熱處理綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).doc

昆明理工大學(xué)熱處理綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)材料科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心2011年10月26日8第一節(jié) 概述熱處理綜合實(shí)驗(yàn)是對(duì)學(xué)生熱處理基礎(chǔ)知識(shí)與綜合技能的全面鍛煉與考察，本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以常見(jiàn)機(jī)械零件為對(duì)象，對(duì)零件的工作環(huán)境進(jìn)行分析，并在實(shí)驗(yàn)室所能提供試樣的鋼種范圍內(nèi)（Q235,20，45，40Cr，T8，T10鋼）進(jìn)行選材，再根據(jù)材料的基本性質(zhì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的熱處理工藝，以相同材質(zhì)的試樣進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)完畢后測(cè)試硬度，以對(duì)實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行判斷。實(shí)驗(yàn)步驟1、確定要制造的典型零件或工程構(gòu)件，如：軸類、齒輪類、滾動(dòng)軸承類、彈簧類、緊固件、曲軸、連桿、工具、模具零件、鑄件等。畫(huà)出零件草圖。2、根據(jù)所要制造零件的服役條件（工作狀態(tài)），選擇其材料（在Q23520，45，40Cr，T8，T10等幾種鋼中來(lái)確定）查閱所選材料的化學(xué)成分、熱處理臨界溫度。3、畫(huà)出該零件的熱處理工藝曲線，標(biāo)明熱處理技術(shù)要求。第二節(jié) 零件的選材本實(shí)驗(yàn)室可提供的材料有Q235,20，45，40Cr，T8，T10，各種材料的基本性能與適用范圍如下：1、Q235,20鋼Q235和20鋼都屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，其強(qiáng)度較低，很少淬火，無(wú)回火脆性。冷變形塑性高、一般供彎曲、壓延、彎邊和錘拱等加工，切削加工性、冷拔或正火狀態(tài)較退火狀態(tài)好、一般用于制造受力不大而韌性要求高的零件，如杠桿軸，變速箱變速叉，齒輪，重型機(jī)械拉桿，鉤環(huán)等。Q235和20鋼因?yàn)楹剂枯^低，淬火后表面硬度值也不是太高，在360HBS400HBS范圍內(nèi)。所用的熱處理一般選用化學(xué)熱處理，像滲碳淬火等，一般不會(huì)直接淬火，20鋼滲碳淬火回火后的硬度在43HRC48HRC之間。 2、45鋼45號(hào)鋼也屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含碳量高于20鋼，硬度不高，易切削加工。45鋼調(diào)質(zhì)處理后具有良好的綜合機(jī)械性能，廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。45鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)（或正火）后可得到較好的切削性能，而且能獲得較高的強(qiáng)度和韌性等綜合機(jī)械性能，淬火后表面硬度可達(dá)4552HRC。3、40Cr40Cr是一種合金結(jié)構(gòu)鋼，價(jià)格適中，加工容易，該鋼的淬透性高于45鋼，適合于高頻淬火，火焰淬火等表面硬化處理等。經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性。正火可促進(jìn)組織球化，改進(jìn)硬度小于160HBS毛坯的切削性能。