在热处理前的强度和塑性通常在拉伸试验机上通过单轴静拉伸试验测 得，通过实验可测定其抗拉强度（ b）、屈服强度（ s 或 0.2）、延伸率 （ ）和断面收缩率（ ）等力学性能指标。其中， b，

24、和 s可分别用来材料 抵抗破坏和塑性变形的能力； 和 则可用来评价其塑形的大小。冲击韧性检测在热处理前的韧性一般通过在冲击试验机上做冲击试验的方法进行检 测，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功 k ，单位为焦耳（ J）。而 用试样缺口处的截面积 F 去除 k ，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指 标，即 k= k/F，其单位为 kJ/m2或 J/cm2。因此，冲击韧度 k 表示材料在 冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。k 值的大小表示材料的韧性好坏。一般把 k值低的材料称为脆性材料， k 值高的材料称为韧性材料。13金属材料工程课程设计合金结构力学性能试样的热处理是检验钢材力学性能各项指标

25、是否全 面合格的重要一环。合金结构钢的力学性能指标在不同的标准中或协议中 都有明确的规定，对热处理工艺规范的规定也有差异。而由于冶炼方式、 冶炼炉次的不同，或品钢的化学成分有差异。而钢材的实际轧制尺寸不同 对某些性能指标亦允许有稍许差异。此外，力学性能试样的原始组织不完 全一样，所有这些因素必然对热处理时相的转变以及热处理后试样的实际 性能有所影响。根据试样的具体情况，在标准规定的热处理工艺规范内， 选定合适的工艺，以便全面达到标准规定的力学性能指标，提高一次合格 率，就必须注意以下几个方面的问题。同种材料在不同标准中有不同的性能指标要求，相应的热处理工艺也 不会相同。对于 20Cr 钢，要特

26、别注意合金元素既改变临界转变速度也改变 共析成分。合金钢在淬火加热时，要适当提高淬火温度，适当加长保温时 间，以使试样的晶粒既不粗大又能保证好的淬透性及较高的力学性能。 硬度检测金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力，称为硬度 【 9】。硬度值的大小 不仅取决于材料的成分和显微组织，而且还取决于测量方法和条件。由于 硬度测量简便，造成的表面损伤小，可直接在零件上测定，而且硬度与其 它力学性能之间存在一定的经验关系，因而硬度作为材料、半成品和零件 的质量检测方法，在机械制造工业中得到广泛的应用。硬度包括洛氏硬度 (HRA 、 HRB 、 HRC) 、布氏硬度( HB)、里氏硬度 (HL) 、维氏硬度

27、 (HV) 等，牙架零件采用洛氏硬度。洛氏硬度试验采用了 3种压头， 6种试验力，根据金属材料材质、硬度 范围及尺寸的不同，共有 15个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎 全部常见的金属材料，应用范围十分广阔。洛氏硬度计在工业生产中得到14金属材料工程课程设计了广泛应用，成为检验产品质量，是确定合理加工工艺的主要手段。可测试各种黑色和有色金属，测试淬火钢、回火钢、退火钢、表面硬化钢、各 种厚度的板材、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。洛氏硬度试验操作简单，测量迅速，可在指示表上直接读取硬度值， 工作效率高，成为最常用的硬度试验方法之一。由于试验力较小，压痕也 小，特别是表面洛氏硬

28、度试验的压痕更小，对大多数工件的使用无影响，可 直接测试成品工件。因此， 此仪器非常适于在工厂使用，适于对成批加工的 成品或半成品工件进行逐件检测，该试验方法对测量操作的要求不高，非 专业人员容易掌握。工业缝纫机牙架采用洛氏（ HRC）硬度检测，表面硬度 HRC55，心部 硬度HRC40。5.3成分组织及检验在油淬情况下，随临界区加热温度提高，马氏体含量增加，强度和冲 击功增高，断面收缩率变化不大，延伸率降低。这主要是因为随马氏体含 量增加，强度升高， 马氏体对铁素体拘束作用加强，单轴拉伸试验时导致 裂纹及早萌生，从而延伸率降低。经一系列热处理后，牙架的金相组织： 表层为细小粒状碳氮化合物（图 3），含氮回火马氏体和残留奥氏体；过渡 区为含氮回火马氏体和残留奥氏体；心部为板条马氏体（图 4）。15金属材料工程课程设计图 3 距零件表面 4mm