自行车链条零件热处理工艺设计-8083

('辽宁工业大学工艺课程设计（论文）题目：自行车链条零件热处理工艺设计院（系材料科学与工程学院专业班材料072学号：070202060学生姓王东阁指导教师王冰起止时2010-7-5~2010-7-16课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院教研室：材料科学教研室学号070202060学生姓名王东阁专业班级材料072课程设计（论文）题目自行车链条零件热处理工艺设计课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，概述相关零件的热处理工艺，进行零件的服役条件与失效形式分析，提出硬度、耐磨性、强度等要求。完成工艺设计。阐述自行车链条零件热处理工艺理论基础，选择设备、仪表和工夹具，阐述自行车链条零件热处理质量检验项目、内容及要求；阐明自行车链条零件热处理常见缺陷的预防及补救方法；给出所用参考文献。二、课设任务1.自行车链条零件材料的选择（要求在满足工件使用性能的前提下，兼顾经济性和工艺性，合理选择材料）；2.给出自行车链条零件相应的C曲线；3.给出自行车链条零件冷热加工工艺流程图；4.制定自行车链条零件热处理工艺。三、设计说明书要求设计说明书包括三大部分：1）概述；2）工艺设计；3）参考文献。设计说明书结构见《工艺设计模板》。工作计划集中学习0.5天，资料查阅与学习，讨论1.5天，设计7天：1）概述0.5天，2）服役条件与性能要求0.5天，3）失效形式、材料的选择0.5天，4）结构形状与热处理工艺性0.5天，5）冷热加工工序安排0.5天，6）工艺流程图0.5天，7）热处理工艺设计2天，8）工艺的理论基础、原则0.5天，9）设计工夹具0.5天，10）可能出现的问题分析及防止措施0.5天，11）热处理质量分析0.5天，设计验收1天。指导教师评语及成绩成绩：指导教师签字：年月日辽宁工业大学课程设计说明书（论文）前言热处理是现代工业中的一项重要工序，它可不破坏材料而提高材料的性能，挖掘材料的潜力，节约用材，延长机器零件使用寿命起着重要作用。自行车是现代社会仍然较为普遍的交通工具，因此对它的相关零件的热处理的研究就有着相当的意义。自行车的传动系统完全处于开放状态，其运行是典型的磨粒磨损形式，要求零件表面必须具有高硬度、高耐磨性，故传动零件都要经过相应的热处理，以满足相应的力学性能要求。自行车驱动来自人力，其主要传动零件所受弯曲应力或表面接触应力较小，故化学热处理一般采用浅层渗碳或碳氮共渗。自行车链条是传递动力的部件，除了在磨粒磨损条件下工作，需要有高的表面耐磨性外，同时，也因脚蹬动力及路面颠簸而产生冲击，因而要有一定的韧性。在选材与热处理时，常用低碳钢经碳氮共渗或用低碳合金钢进行淬火以获得板条马氏体（普通自行车），或用中碳优质低合金钢经淬火、中温回火处理（高级自行车）[1]。对于自行车链条零件，选用什么样的钢材合理，首先应从链条零件的工作条件、失效形式及性能要求出发，然后选择合适的钢种。最后再制定正确的热处理工艺。同时还应考虑选用钢种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。制造自行车链条各部分零件分别选用20MnSi、18CrMnMo、Q215-BF(B2F)、08F、45钢这几种材料是符合上述要求的，且具有良好的工艺性能。所以在本次设计中材料采用了上述钢种。本设计是在课堂学习热处理知识后的探索和尝试，其内容讨论如何设计自行车链条零件的热处理工艺，重点是制定合理的热处理规程，并按此设计自行车链条零件的热处理方法。目录1自行车链条零件热处理工艺概述........................................................................12自行车链条零件的服役条件、失效形式............................................................23自行车链条零件的材料选择及技术要求............................................................3I辽宁工业大学课程设计说明书（论文）4自行车链条部分零件材料的C曲线....................................................................35