這種鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后用于制造承受中等負(fù)荷及中等速度工作的機(jī)械零件，如汽車(chē)的轉(zhuǎn)向節(jié)、后半軸以及機(jī)床上的齒輪、軸、蝸桿、花鍵軸、頂尖套等；經(jīng)淬火及中溫回火后用于制造承受高負(fù)荷、沖擊及中等速度工作的零件，如齒輪、主軸、油泵轉(zhuǎn)子、滑塊、套環(huán)等；經(jīng)淬火及低溫回火后用于制造承受重負(fù)荷、低沖擊及具有耐磨性、截面上實(shí)體厚度在25mm以下的零件，如蝸桿、主軸、軸、套環(huán)等；經(jīng)調(diào)質(zhì)并高頻表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而無(wú)很大沖擊的零件，如齒輪、套筒、軸、主軸、曲軸、心軸、銷子、連桿、 螺釘、螺帽、進(jìn)氣閥等。 4、T8鋼T8鋼為碳素工具鋼，也是共析鋼，淬火加熱時(shí)容易過(guò)熱，變形也大，塑性及強(qiáng)度比較低，不宜制造承受沖擊較大的工具，但熱處理后，具有較高的硬度與耐磨性。用途舉例：用于制造切削刃口在工作時(shí)不變熱的工具，如木工用的銑刀、埋頭鉆。 T8是淬硬型塑料模具用鋼。淬火回火后有較高硬度和耐磨性，但熱硬性低、淬透性差、易變形、塑性及強(qiáng)度較低。用作需要具有較高硬度和耐磨性的各種工具，如形狀簡(jiǎn)單的模子和沖頭、切削金屬的、打眼工具、木工用的銑刀、埋頭鉆、斧、鑿、縱向手用鋸、以及鉗工裝配工具、鉚釘沖模等次要工具。 T10鋼T10鋼為碳素工具鋼，碳含量、強(qiáng)度及耐磨性均較T8高，淬火硬度超過(guò)62HRC，但熱硬性低、淬透性不高且淬火變形大。適于制造切削條件差、耐磨性要求較高，且不受忽然和劇烈振動(dòng)，需要一定韌性及具有鋒利刀口的各種工具，如車(chē)刀、刨刀、鉆頭、切紙機(jī)、低精度而外形簡(jiǎn)單的量具（如卡板等），可用作不受較大沖擊的耐磨零件。第三節(jié) 熱處理熱處理是指將鋼在固態(tài)下加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要性能的一種工藝。熱處理是一種重要的加工工藝，在機(jī)械制造業(yè)已被廣泛應(yīng)用。熱處理區(qū)別于其他加工工藝如鑄造、壓力加工等的特點(diǎn)是只通過(guò)改變工件的組織來(lái)改變性能，而不改變其形狀。熱處理只適用于固態(tài)下發(fā)生相變的材料，不發(fā)生固態(tài)相變的材料不能用熱處理來(lái)強(qiáng)化。根據(jù)加熱、冷卻方式及鋼組織性能變化特點(diǎn)不同，將熱處理工藝分類如下： 普通熱處理：退火、正火、淬火和回火。 表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理。 其他熱處理：真空熱處理、形變熱處理、控制氣氛熱處理、激光熱處理等。根據(jù)在零件生產(chǎn)過(guò)程中所處的位置和作用不同，又可將熱處理分為預(yù)備熱處理與最終熱處理。預(yù)備熱處理是指為隨后的加工（冷拔、沖壓、切削）或進(jìn)一步熱處理做準(zhǔn)備的熱處理。而最終熱處理是指賦予工件所要求的使用性能的熱處理。 機(jī)械零件的一般加工工藝路線為：毛坯（鑄、鍛）預(yù)備熱處理機(jī)加工最終熱處理。退火與正火工藝主要用于預(yù)備熱處理，只有當(dāng)工件性能要求不高時(shí)才作為最終熱處理。一、退火將鋼加熱至適當(dāng)溫度保溫，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝叫做退火。退火后的組織接近于鋼在平衡狀態(tài)下的組織。退火的目的主要是調(diào)整硬度，適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚砜墒构ぜ挠捕日{(diào)整為HB170-250，從而改善切削加工性能。退火也可以消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止在后續(xù)加工或熱處理中發(fā)生變形和開(kāi)裂。退火還可以細(xì)化晶粒，提高力學(xué)性能或?yàn)樽罱K熱處理作組織準(zhǔn)備。退火的種類很多，常用的有完全退火、等溫退火、球化退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火。完全退火是指將工件加熱到Ac3+3050保溫后緩冷的退火工藝。完全退火主要用于亞共析鋼，使中碳以上的鋼軟化以便于切削加工，并消除內(nèi)應(yīng)力。