1、遼 寧 工 業 大 學 工藝 課程設計（論文）題目：自行車鏈條零件熱處理工藝設計院（系）：材料科學與工程學院專業班級：材料072學號：070202060學生姓名：王東閣指導教師王 冰起止時間：2010-7-52010-7-16課程設計（論文）任務及評語院（系）：材料科學與工程學院 教研室：材料科學教研室學 號070202060學生姓名王東閣專業班級材料072課程設計（論 文）題 目自行車鏈條零件熱處理工藝設計課程設計（論文）要求與任務一、課設要求熟悉設計題目，查閱相關文獻資料，概述相關零件的熱處理工藝，進行零件的服役條件與失效形式分析，提出硬度、耐磨性、強度等要求。完成工藝設計。闡述自行車鏈條

2、零件熱處理工藝理論基礎，選擇設備、儀表和工夾具，闡述自行車鏈條零件熱處理質量檢驗項目、內容及要求；闡明自行車鏈條零件熱處理常見缺陷的預防及補救方法；給出所用參考文獻。二、課設任務1. 自行車鏈條零件材料的選擇（要求在滿足工件使用性能的前提下，兼顧經濟性和工藝性，合理選擇材料）；2.給出自行車鏈條零件相應的C曲線；3.給出自行車鏈條零件冷熱加工工藝流程圖；4.制定自行車鏈條零件熱處理工藝。三、設計說明書要求設計說明書包括三大部分：1）概述；2）工藝設計；3）參考文獻。設計說明書結構見工藝設計模板。工作計劃集中學習0.5天，資料查閱與學習，討論1.5天，設計7天：1）概述0.5天，2）服役條件與性

3、能要求0.5天，3）失效形式、材料的選擇0.5天，4）結構形狀與熱處理工藝性0.5天，5）冷熱加工工序安排0.5天，6）工藝流程圖0.5天，7）熱處理工藝設計2天，8）工藝的理論基礎、原則0.5天，9）設計工夾具0.5天，10）可能出現的問題分析及防止措施0.5天，11）熱處理質量分析0.5天，設計驗收1天。指導教師評語及成績成績： 指導教師簽字： 年 月 日遼 寧 工 業 大 學 課 程 設 計 說 明 書（論 文）前 言熱處理是現代工業中的一項重要工序，它可不破壞材料而提高材料的性能，挖掘材料的潛力，節約用材，延長機器零件使用壽命起著重要作用。自行車是現代社會仍然較為普遍的交通工具，因此對

4、它的相關零件的熱處理的研究就有著相當的意義。自行車的傳動系統完全處于開放狀態，其運行是典型的磨粒磨損形式，要求零件表面必須具有高硬度、高耐磨性，故傳動零件都要經過相應的熱處理，以滿足相應的力學性能要求。自行車驅動來自人力，其主要傳動零件所受彎曲應力或表面接觸應力較小，故化學熱處理一般采用淺層滲碳或碳氮共滲。自行車鏈條是傳遞動力的部件，除了在磨粒磨損條件下工作，需要有高的表面耐磨性外，同時，也因腳蹬動力及路面顛簸而產生沖擊，因而要有一定的韌性。在選材與熱處理時，常用低碳鋼經碳氮共滲或用低碳合金鋼進行淬火以獲得板條馬氏體（普通自行車），或用中碳優質低合金鋼經淬火、中溫回火處理（高級自行車）1。對于

5、自行車鏈條零件，選用什么樣的鋼材合理，首先應從鏈條零件的工作條件、失效形式及性能要求出發，然后選擇合適的鋼種。最后再制定正確的熱處理工藝。同時還應考慮選用鋼種的工藝性能包括加工性能、切削加工性能和熱處理工藝性能。制造自行車鏈條各部分零件分別選用20MnSi、18CrMnMo、Q215-BF(B2F)、08F、45鋼這幾種材料是符合上述要求的，且具有良好的工藝性能。所以在本次設計中材料采用了上述鋼種。本設計是在課堂學習熱處理知識后的探索和嘗試，其內容討論如何設計自行車鏈條零件的熱處理工藝，重點是制定合理的熱處理規程，并按此設計自行車鏈條零件的熱處理方法。目 錄1 自行車鏈條零件熱處理工藝概述12