自行车链条零件加工工艺流程图........................................................................56自行车链条零件热处理工艺曲线........................................................................57自行车链条退火、碳氮共渗、淬火、回火工艺理论........................................88选择设备、仪表和工夹具....................................................................................99自行车链条零件热处理质量检验项目、内容及要求......................................1110自行车链条零件热处理常见缺陷的预防及补救方法....................................1211参考文献............................................................................................................13II辽宁工业大学课程设计说明书（论文）1自行车链条零件热处理工艺概述自行车是代步工具，也是运动器械。使用要求是自重轻、骑行轻快、安全舒适。因此自行车的整体结构及零件的设计、选材和加工方法，要保证有足够的强度，良好的刚性和耐磨性。同时，自行车又是个人使用的日常交通工具，需要量很大，故在技术上考虑制造成本低廉的问题比其他机械更为重要[1]。特别是根据自行车链条的工况，链片选用20MnSi，销轴选用18CrMnMo、滚子选用Q215-BF(BF)、套筒选用08F、弹簧卡片选用45钢[1]，经过恰当的热处理能满足链条的使用性能并使其具有良好的使用寿命，同时其工艺性能也是满足要求的。20MnSi属于低碳钢，淬火后发蓝处理，为了提高链片的强度、硬度及耐磨性，并且有相当的冲击韧性及耐蚀性，从而提高链片的使用寿命。18CrMnMo、Q215-BF(BF)、08F采用高温碳氮共渗加低温回火，使材料具备较好的表面耐磨性，心部为板条马氏体，有一定的韧性。45钢进行淬火加中温回火处理，得到较高的弹性极限，和满足要求的屈强比。淬火过程中，除了获得高的力学性能和良好的耐磨性外，还要设法减小变形，正确地选择淬火回火工艺是保证质量的关键，同时还要考虑组成链条各部分的复杂程度和结构大小，选择合适的加热温度和冷却介质。通过对链条热处理工艺的分析，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。根据链条的工作条件、失效形式及性能要求，从《热处理手册》中本设计选择了20MnSi等作为链条材料，在设计热处理工艺中，本设计借鉴了《热处理手册》《热处理技术》《热处理技术数据手册》《机械设计》及《钢的热处理》等。根据工艺设计的理论基础设定了完整的热处理工艺流程，使热处理后的链条除具有高强度、高耐磨性外，还具有一定的硬度和冲击韧性，从而满足链条的质量要求。1辽宁工业大学课程设计说明书（论文）2自行车链条零件的服役条件、失效形式2.1服役条件链传动的特点决定了其法向速度分量在不断的产生与消失之间发生变化，因而对其滚子、销轴等均会产生冲击，所以，必须具有一定的冲击韧性。外链片与销轴及内链片与衬套两部分组成的铰链结构不断的产生摆动，与链轮发生磨损。其开放式的设计，整个链条暴露在大气中，自行车在运行过程中，不断的会受到雨水的冲刷，再加上大气的侵蚀，对链条零件材料提出了一定的耐蚀性要求，外界的灰尘等也会以磨粒形式进入到铰链间，加剧其磨损。因此，从解决磨损的角度出发，材料需具备高强度、高硬度的特点。图1链传动简图[2]1、2-链片3-销轴4-套筒5-滚子图2滚子链结构[2]2辽宁工业大学课程设计说明书（论文）图3弹簧卡片[2]2.2失效形式1.链片、滚子与套筒的疲劳破坏：链条在变应力作用下工作，经过一定的循环次数，链片将发生疲劳断裂，滚子、套筒将出现疲劳破裂。2.销轴与套筒的磨损：在传动中组成铰链的销轴与套筒产生摩擦磨损，因为自行车链条是开式链传动，工况较为恶劣、润滑不良，加剧链条铰链的磨损，降低其使用寿命。因此，磨粒磨损是自行车链条的主要失效形式。3.销轴与套筒的胶合：润滑不良时，铰链的摩擦表面易发生胶合破坏。