等溫退火是指將亞共析鋼加熱到Ac3+3050，共析、過(guò)共析鋼加熱到Ac1+3050，保溫后快冷到A1以下的某一溫度，在此溫度下停留，待相變完成后出爐空冷的退火工藝。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時(shí)間，更適合于孕育期長(zhǎng)的合金鋼。圖5-29 各種退火及正火的加熱溫度范圍圖5-32 鋼的含碳量對(duì)熱處理后硬度的影響 （影線部分為合適的切削加工硬度范圍）球化退火是指將工件加熱到Ac1+3050充分保溫后緩冷，或者加熱后冷卻到略低于A1的溫度下保溫,從而使珠光體中的滲碳體球狀化的退火工藝。球化退火主要用于共析鋼和過(guò)共析鋼，目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為后續(xù)熱處理作組織準(zhǔn)備。二、正火正火是指將亞共析鋼加熱到Ac3 +3050，共析鋼、過(guò)共析鋼加熱到Accm+3050保溫后空冷的熱處理工藝。由于正火比退火冷卻速度快，因而正火組織比退火組織細(xì)，強(qiáng)度和硬度也比退火組織高。當(dāng)碳鋼的含碳量0.5%時(shí)，淬火后組織為馬氏體與少量殘余奧氏體。亞共析鋼在Ac1Ac3之間加熱淬火后的組織為馬氏體加鐵素體，如圖5-35所示,由于組織中有自由鐵素體存在，使鋼的強(qiáng)度和硬度降低，但可改善韌性，這種淬火稱為亞溫淬火，如處理得當(dāng)，亞溫淬火也可作為一種強(qiáng)韌化處理方法。圖5-33 碳鋼的淬火溫度范圍圖5-34 45鋼的正常淬火組織 400對(duì)于共析鋼和過(guò)共析鋼，淬火溫度為Ac1+3050。共析鋼淬火后的組織為馬氏體和少量殘余奧氏體。而過(guò)共析鋼由于淬火前經(jīng)過(guò)球化退火，因而淬火后組織為細(xì)馬氏體加顆粒狀滲碳體和少量殘余奧氏體，如圖5-36所示。分散分布的顆粒狀滲碳體對(duì)鋼的硬度和耐磨性有利。如果將過(guò)共析鋼加熱到Accm以上，則由于奧氏體晶粒粗大、含碳量提高，使淬火后馬氏體晶粒也粗大、且殘余奧氏體量增多，這將使鋼的硬度、耐磨性下降，脆性和變形開(kāi)裂傾向增加。圖5-35 35鋼760淬火組織 400圖5-36 T12鋼的正常淬火組織 400對(duì)于合金鋼，由于大多數(shù)合金元素（Mn、P除外）有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，因而淬火溫度比碳鋼高，一般為臨界點(diǎn)以上50100。2、淬火介質(zhì)理想淬火介質(zhì)的冷卻曲線（見(jiàn)圖5-37）應(yīng)只在C曲線“鼻尖”處快冷，而在Ms附近盡量緩冷，以達(dá)到既獲得馬氏體組織，又減小內(nèi)應(yīng)力的目的。常用的淬火介質(zhì)是水和油。水是經(jīng)濟(jì)的且冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。如表5-1 所示，水的缺點(diǎn)是在650550范圍內(nèi)的冷卻能力不夠強(qiáng)，而在300200范圍內(nèi)冷卻能力又太大。因此生產(chǎn)上水主要用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼件的淬火。從表5-1可以看出，油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但在高溫區(qū)冷卻能力太低，因此主要用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件的淬火。大尺寸碳鋼件油淬時(shí)由于冷卻不足會(huì)出現(xiàn)珠光體型分解，如圖5-38所示。圖5-37 理想淬火冷卻曲線示意圖圖5-38 45鋼850油淬組織（M+T） 400熔融的堿和鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱堿浴或鹽浴。它們的冷卻能力介于水和油之間，使用溫度范圍多為150500。這類介質(zhì)只適用于形狀復(fù)雜和變形要求嚴(yán)格小型件的分級(jí)淬火和等溫淬火。其他淬火介質(zhì)如聚乙烯醇、硝鹽水溶液等也是工業(yè)上常用的。四、回火回火是指將淬火鋼加熱到A1以下的某溫度保溫后冷卻的工藝。