熱處理工藝課程設(shè)計(jì)(65Mn犁鏵片)

1、65Mn犁鏵片熱處理工藝的設(shè)計(jì)§1 熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的目的熱處理工藝課程設(shè)計(jì)是高等學(xué)校金屬材料工程專業(yè)一次專業(yè)課設(shè)計(jì)練習(xí)，是熱處理原理與工藝課程的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。其目的是：（1）培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)熱處理課程的知識(shí)去解決工程問題的能力，并使其所學(xué)知識(shí)得到鞏固和發(fā)展。（2）學(xué)習(xí)熱處理工藝設(shè)計(jì)的一般方法、熱處理設(shè)備選用和夾具設(shè)計(jì)等。（3）進(jìn)行熱處理設(shè)計(jì)的基本技能訓(xùn)練，如計(jì)算、零件繪圖和學(xué)習(xí)使用設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。因此，本課程設(shè)計(jì)要求我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)來解決生產(chǎn)實(shí)踐中的熱處理工藝制定問題，包括工藝設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，如設(shè)備的選用，夾具的設(shè)計(jì)等。要求我們?cè)O(shè)計(jì)工藝流程，這需要翻查大

2、量的文獻(xiàn)典籍。如何靈活使用資料、手冊(cè)，怎樣高效查找所需信息，以及手冊(cè)的查找規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等，均不是一蹴而就的事情，需要我們?cè)趯?shí)踐中體會(huì)并不斷地總結(jié)，才能不斷進(jìn)步。材料熱處理工藝課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)材料專業(yè)學(xué)生在熱處理原理方面能力的重要環(huán)節(jié)，紙上談兵是經(jīng)不起考驗(yàn)的，扎實(shí)的理論唯有通過實(shí)踐才能夠證明，且科學(xué)的實(shí)踐能夠有效鞏固甚至發(fā)展原有的理論，因此，本課程設(shè)計(jì)通過給出20余種不同牌號(hào)的材料，要求學(xué)生以個(gè)人（允許討論）或組隊(duì)的方式完成熱處理工藝的設(shè)計(jì)，對(duì)學(xué)生鞏固已學(xué)熱處理知識(shí)、學(xué)習(xí)使用工具書、增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)等是大有裨益的。§2 零件的技術(shù)要求及選材 2.1 65Mn犁鏵片的服役條件及可能的失效形式

3、 犁鏵片的損壞形式主要有土壤顆粒磨損、鏵尖折斷和鏵刃崩裂。犁鏵磨損后則刃口變鈍，耕地的深度減小，耕作的效果差。而犁鏵在耕作過程中，大多與土壤中的磚塊、沙粒、石塊或其他硬物相撞，會(huì)造成犁鏵的損壞和疲勞破壞，以及腐蝕磨損產(chǎn)生凹坑與龜裂。圖1犁鏵片示意圖2.2材料的選擇及其技術(shù)要求 犁鏵片是鏵式犁重要的基礎(chǔ)部件，農(nóng)業(yè)耕作使用犁鏵尖鑿破土層，在動(dòng)力作用下，鏵刃耕入土層一定深度，沿溝底和溝壑將土地鏟起和切斷土中的植物莖、作物的殘根，鏵尖部是將土左右分開，鏵面和鏵壁的共同作用把土抬起、擠碎并反轉(zhuǎn)覆蓋在地面上，從而達(dá)到翻耕土壤的目的。因此要求鏵尖鋒利、整體具有足夠的強(qiáng)度和韌性，而且具有高的硬度和高的耐磨性，

4、保證其有長(zhǎng)的使用壽命，使用過程中才能抵抗周期性的沖擊和震動(dòng)、振動(dòng)。技術(shù)要求 熱處理后的局部工作硬度為5260HRC，其余部分硬度不小于38HRC,顯微組織為回火馬氏體；工作部分必須有高的耐磨性和一定的韌性抗拉強(qiáng)度 ，避免在加熱時(shí)氧化脫碳現(xiàn)象。為了控制犁鏵片熱處理變形，主要采取以下四個(gè)措施:1.選用彈簧鋼65Mn2.犁鏵片在加熱和冷卻過程中，應(yīng)當(dāng)垂直吊掛，彼此有適當(dāng)?shù)拈g距，疊壓后要用夾具壓緊回火，確保變形量符合要求。3.采用淬火壓床，必要時(shí)采用反變形措施。4.盡管犁鏵片的硬度范圍子4860HRC，在同一件產(chǎn)品上的硬度差硬應(yīng)小于5HRC，否則將造成零件的硬度不均和變形的增大。2.3化學(xué)成分及合金元

