学位论文钢锹等温淬火热处理工艺.docx
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学位论文钢锹等温淬火热处理工艺
钢锹等温淬火热处理工艺课程设计
绪论
1.1钢锹的概述
钢锹不但是农业生产的“常规武器”，而且是工业生产，交通运输，基本建设和国防军
工等战线不可缺少的战斗工具。
它的应用范围很广，质量要求较高，既要求表面光洁，刃口
锋利，还要求较高的硬度，韧性和抗冲击性能。
要使钢锹具有这些特性，关键在于淬火工艺。
1.2钢锹的组成
一种多功能钢锹附件，它克服了以往技术中钢锹只有一种功能的缺点，而提供一种带有
钩撬功能的钢锹附件。
它包括有锹柄、锹体、轴套、轴销、钩杆、钩体。
其中由轴销、钩杆、
钩体轴套钩杆组成了钢锹附件。
正常使用时，可拆掉附件，当挖一些比较软的杂物或需撬动
物体时，就可安装上这套附件。
特别适用于清理河道杂物。
本实用新型的积极效果是，增加了钢锹的功能，扩大了使用范围，另外还具有拆卸方便等优点。
1.3钢锹按锹的分类
钢锹按其用途和形状分为：
农用锹、尖锹、方锹、煤锹和深翻锹
方锹
尖锹
1・4钢锹的基本尺寸
钢锹等温淬火热处理工艺
分典
用式代号
号
塔丰尺寸
全歩
L
身长
8
D
用度
S
农用锹
1
1
—
3t5±lC
29吐5
230±5
…
12±1
L7Z&J5
-....
1号
4的士10
320+5
—
蹣吐5
3T±1
l.fi+0.15
2号
125110
2鮎±5
235tS
380±10
临±5
m±s
1号
420±10
2&5±5
欧士5
37±1
l,£±OJ5
MQ±]Q
2SOi5
23吐$
34吐W
23515
]90±5
爆獻
1
1
1号
550±12
400±6
285£5
■w
i38±1
i.6±OJ5
2号
5JO±12
3SO±6
275±5
3号
m±i2
J60i6
25O±S
4-
1号
⑹±W
300±5
]90±5
—
37土】
17±OJ5
2号
400±10
170+5
诃
350±|0
225±5
150±5
第一章设计依据及原则
设计原则
根据年生产量，以及工件选材，制定出生产流程。
其中最重要的是热处理工艺。
主要是
合理的设计热处理工艺及选择热处理设备，包括确定设备数量及设备能量消耗。
在确定设备
时，应考虑工件的尺寸大小以及热处理工艺要求。
因标准设备成本低、质量及性能较好，所以尽可能选用标准设备。
另外还需要合理选择附属设备，使其充分发挥附属设备的作用，提
高生产效率。
第二章热处理工艺分析
2.1什么叫做等温淬火
铁质农具中，凡是带刃口的产品，在成形以后，都要进行热处理，以使刃口锋利，耐磨，并具有足够的强度。
如果不经过热处理，产品不是切割不快，卷刃，就是根本不能使用。
热处理可以充分发挥钢材的优越性，改善钢材的质量，提高产品的机械性能，延长使用寿命，是使产品达到质量好，耐用的关键步骤。
热处理就是通过加热，保温，冷却的方法，使钢件内部组织发生变化，从而得到所需要的性能的一种工艺。
淬火是热处理的一种类型，就是把钢件加热到较高温度，经过保温，再水或油等介质中急冷，以达到需要的硬度和强度。
不同的热处理操作可以使钢获得不同的组织结构，从而获得不同的性能。
等温淬火是工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部（稍高于Ms），工件等温
停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。
等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。
如民用刃具和钢锹等很适合采用这种工艺。
2.2等温淬火的优点
等温淬火与普通的淬火比较，有以下两个优点：
（1）可以防止工件变形，翘曲。
等温淬火的工作，加热，保温后，要放到一定温度的淬火剂热浴中停留一定时间，这样就能减少工件表面与中心的温度差，使其不致因急剧的冷
却不均而产生较大的热应力。
同时能使整个截面一致的逐渐进行扩散性的下贝氏体转变，减
小组织结构的内应力，使其在等温停留后的冷却过程中，不在发生组织变化，因而最大限度
的防止了变形和翘曲。
（2）可以获得较高的综合机械性能，特别是强度，冲击韧性和塑性，更为明显。
我们知道，硬度和耐磨的关系是成正比的，在保证综合机械性能的前提下适当提高产品的硬度，会延长产品的使用寿命。
等温淬火可以提高HRC5左右。
2.3等温淬火的工艺操作
