热处理工艺及设备讲义（DOC36页）

1热处理工艺及设备教学内容第一讲：绪论（自我介绍，与学生沟通。）举例：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。例4）：古代刀剑，不经过热处理，是没法上战场使用的。引出本课程的教学目的：认识、理解、掌握、运用《热处理工艺及设备》知识。0绪论0-1热处理的起源和历史春秋战国时期，铸铁的石墨化退火和脱碳退火，应用于农具中；西汉时代，钢铁兵器的淬火提高硬度；三国时代，发现了淬火介质对工件质量的影响；汉魏时期，开始了化学热处理；明代，有了渗碳工艺；由于历史原因，新中国成立前的热处理一直停滞不前。0-2热处理的概念、工艺特点1、热处理：采用适当的方式对固态金属或合金进行加热、保温和冷却，以获得所要求的组织结构（或表面化学成分）与性能的工艺。性能包括：工艺性能、机械性能、物理性能和化学性能。1）加热升温的目的使金属材料由低温组织转变为高温组织（举例：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。）2）保温的目的使工件烧透且组织转变有充足的时间图0-1热处理工艺曲线示意图2（工件有尺寸、形状，加热有快慢，工件芯部与外表温度要求一致）3）冷却的目的将金属材料的高温组织以不同的冷却速度冷却到室温，获得不同的室温组织，从而达到不同的机械性能。2、工艺特点：热处理工艺是机械制造过程中一个重要的组成环节，与其它工艺相比，有其工艺特点：1）热处理工艺不改变工件的外部形态，只改变内部组织形态，提高其内在质量，赋予各种使用性能；2）热处理工艺不能独立存在，可在机械制造过程中任何一个位置存在，与前后工序起相辅相成的作用；（举例：机加工之前的高温退火、铝合金成品前的固溶处理等）3）操作温度和过程时间范围广；（温度可高达工件的熔点，也可低至零下几十度，而时间短则几秒长则上百小时）4）工艺控制精确；（温度、时间的控制，冷去速度、方法的要求，热处理时工件的摆放及移动速度等）5）加热、冷却介质的多样性和严格性；6）加热冷却的均匀性和区分性。0-3热处理的分类1、按机械加工过程中的位置和作用分：（1）最终热处理；（为获得零件最后使用状态所需性能的热处理）（2）预先热处理；（常在最终热处理之前进行，为其他工艺做好组织性能准备）（3）补充热处理。（常在最终热处理之后进行，为了消除应力或稳定加工效果）2、按零件热处理部位不同分：（1）整体热处理；（2）局部热处理；（3）表面热处理；（4）区分热处理。3、按零件化学成分是否要求变化分：（1）普通热处理；（2）化学热处理。4、按热处理温度分：（1）高温热处理；（2）中温热处理；（3）低温热处理；（4）冷处理。5、按工艺特点、组织转变及形状性能变化分：（1）基本热处理----退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效等；（2）化学热处理----渗碳、渗氮、渗硼、渗金属、多元渗等；（3）表面淬火----火焰淬火、感应淬火、渗液淬火、电接触淬火、激光淬火等；（4）形变热处理----高温形变热处理、中温形变热处理、低温形变热处理；（5）复合热处理----渗碳淬火、表面淬火自行回火、锻热淬火、焊接余热退火等。30-4国内热处理工艺现状及发展趋势1、现状：与发达国家相比，工艺水平低、质量差、耗能大、成本高、产品缺乏竞争力；工艺研究和设备开发方面远远落后于发到国家，高端精密的热处理工艺设备绝大部分从国外进口。2、发展趋势：（1）节能减排，降低能耗，加强热处理工艺过程的控制与管理，积极采用复合热处理等新热处理工艺；（2）推广无氧化、防脱碳、防热裂的热处理工艺；（3）改造和引进自动化热处理生产线；（4）减少污染、采用清洁能源、采用高效热处理工艺。