材料科學(xué)與工程專業(yè)金屬熱處理原理及工藝鋼的熱處理舉例PPT課件

1、齒輪熱處理齒輪熱處理軸承熱處理軸承熱處理彈簧熱處理彈簧熱處理工具熱處理工具熱處理軸的熱處理軸的熱處理基本思路：工作條件（載荷，環(huán)境）失效形式性能要求材料熱處理工藝第1頁/共51頁第2頁/共51頁1、工作條件、工作條件用于傳遞動(dòng)力、改變方向或速度的重要用于傳遞動(dòng)力、改變方向或速度的重要零件，受力情況復(fù)雜。零件，受力情況復(fù)雜。2、常見失效形式、常見失效形式 齒輪接觸面磨損或齒面塑性變形（表面硬度不足）；齒輪接觸面磨損或齒面塑性變形（表面硬度不足）； 齒輪面剝落（疲勞損壞、點(diǎn)蝕）；齒輪面剝落（疲勞損壞、點(diǎn)蝕）； 斷齒（強(qiáng)度低斷齒（強(qiáng)度低 或超載）或超載）一.齒輪熱處理第3頁/共51頁一一. .齒輪熱

2、處理齒輪熱處理3.3.齒輪的技術(shù)要求齒輪的技術(shù)要求 齒面高的硬度、接觸疲勞、耐磨損性能；齒面高的硬度、接觸疲勞、耐磨損性能； 齒輪根部及齒輪具有高的強(qiáng)度和韌性。齒輪根部及齒輪具有高的強(qiáng)度和韌性。4.4.齒輪用鋼齒輪用鋼 低、中碳低、中碳n輕載齒輪：45， 調(diào)質(zhì)或正火n中載齒輪：45、40Cr， 調(diào)質(zhì)，耐磨部位表面淬火n重載齒輪：20Cr、20CrMnTi， 滲碳淬火n高精度齒輪：38CrMoAlA， 調(diào)質(zhì)滲氮第4頁/共51頁1）滲碳齒輪材料：20CrMnTi、 20Cr、 30CrMnTiA等服役場(chǎng)合：高速重載（汽車齒輪）下料鍛造正火切削加工滲碳淬火低溫回火5.齒輪熱處理工藝精加工掌握各熱處理

3、工序的目的，工藝，組織第5頁/共51頁(1)(1)正火正火 細(xì)化晶粒；調(diào)整硬度，便于切削加工細(xì)化晶粒；調(diào)整硬度，便于切削加工 加熱至加熱至AcAc3 3+30+3050,50,空冷空冷, , 組織細(xì)珠光體組織細(xì)珠光體+(+(少量鐵素體少量鐵素體) )(2)(2)滲碳滲碳 提高表面含碳量提高表面含碳量 920920930930保溫保溫3 39h 9h (3)(3)滲碳后淬火滲碳后淬火 獲得馬氏體，提高表面硬度獲得馬氏體，提高表面硬度 直接淬火或一次淬火直接淬火或一次淬火 表面：表面：高碳高碳M+Ar+M+Ar+碳化物碳化物, ,過渡層過渡層: :M+Ar,M+Ar, 心部心部: :低碳低碳M+F

4、M+F（少量）（少量） (4)(4)回火回火 消除淬火應(yīng)力，低溫消除淬火應(yīng)力，低溫200，MM回回下料鍛造正火切削加工滲碳淬火低溫回火精加工第6頁/共51頁第7頁/共51頁 20 CrMnTi 鋼制造齒輪的 熱處理工藝曲線第8頁/共51頁加工工藝路線:下料 鍛造 粗加工 半精加工 精車加工及 精磨 5.齒輪熱處理工藝2）中載齒輪（中碳鋼）熱處理（表面淬火） 適用于3555,40Cr,35CrMn,35CrMo,42SiMn等材料齒輪。正火調(diào)質(zhì)表面淬火低溫回火第9頁/共51頁(1)(1)正火正火( (或完全退火）或完全退火） 細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度 加熱至加熱至AcAc3 3+30

