機械制造典型工藝的金屬材料與熱處理

1、機械制造典型工藝熱處理基礎知識 北華大學機械工程學院北華大學機械工程學院機械類培訓內(nèi)容題綱 以典型的軸類零件和箱體類零件為例分別從以下幾個方面進行介紹其制造工藝特性 功能用途、結構特點及主要的技術要求（如尺寸精度、幾何形狀精度、位置精度、表面粗糙度等等）常用材料及熱處理針對軸類零件和箱體類零件表面的結構特點及技術要求進行工藝過程分析與介紹 定位基準選擇 主要表面加工方法的選擇 加工階段劃分要求 熱處理工藝的安排 加工順序一、預備知識1.簡單的熱處理知識2.常用金屬材料3.公差與配合常識4.六點定位原理二、軸類零件加工工藝1.軸的功用與類型2.加工工藝3.舉例三、箱體類零件加工工藝1.箱體類零件

2、的特點2.“一面兩孔”定位3.應用舉例第一課 簡單的熱處理知識鐵碳平衡圖 （iron-carbon equilibrium diagram ），又稱鐵碳相圖或鐵碳狀態(tài)圖。它以溫度為縱坐標，碳含量為橫坐標,表示在接近平衡條件（鐵-石墨）和亞穩(wěn)條件（鐵碳化鐵）下（或極緩慢的冷卻條件下）以鐵、碳為組元的二元合金在不同溫度下所呈現(xiàn)的相和這些相之間的平衡關系。 鐵碳平衡圖 早在 1868 年，俄國學者切爾諾夫就注意到只有把鋼加熱到某一溫度”a”以上再快冷,才能使鋼淬硬,從而有了臨界點的概念。至18871892年奧斯蒙等利用熱分析法和金相法發(fā)現(xiàn)鐵的加熱和冷卻曲線上出現(xiàn)兩個駐點，即臨界點A3和A2，它們的溫

3、度視加熱或冷卻 (分別以Ac和Ar表示)過程而異。奧斯蒙認為這表明鐵有同素異構體，他稱在室溫至A2溫度之間保持穩(wěn)定的相為鐵；A2A3間為鐵；A3以上為鐵。 1895年，他又進一步證明，如鐵中含有少量碳,則在690或710左右出現(xiàn)臨界點,即Ar1點,標志在此溫度以上碳溶解在鐵中,而在低于這一溫度時,碳以滲碳體形式由固溶體中分解出來,隨鐵中碳量提高，Ar3下降而與Ar2相合,然后斷續(xù)下降，至含碳為0.80.9時與Ar1合為一點。 1904年又發(fā)現(xiàn)A4至熔點間為鐵。以上述臨界點工作的成果為基礎，1899年羅伯茨奧斯汀制定了第一張鐵碳相圖；而洛茲本 更首先在合金系統(tǒng)中應用吉布斯相律,于1990年制定出

4、較完整的鐵碳平衡圖。 隨著科學技術的發(fā)展，鐵碳平衡圖不斷得到修訂，日臻完善。目前采用的鐵碳平衡圖示于圖1，圖中各重要點的溫度、濃度及含義如下表所列。當鐵中含碳量不同時，得到的典型組織如圖2所示。鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝包括退火、正火、淬火、回火和表面熱處理等方法。其中回火又包括高溫回火、中溫回火和低溫回火。 鋼的回火 將已經(jīng)淬火的鋼重新加熱到一定溫度，再用一定方法冷卻稱為回火。其目的是消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應力，降低硬度和脆性，以取得預期的力學性能。 回火時以降低了硬度和脆性，換取較好的韌性調(diào)質(zhì)（quenching and high temperature tempering）即淬

5、火和高溫回火的綜合熱處理工藝。 調(diào)質(zhì)件大都在比較大的動載荷作用下工作，它們承受著拉伸、壓縮、彎曲、扭轉或剪切的作用，有的表面還具有摩擦，要求有一定的耐磨性等等?？傊?，零件處在各種復合應力下工作。這類零件主要為各種機器和機構的結構件，如軸類、連桿、螺栓、齒輪等，在機床、汽車和拖拉機等制造工業(yè)中用得很普遍。尤其是對于重型機器制造中的大型部件，調(diào)質(zhì)處理用得更多。因此，調(diào)質(zhì)處理在熱處理中占有很重要的位置。 在機械產(chǎn)品中的調(diào)質(zhì)件，因其受力條件不同，對其所要求的性能也就不完全一樣。一般說來，各種調(diào)質(zhì)件都應具有優(yōu)良的綜合力學性能，即高強度和高韌性的適當配合，以保證零件長期順利工作。 調(diào)質(zhì)通常指淬火高溫回火，

6、以獲得回火索氏體的熱處理工藝。方法也就是先淬火，淬火溫度：亞共析鋼為Ac3+3050；過共析鋼為Ac1+3050；合金鋼可比碳鋼稍稍提高一點。淬火后在500650進行回火即可。調(diào)質(zhì)的主要目的是得到強度、塑性、韌性都比較好的綜合機械性能。 但是,同時應該注意,還有調(diào)質(zhì)鋼這一說，調(diào)質(zhì)鋼是在冶煉鋼材時候加錳,硅進行的過程，要注意區(qū)別。 退火anneal; annealing; backout 退火 是一種金屬熱處理工藝，指的是將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻。目的 是降低硬度，改善切削加工性；消除殘余應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向；細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。退火