5、素的作用2.3.1 65Mn鋼主要化學(xué)成分為：W(C)=0.62%0.70%,w(Mn)=0.90%1.20%,w(Si)=0.17%0.37%,w(Gr)0.25%2.3.2 65Mn所含元素的作用：碳 主要與硅、鉻(碳化物的形成元素)等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及紅硬性。硅 能增加鋼的強(qiáng)度、彈性、耐熱、耐酸性及電阻系數(shù)等。該鋼中的Si不與C結(jié)合，它在相變點(diǎn)（Ac1）以上則完全溶入奧氏體，提高了過冷奧氏體在貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域的穩(wěn)定性，同樣也能明顯提高該鋼的淬透性。鉻 鉻的碳化物在淬火加熱時(shí)幾乎全部溶于奧氏體，從而提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性和鋼的淬透性，同時(shí)還能提高鋼的抗氧化脫碳和抗腐蝕能力。 錳

6、 錳大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，并使鐵素體強(qiáng)化，一部分錳也溶于Fe3C中，形成合金滲碳體，錳還能增加珠光體相對(duì)量，并使它變細(xì)，從而提高鋼的強(qiáng)度。錳能與S化合成為MnS，以減輕S的有害作用。 §3 熱處理工藝課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及步驟3.1相變點(diǎn)的確定 65Mn鋼是常見的彈簧鋼，是在淬火和回火狀態(tài)下具有高彈性的鋼，其相圖較復(fù)雜并查找資料，可確定的65Mn相變點(diǎn)表1 制定的相變點(diǎn)表項(xiàng)目Ac1Ac3（或Acm）Ar1MsAr3溫度/7267656892707413.2 熱處理工藝3.2.1工藝流程3.2.1.1用65Mn制作犁鏵片的工藝流程為：毛坯淬火低溫回火3.2.1.2淬火及回火示意

7、圖：時(shí)間/min圖2 犁鏵片的熱處理工藝示意圖熱處理流程：預(yù)熱加熱冷卻檢查硬度和金相組織低溫回火檢查硬度熱處理后犁鏵片的技術(shù)要求有： 淬火后得到的顯微組織為馬氏體； 回火后得到的顯微組織為回火馬氏體； 基體平面硬度為5260HRC，檢查部位在犁壁處。3.2.2熱處理工藝參數(shù)的制定 將井式電阻爐開啟加熱到830，待爐溫穩(wěn)定在830，再將犁鏵片按一定工裝方式置入爐內(nèi)，淬火保溫時(shí)間50min,然后后用夾具將犁鏵片侵入水中淬火，獲得片狀馬氏體，片狀馬氏體在空間形態(tài)呈雙凸透鏡，在光學(xué)顯微鏡下則呈針狀貨竹葉狀，馬氏體片之間不平行，呈一定角度分布；片狀馬氏體的亞結(jié)構(gòu)主要是孿晶。淬火的目的是提高零件的硬度、強(qiáng)

8、度和耐磨性。淬火保溫時(shí)間根據(jù)時(shí)間計(jì)算公式=a×K×D計(jì)算。將井式電阻爐開啟加熱到190，待爐溫穩(wěn)定在190，再將犁鏵片按原工裝方式置入爐內(nèi)，保溫120150min,保溫后用夾具將犁鏵片拿出并放置在空氣中冷卻，冷卻后獲得回火馬氏體，回火的目的是減少或消除淬火應(yīng)力，提高韌性塑形，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性的適當(dāng)配合。（淬火鋼回火時(shí)硬度總的變化趨勢(shì)是隨著回火溫度升高，鋼的硬度連續(xù)下降。但含碳量大于0.8%的高碳鋼在100度左右回火時(shí)，硬度反而略有升高，這是由于馬氏體中碳原子的偏聚及-碳化物析出引起彌散硬化造成的。在200300度回火時(shí)，硬度平緩下降。這是由于一方面馬氏體分解，使硬

