《金属热处理原与工艺》课程设计

热处理工程基础 1 1 1 金属热处理工艺设计总体 金属热处理工艺设计总体 1 11 1 课程设计的任务与性质课程设计的任务与性质 金属热处理原与工艺 课程是一门重要的专业课程 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 1 21 2 课程设计的目的课程设计的目的 1 设计属于 金属热处理原理与工艺 课程的延续 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 材料性能血 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范围的能力 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 31 3 设计内容与基本要求设计内容与基本要求 设计内容设计内容 独立完成几种碳钢 工磨具钢 合金结构钢 特殊性能钢的热 处理工艺设计 包括工艺方法 路线 参数的确定 热处理设备及操作 金相 组织的分析 材料性能检测等 基本要求基本要求 1 计必须独立的进行 每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计 能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律 2 合理确定工艺方法 路线 参数 合理选择热处理设备并正确操作 3 正确利用 TTT CCT 图等设计工具 认真进行方案分析 4 正确运用现代材料性能检测手段 进行金相组织分析和材料性能检测等 热处理工程基础 2 课程设计说明书力求用工程术语 文字通顺简练 字迹工整 图表清晰 2 2 热处理基本知识 热处理基本知识 2 12 1 什么是热处理 什么是热处理 所谓钢的热处理 就是对于固态范围内的钢 给以不同的加热 保温和冷 却 以改变它的性能的一种工艺 钢本身是一种铁炭合金 在固态范围内 随 着加温和冷却速度的变化 不同含炭量的钢 其金相组织发生不同的变化 不 同金相组织的钢具有不同的性能 因此利用不同的加热温度和冷却速度来控制 和改变钢的组织结构 便可得到不同性能的钢 例如 含炭量百分之 0 8 的钢 称为共析钢 在 723 摄氏度以上十时为奥氏体 如果将它以缓慢的速度冷却下 来 它便转变成为珠光体 但如果用很快的速度把它冷却下来 则奥氏体转变 成为马氏体 马氏体和珠光体在组织上决然不同 它们的性能差别悬殊 如马 氏体具有比珠光体高的多的硬度和耐磨性 因此 钢的热处理在钢的使用和加 工中 占有十分重要的地位 2 22 2 热处理的作用 热处理的作用 机床 汽车 摩托车 火车 矿山 石油 化工 航空 航天等用的大量零 部件需要通过热处理工艺改善其性能 拒初步统计 在机床制造中 约 60 70 的零件要经过热处理 在汽车 拖拉机制造中 需要热处理的零件多 达 70 80 而工模具及滚动轴承 则要 100 进行热处理 总之 凡重要的零 件都必须进行适当的热处理才能使用 材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变 再施以冷 却再发生相变的工艺过程 通过这个相变与再相变 材料的内部组织发生了变 化 因而性能变化 例如碳素工具钢 T8 在市面上购回的经球化退火的材料其硬 度仅为 20HRC 作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到 60 63HRC 这是因 为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体 热处理工程基础 3 同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大 热处理工艺 或制度 选择要 根据材料的成份 材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺 材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化 材料成份 加工工艺 组织结 构 