金屬材料及熱處理知識

1、金屬材料及熱處理知識第1頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第四章鋼的熱處理第2頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三 了解鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變特點，掌握鋼的退火、正火、淬火和回火知識；熟悉鋼的表面熱處理、化學熱處理；了解熱處理新技術(shù)、金屬的表面防護與裝飾知識。第四章 鋼的熱處理第3頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三目 錄第一節(jié) 概述第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱與保溫時的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變第三節(jié) 鋼的退火和正火一、退火二、正火三、退火、正火的選用第四節(jié) 鋼的淬火和回火一、鋼的淬火二、鋼的回火

2、第五節(jié) 鋼的表面熱處理一、感應(yīng)加熱表面淬火二、火焰加熱表面淬火第四章 鋼的熱處理第4頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三目 錄第四章 鋼的熱處理第六節(jié) 鋼的化學熱處理一、滲碳二、滲氮（氮化）三、碳氮共滲四、氮碳共滲（軟氮化）第七節(jié) 熱處理新技術(shù)一、熱處理技術(shù)發(fā)展方向二、熱處理新技術(shù)簡介第八節(jié) 金屬表面防護與裝飾一、金屬的表面防護二、金屬的表面裝飾復習思考題第5頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第一節(jié) 概述 鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以一定的方式進行加熱、保溫，然后采取合適的方式冷卻，讓其獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝。(1)整體熱處理 對工件整體進

3、行穿透加熱。 (2)表面熱處理 僅對工件的表面進行的熱處理工藝。(3)化學熱處理 改變工件表層的化學成分、組織和性能。第6頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱與保溫時的組織轉(zhuǎn)變1.奧氏體的形成過程圖4-3 共析鋼加熱時組織轉(zhuǎn)變示意圖a)奧氏體形核 b)奧氏體長大c)殘余滲碳體溶解 d)奧氏體均勻化第7頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變2.奧氏體的晶粒大小及影響因素 奧氏體的晶粒越細小、均勻，冷卻后的室溫組織越細密，其強度、塑性和韌性比較高。(1)奧氏體晶粒度 晶粒度是指

4、多晶體內(nèi)晶粒的大小，可以用晶粒號、 晶粒平均直徑、單位面積或單位體積內(nèi)晶粒的數(shù)目 來表示。 GB/T 84931987將奧氏體晶粒分為8個等級，其中 14級為粗晶粒；58級為細晶粒。 圖4-4為部分晶粒度標準圖片。(2)影響奧氏體晶粒度的主要因素1)熱處理工藝參數(shù)2)鋼的化學成分3)原始組織第8頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變圖4-4 標準奧氏體晶粒度等級a)4級晶粒b)5級晶粒c)6級晶粒d)7級晶粒第9頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 在熱處理工藝

5、中，常用等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種冷卻方式。圖4-6 兩種冷卻方式示意圖1等溫冷卻 2連續(xù)冷卻1.等溫冷卻轉(zhuǎn)變 鋼經(jīng)奧氏體化后，迅速冷至臨界點(Ar1或Ar3)線以下等溫保持時，過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為等溫轉(zhuǎn)變。第10頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變(1)等溫轉(zhuǎn)變圖的建立 鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖是用實驗方法建立的。圖4-7 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖a)共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖建立示意圖 b)共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖(2)等溫轉(zhuǎn)變圖分析第11頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變(3)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能

6、 在Ms線以上，可發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn) 變和貝氏體型轉(zhuǎn)變。 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能見表4-2，過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變溫度越低，其轉(zhuǎn)變組織越細小，強度、硬度也越高。表4-2 共析鋼等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物及性能第12頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變(4)亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖圖4-8 亞共析鋼和過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線a)亞共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線 b)過共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線第13頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第二節(jié) 鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變2.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖4-9 在等溫轉(zhuǎn)變曲線上估計連續(xù)冷卻時的組織轉(zhuǎn)變(2)馬氏

7、體轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體在Ms線以下發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱馬氏體轉(zhuǎn)變，馬 氏體轉(zhuǎn)變通常在連續(xù)冷卻時進行。(1)等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用第14頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第三節(jié) 鋼的退火和正火1.完全退火一、退火 將工件加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的是降低硬度，去除內(nèi)應(yīng)力，均勻鋼的化學成分和組織，細化晶粒，提高塑性，改善切削加工性能，為最終熱處理做好組織準備。 將工件加熱至完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝。第15頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三3.球化退火為了使鋼中碳化物球狀化而進行的退火4.去應(yīng)

8、力退火 將工件加熱到500600，并保溫一定時間，緩慢冷卻至300200以下空冷，消除工件因塑性變形加工、切削加工或焊接造成的殘余內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘留應(yīng)力進行的退火。第三節(jié) 鋼的退火和正火2.等溫退火 將工件加熱至Ac3或Ac1以上的溫度，保持適當時間后，以較快速度冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織后在空氣中冷卻的工藝。第16頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三三、退火、正火的選用選擇應(yīng)注意：(1)切削加工性能(2)使用性能(3)經(jīng)濟性二、正火 將工件加熱奧氏體化后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火與退火工藝的區(qū)別：正火的冷卻速度稍快