6、 自行車鏈條零件的服役條件、失效形式23 自行車鏈條零件的材料選擇及技術要求34 自行車鏈條部分零件材料的C曲線35 自行車鏈條零件加工工藝流程圖56 自行車鏈條零件熱處理工藝曲線57 自行車鏈條退火、碳氮共滲、淬火、回火工藝理論88 選擇設備、儀表和工夾具99 自行車鏈條零件熱處理質量檢驗項目、內容及要求1110 自行車鏈條零件熱處理常見缺陷的預防及補救方法1211 參考文獻13141 自行車鏈條零件熱處理工藝概述自行車是代步工具，也是運動器械。使用要求是自重輕、騎行輕快、安全舒適。因此，自行車的整體結構及零件的設計、選材和加工方法，要保證有足夠的強度，良好的剛性和耐磨性。同時，自行車又是個

7、人使用的日常交通工具，需要量很大，故在技術上考慮制造成本低廉的問題比其他機械更為重要1。特別是根據自行車鏈條的工況，鏈片選用20MnSi，銷軸選用18CrMnMo、滾子選用Q215-BF(BF)、套筒選用08F、彈簧卡片選用45鋼1，經過恰當的熱處理能滿足鏈條的使用性能并使其具有良好的使用壽命，同時其工藝性能也是滿足要求的。20MnSi屬于低碳鋼，淬火后發藍處理，為了提高鏈片的強度、硬度及耐磨性，并且有相當的沖擊韌性及耐蝕性，從而提高鏈片的使用壽命。18CrMnMo、Q215-BF(BF)、08F采用高溫碳氮共滲加低溫回火，使材料具備較好的表面耐磨性，心部為板條馬氏體，有一定的韌性。45鋼進行

8、淬火加中溫回火處理，得到較高的彈性極限，和滿足要求的屈強比。淬火過程中，除了獲得高的力學性能和良好的耐磨性外，還要設法減小變形，正確地選擇淬火回火工藝是保證質量的關鍵，同時還要考慮組成鏈條各部分的復雜程度和結構大小，選擇合適的加熱溫度和冷卻介質。通過對鏈條熱處理工藝的分析，更加明確在執行熱處理工藝過程中所需要注意的問題。能夠正確確定加熱溫度、時間，保溫時間，冷卻方式，其目的就是通過正確的熱處理工藝，使金屬材料的潛在能力得到充分的發揮。根據鏈條的工作條件、失效形式及性能要求，從熱處理手冊中本設計選擇了20MnSi等作為鏈條材料，在設計熱處理工藝中，本設計借鑒了熱處理手冊熱處理技術熱處理技術數據手

9、冊機械設計及鋼的熱處理等。根據工藝設計的理論基礎設定了完整的熱處理工藝流程，使熱處理后的鏈條除具有高強度、高耐磨性外，還具有一定的硬度和沖擊韌性，從而滿足鏈條的質量要求。2 自行車鏈條零件的服役條件、失效形式2.1 服役條件鏈傳動的特點決定了其法向速度分量在不斷的產生與消失之間發生變化，因而對其滾子、銷軸等均會產生沖擊，所以，必須具有一定的沖擊韌性。外鏈片與銷軸及內鏈片與襯套兩部分組成的鉸鏈結構不斷的產生擺動，與鏈輪發生磨損。其開放式的設計，整個鏈條暴露在大氣中，自行車在運行過程中，不斷的會受到雨水的沖刷，再加上大氣的侵蝕，對鏈條零件材料提出了一定的耐蝕性要求，外界的灰塵等也會以磨粒形式進入到

10、鉸鏈間，加劇其磨損。因此，從解決磨損的角度出發，材料需具備高強度、高硬度的特點。圖1 鏈傳動簡圖21、2-鏈片 3-銷軸 4-套筒 5-滾子圖2 滾子鏈結構2圖3 彈簧卡片22.2 失效形式1.鏈片、滾子與套筒的疲勞破壞：鏈條在變應力作用下工作，經過一定的循環次數，鏈片將發生疲勞斷裂，滾子、套筒將出現疲勞破裂。2.銷軸與套筒的磨損：在傳動中組成鉸鏈的銷軸與套筒產生摩擦磨損，因為自行車鏈條是開式鏈傳動，工況較為惡劣、潤滑不良，加劇鏈條鉸鏈的磨損，降低其使用壽命。因此，磨粒磨損是自行車鏈條的主要失效形式。3.銷軸與套筒的膠合：潤滑不良時，鉸鏈的摩擦表面易發生膠合破壞。4.鏈條靜強度破壞：鏈條過載（

