热处理原理与工艺课程设计

* * 大学热处理原理与工艺课程设计题目： 50Si2Mn弹簧钢的热处理工艺设计院（系）：机械工程学院专业班级：**学号：*******学生姓名：**指导教师：**起止时间：2014-12-15至2014-12-19课程设计任务及评语目录一、概述---------------------------------------------------------11.课程设计的目的--------------------------------------------------12.课程设计的任务--------------------------------------------------13.课程设计的题目--------------------------------------------------14.课程设计的内容及步骤--------------------------------------------1二、热处理工艺课程设计的内容及要求--------------------------------11、零件的技术要求及选材-------------------------------------------12、化学特点和性能-------------------------------------------------23、制定热处理工艺路线---------------------------------------------34、工艺参数-------------------------------------------------------35、热处理工艺曲线-------------------------------------------------76、分析各热处理工序中材料的组织和性能-----------------------------77、缺陷分析-------------------------------------------------------88、选择热处理设备-------------------------------------------------109、测温仪器和温度控制方式-----------------------------------------10三、收获和体会----------------------------------------------------11四、参考文献------------------------------------------------------11第一部分概述1、课程设计的目的热处理工艺课程设计是高等学校金属材料工程专业一次专业课设计练习，是热处理原理与工艺课程的最后一个教学环节。

其目的是：（1）培养学生综合运用所学热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。

（2)学习热处理工艺设计的一般方法，热处理设备的选用等。

（3）进行热处理设计的基本技能训练，如计算、工艺图绘制和学习使用设计资料、手册、标准和规范。

因此，本课程设计要求我们综合运用所学知识来解决生产实践中的热处理工艺制定问题，包括工艺设计中的细节问题，如设备的选用，夹具的设计等。

要求我们设计工艺流程，这需要查阅大量的文献典籍。

如何灵活使用资料、手册，怎样高效查找所需信息，以及手册的查找规范和标准等，均不是一蹴而就的事情，需要我们在实践中体会并不断地总结，才能不断进步。

2、课程设计的任务根据技术要求，选定相应的热处理方法，制定热处理工艺参数，画出热处理工艺曲线图，分析各热处理工序中材料的组织和性能，选择热处理设备。

3、课程设计的题目Mn弹簧钢的热处理工艺50Si2第二部分热处理工艺课程设计的内容及要求1、零件的技术要求及选材热处理态及硬度: HRC42-45变形要求：≤1%组织：马氏体+回火托氏体其它：能承受极限载荷10000N，单圈刚度》=1500N/mm，工作极限载荷下的单圈变形量《=6mm，许用应力740MPa.弹簧选材的原则是：首先满足功能要求，其次是强度要求，最后才考虑经济性。

碳素弹簧钢是弹簧钢中用途广泛，用量最大的钢类。

钢中含0.60%～0.90%的碳和0.3%～1.20%的锰，不再添加其它合金元素，使用成本相对较低。

碳素弹簧钢丝经适当的加工或热处理，可以获得很高的抗拉强度，足够的韧性和良好的疲劳寿命。

但碳素钢丝的淬透性低，抗松弛性能和耐蚀性能差，弹性模量的温度系数较大(高达300×10-6/℃)，适用于制造截面较小，工作温度较低(120℃>)的弹簧。

合金弹簧钢一般含0.45%～0.70%的碳和一定量的Si ，Mn ，Cr ，V ，W 及B 等合金元素。

合金元素的加入改善弹簧钢的抗松弛性能，提高钢的韧性，同时显著提高钢的淬透性和使用温度，适用于制造较大截面，较高温度下使用的弹簧。

2、50Si 2Mn 弹簧钢的化学特点和性能要求由于弹簧是在弹簧范围内工作，不允许产生永久变形。

弹簧钢应具有优良的综合性能，如力学性能 (特别是弹性极限、弹性极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。

为了满足上述性能要求，弹簧钢具有优良的冶金质量(高的纯洁度和均匀性)、良好的表面质量(严格控制表面缺陷和脱碳)、精确的外形和尺寸。

表一：50Si 2Mn 弹簧钢的成分⑴、C:每种合金元素形成碳化物时都要有一定数量的碳与之化合，含碳量低会使部分合金元素失去析出硬化的机会；含碳量过高，多余的碳会和铁形成化合物或其他稳定性差的碳化物，从而降低钢的可加工性及韧性。

