合金钢及热处理工艺课程设计.docx
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合金钢及热处理工艺课程设计
无锡职业技术学院课程设计说明书
课题名称：
“合金钢及热处理工艺”课程设计
姓名:
阳纯曜
班级：
材料11131
学号：
1040113135
学院/系：
机械学院
指导教师：
徐年宝
2013年11月15日
无锡职业技术学院课程设计说明书
“合金钢工艺”课程设计—任务书
姓名:
班级:
1、课程设计课题:
第四组:
普通自行车链轮材料设计
2、课程设计的主要项目和要求:
1）熟悉课题,查阅资料：
要求充分熟悉本课题，并查阅大量有关本课题内容的资料。
2）对所属零件进行受力和失效分析，提出性能要求。
3）确定合金钢材料：
要求在满足零件适用性能的前提下，兼顾经济和工艺性，合理选择材料。
4）确定热处理工艺方法和设备：
要求热处理方法和热处理设备。
5）编写说明书：
明确本课程设计方案的内容、确定原则和理由。
6）编制热处理工艺卡。
3、上交资料
1）设计说明书一套
2）热处理工艺卡一套
3）课程设计小结一份
材料教研室
2013.11.11
无锡职业技术学院课程设计说明书
摘要……………………………………………………………………….………1
一、自行车链轮的工作环境和失效形式……………………………………..1
二、自行车链轮的性能要求……………………………………………………2
三、普通自行车链轮材料的选择………………………………………………3
四、材料的合金元素的作用……………………………………………………4
五、材料的工艺分析……………………………………………………………5
六、热处理工艺方案设计………………………………………………………8
七、热处理工艺曲线…………………………………………………………...11
八、热处理工艺卡……………………………………………………………..12
参考文献…………………………………………………………………………13
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摘要
本文通过对普通自行车链轮材料的设计提出了，作为链轮材料的工作环境、受力情况、失效情况以及它的合金元素的作用，材料加工工艺，热处理工艺使用性能等的分析，对链轮材料40Cr和45钢工艺性和经济性的比较，提出了如何在保证满足使用性能的前提下，兼顾经济性与工艺性可行性，合理的能够选择材料。
采用收集资料、分析对比以及归纳总结的方法，解决了零件设计的相关标准、技术要求方面的问题。
制定热处理工艺方案的设计，并且确定了正确选择材料45#钢作为本次课程设计的最终材料，并用于普通自行车链轮材料的设计，正确的选择材料达到了在机械生产工艺制造方面“优质、高产、低成本”的要求
关键词:
结构钢链轮热处理热处理工艺
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一、自行车链轮的工作环境和失效形式
1链轮的工作环境
链轮是机械工业中应用最广泛的重要零件之一。
其主要作用是传递动力，改变运动速度和方向。
是主要零件。
其工作环境条件如下：
⑴链轮工作时，通过齿面的接触来传递动力。
两齿轮或者是链条在相对运动过程中，既有滚动，又有滑动。
因此，链轮轮表面受到很大的接触疲劳应力和摩擦力的作用。
在齿根部位受到很大的弯曲应力作用；
⑵高速链轮在运转过程中的过载产生振动，承受一定的冲击力或过载；
⑶在一些特殊环境下，受介质环境的影响而承受其它特殊的力的作用。
2失效形式
根据其工作环境的条件，常见的失效形式为以下四点：
1疲劳断裂
链轮在交变应力和摩擦力的长期作用下，导致链轮点面接疲劳断裂。
其产生是由于当链轮受到弯曲应力超过其持久极限就出现疲劳破坏而超过材料抗弯强度时，就造成断裂失效；
⑵表面损伤
a.点蚀是闭式链轮传动中最常见的损坏形式，点蚀进一步发展，表现为蚀坑至断裂。
b.硬化层剥落由于硬化层以下的过渡区金属在高接触应力作用下产生塑性变形，使表面压应力降低，形成裂纹造成碳化层剥落。
⑶磨损失效
汽车、拖拉机上的主载荷链轮，受力比较大，摩擦产生热量较大，链轮齿面因软化而造成塑性变形，在齿轮运转时粘结而后又被撕裂，造成齿面摩擦磨损失效
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二、自行车链轮的性能要求
链轮的力学性能要求，根据其使用条件，链轮传动应满足以下几个方面的性能要求。
力学性能：
抗拉强度σb（MPa）：
≥570（58），屈服强度σs（MPa）：
≥335（34），伸长率δ5（%）：
≥19，断面收缩率ψ（%）：
≥45，冲击功Akv（J）：
≥47，冲击韧性值αkv（J/cm2）：
≥59（6），硬度：
未热处理≤217HB;退火钢≤187HB，试样尺寸：
试样尺寸为25mm。
1）高的弯曲疲劳强度;
2）高的接触疲劳强度和耐磨性;
