xx大学
毕业论文（设计）
2016 届材料成型及控制工程专业班级
题目旋耕刀淬火与高温回火组织研究
姓名学号
指导教师职称教授
二О一六年五月二十四日
内容摘要
旋耕刀作为耕作机上的重要工作部件，它的工作性能好坏、寿命长短直接影响着耕作机的工作质量、土壤被破碎的程度。旋耕刀的工作条件比较恶劣，多为潮湿或有腐蚀性的土壤，容易发生摩擦磨损失效。因此，科学有效的提高旋耕刀材料的硬度已成为迫在眉睫的重要任务。提高旋耕刀材料的硬度能够有效节约能源，提高耕作机的工作效率，进而提高农业生产的综合效益。
针对制备的旋耕刀试样进行不同参数的热处理实验。对经过热处理前后的材料进行硬度测量分析，在淬火和不同的回火温度、不同的回火保温时间和回火冷却方式的条件下进行热处理实验，通过分析得出各因素对材料硬度的影响关系。
材料通过不同的热处理工艺会得到不同的显微组织。通过对试样材料进行不同的热处理，借助金相显微镜观察其微观组织的变化，通过组织变化分析对硬度的影响规律。随着淬火，回火温度的不同，回火保温时间的不同，回火冷却方式的不同，材料的显微组织有着明显的变化。当材料经过淬火后其微观组织为淬火马氏体，材料的硬度有明显提高；经过高温回火后其微观组织为回火索氏体，但材料的硬度却有略微的下降。
在淬火与高温回火的大前提下，得到旋耕刀材料获得最大硬度时的最佳热处理工艺参数为：回火加热温度为480℃，回火保温时间为12min，冷却方式为油冷。
关键词：
旋耕刀；热处理；硬度；微观组织
Researching Rotary Knife Quenching And
Tempering Organization
Author：Mu Shan Shan Instructor：Cheng Zhao
Abstract
Rotary knife work as an important part of farming machines, its performance is good or bad, directly affects longevity tiller quality of the work, the degree of soil to be broken. Rotary knife relatively poor working conditions, mostly humid or corrosive soil, prone to friction and wear failure. Therefore, scientific and effective to increase the hardness rotary knife materials has become an important task imminent. Rotary knife to improve the hardness of the material can effectively save energy and improve the efficiency of farming machines, thus improving the overall efficiency of agricultural production.
Experiment with different parameters heat treatment Rotary knife for sample preparation. After heat treatment of the material before and after the hardness measurement and analysis, in the quenching and tempering of different temperatures and different times and conditions tempering Tempering cooling heat-treated experiment, obtained through the analysis of various factors affect the relationship between the hardness of the material .
The microstructure of the material obtained by different heat treatment
process will be different. The sample material by different heat treatment, by means of optical microscopy to observe the changes of microstructure by analyzing the influence of organizational changes on hardness. With different quenching and tempering temperature is different, different, tempering cooling tempering holding time, the micro structure of the material has a significant change. When the material after hardening it is quenched martensite microstructure, hardness of the material has significantly improved; decreased after tempering its micro structure is tempered sorbite, but there is a slight hardness of the material.
In the quenching and tempering of the premise, the optimum heat treatment parameters to obtain rotary knife material for maximum hardness of: tempering heating temperature of 480 ℃, tempering holding time of 12min, cooling oil cooling.
