1、1山西机电职业技术学院毕业设计（论文）说明书材料工程系 金属材料与热处理技术 专业 毕业设计（论文）题目 板牙热处理工艺设计低合金刃具钢 班级：材料 0907学生姓名徐建飞 学号 29210220 指导教师孙佳佳 2012 年 4 月 15 日2前言在当今社会生产中，金属材料的应用是十分广泛的，尤其是钢铁材料，在工业、农业、交通运输、建筑以及国防等各方面都离不开它。随着现代化工农业以及科学技术的发展，人们对金属材料的性能要求越来越高。为满足这一点，一般可以采取两种方法：研制新材料和对金属材料进行热处理。热处理是一种综合工艺，热处理工艺就是研制这种综合工艺的原理及规律一门学科。热处理工艺设计是整
2、个机械加工过程中的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所需的各种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。现在工业的迅速发展对机械零部件，工模具等提出的要求愈来愈高。热处理不仅对锻造机械加工的顺序进行和保证加工效果起者重要作用，而且在改善或消除加工后的缺陷，提高工件使用寿命的方面起着重要作用。为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点、要求和技术条件入手，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能的失效形式，正确选材，再根据生产规模，现场条件，热处理设备提出几种可
3、行的热处理方案，最后根据其经济性，质量稳定性和便于管理方面，降低成本等因素，确定出一种最佳方案。 3目录1.板 牙 及 其 分 类 及 其 使 用 方 法 注 意 事 项 和 维护 41.1 什 么 是 板牙 41.2 板 牙 的 分 类 41.3 板 牙 的 使 用 方 法 51.4 注 意 事 项 61.5、 维 护 72.板牙的服役条件及可能的失效形式82.1 疲劳断裂的分析82.2 磨损失效的分析82.3 变形失效的分析93.CrWMn 化 学 成 分 103.1CrWMn 钢 的 化 学 成 分 103.2 板 牙 热 处 理 加 工 路 线 103.3 力 学 性 能 113.4
4、物 理 性 能 1143.5 板 牙 热 处 理 工 艺 规 程 113.5.1 热 加 工 113.5.2 预 先 热 处 理 123.5.3 球化退火133.5.4 淬 火 133.5.5 低温回火工艺153.5.6 各热处理后金相组织图163.5.7 板牙淬火后板牙的经验项目、内容和要求183.5.8 板牙热处理中常见的缺陷及措施194 总 结205 参考文献215第 1 章板 牙 及 其 分 类 及 其 使 用 方 法 注 意 事 项 和 维 护 .1.1 什 么 是 板 牙板 牙 相 当 于 一 个 具 有 很 高 硬 度 的 螺 母 ， 螺 孔 周 围 制 有 几 个 排 屑 板
5、牙孔 ， 一 般 在 螺 孔 的 两 端 磨 有 切 削 锥 。 板 牙 按 外 形 和 用 途 分 为 圆板 牙 、 方 板 牙 、 六 角 板 牙 和 管 形 板 牙 （ 见 图 板 牙 的 类 型 ） 。 其中 以 圆 板 牙 应 用 最 广 ， 规 格 范 围 为 M 0 .25 M68 毫 米 。 当 加 工出 的 螺 纹 中 径 超 出 公 差 时 ， 可 将 板 牙 上 的 调 节 槽 切 开 ， 以 便 调节 螺 纹 的 中 径 。 板 牙 可 装 在 板 牙 扳 手 中 用 手 工 加 工 螺 纹 ， 也 可 装在 板 牙 架 中 在 机 床 上 使 用 。 板 牙 加 工
6、出 的 螺 纹 精 度 较 低 ， 但 由 于结 构 简 单 、 使 用 方 便 ， 在 单 件 、 小 批 生 产 和 修 配 中 板 牙 仍 得 到 广泛 应 用 。 1.2 板 牙 的 分 类板 牙 按 外 形 和 用 途 分 为 圆 板 牙 、 方 板 牙 (四 方 板 牙 )、 六 方 板牙 (六 角 板 牙 )、 管 6板 牙形 板 牙 和 管 子 板 牙 .其 中 以 圆 板 牙 应 用 最 广 ,规 格 范 围 为M0.25 M68mm.圆 板 牙 、 六 方 板 牙 国 家 均 有 国 标 ,但 五 金 市 场 上 一般 只 能 买 到 圆 板 牙 ,很 难 买 到 六 方
