金属材料工艺与设备工艺与设备课程设计说明书.docx
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金属材料工艺与设备工艺与设备课程设计说明书
金属材料工艺与设备工艺与设备
课程设计说明书
题目：
形状简单、断面较小、受力不大的弹簧钢板
要求：
其尺寸为2000mm×1000mm×6mm,其材料为65#钢，其作用主要是为了减振，其硬度要求为HRC43。
院系：
材料科学与工程
班级：
姓名：
学号：
指导教师：
李绍宏
2015年7月
课程设计任务书
材料科学与工程学院材料科学与工程专业2012年级
姓名：
辉福美学号：
201211601118班级材料123
课程设计题目：
形状简单、断面较小、受力不大的弹簧钢板
设计内容：
其尺寸为2000mm×1000mm×6mm,其材料为65#钢，其作用主要是为了减振，其硬度要求为HRC43。
设计要求：
1.独立完成零件的选材；
2.弄清零件的工作环境。
3.通过对比、讨论选择出最合理的预先热处理工艺和最终热处理工艺方法；
4.分别制定出热工制度，包括加热方式、加热温度、保温时间以及冷却方式；
5.写出热处理目的、热处理后组织以及性能。
6.针对典型的机械零件，先进行选材、制定零件加工路线、热处理工艺、热处理设备、绘制车间平面布置图。
其中必须对热处理制度进行论证和详细说明。
指导教师（签字）：
2015年7月6日
课程设计指导书
课程名称：
金属材料工艺与设备课程设计
指导教师：
材料科学与工程学院
2015年7月6日
课程名称
金属材料工艺与设备课程设计
课程代码
1602322
设计时间
2周
学分
2
课程类别
课程性质
必修
考核方式
考试
先修课程
《材料工程基础》《材料工程设备》《材料学》《金属材料工艺与设备》
指导教师
李绍宏
课程目的与任务
金属材料工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。
通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。
进一步理解常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
教材与主要参考书
1.李松瑞，周善初编，《金属热处理》，中南大学出版社，2003
2.汪浩，宁海霞编《金属热处理》，化学工业出版社，2006
3.夏立芳编《金属热处理工艺学》（第5版），哈尔滨工业大学出版社，2012
4.王顺兴主编《金属热处理原理与工艺》，哈尔滨工业大学出版社，2009
5.全国热处理标准化技术委员会编《金属热处理标准应用手册》，机械工业出版社，2005
6.崔忠圻，覃耀春主编《金属学与热处理》（第2版）（普通高等教育“十一五”国家级规划教材），机械工业出版社，2011
7.李书常主编《简明典型金属材料热处理实用手册》，机械工业出版社，2010
8.中国机械工程学会热处理学会编《热处理手册：
热处理设备和工辅材料（第4版）》（第3卷），机械工业出版社，2008
课程内容
1.要求在教师指导下独立完成零件的选材，弄清零件的工作环境。
2.要求通过对比讨论选择出最合理的预先热处理工艺和最终热处理工艺方法；
3.要求分别制定出热工制度，包括加热方式、加热温度、保温时间以及冷却方式；
4.要求写出热处理目的、热处理后组织以及性能。
针对典型的机械零件，先进行选材、制定零件加工路线、热处理工艺、热处理设备、绘制车间平面布置图。
其中必须对热处理制度进行论证和详细说明。
课程教学
要求
●掌握：
金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤。
●理解：
常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系。
●了解：
从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
目录
课程设计任务书I
课程设计指导书II
前言1
第一章金属热处理工艺与设备课程设计简介2
1.1课程设计的任务与性质2
1.2课程设计的目的2
1.3课程设计内容与要求2
1.3.1课程设计内容2
1.3.2课程设计要求3
1.4设计步骤3
1.5设计材料及零件要求4
第二章材料选择及基本参数4
2.1热处理零件的选材原则4
2.1.1使用性原则4
2.1.2工艺性原则4
