毕业设计论文60SiMnMo热轧辊的热处理工艺设计Word格式文档下载.docx
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3、主要参考文献
[1]夏立芳主编.金属热处理工艺学.哈尔滨:
哈尔滨工业大学出版社,2005
[2]中国机械工程学会热处理分会．热处理工程师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第一版.
[3]张玉庭主编．热处理技师手册［Ｍ］．机械工业出版社．2006．第一版
[4]中国机械工程学会热处理学会．热处理手册［Ｍ］．机械工业出版社．2003．第三版.
4、课程设计工作进度计划
第十六周：
对给定的题目进行认真分析，查阅相关文献资料，做好原始记录。
第十七周：
撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，提交设计说明书。
指导教师（签字）
日期
年月日
教研室意见：
学生（签字）：
接受任务时间：
年月日
注：
任务书由指导教师填写。
课程设计（论文）指导教师成绩评定表
题目名称
评分项目
分值
得分
评价内涵
工作
表现
20%
01
学习态度
6
遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。
02
科学实践、调研
7
通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。
03
课题工作量
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。
能力
水平
35%
04
综合运用知识的能力
10
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
05
应用文献的能力
5
能独立查阅相关文献和从事其他调研；
能提出并较好地论述课题的实施方案；
有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
06
设计（实验）能力，方案的设计能力
能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；
研究思路清晰、完整。
07
计算及计算机应用能力
具有较强的数据运算与处理能力；
能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。
08
对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）
具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。
成果
质量
45%
09
插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度
符合本专业相关规范或规定要求；
规范化符合本文件第五条要求。
设计说明书（论文）质量
30
综述简练完整，有见解；
立论正确，论述充分，结论严谨合理；
实验正确，分析处理科学。
11
创新
对前人工作有改进或突破，或有独特见解。
成绩
指导教师评语
指导教师签名：
年 月 日
摘要
本课设计了60SiMnMo热轧辊的热处理工艺设计。
主要的工艺过程包括冶炼—铸造—粗加工—热处理—精加工—性能、探伤等过程。
通过各种不同的工艺过程进行恰当的处理可以获得各种性能良好的材料并且满足各项性能的要求。
60SiMnMo热轧辊使用在开坯，厚板，型钢等加工中。
它承受了强大的轧制力，剧烈的磨损和热疲劳影响，而且热轧辊在高温下工作，并且允许单位工作量内的直径磨损，所以不要求表面硬度，只要求具有较高的强度，韧性和耐热性,热轧辊只采用整体正火或淬火，表面硬度要求196~269HB。
关键词：
60SiMnMo钢，铸造，性能、探伤，整体正火
摘要Ⅰ
1、设计任务1
1.1设计任务1
1.2设计的技术要求1
2、设计方案2
2.1热轧辊设计的分析2
2.1.1工作条件2
2.1.2失效形式2
2.1.3性能要求2
2.2钢种材料2
3、设计说明3
3.1加工工艺流程3
3.2具体热处理工艺3
3.2.1预备热处理工艺4
3.2.2调质处理的目的5
3.2.3淬火处理的加热温度与保温时间5
3.2.4淬火冷却与回火5
3.2.5机械加工6