4.链条静强度破坏：链条过载（尤其是在上坡）时，会发生静强度不足而拉断[3]。3自行车链条零件的材料选择及技术要求自行车链条在闭式传动中，链板易发生疲劳断裂，滚子、套筒易发生疲劳破裂，销轴与套筒会产生摩擦磨损。在开式传动下，其磨损更加严重。由于链片在工作中易拉伸，应选择抗拉伸较好的材料防止其断裂。通常可选用20MnSi,18MnSi等材料，高级自行车可用40Mn钢，保证抗断力大于450kg[1]。本设计中选用20MnSi作为链片材料。销轴、滚子、套筒，主要失效形式是磨粒磨损，需要硬度较好的材料，其中销轴在传动时要受到一定的冲击，需要心部有较好的韧性和塑性。销轴可选用18CrMnMo。滚3辽宁工业大学课程设计说明书（论文）子可选用Q215-BF(BF)，套筒08F。材料列于下表：表1链条零件材料选择及技术要求[1]零件名称材料热处理技术要求链片20MnSi淬火后得到板条马氏体，71～74HRA销轴18CrMnMo碳氮共渗、淬火，渗层深度：0.2~0.3mm，硬度：74~82HRA滚子Q215-BF(B2F)碳氮共渗、淬火，渗层深度：0.15~0.25mm，硬度：62~72HRA套筒08F碳氮共渗、淬火，渗层深度：0.1~0.2mm，硬度：64~74HRA弹簧卡片45淬火、中温回火，硬度：71~75HRA4自行车链条部分零件材料的C曲线图4为弹簧卡片（45），图5为35MnSi等温转变曲线（C曲线），链片材料为20MnSi，参照35MnSi的C曲线制定生产工艺，销轴用18CrMnMo的C曲线未查得，滚子、套筒所用材料均为碳素工具钢，C曲线参考意义不大。4辽宁工业大学课程设计说明书（论文）图445钢的C曲线[4]5辽宁工业大学课程设计说明书（论文）图535MnSi的C曲线[4]5自行车链条零件加工工艺流程图链片：下料→冲压（落料）→冲孔（复冲）→粗、半精→淬火→发蓝[5]；落料是为了完成其外型成形,落料时采用同时将链板上两孔一同冲出的复冲工艺是为了保证其上两孔的孔距公差和位置公差，以满足链条的尺寸精度和提高链条强度；粗、半精加工是为了保证链板上两孔的孔径公差，以保证内链板与套筒、外链板与销轴的正确配合，满足标准规定的牢固度要求[5]；由于其含碳量低，淬火后得到板条马氏体，具有较高的强度硬度和良好的塑韧性，淬火应力小，不需回火；表面发蓝是为了防蚀。销轴：下料→拉拔→退火→切断→粗、半精（留防渗余量）→碳氮共渗→淬火、低温回火→磨削[5]；拉拔是为了使原料达到规格尺寸；退火是为了消除加工硬化，便于切削加工；粗、半精加工是为了保证尺寸及公差；碳氮共渗是为了增加表层碳氮浓度，形成间隙固溶体；6辽宁工业大学课程设计说明书（论文）淬火后得到高碳马氏体及氮化相，回火后消除淬火应力，最终使表面有较高的强度硬度，尤其是耐磨性，得到好的强韧性匹配[5]；磨削是为了得到较高的表面质量和高的外径尺寸精度，好的表面质量增大了销轴和套筒之间的接触面，提高链条的磨损寿命。滚子：下料→拉拔→退火→切断→冲孔→粗、半精（留防渗余量）→碳氮共渗→淬火、低温回火→磨削[5]；套筒：下料→打孔→粗、半精（留防渗余量）→碳氮共渗→淬火、低温回火→磨削[5]；滚子、套筒工艺路线与销轴基本相同，只是在选材和热处理工艺上略有不同，其各工序目的是一致的。弹簧卡片：下料→冲压（落料）→冲孔→粗、半精→淬火、中温回火。落料是为了得到其成形外型；粗、半精加工保证了其基本尺寸；淬火后得到混晶马氏体，强度、硬度很高，中温回火后得到回火索氏体，有较高的弹性极限和屈强比。6自行车链条零件热处理工艺曲线经查阅《热处理手册》，得图7、图8、图9中热处理曲线（含温度、时间），参照GB/T4140-1993，链片、销轴、套筒、滚子、弹簧夹片均为12mm以下小件，保温时间按照装炉量500kg进行设计；淬火介质等技术参数均参照《热处理工艺规范数据手册》根据制订。需要指出的是，图10中弹簧夹片中温回火温度根据工艺需求确定而来。1.20MnSi钢链片热处理工艺：加热到900～910度，保温1.5h，油冷后采取发蓝处理，升温至320度，保温0.8h后空冷即可。900~910C\uf06f淬火加热/h时间320C\uf06f发蓝0.8h1.5hO油冷空冷氧化性气氛7辽宁工业大学课程设计说明书（论文）图620MnSi钢链片热处理工艺曲线[1]2.销轴、滚子、套筒的碳氮共渗工艺：排气后，升温至880～910度进行共渗，时间70～120min，之后采取油冷冷却。图7销轴、滚子、套筒的气体碳氮共渗工艺曲线[1]3.