2.1.3经济性原则5
2.2弹簧板的材料选择5
2.2.1弹簧板的选材原则5
2.2.2材料选择5
2.3材料基本参数6
2.3.1化学成分7
2.3.2力学性能7
2.3.3热处理制度7
2.3.4性能及应用7
第三章材料加工工艺设计8
第四章零件热处理工艺9
4.1热处理工艺参数的选择9
4.2热处理工艺的制定9
4.2.1热处理方案一9
4.2.2热处理方案二13
4.2.3热处理方案比较14
4.3热处理设备的选择15
4.3.1预备热处理设备的选择15
4.3.2最终热处理设备的选择16
4.3.3辅助设备的选择17
第五章车间平面图18
第六章心得与体会18
参考文献20
前言
金属材料的热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺的金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，应用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于学生解决问题、分析问题的能力。
本课程设计是在《材料工程基础》、《材料工程设备》、《材料学》、《金属材料工艺与设备》等课程学习的基础上开设的，是理论与实践相结合的重要教学环节。
通过该课程设计，可使学生在综合运用所学专业基础理论和专业知识能力方面得到训练，学会独立分析问题和解决问题的方法，提高工程意识和工程设计能力。
热处理工艺是整个金属材料工程的一个重要环节，它与工件设计及其它加工工艺之间存在密切关系。
如何实现工件设计时提出的几何形状和加工精度，满足设计时所要求的多种性能指标，热处理工艺制定的合理与否，有着至关重要的作用。
现代工业的飞速发展对机械零部件﹑工模具等提出的要求愈来愈高。
热处理不仅对锻造机械加工的顺利进行和保证加工效果起着重要作用，而且在改善或消除加工后缺陷，提高工件的使用寿命等方面起着重要作用。
为获得理想的组织与性能，保证零件在生产过程中的质量稳定性和使用寿命，就必须从工件的特点﹑要求和技术条件，认真分析产品在使用过程中的受力状况和可能失效形式，正确选择材料；再根据生产规模﹑现场条件﹑热处理设备提出几种可行的热处理方案，最后根据其经济性﹑方便性﹑质量稳定性和便于管理﹑降低成本等因素，确定出一种最佳方案。
第一章金属热处理工艺与设备课程设计简介
1.1课程设计的任务与性质
金属材料热处理工艺与设备课程设计是学生对热处理工艺的基础知识、原理及方法的综合应用及全面训练，进一步提高学生技能，达到本学科基本要求的重要教学环节。
通过课程设计，可以培养学生初步的设计思想、分析问题和解决问题的能力，根据实际需要和要求，掌握金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤；初步培养学生的设计基本技能和对工程技术问题的严肃认真、负责的态度。
进一步理解常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系；通过本课程设计，使学生对所学习过的知识有一个系统的、健全的结构把握，能够有效地训练学生的逻辑思维能力，分析问题和解决问题的能力；通过课程设计，使学生了解从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
1.2课程设计的目的
1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。
2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。
3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。
4.提高技术总结及编制技术文件的能力。
5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。
1.3课程设计内容与要求
1.3.1课程设计内容
1.要求学生在教师指导下独立完成零件的选材；
2.要求学生弄清零件的工作环境。
3.要求学生通过对比、讨论选择出最合理的预先热处理工艺和最终热处理工艺方法；
4.要求学生分别制定出热工制度，包括加热方式、加热温度、保温时间以及冷却方式；
5.要求学生写出热处理目的、热处理后组织以及性能。
针对典型的机械零件，先进行选材、制定零件加工路线、热处理工艺、热处理设备、绘制车间平面布置图。