2.3.1等温淬火的工艺流程：
挂锹►加热>等温淬火・一次清洗►二次清洗
►工件脱落卡具►卡具自动返回。
2.3.2在生产操作中，主要应该掌握以下几个环节：
（1）加热，保温和预冷的温度和时间
（I）加热温度工件的加热温度是根据钢材的含碳量来确定的。
我们主要采用轨
道钢，轨道钢基本属于普通中，高碳钢，但有时硫磷杂质比普通碳钢多些，起含碳量在0.38
至0.72%之间。
我们采用宏观的火花鉴别方法，基本上先分出钢号，再确定起加热温度。
凡含碳量小于0.5%的，加热人多为870至900C,凡含碳量大于0.5%的，加热温度为860至880C.但一般要比普通淬火的加热温度提高50至60C,以保证获得奥氏体组织。
（II）保温时间钢件加热时，使其达到预定淬火温度的时间，称保温时间。
保温时
间的长短，应以钢件烧透，内外温度达到均匀一致为准。
这样淬火后，才能得到内外均一的
组织和性能。
如果保温时间不足，则钢件心都达不到淬火温度，淬火后内外组织，性能不均匀。
如果保温时间过长，又会使钢件奥氏体晶粒长大，造成钢件表面氧化和脱碳等缺陷，使钢的性能变坏。
保温时间的确定，根据炉型，加热介质，加热方法和工件形状的不同而异。
一般用火焰炉和电炉加热，保温时间要稍长些。
盐浴炉保温时间较短。
用小红炉加热，由于工件直接与燃料接触，保温时间更短些。
铁质农具多为扁平小件，容易烧透，所以保温时间不宜过长。
钢锹胚料在成型后尚有500至600C余热。
因此在高温区加热时保温时间按每毫米1分钟计算。
（III）预冷温度和时间加热后的工件，在冷却过程中，由于表面与中心以及厚薄
部分之间的温度不同，产生内应力而变形。
所以工件出炉后不能立即淬入强冷却介质中，而
需在另一较温和的冷却介质中作一定温度范围的降温后，再进行极具冷却。
这个过程叫预冷。
预冷的目的是减小工件与冷却介质之间的温度差，以防止淬火后工件变形。
根据自动化等
温淬火设备的条件，工件浸入淬火槽时的温度，以770—10C为好。
预冷时间为5秒钟。
（2）等温温度和等温时间
（I）为了使钢件获得下贝氏体组织，以提高其硬度，冲击强度和韧性，塑性等综合机械性能，保证产品质量，应该控制好等温温度，也即淬火剂热浴的温度，已在低于索氏体转变温度和高于马氏体形成温度的温度范围内为好。
如果温度超过这个范围，就会降低钢件的硬
度，影响使用寿命；如果低于这个范围，又会延长保温时间，影响生产效率。
根据研究，一般将温度定为295至320C。
（II）等温时间则根据钢材的化学成分，工件的大小，厚薄而有所不同。
因为我们所用的是中高碳钢（轨道钢），厚度为1.7毫米，等温淬火时间定为15分钟。
233淬火介质
淬火时用来冷却钢件的物质称为淬火介质或冷却介质，例如水，油和硝盐等，都是冷却介质。
淬火时，工件的冷却速度决定于介质的冷却能力。
等温淬火的冷却，是在热介质中进行的，因此选用的淬火介质应该具有以下几个特点：
⑴、具有较高的冷却能力。
⑵、具有较好的流动性，以利于工件的热量散失。
⑶、具有较低的熔点及较高的蒸发温度。
⑷、具有较大的稳定性，在使用中不发生或很少发生变化。
⑸、对工件无腐蚀作用，并容易从工件表面清除。
⑹、在使用过程中对操作人员健康无害或很少有害。
⑺、在使用中消耗量较少，成本低，来源方便。
目前一般采用的等温淬火介质是硝酸盐，亚硝酸盐和苛性碱及其混合物，这种介质有以
下优点：
（1）传热快，冷却能力较高。
（2）在一定范围内，其粘度比较均匀，在等温淬火的温度下，粘度低，近似室温下的水，工件带出的损失少。
（3）在淬火温度下，能保持稳定。
（4）能完全溶于水，容易从处理后的工件表面清除。
（5）可采用内部通电加热（电极），易于实现温度的自动化控制，并能很好的搅动槽液。
（6）盐碱熔点较低，比金属介质成本低，来源也多。
但是，采用这种淬火介质，也有一些缺点，例如工作温度仅局限于110C以上，硝盐过
热就会爆炸，碱蒸汽炙人，劳动条件较差。
硝盐使光洁工件表面氧化，苛性碱易从空气中吸收二氧化碳，逐渐变质而降低冷却能力，等等。
如果淬火前使用盐浴炉加热工件，而且为了防止工件脱碳或进行液体渗碳（氰化处理）：
盐浴中配有氰盐时就不能用硝盐做等温淬火剂。
为了提高硝盐的冷却速度和淬透能力，要在融熔硝盐中适当加水，通常加入2至6%的水,
即能获得良好的冷却能力。
水分过多或过少都不好。
水分过多，加热的工件淬入后，将使硝盐中的水分剧烈汽化而沸腾，使工件表面形成气泡，同时会降低工件的冷却速度，造成硬度
不足或形成软点，甚至变形，干裂。
水分过少，熔点就会升高，降低流动性而使冷却速度减慢。