9、，得到的組織較細 小，強度和硬度較高；同時操作簡便， 生產(chǎn)周期短，成本低。第三節(jié) 鋼的退火和正火第17頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第四節(jié) 鋼的淬火和回火一、鋼的淬火1.淬火工藝 將工件加熱奧氏體化后以適當?shù)姆绞嚼鋮s獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。圖4-12 碳鋼的淬火加熱溫度范圍(1)淬火加熱參數(shù)的確定 淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以Fe-Fe3C相圖中鋼的臨界溫度作為主要依據(jù)。 淬火加熱速度和淬火加熱保溫時間也是淬火加熱的兩個重要參數(shù)。第18頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第四節(jié) 鋼的淬火和回火(2)淬火介質(zhì) 淬火介質(zhì)是在淬火工藝中所

10、采用的冷卻介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)有水、鹽水、油、熔鹽、空氣等圖4-13 鋼的理想淬火冷卻速度第19頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第四節(jié) 鋼的淬火和回火 水和鹽水的冷卻能力最強，油的冷卻能力較弱，空氣最弱。表4-4 幾種淬火介質(zhì)的冷卻烈度H值(3)淬火方法 現(xiàn)代淬火工藝方法有奧氏體化直接淬火，鑄造淬火、鍛 后淬火、形變淬火等。第20頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三 1)單介質(zhì)淬火 將奧氏體化的工件直接淬入單一淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的方法，稱為單介質(zhì)淬火，如圖4-14中曲線1所示。圖4-14 常用淬火方法第四節(jié) 鋼的淬火和回火 2)雙介質(zhì)淬火(

11、雙液淬火) 將工件加熱到奧氏體化后，先淬入一種冷卻能力強的介質(zhì)中，在即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變之前立即淬入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法，如圖4-14中曲線2所示。第21頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三 3)馬氏體分級淬火(分級淬火) 鋼經(jīng)奧氏體化后先淬入溫度稍高或稍低于其Ms點的液態(tài)介質(zhì)(鹽浴或堿浴)中，保持適當時間，使鋼件的表面與心部溫差減小，再取出空冷獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為分級淬火。如圖4-14中的曲線3所示。第四節(jié) 鋼的淬火和回火 4)貝氏體等溫淬火(等溫淬火) 將工件加熱到奧氏體化后，快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(260400)，保持一定時間，使奧氏體轉(zhuǎn)

12、變?yōu)樨愂象w組織的淬火工藝，稱為貝氏體等溫淬火，如圖4-14中的曲線4所示。2.鋼的淬透性3.淬火缺陷(1)淬火變形和開裂(2)硬度不足與軟點(3)過熱和過燒第22頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第四節(jié) 鋼的淬火和回火二、鋼的回火 工件淬硬后再加熱到Ac1點以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻至室溫的熱處理工藝。1.回火的目的（1）減少或消除淬火應(yīng)力（2）滿足使用性能要求（3）穩(wěn)定組織和尺寸2.回火時的組織與性能的變化（1）馬氏體分解（2）殘留奧氏體分解（3）滲碳體形成（4）碳化物的聚集長大和相的再結(jié)晶3.回火方法（1）低溫回火（2）中溫回火（3）高溫回火第23頁，共3

13、7頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第五節(jié) 鋼的表面熱處理 鋼的表面熱處理是指僅對鋼件表面進行熱處理，以改變表面層組織，滿足使用性能要求的熱處理工藝。一、感應(yīng)加熱表面淬火 利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的工藝方法。1.感應(yīng)加熱淬火的基本原理圖4-16 感應(yīng)加熱示意圖1工件 2感應(yīng)器 3噴水套第24頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第五節(jié) 鋼的表面熱處理2.感應(yīng)加熱淬火的特點1)感應(yīng)加熱淬火件晶粒細、硬度高。2)加熱速度快，加熱時間很短。3)熱效率高，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)環(huán)境好，易實現(xiàn)機械化、自動化。4)淬硬層深度易于控制。

14、5)設(shè)備投資大，維修困難，不適合單件生產(chǎn)。第25頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三3.感應(yīng)加熱淬火的應(yīng)用 感應(yīng)加熱淬火最適宜的鋼種是中碳鋼和中碳合金鋼制作的齒輪、軸、銷類零件；也可用于高碳工具鋼、含合金元素較少的合金工具鋼及鑄鐵等。二、火焰加熱表面淬火 應(yīng)用可燃氣體(如氧乙炔)燃燒產(chǎn)生的高溫火焰對工件表面進行加熱，并快速冷卻的淬火工藝。第五節(jié) 鋼的表面熱處理第26頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第六節(jié) 鋼的化學熱處理 將工件放在具有一定活性介質(zhì)的熱處理爐中加熱、保溫，使一種或幾種元素滲入工件的表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝，稱為