其中必须对热处理制度进行论证和详细说明。
1.3.2课程设计要求
掌握：
金属材料（零件）的选材、加工、热处理设计、确定最终的工艺路线、热处理设备选用及热处理缺陷分析等流程的一般方法和步骤。
理解：
常用材料的组织的转变过程及热处理方法，通过课程设计能够更好地理解材料成分、组织、结构和性能相互之间的内在联系。
了解：
从材料使用性能、成本要求、加工工艺性能等多方面考虑一个零件的热处理工艺。
1.4设计步骤
1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。
2.根据材料的选择合理的制定加工工艺
3.零件按材料、形状、尺寸、重量和性能要求等确定其热处理工艺方法、路线及相关参数。
一般根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的两种热处理工艺方案，首先从其所可能达到的性能要求，工艺操作的繁简及质量可靠性等进行分析比较，再根据生产批量的大小，现有设备条件及国内外热处理技术发展趋势，进行综合技术经济分析，确定最佳热处理工艺方案。
3.根据热处理方式合理的选择热处理设备。
4.简要绘制车间平面布置图。
1.5设计材料及零件要求
形状简单、断面较小，受力不大的弹簧板,其作用主要是为了减振。
板厚：
6mm，其尺寸为：
2000mm×1000mm×6mm
最终热处理要求：
硬度HRC43。
第二章材料选择及基本参数
2.1热处理零件的选材原则
2.1.1使用性原则
使用性原则是零件在使用中应该具有的性能，这是保证零件完成规定功能的必要条件。
在选材之前必须了解零件承受的负载类型及大小，所处工作环境和介质温度等服役条件。
服役条件不同，性能要求也不一样。
材料的机械性能包括强度、硬度、塑性及韧性等，反映材料在使用过程中所表现出来的特性。
比如弹簧板是机械行业和日常生活中最常用的零件。
弹簧在弹性范围内使用，卸载后应回复到原来位置，希望塑性变形越小越好，因此钢板应具有高的弹性极限，屈服强度和抗拉强度。
屈强比越高，弹性极限就越接近抗拉强度，因而越能提高强度利用率，制成的弹簧弹力越强。
弹簧依靠弹性变形吸收冲击能量，所以弹簧钢板不一定要有很高的塑性，但起码要有能承受弹簧成型的塑性，以及。
弹簧通常在交变应力作用下长期工作，因此要有很高的疲劳极限，以及良好的抗蠕变和抗松弛性能。
2.1.2工艺性原则
材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。
齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以注意。
一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。
但强度不够高，淬透性较差。
而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。
我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途经来改善材料的工艺性能。
零件毛坯主要有铸件、锻件、焊接件和型材四种，熟悉材料的加工工艺过程和材料的工艺性能，使所选材料比较容易加工成工件，在选材时必须考虑材料的加工工艺性能。
从原材料到成品件，不同的工作经过了不同的冷、热加工工艺，从工艺性出发，选材可按下列技术路线进行：
图1
2.1.3经济性原则
所谓经济性是指最小的耗费取得最大的经济效益。
在满足使用性能的前提下，选用弹簧板材料还应注意尽量降低零件的总成本。
我们可以从以下两方面考虑：
从材料本身价格来考虑、从金属资源和供应情况考虑、从生产过程的耗费来考虑。
2.2弹簧板的材料选择
2.2.1弹簧板的选材原则
首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。
2.2.2材料选择
1.弹簧板的性能要求
（1）足够的能承受冲击能量的韧性，具有减震作用。
（2）在弹簧范围内工作，不允许产生永久变形。
由于弹簧是在弹簧范围内工作，不允许产生永久变形。
弹性好坏可用应变能或弹性比功（U）表示，根据应力应变曲线U=σ2/E或U=T2/G，根据工件的硬度要求，查阅弹簧热处理工艺手册，可以得到牌号为65，85，55Si2Mn，55Si2MnB，55CrMn，60Si2Mn等都能符合要求[1]
2.弹簧板的工艺要求
