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1、热处理工艺课程设计说明书课程名称： 金 属 热 处 理 工 艺 学 设计题目： 饲料粉碎机锤片热处理工艺的设计 院 系： 机 械 工 程 学 院 班 级： 材料成型及控制工程 0901 热处理工艺课程设计任务书设计题目：饲料粉碎机锤片热处理工艺的设计学生姓名：范维健院系专业：机械工程学院材料0901班设计要求： 1.相变点的确定 2.热处理工艺参数的制定 3.热处理设备的选择 4.组织特点和性能分析 5.工艺卡片填写学生应完成的任务：进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择设备，设计或
2、选定装夹具，作出热处理工艺卡。最后，写出设计说明书，说明书中要求对各种热处理工序的工艺参数的选择依据和各种热处理后的显微组织作出说明。任务下达日期:任务完成日期：答辩日期：指导老师：黄新 学生签名：目录1 热处理工艺课程设计的目的 -42 零件的技术要求及选材 -4 2.1技术要求 -4 2.2锤片的服役条件及可能的失效形式-5 2.3材料的选择-7 2.4化学成分及合金元素的作用 -73 热处理工艺课程设计的内容及步骤 -8 3.1相变点的确定 -8 3.2热处理工艺 -9 3.2.1工艺流程 -9 3.2.2热处理工艺参数的制定 -93.2.3所选热处理工艺的目的 -123.2.4操作过程
3、中的注意事项 -13 3.3热处理设备的选择 -14 3.4组织特点和性能的分析 -154 饲料粉碎机锤片热处理工艺的改进-155 收获和体会 -166 参考文献 -177 附表1 热处理工艺卡 -181 热处理工艺课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。其目的是：（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。（2）学习热处理工艺设计的一般方法、热处理设备选用和夹具设计等。（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、零件绘图和学习使用设计资料、手册、标准和规范。因此，
4、本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。要求我们设计工艺流程，这需要翻查大量的文献典籍。如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。材料热处理工艺课程设计是培养材料专业学生在热处理原理方面能力的重要环节，纸上谈兵是经不起考验的，扎实的理论唯有通过实践才能够证明，且科学的实践能够有效巩固甚至发展原有的理论，因此，本课程设计通过给出20余种不同牌号的材料，要求学生以个人（允许讨论）或组队的方式完成热处理工艺的设计，
5、对学生巩固已学热处理知识、学习使用工具书、增强团队合作意识等是大有裨益的。2零件的技术要求及选材2.1技术要求 随着家禽、家畜等动物养殖业在我国的大量发展, 需要大量的农作物秸杆作为其饲料。这些作物秸杆有许多是经粉碎后, 添加一些精料来作为饲料的。为此, 农作物秸杆（如玉米杆、稻杆等） 的粉碎机械饲料粉碎机, 在我国广大农村和专业养殖场得到大量应用。粉碎机在工作过程中, 旋转的锤片不停地锤击（切断）作物秸杆, 使它们变成碎片。但并不将切断作物秸杆的锤片称作刀片, 主要是因为它并没有用于切削的锋利刀口, 而是用几毫米厚的矩形断面将秸杆锤（冲）断的缘故。由于大多数农作物秸杆中的纤维是很坚韧的, 它
6、们锤碎的过程中与锤片产生了很强烈的摩擦, 所以锤片的磨损十分严重, 需要经常更换。 锤片式粉碎机具有适应性强、用途广、构造简单、易于制造维修、造价便宜等一系列优点,所以在许多领域,特别是在饲料加工工业被广泛应用.锤片是锤片式粉碎机的重要部件,它影响着粉碎质量、产量、电耗、成本,是粉碎机的关键部件之一。锤片在粉碎秸秆时，即为一切割的过程。锤片为其主要工作部件，也是易损件，多用于矩形锤片与销轴和粉碎机转盘相连接，在工作转盘高速旋转，使锤片产生较大的冲击能量，反复锤击送进的秸秆等过程中，使之粉碎.锤片在工作空间内往复的运动与与农作物秸秆直接碰击。因此其失效的形式为受到大冲击力而疲劳剥落或碎屑磨损等因