Key words:
rotary knife; heat treatment; hardness; microstructure
目录
第1章综述 (1)
1.1 概述 (1)
1.1.1 旋耕刀的概念 (1)
1.1.2 旋耕刀的种类 (1)
1.2 旋耕刀的研究背景 (2)
1.3 旋耕刀的研究现状 (2)
1.4 提高旋耕刀硬度研究的意义 (2)
1.5 本文的研究目标和主要内容 (4)
1.5.1 本文研究的主要目标 (5)
1.5.2 本文研究的主要内容 (5)
第2章选题依据 (7)
2.1 专业相关主修课程 (7)
2.2 国内外研究现状 (7)
2.3 研究方法 (8)
2.3.1 热处理概述 (8)
2.3.2 淬火 (9)
2.3.3 回火 (9)
第3章实验材料和设备 (12)
3.1 实验材料 (12)
3.1.1 65Mn是旋耕刀的主要成分 (12)
3.1.2 65Mn简介 (12)
3.2 实验前试样的准备 (13)
3.2.1实验前对旋耕刀的切割 (14)
3.2.2 整理试样 (14)
3.3 主要实验设备 (15)
3.3.1 中走丝电火花数控线切割机 (15)
3.3.2 TH300数显洛氏硬度计 (16)
3.3.3 实验用的中温箱式电阻炉(附测温控温装置) (16)
3.3.4 奥林巴斯OLYMPUS GX51型金相显微镜 (17)
3.3.5 XQ-2B镶嵌机 (17)
3.3.6 MoPao160E型磨抛机 (18)
3.4 其他实验设备 (19)
第4章实验过程 (21)
4.1 原始硬度测量和组织观察 (21)
4.1.1 原始硬度测量 (21)
4.1.2 原始组织观察 (21)
4.2 淬火过程 (21)
4.2.1 淬火工艺参数的选择 (22)
4.2.2 淬火 (23)
4.2.3 淬火后硬度测量 (24)
4.3 高温回火过程 (24)
4.3.1 回火工艺参数的选择 (24)
4.3.2 高温回火 (26)
4.3.3 回火后硬度及组织观察 (26)
第5章实验结果与分析 (28)
5.1 各阶段硬度测量结果及分析 (28)
5.1.1 各阶段硬度 (28)
5.1.2 硬度分析 (28)
5.2 热处理前后组织结果及分析 (29)
5.2.1 热处理前后组织观察结果 (29)
5.2.2 组织分析 (33)
第6章结论 (35)
致谢 (36)
参考文献 (37)
旋耕刀淬火与高温回火组织研究
作者：xx 指导老师：xx 教授
第1章综述
1.1 概述
旋耕刀作为旋耕机的重要工作部件,刀的形状和参数等直接影响旋耕机的使用寿命和工作质量。因此一大批学者都格外重视旋耕刀的研究工作。
1.1.1 旋耕刀的概念
用于农田挠地使用的旋耕机配件，呈刀状，因此称为旋耕刀。
1.1.2 旋耕刀的种类
旋耕刀作为旋耕机的重要工作部件，它可分为凿形刀、弯刀、直角刀等。
（1）凿形刀。借助其前端尖头或者平口形的刀口凿切而进入土壤并碎土，适宜在杂草较少的田地工作。还有一种凿形刀是有弹性的，多用于在多杂质的土地里工作。
（2）直角刀。刃口平直，由纵切刃和横切刃组成，两刃口呈90度，刀身宽，刚性好，砍切能力比较强强，适合旱地作业。
（3）弯刀。前端部分为正切刃和侧切刃。适宜于杂草比较多的水田工作，属于典型的旋耕刀刀型。
1.2 旋耕刀的研究背景
耕作机作为农业耕作的重要机械，旋耕刀又是耕作机的重要作业部件，所以旋耕刀一直是众多学者的重要研究目标。从旋耕刀应用至今，提高工作效率、降低能耗一直是旋耕刀研究的重要目标，由此也取得了很大的进展。但是，作为恶劣环境下作业的旋耕刀，经常在潮湿和带腐蚀的土壤中工作，磨损是它失效破坏的主要形式。如何提高旋耕刀的硬度，从而提高旋耕刀的耐磨性，近年来越来越受到学者的重视。
1.3 旋耕刀的研究现状
