钢的表面热处理教案

钢的表面热处理教案课程机械制造基础专业模具设计与制造学时2一、教学课题：4.4钢的表面热处理二、教学目的掌握部分：1、表面热处理的目的、分类；2、常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火、渗碳）。了解部分：表面热处理的典型零件。三、教学重点、难点：重点：钢的化学热处理工艺(渗碳)。难点：表面淬火与化学热处理的区别。四、教学方法：以课堂讲授为主，演示法为辅。（实物样件、动画和视频演示）。五、教学过程备注课件、视频及动画、多媒体教室、实物样件检查学生到课情况教师提前10分钟到教室准备抽点教学准备组织教学复习上节课学习的钢的普通热处理部分内容。导入方法：问题导入法、实例导入法。一、问题导入：拿出一把锉刀和一块做过表面热处理的45号钢（已锯开，露出心部），让学生动手锉一下，感觉表面与心部硬度的不同。让学生思考这样的零件具有哪些特点？二、实例导入：机械制造业中，很多机器零件要求表面耐磨损，不易产生疲劳破坏，而心部却要求有足够的塑性和韧性，如齿轮、轴、凸轮等。在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法（结合上节课内容），都不能满足其要求。低碳钢：可满足心部要求，表面要求不能满足。高碳钢：可满足表面要求，心部要求不能满足。解决这一问题的方法是表面热处理。4.4钢的表面热处理一、表面热处理的目的：（外硬内韧）1、提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。2、使零件心部具有高的韧性和塑性→防止脆性断裂。以讲授法为主新课课堂导入复习二、表面热处理的分类：主要有两大类：表面淬火和化学热处理。4.4.1钢的表面淬火按照实现方式，表面淬火可分为：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火。4.4.1.1感应加热表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。感应加热淬火零件的加工工艺路线为：下料-----锻造-----调质或正火------切削加工----感应加热淬火+低温回火-----精加工-----检验。一、工作原理感应线圈→交变磁场→感应电流→工作电阻→加热，集肤效应→表层加热，快冷→淬硬层。二、感应加热的分类名称频率淬硬深度适用零件高频感应加热50-300KHZ1-2mm小型轴，齿轮中频感应加热2.5-10KHZ2-10mm中型轴、齿轮工频感应加热50HZ10-20mm大型轴、齿轮在淬火温度状态下，电流透入的深度与感应电流的频率有关，电流频率越高，电流透入深度越薄，淬火后硬化层也就越薄。三、感应加热的特点1、加热快，生产率高，氧化脱碳少，变形小；配合视频演示2、表面组织细，硬度高；3、容易实现自动化；4、工件形状受限制，圆截面的轴、齿轮等；5、设备昂贵，维修、调整困难。四、应用：轴类、齿轮类、工模具等。如：机床和精密机械上的中小模数齿轮，汽车、矿山机械上的大模数齿轮；花键轴，汽车半轴等；滚丝模、剪刀刃、锉刀。4.4.1.2、火焰加热表面淬火一、概念火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等进行淬火。火焰加热表面淬火示意图：二、特点1、设备简单,操作方便,成本低；2、淬火质量不稳定；3、适于单件、小批量及大型零件的生产。三、应用：轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；普通机床导轨、齿轮。4.4.2钢的化学热处理一、定义将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。二、种类配合视频演示通过化学热处理与表面淬火的不同之处引入。渗碳；渗氮；碳氮共渗等。三、化学热处理的基本过程：分解：化学介质在高温下释放出待渗的活性原子，例如：2CO→CO2+〔C〕；吸收：活性原子被零件表面吸收和溶解；扩散：活性原子由零件表面向内部扩形成一定的扩散层。