时间：2022-06-26 22:05:57
课程要求学生应掌握金属热处理基本的理论知识，了解金属热处理工艺设计的基本依据，熟悉生产中常用的材料及其热处理工艺、组织、性能与应用及环境之间的关系，根据零件技术要求，能正确地选择材料和制订工艺，并初步具备热处理操作的基本能力。对培养学生综合分析问题的能力和工程应用能力很重要，在整个专业人才培养方案中，对培养应用型创新人才的目标具有重要作用。
2课程设计的理念与思路
高职学生在学习基本专业知识的基础上，如何把知识转化为技能，技能转变为职业素质是我们需要破解的难题。金属热处理生产工艺是金属材料及热处理技术专业必修的核心主干课程，是培养金属材料热处理专业实用型人才的重要组成部分。在金属热处理生产工艺精品课程建设中，坚持以金属热处理生产典型工作任务为载体，培养学生掌握金属热处理生产的基本知识和基本技能，初步形成分析问题和解决问题的能力，熟练掌握金属热处理生产的工艺设备和机械设备的相关知识，使学生毕业后能在金属热处理生产企业进行生产和解决实际操作技术问题，成为高级技术技能型的专门人才。通过对本课程的学习，学生应具备以下主要技能:①掌握常规金属材料热处理的基本知识，能编制钢铁件的典型热处理工艺;②能对热处理设备、常用的工装及辅助设备、热处理炉的温度进行测量与控制;③会典型零件热处理的基本操作;④能进行表面改性热处理的工艺制订;⑤能进行化学热处理的工艺制订;⑥掌握复杂工件的畸变规律与矫正方法，掌握分析判断工件变形的原因及预防工件畸变的方法;⑦能借助金相检验报告判断材料及热处理质量的方法，能分析工件淬火产生常见缺陷的原因并提出预防和补救的方法;⑧能对金属材料进行常规检验及对常见的热处理缺陷进行分析。
3教学内容的改革
3.1根据热处理典型的工作任务，组织教学内容，改革教学方法
在教学内容的选择上，以《金属热处理工国家职业标准》为依据，确定热处理工的岗位职责、工作任务和技能要求，在教学的实施过程中把典型的工作任务转换为学习情境，制定课程标准，围绕热处理设备操作、热处理工艺的编制、典型零件热处理的操作技能等典型工作任务，遵循由浅入深、由简单到复杂的原则，设置了8个学习情景:①热处理工艺准备;②热处理设备与操作;③退火与正火;④淬火与回火;⑤表面改性热处理;⑥化学热处理;⑦复杂工件的畸变规律与矫正方法;⑧质量检验与缺陷分析。通过对8个教学子领域的学习让学习者能在金属热处理生产企业进行生产，并具备编制热处理工艺的能力和热处理操作技能。同时编制实训指导书，完成实训室实训项目的开发，在教学过程中聘请企业技术人员担任实践指导教师，使课程体现工学结合的特点。在本课程8个学习情景中，以典型的工作任务为载体，以项目为导向，按“理实一体化”展开教学。在课程教学中根据不同要求的教学内容的不同特点，采用讲授教学法、项目教学法、任务驱动教学法、分组讨论法、以实践技能为导向的课题式教学法等教学方法，引导学生积极思考、乐于实践，提高教学效果。表1列出了8个教学情景所须学习的内容、项目和使用的教学方法。
3.2教学内容的针对性与适用性
课程教学内容选取针对热处理岗位群的职业标准，以就业为导向，以金属材料热处理人才培养目标为标准，以满足就业岗位对所学人才能力的要求为宗旨，进行面向岗位的教学内容设计。充分体现教学内容来源于企业、服务于企业的教学宗旨，密切联系生产实践，做到学以致用。通过对热处理生产各岗位知识、能力、素质要求进行分析，以学习内容和工作过程为导向的原则，课程设计创设“三结合”的学习情景:学习内容与工作内容相结合，学习过程与工作过程相结合，学习情景与工作情景相结合。按照热处理生产岗位的需求，以热处理工的职业标准为依据，设计了8个学习情景。课程内容在设计过程中参考热处理岗位群多工种的职业标准，归纳出典型的工作任务作为教学情景，每个情景由若干项目任务组成，形成8个教学情景。各情景教学内容以热处理工国家职业标准中初级工—高级工的知识和技能要求为依据选取教学内容，设计实训项目，进行单元考核。由于教学内容考虑了工种职业资格的需要，不仅适合教学，还可作为企业员工培训教材使用。
3.3教学方法的多样性
传统的教学模式具有其自身的优势，如传授的知识系统、严密，较好地发挥了教师的主导性，但弊病也十分明显:其一，教材抽象，体系严密，学生难以学习;其二，学生的主体地位难以体现;其三，重理论轻实践，学生动手的能力比较差，与素质教育的要求不相适应;其四，以教师为中心，只强调教师的“教”而忽视学生的“学”。在这样的教学模式中，学生参与教学活动的机会少，动手更少，大部分时间处于被动接受状态，学生的学习主动性很难发挥，更不利于创新、创造型人才的培养，不利于学生的发展［3］。为此，在课程教学中针对不同要求的教学内容既采用了传统的讲授教学法，又采用了任务驱动教学法、项目教学法、分组讨论法、以实践技能为导向的课题式教学法等教学方法，引导学生积极思考、乐于实践，提高教学效果。
4课程的特色与创新
4.1采用任务驱动式教学法，实现“理实一体化”教学模式
金属热处理生产工艺课程实践性强，为了加强实践性教学的效果，教学中注重理论与实践相结合，在教学中以典型工作任务为载体，以任务为导向，突出“练”，边讲基础知识，边应用到典型的工作任务中。实现“理实一体化”教学模式，提高学生学习的积极性和能动性，当下发了项目任务书后，学生必须积极学习基础知识，才能完成相关的项目任务。本课程以提高学生分析、发现、解决工程实际问题的能力为重点，强调学生个性发展。深化教育改革的关键，是改变以往单一的课堂讲授的教学形式，改变传统的系统式学科教学体系，提倡进行“教、学、做”一体化改革，使学生在专业理论知识方面以“够用”为主，更多突出技能的培养。采用任务驱动式教学法，就是要兼顾理论知识与技能的合理配置。任务的设计很重要，它是为实现一定的教学目标，依据课程内容主题，为学生策划学习资源和学习活动的过程。教学任务设计的最终目的是使学生掌握实际工作岗位对本课程所要求的知识和技能［4］。通过项目任务和专题设计等自主学习方式，体现学中做、做中学，活学活用，注重了学生的实践能力、创新能力及团队协作能力等综合素质培养。金属材料热处理技术校内实训基地的建设及实训项目的开发应用，解决了困扰热处理技术专业进行生产性实训所面临的困难和矛盾，实现了课堂与实习地点一体化的行动导向教学。通过系统实训，不断训练，极大地提高了学生岗位操作能力，同时也促进了学生的学习方式由个人竞争学习模式向团队协作学习模式的重要转变，提高了学生对企业生产组织方式的适应能力，实现与企业的“零距离”接触。以“淬火与回火”学习情景为例，任务驱动教学模式如表2、3所示。
4.2遵循了由浅入深、由简单到复杂的原则
遵循了职业成长的规律。以学习情景4的淬火与回火为例，设计了2个项目任务，项目8与项目10虽然都是淬火与回火工艺，但前者是试样的淬火与回火，后者是零件的淬火与回火，项目任务书如表4所示。2个项目任务中，1个是实验室试样，1个是轴，在编制淬火工艺时，淬火方法、加热温度、冷却介质、加热设备的选择都有差异。20钢、45钢、T10钢制试样按AC3或AC1±(30～50)℃的原则选择加热温度，按t=αkD选择保温时间，在箱式炉中进行加热后，以水作为介质进行冷却即可获得马氏体组织，硬度达到55～63HRC。对于轴，从技术要求上看，心部和表面硬度不同，在选择淬火方法和加热设备时需要充分考虑。结合材料65Mn淬透性曲线，可采用水－油双液淬火的方法进行处理。操作时掌握好在第一种淬火剂中的停留时间，同时注意上下移动工件。2个项目遵循了由浅入深、由简单到复杂的原则，通过反复训练，使学生工艺编制和操作技能由生疏到熟练，遵循了职业成长的规律。
4.3构建了TEST评价系统
评价的实质在于肯定学生的学习过程，重视学生学习中的知识积累和实践能力的发展，培养科学的思维方法，这是评价学生的理论依据，也是学生学习过程的目标导向［5］。传统课程的考试都是在课程结束后进行一次闭卷考试，这对该课程的学习来说是有局限性的，它难以测试学生综合性分析问题的能力，故此在精品课程建设中构建了TEST评价系统。新评价系统构建思路重视考核评价学生学习的过程及过程的动态化、评价内容的多元化。TEST评价系统是指课程总成绩由教师评价(T)、企业工程师评价(E)、学生评价(S)、总评价(T)组成。教师评价主要对学生的学习行为过程(包括学习态度、学习意识、精神、态度、价值观、行为习惯等)进行相应的评价。企业工程师评价主要根据项目任务从加热温度、加热设备、保温时间、冷却介质的选择进行考核评价，学生评价是对各组查阅资料、PPT的效果、汇报表现、实训准备和完成情况进行互评，使评价触及到学生的内心深处，使评价产生教育意义。总评价(T)由项目考核(40%)、期末考核(30%)、过程考核(30%)组成。其中项目考核由教师评价(T)(15%)、工程师评价(E)(15%)、学生评价(S)(10%)3部分组成。为方便不同角色对课程进行评价，开发了昆明冶金高等专科学校金属材料与热处理技术专业教学资源库，在这个网络平台上，教师、企业工程师、学生以不同角色进行登录，即可完成T、E、S的评价，理论考试课由网络系统根据考试大纲生成不同的试题，可进行在线测试，最终由系统按不同角色的权重自动生成总成绩(T)。在金属材料与热处理教学资源库社会评价系统中，用人企业登录后可对毕业生进行评价，教师根据企业的评价对教学进行改进，校企合作不断提高教学质量，共同培养出大批社会需求的高级技术技能型人才。
5教学效果
