第三章鋼的熱處理

1、【教學(xué)組織】1提問10分鐘2講解70分鐘3小結(jié)5分鐘4布置作業(yè)5分鐘【教學(xué)內(nèi)容】第三章 鋼的熱處理第一節(jié) 熱處理概述一、熱處理概念熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理工藝過程是由加熱、保溫、冷卻三個(gè)階段組成。常用的熱處理加熱設(shè)備有箱式電阻爐、鹽浴爐、井式爐、火焰加熱爐等。常用的冷卻設(shè)備有水槽、油槽、鹽浴、緩冷坑、吹風(fēng)機(jī)等。 二、熱處理工藝的分類三、熱處理原理熱處理原理：鐵碳合金相圖是確定熱處理工藝的重要依據(jù)。將鋼鐵材料或零件先加熱到臨界點(diǎn)（或相變點(diǎn)）以上某一溫度區(qū)間，使其全部或部分得到均勻的奧氏體組織，然后采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法進(jìn)行冷卻

2、，從而獲得所需要的組織和使用性能。涉及的微觀組織有：鐵素體、奧氏體、滲碳體（或碳化物）、珠光體、索氏體、屈氏體、貝氏體（上貝氏體和下貝氏體）、馬氏體（板條馬氏體和針狀馬氏體）等。 圖3-3 實(shí)際加熱(或冷卻)時(shí)，鐵碳合金相圖上各相變點(diǎn)的位置第二節(jié) 退火與正火一、退火1. 退火的概念和目的退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是降低鋼鐵材料的硬度，提高其塑性，改善切削加工性能和鍛壓加工性能；細(xì)化鋼鐵材料的組織，均勻其化學(xué)成分；消除鋼鐵材料的內(nèi)應(yīng)力，防止其變形和開裂；為后續(xù)加工或熱處理作準(zhǔn)備。2退火的方法和應(yīng)用退火通常分為：完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)

3、力退火、均勻化退火等。 圖3-5 部分退火工藝加熱溫度范圍示意圖 圖3-6 部分退火工藝曲線示意圖二、正火 1.正火的概念和目的正火是指工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的目的是細(xì)化晶粒，提高鋼鐵材料硬度，消除鋼鐵材料中的網(wǎng)狀碳化物（或滲碳體），并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備。2. 正火的方法和應(yīng)用正火的方法比較簡單，具體操作過程是：首先根據(jù)鋼件的Ac3和尺寸大小確定合理的加熱溫度和保溫時(shí)間，然后在保溫時(shí)間達(dá)到要求后，將鋼件取出后空冷，即可實(shí)現(xiàn)對鋼件的正火。在生產(chǎn)中正火主要應(yīng)用于以下場合：（1）用于改善鋼鐵材料的切削加工性能。（2）用于消除鋼中的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火作組

4、織準(zhǔn)備。（3）用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，代替調(diào)質(zhì)處理。（4）用于淬火返修件，消除淬火應(yīng)力，細(xì)化組織，防止工件重新淬火時(shí)產(chǎn)生變形與開裂。第三節(jié) 淬火與回火一、淬火1. 淬火的概念和目的淬火是指工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。馬氏體是碳或合金元素在-Fe中的過飽和固溶體，硬度高，用符號M表示。淬火的目的主要是使鋼鐵材料獲得馬氏體(或貝氏體)組織，提高鋼鐵材料的硬度和強(qiáng)度，并與回火工藝合理配合，獲得需要的使用性能。2淬火工藝原理（1）淬火加熱溫度。圖3-8 非合金鋼淬火加熱的溫度范圍 亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3以上3050。共析

5、鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上3050。（2）加熱時(shí)間。淬火加熱時(shí)間包括升溫時(shí)間和保溫時(shí)間。保溫時(shí)間是指爐溫達(dá)到預(yù)定溫度，保持這一溫度持續(xù)加熱，使得工件內(nèi)部組織得以充分轉(zhuǎn)變的時(shí)間。（3）淬火速度。要想既保證獲得馬氏體組織，同時(shí)又盡量避免鋼件發(fā)生變形與開裂，理想的冷卻曲線應(yīng)是如圖3-9所示。圖3-9 理想的淬火冷卻速度曲線常用的淬火冷卻介質(zhì)有：油、水、鹽水、硝鹽浴、堿浴和空氣等。3淬火方法和應(yīng)用表3-4 常用淬火方的概念、淬火冷卻曲線、工藝特點(diǎn)、應(yīng)用范圍及相關(guān)說明名稱單液淬火雙液淬火馬氏體分級淬火貝氏體等溫淬火概念將已奧氏體化的鋼件在一種淬火介質(zhì)中冷卻的方法將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻

6、能力強(qiáng)的介質(zhì)中，在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)立即轉(zhuǎn)入冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時(shí)間，在工件整體達(dá)到冷卻介質(zhì)溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火方法淬火冷卻曲線單液淬火 雙液淬火 馬氏體分級淬火 貝氏體等溫淬火特點(diǎn)操作簡單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化工件淬火應(yīng)力小、變形小，可防止工件開裂，但對操作技術(shù)要求較高顯著減小工件的變形和開裂，操作技術(shù)要求較高工件淬火應(yīng)力和變形很小，工件的強(qiáng)度、韌性和耐磨性較高，但生產(chǎn)率低，操作技術(shù)要求較高應(yīng)用范圍形狀簡單的鋼

7、件，如非合金鋼水淬，合金鋼油淬等中等復(fù)雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件尺寸較小、形狀復(fù)雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具尺寸較小、形狀復(fù)雜、要求變形小的由高碳鋼或合金鋼制作的工模具和彈簧 【教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1重點(diǎn)：熱處理方法的基本概念、目的和應(yīng)用2難點(diǎn)：熱處理原理【教學(xué)方法與教學(xué)手段】1利用試樣、掛圖等教具。2利用多媒體資料進(jìn)行短時(shí)演示。3在講解過程中要結(jié)合典型零件或鋼材進(jìn)行工藝方法和用途的介紹?！拘〗Y(jié)與布置作業(yè)】1小結(jié)本次課主要介紹鋼的熱處理的概念、目的、原理、分類和應(yīng)用范圍等內(nèi)容，學(xué)完之后：第一，要了解鋼的熱處理的概念、原理和分類；第二，要理解常用熱處理方法的目的和應(yīng)用范圍；第三，要

8、熟悉典型零件（如彈簧、軸、齒輪、滾動(dòng)軸承、切削刀具、模具等）的熱處理方法，建立感性認(rèn)識，做到觸類旁通；第四，學(xué)習(xí)過程中，一定要先理解概念，然后理論聯(lián)系實(shí)際，并注意借助多媒體資料，幫助自己提高學(xué)習(xí)效率和拓展知識面，同時(shí)注重師生之間、同學(xué)之間的相互交流和探討，提高交流能力和表達(dá)能力。2布置作業(yè)一邊復(fù)習(xí)本章的相關(guān)知識，一邊完成金屬加工與實(shí)訓(xùn)習(xí)題集中相關(guān)習(xí)題，并相互相互交流探討。【教學(xué)組織】1提問10分鐘2講解70分鐘3小結(jié)5分鐘4布置作業(yè)5分鐘【教學(xué)內(nèi)容】二、回火 1.回火的概念和目的回火是指工件淬硬后，加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火是在淬火之后進(jìn)行的，通

9、常也是零件進(jìn)行熱處理的最后一道工序?；鼗鸬哪康氖窍蜏p小內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織，保證尺寸精度；調(diào)整工件的性能以獲得較好的強(qiáng)度與韌性配合，滿足工件性能要求。2回火的方法和應(yīng)用表3-5 常用回火方的概念、目的、室溫組織、力學(xué)性能、應(yīng)用范圍名稱低溫回火中溫回火高溫回火概念工件在250以下進(jìn)行的回火工件在250450之間進(jìn)行的回火工件在500以上進(jìn)行的回火目的保持淬火工件高硬度、高耐磨性，降低淬火殘余應(yīng)力和脆性獲得較高的彈性、屈服強(qiáng)度和韌性獲得較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，使他們達(dá)到較好的匹配室溫組織回火馬氏體（M）?；鼗瘃R氏體是過飽和度較低的馬氏體和極細(xì)微碳化物的混合組織?；鼗鹜惺象w（T）?；鼗鹜惺象w是鐵素體