7、此要求锤片本身具有足够的强度与韧性，以承受冲击载荷的作用。其工作的两端应有一定的硬度要求，锤片经热处理或淬火回火后的表面硬度为2228HRC。 下图为饲料粉碎机的工作原理图2.2锤片的服役条件及可能的失效形式 从饲料粉碎机的使用情况来看，锤片的使用寿命一般为几十小时（稻杆）到几百小时（玉米杆），这与作物种类、干湿程度等有关。从图2可以看出锤片与作物秸秆直接接触的端部磨损得很厉害，原来的矩形边，逐渐被磨损成了圆弧形出现这种情况后，粉碎机的生产效率明显下降，有时几乎无法继续粉碎作物秸秆，只有将锤片拆下调换一下，即将锤片连接在销轴上，还未使用的那一端与磨损这一端换个位置，粉碎机才能继续工作，直至新装
8、的这头也被磨损呈圆弧形时则整个锤片报废。 锤片为主要的工作部件也是易损件，在工作中转盘高速旋转，是锤片产生较大的冲击能量，反复锤击送进的秸秆等过程中，使之粉碎。因此其失效的形式为受到大冲击力而疲劳剥落或碎屑磨损等。其中磨损很大程度上是由于作物秸秆上附着着的高硬度砂砾所致。从金属摩擦学角度来看砂砾对锤片的磨损型式属于典型的磨粒磨损。2.3材料的选择 使用寿命的高低取决于其表面硬度同时要求心部能承受冲击力和一定的韧性，因此提高锤片的耐磨性即提高生产效率降低了加工成本。考虑以上因素，我们可以选用45钢。45钢的力学性能见下表22.1钢号抗拉强度屈服强度延长率断面收缩率布氏硬度45钢（600MPa）3
9、55（MPa）1640197表2-2.145钢是中碳结构钢，冷热加工性能都不错，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。45钢的强度较高，调质后塑性和韧性好，用于制作承受负载荷较大的小截面调质件。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用2.4化学成分及合金元素的作用45钢为优质碳素结构钢 钢号CMnSiPSCrRE45钢0.40.500.500.800.170.370.040.040.2545钢的热导率温度/0100200300400/KWm-1c-152.3448.8544.1941.8734.8945钢所含元素的作用：碳 主要与铬、钨、钼和钒(碳化物的形成元素)等
10、形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。锰 锰能强化铁素体，有固溶强化，特别是在低合金普通结构钢中效果较好。锰提高钢的淬透性。锰降低钢的A1温度，强化C的促进晶粒长大作用，所以促进晶粒长大，增大钢的过热敏感性。锰促进有害元素在晶界上的偏聚，所以提高了钢回火脆性的倾向。锰强烈地降低钢的Ms，因此增加了淬火钢中的AR。锰与硫容易形成MnS所以能减轻或消除钢的热脆性;锰与氧容易形成MnO，因此是较好的脱氧剂。硅 硅是铁素体形成元素，有较强的固溶强化效果，所以可提高钢的强度。含硅钢的可切削性往往较差。硅阻止碳化物形核长大，使“C”曲线右移，高C时作用较大，所以也提高了钢淬透性。硅抑制:-K形核长大及转
11、变，能提高钢的低温回火稳定性。硅形成致密的氧化物，提高抗氧化性。磷 磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。硫 硫在通常情况下也是有害元素。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。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。铬 铬的碳化物（Cr23C6）在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体，从而提高过冷奥氏体的稳定性和钢的淬透性，同时还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀能力。3热处理工艺课程设计的内容及步骤3.1相变点的确定 其相图较复杂。由上示45钢的变温截面图，并查找资料，可确定45钢的相变点：项目Ac1Ac3Ar1Ms温度/7247806823303.