材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中 2 32 3 热处理的基本要素 热处理的基本要素 热处理工艺中有三大基本要素 加热 保温 冷却 这三大基本要素决定 了材料热处理后的组织和性能 加热是热处理的第一道工序 不同的材料 其 加热工艺和加热温度都不同 加热分为两种 一种是在临界点 A1 以下的加热 此时不发生组织变化 另一种是在 A1 以上的加热 目的是为了获得均匀的奥氏 体组织 这一过程称为奥氏体化 保温的目的是要保证工件烧透 防止脱碳 氧化等 保温时间和介质 的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系 一般工件越大 导热性越差 保温 时间就越长 冷却是热处理的最终工序 也是热处理最重要的工序 钢在不 同冷却速度下可以转变为不同的组织 加热和冷却速度对钢的临界温度的影响 3 3 60Si2Mn60Si2Mn 钢的特性和成分钢的特性和成分 3 13 1 弹簧钢的特性和成分及其作用 弹簧钢的特性和成分及其作用 热处理工程基础 4 弹簧是机械上的重要部件 它利用其弹簧变形来吸收和释放外力 所以要 有高的弹性极限 为防止在交变应力下发生疲劳和断裂 弹簧应具有高的疲劳 强度和足够的塑性和韧性 一定的淬透性 不易脱碳及不易过热 在某些环境 下还要求弹簧具有导电 无磁 耐高温和耐腐蚀等性能 普通常用的弹簧材料是碳素钢或低合金钢 碳素弹簧钢 W c 在 0 60 1 05 范 围 低合金弹簧钢在 0 40 0 74 范围 加入硅 锰 铬 钒等合金元素 铬 和锰主要是提高淬透性 硅提高弹性极限 钒提高淬透性和细化晶粒 为保证 弹簧有高的疲劳寿命 要求钢的纯净度高 非金属夹杂物少 表面质量高 中碳钢和高碳钢都可以用于制造弹簧 但因其淬透性和强度较低 只能用 来制造截面较小 受力较小的弹簧 合金弹簧钢则可制造截面较大 屈服短较 高的重要弹簧 3 23 2 60Si2Mn60Si2Mn 钢的特性及其应用钢的特性及其应用 60Si2Mn 钢是一种应用最广泛的合金弹簧钢 其生产量约为合金弹簧钢产 量的 80 它的强度 淬透性 耐回火性都比碳素弹簧钢要高 工作温度达 250 摄氏度 但也有一些缺点 如脱碳倾向大 适于制造厚度小于 10mm 的板簧和截 面尺寸小于 25mm 的螺旋弹簧 在汽车 拖拉机 机车上的减振板簧和螺旋弹簧 气缸安全阀簧 电力机车用升弓钩弹簧 止回阀簧都有广泛的应用 还可用作 250 摄氏度以下使用的耐热弹簧 3 33 3 组织成分 组织成分 60Si2Mn 钢 合金弹簧钢 碳的质量百分数是 0 56 0 64 屈服点 1177MPa 抗拉强度 1275MPa 延伸率 10 5 断面收缩率 25 CSiMn Cr Ni 不大于 P S 不大于 60S i2M n 钢0 56 0 641 50 2 000 60 0 90 0 350 350 040 04 热处理工程基础 5 4 4 SiSi MnMn 元素对铁碳相图的影响和元素对铁碳相图的影响和 TTTTTT 图分析图分析 4 14 1 60Si2Mn60Si2Mn 钢中合金元素对铁碳相图的影响钢中合金元素对铁碳相图的影响 硅对铁碳相图的影响 如下图所示 钢中硅的加入可显著提高钢的弹性极限和屈服比 硅能缩小 区 提高 A1 和 A3 点 使共析点 S 移向低碳位置 同时硅能提高淬透性 使 Ms 点降低 硅能产生固溶强化作用 可显著提高钢的强度和硬度 同时硅还能 降低碳在铁素体中的扩散速度 使马氏体在回火时能延缓碳化物的析出和聚集 长大 从而增加了淬火钢的耐回火性 硅又是强烈促进石墨化的元素 故这类 钢易在退火过程中发生石墨化现象 同时这类钢加热时的脱碳倾向性较大 钢 种含硅量过高易生成硅酸盐夹杂物 Si 含量为 2 时 使铁碳相图共析温度点升 高约 30 同时使共析含碳量由 0 77 降低至 0 53 所得铁碳相图的共析点 情况如右图所示 锰对铁碳相图的影响 锰属于扩大奥氏体相区的元素 同时也是碳化物形成元素 弱碳化物形 热处理工程基础 6 成元素 钢中加入锰元素 按其含量的不同对铁碳相图的影响程度也有所不同 如下图所示 随钢中锰含量的增加奥氏体相区扩大 共析温度降低 共析碳含 量降低 共析点总体趋势向左下角运动 在钢中同时加入硅锰元素 