表面热处理目的

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。

2013年“教学质量月优秀教案评选”参评教案

课程： 金属材料与热处理 2013—2014学年 第 一 学期 教师

课题 第四章 钢的热处理

§4-4 钢的表面热处理 教具 实物（活塞销）、

教学方法 任务驱动法、讲授法、课堂互动法、小组讨论法等 审批意见

教学目标 知识目标 1、熟悉表面淬火的概念、特点及应用。

2、熟悉化学热处理的概念和种类。

能力目标 能根据工件的化学成分和性能要求选择正确的表面热处理方法。

情感目标 1、培养学生认真、细致的学习态度。

2、通过发现问题、解决问题的过程，增强学生的求知欲和学习热情。

教学重点 表面热处理的目的、方法和应用。

教学难点 理论联系实际，将学到的基础理论做为实际选择表面热处理方法及工艺参数的理论依据。

课后分析 本课题内容是常用热处理方法中最后介绍的一种，与前面所学内容既有相似又有所区别，讲授时可加以对比联系，以帮助学生理解，且本课题内容与实际联系密切，讲授时以实例为载体，采用任务驱动法，效果较好。 教学过程 教 学 内 容 附记

一、组织教学

（2分钟） 1、点名，稳定学生情绪。

2、分成四个学习小组。

二、复习提问

（7分钟） 常用的回火方法有哪几种？并分别指出其获得的组织、性能及适用范围。

参考答案：

1、低温回火（150℃~250℃）：回火马氏体，具有较高的硬度、耐磨性和一定韧性，主要用于刀具、冷作模具、轴承零件及其它要求硬而耐磨的零件等。

2、中温回火（350℃~500℃）：回火屈氏体，具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，主要用于弹性零件及热作模具等。

3、高温回火（500℃~650℃）：回火索氏体，具有良好的综合力学性能，强度、硬度、塑性和韧性具有良好的配合，广泛应用于连杆、曲轴、齿轮等承受交变载荷或冲击载荷的重要零件等。 巩固旧知识，承接新知识，加强知识的连贯性。

三、任务提出

◆ 表面淬火

钢的表面淬火

有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。

根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。

感应加热表面淬火

感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：

1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高；

2.工件因不是整体加热，变形小；

3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少；

4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命；

5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好；

6.便于机械化和自动化；

7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。

感应加热的基本原理

将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。

感应表面淬火后的性能

1. 表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高 2～3 个单位（HRC）。

2. 耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。

3. 疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化层深δ＝（10～20）％D。较为合适，其中D。为工件的有效直径。

我所关注的表面工程领域——表面淬火技术

一、表面淬火技术的原理和分类

采用特定热源将钢铁材料表面快速加热到Ac3（对亚共析钢）或者Ac1（对过共析钢）之上，然后使其快速冷却并发生马氏体相变，形成表面强化层的工艺过程，就称为表面淬火技术。实际上，不仅仅是钢铁，凡是能通过整体强化的金属材料，原则上都可以进行表面淬火。需要注意的是，表面淬火只对工件的表面或部分表面进行热处理，所以只改变表层的组织，使其表面硬度、耐磨性和疲劳强度均高。而心部或其它部分的组织仍保留原来的低硬度、高塑性和高韧性的性能，这样工件截面上由于组织不同性能也就不同。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，还可用碳钢代替一些合金钢。

对于表面淬火的使用材料，原则上，碳的质量分数在0.35%--1.20%的中、高碳钢及基体相当于中碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁均可以实现表面淬火，但中碳钢与球墨铸铁是最适宜于表面淬火的材料。

根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火、接触电阻加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热、火焰加热、激光加热表面淬火。 这里我主要介绍了感应加热、激光加热表面淬火技术，以及感应加热表面淬火国内外的发展现状及趋势。

二、感应加热表面淬火

感应加热表面淬火法是采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将零件表面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。生产中把工件放入由空心铜管绕成的感应线圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温，在随即喷水（合金钢浸油）快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。