5、+3050,50,空冷空冷, , 細(xì)珠光體細(xì)珠光體+(+(少量鐵素體少量鐵素體) )(2)(2)調(diào)質(zhì)熱處理調(diào)質(zhì)熱處理 使心部具有良好強(qiáng)韌性使心部具有良好強(qiáng)韌性 加熱至加熱至AcAc3 3+30+305050后淬火后淬火+500+500600600高溫回火高溫回火, , 回火索氏體回火索氏體(3)(3)表面感應(yīng)淬火表面感應(yīng)淬火( (表面火焰淬火表面火焰淬火) ) 提高表面硬度提高表面硬度 表面加熱至表面加熱至AcAc3 3+30+305050，心部沒有加熱。，心部沒有加熱。 淬火后淬火后表面表面獲得馬氏體獲得馬氏體+ +殘余奧氏體殘余奧氏體, , 過渡層過渡層馬氏體馬氏體+F+F殘余奧氏體殘余奧

6、氏體, , 心部心部回火索氏回火索氏體體 (4)(4)低溫回火低溫回火 消除淬火應(yīng)力，低溫消除淬火應(yīng)力，低溫200，MM回回 第10頁/共51頁 輕載齒輪：輕載齒輪：45， 調(diào)質(zhì)或正火調(diào)質(zhì)或正火 中載齒輪：中載齒輪：45、40Cr， 調(diào)質(zhì)，耐磨部位表面淬火調(diào)質(zhì)，耐磨部位表面淬火 重載齒輪：重載齒輪：20Cr、20CrMnTi， 滲碳淬火滲碳淬火 高精度齒輪：高精度齒輪：38CrMoAlA， 調(diào)質(zhì)滲氮調(diào)質(zhì)滲氮第11頁/共51頁第12頁/共51頁二、滾動(dòng)軸承熱處理滾珠軸承滾針軸承滾柱軸承1、工作條件高載荷，交變應(yīng)力高轉(zhuǎn)速，一定沖擊。第13頁/共51頁 接觸疲勞破壞二、滾動(dòng)軸承熱處理2、失效形式第1

7、4頁/共51頁塑性變形 第15頁/共51頁磨損第16頁/共51頁3、性能要求:（內(nèi)外圈和滾動(dòng)體）v高的硬度和耐磨性;v高的接觸疲勞強(qiáng)度;v足夠的韌性和耐蝕性;v尺寸穩(wěn)定性滾珠軸承滾針軸承滾柱軸承二、滾動(dòng)軸承熱處理第17頁/共51頁4、軸承用鋼:二、滾動(dòng)軸承熱處理G Cr15 含Cr量WCr 1.5 %滾動(dòng)軸承鋼高碳, Wc = 0.951.15%第18頁/共51頁GCr15軸承鋼制造軸承的工藝路線鍛造 機(jī)加工 球化退火淬火+ 冷處理 ( 60 80;1h )低溫回火正火磨削加工穩(wěn)定化處理 ( 120 150；5 10h )第19頁/共51頁5 5、熱處理工藝、熱處理工藝預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理:

8、:正火：正火：消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒消除網(wǎng)狀碳化物，細(xì)化晶粒球化退火：球化退火：降低硬度，提高韌性，為淬火組織準(zhǔn)備降低硬度，提高韌性，為淬火組織準(zhǔn)備淬火淬火: :獲得馬氏體組織獲得馬氏體組織 810810860860（溫度偏高），讓（溫度偏高），讓CrCr盡量溶入盡量溶入A A，又不致于導(dǎo)致晶粒粗大，又不致于導(dǎo)致晶粒粗大，A A含碳過高；油冷含碳過高；油冷冷處理冷處理: :獲得馬氏體組織獲得馬氏體組織, ,減少減少ArAr低溫回火低溫回火: :消除殘余應(yīng)力，保持高硬度消除殘余應(yīng)力，保持高硬度. .二、滾動(dòng)軸承熱處理第20頁/共51頁汽車板簧扭轉(zhuǎn)彈簧大型熱卷彈簧彈簧絲第21頁/共51頁三、彈簧