由于水分蒸发很快，必须经常检查，加以补充。
控制融熔硝盐水分的方法一般采用硝盐的电阻率测定，水分越多，电阻越小。
第三章
年生产任务的确定
设计任务
钢锹是由头部、木柄组装一钻孔一*铆钉一＞铆钉防锈处理一*包装等基本生产加工而成，而每个工具的热处理工艺及生产流程都是比较复杂的，故选择其中一项进
行设计。
本次设计内容是钢锹等温淬火热处理工艺，钢锹头部在整个工厂生产中仅占一小部分，所以生产工艺流程及设备比较简单。
本次设计范围是按生产钢锹的头部：
农用锹2000个/年，煤锹2000个/年，深翻锹2000
个/年，方锹2000个/年，尖锹2000个/年，共10000个/年的热处理工艺进行设计。
主要根据生产量、生产周期进行设计，包括热处理工艺、设备选型、热处理车间能耗以及对热处理车间总平面的布置设计。
第四章设备选型
4.1生产纲领的确定
4.1.1车间生产纲领计算
车间生产纲领即车间每年应生产的工件重量或件数，是决定车间规模和选择设备的依
据，车间每年应生产的工件重量或件数可按照以下经验公式算出：
A=A0（1+3）
A-
车间生产纲领，件/年；
A0
――热处理工件计划数量（包括备品，返修品和检查试验用的工件），件
/年;
3-
-―车间生产损失率（车间返修品或试验用工件），%；
取
3=2%由公式4-1可得：
A=10000X（1+2%）=10200件。
因此每年需生产10200件钢锹。
4.1.2设备年时基数
设备年时基数指设备在全年内的总工作时数，等于全年工作日应工作的时数减去各种时
间损失［9］，即：
=DMn（1—b%）（4-2）
T备年时基数小时；
D――设备全年工作日数。
N――每日工作班次；
n――每班工作时数，一般8h,对有害健康的工作，有时5h;
b――损失率。
时间损失包括设备检修及事故损失，工人非全日缺勤而无法及时调度的
影响，以及下班前设备和场地清洁工作所需时间的停车损失。
设b为2%,设备全年工作日D=365天（全年日数）—2X52（全年双休日）—2疋（全年假日）=257天；故每月有效工作日为22天。
工作为一班制，每班工作时间八个小时。
由公式4-2可得：
t=257X1X（81—2%）~2015（h）
4.2设备选型计算
考虑到加工余量的问题在计算过程中整体方锹的全长380mm，身长为280mm，宽为
230mm,外径为37mm，厚为1.6mm，工件安放间隔为20mm;而体积质量计算如下:
已知方锹尺寸，并查表得知钢的密度为7.8g/cm3。
3
则单件方锹体积V=2802301.6n37100=114658mm
则体积质量M=7.8114658“1000000=0.894kg
考虑加工余量，取0.9kg每只。
4.2.1加热炉设备选用
（1）加热炉设备：
选用长兴新世纪电炉制造厂生产的RJ2-55-6井式电阻炉，工作尺寸大小为直径700mm,高900mm,其最大装载量为400kg。
如图4.7。
已知齿轮尺寸直径为100mm,高为130mm,
而根据根据其最大装载量计算可知，每炉可装400P.9=440件
（2）设备数量：
考虑到周期处理时间，设备日常维护，月产量，节假日等
因素，以单炉平均每天一个生产周期，每月22个有效生产日计算，单炉月产量
为440X22=9680件，则每台每年可以生产9680X12=116160件，满足全年生产总量10200件的设计需要，因此需要选用一台该设备即可满足要求。
图4.7RJ2-55-6井式电阻炉
4.2.2淬火设备选用
（1）淬火设备：
选用青岛天元工业炉制造有限公司生产的RDM-100-13高温盐浴炉，
工作尺寸大小为450X350X565mm。
其最大装载量为如图，钢锹采用吊挂方式，用专门的夹具固定，每次只放一层。
钢锹纵向一列可以排放450+（37+20）之件，横向一排可以排放
350+（230+20）胡件。
所以一层可以排放7X=7件。
故一台设备可生产7件。
（2）设备数量：
考虑到周期处理时间，设备日常维护，月产量，节假日等因素，以单炉平
均每天一个生产周期，每月22个有效生产日计算，单炉月产量为7X22=154件，则每台每
年可以生产154X12=1848件，为满足全年生产总量10200件的设计需要，则10200-1584孕台，因此需要选用7台该设备即可满足要求。
4.3其他设备选择
4.3.1清理与清洗设备
随着热处理工艺的发展和对环境卫生的要求日益提高，从机械零件到机械部件，从电器