昆明冶金高等专科学校金属热处理工生产工艺课程于2012年获批云南省精品课程建设立项，如图1所示。金属热处理生产工艺的教学改革从2010级金属材料与热处理专业开始实施，为了对比教改前后的教学效果，分别对采用传统教学法、多媒体教学法、项目教学+任务驱动教学法的学生成绩进行统计分析，结果见表4。由表4可知，在试卷难度基本不变的情况下，采用项目教学+任务驱动教学法后，学生成绩优良率和平均分均明显高于传统教学，不及格率明显下降。通过4年的教学实践，学生反映项目教学+任务驱动教学法能调动学习的积极性:每次课都有不同任务，带着任务查阅资料，互相讨论，完成项目任务，把任务完成的结果上传到教学网络系统进行评价，得到项目考核的成绩。最终成绩中，项目考核占40%，期末考试占30%，过程(作业和考勤)考核占30%。在项目+任务教学过程中，教师的主导地位没有动摇，以项目和任务作为载体，运用网络平台提供的学习资源，引导学生自主学生，不断培养学生分析问题和解决问题的能力，提高学生专业综合素质和创新能力，构建学生知识、能力、素质协调发展的合理结构，并得到用人企业的好评。
6结语
1．1球化退火锻造后球化退火的主要作用是为接下来的热处理做准备，经过球化退火的材料能够效降低材料的硬度，提高其韧度，其塑韧性有了明显的提高，同时减小了对淬火温度的敏感性。不过在进行球化退火前要保证组织为细片状珠光体，如果不能够达到该要求，要在进行球化退火前对其进行处理。按照有关规定，在未进行球化退火的组织应在2－5级5范围内才为合格。
1．2淬火工艺采用等温淬火工艺能够很好地满足圆板牙的工艺要求。在利用等温淬火进行工艺加工前，要在600℃～650℃的高温下进行预热，预热的目的是降低圆板牙发生脱碳的几率。根据未落碳化物数量及原材料的球化级别、加工尺寸等诸多因素确定淬火加热的温度。尺寸较大的圆板牙一般情况下，选择低温淬火加热处理。由于W18Gr4V中含有Si元素，而该元素在进行加热的过程中极易发生脱碳，所以在加热的过程中要使用较特殊的加热炉，如盐浴炉、可控气氛炉或真空炉，其中盐浴炉的脱氧作用可以有效降低圆板牙的脱碳倾向。保证适当的等温停留时间有助于提高钢的强韧性。等温停留时间一般维持30～45min，如果超出该范围其性能将明显降低。这主要是因为下贝氏体和残余奥氏体量过多。分析上表可发现，在进行淬火冷却时，要在硝盐槽中放入冷却水套或循环水管，以保证工件和工装带的温度平衡。
1．3回火工艺回火的主要作用是根据不同的工作性能要求，使其硬度、强度、塑性和韧性适当。前文中已经介绍Si、Cr元素可以有效提高钢的回火稳定性。
2圆板牙的热处理质量检验
2．1回火缺陷在经回火处理时，如果不能严格控制回火温度，将会出现钢的硬度过高或过低。不过当回火温度控制适当，这些问题就可以解决了。如果一次装炉量过多，或选用加热炉不当，将会出现硬度不均匀。当回火前工件内应力不平衡时，回火工件很可能发生变形。
2．2板牙热处理后变形分析板牙经过热处理后将会变形，目前，针对这一问题有两种解决方法:一种是在淬火前应对板牙进行弼质，使其内应力减到最小，保证其之直径大小同螺纹的中径尺寸相同。要保证棒料尺寸适当，尺寸过小，则会造成金属材料的浪费;尺寸过大，将会导致棒料扭曲、折断。被切削捧料的材料性能、切削速度，对于螺纹外径均有一定的影响。
2．3热处理过程金相组织分析W18Gr4V材料只有经过正火或球化退火才能进行粗加工，图2即为球化退火后的显微组织。浸蚀方法:4%硝酸酒精溶液浸蚀组织组成物:白色是珠光体，黑色是渗碳体。W18Gr4V在经淬火后的显微组织图如图3，其浸蚀方法如下:4%硝酸酒精溶液浸蚀组织组成物:M+A
2．4控制螺纹淬火的注意事项控制螺纹淬火的注意事项:在了解了螺孔及松紧情况后方可进行处理;利用经过脱氧后的盐浴炉对圆板牙进行预热和最终加热，同时要保证盐浴中有害物质不会造成螺纹的腐蚀;要保证工件的均匀加热;对特大型板牙(大于等于M80)的温度一般选择为150°C左右。
3结语
1生产中的问题
1.1渗碳+空冷二次加热淬火回火能够很好地满足M和AR级别要求，碳化物级别良好，但是，二次加热淬火又造成产品的变形量超差，约30%不合格。
1.2渗碳+空冷真空炉二次加热淬火回火金相组织能有效保证，变形量基本能保证合格，但是由于真空炉淬火油冷却速度慢，心部容易出现上贝氏体，且F也容易超标，真空炉装炉量小、前后清洗困难、生产效率低下。
1.3多用炉碳氮共渗+直接淬火回火热处理变形能保证合格，但是M、AR、K很难保证同时合格，金相组织难于控制。由于N原子的渗入，使得Ac1、Ac3线下降，从而使得材料的过热倾向性比渗碳要大，淬火后M和AR级别比同温度的渗碳工艺要高，因此，要控制好碳化物、M和AR级别通常采用较低的温度和适当的碳势和通NH3量。虽然，原始坯件经过调质处理，但是，M和AR级别很难“持续、稳定地”控制在3级以下，经常出现4～5级马氏体，这样给后续冷处理带来麻烦，有时AR级别达到4～5级，即使冷处理后AR也不会降到≤1%，需要进行两次冷处理加两次回火，并适当提高回火温度。另外，如果M、AR和K级别同时为1级的时候，产品的抗回火性能差，回火后往往硬度偏低，特别是后续磨加工后，表面硬度降到59HRC以下，偶尔还发现有的为58HRC。因此，必须将M和AR级别稳定地控制在2～3级、碳化物3～4级才能保证产品质量。
2改进工艺试验
2.1多次回火+适度升高回火温度针对上述碳氮共渗工艺，再通过多次回火来消除多余的AR、使M转化成回火马氏体。或采用适度升高回火温度，将温度由原来的175℃提高到190℃，通过两次回火，M和AR级别在4级的情况有所降低，但是评定为3级也很勉强，再增加回火次数，由于AR陈稳化，已经没有作用。如果继续升高温度，表面硬度将进一步下降，内孔表面硬度已经到了下极限。很显然，这种方法效果有限，每一炉产品都单独制定回火工艺，不是从根本上解决问题的有效办法。
2.2碳氮共渗抗回火性能的初步试验根据20CrMo钢[1]的Ac1、Ac3，确定碳氮共渗温度845℃，其他工艺参数见表1，其中氨流量及碳势均高于常规碳氮共渗热处理工艺。试验结果：产品变形量合格；；淬火状态下测定层深0.48mm(金相法测定全渗层)，M和AR均4级，K是1级，心部F是8级，心部硬度33～34HRC，表面硬度58～61HRC；经260℃×3h回火，再次测量，M和AR均为2级，表面硬度55～56HRC，采用洛氏硬度机直接测量结果为79.5～80HRA，换算结果为57～58HRC。试验结果说明：升高回火温度后确实能降低M和AR级别至合格范围；虽然表面硬度已经不合格，但是通过HRA测定，表面硬度并没有过分降低，说明抗回火性能较好，只是因为渗碳层太浅，承载能力差，需要增加渗层深度提高承载能力，同时适当降低回火温度；心部F及心部硬度不合格，淬火温度过低。
2.3高氮、高碳势共渗及适度升高回火温度由于20CrMo渗碳后，特别是采用高碳势渗碳后其化学成分具有类比性的钢号是GCr9轴承钢，该钢在220℃回火能保证硬度≥60HRC[1]，据此采用220℃回火。因碳氮共渗具有提高耐回火性的作用[2]，试验了采用高氮、高碳势碳氮共渗以进一步提高工件的抗回火性。适度调整回火温度，可以分解过量的AR同时分解粗大的M针(保证M和AR≤1～3级，K1～4级)，可以同时满足工件使用尺寸稳定性(AR≤1%)、耐磨性(内外表面硬度60～63HRC)及变形量小的技术性能要求，延长共渗时间增加层深，提高承载能力，具体热处理工艺参数改进如下：(1)通氨量由0.4m3/h增加到0.6m3/h，增加N固溶度，进一步增强抗回火性能。(2)采用1.10%的高碳势、降温阶段也保持高碳势1.0%～0.9%，以及提高共渗及扩散温度，使得工件表面获得高于常规碳氮共渗的碳势(0.95%～1.0%)，增加淬火后的初始硬度，增强抗回火性。(3)共渗温度由845℃升高到860℃，加快共渗速度；共渗时间由110mim延长到490min，则共渗层深度由0.48mm提高到0.8mm的上极限附近，增强承载能力。(4)将淬火温度由805℃升高至840℃，保证心部硬度F≤4级。(5)选择适当高的回火温度220℃，保证表面硬度，同时分解大量的残余奥氏体和粗大的马氏体；同时，由于回火温度较高，淬火压应力更加松弛，使得冷处理时AR转变更加容易。高氮高碳势碳氮共渗工艺参数见表2所示。试验结果：产品变形量仍然合格；淬火状态测量层深0.80m(金相法测定全渗层)，M和AR均为4～6级，碳化物3～4级，心部F3～4级，心部硬度35～37HRC，表面硬度≥63HRC。经220℃×4h回火后测量：M和AR均为2～3级，碳化物3～4级，心部F3～4级，心部硬度35～36HRC，表面硬度60～63HRC，各项指标全部合格。
3结语
(1)通过高氮、高碳势碳氮共渗更加进一步地提高了抗回火性能，适度升高回火温度通过部分马氏体和残余奥氏体的分解，保证M和AR始终稳定地控制在2～3级以内。(2)由于抗回火性、气氛碳势、产品表面碳质量分数的提高，避免了同时出现1级M、1级AR和1级碳化物的可能性，保证了在较高温度回火后产品内孔及外表面硬度≥60HRC，保证了耐磨性。(3)由于回火温度的升高，使得冷处理时AR能更容易充分地转变，保证了工件使用中尺寸的稳定性。(4)碳氮共渗及直接淬火保证了产品变形符合要求。
作者：徐斌李培泽单位：包头职业技术学院材料工程系易普森工业炉(上海)有限公司
【关键词】技校学生 专业基础课 教学模式
【中图分类号】G71 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）04-0254-02