3）较高的强度和冲击韧性。
4）传递运动准确性：
要求链轮较准确地传递运动，传动比恒定。
即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。
5）传递运动平稳性：
要求齿轮传递运动平稳，以减小冲击、振动和噪声。
即要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化。
6）载荷分布均匀性：
要求链轮工作时，齿面接触要均匀，以使链轮在传递动力时不致因载荷分布不匀而使接触应力过大，引起齿面过早磨损。
接触精度除了包括齿面接触均匀性以外，还包括接触面积和接触位置。
7）传动侧隙的合理性
要求链轮轮工作时，非工作齿面间留有一定的间隙，以贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。
链轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件而定。
对于分度传动用的齿轮，主要要求链轮的运动精度较高；对于高速动力传动用齿轮，为了减少冲击和噪声，对工作平稳性精度有较高要求；对于重载低速传动用的齿轮，则要求齿面有较高的接触精度，以保证齿轮不致过早磨损；对于换向传动和读数机构用的齿轮，则应严格控制齿侧间隙，必要时，须消除间隙
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三、普通自行车链轮材料的选择
链轮材料的选择对于不需要热处理的片式链轮，可采用Q235、Q345（16Mn）、或10、20钢制造。
一般硬度在HBl40以下，适于中速、中等功率、较大的链轮加工。
要求热处理的链轮一般选用45#钢、45钢锻造、45铸钢或4OCr钢加工，适用于受力较大重要场合与高强度链条配套的主、从动链轮的加工。
铸铁链轮主要应用在精度要求不高或外形复杂的链轮，如环链轮等。
劣质的链轮坯子是冲压机或者水压机上直接砸出来的。
好的链轮坯子是精密铸造的。
坯子出来以后上磨
床，然后是热处理和电镀等表面处理。
作为链轮材料的设计，根据不同的工作环境选择合理经济的材料，表4.1
链轮材料
热处理
齿面硬度
应用范围
10、20
渗碳、淬火、回火
（50～60）HRC
z≤25有冲击载荷的链轮
35
正火
（160～200）HBS
z>25的链轮
45，45Mn，50
淬火、回火
（40～45）HRC
无剧烈冲击的链轮
15Cr、20Cr
渗碳、淬火、回火
（50～60）HRC
z<25的大功率传动链轮
40Cr、35SiMn、35CrMo
淬火、回火
（40～50）HRC
要求强度较高及耐磨度高
耐磨损的重要链轮
Q235、Q275
焊后退火
140HBS
中速、中等功率、
尺寸较大的链轮
不低于HT150的灰铸铁
淬火、回火
（260～280）HBS
z>50的从动链轮
酚醛层压布板
P<6kW、速度较高、
传动平稳、噪声小的链轮
表4.1链轮材料
1链轮零件的用途
链轮是机械工业的重要基础件，广泛地应用在动力、冶金、石油化工、航空航天以及舰船工业，汽车等重要领域，常常被用于自行车上。
适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的链轮。
常见的还被用于自行
车和摩托车的链条链轮、
2性能要求
链轮的表面有高的硬度和耐磨性，高接触疲劳强度，有较高的齿根抗弯强度，高的心部抗冲击能力。
选择材料45#钢作为本次课程设计的最终材料，并用于普通自行车链轮材料的设计。
四材料的合金元素的作用
1合金钢中化学元素表
45#钢的化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ti
0.42-0.50%
0.1～0.37%
0.50-0.80%
≤0.25%
0.04～0.10
S
P
Ni
Cu
≤0.035
≤0.035
≤0.30
≤0.25%
40#钢中主要的化学成分:
含碳（C）量是0.42-0.50%，Si含量为0.170.37%，Mn含量0.50-0.80%，Cr含量≤0.25%，Ni含量≤0.30%。
，Cu含量≤0.25%
2合金元素的作用：
1）C：
保证形成碳化物所需要的碳和保证淬火马氏体能够获得的硬度，
2）Si：
硅能阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，还能提高钢的抗回火性，提高对钢的综合机械性能。
3）Mn：
主要作用是提高钢的淬透性，增加钢的强度和硬度，有脱氧及脱硫的功效（形成MnS），防止热脆。
还可以改善渗碳层，有利于渗碳层增厚，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善机械性能。
4）Cr：
能够提高钢的淬透性并有二次硬化作用，还是碳化物形成元素，提高回火稳定性，增加钢的耐磨性。
5）Cu：