⑵、W ：钨是提高高速钢回火稳定性和耐热性的主要元素。

在马氏体中，钨原子和碳原子的结合力很大，提高了马氏体在受热时的分解稳定性，使钢在高达550～600℃时仍能保持高的硬度。

钨的碳化物在高温加热时有力的起到阻止晶粒长大的作用。

高速钢淬火后钢号 C SiMn Cr Ni ≤ P ≤ S ≤ 50Si2Mn 0.56~0.641.50~2.00 0.60~0.90 0.70~1.00 0.35 0.040 0.040在560℃回火时，碳化物析出并作均匀弥散分布；钢中残余奥氏体在回火后冷却时转为马氏体，将产生二次硬化作用。

这些都能进一步提高钢的耐磨性和切削性能。

⑶、Cr：铬可提高钢的淬透性和回火稳定性，促进W、V等碳化物的析出硬化。

V：钒也是提高高速钢回火稳定性和耐热性的元素。

钒的碳化物硬度高，晶粒细，有较强的抗集聚能力，随着钒含量增加，钢的耐磨性大幅度提高，但可磨削性显著降低，增加了刃磨困难。

为此钒的含量一般不超过3%。

⑷、Si：有助于提高钢的耐热性和热硬性，但韧性较差。

⑸、Al: 铝的作用和钴相似，并有容易形成致密氧化膜而起着防止沾刀的作用。

⑹、S、N：加入少量的硫，可以得到易切削的高速钢；加入少量的氮，可以增加钢的红硬性，提高刀具的切削性能。

3、制定热处理工艺路线原材料检查——前期预处理——下料（剪断）——料头锻扁——加热——卷绕成型——淬火（淬火介质为油）——中温回火（带芯棒）——初步检验——整形——去应力退火（带芯棒）——检验——喷砂——立定处理——断面加工——检验——表面防腐处理4、工艺参数加热温度：钢：小于A1 碳钢及低合金钢：550～650℃高合金钢：600～750℃铸铁：500～550℃加热速度：100～150℃/h 保温时间：3～5min/mm冷却速度：50～100℃/h（1）正火正火是将钢加热到Ac3或ACcm以上30~50℃并保温一定时间，然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。

与完全退火相比，二者的加热温度及保温时间相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低，发生伪共析转变。

正火工艺参数示意图如下（2）淬火加中温回火将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。

淬火后钢件变硬，但同时变脆。

为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。

（3）淬火加热方式及加热温度的确定原则淬火一般是最终热处理工序。

因此，应采用保护气氛加热或盐炉加热。

只有一些毛坯或棒料的调质处理(淬火、高温回火)可以在普通空气介质中加热。

因为调质处理后尚须机械切削加工，可以除去表面氧化、脱碳等加热缺陷。

但是随着少、无切削加工的发展、调质处理后仅是一些切削加工量很小的精加工，因而也要求无氧化，脱碳加热。

淬火加热一般是热炉装料。

但对工件尺寸较大，几何形状复杂的高合金钢制工件，应该根据生产批量的大小，采用预热炉(周期作业)预热，或分区(连续炉)加热等方式进行加热。

1：淬火加热温度：淬火加热温度，主要根据钢的相变点来确定。

对亚共析钢，一般选用淬火加热温度为Ac3+（30—50℃)，过共析钢则为Ac1+(30—50℃)。

之所以这样确定，因为对亚共析钢来说，若加热温度低于Ac3，则加热状态为奥氏体与铁素体二相组成，淬火冷却后铁素体保存下来，使得零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。

比Ac3点高30—50℃的目的是为了使工件心部在规定加热时间内保证达到Ac3点以上的温度，铁素体能完全溶解于奥氏体中，奥氏体成分比较均匀，而奥氏体晶粒又不致于粗大。

对过共析钢来说，淬火加热温度在Ac1～Ac3之间时，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳物。

这种组织不仅有高的强度和硬度、高的耐磨性，而且也有较好的韧性。

如果淬火加热温度过高，碳化物溶解，奥氏体晶粒长大，淬火后得到片状马氏体(孪晶马氐体)，其显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。

由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。

高于Ac1点30—50℃的目的和亚共析钢类似，是为了保证工件内各部分温度均高于Ac1。

2：注意：确定淬火加热温度时，尚应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。

在工件尺寸大、加热速度快的情况下，淬火温度可选得高一些。

因为工件大，传热慢，容易加热不足，使淬火后得不到全部马氏体或淬硬层减薄。

加热速度快，工件温差大，也容易出现加热不足。

另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高加热温度。

在这种情况下，淬火温度可取Ac3+(50—80℃)，对细晶粒钢有时取Ac3+100℃。

对于形状较复杂，容易变形开裂的工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。

考虑原始组织时，如先共析铁素体比较大，或珠光体片间距较大，为了加速奥氏体均匀化过程，淬火温度取得高一些。

对过共析钢为了加速合金碳化物的溶解，以及合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度。