金属学及热处理Word格式.docx

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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牙孔，一般在螺孔的两端磨有切削锥。

2012年12月

2、工件环境及服役条件分析

受力状态：

1　用圆片板牙加工螺纹时，呈半切削半挤压状态。

板牙的内径和中径为切削部分，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

2　尽可能减小螺栓坯料的直径，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。

3　为防止工件上的孔或模具型腔成为裂纹的策源地，孔与孔之间应有一定的距离，冲模型腔与模边之间的距离也应足够大。

载荷性质

1　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

2　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。

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

3　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生突然加载现象

2012年12月

4　确保圆板牙或六角板牙垂直地切入螺栓坯料。

5　圆板牙在工作时受扭矩较大，则须保证材料有良好的强韧性配合。

6　工具的越高，耐磨性就越好，刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此工具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧度。

工作场（如温度场、电磁场等）

1　作为刃具，硬度要求60-63HRC，则必须具有较高的淬透性，并保证圆板牙内部刃口部位淬硬

2　环境介质螺孔中径、螺距及内孔的精度涉及到加工后螺纹的精度，因此材料在热处理过程中要保证变形很小；

环境介质

1　采用正确的冷却液，并把足量的冷却液对准切削加工区域

2　由于刃口较薄且在内部，所以要求该材料组织中碳化物细小均匀，以保证在工作时刃口不崩刃、耐磨性好，寿命长截面急剧变化的工件

3　淬火时易引起过量变形或开裂，一般应采用平滑过渡或圆弧过渡

4　工具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。

四、失效分析及性能要求

2012年12月 

（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。

切削工具由于承受较大的冲击力或因工具本身的脆性较大有时会产生整体断裂或破碎现象，如钻头的扭断、折断、拉刀的拉断，锯条的折断等。

工具的断裂，破碎与工具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是由于韧性不足引起的。

如拉刀的断裂就是由于强度不足或有内裂纹引起的。

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）磨损失效的分析：

磨损是在正常使用情况下，切削工具最常见的失效形式。

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，渐发生的破坏形式。

主要有磨粒磨损和黏着磨损。

工具在产生严重磨损时会发出尖叫声或严重震动，甚至无法切削。

磨损大都是由于工具与被加工工件或切屑之间的磨粒磨损之间造成的，有时也可能是由于工件表面形成切屑瘤而形成的粘合磨损所造成的。

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，均有利于减少摩擦磨

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。

（3）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。

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，必须根据其严重程度进行锻压和正火。

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。

5、初步选材

板牙是加工或修正外螺纹的螺纹加工工具。

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。

本课程设计主要说明圆板牙的热处理工艺。

圆板牙是用来加工外螺纹的专用工具，在切削过程中其切削锥部分必须有高的硬度、耐磨性，同时有要具有良好的韧性和强度。

圆板牙属于薄刃工具，其韧部所受的冲击力不大，制造的材料组织中含有均匀分布的细小合金碳化物颗粒，淬透性好，淬火应力和变形小，只有这样才能保证上述技术要求。

以下是几种合金钢的性能特点：

（1）T12是碳素工具钢，含1.15-1.24%C。

这样的高C能保证淬火后有高的硬度和较多的碳化物，以满足耐磨性和淬硬性的要求。

根据圆板牙的性能要求知，T12钢不能满足热处理变形小（由于其淬透性差，需急冷而变形大）和韧度较好的要求。

因此，T12钢不符合要求。

（2）W18Cr4V是高速钢。

含有Cr、Si的加入，提高了淬透性；

因为Cr、Si的作用，使钢种的碳化物细小均匀。

使用时刃口不易崩刃;

Si低温回火是组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性很好，热处理变形也很小。

其缺点是脱碳敏感性较大。

最主要的特点是红硬性高，适用于在600℃工作温度下仍能保持其切削性能的高速切削场合。

该钢的碳化物比较多，并且相对来说比较

均匀性也难以达到最佳状态。

对圆板牙这样薄刃的工具，刃口部位容易崩刃，并且该钢的加工工艺性比较复杂，成本高。

所以选用该钢也是不合适的。

根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱碳现象，

（3）CrWMn：

由于Cr、W、Mn的复合加入，使其有较高的淬透性；

Cr、W、Mn都是碳化物形成元素，使钢中有较多的碳化物，淬火后硬度高，可达到64-66HRC，因此有较高的耐磨性；

W能细化碳化物，改善了韧度；

由于Mn的存在大为降低了MS点，该钢淬火后的残余奥氏体比较多，淬火变形也较小；

但该钢的碳化物多且易形成网状，如果碳化物粗大且不均匀，则制造薄刃后，刃部有崩刃的危险。

CrWMn钢主要用于制造断面尺寸较大、淬火变形要求小、耐磨性要求较高的工具。

所以，如果采取有效工艺，使碳化物细小均匀，该钢是能满足要求的。

（4）9SiCr：

Cr、Si的加入，提高了淬透性；

因为Cr、Si的作用，使钢中的碳化物细小均匀。

使用时刃口部位不易崩刃；

Si抑制低温回火时的组织转变非常有效，所以该钢的低温回火稳定性较好，热处理时的变形也很小。

其缺点是脱C敏感性比较大。

根据该钢的特点，如采取合适的工艺措施，控制其脱C现象，9SiCr钢是制造薄刃圆板牙的理想材料。

（5）GCr15：

是典型的滚动轴承钢，也可以制造工具。

Cr的加入增加了钢的淬透性，并能形成较稳定的细小均匀的碳化物，它的冶金质量比一般钢要高。

在淬火低温回火后可获得高而均匀的硬度。

热处理变形比较小，尺寸很稳定。

但是该钢和9SiCr相比，回火稳定性比较差。

因此，对刃口要求高且在内部的圆板牙来说，GCr15不如9SiCr更适合。

六、材料性能对比及最佳材料确定

W18Gr4V的化学成分：

碳C：

0.7～0.8 

钨W：

17.5～19铬Gr：

3.84～4.4 

钼Mo：

≤0.3 

磷P：

钒V：

1.0～1.4

锰Mn：

≤0.4 

硅Si:

≤0.4 

硫S:

≤0.3

Si、Mn、Cr的作用是提高钢的淬透性。

W18Gr4V性能特点 

1钢中加入Cr.Si元素主要是为了提高钢的淬透性。

Cr.Si元素溶入基体中可强化基体组织，同时改善钢的回火稳定性。

2另外cr元素溶入Fe3c中形成复合可提高其硬度，增加钢的硬度与耐磨性。

3因Cr元素的加入和低Bs点，使得贝氏体和珠光体转变温度之间出现过冷奥氏体稳定区，形成两个C曲线，而Si元素的加入又推迟贝氏体转变，所以该钢种宜于进行分级淬火或等温淬火。

4由于Cr,Si元素的加入，引起临界点AC3升高，淬火后残余奥氏体较少。

5钢中较多Si元素存在，有利于改善碳化物的组织形态，避免刚状碳化物的生成，但也加大钢的脱碳倾向，故该中钢在加热时需要注意防护。

6与CrWMn刚相比，其淬透性，淬硬性，挥霍稳定性，强度和硬度以及耐磨性不如CrWMn钢。

W18Gr4V是常用的高速合金刃具钢，具有较高的的淬透性、淬硬性和

回火稳定性。

W18Gr4V球化退火温度是加热温度是790-