11、尤其是在上坡）時，會發生靜強度不足而拉斷3。3 自行車鏈條零件的材料選擇及技術要求自行車鏈條在閉式傳動中，鏈板易發生疲勞斷裂，滾子、套筒易發生疲勞破裂，銷軸與套筒會產生摩擦磨損。在開式傳動下，其磨損更加嚴重。由于鏈片在工作中易拉伸，應選擇抗拉伸較好的材料防止其斷裂。通常可選用20MnSi,18MnSi等材料，高級自行車可用40Mn鋼，保證抗斷力大于450kg1。本設計中選用20MnSi作為鏈片材料。銷軸、滾子、套筒，主要失效形式是磨粒磨損，需要硬度較好的材料，其中銷軸在傳動時要受到一定的沖擊，需要心部有較好的韌性和塑性。銷軸可選用18CrMnMo。滾子可選用Q215-BF(BF)，套筒08F。

12、材料列于下表：表1 鏈條零件材料選擇及技術要求1零件名稱材料熱處理技術要求鏈片20MnSi淬火后得到板條馬氏體，7174HRA銷軸18CrMnMo碳氮共滲、淬火，滲層深度：0.20.3mm，硬度：7482HRA滾子Q215-BF(B2F)碳氮共滲、淬火，滲層深度：0.150.25mm，硬度：6272HRA套筒08F碳氮共滲、淬火，滲層深度：0.10.2mm，硬度：6474HRA彈簧卡片45淬火、中溫回火，硬度：7175HRA4 自行車鏈條部分零件材料的C曲線圖4為彈簧卡片（45），圖5為35MnSi等溫轉變曲線（C曲線），鏈片材料為20MnSi，參照35MnSi的C曲線制定生產工藝，銷軸用18

13、CrMnMo的C曲線未查得，滾子、套筒所用材料均為碳素工具鋼，C曲線參考意義不大。圖4 45鋼的C曲線4 圖5 35MnSi的C曲線45 自行車鏈條零件加工工藝流程圖鏈片：下料沖壓（落料）沖孔（復沖）粗、半精淬火發藍5；落料是為了完成其外型成形,落料時采用同時將鏈板上兩孔一同沖出的復沖工藝是為了保證其上兩孔的孔距公差和位置公差，以滿足鏈條的尺寸精度和提高鏈條強度；粗、半精加工是為了保證鏈板上兩孔的孔徑公差，以保證內鏈板與套筒、外鏈板與銷軸的正確配合，滿足標準規定的牢固度要求5；由于其含碳量低，淬火后得到板條馬氏體，具有較高的強度硬度和良好的塑韌性，淬火應力小，不需回火；表面發藍是為了防蝕。銷軸

14、：下料拉拔退火切斷粗、半精（留防滲余量）碳氮共滲淬火、低溫回火磨削5；拉拔是為了使原料達到規格尺寸；退火是為了消除加工硬化，便于切削加工；粗、半精加工是為了保證尺寸及公差；碳氮共滲是為了增加表層碳氮濃度，形成間隙固溶體；淬火后得到高碳馬氏體及氮化相，回火后消除淬火應力，最終使表面有較高的強度硬度，尤其是耐磨性，得到好的強韌性匹配5；磨削是為了得到較高的表面質量和高的外徑尺寸精度，好的表面質量增大了銷軸和套筒之間的接觸面，提高鏈條的磨損壽命。滾子：下料拉拔退火切斷沖孔粗、半精（留防滲余量）碳氮共滲淬火、低溫回火磨削5；套筒：下料打孔粗、半精（留防滲余量）碳氮共滲淬火、低溫回火磨削5；滾子、套筒工

15、藝路線與銷軸基本相同，只是在選材和熱處理工藝上略有不同，其各工序目的是一致的。彈簧卡片：下料沖壓（落料）沖孔粗、半精淬火、中溫回火。落料是為了得到其成形外型；粗、半精加工保證了其基本尺寸；淬火后得到混晶馬氏體，強度、硬度很高，中溫回火后得到回火索氏體，有較高的彈性極限和屈強比。6 自行車鏈條零件熱處理工藝曲線經查閱熱處理手冊，得圖7、圖8、圖9中熱處理曲線（含溫度、時間），參照GB/T 4140-1993，鏈片、銷軸、套筒、滾子、彈簧夾片均為12mm以下小件，保溫時間按照裝爐量500kg進行設計；淬火介質等技術參數均參照熱處理工藝規范數據手冊根據制訂。需要指出的是，圖10中彈簧夾片中溫回火溫度