铜元素比较稳定，不易被氧化，所以含有的铜元素能起到耐腐蚀作用。
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五、材料的工艺分析
5.1材料热处理与加工工艺分析
一45钢材料工艺分析
45#钢为优质碳素结构用钢,硬度不高易切削加工,模具中常用来做模板,梢子,导柱等,但须热处理。
45#钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。
但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42-46。
所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
1.45号钢淬火后没有回火之前，硬度大于HRC55（最高可达HRC62）为合格。
实际应用的最高硬度为HRC55（高频淬火HRC58）。
2.45号钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。
调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、链轮轮及轴类等。
但表面硬度较低，不耐磨。
可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。
渗碳处理一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。
其表面含碳量0.8－－1.2％，芯部一般在0.1－－0.25％（特殊情况下采用0.35％）。
经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。
如果用45号钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。
现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，到0.30％芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。
0.35％从来没见过实例，可以采用调质＋高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。
二40Cr材料工艺分析
（1）特性：
中碳调制钢，冷镦模具钢。
该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。
正火可促进组织球化，改进硬
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度小于160HBS毛坯的切削性能。
在温度550-570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。
该钢的淬透性高45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。
（2）供货状态及硬度：
退火态，硬度≤207HBS。
（3）标准GB/T3077-1999钢的化学成分：
（质量分数，%）C0.37-0.44、Si0.17-0.37、Mn0.50-0.80、Cr0.80-1.10、Ni≤0.30。
（5）临界点温度：
（近似值）Acm=780℃
（6）正火规范：
温度850-870℃，硬度179-229HBS。
（7）冷压毛坯软化处理规范：
温度740-760℃，保温时间4-6h，再以5-10℃/h的冷速，降温到≤600℃，出炉空冷。
处理前硬度≤217HBS，软化后硬度≤163HBS。
（8）生铁屑保护摆动回火规范（670±10）℃×2h，随炉升温，（710±10）℃×2h，随炉降温，（670±10）℃×2h，随炉升温，（710±10）℃×2h，再随炉降温，（670±10）℃×2h，随炉升温,（710±10）℃×2h，随炉降温,共3个循环，再降温至550℃，出炉空冷。
处理后硬度153HBS。
（9）调质处理规范：
淬火温度850℃±10℃，油冷；回火温度520℃±10℃，水、油空冷。
5.2材料的性能对比
作为自行车链轮的不同材料的性能对比
低速（<0.1m/s）,低载荷下工作的不重要变速箱齿轮和挂轮架齿轮
45
840～860℃正火
156～217HRC
低速（<0.1m/s）,低载荷下工作的齿轮（如车床溜板上的齿轮）
45
820～840℃水淬
500～550℃回火
200～250HRC
中速、中载荷或大载荷下工作（车床变速箱中的次要齿轮）
45
860～900℃高频感应加热，水淬，350～370℃回火
40～45HRC
速度较大或中等载荷下工作的齿轮，齿部要求较高（钻床变速箱中的次要齿轮）
45
860～900℃高频感应加热，水淬，380～320℃回火
45～50HRC
高速、中等载荷，要求齿面硬度高（磨床砂轮箱齿轮）
45