可以发挥各自优点 减少彼此的缺点 使 60Si2Mn 钢具备良好的性能 4 24 2 等温转变图即 等温转变图即 TTTTTT 图图 TTT 图 Temperature Time Transformation 热处理工程基础 7 60Si2Mn60Si2Mn 钢钢 如上图所示 等温冷却转变 是奥氏体过冷到 A1 以下在某一温度保持一 定时间 在等温过程中进行的转变 过冷奥氏体等温转变的温度区间不同 其 转变产物也不同 在 Ms 线以上发生两种类型的转变 1珠光体转变 温度范围为 A1 500 亦称为过冷奥氏体的高温转变 过冷奥氏体分解 为铁素体和渗碳体混合而成的片层组织 珠光体的转变温度越低 转变产物的 片层距离就越小 按片层距有粗到细 其转变组织分别为珠光体 索氏体和托 氏体 分别用符号 P S 和 T 表示 60Si2Mn 钢的先析出相为铁素体 再析出渗 碳体 最后所得组织为奥氏体 铁素体 渗碳体 2贝氏体转变 温度范围是 500 Ms 亦称为过冷奥氏体的中温转变 此温度下过冷奥 氏体转变为贝氏体组织 贝氏体组织是由过饱和的铁素体和碳化物组成的 根 据形成温度的不同 贝氏体分为上贝氏体和下贝氏体 分别用 B 上和 B 下表示 在 550 350 范围内形成的贝氏体称为上贝氏体 它在金相显微镜下呈羽毛状 把在 350 Ms 范围内形成的贝氏体称为下贝氏体 它在显微镜下呈黑色针状 或片状 下贝氏体组织通常具有优良的综合力学性能 即强度和韧度较高 含硅弹簧钢要求较高的淬火温度和退火温度 由于这类钢的珠光体转变在 较高温度下进行 所以在一般的退火条件下 可获得较细的珠光体 图中标注的 50 的线为珠光体或贝氏体含量为一半时的中间线 转变速度 先快变慢 60Si2Mn 钢最后的热处理工艺为中温回火 所得组织为回火屈氏体 5 5 确定 确定 60Si2Mn60Si2Mn 钢制汽车板簧的方案钢制汽车板簧的方案 板弹簧分平板弹簧和重迭板弹簧两类 现以重叠弹簧为例 5 15 1 重叠板簧 梯形板簧 设计重叠板簧 梯形板簧 设计 梯形板簧有比较大的负荷变量 但由于它占的空间较大 可以按如图 热处理工程基础 8 1 1 那样将梯形板切成等宽的几块 再重迭起来 形成小形化的板弹簧 这 种重迭式的板弹簧 由于板与板之间有摩擦 所以 在承受振动载荷时有衰 减的作用 重迭板弹簧有各种不同的结构 图 1 2 表示是其中的一种 重迭 板的数目一般取 6 14 块 为防止过大的摩擦 也有只取 3 5 块的 在汽 车上使用时 由于负荷及道路的状态在不断变化 板簧的荷重 变形图应为 非线性的 因此 可设置如图 1 3 所示的辅助板簧 图 1 1 重叠板弹簧原理 图 1 2 重叠板弹簧 图 1 3 辅助弹簧 若不考虑板间的摩擦 如前述梯形板簧一样 重迭板簧的设计约束条件为 式中 n 为板的块数 n 按下式计算 5 25 2 技术要求 技术要求 用油淬火后 淬硬层深度 8 10mm 中温回火后板簧表面平均硬度 HBS 热处理工程基础 9 375 444 5 35 3 制造工艺路线 制造工艺路线 锻造 校直 钻孔 卷耳 退火 淬火 中温回火 清洗 喷丸 终检 装 配 预压缩 5 45 4 热处理工艺 热处理工艺 1 锻造温度 1080 1120 始锻 1020 1080 末锻 850 950 2 退火 是将工件加热到临界温度以上或以下 保温一段时间再随炉缓慢 冷却 已获得接近平衡状态组织的热处理工艺 可以达到消除锻造过程中的内 应力的目的 退火的温度一般为 Ac1 或 Ac3 以上 20 30 保温时间为 3 4h 对于 60Si2Mn 弹簧钢退火温度为 750 冷却方式为炉冷 退火后测得钢的表 面硬度 HBS 不超过 222 3 淬火 是将工件加热到 Ac1 或 Ac3 以上 30 50 保温一段时间再快 速冷却到室温已获得马氏体或贝氏体的一种热处理工艺 对于 60Si2Mn 弹簧钢 淬火温度为 870 具体根据板厚 冷却方式为油冷 淬火后钢件表面硬度 HRC 大于 61 4 中温回火 回火是将淬火后的钢重新加热到临界温度以下某一温度保 温一段时间 再以适当方式冷却至室温的热处理 回火临界温度一般为 Ac1 以 下 保温时间看板厚而定 回火根据温度的不同可分为低温回火 中温回火和高温回火 低温回火 回火温度为 150 