锚链钢课程设计概要.docx

锚链钢课程设计概要.docx

《锚链钢课程设计概要.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锚链钢课程设计概要.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

锚链钢课程设计概要

目录

1．设计任务和要求··········································2

2．服役条件、失效分析······································3

2.1工作条件··············································3

2.2力学分析·············································3

2.2.1力学性能··········································3

2.2.2失效形式··········································4

2.2.3失效分析··········································4

3．锚链钢选材及优化比较····································5

3.1奥氏体不锈钢···········································5

3.2合金结构钢············································6

3.3调质钢·················································7

3.4优化比较···············································8

4．制造工艺流程设计········································9

5．锚链的热处理工艺设计···································10

5.1热处理设计原则········································11

5.1．1热处理零件设计原则································11

5.1.2热处理工艺设计原则·································11

5.2热处理工艺流程········································12

5.3热处理设备···········································14

6．热处理车间设计··········································14

6.1车间生产纲领············································14

6.2工作制度和年时基数······································14

6.3热处理设备的选择········································14

6.3.1炉型的选择···········································15

6.3.2冷却设备·············································16

6.3.3调质炉的计算·········································16

7.热处理车间布置···········································17

7.1热处理车间分类···········································17

7.2车间设备组织与布置·······································17

7.3设备平面布置设计·········································18

7.4车间在厂区内的布置·······································18

7.5车间面积及面积指标·······································18

7.6热处理车间布置图·········································19

8.设计总结····················································19

参考文献······················································20

1．设计任务和要求

1）.分析服役条件：

分析锚链的工作条件及力学性能。

2）.选材：

根据锚链的使用环境和作用，选择合理的制作锚链的钢种。

3）.锚链的热处理：

①热处理零件结构设计：

在满足零件使用要求的前提下，在零件设计时应考虑到零件的结构、形状、尺寸能尽可能好地适应热处理工艺要求，以便能降低热处理的操作难度，可靠地保证热处理质量，减少大量废品（畸变超差、开裂），并以最低的耗费成本和生产周期达到预期的技术要求。

②热处理工艺设计：

工艺是为产品服务的，优质的产品是靠先进的、可靠的工艺制造出来的。

热处理工艺是在能够保证达到根据零件使用性能和由产品设计者提出的热处理技术要求的基础上，设计的一种高质量、低成本、低能耗、清洁、高效、精确的热处理工艺方法。

4）.锚链的形状、尺寸设计：

锚链是由若干节组成的，每节25.0~27.5米，节与节之间用链环或卸扣相连。

选锚链链径尺寸为（）

普通环

5）.锚链钢的年产量：

锚链钢的年产量（）。

6）.锚链的失效分析：

锚链的失效形式主要有磨损、腐蚀、疲劳断裂等。

7）.对课程设计的具体要求：

（1）每人选择一个课题，但同一课题选择不能超过5人，选择同一课题的同学组成一个小组，共同讨论，但须独立撰写完成；

（2）确定工件的尺寸、形状和年时基数；

（3）详细讨论选材的依据，合金元素作用、组织与性能之间的关系；提出不少于三种的备选方案，并进行分析比较，确定一种最佳方案；

（4）确定工件的加工工艺流程，制定热处理工艺规范，并加以论述其依据；

（5）根据热处理工艺选择适当的热处理设备，对主要热处理设备的炉体结构、炉膛尺寸、功率进行计算论证，根据生产率确定所需台数；

（6）合理设计工件的热处理生产线，画出设备在车间内的平面布置图（要求用计算机绘图，图中设备用参考图例绘出，其他按照国家标准画出）。

2服役条件、失效分析

2.1工作条件：

（1）足够的强度和韧度：

由于是船用锚链，需要控制整个船所所需要的强度和韧度，所以要能够承受较大的载荷和减轻整个金属结构件。

因此钢材需要尽可能高的屈服强度，韧度及疲劳强度。

（2）良好的焊接性及成型工艺性：

由于锚链需要焊接，并且要求焊缝与母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝的热影响区有较高的韧度，没有焊接裂纹。

（3）良好的耐腐蚀性：

锚链长期处于湖泊海洋之中，很容易出现腐蚀现象，因此，为了保证锚链的正常现象需要进行防止腐蚀的现象。

2.2力学分析：

2.2.1力学性能：

抗拉强度σb（MPa）：

≥690（80）

屈服强度σs（MPa）：

≥635（65）

伸长率δ5（%）：

≥17

断面收缩率ψ（%）：

≥35

冲击功Akv（J）：

≥59

冲击韧性值αkv（J/cm2）：

≥78（8）

布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：

≤207

具体如下表:

抗拉强度σ

Mpa

伸长率δs

%

断面收缩率ψ

%

平均冲击功Αk

J

≥690

≥17

≥35

﹥59

2.2.2失效形式：

①磨损：

锚链是一截截链焊接联合而成，故使用过程中链环间在拉应力的作用下发生相对运动，故而存在磨损。

②腐蚀：

船用锚链长期使用在湖泊海洋之中，容易发生腐蚀产生锈变，因而导致锚链失效。

③疲劳断裂：

锚链在船舶运行时交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂，当超出材料的疲劳极限便会发生断裂现象。

2.2.3失效分析：

（1）锚链在受力方面存在三种形式，如下图：

1“立式环受拉伸一弯曲载荷（第一种载荷情况）

2“水平”环受拉伸曲载荷（第二种载荷况）：

3“自由”环受拉伸载荷（第三种载荷情况）．链环受力载荷如图7。

（2）锚链环断口宏观分析：

断口表面粗糙，断裂源靠近环的边部，呈放射状沿环的横断面扩展，是脆性断口，可清楚的看到断裂源周围分布着大小不等的空洞，有的孔洞长度在100um以上，孔洞周围有不少夹杂物，为准解离状，脆性断裂。

3.锚链钢的选材及优化比较

根据服役条件，列举出12Cr18Ni9、30Mn2、45Mn2三种适合制作锚链的材料进行比较。

3.1奥氏体不锈钢12Cr18Ni9

1、选择理由：

1）、12Cr18Ni9不锈钢是历史最悠久的国产奥氏体型不锈钢，在固溶态具有优良的塑性、韧性和冷加工性能。

加热时没有同素异构转变，焊接性好；韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆倾向；12Cr18Ni9不锈钢对强氧化性酸具有优越的耐蚀性，对碱性溶液及大部分有机酸和无机酸亦有一定的耐蚀性。

它经过冷加工后具有很高的强度。

奥氏体是面心立方结构，没有磁性。

2）、为了更好的满足锚链的服役条件，因此在奥氏体不锈钢中加入大量Cr、Ni和一些Ti、Nb、Mo、Cu、Si等合金元素，下面具体分析加入合金元素的原因及效果：

Cr、Ni：

加入Cr、Ni既得到了单相奥氏体组织，又具有良好的钝化性能，使钢的耐蚀性达到了较高的水平。

Ti、Nb：

加入Ti、Nb元素是为了稳定碳化物，提高晶间腐蚀的能力。

Mo：

加入Mo可增加不锈钢的钝化作用，防止点腐蚀倾向，提高钢在有机酸中的耐蚀性。

Cu：

Cu可以提高钢在硫酸中的耐蚀性。

Si：

Si使钢的抗应力腐蚀断裂的能力提高。

3）缺点：

12Cr18Ni9不锈钢焊接后其耐蚀性比含钛、铌不锈钢和低碳、超低碳18-8型不锈钢差，经冷加工后，其伸长率比12Cr17Ni7钢稍差。

12Cr18Ni9的元素组成及含量如表3-1：

表3-1

2、具体处理工艺：

1）、奥氏体不锈钢一般采用1100℃加热淬火，淬火后的冷却多采用水冷；稳定化退火通常采用850-950℃，保温2-4h后空冷。

2）12Cr18Ni9的制作工艺流程如下：

铸造——锻造——冲压——焊接——热处理——打磨——检测——涂黑——检测——入库

3、成本：

无镍或低镍的奥氏体不锈钢具有较低的成本。

3.2合金结构钢30Mn2

1、选择理由：

1）30Mn2的拉丝与冷镦和热处理工艺性能良好，淬透性较高，在油中临界淬透直径达6.5～18mm，淬火变形小，但存在过热、脱碳敏感性及回火脆性。

此钢经调质后具有高的强度、韧性及耐磨性，可以保证在使用的过程中安全性，承受较大的载荷，而且静强度和疲劳强度也均良好。

30Mn2同时拥有良好的焊接性，保证焊接过后与母材牢靠的结合，没有焊接裂纹，并且有良好的耐蚀性，有效的防止的腐蚀现象的发生。

2）为了更好的满足锚链的服役条件，因此在30Mn2中加入C、Si、Mn、Nb、V、Ti、Al及少量的P、Cu,下面具体分析加入合金元素的原因及效果:

C：

碳既能产生大的固溶强化效果，又能提高珠光体含量，因此具有很好的强化效果，同时具有低的成本，但随着碳含量的增加，韧催转变温度显著提高同时具有焊接、成型困难容易引起结构件发生严重变形和开裂因此含量保持在0.3%以内。

Mn、Si：

加入Mn有固溶强化的作用，但由于Mn能降低A3温度，使奥氏体在更低的温度下转变为铁素体而有轻微细化铁素体晶粒作用，Si有固溶强化作用，但不能细化铁素体晶粒，因此采用稍高的Mn含量，并用适当的Si强化。

Ni、V、Ti：

可形成弥散的碳化物、氮化物、和碳氮化物，他们能钉轧晶界，加热时能阻止奥氏体晶粒的长大，冷却转变后可得细小的铁素体和珠光体。

Ti的氮化物是在钢水凝固阶段形成的，实际上很少溶于奥氏体，因此能再钢的热加工加热过程和焊接时的焊缝中控制晶粒尺寸。

Nb的氮化物和碳化物在奥氏体内部分未分解，可起抑制作用，已溶解的可在高温中部分析出，也可起抑制晶粒长大的作用。

既可产生析出强化，又可产生细化晶粒强化。

Ni、V、Ti：

Nb处理的钢热影响韧性差；V处理的钢不会导致热影响区明显脆化；Ti处理的钢能达到极佳的热影响区韧性。

具体用以下公式评价焊接性:

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

Cu、P：

少量的Cu可以非常有效的提高钢抗大气腐蚀的能力，但到0.25%以上变没有作用此外还可以产生沉淀强化作用；P也有提高钢抗大气腐蚀的能力，还有固溶强化的作用。

3）、缺点：

存在过热、脱碳敏感性及回火脆性。

30Mn2的元素组成及含量如表3-2

表3-2

2、具体处理工艺：

1）、30Mn2拥有片层状的珠光体和多边形的铁素体，因此需要进行淬火和回火。

淬火加热温度为840℃，采用水冷的方法进行冷却；回火加热温度为500℃，也是用水进行冷却。

2）、30Mn2的制作工艺流程如下：

下料——加热——编环——焊接——去刺——压档成型——热处理——拉力试验——表面打磨——抛光——编号——浸漆——标识。

3、成本：

较为低廉

3.3调质钢45Mn2

1、选择理由：

1）、45Mn2为中碳调质钢，强度、耐磨性和淬透性均较高，在油中临界淬火直径达10～25mm，在水中临界淬透直径达22～45。

调质后具有良好的综合力学性能，可切削性尚好；具有良好的服役性能，足够的强度，塑性，韧度，疲劳强度耐磨性等。

2）、为了更好的满足锚链的服役条件，因此在45Mn2中加入Mn、Cr、Ni、Ni-Cr、Mo、V，下面具体分析加入合金元素的原因及效果：

Mn：

Mn能大为提高钢的淬透性。

Cr：

Cr在提高钢的淬透性的同时，还提高回火稳定性。

Ni：

Ni是非碳化合物形成元素，能有效地提高钢基体的韧度。

Cr-Ni：

Cr-Ni复合加入，提高淬透性作用很大。

Mo：

Mo能进一步提高淬透性，既能提高回火稳定性，细化晶粒，又能有效

地消除或大为降低回火脆性倾向。

V：

V是强碳化合物形成元素，有效地细化晶粒，如溶入奥氏体能提高淬

性，能降低钢的过热敏感性。

3）、45Mn2力学性能：

Rm≥885MPa,ReL≥735MPa,A5≥10%,Z≥45%,KU2≥47J

缺点：

热处理时有过热敏感性及回火脆性倾向，水淬易开裂，对白点敏感，焊接性和冷变形塑性较低等。

45Mn2的元素组成及含量如表3-3

表3-3

2、具体处理工艺：

1）、淬火加热温度为840℃，采用油冷的方法进行冷却，形成混合马氏体；回火加热温度为550℃，用水和油进行冷却，形成回火索氏体。

2）、工艺流程：

领料——取料——冲压——折弯——焊接——热处理——打磨——检测——喷漆——半成品检测——入库

3、成本：

较为高昂

3.4优化比较

综合以上三节对钢种的分析，对于锚链的选材，需要在强度与韧度，焊接性能，耐蚀性有一定的能力。

同时尽可能的成本低廉。

奥氏体不锈钢拥有很高的耐蚀性，有很高的塑性并且容易加工变形，焊接性好并没有冷淬现象，价格低廉，但是没有足够的强度，容易发生变形断裂，因此方案一不可选；合金结构钢拥有足够的强度和韧度，保证了工作的安全性，同时拥有良好的焊接性，预防腐蚀的现象，而且拥有价格价位低廉的好处，但因为处理工艺复杂，合金元素较多，因此费时费力；调制刚拥有良好的服役性能，足够的强度、塑性、韧度、疲劳强度、耐磨性等，但是因为没有良好的耐腐蚀性，因此在湖泊海洋这种环境中容易发生腐蚀现象破坏锚链使用，不适于较长使用，同时锚链的使用也不需要调制刚那么高强的强度和塑性。