7、板 牙 ,更 别 说 四 方 板 牙 了 .由 于四 方 板 牙 (图 1)没 有 国 标 ,生 产 厂 家 更 少 ,且 外 观 也 不 尽 相 同 .但是 ,四 方 板 牙 在 维 修 和 安 装 机 器 设 备 中 ,却 非 常 有 用 . 按 板 牙 材 料 分 类 有 : 工 具 钢 板 牙 (用 于 镀 锌 管 ,无 缝 钢 管 ,圆钢 筋 ,铜 材 ,铝 材 等 加 工 丝 口 用 ) 高 速 钢 板 牙 (用 于 不 锈 钢 管 ,不 锈 钢 圆 帮 加 工 丝 口 用 ) 还 有 就 是 根 据 特 殊 套 丝 机 型 分 类 有 : 50A 型 板 牙 / 100A 型 板
8、 牙 / MCC 套 丝 机 板 牙 / REX 套 丝机 板 牙 / Q74 板 牙 /114R 板 牙 / 青 羊 板 牙 按 板 牙 材 料 分 类 有 : 工 具 钢 板 牙 (用 于 镀 锌 管 ,无 缝 钢 管 ,圆 钢 筋 ,铜 材 ,铝 材 等 加 工 丝 口 用 ) 高 速 钢 板 牙 (用 于 不 锈 钢 管 ,不 锈 钢 圆 帮 加 工 丝 口 用 ) 英 制 板 牙 （ BSPT)板 牙 的 牙 角 度 为 55度 美 制 板 牙 （ NPT） 板 牙 的 牙 角 度 为 60 度 1.3 板 牙 的 使 用 方 法7用 圆 片 板 牙 加 工 螺 纹 时 ， 呈 半
9、切 削 半 挤 压 状 态 。 板 牙 的 内 径和 中 径 为 切 削 部 板 牙分 ， 尤 其 是 板 牙 内 径 要 承 受 较 大 的 切 削 力 ， 因 此 必 须 具 有 一 定 的强 度 和 切 削 能 力 。 考 虑 到 板 牙 切 削 出 的 螺 钉 与 螺 孔 配 合 时 应 有 一定 的 间 隙 ， 并 考 虑 到 磨 损 量 ， 故 设 计 板 牙 时 ， 应 使 内 径 和 中 径 小于 螺 纹 内 径 、 中 径 的 标 称 尺 寸 。 jmM0.8 的 螺 纹 内 径 D 内 =0.584毫 米 ， 板 牙 的 内 径 D 板 内 。 ， = 0.55 毫 米 ，
10、 M0.8 的 螺 纹 中 径D 中 =0.67 毫 米 ， 板 牙 的 中 径 应 为 D 板 中 m x= 0.67 毫 米 ， 一 般确 定 在 0.660.67 毫 米 在 实 际 生 产 中 ， 板 牙 由 于 中 径 磨 损 造 成报 废 的 情 况 很 少 ， 所 以 在 设 计 时 对 中 径 的 磨 损 量 可 考 虑 得 小 些 。但 如 果 中 径 过 小 ， 则 螺 纹 的 推 压 力 就 取 增 大 ， 所 以 板 牙 的 中 径 不宜 设 计 过 小 。 螺 纹 的 外 径 是 通 过 切 削 时 金 属 在 板 牙 的 挤 压 作 用 下塑 性 变 形 而 得 到
11、 。 为 了 不 使 金 属 发 生 阻 塞 致 使 工 件 折 断 ， 板 牙 的外 径 不 应 参 加 工 作 ， 它 与 被 切 削 之 间 要 留 有 间 隙 。 如 切 削 M0.8螺 纹 ， 板 牙 外 径 最 小 为 0.8 毫 米 ， 一 般 外 径 要 加 大 0- 020.03毫 米 1.4 注 意 事 项8先 在 螺 栓 坯 料 的 端 部 加 工 出 45 度 的 倒 角 ， 以 防 止 在 板 牙 的导 向 刃 上 产 板 牙生 突 然 加 载 现 象 。 同 时 要 确 保 圆 板 牙 或 六 角 板 牙 垂 直 地 切 入 螺 栓坯 料 。 尽 可 能 减 小 螺
12、 栓 坯 料 的 直 径 ， 即 确 保 与 螺 栓 大 径 有 关 的 公 差靠 近 下 限 ， 这 样 可 把 攻 丝 时 产 生 的 切 削 力 降 至 最 低 。 使 用 带 刃 倾 角 部 分 的 板 牙 ， 这 样 可 确 保 把 切 屑 导 出 切 削 加 工区 域 。 采 用 正 确 的 冷 却 液 ， 并 把 足 量 的 冷 却 液 对 准 切 削 加 工 区 域 。 在 调 节 开 口 板 牙 时 ， 不 得 把 板 牙 张 开 ， 张 开 的 板 牙 在 攻 丝 时会 对 工 件 产 生 刮 擦 而 不 是 切 削 。 均 匀 地 转 动 调 节 螺 钉 ， 可 把 开