7、定義將金屬緩慢加熱到一定溫度，保持足夠時間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻，有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的是使經(jīng)過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化，改善塑性和韌性，使化學成分均勻化，去除殘余應力，或得到預期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種，如重結晶退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去除應力退火、再結晶退火，以及穩(wěn)定化退火、磁場退火等等。 1、金屬工具使用時因受熱而失去原有的硬度。 2、把金屬材料或工件加熱到一定溫度并持續(xù)一定時間后，使緩慢冷卻。退火可以減低金屬硬度和脆性，增加可塑性。也叫燜火。退火的目的退火的目的(1) 降低硬度，改善切削加工性； (2)消

8、除殘余應力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與裂紋傾向； (3)細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。 在生產(chǎn)中，退火工藝應用很廣泛。根據(jù)工件要求退火的目的不同，退火的工藝規(guī)范有多種，常用的有完全退火、球化退火、和去應力退火等。 退火方法退火方法 退火的一個最主要工藝參數(shù)是最高加熱溫度（退火溫度），大多數(shù)合金的退火加熱溫度的選擇是以該合金系的相圖為基礎的,如碳素鋼以鐵碳平衡圖為基礎。各種鋼(包括碳素鋼及合金鋼)的退火溫度，視具體退火目的的不同而在各該鋼種的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一溫度。各種非鐵合金的退火溫度則在各該合金的固相線溫度以下、固溶度線溫度以上或以下的某一溫度。重結晶退火重結晶退火 應用于平衡

9、加熱和冷卻時有固態(tài)相變(重結晶)發(fā)生的合金。其退火溫度為各該合金的相變溫度區(qū)間以上或以內(nèi)的某一溫度。 加熱和冷卻都是緩慢的。 合金于加熱和冷卻過程中各發(fā)生一次相變重結晶，故稱為重結晶退火，常被簡稱為退火。 這種退火方法，相當普遍地應用于鋼。鋼的重結晶退火工藝是: 緩慢加熱到Ac3（亞共析鋼）或Ac1（共析鋼或過共析鋼）以上3050，保持適當時間，然后緩慢冷卻下來。 通過加熱過程中發(fā)生的珠光體（或者還有先共析的鐵素體或滲碳體）轉變?yōu)閵W氏體（第一回相變重結晶）以及冷卻過程中發(fā)生的與此相反的第二回相變重結晶，形成晶粒較細、片層較厚、組織均勻的珠光體(或者還有先共析鐵素體或滲碳體)。 退火溫度退火溫度

10、在Ac3以上（亞共析鋼）使鋼發(fā)生完全的重結晶者，稱為完全退火完全退火，退火溫度在Ac1與Ac3之間 (亞共析鋼)或Ac1與Acm之間（過共析鋼）,使鋼發(fā)生部分的重結晶者,稱為不完全退火不完全退火。 前者主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛軋件、焊件，以消除組織缺陷（如魏氏組織、帶狀組織等），使組織變細和變均勻，以提高鋼件的塑性和韌性。后者主要用于中碳和高碳鋼及低合金結構鋼的鍛軋件。此種鍛、軋件若鍛、軋后的冷卻速度較大時，形成的珠光體較細、硬度較高；若停鍛、停軋溫度過低，鋼件中還有大的內(nèi)應力。此時可用不完全退火代替完全退火，使珠光體發(fā)生重結晶,晶粒變細，同時也降低硬度，消除內(nèi)應力,改善被切削性。此外,退火

11、溫度在Ac1與Acm之間的過共析鋼球化退火,也是不完全退火。重結晶退火也用于非鐵合金，例如鈦合金于加熱和冷卻時發(fā)生同素異構轉變，低溫為 相(密排六方結構)，高溫為 相（體心立方結構），其中間是“”兩相區(qū)，即相變溫度區(qū)間。為了得到接近平衡的室溫穩(wěn)定組織和細化晶粒，也進行重結晶退火，即緩慢加熱到高于相變溫度區(qū)間不多的溫度，保溫適當時間，使合金轉變?yōu)橄嗟募毿【Я＃蝗缓缶徛鋮s下來，使相再轉變?yōu)橄嗷騼上嗟募毿【Я！?等溫退火等溫退火應用于鋼和某些非鐵合金如鈦合金的一種控制冷卻的退火方法。對鋼來說，是緩慢加熱到 Ac3（亞共析鋼）或 Ac1（共析鋼和過共析鋼）以上不多的溫度，保溫一段時間,使鋼奧氏體化,

12、然后迅速移入溫度在A1以下不多的另一爐內(nèi)，等溫保持直到奧氏體全部轉變?yōu)槠瑢訝钪楣怏w（亞共析鋼還有先共析鐵素體；過共析鋼還有先共析滲碳體）為止，最后以任意速度冷卻下來(通常是出爐在空氣中冷卻)。等溫保持的大致溫度范圍在所處理鋼種的等溫轉變圖上A1至珠光體轉變鼻尖溫度這一區(qū)間之內(nèi)(見過冷奧氏體轉變圖)；具體溫度和時間，主要根據(jù)退火后所要求的硬度來確定。 等溫溫度不可過低或過高，過低則退火后硬度偏高；過高則等溫保持時間需要延長。鋼的等溫退火的目的，與重結晶退火基本相同,但工藝操作和所需設備都比較復雜,所以通常主要是應用于過冷奧氏體在珠光體型相變溫度區(qū)間轉變相當緩慢的合金鋼。后者若采用重結晶退火方法，