综合上述三个方案的优缺点可以看出，方案二较为适合锚链的生产使用，因此采用方案二，30Mn2为原材料进行锚链的生产使用。

4制造工艺流程设计

1）、下料：

将低合金钢30Mn2下料。

2）、加热：

将加入的30Mn2钢加热。

3）、编环：

将加热后的低合金钢弯成需要的形状。

如下左图所示。

编环焊接

4）、焊接：

用闪光焊焊接锚链的接头组织。

如上右图，当闪光稳定而剧烈时，开始转入顶锻阶段。

液体过梁因端面间隙突然减小导致端面增大而不再爆破，闪光停止，工件端面区域进行了足够而适当的塑性变形，把在闪光阶段氧化的金属排挤到毛刺中去，形成闪光焊接接头。

5）、去刺：

将焊接后的接头中的毛刺去除，使焊接处平整。

6）、压档成形：

将去刺后的锚链放入锚链横档挤压成型的装置中，在底座上方固定有芯件，使挤压精度更高，从而提高了锚链横档的质量。

7）、热处理：

将经过压档成形处理后的锚链先经过淬火加热，快速加热（800℃左右），经短时间保温后，锚链连续入水淬火。

淬火冷却后，再进行回火炉进行加热，温度为400℃左右，然后入水降温冷却。

8）、拉力试验：

使用拉力试验机将经过热处理后的锚链进行拉力测试，按ＧＢ／Ｔ２２８－２００２标准规定的速度让试验机对标准拉力试样进行拉伸，将伸长量与标准拉力试样相同的力值点进行对比，根据比对值的差来确定试验机技术状态及精度。

从而确定锚链能承受的最大拉力值。

9）、表面打磨：

将锚链表面打磨光滑，以便进行抛光处理。

10）、抛光：

将锚链表面进行抛光处理，如下左图所示。

11）、编号：

从第一节到第六节之间的标记。

从第六节开始重复标记。

12）、浸漆：

对新造锚链的表面处理可采用喷丸或化学酸洗处理。

表面处理干净后，一般可吊入浸漆筒内进行浸涂施工，3～5min后，吊起干燥。

最短涂装间隔24h，一般浸涂3道。

浸漆时需注意以下几点：

①锚链在涂漆前必须将铁锈、氧化铁及污秽物等全部清除干净。

②锚链经清理干净后，涂上二层以煤焦沥青为原料的沥青漆或浸涂柏油。

③用涂刷法涂漆应在锚链标识作好后进行，做标识的链环上，不允许涂沥青漆。

④用涂刷法涂漆时，当第一层漆刚干燥即涂上第二层漆。

13）、标识：

为了抛锚时能确定锚链抛在舷外的节数，应在锚链上作链节标识。

将整个锚链分为若干节，从锚卸扣处起向后计算，每27.5m为一节（锚端节按实际长度计算）。

标识方法为在每一节连接环前后的与节数相应的链环横档上绕以直径2——4mm的退火金属丝10~20圈，并涂以白色水漆线。

抛光标识

5锚链的热处理工艺设计

5.1热处理设计原则

热处理的设计需遵循零件设计原则和工艺设计原则。

5.1.1热处理零件设计原则

在实际生产中，对热处理零件结构设计的主要要求有：

1）锐边尖角要倒钝或改成圆角。

2）尽量使零件截面积均匀，质量平衡。

必要时可加开工艺孔或工艺性槽，并合理分布其位置其位置和数量。

3）提高零件结构的刚性，必要时可附加加强肋。

4）零件几何形状应力求简单、对称。

5）热处理前要有一定的表面粗糙度。

一般淬火零件的表面粗糙度不大于Ra3.2µm；渗氮零件表面粗糙度值大时，脆性值大，硬度测不准确，一般要求Ra在0.80~0.10µm；渗碳零件表面粗糙度不高于Ra6.3µm。