3.2.6渗碳工艺6
3.2.7冶金检查7
3.2.8物理性能7
4、分析与讨论8
5、结束语10
6、热处理工艺卡片11
参考文献12
1设计任务
1.1设计任务
1.2设计的技术要求
由于60SiMnMo钢的含碳量在0.25-0.60%之间,所以是一种中钢材料，因此它有较高的硬度和强度，但是它的延展性、可塑性较差。
而轧辊的寿命主要取决于轧辊的内在性能和工作受力，为满足其在制造轧机上的寿命要求，应提高轧辊的内在强度和硬度。
要使轧辊具有足够强度，主要是从轧辊材料方面来考虑，硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，它决定轧辊的耐磨性，在一定程度上也决定轧辊的使用寿命，通过合理的材料选用和热处理方式可以满足轧辊的硬度要求。
总之，合理选材及采用合适的热处理方式高质量地制造轧辊，可以节约大量的辊材,降低轧钢生产成本，同时提高轧辊的质量和产量。
因此，应重视轧辊选材的新动向，从轧钢的实际条件出发开发轧辊的新材质，提高轧辊的制造质量。
这里我们选择的是60SiMnMo。
2设计方案
2.1热轧辊设计的分析
2.1.1工作条件
根据热轧辊的实际工作条件，热轧辊常工作在700~800℃的高温环境，与灼热的钢坯相接触，承受强大轧制力，表面承受轧材的强力磨损，反复被热轧材加热及冷却水冷却，经受温度变化幅度较大的热疲劳作用。
2.1.2失效形式
热轧辊主要失效形式有热疲劳引起的龟裂和剥落、辊身表面磨损、轧辊断裂、过回火和蠕变、缠辊，失效面几乎覆盖整个工作面。
热轧辊最普遍的失效形式都是辊面剥落和磨损。
2.1.3性能要求
热轧辊通常会因为热疲劳而引起热龟裂，如果高温保持时间过长，还会引起轧辊过度回火和蠕变，从而导致轧辊的机械强度、抗热负荷和机械负荷能力下降。
因此热轧辊必须具备以下性能要求:
①材质均匀，表面硬度均匀；
②高的淬透性；
③的热膨胀系数，意味着较小的体积膨胀，亦即较低的热应力积累；
④的热传导性能；
高的热传导性能降低了热温差，从而降低了热应力；
⑤的高温屈服强度，高的高温屈服强度有利于对抗龟裂；
⑥良的抗回火能力，如果钢材最初具有的高温屈服强度，会在高温状态长时间使用而降低，则意味着热龟裂破坏会加速形成，故轧辊材料具有良好的长时间高温抗软化性能显得非常重要；
⑦的抗氧化性；
⑧的高温蠕变强度，蠕变强度是指金属在某一温度下，经过一定时间后，蠕变量不超过一定限度时的最大允许应力。
如σ6000.1/1000=294N/mm2表示在600℃经1000h，蠕变量不超过0.1%的最大允许应力为294N/mm2[2]。
2.2钢种材料
60SiMnMo钢具有良好的淬透性、淬硬性，按碳含量由低到高可分为低碳钢，中碳钢和高碳钢；
按锰含量不同可分为普通含锰量和较高含锰量两类。
60SiMnMo钢是一种中碳钢材料，由于60SiMnMo钢的含碳量在0.25-0.60%之间，因此它有较高的硬度和强度，但是它的延展性、可塑性较差，因为60SiMnMo钢的含碳量较高，对这样的材料制成的零件在进行热处理提高其硬度比较容易。
3设计说明
3.1加工工艺流程
60SiMnMo热轧辊热处理工艺设计的热加工工艺流程经过许多次改进形成如下的两种工艺流程:
一是冶炼→铸造→热处理→加工→性能、探伤的检测→成品；
二是冶炼→铸造→粗加工→热处理→精加工→性能、探伤等检测→成品。
60SiMnMo钢属于中碳钢，其成分[1]如下表1.
表160SiMnMo钢的成化学分（质量分数，%）
C
Si
Mn
Mo
Ni
0.55～0.60
0.70～1.10
1.10～1.50
0.30～0.40
成分分析：
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂。
它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。
Mn和Fe形成固溶体，提高奥氏体的硬度和强度，经固溶处理后有良好的韧性，当受到冲击而变形时，表面层将因变形而强化，具有高的耐磨性；
同时又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。
Si能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。
硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb）,以及疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）等。
硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。
3.2具体热处理工艺
60SiMnMo热轧辊在工作中进行的热处理一般有锻后热处理货调质。
①锻后热处理：
锻后热处理的主要目的是消除锻后应力，细化晶粒，改善切削性能。
锻后热处理还有扩氢作用。
扩氢时间视钢锭氢含量而定，一般认为[H]≤2×
10-4%时，可取消扩氢处理。
②调质：
热轧工作辊的最终热处理是调质。
调质的目的是保证轧辊表面获得规定的硬度和力学性能，并保证心部具有足够的韧性。
60SiMnMo热轧辊热处理工艺分析：
①大锻件常用的冷却方式有很多。
由于空冷的冷却能力较小，空冷时锻件的性能潜力较小，空冷时锻件的性能潜力不能充分得到发挥；
如果采用水冷，大锻件的截面大，冷却时的内外温差大，热应力和组织应力也就比较大，有可能使锻件原有的微裂纹扩大，甚至造成开裂。
该60SiMnMo热轧辊调质热处理工艺为830℃加热；
淬火加热温度不高，冷却方式采用油冷。
据了解热处理淬火工艺是严格执行的。
②大锻件回火的目的是消除或降低工件淬火冷却时产生的残余应力，得到稳定组织，以满足综合性能要求；
同时回火过程中还起去氢作用，以消除氢脆现象。
③大锻件回火后冷却方式很重要，该60SiMnMo钢轧辊采用较高的上限温度620℃回火，保温9h后水冷。
为了避免回火脆性，钢轧辊采用回火后水冷的方式：
分析认为，600℃回火后水冷的快冷方式也会产生很大的内应力。
这是钢轧辊热处理后放置48h后发生断裂的主要原因。
3.2.1预备热处理工艺
退火是将偏离平衡状态的金属坯料或零件加热至较高温度，保持一定的时间后通常以相当缓慢的速度冷却，以得到接近于平衡状态组织的各种工艺方法。
热轧辊的常见退火有消除内应力退火和石墨化退火，下面以消除内应力退火为例：
轧辊在浇注后的冷却过程中，各部位通过塑性到弹性变形温度的时间不同；
在冷却过程中轧辊发生石墨化和各种相变时其体积变化，这两个因素使轧辊由表面至中心生产很大的应力。
低温退火，可在短时间内有效的消除热轧辊内应力。
根据轧辊的材质、尺寸和铸造条件确定低温退火的加热温度、保温时间和冷却速度等工艺参数。
退火的目的是：
①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。
②细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。
③消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。
T/℃退火
810~860℃
3~4h
720~730℃
3~4h随炉降温
600℃出炉
t/h
图160SiMnMo钢退火工艺曲线
加热温度：
Ac1+20~30℃/Ac3+50~100℃；
加热速度：
不小于100℃/h；
保温时间：
2~4h/mm[3]
3.2.2调质处理的目的
调质前热处理余量一般为单边10—15mm,尖角要到钝，尽可能圆滑过渡，对于槽口较大的热轧工作辊，粗加工时要预开槽。
体质的目的是保证轧辊表层只具有细珠光体和索氏体组织，规定的硬度和力学性能，，以及心部具有足够的韧性。
调制的工艺规范见图2：
T/℃
820~850℃
640~660℃油冷600~650℃
350℃350℃出炉温度
图2调质处理的工艺曲线t/h
影响调质处理质量的因素是钢的淬透性。
如钢材的淬透性小，使的淬火组织中含有珠光体，甚至出现铁素体时，则零件的疲劳强度与屈服强度明显下降。
调质钢的热处理必须先完全淬火得到马氏体，然后再进行高温回火处理。
3.2.3淬火处理的加热温度与保温时间
调质钢的淬火加热温度，对于低合金钢，淬火温度应根据临界点Ac3确定，考虑合金元素作用，为了加速奥氏体化，淬火温度可偏高些，一般应加热到Ac1以上50~100℃。
淬火加热温度过低，则淬火时不能完全淬透，淬火组织中除马氏体外，还保留一部会铁素体，使钢的强度和硬度降低。
淬火加热处理温度过高，会导致奥氏体晶粒化，淬火后获得粗大的马氏体。
淬火加热的保温时间必须能使足够的碳化物溶于奥氏体中，并均匀化。
以下因素决定和影响着保温时间。
a零件的尺寸。
尺寸越大，装炉量越大，加热时间越长。
b炉温。
