热处理教案

热处理 一、教学目的及要求 1． 了解热处理在机械工业中的重要作用； 2． 掌握钢的普通热处理工艺方法、种类； 3． 了解常用热处理设备； 4． 对45钢进行淬火、回火操作。 二、教学进程（总时间0.5天） 单元 内 容 进行方式 具体和要求 时 间 备 注 1 工种 介绍 讲解 1．热处理工艺训练的内容 及要求； 2．热处理工艺的基本过程、 特点及其应用； 3．介绍热处理安全操作 知识。 10分钟   2 热处理方法训练 讲解 示范 1． 退火、正火、淬火、回火的目的、适用范围、方法和具体操作要领； 2． 热处理工件质量检查。 3． 热处理设备种类、构造和用途； 80分钟   学生 操作 1． 进行淬火、回火操作。 120分钟               三、教具 1． 铁碳平衡相图、C曲线图等相关挂图； 2． 退火、正火、淬火、回火、调质态实物及要进行热处理的工件—45钢小锤子； 3． 4KW箱式电阻炉两台，75KW箱式电阻炉、105KW井式气体渗碳炉、37KW箱式电阻炉、55KW井式回火炉等各一台。 热处理讲授内容 一、热处理工艺的基本过程、特点及其应用 1．热处理的应用 钢是现代工业、农业、交通、国防及生活中应用最为广泛的一种金属材料，具有许多良好的性能。但随着科学技术的不断提高和发展，对金属材料的性能要求也不断的提高，其中热处理工艺就是提高和改善钢性能的一种重要方法，如齿轮、曲轴、弹簧、锤子、刃具等它们的各种机械性能都是通过热处理的加工来达到要求的。 例1）：弹簧件：目前用于制作弹簧工件的材料有很多种。首先根据工件使用条件和要求选用合适的弹簧钢，然后加工成形。这时虽然材料和工件的形状都达到了弹簧工件的要求，但性能并没有达到技术要求。 这时工件在受力作用下就会发生塑性变形，无法起到弹簧工件的作用。要想使工件充分体现出弹簧的特性，就要根据所用具体材料进行相应热处理来满足。 例2）：家用菜刀、剪刀等，这些工件使用性能如何，热处理的好与坏，直接影响刀具的质量，如硬度低时，易出现卷刃现象，如硬度过高，易出现断裂现象等。 例3）：学生在钳工实习时制作的小锤子。在钳工制作锤子时，所用工具有：锉刀、锯条和钻头等工具，它们同样是金属材料，为什么锤子能被加工得动？这说明这些工具的硬度比锤子的硬度高，所以能把锤子从原材料加工成锤子的形态。但在钳工加工成形的锤子也只是一个半成品。因为虽然锤子的形状，尺寸达到了要求，但它们的机械性能并没有达到要求。如果这时用它锤击工件，锤子本身就会出现变形。所以要想使锤子不但在尺寸和精度上达到要求而且在性能上也应达到技术要求，为此就要通过进行热处理来完成。 2．热处理的基本过程 定义：采用适当的方式对固态金属或合金进行加热、保温和降温，以获得所要求的组织结构与性能的工艺。 图1 热处理工艺曲线示意图 制作工件的材料对热处理工艺有非常大的影响。工件在进行热处理操作之前首先要确定工件的具体材料。因为不同的材料，它的化学成份不同，它的热处理工艺也不同，否则可能使工件出现废品。为了说明成份和工艺之间的关系，可通过铁—碳平衡图来了解（简介）。 1）工件加热升温的目的 一般金属材料在常温下其内部组织有许多种。例如钢在常温下其内部有珠光体、铁素体、马氏体、上、下贝氏体等组织。随着温度的升高，当达到727℃或超过727℃时，就发生了组织转变。常温的组织开始转变为高 温的组织，也就是向奥氏体转变。转变的温度和数量随材料种类不同而不同。如含碳量为0.77%的钢，当温度达到727℃时，就会由珠光体全部转变为奥氏体。而含碳量为0.45%钢则需要加热到850℃时才全部转变为奥氏体 （介绍A1、A3曲线的作用）。工件加热的目的就是让金属材料由低温组织 图2 铁碳平衡相图 转变为高温组织（奥氏体）。如果材料里加入其它合金元素，其组织转变就会变得更加复杂，所以说确定材料种类对确定热处理工艺非常重要。 2）保温的目的 金属材料随着温度的升高超过临界温度就会发生组织转变。但是转变数量的多少同加热温度，加热速度和工件几何尺寸等因素有关。工件加热到确定温度后，还要使工件表面温度和工件心部温度一样，也就是表面组织转变和心部组织转变一样。因为工件烧透和组织转变都需要一定时间的，所以工件到温度后要进行保温。 