13、口板 牙 闭 合 大 约 0.15 mm。 若 压 力 只 作 用 在 板 牙 的 一 边 ， 可 能 会 使板 牙 损 坏 。 1.5、 维 护 1） 搬 运 注 意 项 目 ： 将 板 牙 头 在 套 丝 位 置 锁 定 ， 使 板 牙 完 全 伸开 ， 将 倒 角 刀 在 倒 角 位 置 锁 定 ， 之 后 方 能 可 靠 搬 运 。 92） 安 放 ： 安 放 机 器 时 ， 四 支 脚 的 长 度 必 需 进 行 调 节 ， 即 要 使后 卡 盘 比 前 卡 盘 高 些 。 （ 这 样 的 好 处 就 是 套 丝 机 工 作 时 ， 切 削 油不 会 往 管 子 内 壁 渗 ） 。
14、CrWMn 是 制 作 模 具 最 常 用 的 高 碳 合 金 工 具钢 。第 2 章板牙的服役条件及可能的失效形式2.1 疲劳断裂的分析疲劳断裂是机械零件在循环应力作用下，将会出现的疲劳断裂。所有机械零件在工作过程中的实效疲劳断裂与断裂失效的 50%90%时，疲劳断裂一般会发生突然，危害性大，疲劳断裂是发生在零件的局部应力区，某些晶粒在变力作用下形成微裂纹，随着循环数增加，裂纹继续扩展，导致最终疲劳断裂。针对疲劳断裂的特点，可以采用各种强化方法来提高零件的抗疲劳能力。2.2 磨损失效的分析 磨损是相互接触的零件间存在滑动时，接触表面会因发生摩擦损坏而引起形状变化的现象，它是一种可以看到的，渐
15、发生的破坏形式。主要有磨粒磨损和黏着磨损。磨粒磨损是由于相对运动的物体接触时，滑动表面高低不平，凸出的硬质点将轴的接触面刨出沟槽或划伤而产生的破坏。常见的磨粒磨损有：与切削、磨削加工类似的和有高强度、高硬度的磨粒进入两个接触面间的沟槽。黏着磨损是在两个相对运动的物体直接接触中，由于接触应力很高而引起塑性变形，导致物体接触，温度升高并发生黏着、焊合10现象，分离时黏合处撕开，从而将小块料撕去，造成表面损伤。提高耐磨性，一是要材料有高硬度，若材料中存在耐磨硬颗粒，更有利。二是材料具有小的摩擦系数，降低配对材料间的原子结合力， 此外，改善润滑条件，细化表面粗糙度，使机械零件保持清洁等，均有利于减少摩
16、擦磨损。2.3 变形失效的分析 变形失效主要有弹性和塑性变形失效。弹性变形失效是零件过量弹性变形产生的失效。主要是指失去弹性的能力，属于功能失效。引起弹性变形的原因零件刚度不够，除结构因素外，还取决与材料的弹性模量，因此，要预防弹性变形失效，因选择弹性模量高的材料来制作零件。塑性变形失效是零件因过量塑性变形产生的失效，主要由于应力过大造成的。零件产生塑性变形，是由于实际工作应力超过了这种材料的屈服强度。在设计装配使用正常情况下，应考虑选用高屈服强度材料。CrWMn 钢 具 有 高 淬 透 性 。 由 于 钨 形 成 碳 化 物 ， 这 种 钢 在 淬 火 和低 温 回 火 后 具 有 比 铬
17、钢 和 9SiCr 钢 更 多 的 过 剩 碳 化 物 和 更 高 的 硬度 及 耐 磨 性 。 此 外 ， 钨 还 有 助 于 保 存 细 小 晶 粒 ， 从 而 使 钢 获 得 较 好的 韧 性 。 所 以 由 CrWMn 钢 制 成 的 刃 具 ， 崩 刃 现 象 较 少 ， 并 能 较 好地 保 持 刀 刃 形 状 和 尺 寸 。 但 是 ， 钢 对 形 成 碳 化 物 网 比 较 敏 感 ， 这 种网 的 存 在 ， 就 使 工 具 刃 部 有 剥 落 的 危 险 ， 从 而 使 工 具 的 使 用 寿 命 缩短 ， 因 此 ， 有 碳 化 物 网 的 钢 ， 必 须 根 据 其 严
18、 重 程 度 进 行 锻 压 和 正 火 。11这 种 钢 用 来 制 造 在 工 作 时 切 削 刃 口 不 剧 烈 变 热 的 工 具 和 淬 火 时 要 求不 变 形 的 量 具 和 刃 具 ， 例 如 制 作 刀 、 长 丝 锥 、 长 铰 刀 、 专 用 铣 刀 、板 牙 和 其 他 类 型 的 专 用 工 具 ， 以 及 切 削 软 的 非 金 属 材 料 的 刀 具 。 根据板牙的服役条件和失效形式选择 CrWMn 作 为 板 牙 热 处 理 的 材 料第 3 章 CrWMn 化 学 成 分3.1CrWMn 钢 的 化 学 成 分 （ GB/T 1229-2000） w/% Cr
