熱處理教案

一、教學(xué)目的及要求

1.了解熱處理在機械工業(yè)中的重要作用;

2.掌握鋼的普通熱處理工藝方法、種類;

3.了解常用熱處理設(shè)備：

4.對45鋼進行淬火、回火操作。

二、教學(xué)進程（總時間0.5天）

單元內(nèi)容進行方式具體內(nèi)容和要求時間備注

1.熱處理工藝訓(xùn)練的內(nèi)容

及要求；

工種2.熱處理工藝的基本過程、

1講解10分鐘

介紹特點及其應(yīng)用；

3.介紹熱處理安全操作

知識。

1.退火、正火、淬火、回火

的目的、適用范圍、方法

講解和具體操作要領(lǐng)；

80分鐘

熱處示范2.熱處理工件質(zhì)量檢查。

理方3.熱處理設(shè)備種類、構(gòu)造和

2

本、教」法訓(xùn)用途；

1練

1.鐵碳F衡相圖、,臚劃3等相關(guān)掛圖；

7調(diào)進愆溪憫及回避搪限處理供

2.退火、正火、爐淬火做、回?,.愉分的鋼小錘了

3.4KW箱式電阻75KW箱式電阻爐、105KW井式氣體滲碳爐、37KV/箱

式電阻爐55KW爐式回火爐等容一臺。

1

熱處理講授內(nèi)容

一、熱處理工藝的基本過程、特點及其應(yīng)用

1.熱處理的應(yīng)用

鋼是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、國防及生活中應(yīng)用最為廣泛的一種金屬材料，具有許

多良好的性能。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高和發(fā)展，對金屬材料的性能要求也不斷的提

高，其中熱處理工藝就是提高和改善鋼性能的一種重要方法，如齒輪、曲軸、彈簧、錘

子、刃具等它們的各種機械性能都是通過熱處理的加工來達到要求的。

例1）:彈簧件：目前用于制作彈簧工件的材料有很多種。首先根據(jù)工件使用條件和

要求選用合適的彈簧鋼，然后加工成形。這時雖然材料和工件的形狀都達到了彈簧工件

的要求，但性能并沒有達到技術(shù)要求。這時工件在受力作用下就會發(fā)生塑性變形，無

法起到彈簧工件的作用。要想使工件充分體現(xiàn)出彈簧的特性，就要根據(jù)所用具體材料進

行相應(yīng)熱處理來滿足。

例2）：家用菜刀、剪刀等，這些工件使用性能如何，熱處理的好與壞，直接影響刀

具的質(zhì)量，如硬度低時，易出現(xiàn)卷刃現(xiàn)象，如硬度過高，易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象等。

例3）：學(xué)生在鉗工實習(xí)時制作的小錘子。在鉗工制作錘子時，所用工具有：鏗刀、

鋸條和鉆頭等工具，它們同樣是金屬材料，為什么錘子能被加工得動？這說明這些工具

的硬度比錘子的硬度高，所以能把錘子從原材料加工成錘子的形態(tài)。但在鉗工加工成形

的錘子也只是一個半成品。因為雖然錘子的形狀，尺寸達到了要求，但它們的機械性能

并沒有達到要求。如果這時用它錘擊工件，錘子本身就會出現(xiàn)變形。所以要想使錘子不

但在尺寸和精度上達到要求而且在性能上也應(yīng)達到技術(shù)要求，為此就要通過進行熱處理

來完成。

2.熱處理的基本過程

定義：采用適當(dāng)?shù)姆绞綄虘B(tài)金屬或合金進行加熱、保溫和降溫，以獲得所要求的

組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。

2

制作工件的材料對熱處理工藝有非常大的影響。工件在進行熱處理操作之前首先要

確定工件的具體材料。因為不同的材料，它的化學(xué)成分不同，它的熱處理工藝也不同，

否則可能使工件出現(xiàn)廢品。為了說明成份和工藝之間的關(guān)系，可通過鐵一碳平衡圖來了

解（簡介）。

1）工件加熱升溫的目的

一般金屬材料在常溫下其內(nèi)部組織有許多種。例如鋼在常溫下其內(nèi)部有珠光體、鐵

素體、馬氏體、上、下貝氏體等組織。隨著溫度的升高，當(dāng)達到727℃或超過727℃時，

就發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變。常溫的組織開始轉(zhuǎn)變?yōu)楦?/p>