13、往往需要數(shù)十小時，很不經(jīng)濟；采用等溫退火則能大大縮短生產(chǎn)周期，并能使整個工件獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火也可在鋼的熱加工的不同階段來用。例如,若讓空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫時，當心部轉變?yōu)轳R氏體之時，在已發(fā)生了馬氏體相變的外層就會出現(xiàn)裂紋;若將該類鋼的熱鋼錠或鋼坯在冷卻過程中放入700左右的等溫爐內(nèi)，保持等溫直到珠光體相變完成后，再出爐空冷，則可免生裂紋。 含相穩(wěn)定化元素較高的鈦合金，其相相當穩(wěn)定，容易被過冷。過冷的相，其等溫轉變動力學曲線與鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖相似。為了縮短重結晶退火的生產(chǎn)周期并獲得更細、更均勻的組織，亦可采用等溫退火。 均勻化退火均勻化退火 亦稱擴散退火。應

14、用于鋼及非鐵合金（如錫青銅、硅青銅、白銅、鎂合金等）的鑄錠或鑄件的一種退火方法。將鑄錠或鑄件加熱到各該合金的固相線溫度以下的某一較高溫度,長時間保溫,然后緩慢冷卻下來。均勻化退火是使合金中的元素發(fā)生固態(tài)擴散，來減輕化學成分不均勻性（偏析），主要是減輕晶粒尺度內(nèi)的化學成分不均勻性（晶內(nèi)偏析或稱枝晶偏析）。均勻化退火溫度所以如此之高，是為了加快合金元素擴散，盡可能縮短保溫時間。合金鋼的均勻化退火溫度遠高于Ac3，通常是10501200。非鐵合金錠進行均勻化退火的溫度一般是“0.95固相線溫度(K)”,均勻化退火因加熱溫度高，保溫時間長，所以熱能消耗量大。 球化退火球化退火 只應用于鋼的一種退火方法

15、。將鋼加熱到稍低于或稍高于Ac1的溫度或者使溫度在A1上下周期變化，然后緩冷下來。目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄?，均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、被切削性好、冷形變能力大。對工具鋼來說，這種組織是淬火前最好的原始組織。 球化退火的具體工藝球化退火的具體工藝普通（緩冷）球化退火，緩冷適用于多數(shù)鋼種，尤其是裝爐量大時，操作比較方便，但生產(chǎn)周期長；等溫球化退火，適用于多數(shù)鋼種，特別是難于球化的鋼以及球化質(zhì)量要求高的鋼（如滾動軸承鋼）；其生產(chǎn)周期比普通球化退火短，不過需要有能夠控制共析轉變前冷卻速率的爐子；周期球化退火，

16、適用于原始組織為片層狀珠光體組織的鋼，其生產(chǎn)周期也比普通球化退火短，不過在設備裝爐量大的條件下，很難按控制要求改變溫度，故在生產(chǎn)中未廣泛采用；低溫球化退火），適用于經(jīng)過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼（后者通常稱為高溫軟化回火）；形變球化退火，形變加工對球化有加速作用,將形變加工與球化結合起來,可縮短球化時間。它適用于冷、熱形變成形的鋼件和鋼材（如帶材再結晶退火工藝再結晶退火工藝應用于經(jīng)過冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法。目的為使金屬內(nèi)部組織變?yōu)榧毿〉牡容S晶粒，消除形變硬化，恢復金屬或合金的塑性和形變能力（回復和再結晶）。若欲保持金屬或合金表面光亮，則可在可控氣氛的爐中或真空爐中進行再結晶

17、退火。 去除應力退火 鑄、鍛、焊件在冷卻時由于各部位冷卻速度不同而產(chǎn)生內(nèi)應力，金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過程中也產(chǎn)生內(nèi)應力。若內(nèi)應力較大而未及時予以去除，常導致工件變形甚至形成裂紋。去除應力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度（例如，灰口鑄鐵是500550，鋼是500650），保溫一段時間,使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷下來。應該指出,去除應力退火并不能將內(nèi)應力完全去除，而只是部分去除，從而消除它的有害作用。 還有一些專用退火方法，如不銹耐酸鋼穩(wěn)定化退火；軟磁合金磁場退火；硅鋼片氫氣退火；可鍛鑄鐵可鍛化退火等。退火的目的在于：改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中所造成的各種組織

18、缺陷以及殘余應力，防止工件變形、開裂。軟化工件以便進行切削加工。細化晶粒，改善組織以提高工件的機械性能。為最終熱處理（淬火、回火）作好組織準備?？偨Y總結常用的退火工藝有：完全退火。用以細化中、低碳鋼經(jīng)鑄造、鍛壓和焊接后出現(xiàn)的力學性能不佳的粗大過熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉變?yōu)閵W氏體的溫度以上3050，保溫一段時間，然后隨爐緩慢冷卻，在冷卻過程中奧氏體再次發(fā)生轉變，即可使鋼的組織變細。球化退火。用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度。將工件加熱到鋼開始形成奧氏體的溫度以上2040，保溫后緩慢冷卻，在冷卻過程中珠光體中的片層狀滲碳體變?yōu)榍驙睿瑥亩档土擞捕?。等溫退火。用以降低某些鎳、鉻含量較高