9、度降低，另一方面殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體，使硬度升高，兩者綜合影響的結(jié)果?；鼗饻囟瘸^300度以后，由于-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，共格關(guān)系被破壞，以及滲碳體聚集長(zhǎng)大，使鋼的硬度呈直線下降。）圖3 碳鋼回火溫度和硬度的關(guān)系回火時(shí)間根據(jù)時(shí)間計(jì)算公式=a×K×D計(jì)算得到。根據(jù)時(shí)間計(jì)算公式=a×K×D 【其中K-裝爐修正系數(shù)，D-工件有效厚度（mm），a-由鋼種決定的加熱系數(shù)（min/mm）】，以及經(jīng)驗(yàn)公式等，查找資料，各工藝參數(shù)制表確定如下：表2 工藝參數(shù)表工藝溫度加熱時(shí)間/min保溫時(shí)間/min淬火83050回火1901201501） 裝爐修正系數(shù)K

10、的確定：表3 工件在爐內(nèi)不同排布方式的加熱時(shí)間修正值 查資料裝爐修正系數(shù)K取4。2） 由鋼種決定的加熱系數(shù)a（min/mm）的確定表4 常用鋼的加熱系數(shù)鋼材加熱系數(shù)空氣電阻爐加熱系數(shù)/（min/mm）鹽浴爐加熱系數(shù)/（s/mm）碳鋼0.91.12530合金鋼1.31.650601520（一次預(yù)熱）高速鋼815（二次預(yù)熱）采用井式電阻爐，爐腔是封閉的，所以加熱系數(shù)a取0.9。表5不同形狀和尺寸的工件加熱計(jì)算時(shí)的特征尺寸及形狀系數(shù)工件形狀特征尺寸s形狀系數(shù)k球球徑0.7立方體邊長(zhǎng)0.7圓柱直徑1.0菱形邊長(zhǎng)1.0環(huán)環(huán)寬度1.5換厚度1.5板厚度1.5管材壁厚開口通管2.0；長(zhǎng)管4.0；閉口管4.0

11、工件有效厚度的確定：上表為不同形狀和尺寸的工件加熱計(jì)算時(shí)的特征尺寸及形狀系數(shù)表，有此可計(jì)算出工件的有效厚度為：D=厚度×形狀系數(shù)=9×1.5=13.5mm。3.2.3所選熱處理工藝的目的（1）犁鏵片加工工藝流程 犁鏵片要求鏵尖鋒利、整體具有足夠的強(qiáng)度和韌性，而且具有高的硬度和高的耐磨性，保證其有長(zhǎng)的使用壽命。因此，通常采用以下流程進(jìn)行加工：毛坯淬火低溫回火（2）淬火是把鋼加熱到Ac3或Ac1以上溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)方式冷卻，以獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的：提高工件的力學(xué)性能，如硬度，強(qiáng)度，耐磨性，彈性極限等；改善某些特殊鋼的物理化學(xué)性能或化學(xué)性能

12、，如耐蝕性、磁性、導(dǎo)電性等?，F(xiàn)以65Mn鋼為原材制作的犁鏵片進(jìn)行淬火，是為了獲得板條馬氏體，獲得板條馬氏體后犁鏵片的硬度、強(qiáng)度和耐磨性得到很大的提高。（3）回火是把淬火后的工件加熱到A1一下適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，以一定方式冷卻的熱處理工藝。回火的目的是：使工件得到所要求的力學(xué)性能。工件淬火后，硬度高，脆性打，為了達(dá)到技術(shù)要求的力學(xué)性能，可以通過回火來調(diào)整到希望得到的硬度、強(qiáng)度、塑形和韌性。減少或消除內(nèi)應(yīng)力。工件淬火后存在很大的內(nèi)應(yīng)力，及時(shí)回火可以消除應(yīng)力，減少畸變和防止開裂。穩(wěn)定尺寸。工件淬火后的組織一般為馬氏體和部分殘余奧氏體，這兩種組織都不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地發(fā)生轉(zhuǎn)變，引起工件尺寸和形狀的變化

13、。通過回火可以促使這些轉(zhuǎn)變，使組織趨于穩(wěn)定，以保證使用過程中不再發(fā)生變形。在前一步65Mn犁鏵片的淬火后得到的馬氏體經(jīng)過這一步的低溫回火得到回火馬氏體，降低脆性，減少內(nèi)應(yīng)力，硬度不降低或降低23HRC,保持高硬度和耐磨性。3.2.4組織特點(diǎn)和性能的分析 淬火組織：淬火是指把鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1或Ac3以上，保溫并隨之以大于臨界冷卻速度冷卻，以得到介穩(wěn)狀態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。65Mn鋼屬于高碳鋼，其Ac3是765，淬火加熱溫度為830，淬火加熱過程中發(fā)生奧氏體相變，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，從而可以獲得細(xì)小而均勻的奧氏體 圖4 奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖 適當(dāng)溫度淬火后得到細(xì)小而均勻的馬氏體