15、化學熱處理。 化學熱處理可以劃分為：分解；吸收；擴散。一、滲碳 滲碳是將工件放在具有活性碳原子的介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入的化學熱處理工藝。目的是提高工件表層的含碳量，并形成一定含碳量梯度的滲碳層，經(jīng)淬火、低溫回火后提高工件表面的硬度、耐磨性，心部保持良好的韌性。1.滲碳工藝滲碳分成固體滲碳、液體滲碳和氣體滲碳。圖4-17為氣體滲碳工藝曲線示意圖。第27頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三圖4-17 氣體滲碳工藝曲線第六節(jié) 鋼的化學熱處理第28頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三2.滲碳用鋼及滲碳技術(shù)參數(shù) 滲碳后一般要求表面碳的質(zhì)量分數(shù)達到0.8

16、5%1.05%；工件的滲碳層深度取決于工件的尺寸和工作條件，一般為0.52.5mm。3.滲碳后的熱處理 滲碳工件滲碳后必須經(jīng)淬火和低溫回火后才能滿足使用性能的要求。 滲碳工藝主要應(yīng)用于要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的塑性和韌性的零件上，如汽車、工程機械上的凸輪軸、活塞銷等。二、滲氮(氮化) 滲氮是在一定溫度下于一定介質(zhì)中使氮原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。第六節(jié) 鋼的化學熱處理第29頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三1.滲氮工藝圖4-18 氣體滲氮工藝曲線示意圖38CrMoAlA等含有Cr、Mo、Al等合金元素的鋼是最常用的滲氮鋼。2.滲氮的特點與應(yīng)用（1）

17、滲氮后工件具有很高的表面硬度和耐磨性（2）滲氮后具有良好的耐蝕性能（3）滲氮件的變形很小第六節(jié) 鋼的化學熱處理第30頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三 滲氮特別適宜精密零件的最終熱處理。例如磨床主軸、鏜床鏜桿、精密機床絲杠、內(nèi)燃機曲軸以及各種精密齒輪和量具等。三、碳氮共滲 在奧氏體狀態(tài)下，同時將碳、氮滲入工件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝。常用的為氣體碳氮共滲。碳氮共滲件需進行淬火、低溫回火。四、氮碳共滲(軟氮化) 在工件表層同時滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學熱處理工藝，稱為氮碳共滲，也稱軟氮化。氮碳共滲的溫度一般為56010，保溫時間一般為34h。第六節(jié) 鋼的化學

18、熱處理第31頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第七節(jié) 熱處理新技術(shù)一、熱處理技術(shù)發(fā)展方向1.清潔熱處理2.精密熱處理3.節(jié)能熱處理4.少無氧化熱處理二、熱處理新技術(shù)簡介1.可控氣氛熱處理2.真空熱處理 在熱處理工藝過程中，熱處理爐內(nèi)的爐氣成分(即工藝介質(zhì))可以有效控制的熱處理。 在真空中進行加熱，然后在常壓下完成其他熱處理工藝的一種熱處理方法。第32頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三第八節(jié) 金屬的表面防護與裝飾一、金屬的表面防護1.電鍍、化學鍍及熱浸鍍（1）電鍍 將金屬零件作為陰極浸入含有欲鍍金屬的鹽溶液中，通 入電流，在直流電場的作用下，金屬鹽

19、溶液中的陽離子 在零件表面上沉積成為牢固的鍍層的工藝。（2）化學鍍 利用適當?shù)倪€原劑，使一定成分溶液中的金屬離子在經(jīng) 催化的金屬表面上還原出金屬鍍層的一種化學方法。（3）熱浸鍍 將金屬零件浸入熔融的金屬液體槽中，經(jīng)一定時間取出 然后冷卻后，使其表面形成耐蝕覆蓋層的工藝。第33頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三（1）氧化處理 采用化學或電化學的處理方法，使零件表面形成一 層氧化膜，以提高零件的耐蝕性并改善其外觀的工 藝方法。（2）磷化處理 將鋼鐵零件放入磷酸鹽溶液中，使零件表面獲得一 層不溶于水、耐腐蝕的磷酸鹽薄膜的工藝方法。1)鋼鐵的氧化處理(發(fā)藍或發(fā)黑)2)鋁及鋁合金的氧化處理 鋼鐵零件磷化處理的一般工藝流程為：化學脫脂熱水洗冷水洗酸洗冷水洗磷化處理冷水洗去離子水洗干燥。第八節(jié) 金屬的表面防護與裝飾2.化學轉(zhuǎn)化膜技術(shù) 通過化學或電化學的處理方法，使金屬表面形成一層穩(wěn)定的化合物膜，從而既有防腐作用又有裝飾作用。第34頁，共37頁，2022年，5月20日，22點13分，星期三3.涂料涂裝法 在金屬表面涂覆一層物質(zhì)，使金屬與周圍介質(zhì)隔開，達到保護金屬表面、防止腐蝕的目的。二、金屬的表面裝飾（1）表面拋光（2）表面著色（3）