一般来说，碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。
钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。
碳素弹簧钢经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。
但碳素钢的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大（高达300×10-6/℃），适用于制造截面较小，工作温度较低（120℃>）的弹簧。
合金弹簧钢一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si，Mn，Cr，V，W及B等合金元素。
合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧
3.经济性
（1）材料基本参数从材料本身价格来考虑。
碳素钢的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳素弹簧钢，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。
（2）从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。
（3）从弹簧板生产过程的耗费来考虑。
首先，采用不同的热处理方法相对加工费用不一样，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。
综合性能要求和经济性考虑，选定65#钢为使用钢材。
2.3材料基本参数
查阅《金属材料牌号手册》得到65钢的化学成分、力学性能、热处理工艺、性能及用途[2]
2.3.1化学成分
表2-165钢化学成分（GB/T1222-2007）
化学成分
C
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
含量（％）
0.62-0.70
0.17-0.37
0.50-0.80
≦0.25
≦0.25
≦0.25
注:
P、S的含量都≦0.035％
2.3.2力学性能
表2-265钢的力学性能（GB/T1222-2007）
抗拉强度σb
屈服强度σs
伸长率δ
断面收缩率ψ
980MPa
785MPa
9％
35％
2.3.3热处理制度
表2-365钢的热处理制度（GB/T1222-2007）
淬火温度/℃
淬火介质
回火温度/℃
840
油
500
840
油
500
2.3.4性能及应用
特性及应用举例：
适当热处理或冷作硬化后具有较高强度与弹性。
焊接性不好，易形成裂纹，不宜焊接，可切削性差，冷变形塑性低，淬透性不好，一般采用油淬，大截面件采用水淬油冷，或正火处理。
其特点是在相同组态下其疲劳强度可与合金弹簧钢相当。
65号钢，中高碳弹簧钢。
该钢经热处理或冷作硬化后具有较高强度、硬度与弹性，冷变形塑性低，焊接性不好，一般采用油淬，大截面零件采用水淬油冷或正火处理进行硬化。
65钢用于制造弹簧、弹簧圈、各种垫圈、离合器以及制造一般机械中的轴、轧辊、偏心轴等
第三章材料加工工艺设计
材料的加工工艺路线是比较复杂的，根据对工件性能要求的不同，热处理在加工工艺路线中的位置通常有以下三种情况：
（1）毛坯→正火（退火）→机械加工→工件成品（一般工件）
（2）毛坯→预先热处理（正火、退火或调质）→粗加工→最终热处理（淬火、回火、化学热处理等）→精加工（要求较高的工件）
（3）毛坯→预先热处理→粗加工→淬火、回火或化学热处理→半精加工→稳定化处理或化学热处理→精加工→稳定化处理→工件成品（精密工件）
根据所选材料的特点及性能要求[3]，该材料的加工工艺为：
序号号
工艺
内容
设备
1
下料
板料下料
板簧下料机
2
料头锻扁
弹簧材料在轧制前，端部锻扁是为了减少成型后端部的磨削加工量
空气锤
3
热轧
热轧开坯，提高材料加工性能
热轧机
4
冷轧
达到预加工形状，中间包括软化退火
冷轧机
5
预备热处理
改善加工工艺，为淬火做准备
电阻炉
6
弯曲成型
目的是达到零件所需要的弯曲程度弯曲过程中会有回弹，可以用补偿法获得标准变形程度
辊弯成型机
7
最终热处理
使弹簧板得到所需的性能要求
电阻炉
8
初步检验
成分检验
9
整形
若弹簧板形状不达标，可进一步整形来达到所需的形状
10
去应力退火
去除零件的内应力，目的是保持形状的稳定性.
