金属热处理原与工艺课程设计

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。

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、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（δ10）5％，断面收缩率（Ψ）25％。

4、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①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γ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。

②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，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。

60Si2M n 钢 C Si Mn Cr Ni 不大于P S 不大于 0.56～0.64 1.50～2.00 0.60～0.90 0.350.35 0.04 0.044.2、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：⑴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。

⑵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、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：。

5.2、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）375～444。

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（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。