19、WMn 合 金 工 具 钢碳 C ： 0.90 1.05 硅 Si： 0.40 锰 Mn： 0.80 1.10 硫 S ： 0.03 磷 P ： 0.03 铬 Cr： 0.90 1.20 镍 Ni： 允 许 残 余 含 量 0.25 铜 Cu： 允 许 残 余 含 量 0.30 钨 W ： 1.20 1.60 3.2 板 牙 热 处 理 加 工 路 线12要求热处理后变形小，尺寸稳定，表面硬度 5458HRC。用 CrWMn钢制造，其工序为：热扎钢下料预先热处理球化退火粗加工淬火低温回火精加工精磨3.3 力 学 性 能硬 度 ： 退 火 ， 255 207HB， 压 痕 直 径 3.8 4.2
20、mm； 淬 火 ， 62HRC 热 处 理 规 范 及 金 相 组 织 ： 热 处 理 规 范 ： 淬 火 ,800 830 油 冷 。 交 货 状 态 ： 钢 材 以 退 火 状 态 交 货 。 3.4 物 理 性 能CrWMn 钢 临 界 温 度 示 于 表 2-13-2 其 饱 和 磁 感 Bs 为1.821.86T； 电 阻 约 为 0.2410-6 m。 表 2-13-2 CrWMn 钢 的 临 界 温 度 临界点 Acl Acm Arl温度（近似值）/750 940 7103.5 板 牙 热 处 理 工 艺 规 程3.5.1 热 加 工 13CrWMn 钢 的 热 加 工 工 艺
21、示 于 表 2-13-3。 表 2-13-3 CrWMn 钢 热 加 工 工 艺 项 目加热温度/开始温度/终止温度/冷却钢 锭 钢 坯11501200 1100115011001150 10501100880800 850800先空冷然后缓冷 先空冷然后缓冷为 了 降 低 或 减 轻 炭 化 物 网 状 的 形 成 ， 锻 轧 后 尽 可 能 冷 至650700 ， 然 后 缓 冷 （ 坑 冷 、 砂 冷 或 炉 冷 ） 。 3.5.2 预 先 热 处 理 CrWMn 钢 的 有 关 预 先 热 处 理 曲 线 示 于 图 2-13-1图 2-13-5，退 火 前 后 的 相 成 分 、 硬
22、 度 和 显 微 组 织 示 于 表 2-13-4， 需 要 说 明 的是 ： （ 1） 退 火 加 热 保 温 时 间 在 全 部 炉 料 加 热 到 退 火 温 度 后 为12h， 冷 却 ； 等 温 保 温 为 34h； （ 2） 高 温 回 火 用 于 消 除 冷 变 形加 工 硬 化 （ 如 称 为 再 结 晶 退 火 ） ； 消 除 热 处 理 前 的 切 削 加 工 内 应 力 。对 热 处 理 后 硬 度 过 低 的 零 件 在 二 次 淬 火 以 前 亦 先 进 行 高 温 回 火 保 温时 间 在 全 部 炉 料 加 热 到 温 后 为 23h； （ 3） 正 火 用 于
23、细 化 过 热 钢的 晶 粒 和 消 除 炭 化 物 网 ； （ 4） 当 钢 的 退 火 硬 度 HB 低 于 183 时 ，调 质 处 理 用 于 提 高 切 削 加 工 表 面 光 洁 度 。 14图 2-13-1 锻 压 后 退 火图 2-13-2 锻 压 后 等 温 退 火3.5.3 球化退火锻造后球化退火的目的主要是降低硬度，改善切削性能，为最终热处理作组织准备。工具钢原始组织为球状珠光体经淬火-回火后的力学性能和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。要注意的是球化退火前的组织要求是细片状珠光体，不允许有严重的网状碳化物，
24、否则应在球化退火前安排正火处理。球化退火组织按照国家有关评级，应在 2-5 级合格。3.5.4 淬 火 淬火工艺15等温淬火可使让应力和组织应力减至最小工具的变形，所以对板牙这类变形要求较高的工件，宜采用等温淬火工艺。首先在 600650预热，减少高温停留的时间，从而减轻板牙的脱 C 现象。淬火加热温度的确定，除了考虑控制未溶碳化物数量外，还应考虑原材料的球化级别、工具尺寸等因素。因为尺寸较大的工件，容易产生球化不良、碳化物不均匀等问题，所以大尺寸的板牙采用较低的淬火加热温度，M10 的圆板牙，采用 850860。CrWMn 钢 推 荐 的 淬 火 规 范 方案淬火温度/冷却硬度（HRC）介质