14、組織。在淬火加熱過程中，基體轉(zhuǎn)變成奧氏體，細(xì)小的碳化物顆粒逐漸向基體中溶解。在溶解過程中受加熱溫度影響很大，同時(shí)還與碳化物的類型和碳化物的顆粒度有關(guān)，尺寸小的碳化物易溶解。當(dāng)以大于臨界冷卻速度冷卻到馬氏體點(diǎn)Ms之下時(shí)，過冷奧氏體即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體轉(zhuǎn)變分為形核和長(zhǎng)大兩個(gè)階段，長(zhǎng)大速度很快，基本上是瞬時(shí)形成，組織的形核受加熱溫度和保溫時(shí)間的影響 ，溫度越高，速度越快，越容易形核，晶粒度越小，馬氏體轉(zhuǎn)變只與溫度有關(guān)，與保溫時(shí)間是沒有關(guān)系的。830淬火后的金相組織大部分為片狀馬氏體，局部區(qū)域?yàn)榘鍡l馬氏體。隨淬火溫度的升高，片狀馬氏體越來越少，板條馬氏體越來越多。但隨淬火溫度的升高，奧氏體晶粒也明

15、顯長(zhǎng)大，所形成的板條馬氏體的尺寸也逐漸長(zhǎng)大，同時(shí)殘余奧氏體量也隨淬火溫度升高而增多，830淬火時(shí)，殘余奧氏體呈塊狀，分布在板條馬氏體之間，當(dāng)溫度達(dá)到1000時(shí)，已明顯地形成條狀殘余奧氏體并沿著板條馬氏體分布。 圖5 至水冷端的距離和硬度的關(guān)系回火組織：鋼在淬火后一般很少直徑使用，因?yàn)榇慊鸷蟮慕M織是馬氏體和殘余奧氏體，并且有內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，馬氏體雖然強(qiáng)度、硬度高，但塑性查，脆性大，在內(nèi)應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生變形和開裂；此外，在淬火后組織是不穩(wěn)定的，在室溫下就能緩慢分解，產(chǎn)生體積變化而導(dǎo)致工件變形。回火時(shí)組織與性能的變化隨著回火溫度升高，淬火內(nèi)應(yīng)力不斷下降或消除，硬度逐漸下降，塑性、韌性逐漸升高。低溫回火

16、后得到回火馬氏體組織，使鋼具有高硬度和耐磨性，良好的塑性和韌性。低溫回火主要用于各種高碳鋼和高碳合金鋼。3.2.5設(shè)備的選擇 淬火設(shè)備：井式電阻爐RJ2-30-9。圖6 井式電阻爐RJ2-30-9圖表6 井式電阻爐RJ2-30-9參數(shù)型號(hào)額定功率/kW額定電壓/V最大裝載量/kg額定溫度/爐膛尺寸（直徑X深度）/mmRJ2-30-930380230950450X800 低溫回火設(shè)備：普通型箱電阻爐 RX5353 圖7普通型箱電阻爐 RX5353圖表7普通型箱電阻爐 RX5353參數(shù)型號(hào)額定功率/kW最高工作溫度/最大裝載量/kg爐膛尺寸/mmRX535335350420600 *900 *45

17、0 3.2.6操作過程中的注意事項(xiàng) 犁鏵在加熱和冷卻過程中，應(yīng)當(dāng)垂直吊掛，彼此有適當(dāng)?shù)拈g距，疊壓后要用夾具壓緊回火，確保形變量符合要求；對(duì)于彈簧鋼而言，為防止回火脆性的發(fā)生，在中溫回火后應(yīng)水冷。為了避免或減少犁壁在箱式電爐加熱時(shí)的氧化脫碳現(xiàn)象，以防淬火軟點(diǎn)的出現(xiàn)，應(yīng)在表面刷上或浸泡涂料。提高犁鏵和犁壁耐磨性 的途徑是提高硬度，但事實(shí)上當(dāng)硬度超過60HRC，犁鏵和犁壁的內(nèi)應(yīng)力增大，造成微觀裂紋，因此抗疲勞斷裂的能力降低，勢(shì)必在犁鏵耕地受到?jīng)_擊時(shí)，使犁鏵破碎，因此要嚴(yán)格控制回火后的硬度，確保在要求的范圍內(nèi)。盡管犁鏵和犁壁的硬度范圍在4860HRC,在同一件產(chǎn)品上的硬度差應(yīng)小于5HRC，否則將造成零