1、回火的目的 減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開(kāi)裂。 獲得工藝所要求的力學(xué)性能。淬火鋼一般硬度高、脆性大，通過(guò)適當(dāng)回火可調(diào)整硬度和韌性。 穩(wěn)定工件尺寸。淬火馬氏體和殘余奧氏體都是非平衡組織，有自發(fā)向平衡組織鐵素體加滲碳體轉(zhuǎn)變的傾向?；鼗鹂墒柜R氏體與殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饣蚪咏胶獾慕M織，防止使用時(shí)變形。 對(duì)于某些高淬透性的鋼，由于空冷即可淬火，如采用退火則軟化周期太長(zhǎng)，而采用回火軟化則既能降低硬度，又能縮短軟化周期。對(duì)于未經(jīng)淬火的鋼，回火是沒(méi)有意義的，而淬火鋼不經(jīng)回火一般也不能直接使用，為避免淬火件在放置過(guò)程發(fā)生變形或開(kāi)裂，鋼件經(jīng)淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火。2、回火的種類根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。 低溫回火回火溫度為150250。低溫回火時(shí)，馬氏體將發(fā)生分解，從馬氏體中析出e-碳化物（FeXC），使馬氏體過(guò)飽和度降低。析出的碳化物以細(xì)片狀分布在馬氏體基體上，這種組織稱為回火馬氏體，用M回表示。在光學(xué)顯微鏡下M回為黑色，A為白色，如圖5-41所示。由于馬氏體分解，其正方度下降，減輕了對(duì)殘余奧氏體的壓力，馬氏體點(diǎn)上升，因而殘余奧氏體分解為e-碳化物和過(guò)飽和鐵素體，即轉(zhuǎn)變?yōu)镸回。圖5-41 回火馬氏體 400低溫回火的目的是在保留淬火后高硬度（一般為5864HRC）、高耐磨性的同時(shí)，降低內(nèi)應(yīng)力，提高韌性。主要用于處理各種工具、模具、軸承及經(jīng)滲碳和表面淬火的工件。 中溫回火圖5-42 回火托氏體 400回火溫度為350500。中溫回火時(shí)，e-碳化物溶解于鐵素體中,同時(shí)從鐵素體中析出Fe3C。到350，馬氏體中的含碳量已降到鐵素體的平衡成分，內(nèi)應(yīng)力大量消除，M回轉(zhuǎn)變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細(xì)粒狀組織，稱為回火托氏體，用T回表示，如圖5-42所示?；鼗鹜惺象w組織具有較高的彈性極限和屈服極限，并具有一定的韌性，硬度一般為3545HRC。主要用于各類彈簧的處理。 高溫回火回火溫度為500650。此時(shí)，F(xiàn)e3C發(fā)生聚集長(zhǎng)大，鐵素體發(fā)生多邊形化，由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅?，這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀Fe3C的組織稱為回火索氏體，用S回表示，如圖5-43所示。圖5-43 回火索氏體 400回火索氏體組織具有良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高的強(qiáng)度同時(shí)，具有良好的塑性和韌性，硬度一般為2535HRC。通常把淬火加高溫回火的熱處理工藝稱作“調(diào)質(zhì)處理”，簡(jiǎn)稱“調(diào)質(zhì)”。表5-3為45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和正火處理后力學(xué)性能的比較，由于調(diào)質(zhì)組織中的滲碳體是顆粒狀的，正火組織中的滲碳體是片狀的，而粒狀滲碳體對(duì)阻礙裂紋擴(kuò)展比片狀滲碳體更有利，因而調(diào)質(zhì)組織的強(qiáng)度、硬度、塑性及韌性均高于正火組織。調(diào)質(zhì)廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件如連桿、軸、齒輪等的處理。也可作為某些要求較高的精密零件、量具等的預(yù)備熱處理。3、回火脆性回火時(shí)的組織變化必然引起力學(xué)性能的變化?？偟内厔?shì)是隨回火溫度提高，鋼的強(qiáng)