250 所得组织为回火马氏体 硬度约为 HRC57 60 中温回火 回火温度为 350 500 所得组织为回火屈氏体 硬度约为 HRC40 48 高温回火 回火温度为 500 650 所得组织为回火索氏体 硬度约为 HRC25 35 对于 60Si2Mn 弹簧钢选中温回火 350 500 5 清洗 将回火后的板簧吊入 80 90 的质量分数为 10 Na2CO3水溶液 中进行清洗 在清洗槽中浸泡 10 15min 除去表面油污 取出后烘干 6 喷丸 热处理后再进行喷丸处理 使在弹簧表面产生残余压应力 以提 热处理工程基础 10 高弹簧的疲劳强度 7 终检 外观检查 表面损伤 遗留缺陷 表面腐蚀 表面氧化 硬度 检查 平均硬度应在 375 444HBS 范围内 变形检查 是否发生曲折 使零件 不对称的变形 5 55 5 相关参数 相关参数 1 锻造参数 锻 造 温 度 钢 的 牌 号 始 锻终 锻 加热温度 30 10 保温时间 min mm 1 60Si2Mn1020 1080850 9501080 1120 0 25 0 7 2 60Si2Mn 钢的退火 正火温度及退火 正火后的硬度 临界温度退火 Ac1Ac3Ms Ar1Ar3Mf 温度 冷却 方式 硬度 HBS 724876 682850 750 炉冷 222 3 60Si2Mn 钢淬火 回火温度及其表面硬度 淬火回火 温度 介质温度 介质 表面硬度 HRC 860 890 油480 500水 空气 45 50 4 板簧热处理后检测的力学性能参数 热处理工程基础 11 钢号 样号 b MPa s MPa K J cm 2 131412744 51843 141113544 5164660Si2Mn 135412994 41638 平均 134013064 516 742 5 板簧厚度与淬火加热时间关系 钢板厚度 mm 6 5 8 9 5 11 12 加热时间 min 20 2222 2425 2827 3029 32 6 回火时间 钢板厚度小于 8mm 时 回火时间为 18min 钢板厚度大于 8mm 时 回火时 间为 20min 7 冷却介质及冷却时间 采用油冷 冷却时间为 50 70s 冷却介质用 10 号轻柴油 油温控制在 20 50 5 65 6 弹簧钢 板簧 淬火后常见缺陷及防止措施 弹簧钢 板簧 淬火后常见缺陷及防止措施 脱碳 对弹簧性能的影响表现在降低使用寿命 防止措施 控制加热炉 气氛和采用快速加热工艺 淬火后硬度不足非马氏体组织数量较多 心部出现铁素体 使弹簧产生 残余变形 降低使用寿命 防止措施 控制原材料淬透性或选用淬透性较好的 钢材 选择合适冷却能力的淬火介质 弹簧进入淬火介质的温度应控制在 Ar3 以上 适当提高淬火加热温度 过热 会使弹簧脆性增加 应严格控制淬火加热或成型加热温度 开裂 使弹簧脆性增加 严重降低使用寿命 防止措施 控制淬火加热温 度 淬冷时 冷到 250 300 时 即取出空冷 及时回火 采用贝氏体等温淬 热处理工程基础 12 火或马氏体分级淬火 6 6 热处理设备及温度控制方式 热处理设备及温度控制方式 6 16 1 加热设备 加热设备 中温箱式电阻炉 一种应用极为广泛的热处理设备 由炉壳 炉衬 炉膛 电极 炉底板 炉门 配重垂筒 炉门起重机等组成 其工作温度 650 1000 可用于碳钢和合金钢的正火 退火 淬火 回火 渗碳等热处理 工艺 6 26 2 冷却设备 冷却设备 油槽 基本结构可制成长方形 正方形 圆形等形状 具有循环功能 以保 证冷却介质温度不超出规定并节约资源 为了使冷却介质不溢出槽外 在槽上 部还设置溢流槽和溢流管 6 36 3 辅助设备 辅助设备 主要有清洗 清理和校正设备等 清洗设备的主要目的是去除工件表面的油污 残盐和其他污物 常用的清 洗设备有清洗槽和清洗机 清洗槽用蒸汽直接加热或用蛇形管加热的水槽 将 处理后的工件放入槽中煮洗 清洗机适用于规模较大的生产 清理设备主要作消除工件表面的氧化皮和锈迹等污物 是工件表面清洁光 亮 常用的清理设备有酸洗槽 喷沙机和抛丸机等 吸力式喷沙机应用最广泛 6 46 4 测温仪表和温度控制方式 测温仪表和温度控制方式 一次仪表 热电耦 辐射高温计 自动控制装置 7 7 热处理后材料性能的检测 热处理后材料性能的检测 