零件到电器部件都有清洗的要求，采用清洗设备，能够有效去除工件上的油污、切削屑、粉尘等杂质，使其洁净度达到要求；此次选用无锡英朗机械制造厂生产的钢锹清洗机，如图
4.7,对工件进行清洗。
图4.7钢锹清洗机
4.3.2检验设备
为检查零件热处理后的硬度，本设计选用上海伦捷机械仪表公司生产的HBE-3000A型
布氏硬度计（如图4.8）和HR-150A型洛氏硬度计（如图4.9）。
为了检查淬硬层深度，利用金相测量法，选用上海伦捷机械仪表公司生产的4XC-MS金相显微镜（如图4.10）。
IO1
图4.8HBE-3000A型布氏硬度计
图4.9HR-150A型洛氏硬度计
图4.104XC-MS金相显微镜
因此
4.0-7.0
第五章热处理车间设计
5.1热处理车间工艺布置
热处理车间属于热加工车间，在生产过程中放出大量的热、蒸汽及一些有害气体。
需要有良好的通风、防火、自然采光好等条件。
热处理车间厂房要求高，窗户面积大，并有天窗。
本设计的厂房跨度为24m,长度为36m，厂房高度为6m。
5.1.1布置原则
（1）合理组织物流和人流，避免交叉往返与不均衡现象。
（2）工艺设备和工作位置应根据设备外形及基础尺寸要求，按生产流水线布置。
（3）每个设备附近要留出空地以堆放工件。
5.1.2对土建、采光、采暖通风等方面的要求
（1）土建要求。
车间的跨度一般选12米，柱距为6米，到房架下弦的高度一般为米。
（2）采光要求。
车间对采光的要求较高，车间的方位对采光的影响较大，应特别予以重视。
车间采光可利用天窗、侧窗并辅以局部照明。
（3）采暖通风要求。
车间内不允许存在不均匀的气流股[15]。
5.2附录
5.2.1热处理车间布局图
5.2.2全厂总平面布置图
第六章设计小结
一周的课程设计准备结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养
了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。
在设计过程中，查找资料，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。
学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作
前一个必不少的过程•”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义.我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳
健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础.
通过这次课程设计，我在多方面都有所提高。
通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次钢锹的等温淬火热处理工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了热处理设计等课程所学的内容，掌握钢锹设计的方法和
步骤，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了工件的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。
在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了
学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。
在此感谢我们的罗老师和王老师•，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学
习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计的每
个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。
而您开朗的个性和宽容的态度，帮助
我能够很顺利的完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。
由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意
接受你们的批评与指正，本人将万分感谢
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