热处理教案

热处理教案

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）

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

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。

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

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

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。

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

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。

0 t

850 水冷

保温20分