金属材料工业缝纫机牙架概要.docx
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金属材料工业缝纫机牙架概要
目录
摘要2
1.工业缝纫机牙架服役条件2
2.工业缝纫机牙架零件材料选取3
3.零件加工工艺路线5
3.1零件机加工工艺基准的选择5
3.2热处理工序6
3.3零件加工工艺路线的制订6
4.热加工过程及分析6
4.1牙架零件热处理工艺分析7
4.2对原热处理工艺改进后的热处理工艺如下10
5.性能检测方法及分析12
5.1零件外观尺寸检测12
5.2力学性能检测12
5.3成分组织及检验15
5.4渗碳层深度的测定16
6.结论或建议17
参考文献17
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。
A—A
图1工业缝纫机牙架结构图
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HRC55，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115Cr、20钢、20Cr钢的成分含量（w%）
化学成分
C
Si
Mn
Cr
S
P
Ni
Cu
15Cr
0.14-0.17
0.17-0.37
0.4-0.7
0.7-0.96
≤0.035
≤0.035
≤0.03
≤0.03
20钢
0.17-0.24
0.17-0.37
0.35-0.65
≤0.25
≤0.035
≤0.035
≤0.25
≤0.25
20Cr
0.17-0.24
0.17-0.37
0.5-0.8
0.82-1.14
≤0.035
≤0.035
≤0.03
≤0.03
力学性能
抗拉强度σb（MPa）
屈服强度σs（MPa）
伸长率δs（％）
断面收缩率ψ（％）
冲击功Akv（J）
冲击韧性值αkv（J/cm2）
15Cr
≥735
≥490
≥11
≥45
≥55
≥69
20钢
≥410
≥245
≥25
≥55
20Cr
≥835
≥540
≥10
≥40
≥47
≥59
表215Cr、20钢、20Cr的力学性能表
相对于15Cr，20Cr有较高的强度及淬透性；临界淬透直径；油中约为15~20mm，水中约为11~40mm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100~150℃。
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：
①应首先考虑与设计基准、铸造基准一致；②方便铸件的定位与检查；③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寸；加工面到非加工面的尺寸；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）→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，因此热处理工艺的制订是很重要的。
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
4.1.1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:
σs=σ1+kd-1/2
σs—材料的屈服强度
d—晶粒平均直径
k、σ1—与材料有关的两个常数
可见，晶粒愈粗大，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。
4.1.2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，收到了显著的效果【1】。
4.1.3淬火
淬火—将钢加热到Ac3或Ac1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：
①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）；②足够的冷却能力，以保证有效硬化层的要求；③较低的低温冷速，减小组织应力，利于控制畸变；④科学合理的冷却分布，有效的控制淬火工件的应力分布【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，工件变形就大。
基于此点，我们采取了提高淬火介质温度的办法，采用120~140℃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ɑ+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ɑ+M双相复合组织中，ɑ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，ɑ受M强烈拘束作用，其裂纹首先通过ɑ解理断裂而形成，随后以理解断裂方式通过ɑ，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】。
4.1.4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、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）、含碳ε相Fe2~3（C、N）及γ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0.35~0.45mm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。
4.1.5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）→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3h，空冷至室温。
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2b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180、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120~140℃左右，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HRC56~60，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≤0.1mm，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、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。
5.2.1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（σb）、屈服强度（σs或σ0.2）、延伸率（δ）和断面收缩率（Ψ）等力学性能指标。
其中，σb，和σs可分别用来材料抵抗破坏和塑性变形的能力；δ和Ψ则可用来评价其塑形的大小。
5.2.2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αk，单位为焦耳（J）。
而用试样缺口处的截面积F去除αk，可得到材料的冲击韧度（冲击值）指标，即αk=αk/F，其单位为kJ/m2或J/cm2。
因此，冲击韧度αk表示材料在冲击载荷作用下抵抗变形和断裂的能力。
αk值的大小表示材料的韧性好坏。
一般把αk值低的材料称为脆性材料，αk值高的材料称为韧性材料。
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。
5.2.3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（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）。
图3距零件表面4mm内的金相组织
图4零件心部的金相组织
5.4渗碳层深度的测定
该零件表面要求有很高硬度而心部又要求有韧性的零件（硬度要求低），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，其中尤以渗碳层深度的影响更为突出，所以准确而又快速测量渗碳层度是非常必要的。
本文建议使用金相法测量渗碳层深度时采用的标准是渗碳层深度包括过共析层、共析层及1/2过渡层，即从试样的表面开始测至过渡层一半；表面的金相组织一般为珠光体+碳化物，过渡层一般指共析层结束开始到心部组织为止【10】。
测量渗碳层深度是否达到零件要求（0.4mm）。
6.结论或建议
1）工业缝纫机牙架采用铸造成型，零件经热处理后容易产生热处理变形，所以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，以保证零件的正常使用。
2）选择20Cr钢作工业缝纫机牙架的材料，在热处理工艺制订时，在预先热处理工艺上将正火改为退火，更好地去除零件铸造成型时产生的铸造应力，防止铸造应力引起的零件变形。
3）相信本文中热处理工艺运用于生产以后，能很好地控制工业缝纫机牙架的热处理变形，使零件的质量提高。
零件表面硬度、硬化层深度、变形量、金相组织的合格率提高。
废品率得到了明显控制，同时节省了大量的校正整形工时，对工厂的生产效益有很大帮助。
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