《金属热处理原与工艺》课程设计

1、1、金属热处理工艺设计总体1.1 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。1.2 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

2、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。1.3 设计内容与基本要求 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：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

3、测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。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、热处理基本知识2.1、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

4、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。2.2、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

5、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6063HRC，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。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。2.3、热

6、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

7、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、60Si2Mn钢的特性和成分3.1、弹簧钢的特性和成分及其作用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

8、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。3.2、60Si2Mn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

9、作250摄氏度以下使用的耐热弹簧。3.3、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。60Si2Mn钢CSiMnCr Ni 不大于P S 不大于0.642.000.600.900.35444、Si、Mn元素对铁碳相图的影响和TTT图分析4.1、60Si2Mn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

10、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，

11、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。4.2、等温转变图即TTT图TTT图(Temperature、Time、Transformation) 60Si2Mn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A1500，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

12、。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500Ms，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550350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350Ms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

13、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、确定60Si2Mn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。5.1、 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

14、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614块，为防止过大的摩擦，也有只取35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：。5.2、技术要求 用油淬火后, 淬硬层深度810mm，中温回火后板簧表面平均硬度（HBS）375444。5.3、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5.4、热处理工艺

15、（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34h。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

16、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8090的质量分数

17、为10%Na2CO3水溶液中进行清洗，在清洗槽中浸泡1015min，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375444HBS范围内；变形检查，是否发生曲折，使零件不对称的变形。5.5、相关参数（1）锻造参数钢 的 牌 号锻 造 温 度 /加热温度+30/-10保温时间min·mm-1始 锻终 锻60Si2Mn1020-1080850-9501080-1120（2）、60Si2Mn钢的退火、正火温度及退火、正火后的硬度临界温度

18、退火Ac1Ac3Ms温度/冷却方式硬度/HBSAr1Ar3Mf724876750炉冷222682850（3）、60Si2Mn钢淬火、回火温度及其表面硬度淬火回火表面硬度/HRC温度/介质温度/介质860-890油480500水/空气45-50（4）、板簧热处理后检测的力学性能参数 钢号 样号b/MPas/MPa( %)( %)K/ J·cm- 260Si2Mn131412744.51843141113544.51646135412994.41638平均1340130642（5）板簧厚度与淬火加热时间关系钢板厚度/mm81112加热时间/min20-2222-2425-2827-302

19、9-32（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20-505.6、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

20、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；采用贝氏体等温淬火或马氏体分级淬火。6、热处理设备及温度控制方式6.1、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6501000，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6.2、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

21、溢流管。6.3、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。6.4、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、热处理后材料性能的检测7.1、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行调整 试件

22、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），28s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。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

23、。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HRA120°金刚石圆锥体黑色6085碳化物、硬质合金、浅层表面硬化层HRB淬硬钢球红色25100软钢、铜合金、铝合金、灰铸铁HRC0120°金刚石圆锥体1373黑色2667淬火钢、调制钢、渗层表面硬化钢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

24、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60Si2Mn退火淬火回火750870200300400500550600硬度HBS221656056514338337.2、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

25、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7001500r/min的转速旋转，洒以150600

26、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310s，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、热处理后组织分析8.1、60SiMn钢淬火金相图片腐蚀剂：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。8.2、60SiMn钢淬火+中温回火金相图片腐蚀剂：4%硝酸酒精溶液处理情况：860-870油冷淬火，