四、工艺特点：1、即改变工件表面化学成分，又改变了工件表面组织与性能。2、表面与心部的成分不同，组织不同。4.4.2.1渗碳一、定义与目的定义：向钢的表面渗入碳原子的过程。目的：获得具有表硬里韧性能的零件。二、工艺参数温度：900-950℃；层深：0.2-2.0mm；硬度：58-62HRC；表面Wc：0.85-1.0%；组织：过共析、共析、亚共析组织；后续处理：淬火+低温回火；材料：低碳钢0.15-0.25%；应用：汽车齿轮、活塞销等。目的：表面硬、耐磨，心部韧性好；三、固体渗碳：固体渗碳是一种应用最早的渗碳方法。质量、劳动条件较差，生产率低，应用较少。渗碳介质常用块状木炭加10～20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3等）。渗碳是工业中最常用的表面热处理工艺。重点讲授。配合动画演示四、气体渗碳气体渗碳法是把工件置于密封的井式气体渗碳炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900-950℃（常用930℃），使工件在高温的气氛中进行渗碳。渗碳时间一般为3～9小时。炉内的渗碳气氛主要由滴入炉内的煤油、丙酮、甲苯及甲醇等有机液体在高温下分解而成，主要由CO、CO2、H2和CH4等组成。气体渗碳法示意图：五、渗碳后的组织分析4.4.2.2渗氮一、定义与目的定义：向钢的表面渗入氮原子的过程。目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及红硬性。二、分类配合动画、视频演示有气体氮化、离子氮化等工艺方法，其中气体氮化应用最广泛。三、工艺参数：1、常用氮化介质：2NH3→3H2+2[N]；2、氮化层组织：光亮层（高硬度、高弥散度的稳定的合金氮化物AlN、MoN、CrN等）-过渡层-基体；3、层深：一般小于1.0mm；4、硬度：69-73HRC；5、工艺：加热温度500-600℃(温度较低)，保温时间：0.3-0.5mm/20-50h；6、热处理特点：氮化前调质处理，氮化后不需要后续处理；7、材料：中碳，0.25-0.6%，通常是含有Al、Cr、Mo等元素，如38CrMoAl、35CrMo、40Cr等；8、应用：要求精度高、冲击载荷小，抗热、抗腐蚀的耐磨件：发动机的气缸、排气门、精密齿轮、精密模具等。四、优缺点温度低，变形小；硬度、耐磨性、疲劳强度较高；耐蚀性、热硬性好；渗层薄且脆；时间长，效率低。五、渗碳与渗氮工艺比较：4.4.2.3碳氮共渗-氰化处理一、定义与目的定义：向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。目的：获得具有表硬里韧性能的零件。二、方法气体碳氮共渗（高温、低温）液体碳氮共渗名称处理温度（℃）处理时间（h）处理后是否需要热处理渗碳900-9503-9需要渗氮500-60020-50不需要三、应用形状复杂、要求变形小的小型耐磨件，汽车转向蜗杆等。4.4.3表面淬火和化学热处理的比较一、表面淬火与渗碳都是提高工件表面硬度的一种方法，前者属于普通热处理，后者属于化学热处理，对于不同的材料提高表面硬度应有不同的热处理方法，如低碳应渗碳处理，高碳可以直接表面淬火。二、表面淬火便于实现机械化、自动化，质量稳定，变形小，热处理周期短，费用少，成本低；化学热处理生产周期长，不便于实现机械化、自动化生产，工艺复杂，质量不够稳定，辅助材料消耗多、费用大、成本高。三、化学热处理只在获得表面层的更高硬度与某些特殊性能及心部的高韧性等方面优于表面淬火。名称低温气体氰化高温气体氰化温度500-600℃830-850℃作用以渗氮为主以渗碳为主渗层0.01-0.02mm0.5-0.8mm热处理不需要淬火＋低温回火小结：钢的表面热处理是工业上广泛采用的一种方法，它能使材料具有外硬内韧的特质，满足使用的要求。重点掌握钢的表面热处理工艺的目的、方法以及种类。让学生归纳总结本堂课内容。根据所学知识，让学生讨论哪些零件需要表面热处理。作业：预习下节：材料的表面处理。小结与作业