19、的合金結構鋼的高硬度，以進行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩(wěn)定的溫度，保溫適當時間，奧氏體轉變?yōu)橥惺象w或索氏體，硬度即可降低。再結晶退火。用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過程中的硬化現(xiàn)象（硬度升高、塑性下降）。加熱溫度一般為鋼開始形成奧氏體的溫度以下50150 ，只有這樣才能消除加工硬化效應使金屬軟化。石墨化退火。用以使含有大量滲碳體的鑄鐵變成塑性良好的可鍛鑄鐵。工藝操作是將鑄件加熱到950左右 ，保溫一定時間后適當冷卻 ，使?jié)B碳體分解形成團絮狀石墨。擴散退火。用以使合金鑄件化學成分均勻化，提高其使用性能。方法是在不發(fā)生熔化的前提下 ，將鑄件加熱到盡可能高的溫度，并長時間保溫，待

20、合金中各種元素擴散趨于均勻分布后緩冷。去應力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內(nèi)應力。對于鋼鐵制品加熱后開始形成奧氏體的溫度以下100200，保溫后在空氣中冷卻，即可消除內(nèi)應力。 淬火淬火 quench; quenching; chilling鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上某一溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。 淬火目的淬火目的 淬火的目的是使過冷奧氏體

21、進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。 淬火工藝淬火工藝將金屬工件加熱到某一適當溫度并保持一段時間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、滲碳零件等）。通過淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬的強度、韌性及疲勞強度，并可獲得這些性能之間的配合

22、（綜合機械性能）以滿足不同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學性能，如淬火使永磁鋼增強其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼在加熱到臨界溫度以上時，原有在室溫下的組織將全部或大部轉變?yōu)閵W氏體。隨后將鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬度最高。淬火時的快速冷卻會使工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力，當其大到一定程度時工件便會發(fā)生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據(jù)冷卻方法，淬火工藝分為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火4類。 淬火工件的硬度淬火工件的硬度淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一

23、般采用洛氏硬度計，測試HRC硬度。淬火的薄硬鋼板和表面淬火工件可測試HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計，測試HRN硬度。 在焊接中碳鋼和某些合金鋼時，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設法防止的。 由于淬火后金屬硬而脆，產(chǎn)生的表面殘余應力會造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎上，消除冷裂紋的手段之一。 淬火對厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對于過大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在同樣問題，此時應考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強度。 淬火是鋼鐵材料強化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固

24、溶體組織中最硬的相(表1)，故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內(nèi)部有較大的淬火內(nèi)應力，因而不宜直接應用，必須進行回火。 淬火工藝的應用淬火工藝的應用淬火工藝在現(xiàn)代機械制造工業(yè)得到廣泛的應用。機械中重要零件，尤其在汽車、飛機、火箭中應用的鋼件幾乎都經(jīng)過淬火處理。為滿足各種零件干差萬別的技術要求，發(fā)展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火；按加熱時相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火(對于亞共析鋼，該法又稱亞臨界淬火)；按冷卻時相變的內(nèi)容，有分級淬火，等溫淬火和欠速淬火等。 工藝過程 包括加熱、保溫、冷卻3個階段。下面以鋼的淬火為例，

25、介紹上述三個階段工藝參數(shù)選擇的原則。 淬火加熱溫度淬火加熱溫度以鋼的相變臨界點為依據(jù)，加熱時要形成細小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細小馬氏體組織。 淬火溫度選擇原則適用于大多數(shù)合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上3050。從圖上看，高溫下鋼的狀態(tài)處在單相奧氏體(A)區(qū)內(nèi)，故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高于Ac1、低于Ac3溫度，則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉變成奧氏體，即為不完全(或亞臨界)淬火。過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上3050，這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區(qū)。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這-組織

26、狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。對于過共析鋼，若加熱溫度過高，先共析滲碳體溶解過多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發(fā)生長大，奧氏體碳含量也增加。淬火后，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態(tài)微區(qū)內(nèi)應力增加，微裂紋增多，零件的變形和開裂傾向增加；由于奧氏體碳濃度高，馬氏體點下降，殘留奧氏體量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。實際生產(chǎn)中，加熱溫度的選擇要根據(jù)具體情況加以調(diào)整。如亞共析鋼中碳含量為下限，當裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時可選用溫度上限；若工件形狀復雜，變形要求嚴格等要采用溫度下限。 表2常用鋼種淬火的加熱溫度淬火保溫淬火保溫淬火保溫時間 由設備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設備功率等多種因素確

27、定。對整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對各類淬火，其保溫時間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。 加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶?？刂圃?8級。 淬火冷卻淬火冷卻要使鋼中高溫相奧氏體在冷卻過程中轉變成低溫亞穩(wěn)相馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中，表面與心部的冷卻速度有一定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉變成馬氏體的情況。 為保證整個截面上都轉變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足

28、夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。 冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關鍵環(huán)節(jié)。 淬火方式淬火方式單介質(zhì)淬火單介質(zhì)淬火工件在一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬。優(yōu)點是操作簡單，易于實現(xiàn)機械化，應用廣泛。缺點是在水中淬火應力大，工件容易變形開裂；在油中淬火，冷卻速度小，淬透直徑小，大型工件不易淬透。雙介質(zhì)淬火雙介質(zhì)淬火工件先在較強冷卻能力介質(zhì)中冷卻到300左右，再在一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬，可有效減少馬氏