提高炉温可以缩短加热时间，采取高于正常淬火温度50~100℃的快速加热方式，可以减少零件变形。
c装炉。
装炉时零件放置间隔打则加热就快，反之，紧密放置，需较长加热时间。
装炉间隔过大，虽然缩短了加热时间，但降低了生产效率，一般取间隔为零件厚度一半。
3.2.4淬火冷却与回火
淬火冷却:
冷却介质及冷却方式要根据钢的淬透性及零件尺寸选择，尽可能的使零件淬透。
碳钢一般用水淬或水淬油冷。
合金钢用油淬。
合金元素较多的调制钢，可采用更缓和的淬火介质与冷却方法。
对于大尺寸的合金钢零件，可采用水淬油冷，以增加淬透层深度。
回火：
回火温度是根据零件的硬度要求选择的。
选择的回火温度高时，回火零件的韧度也高，但强度和硬度会相应的降低。
合金钢和碳钢零件的硬度相同时，
其回火温度要高于碳钢。
淬火热处理所用的加热设备与采用的淬火类型有关，多用传统设备加热后，把轧辊吊到高压喷淬设备上淬火。
移动式感应加热时，紧跟着感应圈沿辊身的移动进行淬火。
淬火后对轧辊进行回火以满足辊身表面硬度的要求。
初始热处理可以单一的，也可以是组合的，它取决于淬火、回火处理前要求的轧辊性能。
热处理工艺曲线见图3：
810~840℃
650~680℃
500℃
300℃400
出炉温度
图3热轧辊的锻后热处理工艺曲线（正火+回火）
3.2.5机械加工
由于我们专业并不怎么涉及机加工方面的知识，因此此处不予给与说明。
3.2.6渗碳工艺
渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900~950℃的温度下加热、保温，使其表面层增碳的一种工艺操作。
渗碳的目的在于使工件在继续经过相应热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部任保持一定的强度和较高的任性。
固体渗碳工艺如图4所示。
900~950
T800~850
h
图460SiMnM钢的渗碳工艺曲线
3.2.7冶金检查
锻钢热轧辊有关的两种检验室NDT检验和硬度检测。
A、无损检测
锻钢辊的无损检测（NDT）对轧辊制造者和使用者都是很重要的。
轧辊制用NDT检查淬火前和精加工后轧辊辊身便面和内部是否满足要求。
轧辊用户则利用DNT确保足够的磨削量，使轧辊在下一次使用前得到修复。
超声波检查是用于这一目的的一种普通的方法。
主、超声波检测：
用专门的探头将高频声波射入轧辊以检查声波的反射情况。
所刻的界面都将不同程度的反射或散射声波，这些界面包括裂纹、夹杂、晶界或其他不连续的情况。
金属-空气界面，反射大部分声波，而金属-固体界面则部分反射声波。
B、硬度
对锻钢辊的使用性能来说硬度是很关键的。
轧辊制造者必须满足用户规定的严格硬度要求。
硬度可以用以下四种方法检测：
洛氏（HRC）压痕检验法、维氏（DPH）压痕检验法、肖氏（SHORSC）回弹检验法、里氏回弹检验法。
锻钢辊的某些特性会影响硬度检验的结果，从而影响硬度之间的换算。
显微组织淬硬层深度，残余应力值及硬度检验仪的类型都影响轧辊的硬度。
硬度不是一项孤立的轧辊性能。
简单说，一个简单的硬度换算变是不适宜的。
3.2.8物理性能
经过上述各种热处理后60SiMnMo钢的韧性、硬度、耐磨性都有所甚至很大的提升。
4分析与讨论
60SiMnMo热轧辊热处理工艺设计已经在前面展示，在加工工艺过程中会出现的缺陷是断裂，断裂出现的原因和防止方法如下：
断裂原因；
①、脆性断裂，此类轧辊断口形状较为平整，断口周围辊身表面较为齐整；
②、韧性断裂，此类轧辊断口形状多呈"
蘑菇头"
状，断口附近的辊身均成粉碎状破碎。
将二者比对发现，此次断辊事故的断辊形式为韧性断裂。
脆性断裂和韧性断裂都是因为轧辊应力超过芯部强度造成的。
其产生原因与轧辊本身残余应力，轧制时机械应力以及轧辊热应力有关，特别是当辊身的表面和芯部的温差大时更容易产生。
这种温差可能由不良的辊冷却，冷却中断或在新的轧制周期开始时轧辊表面过热引起。
轧辊的这种表面和芯部间的巨大温差引起较大的热应力，当较大的热应力，机械应力以及轧辊的残余应力超过轧辊的芯部强度时引起断辊。
例如，轧辊表面和芯部间的温差在70℃时轧辊会增加100MPa的纵向热应力，温差越大，增加的热应力越大。
与产生脆性断口的轧辊相比较，产生韧性断口的轧辊的芯部材料韧性更好，更不容易出现断裂。
导致轧辊失效的应力共有四种：
①、制造过程中的残余应力；
②、轧制过程中的机械应力；
③、轧制过程中轧辊的组织应力；