9、熱處理三、彈簧熱處理1 1、工作條件、工作條件儲(chǔ)存能量和減輕震動(dòng)儲(chǔ)存能量和減輕震動(dòng), ,主要承受拉力、壓力、扭力、交變載主要承受拉力、壓力、扭力、交變載荷；荷；2 2、失效形式：、失效形式： 疲勞斷裂，永久變形疲勞斷裂，永久變形3 3、性能要求：、性能要求： 高的強(qiáng)度極限、彈性極限、疲勞極限、成型加工性能高的強(qiáng)度極限、彈性極限、疲勞極限、成型加工性能（塑性成型、熱處理性能）（塑性成型、熱處理性能）4 4、常用材料、常用材料 6565、65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn等中碳鋼及中碳合金鋼等中碳鋼及中碳合金鋼第22頁/共51頁5 5、熱處理工藝、熱處理工藝（一）冷成形彈簧（小彈簧）（

10、一）冷成形彈簧（小彈簧） 由強(qiáng)化過的鋼絲（鉛淬冷拔、冷拔、淬火由強(qiáng)化過的鋼絲（鉛淬冷拔、冷拔、淬火+ +回火的鋼絲）回火的鋼絲）冷卷成彈簧，冷卷成彈簧， 只需進(jìn)行去應(yīng)力退火（加熱溫度只需進(jìn)行去應(yīng)力退火（加熱溫度250 250 300 300 ），以消），以消除變形過程中或淬火中形成的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。除變形過程中或淬火中形成的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。 （二）熱成形彈簧（二）熱成形彈簧 采用熱軋鋼絲或鋼板制成（如汽車板簧）采用熱軋鋼絲或鋼板制成（如汽車板簧） 淬火淬火提高強(qiáng)度，提高強(qiáng)度， 中溫回火中溫回火消除應(yīng)力，提高彈性極限。消除應(yīng)力，提高彈性極限。 淬火溫度淬火溫度Ac3Ac3以上，回火溫度以

11、上，回火溫度350 350 450 450 ， 組織：組織：回火屈氏體回火屈氏體大型熱卷彈簧去應(yīng)力退火淬火+中溫回火（或采用等溫淬火）或采用等溫淬火，得到貝氏體組織第23頁/共51頁（三）沉淀硬化處理（三）沉淀硬化處理對(duì)于對(duì)于17-7PH(0Cr17Ni7Al)沉淀硬化鋼，在冷拉或固溶處理沉淀硬化鋼，在冷拉或固溶處理狀態(tài)下成型的彈簧。主要工藝過程如下：狀態(tài)下成型的彈簧。主要工藝過程如下：（1）固溶處理：固溶處理：奧氏體化，獲得均勻一致的奧氏體組織奧氏體化，獲得均勻一致的奧氏體組織（2）成型加工）成型加工（3）調(diào)整熱處理（或淬火處理）調(diào)整熱處理（或淬火處理）加熱到奧氏體化稍低溫度，冷卻，獲得低碳

12、馬氏體加熱到奧氏體化稍低溫度，冷卻，獲得低碳馬氏體+殘余奧殘余奧氏體組織氏體組織（4）深冷處理：深冷處理：使淬火狀態(tài)下殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞际勾慊馉顟B(tài)下殘余奧氏體繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體（根據(jù)需要確定）馬氏體（根據(jù)需要確定）（5）沉淀硬化處理沉淀硬化處理在在480 550 保溫保溫1小時(shí)左右，使碳化物析出彌散強(qiáng)化。小時(shí)左右，使碳化物析出彌散強(qiáng)化。第24頁/共51頁（四）彈簧的其它強(qiáng)化處理（四）彈簧的其它強(qiáng)化處理（1 1）形變熱處理）形變熱處理對(duì)于對(duì)于60Si2Mn60Si2Mn、55Si2Mn55Si2Mn等中碳鋼具有較高的形變強(qiáng)化效果，等中碳鋼具有較高的形變強(qiáng)化效果，因此這類彈簧適合于熱成型因