29、體轉變的內(nèi)應力，減小工件變形開裂的傾向，可用于形狀復雜、截面不均勻的工件淬火。雙液淬火的缺點是難以掌握雙液轉換的時刻，轉換過早容易淬不硬，轉換過遲又容易淬裂。為了克服這一缺點，發(fā)展了分級淬火法。分級淬火分級淬火工件在低溫鹽浴或堿浴爐中淬火，鹽浴或堿浴的溫度在Ms點附近，工件在這一溫度停留2min5min，然后取出空冷，這種冷卻方式叫分級淬火。分級冷卻的目的，是為了使工件內(nèi)外溫度較為均勻，同時進行馬氏體轉變，可以大大減小淬火應力，防止變形開裂。分級溫度以前都定在略高于Ms點，工件內(nèi)外溫度均勻以后進入馬氏體區(qū)。現(xiàn)在改進為在略低于Ms點的溫度分級。實踐表明，在Ms點以下分級的效果更好。例如，高碳鋼模

30、具在160的堿浴中分級淬火，既能淬硬，變形又小，所以應用很廣泛。 等溫淬火等溫淬火工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在貝氏體區(qū)的下部(稍高于Ms)，工件等溫停留較長時間，直到貝氏體轉變結束，取出空冷。等溫淬火用于中碳以上的鋼，目的是為了獲得下貝氏體，以提高強度、硬度、韌性和耐磨性。低碳鋼一般不采用等溫淬火。 表面淬火表面淬火表面淬火是將剛件的表面層淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火的方法。表面淬火時通過快速加熱，使剛件表面很快到淬火的溫度，在熱量來不及穿到工件心部就立即冷卻，實現(xiàn)局部淬火。 感應淬火感應淬火感應加熱就是利用電磁感應在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流而將工件進行加熱。 正火 no

31、rmalization; normalizing 正火，又稱?；菍⒐ぜ訜嶂罙c3或Accm以上3050，保溫一段時間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風冷卻的金屬熱處理工藝。其目的是在于使晶粒細化和碳化物分布均勻化。正火與退火的不同點是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而正火組織要比退火組織更細一些，其機械性能也有所提高。另外，正火爐外冷卻不占用設備，生產(chǎn)率較高，因此生產(chǎn)中盡可能采用正火來代替退火。正火后的組織：亞共析鋼為F+S，共析鋼為S，過共析鋼為S+二次滲碳體，且為不連續(xù)。 正火主要用于鋼鐵工件。一般鋼鐵正火與退火相似，但冷卻速度稍大，組織較細。有些臨界冷卻速度（見淬火）很小的

32、鋼，在空氣中冷卻就可以使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體，這種處理不屬于正火性質(zhì)，而稱為空冷淬火。與此相反，一些用臨界冷卻速度較大的鋼制作的大截面工件，即使在水中淬火也不能得到馬氏體，淬火的效果接近正火。鋼正火后的硬度比退火高。正火時不必像退火那樣使工件隨爐冷卻，占用爐子時間短，生產(chǎn)效率高，所以在生產(chǎn)中一般盡可能用正火代替退火。對于含碳量低于0.25的低碳鋼，正火后達到的硬度適中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火為切削加工作準備。對含碳量為0.250.5的中碳鋼，正火后也可以滿足切削加工的要求。對于用這類鋼制作的輕載荷零件，正火還可以作為最終熱處理。高碳工具鋼和軸承鋼正火是為了消除組織中的網(wǎng)狀碳化物，為

33、球化退火作組織準備。 鋼件的熱處理工藝正火 鋼的熱處理種類分為整體熱處理和表面熱處理兩大類。常用的整體熱處理有退火，正火、淬火和回火；表面熱處理可分為表面淬火與化學熱處理兩類。 正火是將鋼件加熱到臨界溫度以上30-50,保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火的主要目的是細化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態(tài)的組織。 正火與退火工藝相比，其主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產(chǎn)周期短。故退火與正火同樣能達到零件性能要求時，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一般都采用正火熱處理。一般合金鋼坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于

34、切削加工。 正火的主要應用范圍有：用于低碳鋼，正火后硬度略高于退火，韌性也較好，可作為切削加工的預處理。用于中碳鋼，可代替調(diào)質(zhì)處理作為最后熱處理，也可作為用感應加熱方法進行表面淬火前的預備處理。用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等，可以消降或抑制網(wǎng)狀碳化物的形成，從而得到球化退火所需的良好組織。用于鑄鋼件，可以細化鑄態(tài)組織，改善切削加工性能。用于大型鍛件，可作為最后熱處理，從而避免淬火時較大的開裂傾向。用于球墨鑄鐵，使硬度、強度、耐磨性得到提高，如用于制造汽車、拖拉機、柴油機的曲軸、連桿等重要零件。 過共析鋼球化退火前進行一次正火，可消除網(wǎng)狀二次滲碳體，以保證球化退火時滲碳體全部球?；?回火temp

