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1、141. 前言零件设计是一个工程技术人员应该具备的最基本的专业技能。零件分析是认识零件的过程，是确定零件表达方案的前提，一个好的视图表达方案离不开对零件的全面、透彻、正确分析。零件分析也是确定零件的尺寸标注以及确定零件的技术要求的前提，因此，零件分析是绘制零件图的依据。零件的工艺结构分析就是要求设计者从零件的材料、铸造工艺、机械加工工艺乃至于装配工艺等各个方面对零件进行分析，以便在零件的视图选择过程中，考虑这些工艺结构的标准化等特殊要求和规定，使零件视图表达更趋完整、合理。课程设计可以培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题的能力，是锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力
2、的具体训练和考察过程。热处理生产工艺过程设计是金属材料工程专业课程教学的一个重要环节。通过这一环节，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
3、任何一种热处理工艺都不是绝对的完美，所以经热处理后的材料会有不同程度的缺陷，对零件的缺陷进行分析也也是零件设计必不可少的步骤。合理选择检验设备以及正确的检验方法是做好检验的必要条件。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。2. 零件图分析2.1零件的结构形状分析2.2零件的尺寸及技术要求分析 尺寸要求：1=37mm 2=44mm 3=82mm b=1.5mm 技术要求：渗碳层深度：0.4mm-0.6mm 硬度：40-50HRC 平面度：0.10
4、mm2.3 零件的服役条件失效形式和性能要求铣床摩擦片的工作情况为当电磁离合器线圈通电后产生磁场，将摩擦片吸向铁芯，衔铁也被吸住，紧紧压住各摩擦片，于是依靠主动摩擦片与从动摩擦片之间的摩擦力使从动齿轮随主动轴转动，总之，摩擦片主要用于传动和制动。铣床摩擦片工作的环境介质为干的空气中，不能有油或水等液体介质，因为在液体介质中工作有可能使铣床进给箱的电磁离合器与摩擦片之间冒烟，而且有可能使电磁力不够而致使出现打滑现象。服役条件：汽车，机床等的传动和制动，高的耐磨性，高的韧性，工作温度大致在200至450左右性能要求：较高的耐磨性，良好弹性和一定的强韧性，抗疲劳和抗咬合性能等，要求硬度在40至50H
5、RC失效形式：断裂，磨损，表面粘着，热衰退，热龟裂，表面弯曲等失效形式3. 材料分析 3.1选材分析根据零件图所给的性能要求，硬度为40至50HRC，如若选择一种碳素工具钢T8钢的话，它的含碳量高达0.7%至1.35%，大多属于共析和过共析钢，它们在淬火后有较高的硬度，至少大于60HRC，所以不符合零件的技术要求。同样的道理，如果选用一种优质碳素结构钢45钢的话，其属于一种中碳钢，因钢中珠光体含量多，使其强度硬度高于技术要求的硬度。所以我选用一种碳素结构钢它又是一种低碳钢即A3钢，这种钢中铁素体含量较多，所以这种钢的性能为强度高，塑性韧性好，焊接性好，这种钢能满足一般工程结构及一些机件的使用要
6、求，价格低廉，产量约占钢总产量的70%至80%。A3钢的用途也符合我所选用的零件，这种钢广泛用于制造薄板，钢筋，钢结构用各种型钢，建筑结构机械零件，渗碳或碳氮共渗零件。A3钢既符合经济性又符合工艺性的要求。3.2零件用钢化学成分及各元素的作用3.2.1化学成分分析Q235这种钢的化学成分包括C元素，Mn元素，Si元素，S元素，P元素。其中C元素的含量为0.14%0.22%，Mn元素的含量为0.30%0.65%，Si元素的含量为0.30%，S元素的含量小于等于0.050%，P元素的含量为0.045%。3.2.2各元素的作用硅（Si）：是钢中常见的还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗
7、拉强度，用于低碳钢中具有极高的导磁率。硫（S）：在通常情况下是有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫元素对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。如果S形成硫化物以后有可能增加钢的热脆性。若S含量在0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性。磷（P）：使液相线与固相线温度范围加大，易形成严重偏析。磷是固溶强化铁素体元素，能显著提高钢的抗拉强度，也能提高钢的耐蚀性，但却增加钢的脆性，尤其是显著降低钢的低温韧性，称为冷脆，磷也增加钢对回火脆性的敏感性。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。 锰（Mn）：是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的Mn，
8、它能消除和减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn也能增加钢的淬透性。4. 确定加工路线 加工工艺主要包括机加工和热处理工艺。机加工是指通过加工机械精确去除材料的加工工艺。热处理是指采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能工艺。下料锻造正火机械加工C-N共渗淬火回火精磨平面成品。5. 热处理工艺方法选择5.1正火工艺的选择正火是将钢加热到Ac3以上30-50（亚共析钢），保温后在空气中冷却的热处理工艺。即正火是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件，锻件的粗大晶粒和组织不均匀问题。因为正火的应用范围是低中碳钢和低合金结构钢铸，锻