13、此這類彈簧適合于熱成型+ +淬火淬火+ +回火回火（2 2）化學(xué)熱處理）化學(xué)熱處理對(duì)于在鐵素體狀態(tài)下能進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散滲的彈簧材料，可以對(duì)于在鐵素體狀態(tài)下能進(jìn)行元素?cái)U(kuò)散滲的彈簧材料，可以不改變彈簧整體強(qiáng)度、韌性和彈性極限情況下，化學(xué)滲不改變彈簧整體強(qiáng)度、韌性和彈性極限情況下，化學(xué)滲提高彈簧表面硬度和疲勞強(qiáng)度。典型工藝熱成型提高彈簧表面硬度和疲勞強(qiáng)度。典型工藝熱成型加工加工+ +淬淬火火+ +回火回火-化學(xué)滲處理。化學(xué)滲處理。（3 3）噴丸強(qiáng)化）噴丸強(qiáng)化使彈簧零件表面獲得壓應(yīng)力，提高彈簧的使用壽命使彈簧零件表面獲得壓應(yīng)力，提高彈簧的使用壽命5 51010倍。倍。第25頁/共51頁（五）彈簧的穩(wěn)定化處

14、理（五）彈簧的穩(wěn)定化處理為了減少彈性不完整性、或滯彈性，對(duì)彈簧進(jìn)行加荷、或?yàn)榱藴p少彈性不完整性、或滯彈性，對(duì)彈簧進(jìn)行加荷、或機(jī)械穩(wěn)定、或加溫加荷處理，以保證彈簧在使用過程中機(jī)械穩(wěn)定、或加溫加荷處理，以保證彈簧在使用過程中彈性穩(wěn)定。彈性穩(wěn)定。第26頁/共51頁工具一般包括刃具、模具、量具工具一般包括刃具、模具、量具常用鋼包括：常用鋼包括： 碳素工具鋼、碳素工具鋼、 低合金工具鋼、低合金工具鋼、 高合金工具鋼（高速鋼等）高合金工具鋼（高速鋼等）四.工具熱處理模具量具刃具成分特點(diǎn)：高碳第27頁/共51頁四.工具熱處理4.1 刃具熱處理 性能要求 高硬度(HRC60) ，主要取決于含碳量。 高耐磨性，

15、 靠高硬度和析出細(xì)小均勻硬碳化物來達(dá)到。 紅硬性 即高溫下保持高硬度的能力 足夠的韌性 以防止脆斷和崩刃。刃具用鋼 碳素工具鋼：T7T12（0.71.2%C）木工鑿手錘圓沖第28頁/共51頁T12鋼正常淬火組織球狀珠光體碳工鋼熱處理及組織碳工鋼熱處理及組織熱處理：熱處理：正火正火+ +球化退火球化退火+ +淬火淬火+ +低溫回火低溫回火球化退火目的：球化退火目的： 降低硬度，便于加工；降低硬度，便于加工； 為淬火作組織準(zhǔn)備。為淬火作組織準(zhǔn)備。 使用狀態(tài)下的組織：使用狀態(tài)下的組織： M M回回+ +顆粒狀碳化物顆粒狀碳化物+A+AR R( (少量少量) ) 第29頁/共51頁絲錐板牙刃具用鋼刃具

16、用鋼 低合金工具鋼：低合金工具鋼： CrWMn、9SiCr 熱處理及組織同碳素工具鋼，熱處理及組織同碳素工具鋼， 只是淬火介質(zhì)為油（碳工鋼為水）。只是淬火介質(zhì)為油（碳工鋼為水）。板牙絲錐第30頁/共51頁 9 SiCr 鋼板牙熱處理工藝曲線板牙第31頁/共51頁W18Cr4V的生產(chǎn)工藝及熱處理鑄造 鍛造 球化退火 機(jī)加工 淬火+三次高溫回火 磨削加工刃具用鋼 高合金刃具鋼：（高速鋼） W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2第32頁/共51頁 W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織W18Cr4V鑄態(tài)組織 420 鑄造:高速鋼屬于萊氏體鋼,鑄態(tài)組織中含有大量呈魚骨狀分布的粗大共晶碳化物M6C,鋼的韌性大幅下降。