溫的組織，也就是向奧氏體轉(zhuǎn)變。轉(zhuǎn)變的溫度和數(shù)量隨材料種類不同而不同。如含碳量

為0.77%的鋼，當(dāng)溫度達到727℃時，就會由珠光體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。而含碳量為0.45%

鋼則需耍加熱到850℃時才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體

（介紹A1、A3曲線的作用）。工件加熱的目的就是讓金屬材料由低溫組織

圖2鐵碳平衡相圖

轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷亟M織（奧氏體）。如果材料里加入其它合金元素，其組織轉(zhuǎn)變就會變得更加

復(fù)雜，所以說確定材料種類對確定熱處理工藝非常重要。

2）保溫的目的

金屬材料隨著溫度的開高超過臨界溫度就會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。但是轉(zhuǎn)變數(shù)量的多少同

加熱溫度，加熱速度和工件幾何尺寸等因素有關(guān)。工件加熱到確定溫度后，還要使工件

表面溫度和工件心部溫度一樣，也就是表面組織轉(zhuǎn)變卻心部組織轉(zhuǎn)變一樣。因為工件燒

透和組織轉(zhuǎn)變都需要一定時間的，所以工件到溫度后要進行保溫。

3）降溫的目的

將高溫下獲得的內(nèi)部是奧氏體組織的工件以不同的冷卻速度冷卻到室溫，可以獲得

不同的金屬組織。因為金屬材料內(nèi)部組織不同，它的機械性能是不一樣的，所以可以根

據(jù)不同技術(shù)要求而選擇小同的冷卻速度，獲得我們所要求的組織和性能。

3

二、熱處理基本工藝方法

熱處理加工的特點與其它工種加工的特點最大的區(qū)別是：工件的幾何尺寸大發(fā)生變

化，而內(nèi)部組織和機械性能發(fā)生改變。

1）退火

目的：細化晶粒、降低硬度，提高塑性、消除內(nèi)應(yīng)力，改善材料切削加工性能，并

為以后淬火作好組織準備。

適用工件范圍：

一般為鑄件、鍛件、焊接件等毛坯。

具體工藝有：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火。

退火工藝操作：為使工件退火后能獲得一個平衡的組織，對溫度下降速度有嚴格要

求，必須緩慢降溫。用45號鋼制作的工件進行退火工藝作一介紹：首先選用加熱設(shè)備，

制訂退火工藝，把工件裝爐升溫，適當(dāng)保溫后降溫。工件在爐內(nèi)的降溫要求非常慢，隨

著爐子的溫度下降而降溫，如將工件降到室溫，需要幾天或十幾天的時間。

2）正火：

目的：細化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能，并為最

終熱處理作好組織準備。

圖4正火工藝

適用工件范圍：一般為鑄件、鍛件及粗車得到的工件。

正火工藝操作：亞共析鋼加熱溫度為Ac3以上30-50℃,過共析鋼加溫度在Accm

以上30~50℃。工件經(jīng)過充分的保溫使其獲得單一的奧氏體組織后，把工件從高溫爐內(nèi)