35、ering 回火是工件淬硬后加熱到AC1以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火一般緊接著淬火進行，其目的是： (a)消除工件淬火時產(chǎn)生的殘留應力，防止變形和開裂；(b)調(diào)整工件的硬度、強度、塑性和韌性，達到使用性能要求；(c)穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度；(d)改善和提高加工性能。因此，回火是工件獲得所需性能的最后一道重要工序。 按回火溫度范圍，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。 (1)低溫回火低溫回火工件在250以下進行的回火。 目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性 回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時得到的組織。 力學性能：5864

36、HRC，高的硬度和耐磨性。 應用范圍：刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火的零件等。 (2)中溫回火中溫回火工件在250500 之間進行的回火。 目的是得到較高的彈性和屈服點，適當?shù)捻g性。 回火后得到回火托氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細小球狀碳化物（或滲碳體）的復相組織。 力學性能：3550HRC，較高的彈性極限、屈服點和一定的韌性。 應用范圍：彈簧、鍛模、沖擊工具等。 (3)高溫回火高溫回火工件在500以上進行的回火。 目的是得到強度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。 回火后得到回火索氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內(nèi)分布著細小球狀碳化物（包括滲碳體）的復相組織

37、。 力學性能：200350HBS，較好的綜合力學性能。 應用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。 工件淬火并高溫回火的復合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)不僅作最終熱處理，也可作一些精密零件或感應淬火件預先熱處理。 45鋼正火和調(diào)質(zhì)后性能比較見下表所示。 45鋼(20mm40mm)正火和調(diào)質(zhì)后性能比較 注意事項 將淬火成馬氏體的鋼加熱到臨界點A A1以下某個溫度，保溫適當時間，再冷到室溫的一種熱處理工藝?；鼗鸬哪康脑谟谙慊饝?，使鋼的組織轉變?yōu)橄鄬Ψ€(wěn)定狀態(tài)。在不降低或適當降低鋼的硬度和強度的條件下改善鋼的塑性和韌性，以獲得所希望的性能。中碳和高碳鋼淬火后通常硬度很

38、高，但很脆，一般需經(jīng)回火處理才能使用。鋼中的淬火馬氏體，是碳在-Fe中的過飽和固溶體,具有體心正方結構，其正方度c/a隨含碳量的增加而增大(c/a=1+0.045wtC)。馬氏體組織在熱力學上是不穩(wěn)定的，有向穩(wěn)定組織過渡的趨勢。許多鋼淬火后還有一定量的殘留奧氏體，也是不穩(wěn)定的，回火過程中將發(fā)生轉變。因此，回火過程本質(zhì)上是在一定溫度范圍內(nèi)加熱粹火鋼，使鋼中的熱力學不穩(wěn)定組織結構向穩(wěn)定狀態(tài)過渡的復雜轉變過程。轉變的內(nèi)容和形式則視淬火鋼的化學成分和組織，以及加熱溫度而有所不同。 熱處理知識 退火： Th 加熱-保溫-隨爐冷卻 用來消除鑄、鍛、焊零件的內(nèi)應力，降低硬度，以利切削加工，細化晶粒，改善組織

39、，增加韌性熱處理知識 正火： Z 加熱-保溫-空氣冷卻 用于處理低碳鋼、中碳結構鋼及滲碳零件，細化晶粒，曾加強度與韌性，減少內(nèi)應力，改善切削性能 熱處理知識 淬火： C C48(淬火回火45-50HRC) 加熱-保溫-急冷 提高機件強度及耐磨性。但淬火后引起內(nèi)應力，使鋼變脆，所以淬火后回火熱處理知識 調(diào)質(zhì)： T T235（調(diào)質(zhì)至HB220-250） 淬火-高溫回火 提高韌性及強度。重要的齒輪、軸及絲杠等零件需要調(diào)質(zhì)熱處理知識 高頻淬火： G G52（高頻淬火后回火至50-55HRC） 用高頻電流將零件表面加熱-急速冷卻 提高機件表面的硬度及耐磨性，而心部保持一定的韌性，使零件既耐磨又能承受沖擊

40、，常用來處理齒輪中頻或高頻交流電 (1000-300000Hz或更高)工頻（50Hz）熱處理知識 滲碳淬火： S-C S0.5-C59（滲碳層深0.5，淬火硬度56-62HRC） 將零件在滲碳中加熱，使?jié)B入鋼的表面后，在淬火回火 滲碳深度0.5-2mm 提高機件表面的硬度、耐磨性、抗拉強度等適用于低碳、中碳（C0.40%）結構鋼的中小型零件熱處理知識 氮化： D D0.3-900 （氮化深度0.3，硬度大于HV850）將零件放入氨氣內(nèi)加熱，使氮原子滲入到鋼表面。氮化層0.025-0.8mm，氮化時間40-50小時 提高機件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕能力。適用于合金鋼、碳鋼、鑄鐵件，如機

41、床主軸、絲杠、重要液壓元件中的零件38CrMoAl鋁在高溫下對氮原子有親和作用熱處理知識 氰化： Q Q59（氫化淬火后，回火至26-62HRC） 鋼件在碳、氮中加熱，使碳、氮原子同時滲入鋼表面?？傻玫?.2-0.5氫化層 提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度和耐蝕性，用于要求硬度高、耐磨的中小型、薄片零件及刀具等熱處理知識 時效： 時效處理 機件精加工前，加熱到100-150后，保溫5-20小時-空氣冷卻，鑄件可天然時效（露天放一年以上） 消除內(nèi)應力，穩(wěn)定機件形狀和尺寸，常用于處理精密機件，如精密軸承、精密絲杠等表面處理 發(fā)藍發(fā)黑： 發(fā)藍或發(fā)黑 將零件置于氧化劑內(nèi)加熱氧化，使表面形成一層氧化鐵保護