16、根據工藝需求確定而來。1. 20MnSi鋼鏈片熱處理工藝：加熱到900910度，保溫1.5h，油冷后采取發藍處理，升溫至320度，保溫0.8h后空冷即可。圖6 20MnSi鋼鏈片熱處理工藝曲線12. 銷軸、滾子、套筒的碳氮共滲工藝：排氣后，升溫至880910度進行共滲，時間70120min，之后采取油冷冷卻。圖7 銷軸、滾子、套筒的氣體碳氮共滲工藝曲線13. 銷軸、滾子的退火工藝：加熱至630650度后，保溫60min，隨爐緩冷至500度出爐，既提高了生產效率，同時還滿足了生產要求。圖8 銷軸、滾子的退火工藝曲線4. 銷軸、滾子、套筒的回火工藝：分別加熱至圖示相應回火溫度，保溫1.5h。之后出

17、爐空冷。圖9 銷軸、滾子、套筒的回火工藝曲線5.彈簧夾片的淬火及回火處理工藝：加熱至840860度，保溫1.5h后水冷，隨后，立即進行中溫回火，以避免淬火應力過大，造成開裂，回火溫度380400度，使其能夠得到較好的彈性極限回火時間1.5h，隨后出爐空冷。水冷圖10 彈簧卡片（45）的淬火、中溫回火熱處理工藝曲線7 自行車鏈條退火、碳氮共滲、淬火、回火工藝理論7.1退火工藝原理將組織偏離平衡狀態的金屬或合金加熱到適當的溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻，消除應力，得到近平衡態組織的熱處理工藝，稱為退火6。退火的目的在于均勻化學成分、改善機械性能、消除或減少內應力，并為零件最終熱處理準備合適的內部

18、組織。鋼件退火工藝種類很多，按加熱溫度可分為兩大類：一類是在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上的退火，又稱相變重結晶退火，包括完全退火、不完全退火、擴散退火和球化退火等；另一類是在臨界溫度以下的退火，包括軟化退火、再結晶退火及去應力退火等7.2碳氮共滲工藝原理碳氮共滲是同時向鋼的表層同時滲入碳和氮并隨后快冷的化學熱處理過程，習慣上碳氮共滲又稱作氰化6。它可提高零件的硬度、耐磨性和疲勞強度。根據處理溫度分為高溫和低溫碳氮共滲，本設計中采用高溫（880910）碳氮共滲，共滲時間70120min，氣氛為滲碳氣和氨氣。淬火后可使其表面層或亞表面層為針狀馬氏體、含碳氮殘余奧氏體和碳氮化合物7。7.3淬火工藝

19、原理把鋼加熱到臨界點Ac1或Ac3以上一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉變為馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火6。淬火方法有以下種：1）單液淬火法：一種冷卻介質，用于形狀簡單的工件。2）預冷淬火法：先在空氣中預冷，再投入介質中冷卻，可減小內應力。3）雙液淬火法：先在冷卻能力較強的介質中冷卻，再轉入冷卻能力弱的介質中冷卻，即保證獲得馬氏體組織，又減小淬火應力，但工藝控制難。4）分級淬火法：在鹽浴爐中保溫一定時間后，出爐空冷，獲得馬氏體組織， 可保證工件較小的變形與防止開裂，適用于截面尺寸不大、形狀復雜的工件。5）等溫淬火法：在鹽浴爐中保溫足夠時間，發生下

20、貝氏體轉變后出爐空冷，獲得下貝氏體組織，淬火內應力小，具有良好的綜合力學性能，適用于處理形狀復雜、尺寸較小，要求較高硬度和韌性的工件。6）局部淬火法：只對工件需要硬化的部位進行加熱淬火。本設計中為了降低生產成本淬火后均采取水冷（單液淬火），經查閱資料，滿足設計要求。7.4回火工藝理論及原則回火是指將淬火鋼加熱到臨界點A1以下某一溫度，保溫一定時間，以適當冷速冷卻，使淬火組織轉變為回火組織的熱處理工藝6。其目的是主要有消除工件淬火時產生的殘留應力，防止變形和開裂；調整工件的硬度、強度、塑性和韌性，達到使用性能要求；穩定組織與尺寸，保證精度；改善和提高加工性能7。因此，回火是工件獲得所需性能的一道