《金属材料与热处理》是技工学校机械加工专业的一门专业基础课，主要研究的是金属材料的成分、组织、性能、用途及其与热处理之间的关系和变化规律[1， 2]。材料的成分与组织决定性能，而性能决定用途，通过热处理可改变金属材料的成分、组织，从而达到改变性能、用途的目的。掌握了金属材料的成分、组织和性能的变化规律，就可以将理论应用于生产实践，在生产中做到合理选材，合理安排热处理工艺，正确制定工件加工工艺的路线及方法，从而获得满足加工精度、表面质量和性能要求的优良工件。但是本课程的特点是内容繁杂抽象，而且概念多、术语多、牌号多、难理解、难记忆，对于学习基础欠佳，没有养成良好的学习习惯、对理论学习缺乏兴趣的技校学生来说，学习起来比较困难。针对学生现状，培养学生的学习兴趣，上好这门抽象但又与生产实践紧密相联的重要的专业基础课，让学生们学到专业基础知识，笔者在教学过程中主要强调了以下几点：
一、激发学生的学习热情
首先，谈古论今，上好第一节课。第一印象在心理学上被称为首因效应[3]，专业课老师与学生的第一次接触，要重视专业课的入门教学。在课程的绪论部分，要生动讲述该学科的产生、发展、应用及其影响，激起学习者的学习热情，诱导学生探索专业奥秘的欲望，教学中要能给学生惊喜、新奇、实际之感。专业理论要和实践相结合，多联系生产生活中的事例。例如，我上绪论课时，先介绍本专业有关情况，说明本课程的重要性及学习本课程的必要性，明确地位；然后解释“金属材料”的概念及其分类，巧妙地引入本课的基本内容，通过列举身边所用到的各种金属材料，以及有关热处理工艺的知识，使学生感觉知识就在身边，从而自然引出金属材料、热处理工艺在工、农、科学技术等各个方面的应用，彰显金属材料的重要性，激发学生的学习兴趣。
其次，趣味盎然地导入新课。所谓导入，关键是引起学生注意、激发学习兴趣，形成学习动机，明确学习目标和建立知识间联系的教学活动方式[4]。新课的导入虽仅占几分钟时间或仅有几句话，但它是教学过程的重要环节和阶段，它正如戏曲的引子，影视剧的“序幕”一样，可以引起学生的注意和兴趣，拨动学生的心弦，充分调动学生的学习积极性和主动性。例如在学习钢的表面热处理这一节时，以“外焦里嫩”的油炸食品启发学生思考，如何使同一种材料制作的零件具有“外焦里嫩”的特性，即零件表面具有高的硬度和耐磨性，而零件的内里具有足够的塑性和韧性呢？钢的表面热处理就可以很好地解决这个问题。如此导入新课，既可以指导学生联系日常生活常识去学习，又可以激发他们学习热处理原理的兴趣，使枯燥的知识变得趣味横溢。
再次，兴致勃勃地组织参观实习，增强感性认识。刚入学的学生对《金属材料与热处理》的感性认识少，仅凭课堂教学难以达到效果。因此，要采取有效措施，增强学生的感性认识、激发学生的学习兴趣，有计划地组织学生下车间锻炼，进企业参观，多接触各种金属材料，了解金属的切削加工，以及热处理工艺的方法和热处理工序的安排等，并适时提出问题，诱导学生产生探究的兴趣。例如，在工厂参观零件的整个加工工艺过程时，同学们会看到不同的零件不仅采用的热处理方法不同，而且各种热处理工序的安排也不一样，这时我就向他们提出，在零件的加工路线中，为什么要将正火、退火安排在“粗加工”前，而“淬火、回火、渗碳、渗氮”处理必须放在“粗加工”之后呢？启发学生初步了解热处理的工序位置不同，所起到的作用不同，“粗加工”前是为改善切削加工性，而“粗加工”之后是为满足零件的力学性能要求等。这样不仅开拓了学生的视野，也有利于调动学生的学习积极性。
二、培养学生的学习兴趣
首先，扣人心弦地设置问题，培养浓厚兴趣。浓厚持久的学习兴趣要在好学深思，不断解决问题的过程中深化和发展。在教学中，必须培养学生多思、勤思、善思的习惯，让学生思维进入“生疑―质疑―释疑”的良好循环过程。思考越深入，提出的问题越深刻，解释后取得的效果越明显。要使学生生疑，教师就要善于设疑，设疑的难度要适当，使得学生通过思考和学习能够解疑，这样才会对学生产生极大的吸引力和促动力，取得良好的教学效果。例如在学习钢的热处理时，可以提出问题：铁匠在制造凿子等工具时，为什么要先把胚料放到加热炉中烧红再打？不加热行不行？锻打以后，为什么要浸入水中？不浸行不行？浸水之后取出，放到炉中加热，这又是为什么呢？这一连串的疑问，环环相扣，促使学生思维步步深入，让学生带着浓厚的兴趣完成学习任务。
三、明确课程重点
从整个课程结构看，原理、工艺、材料为重点，其中工艺、材料为重中之重。原理部分主要包括结构、结晶理论、Fe-Fe3C相图理论、热处理原理，其重点是“两图”，即Fe-Fe3C相图和共析钢奥氏体等温转变曲线图。Fe-Fe3C相图是研究铁碳合金的理论基础[5]，共析钢奥氏体等温转变曲线图，是研究热处理的理论基础。对于这“两图”要熟记、理解，并且真正能够学会应用。工艺部分主要指热处理工艺，这里重点是整体热处理的四火[6]（退火、正火、淬火、回火）和局部热处理的表面热处理，要熟练掌握各种热处理的工艺（加热温度、冷却方式）、目的、组织、热处理后的性能应用。材料部分包括碳钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金，其重点是碳钢、合金钢、铸铁，要掌握各类材料的牌号、成分、一般施以的热处理方法、性能及用途。
四、抓住课程主线
纵观本课程内容，可以找出一条主线，即“成分―组织―性能―应用”，这条主线是本课程的纲，各种金属材料之所以性能不同，主要是其内部组织结构不同。热处理（指普通热处理）是在不改变化学成分的前提下，通过改变组织来达到改变性能的目的，即“工艺―组织―性能”，这可看作是一条副线，可以说这条主线（及其副线）贯穿了整个课程。因此在讲授时应抓住这条主线，并把它贯穿于每一章，每个工艺，每种材料，这样网络就清楚了。例如第二章由“结构―性能”贯穿，晶格类型不同，晶格常数不同，晶粒大小不同，内部缺陷种类的多少不同均会影响金属的性能；第三章由“工艺―组织―性能”贯穿，第四章由“成分―组织―性能”贯穿，其中温度的变化（工艺不同）对铁碳合金的组织也有重大影响，这可由副线解释；第五章、第七章、第八章金属材料部分由“成分―组织―性能―应用”贯穿，第六章由“工艺―组织―性能―应用”贯穿。总之，本课程的大小问题均可由主线引导。
五、重在理解
《金属材料与热处理》是一门叙述性课程，比较抽象，因此应特别强调对问题的理解。这里应注意以下几点：
1.对基本概念、名词术语要搞清其物理本质，并充分利用教具、图表等，组织学生脑、眼、耳并用，充分调动学生的主动性、积极性，使之产生兴趣，增强理解记忆效果。例如讲 “固溶强化”，可先以纯铝及铝合金的强度、硬度的差别为例，讲清“固溶强化”在生产中的意义，然后从字面加以解释，再通过看组织示意图从本质上进一步解释，学生就容易掌握了。2.对于一些重要规律要加以解释，例如含碳量对铁碳合金力学性能的影响规律；淬火钢回火时，回火温度与力学性能的变化规律等。可通过组织的变化加以解释，并与实际结合起来举例说明。3.对于一些重要观点要加以阐明。例如热处理强化、合金化强化、细化晶粒强化均是强化金属材料的重要手段，要通过生产中的实例加以阐明，并说明其各自的特点及应用。4.对于一些问题要进行综合分析。培养学生分析问题、解决问题的能力，是技工学校培养学生的目的。要达到这个目的，除对基本知识熟练掌握外，还应能够将前后知识联系起来综合考虑。例如对45钢要能利用Fe-Fe3C相图理论分析平衡状态下的室温组织及其性能，又能利用热处理知识对其施以正确的热处理工艺，以进一步改善其性能，同时还能利用金属材料知识说明其用途。
六、结合实践
《金属材料与热处理》属实用性科学，先要解决选材及工艺问题，在讲授时应注意以下几点：1.与各专业密切结合，对不同专业有不同侧重。例如金属结晶理论Fe-Fe3C相图与铸造焊接专业联系紧密，各种碳钢的牌号、成分、性能与车削加工效率的提高密切相关。金属材料知识与机械制造各专业均有密切联系，但也要有不同侧重。如焊工侧重普通碳素钢；车工钳工侧重优质碳素钢；钳工工具多为碳素工具钢、低合金结构钢；而车工工具多为高速钢、硬质合金等。总之对不同专业要有不同侧重，不能用同一教案。 2.要能找到每个理论、每种材料、每个工艺在生产实际中的落脚点。《金属材料与热处理》的每个理论都与生产实际有密切联系，每种材料都有特定的应用范围，这些都要在讲授中具体体现出来，通过生产中的实例加以说明。3.对于生产实际问题，要能从理论上分析，并能从理论上找到解决实际问题的方法。例如钳工在锉削铸铁件时硬度过高，难以锉削，要能从石墨化的理论上找到硬度过高的原因是白口所致，故可采用石墨化退火[7]，消除白口降低硬度以便于切削加工。此外，理论教学与实习教学紧密联系，将会收到更好的教学效果。例如车工在实习车削碳素钢时会发现，车削低碳钢时，断屑难、粘屑，加工表面粗糙，加工性较差；车削中碳钢时会产生不连续的切屑，被加工表面质量优于低碳钢，加工性良好；车削高碳钢时，切削力和刀具磨损比车削中碳钢时要大，刀具耐用度低，加工性差。探究这种客观现象原因的好奇心，可以极大地激发学生的学习热情，通过课堂理论讲授对这一部分的学习，学生们可以比较好的掌握碳素钢的切削加工性取决于含碳量，碳素钢随着含碳量的增加硬度增大，韧性降低。这种教学策略可以使学生印象深刻，收到满意的教学效果。
参考文献：
[1]姚桂玲.趣学趣教《金属材料与热处理》例谈[J].中国科教创新导刊，2011，76.
[2]刘金明，刘国平.“金属材料与热处理”课程体系构建及教学方法优化[J].中国电力教育， 2013，273，（5）.
[3]彭红. 首因效应对高职课堂教学的影响及其对策[J].无锡职业技术学院学报 ，2012， 11，（1）.
[4]尚晓艳，赵奎友.导入新课――大学英语课堂的兴奋剂[J].兰州教育学院学报，2013， 29， （9）.
[5]陈瑞均.探讨《金属材料与热处理》中“铁碳合金相图”的应用[J].课程教育研究，2013， （7）.