12、2 热处理工艺3.2.1工艺流程用45钢制作饲料粉碎机锤片的工艺流程为：板材剪切堆焊淬火回火淬火及回火示意图：温 度840淬火 20min空冷560回火120min空冷45钢的最终热处理采用淬火+高温回火的工艺3.2.2热处理工艺参数的制定 根据时间计算公式=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，将工艺参数制表如下：热处理工艺参数表工艺温度/时间/saKD加热加热+保温淬火8108301.22.051220回火560600每次2h各参数确定如下：1） 装炉修正系数K的确定：在45钢热处理时在吊篮中间隔为5
13、mm，所以装炉修正系数K取2.0。2）由钢种决定的加热系数a（min/mm）的确定： 常温钢的加热系数 1工件材料工件直径/mm500.30.40.40.51.01.21.21.5合金钢0.450.500.500.551.21.51.51.8高合金钢0.300.400.300.350.170.20高速钢0.300.350.650.850.160.180.160.18实验表明45钢淬火温度选择为830时候获得的力学性能是最佳的由上表得取加热系数a=1.2（ min/mm）3）工件有效厚度的确定：下表为不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数表，有此可计算出工件的有效厚度为：D=边长形状
14、系数=7.10.7=5mm。根据时间计算公式=aKD 【其中K-装炉修正系数，D-工件有效厚度（mm），a-由钢种决定的加热系数（min/mm）】，以及经验公式等，查找资料，=aKD=1.22.05=12min4）回火时间的确定： 因为粉碎机的锤片的有效厚度只有5mm，可知保温时间可以选为60min。但为了回透，选择90120min。不同形状和尺寸的工件加热计算时的特征尺寸及形状系数 1工件形状特征尺寸s形状系数k球球径0.7立方体边长0.7圆柱直径1.0菱形边长1.0环环宽度1.5环厚度1.5板厚度1.5管材壁厚开口通管2.0；长管4.0；闭口管4.05） 淬火温度的确定：45钢淬火温度在A
15、c3+(3050) ，在实际操作中，一般是取上限的。 回火温度的确定：45钢淬火后回火采用简易公式计算 t=819-10HRC HRC技术要求的硬度3.2.3所选热处理工艺的目的淬火 加热温度与冷却方式对45 钢的性能影响很大。因此通过改变加热温度和冷却方式对提高45 钢性能作用很大。其中淬火受加热温度的影响最为明显，冷却速度一定的情况下淬火加热温度过高或过低对其性能都会产生不利的影响。温度过低会因珠光体和铁素体的存在使硬度不均匀，温度过高会形成粗大的马氏体组织使力学性能恶化。45 钢加热后快速冷却可以得到马氏体，缓慢冷却会得到珠光体，随着冷却速度的改变还可能得到贝氏体和屈氏体等组织，无论是快
16、速冷却得到的马氏体，还是缓慢冷却所得到的珠光体都是从奥氏体转化而来的。因此，无论是其组织性能还是力学性能都与其热处理工艺有关，故控制其性能的关键在于其热处理工艺。实验证明在830淬火后所得到的钢的性能最佳. 提高45钢锤片的强度、硬度和耐磨性并且使其具有良好的综合机械性能。高温回火 减少或消除淬火应力，提高塑性和韧性，获得强度、硬度、塑性和韧性的适当配合，从而满足不同的工件的性能要求。堆焊 在锤片表面堆焊碳化钨硬质合金( 见图1) , 其堆焊层硬度超过60 HRC, 耐磨料磨损的能力很高。虽然其制造成本是整体淬火锤片的2倍, 但其使用寿命比后者远远超出2 倍。因此综合考虑, 经这种工艺处理过的
17、锤片具有较高的性价比。碳化钨硬质合金是由碳化钨颗粒分布在金属基体上构成的一种堆焊合金, 其主要成分是: C 1. 5% 4%, W 40% 70%, 还含有少量的Ni 等其它元素。由于碳化钨颗粒的硬度极高, 因此其堆焊合金的耐磨料磨损的性能非常好, 且具有一定的耐高温和耐腐蚀性能, 这使得堆焊碳化钨合金的锤片特别适合于粉碎坚硬而又具有酸性的饲料颗粒。锤片在进行碳化钨堆焊之前, 都必须先放入工业炉中进行预热。焊前预热的主要目的是减小堆焊层金属的冷却速度, 从而减小焊接产生的热应力并防止堆焊层及其周围的热影响区产生裂纹。3.2.4操作过程中的注意事项 45钢淬火温度在A3+(3050) ，在实际操
18、作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1/5。 因为45钢淬透性低，故应采用冷却速度大的10%盐水溶液。工件入水后，应该淬透，但不是冷透，如果工件在盐水中冷透，就有可能使工件开裂，这是因为当工件冷却到180左右时，奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此，当淬火工件快冷到该温度区域，就应采