销轴、滚子的退火工艺：加热至630～650度后，保温60min，随炉缓冷至500度出炉，既提高了生产效率，同时还满足了生产要求。图8销轴、滚子的退火工艺曲线/min时间排气共渗油冷（参考用量）-1/mLh\uf0b7甲醇-1/min煤油滴-1/Lh\uf0b7氨500\uf0bb600\uf0bb20\uf0bb500\uf0bb600\uf0bb160180～O70~120minC910~880\uf06fmin8~5Omin60C500\uf06f随炉缓冷至出炉空冷min/时间C650~630\uf06f8辽宁工业大学课程设计说明书（论文）4.销轴、滚子、套筒的回火工艺：分别加热至图示相应回火温度，保温1.5h。之后出炉空冷。图9销轴、滚子、套筒的回火工艺曲线5.弹簧夹片的淬火及回火处理工艺：加热至840～860度，保温1.5h后水冷，随后，立即进行中温回火，以避免淬火应力过大，造成开裂，回火温度380～400度，使其能够得到较好的弹性极限回火时间1.5h，随后出炉空冷。图10弹簧卡片（45）的淬火、中温回火热处理工艺曲线/h时间1.5hOC)200~180(\uf06f销轴、滚子C)180~160(\uf06f套筒空冷380~400C\uf06f水冷淬火加热回火/h时间1.5h1.5h840~860C\uf06fO空冷9辽宁工业大学课程设计说明书（论文）7自行车链条退火、碳氮共渗、淬火、回火工艺理论7.1退火工艺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，消除应力，得到近平衡态组织的热处理工艺，称为退火[6]。退火的目的在于均匀化学成分、改善机械性能、消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。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7.2碳氮共渗工艺原理碳氮共渗是同时向钢的表层同时渗入碳和氮并随后快冷的化学热处理过程，习惯上碳氮共渗又[6]。它可提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。根据本设计中采用高温（880～910）碳氮共渗，共渗70～120min，气氛为渗碳气和氨气。淬火后可使其状马氏体、含碳氮残余奥氏体和碳氮化合物[7]。10辽宁工业大学课程设计说明书（论文）7.3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[6]。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，可减小内应力。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，淬火内应力小，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。本设计中为了降低生产成本淬火后均采取水冷（单液淬火），经查阅资料，满足设计要求。7.4回火工艺理论及原则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，以适当冷速冷却，使淬火组织转变为回火组织的热处理工艺[6]。其目的是主要有消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；稳定组织与尺寸，保证精度；改善和提高加工性能[7]。因此，回火是工件获得所需性能的一道重要工序。按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。本设计在弹簧夹片的回火环节为了获取满足其弹性需求，采用中温回火（350～500℃）得到组织：回火托氏体；能够达到这样的目的：较高的强度、硬度以及良好的塑性和韧性、高的弹性极限[7]。11辽宁工业大学课程设计说明书（论文）8选择设备、仪表和工夹具8.1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、铅浴炉、油浴炉等；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[8]。