表面不能有较深的印痕，关键部位不能有印痕。

6）形状特别复杂或者不同部位有不同性能要求时，在可能的情况下可改成组合结构。

7）尽量避免配作孔、局部渗碳、局部渗氮。

8）对于大件、长件，设计时应考虑便于热处理的装夹、吊挂。

9）高频淬火部位应尽量避免有孔或槽。

不能避免的孔或槽，其边缘一定要倒角，键槽可在槽两端的圆弧处倒角。

5.1.2热处理工艺设计原则

在设计过程中，应遵循以下几种原则：

1）根据零件使用性能及技术要求，提出所可能实施的几种热处理工艺方案，通过综合经济技术分析，确定最佳热处理工艺方案。

2）确定热处理工艺方案后，根据零件的材料特性及技术要求，选择热处理加热设备、加热、保温时间与冷却方式。

3）在此基础上，制定编制热处理工艺规范，设计零件在有关热处理工序使用的装夹具及校直装置等。

4）编写主要热处理工序的操作守则。

在遵循热处理工艺设计原则的基础上，还应考虑平面布置的合理性。

对热处理工艺的平面布置设计应满足；

1）设计合理并有充分的灵活性。

2）设备功能好，选用恰当，设备利用率高，且维护方便。

3）物流畅通，迂回少，车间内通道宽畅。

4）安全防护措施可靠。

5.2热处理的工艺流程

为了满足锚链在生产工作中所要的需求，焊后采用调质处理，具体可分为以下两个步骤：

一、在工厂连续热处理炉中进行，炉中最高温度达930℃，入水前温度为900℃由于锚链链径为（），因此在淬火炉中需要加热3.5h,加热完成后快速进入水中进行水冷，金相组织变为板条状马氏体。

下面将解释为何通过热处理获得板条状马氏体：

1、板条状马氏体：

由多个板条单晶组成，大体上平行，各板条宽、长短不等，厚度约为几十纳米到数百纳米，板条内存在位错亚结构。

板条状马氏体不但具有很高的强度而且具有良好的塑性和韧性，同时还具有低的脆性转变温度，其缺口敏感性和过载敏感性都较低。

2、马氏体具有高硬度和高强度：

（1）固溶强化：

碳对马氏体的固溶强化。

（2）相变强化：

板条马氏体中高密度的错位将阻碍位错的运动，使得马氏体强化。

（3）时效强化：

碳原子和合金元素的原子向位错及其它晶体缺陷处扩散偏聚或碳化物的弥散析出，钉轧位错，使位错难以运动，从而造成马氏体的时效强化

（4）原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束大小对马氏体强度的影响：

原始奥氏体晶粒大小及板条马氏体束的尺寸对马氏体强度也有一定影响。

原始奥氏体晶粒越细小、马氏体板条束越小，则马氏体强度越高。

3、马氏体的塑性和韧性：

板条马氏体比片状马氏体的韧性好很多，即在具有较高强度、硬度的同时，还具有相当高韧性和塑性。

因此，进行淬火处理加强了材料的性能优势，同时也为第二个步骤回火处理提供了基础。

二、接着进行回火处理。

淬火冷却后，将淬火后的锚链传入回火炉中进行加热，回火的温度为500度左右，根据锚链链径为（），则回火时间为4h,回火过后形成回火索氏体，下面将介绍回火索氏体的性能及处理原因：

1、回火索氏体：

回火索氏体使用马氏体在650度左右回火形成的金相组织，其基本特征是铁素体基体内分布着碳化物的复合组织，此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。

常温下是一种平衡组织。

2、回火索氏体综合机械性能很好，具有良好的韧性和塑性，同时具有较高的强度。

  回火处理提高了锚链的综合性能，使锚链的使用更具有价值意义，因此，回火处理有很大的积极意义   

根据上述调质处理可得以下图表：

表5-1

热处理工艺

加热温度℃

出炉温度℃

链径尺寸，mm

≤46

48~58

60~76

≥78

保温时间，h

退火

930~950

≤350

2.0

2.5

3.0

3.5

淬火

930~950

940±10

回火

550~570

650~690

3.0

3.3

3.5

4.0

图5-1

本生产线采用立式结构。

以锚链本身作为牵引件，淬火和高温回火四道工序连续进行年处理能力8000~10000t总体设计先进合理，参数可调性好，回火与淬火匹配得当，运行稳定、协调、可靠，解决了由于工艺的特殊要求而带来的一系列难题．

5.3热处理设备

设计设备要以工艺为前提，研究工艺要以设备为基础。

辨证地处理好二者的关系，成为又一个技术关键