长久以来，人们对提高旋耕刀材料的硬度、强度等性能进行了不懈的努力和实验研究。当前，国内外在提高旋耕刀硬度和寿命方面的研究主要有以下几种方法：一是使用较高硬度的耐磨材料；二是组合设计设计旋耕刀，对磨损后破坏的部分进行及时更换，降低使用成本；三是应用耐磨合金喷涂耐磨损材料；四是应用恰当的热处理工艺或者通过表面强化等方法提高材料的硬度。长久以来，这几种方法在不同程度上都得到了广泛的推广与应用。
1.4 提高旋耕刀硬度研究的意义
在当今科学与生产技术日新月异发展的条件下，市场的需求是瞬息万变的，这就要求包括农业机械在内的新产品设计制造周期短，质量高，成本低，增加产品的竞争力。因为中国是个名副其实的人口大国，底子薄，要想跻身于世界先列，这必然会对农机行业产生很大的影响。农业机械的使用寿命和低能耗一天天成为了全球市场竞争的重要追求目标。
因此，科学有效的提高旋耕刀的质量非常迫切。
旋耕刀作为耕作机的重要触土部件，据统计，旋耕刀的平均寿命只有80小时。在作业过程中，旋耕刀不断地与土壤和农作物发生相互作用，作业效率与此关系密切，能耗因此也会增加。节能高效已经成为当今机械工业技术的发展趋向，农作物对旋耕刀的摩擦、磨损具有典型的代表性，土壤对旋耕刀的摩擦主要体现在对农耕机械作业的阻力上。土壤对旋耕刀的磨损不但影响旋耕刀的寿命，还严重影响它的使用性能。硬度对耐磨性的影响不言而喻，所以研究如何提高旋耕刀材料的硬度对提高旋耕刀的使用寿命和工作性能具有重要意义。
（1）硬度低下是缩短旋耕刀使用寿命的主要因素
旋耕刀作为耕作机的主要工作部件，提高其使用寿命和质量刻不容缓。硬度直接影响着材料的耐磨性能的好坏，据有关统计，硬度低下导致的磨损是缩短旋耕刀寿命的主要因素，国外统计了多种农业机械零件的报废，在零件的报废中，约八成多的报废是由磨损造成的，对于国家整体经济来说，造成的经济损失是非常巨大的。而且损坏的零件绝大多数也是因为磨损。磨损不仅是工作零件的失效形式，也是引发其它失效的直接原因。
（2）硬度低下产生经济损失
在农业机械耕作时，因旋耕刀硬度低下，而引发土壤对旋耕刀等的磨损破坏产生了很大的经济损失。从整个国民经济来看，硬度低下的磨损所导致的经济损失数额之大真是出乎所有人的意料。1986年统计结果显示我国生产农业耕具所需要用钢量为3万多吨，每年因磨损残留在地
下的金属就有8千多吨，占到近乎用钢总量的30％。除此之外，当旋耕刀与土壤接触时间增长时，磨损也会随之增大，耕作机的工作效率就会降低，耕作质量也随之下降，耗能增加，经济效益大大降低。性能的进一步降低必将导致零件损坏被迫停工维修或更换，这样一来产生的经济损失可能是很大的。
（3）提高旋耕刀材料的硬度具有很高的经济效益
中国机械工程学会通过对机械、农机、农机、纺织和交通等行业的初步调查，估计通过提高材料的硬度减少磨损破坏，每年可为国家节约上百亿元，占国民经济总值约1.2％，而在这方面的研究与应用的投资还不到1/50就可以。因此，对于农业耕作机，提高其关键工作部件材料的硬度可以大大减少经济损失，而节省的经济会大大超过最初的小额投资。也就是说这是一个低投入高收益的举措。提高旋耕刀材料的硬度不仅可以改善耕作机的使用寿命，减少能耗，而且还可以促进国民经济发展以及带动科学技术的革新。
我国是一个名副其实的农业大国，旋耕刀是耕作机的重要易损件，因此，开发研制性能优越，适应不同土壤环境，使用寿命长，经济性良好的旋耕刀，对于加速农业生产具有积极的意义。同时，依据试验设备和试验方法，对其材料进行进行鉴别、分析和性能测定，可以为旋耕刀部件在今后的实际生产中的应用提供可靠的参考依据。
1.5 本文的研究目标和主要内容
查阅相关资料得知，从建国以来，虽然我国关于旋耕刀设计的水平有了很大程度的提高，但是现代科技的进步和革新是十分迅速地，以当
今的观点看，许多旋耕刀的效率低下，容易受磨损破坏，耗费较大，已经不能满足生产日益发展的要求，急需更新和研发生产新品种。随着国民经济的快速发展，农业机械自动化程度得到不断改善提高，而伴随而来的材料和能源耗费的问题也一天天凸现出来。所以，提高材料的硬度从而改善材料的耐磨性等问题在农业生产中迫切的需要被有效解决。一般在设计产品的过程中很容易忽略硬度低下而导致的磨损，只是觉得这是正常的，或者应对的方法过于简单，结果效果不好甚至起反作用。因此，本文通过研究不同的热处理工艺下的旋耕刀材料的组织和硬度，从而得到获得最大硬度的最佳热处理工艺参数以及此时材料的微观组织。