42、膜 防腐蝕、美化，如用于螺紋連接件表面處理 鍍鎳： 使用電解方法，在鋼件表面鍍一層鎳 防腐蝕、美化 鍍鉻： 使用電解方法，在鋼件表面鍍一層鉻 提高表面硬度、耐磨性和耐蝕能力，也用于修復零件上磨損了的表面鉻：裝飾鎘：硬度鍍鎳、鍍銅做底層硬度知識 依測定方法不同而有布氏、洛氏、維氏等幾種HB（布氏硬度）、HRC（洛氏硬度）、HV（維氏硬度） 1.材料抵抗硬物壓入其表面的能力 2. 檢驗材料經(jīng)熱處理后的機械性能 3.硬度HB用于退火、正火、調(diào)質(zhì)的零件及鑄件。 4. HRC用于經(jīng)淬火、回火及表面滲碳、滲氮等處理的零件。 5.HV用于薄層硬化零件 HB是用一定的力將一定直徑（2.5、5、10）的鋼球壓向

43、被測材料的表面，然后測量被測材料表面鋼球壓痕的直徑以判斷材料的硬度。 材料的原始狀態(tài)和鋼材的退火、正火或調(diào)質(zhì)常用HB。 HR有A、B 、C3三種。 A和C 用120度的金剛石正圓錐體作測頭， B用直徑1.588的鋼球作測頭。 測量方法都是先用一個預壓力將測頭壓在被測材料的表面，再施以主壓力，然后撤除主壓力，測量壓入深度判斷材料的硬度。 HV是對HR的一種改良。 因120度的正圓錐體不符合金剛石的晶體結構，不易磨好，所以HV將測頭改為棱圓椎體，頂端可以制作得非常精良。 測量方法同HR。 HRA和HV用來測量材料經(jīng)表面熱處理，如氮化、滲碳以后的表面硬度， HRC常用于測量淬火后硬度。 第二課 常用

44、金屬材料1. 碳素結構鋼2. 優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼3. 鉻鋼4. 鉻錳鈦鋼5. 鑄鋼6.灰鑄鐵7.球墨鑄鐵8.可鍛鑄鐵9.有色金屬及合金碳素結構鋼 Q215 A級、B級金屬構件、拉桿、套圈、鉚釘、螺栓、短軸、心軸、凸輪（載荷不大）、墊圈；滲碳零件及焊接件 Q235 A級、B級、C級、D級 金屬構件，心部強度要求不高的滲碳或氰化零件，吊鉤、拉桿、套圈、汽缸、齒輪、螺栓、螺母、連桿、輪軸、楔、蓋及焊接件“Q”為碳素結構鋼屈服點“屈”的漢語拼音首字母A3Q275 軸、軸銷、剎車桿、齒輪、螺栓、螺母、墊圈、連桿及其他強度較高的零件優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼 08F可塑性能好的零件： 管子、墊圈、滲碳件、氰化件 10 1

45、5 20 25 10拉桿、卡頭、墊圈、焊接件 15滲碳件、緊固件、沖模鍛件、化工貯器 20杠桿、軸套、鉤、螺釘、滲碳件、氰化件 25軸、輥子、連接器、緊固件中的螺栓、螺母 牌號的兩位數(shù)字表示平均碳的質(zhì)量分數(shù)萬分數(shù)F代表沸騰鋼含碳量在0.25%以下的為低碳鋼（滲碳鋼）板料拉伸08Al中碳鋼 30 曲軸、轉軸、軸銷、連桿、橫梁、星輪 35 曲軸、拉桿、搖桿、鍵、銷、螺栓 40 齒輪、齒條、鏈輪、凸輪、軋輥、曲柄軸 45 齒輪、軸、聯(lián)軸器、襯套、活塞銷、鏈輪 50 活塞桿、輪軸、齒輪、不重要的彈簧 55 齒輪、連桿、扁彈簧、軋輥、偏心輪、輪圈、輪緣 60 葉片、彈簧錳鋼 30Mn 螺栓、杠桿、制動板

46、 40Mn 用于承受疲勞載荷的零件，軸、曲軸、萬向聯(lián)軸器 50Mn 用于高負荷下耐磨的熱處理零件，齒輪、凸輪、摩擦片 60Mn 彈簧、發(fā)條推土機的鏟刃電動磨的磨片65Mn鉻鋼 15Cr 滲碳齒輪、凸輪、活塞銷、離合器 20Cr 較重要的滲碳件 30Cr 重要的調(diào)質(zhì)零件：輪軸、齒輪、搖桿、螺栓 40Cr 較重要的調(diào)質(zhì)零件：齒輪、進氣閥、輥子、軸 45Cr 強度及耐磨性高的軸、齒輪、螺栓鋼中加入一定量的合金元素，提高了鋼的力學性能和耐磨性，也提高了鋼的淬透性，保證金屬在較大截面上獲得高的力學性能鉻錳鈦鋼 18CrMnTi 汽車上重要滲碳件：齒輪 30CrMnTi 汽車、拖拉機上強度特高的滲碳齒輪