关键词：课程项目化 高职 教学设计 模具材料与热处理
中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（c）-0144-01
《模具材料与热处理》课程是高职模具专业的一门重要的专业技术必修课程，理论性和实践性较强，有必要对该课程进行项目化教学改革。在企业及学院的支持和帮助下，该文对该课程项目化教学模式进行了一些的探讨与实践。
1 教学方案设计
1.1 课程教学目标设计
（1）能力目标。通过完成项目，使得学生能够了解模具各类模具零件性能要求和应用范围，设计模具零件时知道选择何种模具材料，对具体零件的成分、组织、结构进行分析，制定合理热处理工艺规程并进行实施，对加工后样品能够进行组织、硬度检测并对整个过程进行分析评价。通过完成整个零件的热处理工艺流程，培养具有设计、执行、分析热处理工艺方案的能力。
（2）知识目标。通过完成项目，使学生具有金属的组织结构、铁碳相图、钢铁热处理工艺、模具材料的性能及要求的相关理论知识，并掌握热处理过程中组织性能转变规律，掌握热处理工艺执行中各种设备的工作原理和使用方法，并会对零件检测结果的进行科学分析。
（3）素质目标。通过课程项目化教学，培养学生认真负责、踏实肯干、科学严谨的工作态度和分析与解决问题的能力。培养团结协作精神和自主学习能力。培养环境保护意识、经济意识和安全意识。
1.2 教学内容设计
经过到企业调研，选取了6个真实热处理项目，项目都来自台州地区企业的实际项目，共包含10个任务，基本涵盖了模具材料与热处理的核心知识与技能。项目内容由简单到复杂，能力要求逐步提高。项目按照完成的先后分为初级项目、主要项目和自选项目。初级项目：45钢CA6140车床主轴热处理。主要项目：Cr12MoV钢制冷作模具凹模热处理；5CrNiMo钢制转向节热锻模热处理；3Cr2W8V钢铝合金压铸模。自选项目：40Cr连杆螺栓的调质处理；50CrVA螺旋压缩弹簧的热处理。
2 教学项目实施
2.1 教学方法
实施项目化教学，学生在接近真实职业环境的场所进行学习和技能联系，以学生为中心，教师是引导者。体现在课堂上，即通过项目驱动让学生主动学习，动手操作。主要有以下几点：（1）注重每个项目采用案例导入，任务驱动教学，提高学生学习主动性，使学生在项目完成过程中掌握相关的专业知识和技能。（2）以学生为本，通过选用典型工作项目，由教师提出要求或简要分析，安排学生分组活动，让学生在行动中提高实际操作能力，教师注意正确的引导。（3）注重生产现场情境的设计，提高学生岗位适应能力。教学中要根据课程特点和学生的实际情况，采用启发引导教学法、案例教学法、分组教学法、角色扮演法、演示法、可视化法、小组讨论法等多种教学方法，以及采用如动画、图片、视频资料、案例分析、三维造型等多种手段。引导学生积极学习，积累生产实际方面的经验，体会专业岗位的工作任务与要求。
2.2 组织实施
教学过程中，首先用真实的案例说明本课程的重要性，让学生理解模具材料与热处理课程的重要意义；其次介绍本课程的学习内容、学习方法、考核方式，使学生对本课程全面了解；最后用视频演示零件热处理的全过程，让学生对所学课程内容有一个感性认识，清楚所要掌握的基本技能，从而使学生明确学习目的，激发学习兴趣。项目实施时，让学生首先初步掌握模具材料及热处理的基本理论知识，并明白零件选材及合理的工艺设计对于模具制造的重要影响，为后面的学习任务打下良好基础。项目实施中，将全班同学分成若干个项目小组，每个小组有5～6名成员，组内学生轮流担任项目组长、零件工艺分析员、工艺设计员、质量控制员，其中有个人行为，也有团队协作。按照“学生为主，教师引导”的理念，调动学生积极参与项目完成，为学生在后续的专业学习中夯实理论和实践基础。对于具体的项目任务，教师首先要向学生提供任务书，每一项任务都是一个完整的零件热处理工艺过程。学生在阅读任务书的基础上查阅相关的资料，明确任务的内容。
2.3 教学环境
为配合项目化教学，实训室里配有教师计算机和投影仪，每组学生具有各自的工作台外，还配备1台计算机，每台计算机连接进入局域网，方便收集资料。学生以小组为单位就座，可活动的桌椅可满足小组人数随项目任务而变化；学生有较大的操作空间；实现了项目化教学知识理论与实践的统一。
2.4 考核方案
项目化教学的考核方式采用过程考核与期末考核结合的方法，突出过程的重要性，教师、小组、学生个人都参与考评，实现了多元化的考核方式，提高了学生的积极性和主动性，促进了学生专业能力的培养。考核采用百分制。总成绩为初级项目成绩的（占10%）加上主要项目成绩的（占70%），加上自选项目成绩的（占20%）；完成每个任务的成绩为学生自评成绩（占10%），加上小组评定成绩（占20%），再加上老师评定成绩（占50%）和期末考核（占20%）。考核的内容主要涉及零件工作环境、失效方式分析、热处理工艺方案制定、可行性分析、最终结果检测、自评互评、团队协作能力以及安全环保意识等方面。
2.5 课程的重点、难点及解决方法
该课程的重点：（1）零件的工作环境确定及失效机制分析。（2）零件力学性能指标的确定和材料选择。（3）零件的热处理工艺方案制定。
该课程教学的难点：（1）对教师的要求大幅度提高，教师必须对学生提出的各种理论、实践方面的问题予以解答。（2）课程理论概念多且内容分散，而项目化教学偏重于从实践中学，教学时易使某些知识点漏掉，致使学生理论知识掌握不够全面。（3）基于工作过程的项目化教学方法主要是小组合作学习，同时职业教育现状每个班级编制规模较大，教师难易对每位学生做到有效管理，易造成学生的两极分化。
解决方法：（1）加强师资队伍的建设，如对教师进行专业技能的培训，鼓励教师到企业锻炼，学校引进有丰富专业实践经验的专家到学院任教等。（2）考虑项目教学的规律，选择合适的教学项目，保证其涉及知识的全面性。（3）小组是分工合作的关系，注意对平时表现不好的学生做好督促与鼓励工作。
3 结语
项目化教学立足于实际，需要职业院校的教师不断地深入探索和研究。实践证明，通过项目化教学改革，培养了学生主动、积极学习的兴趣，增强了同学之间的交流和合作，提高了学生的动手能力、协作能力、逻辑思维和探索创新等综合素质。学生的综合运用知识解决实际问题的能力得到了明显改善，较好地实现了本课程教学目标。
[论文摘 要] 本文从三个方面论述了热处理工艺在提高金属零件的制造水平中的作用。
引言
在现代工业生产中，金属零件的制造是一个重要的环节，具有举足轻重的作用，因此提高金属零件的制造水平成为一项不可缺少的工作。而在金属零件的制造过程中，热处理工作又是提高其制造水平的重要措施。在设计工作中，正确制定热处理工艺可以改变某些金属材料的机械性能。而不合理的热处理条件，不仅不会提高材料的机械性能，反而会破坏材料原有的性能。因此，设计人员应根据金属材料成分，准确分析金属材料与热处理工艺的关系，制订合理的热处理的工艺，合理安排工艺流程，才能得到理想的效果，提高金属零件的制造水平。
在现代工业生产中，广泛使用的金属有铁、铝、铜、铅、锌、镍、铬、锰等。但用得更多的是它们的合金。金属和合金的内部结构包含两个方面：其一是金属原子之间的结合方式；其二是原子在空间的排列方式。金属的性能和原子在空间的排列配置情况有密切的关系，原子排列方式不同，金属的性能就出现差异。
为了得到更好的金属性能，满足制造和使用要求，我们将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来改变其性能，这就是金属材料热处理过程。
不同的热处理条件会产生不同的材料性能改变效果，下面从3个方面来说明热处理工艺在提高金属零件的制造水平中的作用。
一、提高金属材料的切削性能和加工精度
在各类铸、锻、焊工件的毛坯或半成品金属材料的切削过程中，由于被加工材料、切削刀具和切削条件的不同，金属的变形程度也不同，从而产生不同程度的光洁度。各种材料的最佳切削性能都对应有一定的硬度范围和金相组织。为了得到最佳切削性能，就要求被加工材料具有合适的组织状态，这就要用到预先热处理。
通过预先热处理，可以消除或减少冶金及热加工过程产生的材料缺陷，并为以后切削加工及热处理准备良好的组织状态，从而保证材料的切削性能、加工精度和减少变形。
举例1：齿坯材料在切削加工中，当齿坯硬度偏低时会产生粘刀现象，在前倾面上形成积屑瘤，使被加工零件的表面光洁度降低。而对齿坯材料进行正火＋不完全淬火处理，切屑容易碎裂，形成粘刀的倾向性减少。并随着齿坯硬度的提高，切屑从带状向挤裂状过渡，从而减少了粘刀现象，提高了切削性能。
举例2：铝合金在加工过程中，通常都是先经强化处理（固溶处理＋时效；时效），这样可以得到晶粒细小、均匀的组织，比铸态或压力加工状态的切削性能好，不仅改善了切削性能，而且同时提高了机械加工精度。
二、提高金属材料的断裂韧性
金属材料的断裂韧性指含有裂纹的材料在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能。提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错，使金属材料中的位错密度下降，从而提高金属强度，而减少金属晶体中位错的一种重要方法，就是细晶强化，其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移从而提高材料强韧性。而金属组织的细晶强化的过程实际上就是金属热处理。
在金属热处理过程中，当冷变形金属加热到足够高的温度以后，在一定的应力和变形温度的条件下，材料在变形过程中积累到足够高的局部位错密度级别，会在变形最剧烈的区域产生新的等轴晶粒来代替原来的变形晶粒，这个过程称为再结晶。再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将变形金属加热到一定温度之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。
那么，对于不同的金属材料，我们就可以通过控制不同的热处理的温度，来提高金属材料的断裂韧性。
举例：在sy钢坯料上线切割适当的小圆柱，机加工后，选择在700℃，800℃，900℃、1000℃和1100℃在cleeble-1500型热模拟试验机上以5×10-1的变形速率保温30s压缩变形50％，然后在空气中冷至室温，再进行680℃×6hac(空冷)的退火处理，再将压缩后的试样沿轴向线切割剖开，研磨抛光后用化学物质显示晶粒形貌。实验现象为：在700℃时，扁平的晶粒开始逐渐向等轴晶粒的形状变化。800℃变形的晶粒中等轴晶粒已经有少量出现，但仍然以变形拉长的晶粒为主。在900℃变形开始，晶粒突然变得细小，几乎全部为等轴晶粒，晶粒度达到ybl2级。在900℃以上．晶粒开始长大。因此，对此种钢来说，900℃左右温度进行热处理，可以提高其断裂韧性。
三、减少金属材料的应力腐蚀开裂
金属材料在拉伸应力和特定腐蚀环境共同作用下发生的脆性断裂破坏称为应力腐蚀开裂。大部分引起应力腐蚀开裂的应力是由残余拉应力引起的。残余应力是金属在焊接过程中产生的。金属在加热时，以及加热后冷却处理时，改变了材料内部的组织和性能，同时伴随产生了金属热应力和相变应力。金属材料在加热和冷却过程中，表层和心部的加热及冷却速度(或时间)不一致，由于温差导致材料体积膨胀和收缩不均而产生应力，即热应力。在热应力的作用下，由于冷却时金属表层温度低于心部，收缩表面大于心部而使心部受拉应力：另一方面材料在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时，因比容的增大会伴随材料体积的膨胀，材料各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力，心部受压应力，恰好与拉应力相反。金属热处理的热应力和相变应力叠加的结果就是材料中的残余应力，正是其存在造成了应力腐蚀开裂。
举例：金属热处理中，通过控制淬火冷却速度，可以显著地控制淬火裂纹，为了达到淬火的目的，通常必须加速材料在高温段内的冷却速度，并使之超过材料的临界淬火冷却速度才能得到马氏体组织。就残余应力而论，这样做由于能增加抵消组织应力作用的热应力值，故能减少工件表面上的拉应力而达到抑制纵裂的目的。
3、结论
金属材料的热处理在机械零件制造中占有十分重要的地位，在金属材料加工的整个工艺流程中，如果将切削加工工艺与热处理工艺进行密切配合，将有效地提高金属零件的制造水平。
参 考 文 献
[1] 雷声，齿轮热处理变形的控制.机械工程师.2008年5期.