取出，放在車間靜止的空氣當(dāng)中冷卻。這種冷卻方法叫空冷。以同學(xué)們制作的錘子為例。

把它放在爐內(nèi)，將爐溫升到850C進行充分保溫后，馬上將工件從爐內(nèi)取出，拿到車間

內(nèi)的空氣中冷卻，它的冷卻速度要比退火的冷卻速度快得多，所以獲得的組織比較細密，

4

硬度有所提高，切削加工性能也能得到提高。

3）淬火

目的：為了使工件獲得馬氏體組織，從而使工件的強度、硬度、耐磨性等力學(xué)性能

圖5淬火工藝圖

適用工件范圍：軸類、齒輪、軸承、刀具、模具等。同學(xué)們制作的錘子，也要進行

淬火處理。

首先根據(jù)工件所用具體材料制定出操作工藝，然后根據(jù)工件的技術(shù)要求選擇加熱和

淬火設(shè)備。常用加熱設(shè)備有：箱式電阻爐、鹽浴爐、氣體保護爐、高頻爐、油爐、真空

爐等設(shè)備。

淬火工藝方法：整體加熱淬火、局部淬火、表面淬火、分級淬火等。以45號鋼的

錘子為例介紹淬火處理。首先選用合適的加熱設(shè)備，用4KW箱式電阻爐。加熱的目的

就是要使工件內(nèi)部組織獲得奧氏體，加熱溫度為850℃?在此溫度下保溫20分鐘使其

轉(zhuǎn)變充分。然后將工件出爐放入水中快速冷卻降溫，在非?？斓睦鋮s速度下奧氏體才能

轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。冷卻時間約為幾秒鐘。如果冷卻速度慢了，工件在冷卻過程中就可能發(fā)

生其它組織轉(zhuǎn)變，而無法獲得馬氏體這種組織，也就無法使工件達到所要求的力學(xué)性能。

為了說明鋼在冷卻時組織和冷卻速度的關(guān)系，可通過C曲線（圖6）說明簡介。只有冷

卻速度大于這種材料的臨界冷卻速度，才能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，否則就會在冷卻過程中發(fā)生

其它組織轉(zhuǎn)變。而對于合金綱來講，由于材料里加入了各種不同的合金元素，不但改善

了材料的各種力學(xué)性能，同時也提高了獲得馬氏體的能力。所以合金鋼在冷卻速度較慢

的機油中進行冷卻，也可以獲得馬氏體。合金鋼采用的冷卻速度比碳鋼的冷卻速度更緩

慢，還可以減少材料的內(nèi)應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力達到一定極限，就會使工件產(chǎn)生變形和開裂，使

工件報廢。由于淬火是最后一道工序，如出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題所造成的損失是很大的。根

據(jù)材料不同，常用淬火介質(zhì)有二大類：一種是水，碳鋼常用；一種是20號機油，主要

用于合金鋼；另一種為化學(xué)試劑，常用于特殊材料的淬火冷卻用。

圖6c曲線在連續(xù)冷卻中的應(yīng)用

根據(jù)工件不同技術(shù)要求還可采用其它操作方法來達到各種力學(xué)性能，如鉗工用的手

鋸條。手鋸條在使用時經(jīng)常出現(xiàn)斷裂，而且主要發(fā)生在鋸條的中間部位。按理說，鋸條

兩端有孔的位置受力最大，為什么端部不斷裂。這主要是通過不同的熱處理方法，使同

一工件在不同部位獲得不同的內(nèi)部組織和不同的機械性能所反映的現(xiàn)象。為了保證鋸條

具有良好的性能，中間部的硬度和強度非常高、但是很脆。工作時鋸條變形量超過極限，

就會出現(xiàn)斷裂。而兩頭鉆孔部位經(jīng)過回火后，又把高的硬度和強度降低下來，它的韌性

和塑性得到提高，所以有一點變形也不會出現(xiàn)斷裂。這樣在一個工件上可體現(xiàn)不同的力

學(xué)性能。

4）回火

目的：降低工件淬火后的脆性，消除在快速冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使組織趨于

穩(wěn)定，獲得要求的機械性能。

適用工件范圍：淬火以后的工件一般情況下都需要進行回火處理。

具體工藝方法：回火工藝根據(jù)回火溫度的不同，常見的有3種：

低溫回火：加熱溫度為150~250℃之間，在保證工件高硬度等技術(shù)要求前提下，盡

量降低材料內(nèi)部的脆性和內(nèi)應(yīng)力。同學(xué)制作的錘子在經(jīng)過淬火后就要進行低溫回火處

理。采用低溫回火的典型工件還有：鉆頭、鋸條、齒輪、鋅刀、軸承等。

中溫回火：加熱溫度為300~450℃之間，為使工件獲得較好的彈性和一定的韌性和

硬度。此工藝常用于熱鍛模和彈簧工件。如有的彈簧件在受力的情況下發(fā)生變形。有時

出現(xiàn)斷裂或載荷卸去之后，形狀沒有回到原來的狀態(tài),這些現(xiàn)象說明彈簧件的熱處理質(zhì)