17、第33頁/共51頁鍛造:魚骨狀碳化物不能用熱處理（正火）來消除, 只能依靠反復(fù)多次鍛打來擊碎。W18Cr4V鍛造組織 210 第34頁/共51頁球化退火:消除應(yīng)力, 降低硬度，便于機(jī)加工, 調(diào)整組織,為淬火作好組織準(zhǔn)備。 球化退火后的組織 : S + 粒狀 Cm球化退火溫度830880易于機(jī)械加工。 W18Cr4V球化退火組織 420 第35頁/共51頁淬火 : 12001300 淬火后的組織:M+Cm+AR(2025%)（溫度高）高速鋼淬火溫度高的原因：讓C和Me充分溶入A，淬火后得到高合金馬氏體高溫回火時(shí)產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，提高硬度提高紅硬性第36頁/共51頁三次高溫回火在560回火時(shí) ,

18、產(chǎn)生二次硬化多次回火,獲得更多碳化物析出 讓殘余奧氏體轉(zhuǎn)變。回火組織： S回+碳化物+Ar ( 1 2 % )*淬火后A殘約2025 %。*第一次回火后A殘約剩1518 %。*第二次回火后A殘約剩35 %。*第三次回火后A殘約剩12 %。組織硬度為HRC65以上。第37頁/共51頁 W18Cr4V鋼的熱處理過程示意圖進(jìn)展:現(xiàn)在對(duì)這種熱處理工藝還不滿意,對(duì)高速鋼淬火+回火后,再進(jìn)行TiN沉積第38頁/共51頁四.工具熱處理4.2 冷作模具熱處理v 性能要求:高硬度（HRC5060）；高耐磨性、強(qiáng)度和韌性；熱處理變形小;汽車沖壓模具v 應(yīng)用:冷沖模、冷鐓模、冷擠模、搓絲板等v 冷作模具用鋼:碳素工

19、具鋼：T7T8低合金工具鋼： 9SiCr、9Mn2V、CrWMn或GCr15高合金工具鋼： Cr12、Cr12MoV（ C1.4%2.3%、 Cr11%12%）第39頁/共51頁 Cr12型冷作模具鋼的熱處理（ C1.4%2.3%、Cr11%12%）球化退火 冷作模具鋼鑄態(tài)組織極不均勻,含有大量共晶碳化物，需反復(fù)鍛打后退火處理。 球化退火溫度830880，獲得細(xì)化碳化物+珠光體組織，易于機(jī)械加工。淬火+回火 一次硬化法： 較低溫度淬火（980）低溫回火 回火組織為M回+碳化物+Ar 二次硬化法： 較高溫度淬火（1050）23次高溫回火 回火組織為S回+碳化物+Ar(少量）第40頁/共51頁四.

20、工具熱處理4.3 熱作模具熱處理v 性能要求:v 應(yīng)用:v 熱作模具用鋼:使熱金屬或液態(tài)金屬成型的模具，包括熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模等。高的熱硬性、高溫耐磨性;高的熱強(qiáng)性和足夠高的韌性;高的熱疲勞抗力和導(dǎo)熱性; 中碳 0.30.6 %;熱變形模具鋼，5CrNiMo、5CrMnMo壓鑄模具，3Cr2W8V第41頁/共51頁 5 CrMnMo熱處理: 熱處理工藝: 完全退火 淬火 550回火 曲軸模具熱處理后的組織: S回第42頁/共51頁 3 Cr2W8V鋼熱處理: 熱處理工藝: 淬火 + 550三次回火 回火時(shí)二次硬化現(xiàn)象HRC47 第43頁/共51頁四.工具熱處理4.4 量具熱處理v 性能要求:v 量具用鋼:高的硬度（HRC62）和耐磨性，熱處理變形小、尺寸穩(wěn)定，保證尺寸精度。卡 尺量 規(guī)千分尺碳素工具鋼：T8T12低合金工具鋼：淬透性高，用于精度要求較高的量具。 CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr第44頁/共51頁千分尺卡尺特點(diǎn)特點(diǎn) 預(yù)備熱處理組織為球化退火或調(diào)質(zhì)處理組織。預(yù)備熱處理組織為球化退火或調(diào)質(zhì)處理組織。 下限溫度淬火及冷處理，目的是減少下限溫度淬火及冷處理，目的是減少A A。 長時(shí)間低溫時(shí)效，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低馬氏體的正方度。長時(shí)間低溫時(shí)效，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低馬氏體