经分析，由于自行车链条零件为小件，且需碳氮共渗，因此本设计综合考虑，选用DM型网带式炉作为主要设备，如图11：1-驱动鼓轮机构2-驱动鼓轮3-装料台4-网带5-炉底板驱动机构6-火幕7-密封罐8-外壳9-炉衬10-炉膛11-热电偶12-活动底板13-气体进口14-滑道15-淬火剂幕16-淬火槽17-网带退回通道18-水封图11网带式炉结构示意图为了减少零件表面氧化，经分析本设计选用装炉量为500千克的HZR-80型真空正压回火炉[8]，如图12：12辽宁工业大学课程设计说明书（论文）图12HZR-80型真空正压回火炉结构示意图8.2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。本设计中所用热处理炉的罐体上设置有控温热偶,可随时监测及调整温度变化,满足用户工艺需要，实现实时监测、动态控制[8]。8.3设计工夹具本设计中由于自行车链条零件均为小件，因此，考虑使用料筐，材料选用35Ni-15Cr合金，以延长使用寿命，它是十分稳定的奥氏体组织，没有脆性相，尤其是在碳氮13辽宁工业大学课程设计说明书（论文）共渗中可以保持合理的成本与寿命比值。并且对于淬火，它可以保持较满意的使用寿命[8]，各层使用密集网格，示意图如下所示：图13链条零件热处理专用料筐结构示意图9自行车链条零件热处理质量检验项目、内容及要求1）变形检查链条零件在热处理过程中加热、冷却，并伴随有相变发生，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范围，必须校正。14辽宁工业大学课程设计说明书（论文）2）外观检查淬火后不能出现过烧、熔化、裂纹等缺陷。链片的硬度合格后进行发蓝处理，处理后的颜色为氧化蓝色或黑色。3）渗层深度实物抽检；金相法：渗层深度=过共析层+共析层+亚共析层；硬度法：从表面测至硬度为550HV处的垂直距离（GB9450-88）[1],技术要求见表1；4）硬度检查退火硬度60HRB，用洛氏硬度计HRB，抽检[1]。表面硬度要求见表1，用洛氏硬度计HRA；5）金相组织检查链片淬火后为板条马氏体；碳氮共渗件淬、回火后表层组织为细针状马氏体集体上弥散分布碳氮化合物，向里是高碳马氏体加残余奥氏体[7]；弹簧夹片淬火、中温回火组织为回火屈氏体。所有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。10自行车链条零件热处理常见缺陷的预防及补救方法10.1退火的缺陷及其预防、补救退火时易出现残余应力过大，或者出现退火织构，通过对退火温度及保温时间，特别是出炉时间的掌控，对于上述缺陷进行防止，可通过再次退火消除残余应力及织构。15辽宁工业大学课程设计说明书（论文）10.2碳氮共渗缺陷及其防止、补救碳氮共渗后出现的缺陷有渗层深度不足、渗层深度超差、渗层不均匀、硬度偏低等，它们是由与温度和时间与已定工艺偏差过大，炉温和气氛控制不当，未严格按工艺操作等原因导致，因此，在热处理过程中必须严格按工艺操作，控制好温度、时间、气氛等重要参数，针对具体问题进行补救或返修。10.3淬火缺陷及其预防、补救淬火过程中在工件内部会产生应力，即淬火应力。工件不同部位变温速度的差异是内应力的来不均匀性最大，引发的内应力也最大，故淬火内应淬火应力过大易出现淬火变形与淬火裂纹，尽量做火工件进入淬火介质的方式和运行方向，及时进行化、脱碳及过热、过烧，可通过在给定温度范围内烧，无法补救，必须报废。硬度不足或淬火软点是起，可通过再次淬火或者调换新的淬火介质后重新10.4回火缺陷及其预防、补救回火后易出现硬度过高或者过低，硬度不均匀，以及回火产生变形及脆性等。通过在允许回火温度范围内适当调整回火温度，控制一次装炉量等措施预防。一旦出现第二类回火脆性，可通过再次加热，并快速冷却的方法消除之。16辽宁工业大学课程设计说明书（论文）11参考文献[1]孙大涌.热处理手册[M].第3版.第2卷.北京:机械工业出版社，2001.5.[2]樊东黎.热处理技术数据手册[M].第1版.北京:机械工业出版社，2000.11.[3]孙志礼.机械设计[M].北京:科学出版社,2008.3.[4]孙大涌.热处理手册[M].第3版.第4卷.北京:机械工业出版社，2001.5.[5]杨国先.链条零件的加工工艺分析[M].北京:机械工业出版社,2006.11.[6]胡光立.钢的热处理[M].西安:西北工业大学出版社,2004.9[7]马鹏飞.热处理技术[M].北京:化学工业出版社,2008.12.[8]孙大涌.热处理手册[M].第3版.第4卷.北京:机械工业出版社，2001.5.17',)