4第二讲：金属的加热及钢在加热时的转变提问学生：1）热处理的定义？热处理的工艺过程？（画右图示意）2）热处理按工艺、特点和形状性能角度如何分类？1金属的加热及钢在加热时的转变1-1热处理的加热过程1、加热物理过程：热的传递方式：传导——温度不同的接触物体间或同一物体中各部分之间的热能传递过程；（举例：烤红薯、用暖水袋暖手等等）对流——流体流动时，流体质点运动引起的热能传递过程；（比如：暖气管、空调、吹风扇等等）辐射——物体间通过热辐射在空间中传递热能的过程。（比如：微波炉、太阳光等等）2、加热影响因素：1）加热介质（画出书中的表1-1，加以说明）一般来说，传导比对流的加热速度要快一倍以上（举个例子：烧水）2）钢件（或合金）成分（画出书中的表1-2，加以说明）钢的化学成分不同决定了其比热、密度和导热系数有差异，则影响着加热速度；一般来说，加热速度与导热系数成正比、与比热、密度成反比，即：v∝λ/cρ。（举例，铝锅、铜壶。合金元素越多，则导热系数越小、密度越大，不宜快速加热）3）钢件（或合金）形状有效受热表面积与体积之比，F/V，其越大，则加热速度越大。3、加热规范的一般原则：与零件有关，也与加热设备、加热方式、装炉量及工艺要求有关1）加热温度确定（画图1-2加热温度优选示意图）过烧——金属或合金在热处理加热时，由于加热温度接近其固相线附近，晶界氧化和开始部分熔化的现象。图0-1热处理工艺曲线示意图5过热——金属或合金在加热时，加热温度超过相变所需温度，使组织和性能异常的现象。氧化——脱碳——2）加热速度选择采用小的（慢速）加热速度：脆性大的工件、导热性差的工件、大尺寸工件、复杂形状的工件、残余应力大的工件、固体渗碳和退火工艺、具有严重偏析和夹渣物的工件。没有以上因素的工件，从生产效率、节约资源考虑，都应采用大的加热速率。3）加热方法选择（画出书中图1-3示意）（1）冷炉装料：需要加热速度小的工件、装炉量较多的情况；（2）到温装炉：加热速度大、操作方便，截面温差大，退火、正火、淬火等普遍采用的加热方法；（3）高温装炉：炉温比加热温度高100～150℃、加热速度大、热应力大、操作不方便，锻件退火或正火，碳钢或低合金钢锻件的淬火。（4）低温装炉：低于600℃、加热速度中等、温差较小，热处理温度较低的工件，大型铸锻件，淬火不合格返修件，经过预热要进行高温热处理的、为了减少高温氧化和脱碳的工件。4）加热时间确定理论计算法：一般来说，加热时间包括：工件升温时间、均热时间、保温时间；但理论计算时，加热时间仅指升温时间。（1）表面热流密度恒定时：（传给工件的热量与工件吸收而升温的热量相等）（2）炉温恒定时：（dτ时间内传递给工件表面的热量）经验计算法：τ=a×d常用有效厚度计算方法（画图1-4表示）1-2热处理的加热介质：1、固体介质：木炭、烟煤、石墨、刚玉砂、石英砂、碳化硅等，主要应用于固体渗碳、渗金属等固体化学热处理及无氧化加热。2、液体介质：熔盐、熔碱、熔融金属、各种油类等，主要应用于加热质量要求高的高碳高合金钢6的小零件、工模具的加热及某些液体化学热处理，也可用于等温淬火冷却。熔盐——温度140～1300℃，价格低、易于清除，使用广泛；熔融金属——有毒、易污染、不易清理，几乎不用；油浴——200℃以下，主要用于回火加热。3、气体介质：1）一般炉气：CO、CO2、H2、O2、N2、CH4等，具有较大氧化性，普通工件加热。2）放热型（DX型）气体：液化石油气、天然气、城市煤气等，与空气混合燃烧发生反应后制得，常用于保护性气体，光亮退火、光亮淬火、光亮热处理。3）吸热型（RX型）气体：丙烷、丁烷、甲烷等，与少量空气混合后，在高温反应罐中，经触媒作用反应制得，常用于钢件防止氧化脱碳，如气体渗碳等。