9、件消除应力和淬火前的预备热处理，某些低温化学热处理件的预备热处理及某些结构钢的最终热处理。因为A3钢属于低碳钢所以选用正火作为预备热处理为宜。5.2 C-N共渗热处理工艺的选择碳氮共渗是一种同时使钢中渗入碳，氮原子并随后快冷的化学热处理方法。它可以提高零件的硬度，耐磨性和疲劳强度。亚温碳氮共渗是以渗氮为主，它近于氮化。如果选用常规热处理工艺高温渗碳，空冷后仍有变形，须校平，为了减少快速淬火造成的变形，必须选用缓和冷却淬火介质（油），但将影响淬硬性和淬透性，必须提高淬火温度（900到920）来弥补，变形虽小些，但仍需通过二次裝胎回火压平。出现压裂和磨削加工时出现磨削裂纹，服役时发现裂脆早期失效。
10、所以选用碳-氮共渗化学热处理工艺是比较合理的。碳-氮共渗包括气体碳-氮共渗和液体碳氮共渗。气体碳-氮共渗工艺是将含碳，氮元素的介质通入密封的井士炉中，在一定的温度下发生化学反应，生成活性C，N原子，向工件表面渗透，使零件表面一定深度下获得高碳，氮化学成分，经淬火后，表层获得高硬度，反应介质选用价格便宜又易得到的灯用煤油和液氮。液体碳-氮共渗即盐浴碳氮共渗，因最早的盐浴采用的是氰盐作为共碳，氮剂，故也俗称氰化。盐浴碳氮共渗设备简单，但是最大的缺点是盐浴中含有剧毒的氰盐，造成环境污染甚至危及人身安全。液体碳-氮共渗主要用于中，轻载荷下的工件，渗层要求较薄，一般在0.8mm以内，共渗温度通常在820
11、-870之间。在这里为了满足摩擦片的性能要求，我选则的是气体碳-氮共渗化学热处理工艺。5.3 淬火工艺的选择碳氮共渗后直接淬火，不仅畸变较小，而且可以保护共深层表面的良好组织状态。淬火选择在有机淬火剂中，可是变形微小，80%以上合乎技术要求，约20%摩擦片变形超差，经裝胎回火后全部合格。5.4 回火工艺的选择回火是将淬火钢重新加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却的热处理工艺。目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。回火分为低温回火，中温回火还有高温回火。（1）低温回火：在1502500C之间进行的回火称为低温回火，回火后的组织为回火马氏体。低温回火的目的
12、是在保持高硬度、高强度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性，主要用于处理各种工具、量具、冷作模具、滚动轴承以及渗碳件等。（2）中温回火：在3505000C之间进行的回火称为中温回火，回火后的组织为回火屈氏体。中温回火后的钢具有最高的弹性极限和足够的韧性，主要用于处理各种弹簧，也可以用于处理要求高强度工件，如刀杆、轴套等。（3）高温回火：在5006500C之间进行的回火称为高温回火，回火后的组织为回火索氏体。淬火加高温回火的热处理工艺称为调制处理。调制处理后的工件既具有高的强度又具有良好的塑性韧性，即具有高的综合力学性能，故调制处理被广泛用于要求高强度并受冲击或交变负荷的重要工作，如连杆、轴
13、等。与正火处理相比，在硬度相同的情况下，调制处理后钢的屈服强度、塑性和韧性明显提高了。 在这里我们采用低温回火最为合适以得到硬度及耐磨性比较好的零件。6. 制定热处理工艺制度6.1 正火工艺的制定6.11正火加热温度的确定低碳钢正火加热温度为Ac3以上30-50，所以对于Q235钢来说，选用的正火温度为900-950 冷却方式为空冷6.12 加热时间的确定加热时间的组成可用公式t加热=t升温+t均热+t保温表示。摩擦片一般经验加热时间为1.52h。最终确定正火工艺制度：9009501.52h，空冷。6.2 C-N共渗工艺的制定碳氮共渗比渗碳温度低，大约低100.可以使基体晶粒长大趋势和渗后淬火
14、畸变减小，氮原子的深入还使等温转变图右移使马氏体点（Ms）下降。因此，氮的渗入还可以提高渗层的淬透性。但同时使渗层中残留奥氏体量增加。另外，氮的渗入还会使共深层的耐火性增加。氮碳共渗的特点为：（1）温度对共渗表层碳氮含量的影响，随着共渗温度的升高，共渗层中的氮含量降低，碳含量先是增加，到一定温度反而降低。（2）共渗时间对共深层中碳氮含量的影响，共渗初期（1h），渗层表面的C,N浓度随时间的延长同时提高，继续延长共渗时间，表面的碳浓度继续提高，但是氧的浓度反而降低。（3）碳氮相互影响，共渗初期，氮原子渗入工件表面使其Ac3点下降，有利于碳原子的扩散。随着氮原子的不断渗入，渗层中会形成碳氮化合物相
15、，反而阻碍碳原子扩散，碳原子会减缓氮原子的扩散。6.21 碳氮共渗温度的确定对于碳钢来说碳氮共渗温度一般选在840至860，因为在此温度范围内晶粒不长大，变形小，渗速适当并可在渗后直接淬火。但对于受力不大要求变形小的薄壁耐磨件可在780至800共渗。因为铣床摩擦片的厚度为1.5mm，且是一种耐磨件，所以温度定在82010比较合适。【】6.22 碳氮共渗时间的确定根据渗层深度（x) 确定共渗时间（t) ,渗层深度与共渗时间关系式为x=K，【】式中t为共渗保温时间（h)；K为常数；x为渗层深度（mm） 碳氮共渗温度、时间对碳氮共渗层深度的影响 【】由公式和上图还有技术要求中要求的渗碳层深度0.4-0.6mm可大致确定碳氮共渗时间为3.8h左右。6.2.3碳氮共渗气氛及渗剂的确定选择以氨气为共渗剂的碳氮共渗剂，由氨气+渗碳剂组成。其中渗碳剂可以是吸热式，氨基气氛和滴入式渗碳剂。渗碳剂除向表面滴入碳原子外，还会与氨发生反应，形成氰氢酸。氰氢酸分解，形成碳氮原子。进一步促进渗碳和渗氮。共渗剂中氨加入量对炉内的碳势和氮势都有影响，对被渗工件所形成的共渗层的成分，性能也有一定的影响。常用气体共渗介质的类别为液体有机化合物+氨气，介质各组分为1）煤油+氨气（占总体积的25-30）2）甲醇+丙酮