3）降温的目的 将高温下获得的内部是奥氏体组织的工件以不同的冷却速度冷却到室温，可以获得不同的金属组织。因为金属材料内部组织不同，它的机械性能是不一样的，所以可以根据不同技术要求而选择不同的冷却速度，获得我们所要求的组织和性能。 二、热处理基本工艺方法 热处理加工的特点与其它工种加工的特点最大的区别是：工件的几何尺寸不发生变化，而内部组织和机械性能发生改变。 1）退火 Ac3+30~50℃ 目的：细化晶粒、降低硬度，提高塑性、消除内应力，改善材料切削加工性能，并为以后淬火作好组织准备。 完全退火 ℃ A1 球化退火 Ac1+30~50℃ 去应力退火 600℃以下 727 t 0 图3 退火工艺图 适用工件范围： 一般为铸件、锻件、焊接件等毛坯。 具体工艺有：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火。 退火工艺操作：为使工件退火后能获得一个平衡的组织，对温度下降速度有严格要求，必须缓慢降温。用45号钢制作的工件进行退火工艺作一介绍：首先选用加热设备，制订退火工艺，把工件装炉升温，适当保温后降温。工件在炉内的降温要求非常慢，随着炉子的温度下降而降温，如将工件降到室温，需要几天或十几天的时间。 2）正火： 目的：细化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除内应力、改善切削加工性能，并为最终热处理作好组织准备。 图4 正火工艺 适用工件范围：一般为铸件、锻件及粗车得到的工件。 正火工艺操作：亚共析钢加热温度为Ac3以上30~50℃，过共析钢加温度在Accm以上30~50℃。工件经过充分的保温使其获得单一的奥氏体组织后，把工件从高温炉内取出，放在车间静止的空气当中冷却。这种冷却方法叫空冷。以同学们制作的锤子为例。把它放在炉内，将炉温升到850℃进行充分保温后，马上将工件从炉内取出，拿到车间内的空气中冷却，它的冷却速度要比退火的冷却速度快得多，所以获得的组织比较细密，硬度有所提高，切削加工性能也能得到提高。 3）淬火 目的：为了使工件获得马氏体组织，从而使工件的强度、硬度、耐磨性等力学性能提高。 图5  淬火工艺图 适用工件范围：轴类、齿轮、轴承、刀具、模具等。同学们制作的锤子，也要进行淬火处理。 首先根据工件所用具体材料制定出操作工艺，然后根据工件的技术要求选择加热和淬火设备。常用加热设备有：箱式电阻炉、盐浴炉、气体保护炉、高频炉、油炉、真空炉等设备。 淬火工艺方法：整体加热淬火、局部淬火、表面淬火、分级淬火等。以45号钢的锤子为例介绍淬火处理。首先选用合适的加热设备，用4KW箱式电阻炉。加热的目的就是要使工件内部组织获得奥氏体，加热温度为850℃。在此温度下保温20分钟使其转变充分。然后将工件出炉放入水中快速冷却降温，在非常快的冷却速度下奥氏体才能转变为马氏体。冷却时间约为几秒钟。如果冷却速度慢了，工件在冷却过程中就可能发生其它组织转变，而无法获得马氏体这种组织，也就无法使工件达到所要求的力学性能。为了说明钢在冷却时组织和冷却速度的关系，可通过C曲线（图6）说明简介。只有冷却速度大于这种材料的临界冷却速度，才能转变为马氏体，否则就会在冷却过程中发生其它组织转变。而对于合金钢来讲，由于材料里加入了各种不同的合金元素，不但改善了材料的各种力学性能，同时也提高了获得马氏体的能力。所以合金钢在冷却速度较慢的机油中进行冷却，也可以获得马氏体。合金钢采用的冷却速度比碳钢的冷却速度更缓慢，还可以减少材料的内应力。内应力达到一定极限，就会使工件产生变形和开裂，使工件报废。由于淬火是最后一道工序，如出现产品质量问题所造成的损失是很大的。根据材料不同，常用淬火介质有三大类：一种是水，碳钢常用；一种是20号机油，主要用于合金钢；另一种为化学试剂，常用于特殊材料的淬火冷却用。 图6 C曲线在连续冷却中的应用 根据工件不同技术要求还可采用其它操作方法来达到各种力学性能，如钳工用的手锯条。手锯条在使用时经常出现断裂，而且主要发生在锯条的中间部位。按理说，锯条两端有孔的位置受力最大，为什么端部不断裂。这主要是通过不同的热处理方法，使同一工件在不同部位获得不同的内部组织和不同的机械性能所反映的现象。为了保证锯条具有良好的性能，中间部的硬度和强度非常高、但是很脆。