18、件的硬度不均和變形的增大。工件在爐內(nèi)加熱時(shí)，應(yīng)均勻放置，防止單面受熱，應(yīng)放平，避免工件在高溫塑形狀態(tài)因自重而變形。3.3夾具選用由于是小零件，對(duì)夾具沒有任何特殊要求。3.4熱處理過程中可能出現(xiàn)的缺陷及預(yù)防措施由于淬火時(shí)犁鏵片的淬火溫度為830，將犁鏵片用夾具置入水中淬火時(shí)發(fā)生馬氏體相變（由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體）；在馬氏體、奧氏體、珠光體三種組織中，以馬氏體的比體積最大，奧氏體的比體積最小，并且馬氏體的碳含量越高，其比體積越大；因此工件從奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體后體積增大，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種由相變而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為組織應(yīng)力，馬氏體轉(zhuǎn)變由于體積增大，其組織內(nèi)應(yīng)力是很大的，這是淬火時(shí)產(chǎn)生變形甚至開裂的重要

19、原因。預(yù)防措施：1.盡量做到均勻加熱及正確加熱工件；2.淬火時(shí)當(dāng)犁鏵片冷卻到4050時(shí)將其從水中取出放置在空氣中冷卻至室溫；3進(jìn)行及時(shí)正確的低溫回火，以降低淬火后在犁鏵片內(nèi)部存在的應(yīng)力。生產(chǎn)中常見的回火缺陷有：硬度過高或過低，硬度不均勻，以及回火產(chǎn)生變形及脆性等。預(yù)防措施：調(diào)整回火溫度，控制一次裝爐量，在爐內(nèi)設(shè)氣流循環(huán)風(fēng)扇。 采用多次矯直多次加熱，或采用壓具回火等措施來避免回火后工件變形。 應(yīng)正確選擇回火溫度和冷卻方式來防止脆性的出現(xiàn)。3.5熱處理工藝卡片填寫見附表1 熱處理工藝卡片。§4 收獲和體會(huì) 這次課程設(shè)計(jì)我與胡磊同學(xué)一組，進(jìn)行了65Mn犁鏵片的熱處理工藝設(shè)計(jì)，熱處理工藝設(shè)計(jì)

20、主要是進(jìn)行零件的加工路線有關(guān)熱處理工序和熱處理輔助工序的設(shè)計(jì)。根據(jù)零件的技術(shù)要求，選定能實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求的熱處理方法，制定工藝參數(shù)，畫出熱處理工藝曲線圖，選擇設(shè)備，設(shè)計(jì)或選定裝夾具，作出熱處理工藝卡，以上這些內(nèi)容已經(jīng)在本說明書中作了詳細(xì)敘述?，F(xiàn)將在設(shè)計(jì)過程中的點(diǎn)滴體會(huì)記錄如下：本次熱處理課程設(shè)計(jì)是我在大學(xué)里第一次親自動(dòng)手來設(shè)計(jì)熱處理方案，此次的熱處理課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)我這學(xué)期學(xué)的金屬固態(tài)相變和金屬熱處理工藝學(xué)的復(fù)習(xí)和延伸，而且也為我畢業(yè)以后走上工作崗位做了實(shí)踐方面的準(zhǔn)備。65Mn鋼是彈簧鋼中的一個(gè)牌號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中比較廣泛，在很多有關(guān)熱處理的手冊(cè)上面都有介紹，所以從資料上查找我所需要的數(shù)據(jù)都比較方便。我是2012年12月28日就開始到揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)的昭文圖書館借閱了有關(guān)熱處理的書籍，并趕早的熟悉65Mn鋼的性能、和相變轉(zhuǎn)變溫度，也從網(wǎng)絡(luò)上和書籍上初步了解犁鏵片使用時(shí)要滿足的性能要求是什么。當(dāng)我初步了解上述內(nèi)容后，我試著設(shè)計(jì)犁鏵片的熱處理工藝。第一次設(shè)計(jì)熱處理工藝總是無從下手的，我在一邊制定工藝一邊記錄下存在的疑問，以便向指導(dǎo)老師探討解決方案