7 17 1 硬度检测 硬度检测 洛氏硬度检测 操作步骤 试验前 应使用与试验硬度值相近的二等标准洛氏硬度块对硬度计进 热处理工程基础 13 行调整 试件的测试面要光洁 支撑面 试台表面和压头表面应清洁 加初试验力时 即转动手轮使被测表面与压头接触后 缓缓转动手轮 使被测工件慢慢上升 顶住压头 使指针指南 推动主试验力扳手 加上主试验力 F2 2 8s 内加完主负荷 待指 针稳定不动时 扳回主试验力扳手 卸除主试验力 指针回到某一指示位置 它所指的数值即为所测得的 洛氏硬度值 操作要点 每一试件上试验点数应不少于 4 点 第一点不记 对大批量试样的检 验 点数可适当减少 由于洛氏硬度压痕很小 它对被测的表面粗糙度值要求较低 一般不高 于 Ra1 6 m 被测表面与支撑面要平整 光洁 不得带油脂 氧化皮 毛 刺 铁屑等污物 洛氏硬度除在平面上可测定外 对曲面和球面也可以进行检测 但必须 测试其最高点 使压头受力均匀地压入试件表面 洛氏硬度的试验规范和硬度 标尺压头 初试 验力 N 主试 验力 N 表盘 刻度 测量范围使用范围 HRA 120 金刚石 圆锥体 98 1490 3 黑色60 85 碳化物 硬质合金 浅层表面硬化层 HRB 1 5875mm 淬 硬钢球 98 1882 6 红色25 100 软钢 铜合金 铝合 金 灰铸铁 HRC0 120 金刚石 圆锥体 98 11373 黑色26 67 淬火钢 调制钢 渗 层表面硬化钢 热处理工程基础 14 硬度检验位置的确定 择位置能够代替整个工件的力学性能或主要性能 选择上下是平行面 或者用适当的夹具使之垫成水平的面 打硬度时 测试面不会引起工件产生弹性或塑性变形 该选择非配合表面 或有加工余量的表面 据炉型 工件大小 长度及图样要求 一个工件可能标出一个或两个以 上的检验位置 一般工件长度大于 1m 的应两端检验 找不到合适的硬度检测位置时 应破坏工件检查 若破坏工件 如小弹 簧 仍不能检查时 需加检验试样 前的准备工作 样的测试表面和支承面应磨平 抛光 保持平整光洁 不得带有油垢 氧化皮 裂纹 凹坑 显著的加工痕迹以及其他污物 度计在压头表面 放试件的工作台面均应保持清洁 以保证接触良好 样必须安放平稳 不可有滑动和明显的变形 并保持载荷与试样的测试 面相垂直 60Si2Mn 钢硬度值 退火淬火回火 60Si2Mn 750 870 200 300 400 500 550 600 硬度 HBS 22165605651433833 7 27 2 金相检验 金相检验 金相检测是指对渗碳层 淬火层 心部等处的金相组织等级要求的检验 金 相检验是质量分析不可或缺的重要手段 金相检验设备 最常用的是光学金相显微镜 其基本组成部分由物镜 目镜 照明系统 滤色片 光栏和显微镜镜架 金相试样的制备步骤 1 取样 取样前先把零件的外型用画图或用照相的方法记录下来 再选 热处理工程基础 15 取能代替零件的热处理状态 缺陷的部位 做好标志 切割试样一般用金相砂轮切割机 操作时要向砂轮片上喷水 以防零件切口附近区域受热而使组织发生变化 2 磨光 切割取下的试样先用砂轮磨 再用有粗到细的砂纸在互相垂直 的两个方向单向进行磨光 当磨光到 04 号砂纸时 即可转为抛光 3 抛光 试样抛光多采用机械抛光 即用呢料或绸料固定在抛光盘上 以 700 1500r min 的转速旋转 洒以 150 600 目 Cr2O3 或 Al2O3 水 的混合液进行抛光 当试样如镜面一样光亮时冲洗干净进行侵蚀 4 侵蚀 对不同的材料 不同的观察目的 应选用不同的侵蚀剂和侵蚀 工艺 常用来显示基体组织的大多采用体积分数为 4 的硝酸酒精溶 液 侵蚀 3 10s 然后立即冲洗干净 并吹干 即可在显微镜下显示 清晰的组织 8 8 热处理后组织分析 热处理后组织分析 8 18 1 60SiMn60SiMn 钢淬火金相图片钢淬火金相图片 热处理工程基础 16 腐蚀剂 4 硝酸酒精溶液 处理情况 860 870 油冷淬火 组织分析 基体组织为针状淬火马氏体 属正常的淬火组织 直径 12mm 的 工件可以完全淬透 由于硅石石墨化元素 因此含硅量比较高的弹簧钢容易在 退火过程中易发生石墨化现象 硬度 61 62HRC 8 28 2 60SiMn60SiMn 钢淬火钢淬火 中温回火金相图片中