鋼的熱處理及金屬的表面處理課件

[機(jī)械制造工程]精品課程小組第一篇鋼的熱處理及金屬的表面處理教學(xué)目的與要求：

1.了解熱處理的基本原理。2.掌握常用熱處理的主要工藝過程、作用與應(yīng)用。3.了解機(jī)械零件常用的表面防護(hù)方法。教學(xué)內(nèi)容：1.鋼的熱處理的基本原理。2.鋼的常規(guī)熱處理的種類，工藝過程，作用及應(yīng)用。3.鋼的表面熱處理的種類，工藝過程，作用及應(yīng)用。4.鋼的熱處理工藝選用。5.金屬的表面防護(hù)處理。重點(diǎn)：鋼的常用熱處理，作用及應(yīng)用。難點(diǎn)：鋼的熱處理的基本原理。1.熱處理及其主要參數(shù)熱處理就是在固態(tài)下，將金屬以一定的加熱速度加熱到預(yù)定的溫度，保溫一定的時(shí)間，再以預(yù)定的冷卻速度進(jìn)行冷卻的綜合工藝方法。加熱溫度（T）、保時(shí)溫間（t）、冷卻速度(V冷)是熱處理過程中的三個(gè)主要工藝參數(shù)。改變工藝參數(shù)就可以得到不同的性能，其原因是不同工藝參數(shù)下的熱處理得到不同的組織，從而獲得不同的性能。

熱處理工藝曲線示意圖

熱處理工藝曲線示意圖2.熱處理的主要作用

⑴改變工件的內(nèi)部組織；⑵改變工件的性能，便于切削加工，或者滿足工件使用性能的要求；⑶改變工件表層的成分、組織、性能；⑷熱處理可以消除鑄造、鍛造、焊接等加工工藝過程中所造成的多種缺陷。4.表面處理表面處理是指通過化學(xué)或電化學(xué)的方法使金屬表面或表層生成新的物質(zhì)，這些物質(zhì)具有不同于工件基體的性能，從而提高工件表層的耐腐蝕性、硬度，或者起到裝飾作用。表面處理工藝方法有很多，除了以上介紹的表面熱處理工藝方法以外，還有噴丸處理、高密度太陽(yáng)能表面處理、離子注入表面處理、發(fā)黑處理、發(fā)藍(lán)處理等。一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變（一）相變溫度第一節(jié)鋼的熱處理基本原理（二）奧氏體的形成和晶粒長(zhǎng)大1、奧氏體的形成(1)A晶核的形成；(2)A晶粒的長(zhǎng)大；(3)殘余Fe3C溶解；(4)A均勻化階段。共析鋼的奧氏體形成過程

二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的熱處理冷卻有兩種方式：等溫冷卻與連續(xù)冷卻。(一)等溫冷卻組織轉(zhuǎn)變（以共析鋼為例）1.高溫組織轉(zhuǎn)變2.中溫組織轉(zhuǎn)變3.低溫組織轉(zhuǎn)變電子顯微照片5000倍光學(xué)顯微照片500倍上貝氏體形態(tài)光學(xué)顯微照片500倍下貝氏體形態(tài)電子顯微照片12000倍板條馬氏體片狀馬氏體馬氏體形態(tài)與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系一、退火概念：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后隨爐冷或?qū)⒐ぜ袢胧业壤鋮s能力弱的介質(zhì)中緩慢冷卻到600℃以下，再空冷至室溫的熱處理工藝稱為退火。退火工藝方法：完全退火不完全退火擴(kuò)散退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火第二節(jié)鋼的普通熱處理1.完全退火（亞共析鋼）完全退火是將鋼件加熱至Ac3以上20～30℃，經(jīng)過完全奧氏體化后進(jìn)行緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝，。作用和目的細(xì)化晶粒均勻組織消除內(nèi)應(yīng)力降低硬度改善鋼的切削加工性

2.不完全退火（球化退火）

（共析鋼和過共析鋼）不完全退火

是將鋼加熱至Ac1+（20～40℃）之間，經(jīng)過保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。