25、介质温度/延续冷却到 20 820840 油 2040 至油温 空冷 6365 820840 油 90140至 150200空冷 6365 830850 熔融硝盐或碱 150160 35min 空冷 6264注 ： 1、 方 案 和 用 于 形 状 复 杂 、 要 求 变 形 小 的 工 件 ； 2、 直 径 和 厚 度 大 于 50mm 的 工 件 ， 淬 火 温 度 可 提 高 到850 870 。 等温淬火后的金相组织为：马氏体+下贝氏体+残余奥氏体+碳化物3.5.5 低温回火工艺16由于 Si、Cr 元素的作用，提高了钢的回火稳定性，因此可在 190-200回火。在这温度下回火，硬度下
26、降很少，回火后硬度仍然有60-63HRC。经过回火后的金相组织为：回火马氏体+下贝氏体残余奥氏体+碳化物。大部分淬火应力已经消除。3.5.6 各热处理后金相组织图CrWMn 钢退火组织图CrWMn 钢淬火组织CrWMn 钢淬火组织加热:840 冷却:冷油17CrWMn 钢回火组织图CrWMn 钢的球化退火以下 4 图是 CrWMn 钢热处理后的缺陷图18193.5.7 板牙淬火后板牙的经验项目、内容和要求检验项目 检验内容及要求原材料质量 用试样检查 化学成分、低倍组织、晶粒度、淬透性、带状组织毛坯力学性能 用试样检查、检查布氏硬度，按图样检查b、0.2、Ak20毛坯质量 检查表面氧化、裂纹及
27、碰伤淬火深度 用试样检查 按图样要求，从表面测到 HV500 深度处有效深度，显微检查淬火深度时，碳钢为过共析+共析+1/2 过渡区;合金钢为过共析+共析层应占总深度的 50%70%表面硬度心部硬度组织按图样要求，为 5458HRC按图样要求,为 3440 HRC心部组织 为板条马氏体+少量铁素体表面裂纹 不许有裂纹，100%磁粉探伤，批量件5 件可抽取3.5.8 板牙热处理中常见的缺陷及措施缺陷名称 产生原因 防止措施毛坯硬度偏高 正火温度偏低或保温时间不足使组织中残余少量硬度较偏高（HV250）的魏氏组织，正火温度超过钢材晶粒显著长大的温度应从新制定正火工艺;检查控温仪表，校准温度，控制正
28、火冷却温度毛坯硬度偏低 正火冷却过缓 重新正火带状偏析 钢材合金元素和杂质偏析，一般正火难以消除更换材料214 总 结 课程设计是大学期间必不可少的一门课程，通过课程设计让我们得到了理论联系实际的切实体会，在课程设计中我们所学的课程知识得到了综合性的运用。我们这次课程设计的任务是板牙热处理工艺的设计低合金刃具钢，通过这次课程设计，加强了我们思考和解决问题的能力。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个零件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多热处理相关的知识，并且对于热处理过程有了更多的认识。 这次课程
29、设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。通过这次课程设计我懂得了生活就是这样，汗水预示着结果，也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里几年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋。我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我
30、认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。社会需要我们，我们也22可以为社会而工作。既然如此，那还有什么必要失落呢？于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们设计成功的一项非常重要的保证。而这次课程设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。5 参考文献1简明金属材料与热处理工艺手册。林约利 程芝苏编2赵晶，谢辅洲，孙振国主编。材料科学基础教程。哈日滨；哈日滨工业大学出版社。2009.23夏立方编。金属热处理工艺学。哈日滨，哈日滨工业大学出版社，2008.44孙茂才编著。金属力学性能。哈日滨，哈日滨工业大学出版社，2005.5（第二版）5刘瑞堂主编。机械零件失效分析。哈日滨，哈日滨工业大学出版社，20036中国机械工程学会热处理学会编。热处理手册。北京。机械工业出版社。2008.17上海市热处理协会编。使用热处理手册。上海。上海科学技术出版社。2009.123