860～900℃高频感应加热，水淬，180～200℃回火
52～58HRC
速度不大、中等载荷，断面较大（铣床工作台变速箱齿轮、立车齿轮）
40Cr、42SiMn
840～860℃油淬，600～650℃回火
200～230HRC
中等速度、中等载荷，不大的冲击下工作的高速机床走刀箱、变速箱齿轮
40Cr、42SiMn
调质后860～880℃高频感应加热，乳化液冷却，280～320℃回火
45～50HRC
高速、高载荷、齿部要求高硬度的齿轮
40Cr、42SiMn
调质后860～880℃高频感应加热，乳化液冷却，180～200℃回火
50～55HRC
45#钢与40Cr和42CrMo区别：
145#为优质碳素结构钢，碳含量为0.42--0.50%，抗拉强度为610MPa，屈
服点为360MPa；用于一般轴类零件。
240Cr为合金结构钢，碳含量为0.37--0.45%，含铬0.8--1.1%，抗拉强度为1000MPa，屈服点为800MPa；用于负荷较大的受力件。
342CrMo为合金结构钢，碳含量为0.38--0.45%，含铬0.9--1.2%，含钼0.15--0.25%，抗拉强度为1100MPa，屈服点为950MPa。
用负荷较大，要求可靠性较高的零部件。
5.3材料结算对比表
链轮材料种类
采购数量/件
报价价格/元
40#钢
45#钢
10-30
23
》50
12
40Cr
10-30
40
Q345
>100
18
通过价格对照表可以看出材料的经济性，以及材料的性能优点，作为自性车链轮的材料选择45#钢来制造链轮材料。
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六、热处理工艺方案设计
1所选热处理工艺目的：
1）淬火：
将工件加热到860℃左右的温度，保温一定时间，使之全部或部分奥氏体化后以适当的方式冷却，获得马氏体或和贝氏体组织的热处理工艺。
淬火是强化钢材，充分发挥钢材性能潜力的重要手段，通常需与回火配合使用，才能获得各类零件或工具的使用性能要求。
淬火的目的：
使过冷奥氏体进行马氏体转变，得到马氏体组织。
提高钢的力学性能，如强韧性、耐磨性。
改善钢的物理、化学性能。
2）回火
回火：
将钢加热带180℃的温度，保温一定时间然后冷却到室温，是不稳
定的组织（淬火马氏体+残余奥氏体）转变为稳定组织（回火马氏体）的热处理工艺。
回火的目的：
减少或消除齿轮的淬火应力，消除脆性，改善韧性、塑性，满足其力学性能要求。
稳定组织和尺寸，使亚稳定的淬火马氏体和残余奥氏体进一步转变为稳定的回火组织。
淬火后的钢组织是马氏体及少量残余奥氏体,它们都是不稳定的组织,有向稳定组织转变的趋势,同时淬火时产生内应力。
为了减小或消除淬火内应力,稳定组织和尺寸,获得所需的力学性能,实践证明重载齿轮选择在180℃进行4小时低温回火工艺较好。
链轮淬火后具有较高的强度和硬度，其淬火组织主要是韧性很差的孪晶马氏体，有较大的淬火内应力和一些微裂纹，所以回火应该及时点。
在180℃回火能使孪晶马氏体中过饱和的固溶碳原子沉淀析出弥散分布的ε碳化物，既可以提高钢的韧性，又保持了钢的硬度、强度、耐磨性。
在180℃回火时，大部分裂纹已经焊合，可大大减轻工件的脆裂倾向。
低温回火得到隐晶的回火马氏体及在其上分布的均匀细小的碳化物颗粒，硬度可以达到55HRC以上。
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回火的保温时间回火时间一般为1～3小时，在空气炉中保温时间
有效厚度/mm
≤20
20～40
40～60
60～80
80～100
保温时间/min
30～45
45～60
60～90
90～120
120～150
合金钢的保温时间按上述表格中所列出的时间增加20%～30%，空气炉低温回火的保温时间不得低于120min；装炉量大时，保温时间应适当延长。
所以齿轮的保温时间确定为2h。
材料的组织及性能加热温度为180℃。
加热到100℃时马氏体开始分解，共格析出ε-碳化物，回火保温足够长的时间后得到回火马氏体，硬度和耐磨性高。
低温回火时马氏体中过饱和碳原子以碳化物的形式逐步析出,马氏体晶格畸变程度减弱,内应力有所降低。
此时的回火组织由马氏体和碳化物组成,称为回火马氏体。
虽然马氏体的分解使α-Fe中碳的过饱和程度降低,钢的硬度相应下降,但析出的碳化物又对基体起强化作用,部分的残余奥氏体分解为回火马氏体,所
以钢仍保持很高的硬度和耐磨性和一定的韧性。
钢中含有的Si元素能提供钢的回火抗性，Cr元素能提高回火稳定性。
2所需要的技术要求
材料的组织及性能技术要求
⑴正常加热冷却工件加热到860℃后，保温一段时间，使之奥氏体化后用油冷却至室温，得到马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度。
⑵加热温度不足时出现非马氏体组织，加热后组织为奥氏体+铁素体，室温后组织为马氏体+铁素体，硬度不足，塑性大。