④、轧辊内外温差造成的热应力。
如果是因为制造残余应力过大产生断裂，断辊通常发生在轧辊初始上机使用的前几次，且为开轧的前几块轧材。
此次断裂的轧辊已经上机轧制了四次，工作层消耗了14mm，因此不应是因制造残余应力形成的断裂。
如果是因为机械应力产生的断裂，需要很大的机械应力。
经粗略计算，如此大截面的高铬铸钢轧辊若被机械应力拉断，则需要100MN以上的拉力，对于该轧辊工作的轧机来说这是不可能的。
轧辊受力最大的部位是传动端辊颈，如果材料的力学性能指标不足，正常轧制情况下首先损坏的是传动端辊颈。
从实际轧制和断辊情况来看，不是由于机械应力造成辊身断裂。
对组织应力影响最大的就是外层组织中残余奥氏体含量。
残余奥氏体在轧制温度，轧制压力和水冷的交变作用下，发生奥氏体向马氏体或贝氏体的转变，由于奥氏体的比容小，而马氏体的比容大，因而在组织转变的过程中伴随着体积的膨胀，会致使轧辊的工作层产生更大的压应力，芯部产生更大的拉应力，芯部应力一旦超过材料的强度，必然造成轧辊断裂。
考虑到残余奥氏体对组织应力的影响及热带连轧机轧辊的工作条件，一般轧辊的残余奥氏体含量控制在小于5%即可保证安全使用。
该断裂轧辊的外层组织中残余奥氏体含量小于1%，故组织应力可以忽略不计。
轧辊断裂也可能与温度不均匀造成的热应力有关。
轧辊在上机使用过程中，由于与轧材的紧密接触，轧辊表面温度迅速上升，而轧辊芯部的温度上升较慢，这时轧辊面和轧辊芯部之间的温差处于最大值，温差引起的轧辊热应力也处于最大值。
如果轧辊的热应力和轧辊的残余应力相叠加，并且超过了轧辊芯部的强度极限时就可能发生轧辊断裂的事故。
断裂的防止方法：
防止断裂应该从减小制造残余应力，机械应力，组织应力和[1]热应力四方面进行。
一般情况下大部分制造残余应力会在热处理过程中消除，并且会随着轧辊的存放时间延长而逐渐消除，因此新轧辊存放一段时间再使用，能够降低断辊风险。
避免较大机械应力的方法主要是避免过冷钢。
降低组织应力的方法是通过热处理将辊身工作层残余奥氏体含量控制在小于5%以下。
减小热应力的办法是在轧钢过程中对轧辊进行良好的冷却。
制造残余应力，机械应力，组织应力和热应力是造成高铬钢轧辊断裂的主要原因，良好的热处理，轧制条件和冷却可以有效防治高铬钢轧辊断裂[2]。
5结束语
热处理可以改变材料的金相组织，保证轧辊必须的强度、耐磨性、红硬性和热疲劳强度等，对轧辊的使用寿命起着非常重要的作用，正确的热处理工艺是提高轧辊使用寿命的关键。
合理选材及采用合适的热处理方式制造轧辊，不仅可以节约大量辊材，而且还能降低轧钢生产成本，提高轧辊的质量和产量。
通过这次60SiMnMo热轧辊的热处理工艺设计的学习，让我认识到自身的不足，应该更努力的学习金属学的知识来充是自己，完善以后的实验论文，同时各科相关的课程都有了全方面的认识，独立思考的能力也有所提高。
使用条件是轧机部件中轧辊的工作条件最为复杂。
轧辊在制造和使用前的准备工序中会产生残余应力和热应力。
使用时又进一步受到了各种周期应力的作用,包括有弯曲、扭转、剪力、接触应力和热应力等。
这些应力沿辊身的分布是不均匀的、不断变化的，其原因不仅有设计因素，还有轧辊在使用中磨损、温度和辊形的不断变化。
此外，轧制条件经常会出现异常情况。
轧辊在使用后冷却不当，也会受到热应力的损害。
所以轧辊除磨损外，还经常出现裂纹、断裂、剥落、压痕等各种局部损伤和表面损伤。
一个好的轧辊，其强度、耐磨性和其他各种性能指标间应有较优的匹配。
这样，不仅在正常轧制条件下持久耐用，又能在出现某些异常轧制情况时损伤较小。
所以在制造轧辊时要严格控制轧辊的冶金质量或辅以外部措施以增强轧辊的承载能力。
合理的辊形、孔型、变形制度和轧制条件也能减小轧辊工作负荷，避免局部高峰应力，延长轧辊寿命。
性能要具有①材质均匀，表面硬度均匀；
6热处理工艺卡片
零件名称：
轧辊
热处理工艺卡
处理要求：
冶炼→铸造→粗加工→热处理→精加工→淬火、回火→性能、探伤等检测→成品
热处理技术要求：
室温控制在接近850℃
硬度：
196~302HBW
材料：
60SiMnMo钢
工序号
名称
设备
工具
装料
工艺规范
冷却
备注
工具数量
一工具装数量/
件
温度/℃
加热时间
保温时/h间
合计
介质
1
锻造加热
900~1000
--
炉冷
2
退火
810~840
1h
2~4h
3-4h
冷水
3
渗碳
900~950
5min
2h
渗碳气氛
4
淬火
860~870
升级会员 