摘要：采用正交组合回归设计试验方法研究了亚温淬火条件下，淬火温度和回火温度对45钢强度及硬度的影响规律，并分析了该钢亚温淬火后的组织与性能。结果表明，在740～800 ℃范围内，随淬火温度升高， 45钢的强度及硬度升高，淬火组织中铁素体量逐步减少，其分布形态也发生明显变化， 800 ℃淬火后的力学性能接近于常规的840 ℃淬火。在试验的基础上，提出了45钢活塞（780 ±10） ℃淬火+ （550 ±10） ℃回火的调质处理新工艺。
关键词：调质处理 抗拉强度 显微组织
1 金属热处理的实在意义
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。金属热处理是材料生产中的最重要的工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体化学成分，而是通过改变工件的内部的显微组织，或改变工件的表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能观察到的。金属热处理中的“四把火”指退火、正火、淬火（固溶）和回火（时效）。
退火是指将工件加热到适当温度，根据材料的和工件的尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，其目的主要是降低材料的硬度，提高塑性，以利于后续加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化。退火根据目的不同分为再结晶退火、去应力退火球化退火、完全退火等。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，有时也用于对一些要求不高的零件的最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其他无机盐、有机水溶液淬冷介质中快速冷却。淬火后材料为不平衡组织，通常很硬很脆，需要在高于室温的某一温度进行长时间的保温，再进行冷 却，这种工艺叫回火（时效）。
2 成型处理方法的研究
从以上定义可以看出，不论是退火、正火、淬火还是回火，热处理过程中都要对工件进行加热、保温和冷却。所以金属热处理中，加热速度，保温时间和冷却速度成为热处理工艺中最重要的工艺参数。
“四把火”中，淬火和回火（时效）关系最为密切，常常配合使用，二者缺一不可。但在实际生产中，为了节约成本，提高生产效率，对于性能要求低的产品，往往用在线淬火代替淬火炉淬火，用自然时效代替回火。
3 热处理和材料成型结合验证
在微观设计活动的语境下，材料、成型、形态三者有着相互作用的关系，不仅仅是选择和被选择或是选择和接受的一般关系。材料和成型——材料是微观设计活动中所涉及到的材料（包括天然材料和人造材料），成型是材料基于其物理和化学特性上的成型 ；成型是材料在物理上和化学上变化后的结果或以化学变化为手段产生的物理上的形态结果。如 ：铝材在铸造的过程中，利用其化学特性使之在特定条件下改变材料特性，又因特定外部条件的作用恢复铸造之前的特性，但此时的物理形态已经发生了较大的变化，达到设计师的设计需求。材料决定成型，也就是说，在材料既定的前提下，成型是材料的特性（物理、化学特性）规定的；超出材料特性（物理、化学特性）的成型方式，在现实的微观设计活动中存在的几率很小，或只能通过材料和材料的复合使用才能达到 ；即使在CAD软体中可以近似模拟，在微观设计活动中可能成本很高失去实用价值或存在本身并不合理。如：一个由塑料制成的箱子和一个由木材制成的箱子，由于他们应用的材料不同，使得在实践加工之后产生的形态结果迥然不同。在为广大受众服务的批量化生产条件下，塑料的箱子以注塑成型的方式制成，材料的物理和化学特性，如上文所介绍的，其转角和过度的部位应呈现r半径转角的形态，以方便液态的塑料在模腔中的均匀流动和分布，减少生产缺陷 ；而换一种加工方式，塑料箱子的形态也可能是清棱清角的形态，但其结果理想程度不如前者。
4 热能动力工程的研究方向
热动主要研究热能与动力方面，是跨热能与动力工程、机械工程等学科领域的工程应用型专业。目前我国有120多所院校开设有该专业，它由旧本科的九个相关专业合并而成，包括了原来的热力发动机（080311）、热能工程（080501）、流体机械及流体工程（080313）、热能工程与动力机械（080319W）、制冷与低温技术（080502）、能源工程（080506W）、工程热物理（080507W）、水利水电动力工程（080903）、冷冻冷藏工程（081409）专业。
热动主要学习机械工程、热能动力工程和工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术。专业通过理论力学、材料力学、工程制图、机械设计、电工与电子技术、工程热力学、流体力学、传热学、控制理论、热工测试技术以及专业方向课程的学习，使我们具备工程热力学、流体力学、传热学和热工测试技术等热能与动力工程领域的基础理论、实验技能和基本专业知识，掌握制冷空调设备、制冷装置、动力机械与动力工程、流体机械等设计、制造和实验研究的基本技术。在此基础上，它是一个宽口径的专业，拓展空间很大，就业方向很广，有电厂热能工程及其自动化方向、工程热物理过程及其自动控制方向、流体机械及其自动控制方向、空调制冷方向等。同时，热动还是现代动力工程师的基本训练，可见热动是现代动力工程的基础。
5 金属热处理在成型技术中的应用
由于材料的特性决定这样的缺陷明显——应力的分布没有注塑成型的形态分布均匀，在粘接处应力集中，容易变形或损坏。并且，从生产的角度考虑，由于粘接成型加工特点的限制，这样的成型方式在大多情况下要由手工完成，很难适应服务广义大众的批量化生产。成型和形态不一定是一一对应的方式，相同的成型方式由于所应用的材料不同而产生不同的加工形态 ；不同材料之间的相似性决定了不同材料，在不同的外部环境下（如温度不同、压力不同、应用于材料中的添加剂不同等），可以应用同一种或是原理相同的成型方式 ；而材料之间的差异性使材料在应用了相同的成型工艺之后产生的形态不尽相同。两种材料在工艺成型上，采用了相似的方式，却产生了不尽相同的形态和外观 ；导致在微观设计活动中，设计师在最终形态上的要求改变。相同的形态可以由不同的成型方式来实现 ；相同的形态在结构上不一定相同，即同样的产品形态可以由不同的结构方式结合而成，不同的材料在实现同一个形态时采用的方式不尽相同。
参考文献：
关键词：金相组织；淬火；加热时间；晶粒粗大；工艺措施
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2013）20-0151-04
某企业在生产的ZG25MnCrNiMo材质铸钢件的过程中，出现了最终热处理后金相组织粗大，超出标准规定，出现不合格的情况。该零件淬火加热使用600KW中温电阻炉进行，淬火冷却方式为水冷却。夏季时，通过从该零件最终热处理后的金相组织检查发现：多个批次出现金相组织粗大，一次合格率大幅下降，较多铸件因金相组织不合格而重新热处理。铸件热处理质量水平的下降，降低了铸件实物使用性能保证度，还因铸件返工返修导致能源费用的加大和产品流转周期的延长，既增加了生产成本，还降低了生产效率。
一、金相组织粗化的现状与原因分析
作为热处理专业教师，笔者与企业的工艺技术人员联合，参与到企业对该铸件金相组织粗化问题的研讨中。经汇总问题出现之前该零件的金相组织检查结果，计算得出金相组织一次合格率平均值为86.3%。校企双方人员从理论的角度出发分析了金相组织粗化的影响因素，决定先从加热速度、加热温度、加热时间三个方面进行分析，通过收集原始记录、深入生产现场与生产工人交流淬火过程的具体情况。在2012年1～8月份，600KW中温电阻炉淬火升温时间大多在7.5～8.5小时之间，淬火保温时间5小时，加热温度一直采用890～910℃。
通过集中讨论，汇总多方意见，认为主要影响因素是：加热速度过慢、淬火升温时间较长。加热温度一直在变动，可先排除；过慢的加热速度与较长的升温时间造成加热时形成的初始奥氏体晶核较大，加之在后续的保温过程中继续长大，使最终完全奥氏体化后的晶粒粗大，导致零件淬火后的马氏体晶粒粗大，回火后金相组织检查不合格。
淬火时加热速度对奥氏体晶粒大小的影响是“双向”的。这取决于随后的保温时间的长短。较快的加热速度会形成较细的奥氏体初始晶粒，而且通常是加热速度越快，奥氏体初始晶粒越细。但是，奥氏体初始晶粒越细，在随后的保温过程中，其长大的倾向就越大，而更容易形成粗晶。所以，可以采用较快的加热速度、较短保温时间，得到较细的奥氏体晶粒，以改善铸件金相组织粗化的问题。
二、金相组织粗化改善的工艺措施
1.工艺设备及操作方法调整。
（1）缩短ZG25MnCrNiMo材质铸钢零件的淬火加热时间，通过更改600KW中温电阻炉淬火加热时自动控温仪表的淬火升温时间参数设置来实现。2012年9月2日开始，由之前的7.5小时升温到890～910℃调整为6小时升温到890～910℃。经统计2012年9月2日到2012年11月7日期间该铸件的金相组织结果，反映出金相组织粗化的炉次有所减少。
（2）2012年11月8日到2012年12月9日，再次缩短该铸件的淬火加热时间为：5小时升温到890～910℃，并缩短淬火保温时间到4小时。同时采取了辅助措施：在零件预正火时增加一台冷却风机来提高预正火冷却效果，得到更细化的正火组织，为淬火做好组织准备；淬火前提前开启淬火冷却水循环降温系统，降低铸件淬火入水水温到25℃以下，以此改善淬火冷却条件。