10、基體內(nèi)分布著細(xì)小粒狀(或片狀)碳化物的混合組織。回火索氏體（S）?；鼗鹚魇象w是鐵素體基體上分布著粒狀碳化物的組織。力學(xué)性能硬度一般為5862HRC。硬度一般為3550HRC。硬度一般為200330HBW。應(yīng)用范圍用于處理由高碳鋼、合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動(dòng)軸承及滲碳件、表面淬火件等用于處理鋼制彈性元件和沖擊工具，如各種卷簧、板簧、彈簧鋼絲等。用于處理鋼制重要的結(jié)構(gòu)件、軸類、連桿、螺栓、齒輪等 鋼件淬火加高溫回火的復(fù)合熱處理工藝又稱為調(diào)質(zhì)處理，它主要用于處理軸類、連桿、螺栓、齒輪等工件。第四節(jié) 時(shí)效金屬材料經(jīng)過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下放置或適當(dāng)升溫加熱時(shí)，發(fā)生力學(xué)性能

11、和物理性能隨著時(shí)間而變化的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。固溶處理是指工件加熱至適當(dāng)溫度并保溫，使過剩相充分溶解，然后快速冷卻以獲得過飽和固溶體的熱處理工藝。一、自然時(shí)效自然時(shí)效是指金屬材料經(jīng)過冷加工、熱加工或固溶處理后，在室溫下發(fā)生性能隨著時(shí)間而變化的現(xiàn)象。例如，鋼鐵鑄件、鍛件、焊接件等在室溫下長時(shí)間（半年或幾年）在戶外或室內(nèi)堆放，就是自然時(shí)效。二、熱時(shí)效熱時(shí)效是指隨著溫度的不同，-Fe中碳的溶解度發(fā)生變化，使鋼的性能發(fā)生改變的過程稱為熱時(shí)效。例如，低碳鋼在A1之下加熱，并較快冷卻時(shí)，三次滲碳體（Fe3CIII）來不及析出，形成過飽和的固溶體。在室溫放置過程中，由于碳的溶解度較低，碳以Fe3CIII的形式析

12、出，使鋼的硬度和強(qiáng)度上升，而塑性和韌性下降。三、變形時(shí)效變形時(shí)效是指鋼在冷變形后進(jìn)行的時(shí)效。變形時(shí)效也降低鋼（尤其是汽車用板材）的鍛壓加工性能，對于重要的工件，在制造之前需要對所選鋼材進(jìn)行變形時(shí)效傾向試驗(yàn)。四、振動(dòng)時(shí)效振動(dòng)時(shí)效是指通過機(jī)械振動(dòng)（如超聲波）的方式來消除、降低或均勻工件內(nèi)殘余應(yīng)力的工藝。振動(dòng)時(shí)效工藝適用于重要的鑄件、鍛件和焊接件等。五、沉淀硬化時(shí)效沉淀硬化時(shí)效是在過飽和固溶體中形成或析出彌散分布的強(qiáng)化相而使金屬材料硬化的熱處理工藝。它是不銹鋼、高溫耐熱合金、高強(qiáng)度鋁合金等的重要強(qiáng)化方法。第五節(jié) 表面熱處理與化學(xué)熱處理 一、表面熱處理表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能，僅對其表面

13、進(jìn)行熱處理的工藝。其中表面淬火是最常用的表面熱處理工藝之一。表面淬火是指僅對工件表層進(jìn)行淬火的工藝。表面淬火的目的是使工件表面獲得高硬度和高耐磨性，而心部保持較好的塑性和韌性。表面淬火方法主要有：感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱表面淬火及電解液加熱表面淬火等。1感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面、局部或整體加熱并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)加熱表面淬火。（1）感應(yīng)加熱基本原理。依靠鋼件表面強(qiáng)大的感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)，可以使鋼件表層在幾秒鐘內(nèi)快速加熱到淬火溫度（約900左右），而鋼件的心部溫度基本不變，然后迅速噴水冷卻，就可以淬硬鋼件表層，這就是感

14、應(yīng)加熱表面淬火的基本原理，如圖3-13所示。圖3-12 感應(yīng)加熱表面淬火原理圖（2）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)。感應(yīng)加熱表面淬火具有工件加熱速度快、時(shí)間短，變形小，基本無氧化和無脫碳特點(diǎn)；（3）感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用。表3-6 感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用范圍分類頻率范圍/kHz淬火深度/mm應(yīng)用范圍高頻感應(yīng)加熱表面淬火503000.32.5中小型軸、銷、套等圓柱形零件，小模數(shù)齒輪中頻感應(yīng)加熱表面淬火110310尺寸較大的軸類，大、中模數(shù)齒輪工頻感應(yīng)加熱表面淬火501020大型零件（300）表面淬火或棒料穿透加熱 2火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是利用乙炔一氧或其他可燃?xì)馊紵幕鹧鎸ぜ韺舆M(jìn)行加熱，

