精品金属热处理原与工艺课程设计.docx
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精品金属热处理原与工艺课程设计
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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％。
60Si2Mn钢
C
Si
Mn
CrNi
不大于
PS
不大于
0.56～0.64
1.50～2.00
0.60～0.90
0.35
0.35
0.04
0.04
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。
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～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。
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。
5.5、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
60Si2Mn
1020-1080
850-950
1080-1120
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
Ac1
Ac3
Ms
温度/℃
冷却方式
硬度/HBS
Ar1
Ar3
Mf
724
876
——
750
炉冷
≤222
682
850
——
（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
480～500
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
σb/MPa
σs/MPa
δ（%）
ψ（%）
αK/J·cm-2
60Si2Mn
1314
1274
4.5
18
43
1411
1354
4.5
16
46
1354
1299
4.4
16
38
平均
1340
1306
4.5
16.7
42
（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
20-22
22-24
25-28
27-30
29-32
（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℃
5.6、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
6.2、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溢流管。
6.3、辅助设备（主要有清洗、清理和校正设备等）
①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。
②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
⑴洛氏硬度检测
操作步骤：
1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
2试件的测试面要光洁、支撑面、试台表面和压头表面应清洁。
3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。
4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。
5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：
①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。
②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Ra1.6μm。
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。
1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
98.1
490.3
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
98.1
882.6
红色
25～100
软钢、铜合金、铝合金、灰铸铁
HRC0
120°金刚石圆锥体
98.1
1373
黑色
26～67
淬火钢、调制钢、渗层表面硬化钢
⑵硬度检验位置的确定
①择位置能够代替整个工件的力学性能或主要性能。
②选择上下是平行面，或者用适当的夹具使之垫成水平的面
③打硬度时，测试面不会引起工件产生弹性或塑性变形
④该选择非配合表面，或有加工余量的表面
⑤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
⑥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
⑦前的准备工作
⑧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
⑨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
⑩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
750℃
870℃
200℃
300℃
400℃
500℃
550℃
600℃
硬度HBS
221
65
60
56
51
43
38
33
7.2、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缺的重要手段。
㈠、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。
㈡、金相试样的制备步骤：
1、取样
1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。
2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、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，450-460℃回火。
组织分析：
基体组织为回火屈氏体组织。
由于回火的作用，促使过饱和马氏体的析出，极为弥散的碳化物，导致基体易受侵蚀而变黑。
硬度47-48HRC。
设计体会
通过这一次课程设计，使我对热处理这门课有了更深的认识，让我明白热处理是一门很灵活的技术，不同的温度，不同的介质，还有材料中某一部分成分的不同都会影响着最终制作的零件的性能，也同时让我知道自己所了解和掌握的知识是多么的少，在课程设计的资料收集过程中，我拓展了知识面，获得了不少额外的收获通过本次课程设计的实践，让我对所学专业的专业知识有了更深一步的认识，为以后的进一步学习打下了比较坚实的基础，也为以后的工作做了一个比较坚实的准备。
同时发现自己在很多发面存在不足，对自己所学专业的知识了解很少，对专业前景及专业的研究方向的了解更是少之又少，决心以后努力学好各门课程。
更让我明白做任何事情都需要耐心和细心的，要严格按照步骤一步一步来才能有效率的完成整个热处理工艺的设计，而我设计的以60Si2Mn钢为材料制作板簧的热处理工艺主要工艺是利用淬火和中温回火使之达到所需的性能要求，合金钢热处理是一种比较复杂的材料，我的设计中也许会有一些不够周全的地方，望老师予以指导和建议。
最后感谢老师和同学在此次课程设计中对我的支持和帮助，才能使我顺利完成这次课程设计！
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[4]、机械工业职业教育研究中心组编热处理工技能实战训练提高版机械工业出版社
[5]、彭其凤，丁洪太。
《热处理工艺及设计》上海交通大学出版社。
[6]、雷廷权，傅家骐等。
《金属热处理工艺方法500种》机械工业出版社。
[7]、郭丽波主编。
热处理工操作技术要领图解山东科学技术出版社
[8]、陈尚策等《机械工程材料及工艺基础》重庆大学出版社。
[9]、建生《金属学及热处理》机械工业出版社。
[10]、热处理工艺及设计（彭其凤，丁洪太主编，上海交通大学出版社）
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