2.工艺措施设计。
（1）缩短淬火升温时间工艺措施的实施情况，如表1。
（2）统计600KW中温电阻炉淬火升温时间在活动各阶段的分布范围，如表2。
从实施情况和统计结果可知，通过优化淬火加热时间，使实际淬火升温时间由7.5小时～8.5小时降低到5.5小时～6.5小时，铸件的淬火升温速度大幅提升。
（3）通过缩短淬火升温时间工艺措施的实施，从2012年9月2日到12月8日，共热处理620炉，金相组织一次合格率得到较大提升，如表3。
三、改善金相组织粗化现象，提高生产效益
采用缩短淬火加热时间的方式，降低了淬火加热时奥氏体晶粒粗化倾向，铸件的金相组织一次合格率较大提高，淬火加热时间缩短至两三个小时，降低了产品热处理电能消耗，提高了生产效率和金相组织一次合格率。返工返修产品的减少，热处理成本的降低，带来的是产品利润的增加。经测算经济效益如表4。
对淬火加热时间加以控制能显著改善金相组织的粗大现象，不仅使铸件热处理质量得以保证，而且实现了较大经济效益，这种方法也可以应用于其他铸钢件的调质金相组织。
参考文献：
关键词：卓越计划；教学改革；教学理念
作者简介：张建军（1973-），女，河北唐山人，北京石油化工学院机械工程学院，讲师；蔡晓君（1963-），女，北京人，北京石油化工学院机械工程学院，教授。（北京 102617）
基金项目：本文系北京石油化工学院校级重点教改项目的研究成果。
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2012）04-0088-02
我国的工程教育规模位居世界第一，统计资料显示，截至2010年，我国开设工科专业的本科高校1003所，占本科高校总数的90%；高等工程教育的本科在校生达到371万人，研究生47万人，全国的工程科技人员总保有量也超过1400多万，然而，大而不强、多而不精，工程教育普遍缺乏创新性和实践性，一直是困扰我国高等工程教育改革与发展的难题。[1]2010年6月，教育部启动实施了“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”），旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程，二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才，三是强化培养学生的工程能力和创新能力。[2-4]“工程材料及热加工工艺基础”作为高等学校机类和近机类学生的一门技术基础课程，在“卓越计划”的号召下，在教学理念、教学内容、教学方法、考核模式等方面都应作相应改革。
一、教学理念要更新
美国工程院院长查尔斯・韦斯特曾经指出：“拥有最好工程人才的国家占据着经济竞争和产业优势的核心地位。”很多国家都将工程科技人才培养提升到国家战略的高度。尤其是在国际金融危机以后，美国等发达国家正在通过大力发展先进制造业，重新回归实体经济，创造新的经济增长点，带来新的就业岗位，摆脱当前危机。“工程材料及热加工工艺基础”课程是今后作为一名机械工程师的必修课，高校教师面对当前的国内外现状，应迅速转变以往重理论轻实践的教学理念，切实从思想上重视工程实践教育，着力培育学生的特长与技能，为“卓越计划”的实施打下坚实的思想基础。
二、贴合机械工程师行业标准要求，深入进行教学内容改革
“卓越计划”的顺利实施重点依赖于教学内容的改革。“工程材料及热加工工艺基础”课程体现了理论与实践的高度统一，在高校进行机械工程师培养过程中占有不容忽视的地位。高校教师在围绕卓越工程师教育培养计划的国家通用标准的前提下，要深刻了解机械工程师的行业标准，以及“工程材料及热加工工艺基础”在机械工程师标准中的重要地位和作用，依据标准的要求进行教学内容的深度改革，以行业需求为导向，提升学校培养学生的教学目标。
熟悉常用金属材料的性能、试验方法及其选用。掌握钢的热处理原理，熟悉常用金属材料的热处理方法及其选用。了解常用工程塑料、特种陶瓷、光纤和纳米材料的种类及应用。掌握制订工艺过程的基本知识与技能。这些就是一名机械工程师在材料学习方面应掌握的基本技能。为此，教师在授课过程中渗透材料理论的同时，要加大在工艺运用方面的授课比重，让学生尽可能了解现今国内各种热加工工艺生产状况，掌握一定的生产工艺制定过程。此外，教师在授课过程中应增加新材料、新工艺方面的授课比例。
三、大力发展教学方法改革，提升教育质量
教学方法改革是“卓越计划”目标实现的突破口。面对“卓越计划”的最终目标，各高校应改变传统的教学方式方法，在课堂教学、实践环节、考试等方面做出成绩。
“工程材料及热加工工艺基础”课程的最终落脚点是材料理论及不同工艺过程的加工及运用。在课堂教学中，教师应大力引进实例教学，在教学手段上，可以采用已有的教学录像，也可以联合企业制作最新的生产影像资料，由于与生产实际结合紧密，学生对该部分知识学习兴趣都很高，观看完录像后，再结合学生的工程实训，让学生自己比较总结出不同工艺的特点、应用范围，最后让学生再回顾一下相关的理论基础。这样既提升学生学习热情，又为学生今后社会实践铺路。另外，在授课过程中，教师要时刻注意将新材料、新技术、新工艺渗入教学当中，开阔学生学习视野。
教师在设计课堂教学时，可适当采用探究式教学方式，通过给学生设计一定的问题，让学生围绕问题，通过讨论得出结论。当然，由于教学实际情况不同，在学时越来越少的情况下，这种教学方式尽管效果不错，但教学进程缓慢，教师只能适当采用。另外，教师在采用的情况下，一定要考虑学生人数，对于人数较少的小班教学，采用上述教学方式才会更好。对于人数多的大班，若采用问题教学，教师要适当改变教学策略，可以将学生分组，将课堂讨论部分放到课后，由学生自己组织完成，在课上由各组学生代表进行整理发言，教师给出简评，为了保证讨论过程能够在课下实施完成，要求学生做好讨论记录，教学结束后，要求学生课上对上述教学过程进行书面总结。问题教学方式的采用，有利于提高学生应用理论知识处理实际问题的能力，分组讨论的实施也有助于锻炼学生的团队意识，锻炼他们的语言表达能力。
“工程材料及热加工工艺基础”也适合采用项目教学，可以让一些学有余力的学生自愿参与教师的科研项目，让学生在学习解决的同时，学会全面考虑问题，提升学生的创造力和创新能力。
在教学过程中，教师要时刻注重学生的实践环节，通过实践促使学生加深对理论知识的理解。在实验环节，教师可以设计一些综合性分析实验，锻炼学生分析思考能力。例如，热处理工艺讲解完毕，可以给学生设定一具体材料及材料的相关性能，让学生自己设计热处理工艺及材料性能检测方法并进行实验。
在学生考核方式上，教师应改变以往传统的试卷性考核，切实针对“工程材料及热加工工艺基础”这门课程的特点，采取灵活多样的考核形式，并且要改变以往以分数来评定学生学习好坏的传统思路，变分数考核为过程考核。具体做法如下。
1.加大学生平时成绩比重，将期末考核转变为章节考核
传统的情况是学生平时成绩占20%或30%，期末成绩占80%或70%，所以学生平时学习动力不足。为改变现状，调动学生积极性，教师可以将平时成绩所占比重提高到50%或60%，将期末考试变成章节考试。由于“工程材料及热加工工艺基础”具有概念、术语多，教学内容分散、系统性不强的特点，通过上述考核形式改革，可以让学生将知识点各个击破，便于牢固掌握，还可以大幅度提升学生学习动力。
2.实践考核应与理论考核应相互结合，做到有机统一
随着教学改革的不断深入，学校教学部门的不断细化，很多高校都有独立的工程实训教育中心和基础实验教学中心，教学部门则更多地侧重于理论教学。这样的教学细化当然对提高教学水平有很大促进，但对学生的综合评价又多有不便。在“工程材料及热加工工艺基础”中，在对学生的考核评价上，在分散的理论教学和实践教学上应做到一定统一，在考核形式上应做到相互渗透。例如，在学生理论考核过程中，教师可以结合工程实训的教学内容和学生的实验环节，设计一定的综合分析题目，并且可视题目的大小采用试卷考核或论文写作等不同形式进行学生评价。
3.提升学生自学能力，并采用适当形式进行考核
作为一名机械工程师，光有扎实的基础知识是不够的，在当今知识快速更新的国际形势下，若不及时吸收新知识，就达不到机械工程师的要求。教师在“工程材料及热加工工艺基础”的课堂教学过程中注意引进新材料、新工艺介绍的同时，要激励学生自己去学习。为达到上述目的，教师在教学过程中仅做点的概述，关于具体内容可以就某一材料或工艺设计一个问题，让学生自己根据问题去寻找答案，促使学生主动学习，达到教学目的。也可以就当今科研前沿领域或大众感兴趣的问题让学生进行写作，例如可以围绕神州六号、神州七号，设定一个与材料或工艺相关的写作范围要求学生写作，这样看似与教学内容有一定偏离的教学设计，却可以极大地开阔学生学习视野，提高学生学习兴趣，也让学生了解了最新的科学前沿。
总之，在围绕“卓越计划”提升学生工程能力这一核心的引领下，面向机械工程师的行业标准，教师针对“工程材料及热加工工艺基础”这门课程的特点，重新设计教学内容、学生培养标准，并多方面进行教学内容、教学方法的改革，一定能达到工程上对人才的使用标准。
参考文献：
[1]张建勋,陈国铁.“卓越计划”背景下的工程类高校人才培养模式探讨[J].中国建设教育,2010,5(9-10):4-7.
[2]王汉成,姜乐军.论国内外校企合作模式对我国实施“卓越计划”的启示[J].淮海工学院学报(社会科学版・教育论坛),2010,8(8):14-16.