21、重要工序。按回火溫度范圍，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。本設計在彈簧夾片的回火環節為了獲取滿足其彈性需求，采用中溫回火（350500 ）得到組織：回火托氏體；能夠達到這樣的目的：較高的強度、硬度以及良好的塑性和韌性、高的彈性極限7。8 選擇設備、儀表和工夾具8.1設備加熱爐為主要的設備。按工作介質分：空氣爐、鹽浴爐、保護氣氛爐、流動離子爐、鉛浴爐、油浴爐等；按外形和爐膛形狀分：箱式爐、井式爐、臺車式爐、推桿式爐、轉底式爐、底式爐8。經分析，由于自行車鏈條零件為小件，且需碳氮共滲，因此本設計綜合考慮，選用DM型網帶式爐作為主要設備，如圖11：1-驅動鼓輪機構 2-驅動鼓輪 3-裝料臺

22、4-網帶 5-爐底板驅動機構 6-火幕 7-密封罐 8-外殼 9-爐襯 10-爐膛 11-熱電偶 12-活動底板 13-氣體進口 14-滑道 15-淬火劑幕 16-淬火槽 17-網帶退回通道 18-水封圖11 網帶式爐結構示意圖為了減少零件表面氧化，經分析本設計選用裝爐量為500千克的HZR-80型真空正壓回火爐8，如圖12：圖12 HZR-80型真空正壓回火爐結構示意圖8.2儀表熱處理中溫度是一個很重要的參數，實現精確的測量與控制，對提高熱處理質量十分重要。溫度測量與控制主要用測溫元件和顯示儀表。測溫原件主要有熱電偶，熱電阻，輻射高溫計等，顯示儀表主要有毫伏計，電子電位差計等。熱電偶可以插入

23、介質中，簡單便捷。電子電位差計是一種自動平衡顯示儀，能同時顯示溫度、自動記錄曲線和控制爐溫，在熱處理中應用比較廣泛。本設計中所用熱處理爐的罐體上設置有控溫熱偶,可隨時監測及調整溫度變化,滿足用戶工藝需要，實現實時監測、動態控制8。8.3設計工夾具本設計中由于自行車鏈條零件均為小件，因此，考慮使用料筐，材料選用35Ni-15Cr合金，以延長使用壽命，它是十分穩定的奧氏體組織，沒有脆性相，尤其是在碳氮共滲中可以保持合理的成本與壽命比值。并且對于淬火，它可以保持較滿意的使用壽命8，各層使用密集網格，示意圖如下所示：圖13 鏈條零件熱處理專用料筐結構示意圖9 自行車鏈條零件熱處理質量檢驗項目、內容及要

24、求1）變形檢查鏈條零件在熱處理過程中加熱、冷卻，并伴隨有相變發生，所以會產生變形，如彎曲或翹曲變形超過圖紙技術或工藝要求范圍，必須校正。2）外觀檢查淬火后不能出現過燒、熔化、裂紋等缺陷。鏈片的硬度合格后進行發藍處理，處理后的顏色為氧化藍色或黑色。3）滲層深度實物抽檢；金相法：滲層深度=過共析層+共析層+亞共析層；硬度法：從表面測至硬度為550HV處的垂直距離（GB9450-88）1,技術要求見表1；4）硬度檢查退火硬度60HRB，用洛氏硬度計HRB，抽檢1。表面硬度要求見表1，用洛氏硬度計HRA；5）金相組織檢查鏈片淬火后為板條馬氏體；碳氮共滲件淬、回火后表層組織為細針狀馬氏體集體上彌散分布碳氮化合物，向里是高碳馬氏體加殘余奧氏體7；彈簧夾片淬火、中溫回火組織為回火屈氏體。所有組織檢驗應注意殘余奧氏體和針狀碳化物，都按國家標準評定。10 自行車鏈條零件熱處理常見缺陷的預防及補救方法10.1退火的缺陷及其預防、補救退火時易出現殘余應力過大，或者出現退火織構，通過對退火溫度及保溫時間，特別是出爐時間的掌控，對于上述缺陷進行防止，可通過再次退火消除殘余應力及織構。10.2 碳氮共滲缺陷及其防止、補救碳氮共滲后出現的缺陷有滲層深度不足、滲層深度超差、滲層不均勻、硬