47、40CrMnTi 強度高、耐磨性高的大齒輪、主軸不銹鋼 1Cr18Ni9Ti 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13白鋼刀方 W18Cr4V2高速鋼一般含Cr大于13%的為不銹鋼，低于13%的為耐熱鋼鑄鋼 ZG25 機座、箱體、支架（萬分碳含量） ZG230-450 軋機機架、鐵道車輛搖枕、側梁、鐵錚臺、機座、箱體、錘輪、450以下的管路附件等為工程用鑄鋼 表示屈服點為230N/mm，抗拉強度450N/mm灰鑄鐵 HT 100 低強度鑄鐵：蓋、手輪、支架 HT 150 中強度鑄鐵：底座、刀架、軸承座、膠帶輪、端蓋 HT 200、HT 250 高強度鑄鐵：床身、機座、齒輪、凸輪、氣缸泵體

48、、聯(lián)軸器 HT 300、HT 350 高強度耐磨鑄鐵：齒輪、凸輪、重載荷床身、高壓泵、閥殼體、鍛模、冷沖壓模 “HT”表示灰鑄鐵，后面的數(shù)字表示抗拉強度值（N/mm）球墨鑄鐵 QT800-2、QT700-2、QT600-2 具有較高的強度，但塑性低：曲軸、凸輪軸、齒輪、氣缸、缸套、軋錕、水泵軸、活塞環(huán)、摩擦片 QT500-5、QT420-10、QT400-17 具有較高的塑性和適當?shù)膹姸龋糜诔惺軟_擊負荷的零件“QT”表示球墨鑄鐵，其后第一組數(shù)字表示抗拉強度值（N/mm），第二組數(shù)字表示延伸率（%）可鍛鑄鐵 KTH 300-06、KTH 330-08*、KTH 350-10、KTH 370-1

49、2* 黑心可鍛鑄鐵：用于承受沖擊震動的零件，如汽車、拖拉機、農(nóng)機鑄鐵 KTB 350-04、KTB 380-12、KTB400-05、KTB 450-07 白心可鍛鑄鐵：韌性較低，但強度高，耐磨性、加工性好?？纱娴汀⒅刑间摷暗秃辖痄摰闹匾慵?，如曲軸、連桿、機床附件等 “KT”表示可鍛鑄鐵，“H”表示黑心“B”表示白心，第一組數(shù)值表示抗拉強度（N/mm），第二組數(shù)值表示延伸率（%）（注：1.KTH300-06適用于氣密性零件。2.有*號的為推薦性牌號） 普通黃銅： H62 散熱器，墊圈，彈簧、各種網(wǎng)，螺釘?shù)?“H”表示黃銅，后面上的數(shù)字表示平均含銅量的百分數(shù) 鑄造黃銅： ZHMn 58-2-

50、2 軸瓦，軸套及其它耐磨零件 牌號的數(shù)字表示含銅、錳、鉛的平均百分數(shù)離心鑄造鑄造錫青銅 ZCuSn5Pb5Zn5 用于承受摩擦的零件，如軸承 “Z”為鑄造漢語拼音的首字母，各化學元素后面的數(shù)字表示該元素含量的百分數(shù)鑄造鋁青銅： ZCuAl9Mn2、ZCuAl10Fe3 強度高，減磨性、耐蝕性、鑄造性良好，可用于制造蝸輪、襯套和防銹零件 “Z”為鑄造漢語拼音的首字母，各化學元素后面的數(shù)字表示該元素含量的百分數(shù)鑄造鋁合金 ZL 201、ZL 301、ZL 401 載荷不大的薄壁零件，需保持固定尺寸的零件 ZL102表示含硅（10-13） % 、余量為鋁的鋁硅合金。 ZL202表示含銅（9-11）%

51、、余量為鋁的鋁銅合金硬鋁 LY 適用于中等強度的零件，焊接性能好切削刀具材料(1)刀具材料應具備的性能 高硬度。常溫硬度在HRC60以上。 足夠的強度和韌性。抗彎強度足夠，抵抗沖擊振動的韌性足夠。 高耐磨性。抵抗磨損能力高，保持刀刃鋒利 高熱硬性。高溫下保持高的硬度。 良好的工藝性。便于刀具制造和熱處理。(2)刀具材料種類A.普通刀具材料（a）碳素工具鋼 含碳量：0.7%-1.3%，硬度：HRC61-65，熱硬性：200-250，速度：0.1-0.2m/s。淬火后易變形和開裂，適用于簡單、低速的手工工具，如銼刀、鋸條、刮刀等。常用牌號：T10A、T12A。 T7、T8、T10、T10A、T12、T12A、T13含碳量增加、熱處理后的硬度不再增加，但耐磨性增加（b）合金工具鋼 碳素工具鋼中加入適量的鉻（Cr）、鎢（W）、錳（Mn）、硅（Si）等合金元素，提高材料的熱硬性、耐磨性和韌性。硬度：HRC61-65，熱硬性：300-350，速度0.25-0.3m/s。 淬火變形小、淬透性好。常用于制造形狀復雜、低速加工和要求熱處理變形小的刀具，如絲錐、板牙等。常用的牌號有CrWMn和9SiCr等。（c）高速鋼 高速鋼又稱白鋼、鋒（或風）鋼，鋼中加入鉻（Cr）、鎢（W）