关键词：机械加工工艺；GE公司；钴基高温合金；难切削
中图分类号：TQ320.67+1 文献标识码：A
该零件外形均由曲面构成，壁厚为3.175mm，外圆型面上有八个大岛屿与一个小岛屿，在前端面有144处孔，径向孔有20处。在零件后端面有160处孔，径向孔有21处，并有21处花边。针对零件在加工中受到零件材料难加工，及零件型面复杂的制约，我们进行了大量的研制工作。本篇论文论述了高压涡轮机匣加工研制的整个过程。
本论文内容主要包含以下两个部分：
a.概述部分：介绍GE公司大型钴基高温合金机匣的结构特点和加工工艺难点；
b.工艺路线及机械加工：针对零件结构特点和加工难点论述零件加工工艺和机械加工过程。
1 零件及加工概述
1.1 零件结构
高压涡轮机匣为钴基高温合金环形静止零件，轮廓以曲面为主，最大外径尺寸φ1137mm，高116.497mm，型面壁厚3.619mm，型面上有八个大岛屿及一个小岛屿；零件分前后端面，前端面有114个通孔，径向孔有20处。在零件后端面有160处孔，径向孔有21处，并有21处花边。零件整体如图1
1.2 零件材料及特点
1.2.1钴基高温合金
高压涡轮机匣材质为RENE41，毛料为钴基高温合金模锻件，含有金属主要成分有镍、铬、钨和少量的钼、铌、钽、钛等合金元素。钴基高温合金具有较高的强度、良好的抗热疲劳、抗热腐蚀、和耐磨腐蚀性能。用于制作航空喷气发动机、工业燃气轮机、舰船燃气轮机的涡轮增压器。正是由于这种性能，该材料用于高压涡轮机匣。
1.2.2 加工特点
钴基高温合金材料由于成分的原因，材质硬难于切削，在加工时受切削力影响变形不大。零件的结构特点对工艺路线、刀具及加工的方法有所要求，在新件的研制阶段需要合理安排工艺路线及安排合理的加工方法。
1.3 工艺难点
该零件从设计图纸进行工艺分析，从工艺路线、加工、刀具三个方面对加工难点进行论述。
1.3.1 机械加工
零件的材料硬度大，型面复杂：
切削零件材料时，零件材料硬度大，型面加工长。在进行半精车时进行深槽加工，普通刀具难于加工该处。
铣加工表面：在进行粗铣削加工时，零件型面余量大，最大处达到19mm余量，加工时需用大量刀具。
2 加工工艺研究
2.1 工艺路线
通过以上的分析制定工艺路线，编制工艺规程，由于零件整体结构比较复杂，加工路线已先车加工零件外形，后进行粗铣加工去余量，然后进行热处理工序。再进行精铣加工零件的型面，后焊接，再进行零件的精车加工，后对零件进行铣花边及钻孔，最后对零件内部进行喷涂。
2.1.1 工艺路线制定
工艺路线：№0毛料—№5车后端面基准—№10粗车前端及型面—№15粗车后端及型面—№20粗铣外型面—№25去应力热处理—№30修后端面基准—№35半精车前端及型面—№40半精车后端及型面—№50精铣外型面—№55去毛刺—№60焊接连接座—№70修基准—№75精车前端—№80精车后端—№85钻前端面孔、径向孔并铣端面槽—№90钻后端面孔、径向孔并铣端面槽—№100攻螺纹—№105标印—№110清洗—J115中间检验—120荧光检查—125清洗—130集件—135装配—140清洗—145喷涂—150车涂层—155修喷涂表面—J160最终检验—165入库
2.1.2 工装和刀具选择
工装：主要根据GE公司提供的车床和铣床夹具结构图纸进行设计并制造，检测用约束测具为自主设计制造。
刀具的选择：钴基高温合金是一种难切削材料，刀具本身成分内含有钴成分，在加工中，刀具材料容易与零件材料产生亲和，刀具很容易磨损，故选用刀具时，应选用耐磨涂层，防止零件在加工时，刀具磨损，使得刀具有更高耐磨性，零件得到更好的表面质量且延长刀具寿长。
2.2 车加工
车加工共有9道工序：№5车后端面基准—№10粗车前端及型面—№15粗车后端及型面—№30修后端面基准—№35半精车前端及型面—№40半精车后端及型面—№70修基准—№75精车前端—№80精车后端
№5车后端面基准：本道工序车加工零件的内孔及外圆，用于下一道工序的找正及压紧；
№10粗车前端及型面：去除大部分余量为精加工单边留有3mm余量；
№15粗车后端及型面：去除大部分余量为精加工单边留有3mm余量；
№30修后端面基准：热处理后，进行修基准工序，为下道车加工做准备。
№35半精车前端及型面：在零件型面处加工到零件设计图尺寸，端面留有余量1mm余量。（在NO20工序应力释放后，型面加工到零件设计图尺寸）
№40半精车后端及型面：在零件型面处加工到零件设计图尺寸，端面留有余量1mm余量。（在NO20工序应力释放后，型面加工到零件设计图尺寸）
№70修基准：车零件的止口端面及外圆，用于零件的装夹找正。
№75精车前端：将零件端面尺寸加工到零件最终尺寸，并扎槽。
№80精车后端：将零件端面尺寸加工到零件最终尺寸，并扎槽。
2.3 铣加工
零件的精铣加工：
零件的精铣加工，在精铣加工时，注意合理的安排零件的加工路线，加工的先后顺序，加工时的走刀路线。具体精铣的加工路线如下：
第一步：加工零件型面，在加工零件型面时，采用切线进刀，在加工零件型面时，采用上下往复铣加工，保证零件的表面质量，零件的表面粗糙度，铣削零件的型面。
第二步：铣加工岛屿凸台表面，用Φ20刀具铣加工凸台表面，在零件表面方向进刀切削
第三步：加工岛屿大孔及岛子台阶。
第四步：清理大岛屿两侧，用Φ20R3进行清理岛屿两侧。
第五步：清理小岛屿，在小岛屿外层走两次，将零件铣型面的残余清除。
第六步：清理小岛屿下部，用R6球刀进行清根，清根时需注意刀具的磨损。
2.4 关键和难点
高压涡轮机匣加工的关键在于车加工的车槽及铣加工的工艺路线。
2.4.1 进行粗铣零件型面，注意走刀路线的刀路，在粗铣时，大量去除零件余量。
2.4.2 除零件余量后需要对零件进行热处理，将零件粗车及粗铣时的残余应力释放。
2.4.3 后进行车基准及半精车加工。在半精车时，先用R2.5球刀进行粗扎槽，在用R2球刀进行精车。在遇到特殊槽型时，选用非标刀片进行车加工零件的型面。
2.4.4 进行精铣加工时，注意零件的走刀路线，合理的安排刀路，加工出零件的型面。
3 加工工艺总结和推广
随着民用航空飞机的发展，类似钴基高温合金被越来越多的应用，钴基合金材料应用领域的越来越广泛，必将对制造业提出更高的要求，对特种合金加工工艺的研究也会更加深入。
此次对钴基高温合金类大型机匣件工艺方法的第一次探索尝试，发现了一些钴基高温合金的加工工艺方法，如合理安排零件工艺路线，选用合适刀具进行加工，安排合理的走刀路线；除此之外，也对刀具对零件加工中应用的重要性有所认识，这些方法和措施也会推广到其他GE公司的大型机匣合金类零件的研制中去，不断摸索创新。
参考文献
[1]金属切削手册[M].技术中心金属研究室.
[2]金属切削技术指南[M].山特维克可乐满.
[3]西门子编程教程[M].
关键词：多用炉；热处理工艺；渗碳工艺
一般而言，曲柄分为：左右曲柄、连杆以及曲柄销等几个部分。在对这些20CnMo材质的零件进行热处理时，主要进行渗碳淬火工作[1]。因为这些零部件比较小，所以要求的硬化层相对较浅。具体详情为：成品渗碳层要求为0.6～0.9mm，表面硬度要求56～64HRC；热处理工序的理想值区间为：0.8～1.0mm（514HV），其中，工件表面硬度理想值区间为：57～64HRC。在热处理过程中，0.8～1.0mm（514HV），工件表面硬度理想值范围为：57～64HRC。就以上所述情况来看，按照硬度值的参考数据可以知道，这些零件都属于浅层渗碳。
1 曲柄热处理工艺分析
为使曲柄热处理项目结果达到理想效果，就前文所述内容来看，重点需要注意以下问题：
（1）提前了解加工设备规格，确保一炉工件的硬化层符合要求。
（2）对热处理后的工件情况进行预估，检测工件硬化层硬度梯度是否达标，为后期磨削工作打好基础[2]。
（3）当曲柄完成压合时，查看扭矩程度。曲炳孔的表面、心部的硬度以及硬化层深度均会对扭矩效果造成影响。
对曲轴进行渗碳处理主要是为了：强化工件表面硬度，为扭矩达标奠定基础；工件进行渗碳处理后，能优化产品疲劳强度；合理达标的硬度，能有效辅助其他零件的装配工作；由于曲柄较小，十分注重强度韧性，因而对工件硬化层、心部硬度以及残余奥氏体的规格要求会更严格。
2 渗碳分析
2.1 硬化层深度
渗碳层的深度，主要由炉热处理时的温度、时间以及碳势等因素来决定。渗碳层深度计算公式如下所示：
上述公式中，i为时间，T为绝对温度（K）。当渗碳温度为930℃时，A（T）值为0.670；当渗碳温度为960℃时，A（T）值为0.747。由此可见，渗碳层温度和碳在γ-Fe中的作用速度成正比。在温度保持稳定值时，渗层深度与渗碳时间成正比关系，由此可得出，温度与时间是决定渗层深度关键因素的结论。温度的变化也会使渗碳深度产生变化，因此在浅层渗碳过程中，必须准确的拿捏好渗碳温度[3]。否则，操作不当，温度过高，浅层渗碳中碳分子扩散速度快，作用时间短，渗碳深度有限，无法达到理想值。因此，需要合理降低温度，使碳分子扩散速度慢，获得更多便于操作的空间，减小成果与理想效果的偏差。为了让工件表面硬度达到最佳状态，炉器碳势高低必须严加控制。对于低合金渗碳钢，表面要求wc=0.75%-1.00%。虽然，渗碳层深度越深，产品的疲劳度和扭矩能力均能得到提升，但是会降低工件的冲击韧度。而且，工件心部材料会由于渗层的压迫导致发生变形。同时，渗层深度越深，扩散层相对会更深，因此工件心部含碳量超标的结果也不容忽视。经过淬火后，工件心部硬度以及强度都会提升，不过韧性低下，在进行曲柄压合时容易产生裂痕。
2.2 碳浓度梯度