量沒有達到技術(shù)要求。

高溫回火：加熱溫度為500~650℃。淬火+高溫回火在機械工業(yè)中又叫調(diào)質(zhì)熱處理。

通過調(diào)質(zhì)處理可使鋼獲得較好的綜合的力學(xué)性能。主要用于受力復(fù)雜工件，如軸類、曲

軸、齒輪類等重要的機械零部件。

實習(xí)報告中有這樣一道題：使拖拉機齒輪表面具有較高的硬度而心部具有韌性，應(yīng)

選用那種熱處理工藝操作？正確答案是采用滲碳、淬火、低溫回火。具體分析：鋼的含

碳量高，淬火后工件的強度硬度提高，而鋼的韌性、塑性下降。鋼的含碳量低時，雖然

經(jīng)過淬火處理，但鋼的硬度，強度也不會提高，而鋼的韌性、塑性好。根據(jù)鋼的這一特

點，在制作齒輪選用的材料上首先選用低碳鋼將齒輪加工成形，這時的齒綸具備了韌性

和塑性的要求。為了使表面硬度、強度提高，采用工件表面滲碳的方法來改變齒輪表面

層的含碳量。將表面層的碳濃度由低碳鋼轉(zhuǎn)變?yōu)楦咛间?，然后再進行淬火處理。齒輪表

面含碳量高的這一層就可以得到高的硬度和強度。而齒輪的心部成份，雖然經(jīng)過淬火處

理其性能還保持原來比較好的韌性和塑性，這是表面處理的一種方法。

滲碳工藝如圖7所示：滲碳方法可分為3種，固體滲碳，液體滲碳和氣體滲碳。滲

碳溫度為900℃,強滲4小時，滲層深度可達到1mm。然后直接淬火處理。

6

℃

9。0

■卻

____________強-4小時____________

d

圖7滲碳工藝圖

5）熱處理工件質(zhì)量檢查

質(zhì)量檢查一般情況下可分為兩大類：一類是工件內(nèi)部組織檢查，如金相分析，組織

測定微裂紋檢測、探傷等：另一類是工件硬度測量。

硬度計常見的有：

布氏硬度計：布氏硬度符號是HBo它用于測量退火、正火、調(diào)質(zhì)處理后的工件硬

度。測量原理：工件在布氏硬度計上放平后，將標(biāo)準壓頭（淬火后的鋼球）壓在工件表

面。在壓力的作用下，將工件表面壓出一個球形壓痕,去掉壓力抬起壓頭后，用畫;行標(biāo)

尺的顯微鏡，測量壓痕直徑，得出數(shù)值后，根據(jù)換算表就能得出布氏硬度值。

洛氏硬度計：洛氏硬度符號HRCo一般淬火、回火后的工件進行洛氏硬度測量。測

量原理：工件在硬度計上放平，然后壓頭壓在工件的表面。壓頭是頂角為120。的金剛

石圓錐。將標(biāo)準壓力加在壓頭上，壓頭被壓入工件表面越深，說明工件硬度越低，否則

相反。

三、實際操作

1.介紹安全知識。

2.工件選擇：用同學(xué)們在鉗工制作的錘子。

材料：45號鋼

3.技術(shù)要求：淬火后，硬度為HRC50~55。

4.操作工藝：淬火加低溫回火，淬火介質(zhì)用水冷卻。

5.使用設(shè)備：兩臺4KW箱式電阻爐，一臺用于高溫工件加熱保溫淬火操作，一臺

用于低溫回火加熱保溫。

6.操作工具：勾子。

7.淬火、回火工藝。

在操作前，先讓同學(xué)們參觀一下850℃的高溫是什么樣。講解操作方法，需要注意

的問題，如爐門打開后