⑶加热温度过高时会引起奥氏体晶粒粗化，加热后的组织为粗大奥氏体，室温后的组织为粗大马氏体，脆性太大，易断裂。
⑷冷却速度过高时组织为马氏体，由于晶粒不均匀，性能较差，容易开裂和变形。
⑸冷却速度不足时组织为马氏体+贝氏体，硬度和强度不高，塑性较大。
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3工装夹具设计
链轮的移动将链轮放进加热的设备炉子中，要实现链轮轮的短距离移动，我选择用自制的钳子夹送，钳子如下图：
用钳子夹链轮移动齿轮时，可以用钳子的部分1来托运齿轮，这样就能实现齿轮短程运送时，轻拿轻放。
部位3是钳子的把手，当然表面肯定是增加摩擦的粗糙表面。
如果链轮不方便用钳子的部位1来实现托运，也可以用钳子的部位2来实
现，先将钳子部位2的两只脚合拢，穿过链轮的中心的空，再撑开钳子的两脚，就可以把齿轮卡在钳子上，此时就可以实现齿轮的运送。
4热处理设备选择
箱式电阻炉按温度的高低分为低温箱式炉、中温箱式炉、高温箱式炉，是目前应用最广泛的设备，通用性强，适用于大批量的热处理作业，中温箱式炉的应用十分广泛，是通用性很强的设备，使用温度在700-900℃，最大加热温度950℃，用于碳钢、低合金钢的退火、正火、调质处理、渗碳、淬火、回火以及时效等。
链轮零件热处理设备选用中温箱式炉。
5材料热处理工艺参数
淬火
回火
温度
/℃
淬火介质
硬度
HRC
不同温度回火后的硬度值HRC
150℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
650℃
860
油
42~60
43
41
40
39
35
30
25
17
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七、热处理工艺曲线
45钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。
做为链轮的材料，但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好，45号钢可以淬硬至HRC42-46。
所以如果需要表面硬度，又希望发挥45钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。
要经过两次淬火，第一次880℃、油冷，第二次870℃油冷，200℃回火，现制订热处理工艺曲线图如下：
第一次淬火：
先将炉子升温，到880℃后放入试棒，再次到温后计时，保温30min后取出油冷。
第二次淬火：
先将炉子降温至850℃，再升温到870℃，到温后放入试棒，再次到温后计时，保温30min后取出油冷。
回火工艺：
先将炉子降温到150℃，升温至200℃，然后放入经过两次淬火的试棒，再次到温后计时，保温1.5h后取出空冷。
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热处理工艺卡
无锡职业技术学院
热处理临时工艺卡
材料
45#
文件编号
处理前工序
粗车
零件简图：
产品型号
链轮
08A
处理后工序
精车、加工链轮齿
零件型号
自行车链轮
0012
处理后余量
2毫米
零件名称
链轮
工艺路线:
链轮—热处理调质---链轮----热处理工艺----链轮
工序名称
工艺规范
1
热前检查
重点外观检查磕碰伤、铸锻缺陷、毛刺等
2
淬火
箱式炉。
850℃，30分钟,取出后油冷。
3
检查
HRC≥45
4
回火
井式炉：
550℃。
120分钟，空冷（90分钟检查硬度）
技术要求：
1﹑
2﹑
3﹑
4﹑
5
终检
20%检查硬度HB260-300.。
有效期
2013年11月26日
批准
审核
校对
编制
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参考文献
1.《材料科学基础》王章忠主编机械工业出版社2008.3.第一版
2.《金属热处理工艺学》夏立芳主编哈尔滨工业大学出版社2008.5.第四版
3.《金属材料学》戴起勋主编化学工业出版社2005.8.第一版
4.《现代热处理手册》才鸿年、马建平主编化学工业出版社2010.1.第一版
5.《实用热处理技术手册》杨满主编机械工业出版社2010.6.第一版
6.《典型零件热处理技术》王忠诚、齐宝森、李杨主编化学工业出版社2010.7.第一版
7.《金属热处理原理与工业》王顺兴主编哈尔滨工业大学出版社2009.9.第一版
8.《结构钢及其热处理》董世柱、徐维良主编辽宁科技技术出版社2009.3.第一版
小结
通过对普通自行车链轮材料的设计，课程设计是个对我综合性的提高与知识运用，认真的做了本次课题设计实践,加深对课堂知识以及课外知识的扩展阅读和收集，提高自我学习的能力，加深了知识点的印象以及理解，并且初步地掌握了自行车链轮的设计流程和材料的性能，为以后其他零件甚至机械的设计打下了坚定的基础。
本次的合金钢及
升级会员 