硬化层硬度梯度，主要取决于渗碳层碳浓度梯度。碳势会决定渗碳层深度，工件表层成分波动，也会变得较为灵敏。因此，利用两段渗碳的方式，可以节省处理时间，保证渗碳质量，提高工作效率。不过，理论虽然如此，但在实际操作过程中，由于碳势气氛和工件表面碳浓度值并不统一，因此并不能使两段渗碳的工作优势体现出来。工件接受薄层渗碳时，渗碳时间均较短，因此气氛势能以及工件表面碳浓度无法达到平衡。面对这种情况。需要在热处理结束后，对工件进行磨削处理，但是如此一来，工件表面硬度又无法达标。渗碳层中碳浓度高，在淬火结束后表面将残留大量奥氏体，而磨削工作中产生的热能会催化奥氏体转化为马氏体，最终容易造成裂纹。据数据显示，碳在奥氏体中的溶解度（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度为1.23%，930℃为1.32%。对炉器碳势的控制，是为实现零件表面含碳量达到理想值，对于低合金渗碳钢，表面要求wc=0.75%-1.00%；渗碳过程中可以采用一段碳势（恒碳势），也可以采用两段碳势（变碳势）的渗碳工艺。由此看来，在渗碳期间，可以运用高回火温度或反复加热的方式，保证工件表面硬度符合要求的同时，最大化减小残余奥氏体的含量与内应力，为磨削工作打好基础。
2.3 心部硬度
渗碳零件的力学性能，主要取决于渗碳钢心部的硬度情况。升温过程中碳势最高可以达到1.30%Cp，通过多次实验最终得出结论：心部硬度过高的工件，在使用过程中容易出现断裂情况。主要原因是心部硬度高，疲劳强度降低，韧性也大幅度下降。所以，小件心部硬度检测的工作不容忽视。
2.4 残余奥氏体
研究结果显示，表面残留的奥氏体，如未超过一定范围并不会对工件抗疲劳性能产生不利影响。同时，适量的残余奥氏体能够有效改善淬火出现裂纹的情况。曲柄在于曲柄销进行压合的阶段，残余奥氏体在磨削工作中产生的热能会催化奥氏体转化为马氏体，最终容易造成裂纹。由此看来，在渗碳期间，可以运用高回火温度或反复加热的方式，保证工件表面硬度复核要求的同时，最大化减小参与奥氏体的含量与应力，为磨削工作打好基础。碳在奥氏体中的溶解度（C）%=0.003T-1.47（850℃≤T≤950℃）。得知900℃碳的溶解度为1.23%，930℃为1.32%。需要注意吸收能量，转换残余奥氏体的性能，辅助热处理工作能够顺利进行，帮助工件热处理效果达到理想状态。对此，既可以通过预处理的方式也可以利用清洁工件表面的方式，加强工件表面性能，确保渗层均匀度。
3 原因分析
3.1 经过研究，在升温排气阶段，不采用任何办法控制碳势，仅依靠甲醇的滴入，只能让气氛受到保护顺利进行置换。升温过程中碳势最高可以达到1.30%Cp，浅层渗碳的渗层均匀性受到一定影响，而深层渗碳的均匀度并未受到影响。工件进行炉热处理的过程主要为渗后再磨削加工，同时要求磨削后产品硬度符合要求。在一般情况下，工件进入多用炉吸热，炉内温度会直接下降到580℃，开始升温。在升温速率位4-6"C/rain的情况下，大约经过70-90min的时间，温度即可达到930℃。升温阶段，中门没有加热器，所以升温速度受到一定的抑制。
3.2 渗碳温度对工件的渗碳情况有着深远的影响，因此需要通过前室速降温，后室降温慢，才会实现后室工件扩散层比前室更深的效果。
3.3 工件淬火出炉时期，前室工件最先接触空气，因此温度下降比后室工件多，最终形成硬化层比后室浅的结果。
4 结束语
工件在进行进行炉热处理，通过渗碳再磨削的方式进行加工。由于后期需要进行磨削程序，因此对产品的硬度有一定要求。本文就曲柄销热处理工艺的试制过程作为论点，围绕试制过程中，曲柄销的扭矩、过盈量、硬度、耐磨度、韧性等情况，对炉热处理渗碳工艺应用进行分析。通过对数据和设备进行分析，通过对当前渗碳工艺技术不足之处的分析，探讨炉热处理渗碳工艺技术的加工效果达到理想水平的方法，为企业创造了效益。
参考文献
[1]张伟，朱百智.940℃渗碳工艺探索与应用[J].金属加工：热加工，2013（19）：45-46.
[关键词]P91超厚壁焊接分析
中图分类号:TM8文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110017-01
P91(9Cr-1MoVNb)钢具有良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能并在高参数电站锅炉管道中广泛应用。云南滇东第二发电厂4×600MW机组锅炉二级过热器出口联箱就是典型一例。该机组锅炉由北京巴威公司生产,出口联箱直径φ787.4mm、壁厚76.5mm,现场组装焊口一道。
一、P91钢焊接性能分析
(一)P91钢对热输入参数的选择较为敏感。焊接热输入参数包括焊前预热温度、层间温度、焊接热输入量三方面的内容。首先,当预热温度在350～380℃时室温冲击值在28～50J;当预热温度在250℃左右时,室温冲击值在60～100J;当预热温度在100～150℃时,室温冲击值可以控制在标准值41J左右。其次是焊接热输入量也称焊接线能量,其输入值大于25J/cm时室温冲击值将达不到标准值。
(二)P91钢对热处理温度控制的严格性。9Cr-1MoVNb钢是多元素强化而成,合金元素含量较高,其理论AC1温度在800～830℃之间。热处理温度为760±10℃,接近AC1下限温度,若热处理过程发生温度控制偏差就可能超过AC1温度。另一方面,为了获得良好的工艺性能和塑韧性,在焊接材料中加入的镍元素(属扩大奥氏体区元素)会降低焊缝的AC1温度,使其接近热处理温度。当热处理温度超过AC1温度时室温冲击韧性急剧下降,室温冲击值甚至会降到10J以下,从而使热处理危险性加大。
(三)P91钢对焊接材料选用的差异性较大。电力行业应用P91钢已经多年,如英国曼彻特、德国蒂森、日本神钢、法国萨福、瑞士奥林康、奥地利伯乐、国家电力建设研究生产的“科建牌”等。这些材料的AC1温度差别很大,若焊接材料选用不当焊接接头很容易发生质量问题。近年来上海电力修造总厂生产该钢材的焊接材料也在广泛推广运用。
(四)P91钢材产生冷裂纹的原因。冷裂纹是焊后缓冷至380℃及以下温度过程在马氏体转变点附近产生的。主要原因:第一是在接头母材近缝区会形成脆而硬的马氏体组织,通过控制焊接热循环避免产生粗大的马氏体组织。第二是母材和焊接材料中含氢量越高越容易产生冷裂纹。可选用低氢型焊材、控制母材坡口表面质量或在焊后进行消氢处理来降低产生冷裂纹的可能性。第三是焊接接头由于强行对接产生的内应力和焊接应力释放。应力越大,接头产生裂纹的倾向和程度也越大。
结论:P91钢材焊接性能差,焊接接头、母材容易产生裂纹及脆化现象、热处理温度控制难度大等问题,若要获得P91钢材良好的焊接接头质量,可以从人、机、料、法、环等五个方面严格控制每道工序。
二、工艺评定(法、料)
工艺评定是验证焊接工艺参数的正确性和指导现场焊接技术的措施性文件,是工程监理重点监控的技术资料,直接反映焊接技术水平。通过对国外的几种焊材进行优化评定,选用英国曼彻特公司ER-90S焊丝和E9018-B9焊条,焊缝接头质量优良、性能可靠。
三、焊接人员(人)
焊工是影响焊接质量的重要因素,是焊接质量控制的关键点。焊前必须严格按照工艺评定进行培训、仿样及实际操作,试样合格方可实际施焊。
四、焊前准备(机、料、环)
1.措施制定。严格按照工艺评定要求编制焊接技术措施和作业指导书,施工前对焊工进行交底,让操作人员做到心中有数。
2.坡口制备及检验。安装前用角向磨光机对坡口内外壁30mm范围内的铁锈、油污等杂质打磨干净,检查坡口型式及角度是否符合设计要求。坡口进行PT或MT检验。
3.P91不允许在管道表面焊接任何临时构件以减少裂纹产生的可能性。
4.根据焊接作业指导书,采用材质为16Mn或20G的定位块在坡口内部预热后点焊,待根部焊接完成后用磨光机将焊点打磨干净并取出定位块,检查确认无裂纹后方可进行施焊。
5.焊接及热处理两个过程不能中断,电源必须有保障,以防止焊口产生冷裂纹。
6.焊材入库前应仔细检查外包装是否完好,用光谱分析抽样复查其材质。焊条使用前严格按说明书要求进行烘焙,使用保温筒并维持焊材温度在100～110℃之间。
7.焊机及焊接参数的选用。可以选用北京时代科技股份有限公司或成都熊谷电器工业有限公司生产的ZX7-400型逆变焊机,在电流110-130A、电压20-30V的参数情况下焊接。
8.在雨天、冬季或者风速超过2米/秒等恶劣环境条件下,需要采取防护可靠措施。
五、工艺控制重点(法)
1.焊前预热及层间温度跟踪。根据P91焊接性能的分析,必须严格控制焊前预热温度和焊缝层间温度,TIG焊的预热温度选择100～150℃,SMAW升温至250～300℃,在整个焊接过程中,采用远红外测温仪监控焊缝层间温度。
2.充氩保护。P91钢由于合金含量高,铁水流动性差,根部易烧焦。氩气能够充分保护金属熔池不被氧化、提高焊缝机械性能。焊接前根据现场实际制作一套简易充氩装置,在管道内部形成气室,可以确保焊接接头质量。
3.多层多道焊。P91钢焊接要求小线能量输入,采用多层多道焊即可以解决此问题。对前层的热处理作用可起到细化晶粒、提高焊缝的冲击韧性,且每层焊缝厚度越薄,后层对前层的热处理作用越明显,焊缝的冲击韧性越高。在施焊过程中严格控制焊道宽度不得超过焊条直径(焊条直径最大选用φ3.2)的3倍,且每层厚度不超过焊条直径。
4.焊缝层间清理。P91铁水流动性差,很容易形成夹渣。现场采用角向磨光机清理,不可使用榔头、錾子用劲敲击,以免产生裂纹。
5.中间检验。根据《焊接规程》要求:壁厚大于70mm的焊口,必须进行层间检验。当焊缝厚度达到20～25mm时停止焊接,立即进行保温等后热处理,待RT检验合格后连续施焊。
6.焊后热处理。在焊接后接头冷却到100-120℃之间,立即进行750-760℃恒温4h的焊后热处理。
六、结论
通过实际操作,工艺评定有效、工艺方法正确,人员培训得当,P91焊接接头质量无损检测、硬度检验一次合格,冷态1.25倍汽包工作压力水压强度试验无渗漏。经推广运用,现场所有T91小管道焊接质量均为优良,焊接工艺质量赢得了业主和工程监理单位的一致好评,对同类型材质焊接工艺有一定参考和指导意义。