退火炉
11
喷丸处理
用喷丸进行表面处理
喷丸机
12
断面加工
对得到的弹簧板的断面进行去毛刺处理
13
表面防腐
对板簧表面进行喷漆
14
成品检验
对喷漆后的成品进行检验
第四章零件热处理工艺
4.1热处理工艺参数的选择
表4-165钢热处理工艺参数
工艺名称
退火
正火
高温回火
淬火
回火
加热温度/℃
810-860
820-860
650-680
780-830
按需要定
冷却方式
炉冷
空冷
空冷
油冷
空冷
硬度HRC
≤19HRC
—
—
62HRC
见表4-2
表4-2回火温度对硬度的影响
回火温度
未回火
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
650
硬度HRC
63
61
58
57
54
52
48
45
41
36
32
27
22
表4-365钢临界温度
温度符号
Ac1
Ac3
Ar1
Ar3
Ms
温度值/℃
727
752
696
730
265
4.2热处理工艺的制定
根据弹簧板的硬度、性能要求并结合相图分析，得出两个热处理方案。
方案一：
预备热处理采用正火，最终热处理采用淬火+中温回火：
方案二：
预备热处理采用正火，最终热处理采用等温淬火
4.2.1热处理方案一
预备热处理：
正火
正火工艺较为简单，操作方便，生产周期短，成本较低，并且可使组织均匀化，细化晶粒，正火还可适当提高硬度，改善切削加工性能，并为后续的淬火做好组织准备。
正火加热温度：
65钢为亚共析钢，因此将轴加热至Ac3（752℃）以上30-50℃保温一段时间后在空气中冷却，获得贝氏体组织。
贝氏体具有较高的强韧性配合。
在硬度相同的情况下贝氏体组织的耐磨性明显优于马氏体。
或者得到珠光体和铁素体组织。
力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好。
正火的目的：
（1）提高切削性能
（2）消除网状碳化物（3）为淬火组织做准备
表4-4正火工艺制度
热处理
加热温度
保温时间
加热速度
冷却
正火
820-860℃
10min
158-166℃∕min
空冷
（1）加热时间
钢件加热时间主要取决于加热方式，加热介质，材料本身的性质，工件的几何形状和尺寸以及工件在炉内的放置方式，包括两个部分：
（1）工件达到热处理规范所要求温度的时间；
（2）完成组织转变及其他热处理目的所要求的组织结构状态变化所需要的时间。
加热时间=升温时间+保温时间，由经验计算法t=A*K*D。
合金钢空气电阻炉加热系数A=1.3-1.6min/mm，取1.6。
装炉条件修正系数K=1-1.5，取1.5。
因此，加热时间为t1=1.6x1.5x6=14.4min，取15min。
（2）保温时间
保温时间的确定应考虑：
钢的成分及原始组织状态、装炉量、装炉方式、加热炉的特性等。
对于一般的钢其保温时间按1.3-1.6min/mm计算；对于一些较特殊的合金钢，加热到预定温度后保温1-3h。
工件在炉内要进行一段时间的保温，一方面是为了使工件能够很好的透热，另一方面使工件内部各部分的温度分布，组织状态均匀一致。
我们选的65碳素钢不用考虑合金元素的渗入问题，所以保温时间为t2=1.6x6=9.6min，取10min。
（3）升温时间
升温时间=加热时间－保温时间=15min－10min=340min=5min。
（4）加热温度
加热温度首先要按照钢的状态图和临界点来选择：
正火：
Ac3（或Acm）+30~50℃（或30~80℃）。
查表的65钢的正火加热温度为820-860℃。
（5）加热速度
一般碳钢和低合金钢：
加热速度可不予限制，可随炉升温，也可高温装炉。
在连续生产条件下，大多采用高温直接装炉与快速加热，可提高生产率、缩短生产周期、降低能耗较多，但操作上要以保证保温阶段温度的均匀性为前提。
因此确定加热速度为158-166℃∕min.选定的正火加热速度为160℃∕min。
最终热处理：
淬火+中温回火
将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。
淬火后钢件变硬，但同时变脆。
为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却。
（一）淬火
表4-5淬火工艺制度
热处理
加热温度
保温时间
加热速度
淬火介质
淬火
780-830℃
10min
150-160℃∕min
油
（1）加热时间和保温时间
加热时间和保温时间同正火工艺中的确定是一致的，加热时间为15min，保温时间为10min。
（2）加热温度
选择淬火温度的原则：
获得均匀细小的奥氏体组织。
65钢为亚共析钢，淬火温度在Ac1-Ac3之间（780-830℃）。
（3）加热速度
淬火过程加热速度的确定和正火过程的确定也是相同的，为150-160℃∕min
（4）淬火介质
淬火方法采用单介质淬火：
采用油淬。
原因：
单介质淬火操作简单，容易实现机械化，应用较广，适用于形状简单的碳钢。
水淬变形开裂倾向大。
（5）淬火后组织及硬度
65钢淬火后得到介稳状态的马氏体组织，硬度为62HRC。
（二）中温回火
中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性，回火索氏体的硬度为35-45HRC。
中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。
中温回火后的组织为回火屈氏体，即铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织。
表4-6中温回火工艺制度
热处理
加热温度
保温时间
加热速度
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