工作时锯条变形量超过极限，就会出现断裂。而两头钻孔部位经过回火后，又把高的硬度和强度降低下来，它的韧性和塑性得到提高，所以有一点变形也不会出现断裂。这样在一个工件上可体现不同的力学性能。 4）回火 目的：降低工件淬火后的脆性，消除在快速冷却过程中产生的内应力，使组织趋于稳定，获得要求的机械性能。 适用工件范围：淬火以后的工件一般情况下都需要进行回火处理。 具体工艺方法：回火工艺根据回火温度的不同，常见的有3种： 低温回火：加热温度为150~250℃之间，在保证工件高硬度等技术要求前提下，尽量降低材料内部的脆性和内应力。同学制作的锤子在经过淬火后就要进行低温回火处理。采用低温回火的典型工件还有：钻头、锯条、齿轮、锉刀、轴承等。 中温回火：加热温度为300~450℃之间，为使工件获得较好的弹性和一定的韧性和硬度。此工艺常用于热锻模和弹簧工件。如有的弹簧件在受力的情况下发生变形。有时出现断裂或载荷卸去之后，形状没有回到原来的状态。这些现象说明弹簧件的热处理质量没有达到技术要求。 高温回火：加热温度为500~650℃。淬火+高温回火在机械工业中又叫调质热处理。通过调质处理可使钢获得较好的综合的力学性能。主要用于受力复杂工件，如轴类、曲轴、齿轮类等重要的机械零部件。 实习中有这样一道题：使拖拉机齿轮表面具有较高的硬度而心部具有韧性，应选用那种热处理工艺操作？正确答案是采用渗碳、淬火、低温回火。具体：钢的含碳量高，淬火后工件的强度硬度提高，而钢的韧性、塑性下降。钢的含碳量低时，虽然经过淬火处理，但钢的硬度，强度也不会提高，而钢的韧性、塑性好。根据钢的这一特点，在制作齿轮选用的材料上首先选用低碳钢将齿轮加工成形，这时的齿轮具备了韧性和塑性的要求。为了使表面硬度、强度提高，采用工件表面渗碳的方法来改变齿轮表面层的含碳量。将表面层的碳浓度由低碳钢转变为高碳钢，然后再进行淬火处理。齿轮表面含碳量高的这一层就可以得到高的硬度和强度。而齿轮的心部成份，虽然经过淬火处理其性能还保持原来比较好的韧性和塑性，这是表面处理的一种方法。 渗碳工艺如图7所示：渗碳方法可分为3种，固体渗碳，液体渗碳和气体渗碳。渗碳温度为900℃，强渗4小时，渗层深度可达到1mm。然后直接淬火处理。 900 ℃ 冷却 强渗4小时 0 t 图7 渗碳工艺图 5）热处理工件质量检查 质量检查一般情况下可分为两大类：一类是工件内部组织检查，如金相分析，组织测定微裂纹检测、探伤等；另一类是工件硬度测量。 硬度计常见的有： 布氏硬度计：布氏硬度符号是HB。它用于测量退火、正火、调质处理后的工件硬度。测量原理：工件在布氏硬度计上放平后，将压头（淬火后的钢球）压在工件表面。在压力的作用下，将工件表面压出一个球形压痕。去掉压力抬起压头后，用画有标尺的显微镜，测量压痕直径，得出数值后，根据换算表就能得出布氏硬度值。 洛氏硬度计：洛氏硬度符号HRC。一般淬火、回火后的工件进行洛氏硬度测量。测量原理：工件在硬度计上放平，然后压头压在工件的表面。压头是顶角为120°的金刚石圆锥。将标准压力加在压头上，压头被压入工件表面越深，说明工件硬度越低，否则相反。 三、实际操作 1．介绍安全知识。 2．工件选择：用同学们在钳工制作的锤子。 材料：45号钢 3．技术要求：淬火后，硬度为HRC50~55。 4．操作工艺：淬火加低温回火，淬火介质用水冷却。 5．使用设备：两台4KW箱式电阻炉，一台用于高温工件加热保温淬火操作，一台用于低温回火加热保温。 6．操作工具：勾子。 7．淬火、回火工艺。 在操作前，先让同学们参观一下850℃的高温是什么样。讲解操作方法，需要注意的问题，如炉门打开后操作要迅速，因工件在高温环境下降温速度非常快。工件在进入淬火介质前温度降的过低，对淬火后的质量有影响。另外，操作人员常时间在高温环境下也不安全，所以要求动作迅速准确。工件在进入水中要放在水的中间位置，这样保证工件各面冷却速度一致。另外要求工件在冷却时要进行搅动。因为高温工件同水接触表面就会形成气泡，从而降低工件冷却速度和处理后的淬火质量。工件在水中冷却时间为1分钟左右，就可完成淬火过程。然后让同学们用锉刀锉淬火后的锤子，亲手体验一下淬火后锤子的硬度和在钳工用锉刀加工时的硬度，手感的不同。然后将小锤重新加热到180~200℃，保温1小时后，空冷即可。 继续阅读