《金属热处理原理与工艺》课程设计.doc

一、 前言本次课程设计主要是制定典型零件的生产工艺，是以金属热处理原理、金属热处理工艺学为基础的一门综合课程设计。从本次课程设计中，我们可以获得综合运用所学的基本理论、基本知识、基本技能，独立分析和解决实际问题的能力；培养严肃、认真、科学的工作作风和勇于进取开拓的创新精神。通过本次课程设计，可以使我们初步掌握典型零部件生产工艺过程；掌握典型零件的选材、热处理原则和工艺制定原理；理论联系实际，综合运用基础课及专业课程多方面的知识去认识和分析零部件热处理生产过程的实际问题，培养解决问题的能力。热处理工艺是整个机器零件和工模具制造的一部分，热处理是通过改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。合理的热处理工艺方案，不但可以满足设计及使用性能的要求，而且具有最高的劳动生产率，最少的工序周转和最佳的经济效果。通过课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才是真正的知识，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。二、课程设计的目的1. 课程设计属于金属热处理原理与工艺课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律与方法。2. 培养综合运用金属学、材料性能学、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。三、课程设计内容与基本要求1）、设计内容：材料：特殊性能钢3Cr18Ni25Si2独立完成特殊性能钢3Cr18Ni25Si2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，金相组织分析，材料性能检测等。2）基本要求：1、 课程设计独立完成，能够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进行正确操作。3、 正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。4、 正确运用现代才能性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测。四、设计步骤1、 材料：特殊性能钢3Cr18Ni25Si22、 应用实例：加热炉的受热零件、锅炉吊钩等。3、 材料分析：3Cr18Ni25Si2属于奥氏体抗氧化钢，是Cr-Ni系，工作条件：=1100度。抗氧化钢基本上是在铬钢、铬镍钢、铬锰氮钢基础上添加Si、Al、Re元素等形成的，常用的有3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等钢，它们会形成23CrO、2SiO、23AlO。氧化膜，提高抗氧化性、抗硫蚀性和抗渗碳性，还具有较好的剪切、冲压和焊接性能。在Cr钢中加入La、Ce等稀土元素，既可以降低23CrO的挥发，形成更稳定的23(Cr、La)O ；又能促进铬的扩散，有利于形成23CrO，进一步提高抗氧化性。抗氧化钢的铸造性能较好，常制成铸件使用。一般采用固溶处理，得到均匀的奥氏体组织。可用于工作温度高达1000的零件，如加热炉的受热零件、锅炉吊钩等。合金元素作用：A 、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。B、硅(Si)硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、镍、铬、钨、钼和钒等元素强。但含硅超过3%时,将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(s/b),以及疲劳强度和疲劳比(-1/b)等。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。(1)对钢的显做组织及热处理的作用A、作为钢中的合金元素，其含量一般不低于0.4 。以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中，缩小奥氏体相区B、提高退火、正火和淬火温度，在亚共析钢中提高淬透性C、硅不形成碳化物，有强烈的促进碳的石墨化的作用，在硅含量较高的中碳和高碳钢中，如不含有强碳化物形成元素，易在一定温度条件下发生石墨化D、在渗碳钢中，硅减小渗碳层厚度和碳的浓度E、硅对钢水有良好脱氧作用(2)对钢的力学性能的作用A、提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，其作用较Mn 、Ni 、Cr . W 、Mo、V 等更强；显著提高钢的弹性极限、屈服强度和屈强比(s/b)并提高应劳强度和疲劳比(-1/b) B、硅含量超过3 时显著降低钢的塑性和韧性；硅提高塑脆转变温度 C、硅易使钢中形成带状组织，使横向性能低于纵向性能 D、改善钢的耐磨性能(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用 A、降低钢的密度、热导率、电导率和电阻温度系数 B、硅钢片的涡流损耗量显著低于纯铁，矫顽力、磁阻和磁滞损耗较低磁导率和磁感强度较高。但在强磁场中，硅降低磁感强度 C、提高高温时钢的抗氧化性能，但硅含量高时，表面脱碳加剧 D、硅含量超过2.5 的钢，其变形加工较为困难 E、硅降低钢的可焊性C、镍（Ni）：加Ni、Cr可以改善不锈钢的高温抗氧化能力，强度 加Ni可以改善不锈钢的抗应力耐腐蚀性4、 奥氏体抗氧化钢介绍：耐热钢是在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢。它包括抗氧化钢(或称高温不起皮钢)和热强钢两类。抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性。耐热钢常用於製造锅炉汽轮机动力机械工业炉和航空石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外根据用途不同还要求有足够的韧性良好的可加工性和焊接性以及一定的组织稳定性。抗氧化钢分为铁素体抗氧化钢和奥氏体抗氧化钢。CrNi系的奥氏体抗氧化钢可以用于1000以上的温度,含Cr量高于18%.如1Cr25Ni20Si2,3Cr18Ni25Si2,1Cr20Ni14S12等,Si的有助于进一步提高钢的抗氧化性.1Cr25Ni20Si2最高使用温度为1200,3Cr18Ni25Si2最高使用温度为1100,但长期在600900温度范围内使用会有晶间腐蚀现象出现,而且析出碳化物时会引起脆性的增大,1Cr20Ni14S12具有良好的塑性和焊接性能,最高使用温度为1050. CrNiSi系奥氏体抗氧化钢可在10001150固溶处理,然后空冷状态下使用.5、 热处理工艺：固溶处理+去应力退火。空冷原因：奥氏体抗氧化钢大多採用高温固溶热处理以获得良好的冷变形性。这类不锈钢含碳量很低，大多在0.l%左右。含碳量越低，耐蚀性越好(但熔炼更困难，价格也愈贵)。一般利用冷塑性变形进行强化，切削加工性较差。其处理工艺多与防止产生晶间腐蚀有关。 固溶处理：将钢加热至10501150，使碳化物充分溶解，然后水冷，获得单相奥氏体组织，提高钢的耐蚀性(避开出现晶界沉淀和发生晶间腐蚀的曲线区间)。原因：固溶处理（solution treatment）：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。目的主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。适用多种特殊钢，高温合金，特殊性能合金，有色金属。 尤其适用：1.热处理后须要再加工的零件。 2.消除成形工序间的冷作硬化。碳在奥氏体不锈钢中的溶解度与温度有很大影响。奥氏体不锈钢在经400850的温度范围内时，会有高铬碳化物析出，当铬含量降至耐腐蚀性界限之下，此时存在晶界贫铬，会产生晶间腐蚀，严重时能变成粉末。所以有晶间腐蚀倾向的奥氏体不锈钢应进行固溶热处理或稳定化处理。 固溶热处理：将奥氏体不锈钢加热到1100左右，使碳化物相全部或基本溶解，碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。这种热处理方法为固溶热处理。 固溶热处理中的快速冷却似乎象普通钢的淬火，但此时的淬火与普通钢的淬火是不同的，前者是软化处理，后者是淬硬。后者为获得不同的硬度所采取的加热温度也不一样，但没到1100。 去应力退火：一般是将钢加热到300350消除冷加工应力；加热到850以上，消除焊接残余应力。定义：为了去除由于塑性形变加工、焊接等造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。6、 工艺路线：锻造-机加工-固溶处理-机加工-去应力退火-机加工-成品。7、 实验设备常用的热处理加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；按工作温度可分为高温炉（1000）、中温炉（650-1000）和低温炉（650）。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。炉型的选择应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定。热处理设备的选择要从设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择6。1） 测试材料的强度和塑性做材料拉伸试验确定零件强度、塑性指标。设备：材料拉伸试验机2） 测量硬度常用的硬度测试方法及使用范围如下：A 布氏硬度 适用于黑色、有色金属的原材料检测，也可测定一般正火、退火后的材料硬度。设备：布氏硬度计B 洛氏硬度用于金属材料热处理后的产品性能检测。设备：洛氏硬度计C 维氏硬度用于薄板材料及材料表层的硬度测定，一集较精确的硬度测定。设备：维氏硬度计D 显微硬度用于测定金属材料组织组成物或各组成相的硬度。设备：显微维氏硬度计。综合考虑，应选用洛氏硬度计。 对奥氏体不锈钢进行性能检测。8、 基本参数确定固溶处理1） 加热温度的选择：固溶处理的加热温度一般均较高，在1050-1100C之间。2） 保温时间：固溶处理(淬火加热)时的保温时间要长。3） 冷却：空冷去应力退火1） 加热温度：在较低的温度下进行。一般加热至250-425C，经常采用的是300-350C。2） 保温时间：适当即可。3） 冷却方式：水冷至500度以后再在空气中冷却。9、 热处理后组织分析1）TTT曲线2）CCT曲线金相组织：奥氏体型10、 热处理过程中常见缺陷1） 过热、过烧钢在加热时形成粗大奥氏体晶粒的现象称为过热：过烧是指加热温度过高，不仅奥氏体晶粒粗大，且在奥氏体晶界处产生氧化甚至局部融化的现象。2）11、 热处理后材料性能检测1） 固溶处理对硬度的影响 2） 对性能的影响3） 对塑性的影响融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。五、结束语热处理工艺的制定，必须居于工件的服役条件情况，不但要分析其性能要求，还要根据零件的外形条件，对其他不同的不为采用不同的热处理方法，只有这样才能取得良好的效果。真是书到用时方恨少，通过这次课程设计我真是深有体会。做课程设计之前，我没有一个完整的