一、实验目的
①熟悉碳钢的几种基本热处理(退火、正火、淬火及回火)操作方法。
②了解含碳量、加热温度、冷却速度、回火温度等主要因素对碳钢热处理后性能(硬度)的影响。
二、实验设备
SRJ⁃4⁃9箱式电阻炉为周期作业式电炉,可用于化学分析、物理测定和一般小型钢件热处理加热。 其额定功率为4k W,额定电压为220V,额定温度为1000℃,炉膛尺寸(l×b×h)为325mm×200mm×125mm,其外观如图7.1所示。 炉壳用薄钢板经折边焊接制成。 炉膛由一高铝耐火材料制成的箱形整体炉衬构成。 加热元件OCr25A15铁铬铝合金丝绕成螺旋形后穿于炉衬上、下、左、右的丝槽中。 丝槽与炉膛连通,使加热元件直接向炉膛辐射热量。 这种敞开炉衬能有效地加快炉膛升温速度,提高温度控制精度。 电炉的炉衬与炉壳之间砌筑是用硅酸铝纤维毡和硅藻、土砖等作保温层。 电炉门通过手摇重锤开启。 测温用的热电偶通过开偶孔插入,并由固定座固定。
图7.1 SRJ⁃4⁃9箱式电阻炉
三、实验原理
钢的热处理就是通过加热、保温和冷却改变其内部组织,从而获得所要求的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作方法。 一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火及回火等。
热处理操作中,加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的3个基本工艺因素,正确选择它们的规范,是热处理成功的基本保证。
1.加热温度
(1)退火加热温度
对亚共析钢是Ac3+(30~50℃)(完全退火);共析钢和过共析钢是Ac1+(30~50℃) (球化退火)。
(2)正火加热温度
对亚共析钢是Ac3+(30~50℃);过共析钢是Accm+(30~50℃),即加热至奥氏体单相区。 退火和正火的加热温度范围如图7.2所示。
(3)淬火加热温度
对亚共析钢是Ac3+(30~50℃);过共析钢是Accm+(30~50℃),如图7.3所示。
图7.2 退火、正火加热温度
图7.3 淬火加热温度
(4)钢淬火后要回火
回火温度决定最终所要求的组织和性能(工厂中常根据硬度的要求)。 按加热温度,回火分为低温回火、中温回火、高温回火3类。
①低温回火:是在150~250℃进行回火,所得组织为回火马氏体,硬度约为60HRC。
②中温回火:是在350~500℃进行回火,所得组织为回火屈氏体,硬度为35~45HRC。
③高温回火:是在500~650℃进行回火,所得组织为回火索素体,硬度为25~35HRC。
高于650℃的回火得到回火珠光体,可以改变高碳钢的切削性能。
2.保温时间
为了使工件各部温度均匀化,完成组织转变,并使炭化物完全溶解和奥氏体成分均匀一致,必须在淬火加热温度下保温一定时间。 通常将工件升温和保温所需时间计算在一起,并统称为加热时间。
热处理加热时间必须考虑许多因素,如工件的尺寸和形状、使用的加热设备及装炉量、装炉温度、钢的成分和原始组织、热处理的要求和目的等,具体时间可参考有关手册中的数据。
在实际工作中,多根据经验估算加热时间。 一般规定,在空气介质中,升到规定温度后的保温时间,碳钢按工件厚度每毫米需1~1.5min估算;合金钢按每毫米2min估算。 在盐熔炉中,保温时间可缩短1~2倍。
3.冷却方法
热处理的冷却方法必须适当,才能获得所要求的组织和性能。退火一般采用随炉冷却。 正火(或常化)所采用空气冷却,大件常进行吹风冷却。
淬火的冷却方法非常重要。 一方面冷却速度要大于临界冷却速度,以保证得到马氏体组织;另一方面冷却速度应尽量缓慢,以减少内应力,避免变形和开裂。 为了调和上述矛盾,可采用特殊冷却方法,使加热工件在奥氏体最不稳定的温度范围内(650~550℃)快冷,超过临界冷却速度,而在马氏体转变温度(300~100℃)以下慢冷。 淬火时的理想冷却曲线如图7.4所示。 常用淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等,如图7.5所示。
图7.4 淬火时的理想冷却曲线
图7.5 常用淬火方法
1—单液淬火;2—双液淬火;3—分级淬火;4—等温淬火
四、实验步骤
①全班分成两组,每组一套试样(45钢试样8块,T12钢试样8块)。 炉冷试样可由试验室事先处理好。
②将同一加热温度的45钢和T12钢试样,分别放入860℃和750℃加热(炉温预先由实验室升好),保温15~20min后,分头进行水、油冷或空冷的热处理操作。
③从两种加热温度的水冷试样中各取出3块45钢和T12钢试样,分别放入200℃,400℃,600℃的炉内进行回火,回火保温时间为30min。
④淬火时,试样用钳子夹好,出炉、入水迅速,并不断在水中或在油中搅动,以保证热处理质量。 取、放试样时,炉子要先断电。
⑤热处理后的试样用砂纸磨去两端面氧化皮,然后测定硬度(HRC或HRB)。 每个试样测3点,取平均值,并将数据填入表内。
⑥每位同学必须抄下全班试验数据,以便独立进行分析。
五、注意事项
①当电炉在第一次使用或长期停用后再次使用时,必须进行一次烘炉干燥,烘炉时间为:室温~200℃时为2h,200~600℃时为1h,使用时炉温不得超过最高温度,以免烧毁电热元件,并禁止向炉膛内灌注各种液体和溶解的金属。
②用钳子夹试样时,要迅速并夹牢固。 炉门打开的时间要尽可能短。
③站在旁边的同学要注意安全,不能靠得太近。
④试样表面要在砂纸上打磨干净方可测试硬度。
六、思考题
①生产中对T12钢进行正火处理(加热到Accm)以上的实际意义是什么?为什么?
②45钢工件常用的热处理是什么? T12钢工件常用的热处理是什么? 它们的组织和大致硬度怎样?
③为什么淬火⁃回火是不可分割的工序? 确定工件回火温度规范的依据是什么?
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