15、隨之快速冷卻的淬火工藝，如圖3-13所示。圖3-13 火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱表面淬火操作簡便，不需要特殊設(shè)備，生產(chǎn)成本低，但工件表面淬火質(zhì)量難以控制，生產(chǎn)率低，主要用于單件或小批量生產(chǎn)的大模數(shù)齒輪、軸、工具、軋輥等。二、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將工件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入到它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理方法很多，通常以滲入元素來命名工藝名稱，如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅、滲金屬等。化學(xué)熱處理由分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)基本過程組成。 1滲碳為提高工件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并在其中形成一定的碳含量梯度，將工件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，

16、使碳原子滲入的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳層深度一般為0.5mm2.5mm，滲碳層的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是WC=0.8%1.1%。 滲碳所用鋼種一般是15鋼、20鋼、20r鋼、20CrMnTi鋼等。經(jīng)滲碳后的工件，都要進(jìn)行淬火和低溫回火。滲碳工藝被廣泛用于要求表面硬而心部韌的工件上，如齒輪、凸輪軸、活塞銷等工件。碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳，其中氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。a）氣體滲碳爐 b）氣體滲碳工藝曲線圖3-14 20CrMnTi鋼制拖拉機(jī)油泵齒輪的氣體滲碳爐及工藝曲線 2滲氮在一定溫度下于一定滲氮介質(zhì)中，使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。滲氮層深度一般為0.5mm0.7mm。目前常

17、用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮兩種。滲氮的目的是為了提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、耐腐蝕性和疲勞強(qiáng)度。滲氮處理廣泛用于各種高速傳動(dòng)的精密齒輪、高精度機(jī)床主軸、受循環(huán)應(yīng)力作用下要求高疲勞強(qiáng)度的零件(如高速柴油機(jī)曲軸)以及要求變形小和具有一定耐熱、抗腐蝕能力的耐磨零件(如汽缸、閥門)等。第六節(jié) 熱處理新技術(shù)簡介 一、形變熱處理形變熱處理是將塑性變形和熱處理結(jié)合，以提高工件力學(xué)性能的復(fù)合工藝。例如，將鋼加熱至Ac3以上（圖3-16），獲得奧氏體組織，保持一定時(shí)間后進(jìn)行形變，馬上淬火獲得馬氏體組織，然后在適當(dāng)溫度回火后，可獲得很高的強(qiáng)韌性。該工藝方法廣泛用于結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼工件，用于工件進(jìn)行

18、鍛后余熱淬火、熱軋淬火等工藝。圖3-16 形變熱處理工藝示意圖二、真空熱處理在低于1105Pa（通常是10-110-3Pa）的環(huán)境中加熱的熱處理工藝，稱為真空熱處理。真空熱處理包括真空退火、真空淬火、真空回火、真空滲碳等。真空熱處理可以避免氧化、脫碳，可以實(shí)現(xiàn)光亮處理。 三、可控氣氛熱處理為了達(dá)到無氧化、無脫碳或按要求增碳，工件在爐氣成分可控的加熱爐中進(jìn)行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。可控氣氛熱處理的主要目的是減少和防止工件加熱時(shí)的氧化和脫碳，提高工件尺寸精度和表面質(zhì)量。 四、激光熱處理激光是一種具有極高能量密度、高亮度性、高單色性和高方向性的光源。利用激光作為熱源的熱處理稱為激光熱處理。激光淬火是以激光作為能源，以極快的速度加熱工件的自冷淬火。激光淬火廣泛應(yīng)用于汽車制造工業(yè)，如內(nèi)燃機(jī)缸套、曲軸、活塞環(huán)、換向器、齒輪等零部件的表面淬火等。五、電子束淬火電子束淬火是以電子束作為熱源，以極快的速度加熱工件的自冷淬火。電子束表面淬火質(zhì)量高，淬火過程中工件基體性能幾乎不受影響?！窘虒W(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)】1重點(diǎn)：熱處理方法的基本概念、目的和應(yīng)用2難點(diǎn)：回火方法、實(shí)效和感應(yīng)加熱表面淬火原理【教學(xué)方法與教學(xué)手段】1利用試樣、掛圖等教具。2利用多媒體資料進(jìn)行