1.5.1 本文研究的主要目标
本文主要对旋耕刀材料进行淬火与高温回火热处理实验，通过单因素和多因素实验对旋耕刀的材料进行不同的热处理，对经过处理的每一件试样进行前后硬度测量，并且用光学显微镜观察记录每一次热处理前后的组织形态变化，得出其具有最大硬度时的最合理的热处理工艺参数，为旋耕刀的硬度提高研究提供理论基础和实验依据。
1.5.2 本文研究的主要内容
（1）通过正交试验对旋耕刀材料进行不同条件下的热处理，包括不同的回火温度、不同的回火保温时间、不同的冷却方式等工艺参数下的试验。对经过不同热处理后的材料分别进行硬度试验和组织分析。
（2）采用TH300数显洛氏硬度计对进行了不同热处理工艺后的试样进行硬度测量，以确定材料硬度的变化规律。以此来分析不同热处理工艺参数对材料硬度的影响，从而得出旋耕刀材料获得最大硬度条件下的
最佳热处理工艺参数。
（3）采用奥林巴斯OLYMPUS GX51型金相显微镜对旋耕刀材料进行不同的热处理工艺前后的金相组织进行对比分析，总结材料组织各成分对硬度的影响，进而得出使材料获得最大硬度的金相组织结构继而确定获得该组织时的最佳热处理工艺参数。
第2章选题依据
2.1 专业相关主修课程
在学习了高等数学、大学物理、材料成型及控制工程概论、计算机编程技术、大学英语等基础课程的基础上，本专业主要学习工程力学、材料科学基础、机械设计基础、材料分析测试技术、普通化学、工程材料学、表面工程学、物理化学、电工电子技术、互换性与技术测量、自动控制原理、铸造成形原理、焊接成形原理、金属塑性成形原理、金属材料及热处理、材料加工过程计算机模拟仿真、塑性成形工艺及模具设计、塑性成形设备、焊接工艺学等专业基础和专业课程知识。
主要专业实验：CAD上机实验、机械设计基础课程设计、金属材料热处理课程设计、材料科学与工程基础实验、材料成型综合性设计与制作等
2.2 国内外研究现状
旋耕机是一种由动力驱动旋耕刀来完成耕耙作业的农业耕作机械。日本在上个世纪20年代从欧美引进旋耕机改装进行田地试验后，发现直角刀不太适合水田耕种。于是一大批日本的科学研究者开始致力于旋耕刀的研究，如松尾昌树等。日本研制生产的铊刀，非常高效的解决了刀轴缠草等问题，至此旋耕机在日本的农业机械耕作中发挥了重要的作用。上世纪70年代以来,日本学者继续就旋耕刀的工作负荷等特性,旋耕刀刃口曲线的设计方法、正切面的最佳形状及逆转旋耕的基础设计理论等方
面进行了研究,更加深化了人们对旋耕刀的认识。除日本外,美国的James G Hendrick及William R Gill、苏联的Sineokov TH、西德的Sohne等也对旋耕刀进行了研究。我国在上世纪50年代引进并研发生产出适合我国南方水田复杂耕作的要求,后来形成了T.S系列等14个品种。接下来的几年,我国大批学者继续了对旋耕刀的研究，并且有了新的进展,如用圆弧作刃口线和用曲元线扫描形成正切面，平面型正切面的设计理论的实验研究，CAD绘图技术的应用,下切式节能刀的开发生产,旋耕刀三维抛土特性的设计研究等。前几年，有学者又提出了潜土逆转耕耘这一重要理论。
我国是一个名副其实的农业大国，旋耕刀是耕作机的重要易损件，因此，开发研制性能优越，适应不同土壤环境，使用寿命长，经济性良好的旋耕刀，对于加速农业生产具有积极的意义。同时，依据试验设备和试验方法，对其材料进行进行鉴别、分析和性能测定，可以为旋耕刀部件在今后的实际生产中的应用提供可靠的参考依据。
2.3 研究方法
通过对旋耕刀材料进行淬火和高温回火的热处理，观察其热处理前后的组织及硬度变化，依据组织及硬度的变化确定出材料获得最大硬度时的最佳热处理工艺参数以及此工艺参数下获得的组织结构。
2.3.1 热处理概述