4）氨分解气体：常用于不锈钢、硅钢片、低碳高合金钢的光亮热处理。5）氮基气体、氢气及木炭发生气6）真空气体1-3钢在加热过程中的转变1、奥氏体的形成过程：形核和长大两个基本过程，可分为四个阶段（画图书中9-2示意）1）奥氏体的形核：Ac1温度以上，珠光体不稳定，在F和Fe3C的界面上优先出现奥氏体的晶核；（这是因为相界面上碳浓度分布不均、原子排列不规则、能量较高状态）2）奥氏体晶核长大：稳定了的奥氏体晶核开始逐渐长大，依靠Fe、C原子的扩散，晶格改组为面心立方晶格；3）残余渗碳体的溶解：铁素体优先溶解消失于奥氏体中，残余的渗碳体需要时间来溶解消失；4）奥氏体均匀化：浓度不均，则需要长时间的C原子继续扩散均匀，同时伴有奥氏体的合并现象。2、奥氏体的晶粒长大及控制1）奥氏体晶粒度：衡量奥氏体晶粒大小的尺度，对冷却后钢的组织和性能有着重要影响。表示方法有：经理尺寸表示法（晶粒截面的平均直径或单位面积内的晶粒数目）；晶粒度级别指数G表示法——分8级，1最粗、8最细，一般5以上为细晶粒。2）奥氏体晶粒长大：起始晶粒度、实际晶粒度3）晶粒度大小的控制：（1）加热温度和保温时间的控制；（2）加热速度的控制；（快速加热，短时间保温细化晶粒）（3）钢的化学成分；（可抑制晶粒长大的元素：Al、V、Ti、Zr、Nb、W、Cr、Mo等）（4）钢的原始组织；（越细的组织越有利于晶粒长大）7第三讲：钢在冷却时的转变提问复习：（1）加热时间的确定？加热温度的确定？加热速度的确定？（2）钢在加热过程中发生了哪些转变？1-4钢在冷却时的转变1-4-1冷却条件对钢性能的影响（画书上表9-1）连续冷却：将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷到室温。等温冷却：把奥氏体化后的钢件迅速冷到临界点以下某个温度，等温保持一定时间后再冷至室温。1-4-2过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）1、过冷奥氏体：临界点以下暂时存在的奥氏体，是介稳定相。TTT曲线（Time-Temperature-Transition）：反映过冷奥氏体等温转变动力学的实验曲线，C曲线。（残余奥氏体：未发生转变的过冷奥氏体）2、共析碳钢C曲线分析（画出书上图9-4C曲线图）（1）C曲线中，A1温度线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边和右边的C曲线分别为过冷奥氏体转变开始线、终了线。（2）共分几个区域：高于A1的奥氏体稳定区、转变开始线以左的过冷奥氏体区、转变终了线以右和Ms点以下为转变产物区、转变开始线与终了线之间为过冷奥氏体和转变产物的共存区。（3）过冷奥氏体在不同温度等温转变时，都要经过一段孕育期，即为纵坐标到转变开始线之间的距离。550℃为鼻温，孕育期最短、转变时间最短。（4）发生三种转变：高温的珠光体转变、中温的贝氏体转变、低温的马氏体转变。1-4-3影响因素1、奥氏体成分的影响：碳浓度、合金元素2、奥氏体化状态的影响：晶粒度、均匀化、晶体缺陷密度等3、应力和塑性变形的影响：1-4-4过冷奥氏体连续冷却转变曲线1、CCT曲线（continuous-cooling-transition）(画图书上9-8)CCT曲线的临界冷却速度（Vc）、TTT曲线的临界冷却速度（Vk）、上下临界冷却速度（这里，提问学生：a、要获得全部马氏体，冷却曲线如何画？全部为珠光体呢？）1-5珠光体转变81-5-1定义：在高温时发生的扩散性相变，生成铁素体与渗碳体的机械混合物（写出反应式）典型的扩散型转变，退火、