19、取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握，须凭经验操作，当水中的工件抖动停止， 即可出水空冷（如能油冷更好）。另外，工件入水宜动不宜静，应按照工件的几何形状，作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件，导致硬度不均匀，应力不均匀而使工件变形大，甚至开裂。 45钢调质件淬火后的硬度应该达到HRC5659，截面大的可能低些。 45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560600，硬度要求为HRC2234。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。回火保温时间，视硬度要求和工件大小而定，回火后的硬度取决于回火温度，与回火时间关系不大，但必须回透，一般工件回火保温时间总在2小时以上。3.3热处理设备
20、的选择 45钢淬火（830）与高温回火（560）可以选择中温箱式保护气氛电阻炉：额定功率75kW,最高工作温度950,炉膛尺寸(mm):800900550,重量5350kg3.4组织特点和性能的分析3.4.1淬火组织 45钢750水淬所得到的基体组织与840所得到的组织具有明显的差异。我们知道45 钢为亚共析钢，750在其临界点Ac3（780）以下，所以加热温度为750时其组织中含有大量的铁素体。而840时其室温组织基体均为马氏体，840时的马氏体组织略细。这是因为将45 钢加热到840时奥氏体晶粒较细，并且融入了足够的碳，因此淬火后可以得到细晶的马氏体组织。3.4.2回火组织 45钢在840
21、淬火后选择在560回火，获得回火索氏体组织。从而消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度与韧性。与正火处理相比钢调质后，在相同条件下，钢的屈服强度，韧性和塑性明显提高。4 饲料粉碎机锤片热处理工艺的改进 我国饲料粉碎机基本上由小型农机厂制造，基于这些工厂的生产条件，采用45钢堆焊碳化钨的工艺。由于每个锤片均要堆焊碳化钨合金，而堆焊工艺要求高，否则碳化钨合金在锤片上焊不牢，使用中易崩掉，因此，只适合设备和技术力量较强的专业工厂生产。那么能否在现有的小型农机厂生产设备的基础上，制造出耐磨性良好的锤片呢？ 由于锤片的损失形式是以磨损为主，因此寻找既能提高锤片硬度，又能在一般饲料粉碎机制造厂完成的热
22、处理工艺。实验表明以45钢制的锤片为基体，在其表面渗硼的表面化学处理工艺是可行的。 45钢的渗硼工艺，有固体、液体（盐浴）和气体三种。由于气体渗硼法对设备和操作工艺要求较高，一般小厂难以做到，所以可以选用锤片的固体渗硼和盐浴渗硼两种热处理方法。（参考文献 张兆德.金属学及热处理基础.北京：机械工业出版社，1988）5 收获和体会 这次课程设计我与王娟娟同学一组，进行了饲料粉碎机锤片的热处理工艺设计，热处理工艺设计主要是进行零件的加工路线中有关热处理工序和热处理辅助工序的设计。根据零件的技术要求，选定能实现技术要求的热处理方法，制定工艺参数，画出热处理工艺曲线图，选择设备，作出热处理工艺卡，以上
23、这些内容已经在本说明书中作了详细叙述。现将在设计过程中的点滴体会记录如下：个人觉得本次设计最有难度的是查找资料。虽然可以在手册上找到很多资料，但是无论我们怎么对比分析，都不能很好的把找到的资料直接应用到我们的设计中去。因为45钢的普遍所以描述多，资料多，各处均能找到有关的资料，这么多的信息堆叠在一起，要从中筛选出有用且不重复的东西，需要我们深入学习所找到的资料，对45钢有更深入的认识。只有在理解的基础上再应用到设计中，才能最贴切的表达出我们对设计要求。此外，资料多了，编排也是一个问题，怎样才能让“读者”明白我们在说什么，这中间也要求有足够的逻辑思维，先说什么后说什么，从因到果，或者有果及因，最
24、重要的是让“读者”一目了然。本次课程设计让我更加深刻的认识到，要把工件的设计工艺完全做出来并不简单。或许是因为我们太少经理实践，太少运用专业知识去处理事情。但是更多的是因为我们不知道要怎样获取我们所需要的知识，怎样去结合知识完成设计工艺。理论联系实际不是一句空话，真正的学以致用也不是一句标语，只有自己扎扎实实地做了，才能对曲线上的每个点有所体会，才能彻底叹服前人无数次实验的精华。这中间牵扯到独立思考和交流合作的问题。我们既是个人又是团队，毫不掩饰地说，本次课程设计的大部分时间都花在了查找资料和相互讨论上了，搜索信息的过程就是独立思考问题的过程，相互讨论是交流和取长补短。热处理工艺设计大家殊途同
25、归，每个人都有自己的出发点和独到的见解，重要的不是完成一份说明书，而是在做课程设计的过程中我们学到了什么，这个过程远比结果要重要得多。由于本人和一起合作的同学均无实际经验，见识尚浅薄，且能力和精力有限，说明书中有许多不足之处，恳请老师斧正，在此十分感谢。6 参考文献本说明书使用到的参考文献如下：1热处理工程师手册，樊东黎主编，机械工业出版社；2热处理技师手册，张玉庭主编，机械工业出版社；3热处理手册（共4卷），中国机械工程学会热处理学会，机械工业出版社；4热处理实用数据速查手册，叶卫平主编，机械工业出版社；5金属热处理工艺学，夏立芳，哈尔滨工业大学出版社；6热处理常见缺陷分析与对策，王忠诚主编，化学工业出版社；7金属材料金相图谱，李炯辉主编，机械工业出版社；8钢及其热处理曲线手册，胡志忠主编，国防工业出。