热处理是根据钢在固态下组织转变的规律，通过不同的加热、保温、和冷却，以改变其内部组织结构，达到改善钢材性能的一种热加工工艺。热处理一般是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，其基本工艺过程可
以用热处理工艺曲线来表示，如图2-1所示。
图2-1热处理工艺曲线
2.3.2 淬火
淬火是指将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，提高机器零件等的硬度、强度和耐磨性。
2.3.3 回火
将淬火后的零件加热到低于Ac1的某一温度并保温，然后以适当的方式冷却到室温的热处理工艺称为回火。
1.回火的目的
1）获得所需的力学性能。
2）减少或消除应力。
3）稳定钢的组织和尺寸。
2.淬火钢回火时的组织转变
随着回火温度的升高，淬火钢的组织发生以下四个阶段的变化。
1）马氏体的分解
淬火钢在100℃以下回火时，内部组织的变化并不明显，硬度基本上
也不下降。当回火温度大于100℃时，马氏体开始分解。马氏体中的碳以ε碳化物（Fe
C）的形式析出，使过饱和度减小。到350℃左右时，α
4.2
C保相中含碳量降至接近平衡浓度，马氏体分解基本结束，ɑ相与ε-Fe
4.2
持共格关系。但此时α相仍保持针状特征。这种由极细ε-Fe
C和低饱
4.2
和度的ɑ相组成的组织，称为挥霍马氏体，因易腐蚀，颜色较淬火马氏体暗，如图2-2所示。
a.淬火马氏体（850X）
b.回火马氏体（850X）
图2-2高弹钢淬火马氏体和回火马氏体
2）残余奥氏体的转变
回火温度在200℃和300℃时，马氏体分解为回火马氏体。此时，体积缩小并降低了对残余奥氏体的压力，使其在此温度区内转变为下贝氏体。残余奥氏体从200℃开始分解，到300℃基本完成，得到的下贝氏体并不多，所以此阶段的主要组织仍为回火马氏体。此时硬度有所下降。
3）回火托氏体的形成
在回火温度250℃~400℃阶段，因碳原子的扩散能力增加，过饱和固溶体很快转变为铁素体。同时亚稳定的ε碳化物也逐渐转变为稳定的渗碳体，并与母相失去共格联系，淬火时晶格畸变所存在的内应力大大消除。此阶段到400℃时基本完成，其所形成的由尚未再结晶的铁素体和细
颗粒状的渗碳体组成的混合物，称回火托氏体（
T）。此时硬度继续下
回
降。
4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶
回火温度达到400℃以上时，渗碳体逐渐聚集长大，形成较大的粒状渗碳体，到600℃以上时，渗碳体迅速粗化。同时，在450℃以上铁素体开始再结晶，失去马氏体原有形态而成为多边形铁素体。这种由多边形铁素体和粒状渗碳体组成的混合物，称为回火索氏体。
第3章 实验材料和设备
3.1 实验材料
3.1.1 65Mn 是旋耕刀的主要成分
通过分析旋耕刀的工作环境和工作工作特点，在材料的选取方面考虑两方面的因素：一是应具有最佳的效能；二是应用对象是低收入的大众农民百姓。因此，结合目前生产的实际情况，65Mn 是国内农机刀具普遍采用的材料。
3.1.2 65Mn 简介
65Mn 钢是一种高碳合金钢。我国锰资源丰富，价格相对低廉，用途广泛，工艺性能好，锰作为炼钢时良好的脱氧剂，还能削弱因硫引起的热脆性，所以，它常常被作为主要的合金元素。65Mn 钢含锰较多，与其它牌号的钢材相比，65Mn 钢具有含碳量高、弹性极限大、淬火和回火后屈强比（b s /δδ）高以及价格低廉等优点，除此之外还含有一定量的硅元
素，硅在钢中不形成碳化物，而是固溶于铁素体中，产生固溶强化作用，显著提高了钢的硬度和强度。
65Mn 钢具有较高的硬度，并且经过适当的淬火处理后其硬度将大幅提高，使其表现出很高的耐磨性。大量的实验研究表明，65Mn 弹簧钢最适合制造各种犁铧、旋耕刀、灭茬刀等农业机械中的土壤工作部件。所以，几十年来，国内外一直采用65Mn 弹簧钢制造各种土壤工作部件和小截面的各种圆弹簧、弹簧发条等；也适于制造气门弹簧、油泵调速弹簧，