作用和目的

使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化（退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并為以后的淬火作組織準(zhǔn)備。

4.再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火

是把冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝。

作用和目的

就是要消除加工硬化，降低強(qiáng)度和硬度，使鋼的機(jī)械性能恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。

5.去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火為消除鑄造、鍛造、焊接和機(jī)加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的低溫退火，稱為去應(yīng)力退火。

作用和目的減少和消除工件在鑄造、鍛造、焊接、切削、熱處理等加工過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件的尺寸，防止工件的變形。

正火的目的：

正火的目的是使鋼的組織正?；喾Q?；幚?，一般用于以下方面：1.改善鋼的切削加工性能；2.消除工件的熱加工缺陷；3.消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，便于球化退火；4.代替調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理，提高加工效率。三、淬火

淬火就是把鋼件加熱到Ac3或Ac1以上溫度，經(jīng)過保溫后速冷卻至室溫的熱處理工藝。1.淬火的目的（兩種方法）等溫淬火：目的是獲得下貝氏體普通淬火：目的是獲得馬氏體2.淬火工藝淬火質(zhì)量取決于淬火的三個(gè)要素：加熱溫度保溫時(shí)間冷卻速度1）加熱溫度2）保溫時(shí)間

保溫的目的是使工件燒透，組織轉(zhuǎn)變充分。保溫時(shí)間主要根據(jù)鋼的成分特點(diǎn)、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。

3）冷卻速度為了獲得馬氏體組織，工件在淬火冷卻介質(zhì)中的冷卻必須有足夠快的冷卻速度。實(shí)際冷卻速度V必須大于該鋼的臨界淬火冷卻速度VC。

3.常用的淬火方法4.鋼的淬硬性與淬透性1）鋼的淬硬性定義：是指鋼能夠淬硬的程度，也就是鋼淬火后得到的馬氏體的硬度的高低。它是指鋼在正常淬火條件下可能達(dá)到的最高硬度。實(shí)際意義：當(dāng)要求硬度高、耐磨性好時(shí)，應(yīng)選用含碳量高的鋼。影響因素：C%=0.8%以下，含C量增加，淬硬性提高；C%〉0.8%以后，沒有明顯提高。例：T10〉40Cr〉20CrMnTi2）鋼的淬透性

定義：是指鋼在一定淬火條件下淬火獲得馬氏體層深度的多少，以鋼在一定淬火條件下得到馬氏體深度來表示，深度越大，淬透性越好。實(shí)際意義：淬透性是合理選用鋼材及制定熱處理工藝的重要依據(jù)之一。影響因素：鋼的淬透性主要與合金元素及其含量有關(guān)，合金元素（除鈷、鋁外）使“C”曲線右移，減小臨界淬火冷卻速度，提高鋼的淬透性。例：20CrMnTi〉40Cr〉T10

5.鋼的主要淬火缺陷1）硬度過低或硬度過高2)脆性過大3）過熱與過燒4）變形與開裂四、回火

回火是把淬火后的工件重新加熱到A1以下某一溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。

1、回火的目的

⑴消除內(nèi)應(yīng)力；⑵穩(wěn)定工件組織；⑶調(diào)整組織、性能。2、回火的種類⑴低溫回火（150~250℃）回火組織：亞共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體(回火M)。過共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體＋碳化物＋殘余奧氏體。目的：降低淬火應(yīng)力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度(一般為58HRC~64HRC)和高耐磨性。應(yīng)用：用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳和表面淬火的零件。⑵中溫回火（350～500℃）回火組織：回火屈氏體，是極細(xì)小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。目的：是提高彈性和韌性，并保持一定的硬度(一般為35HRC～45HRC)。應(yīng)用：用于各種彈簧、鍛模、壓鑄模等工件的熱處理。⑶高溫回火（500～650℃）回火組織：回火索氏體，是較細(xì)小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。目的：使具有一定強(qiáng)度和硬度，又有較高的沖擊韌性，也就是具有良好的綜合機(jī)械性能。應(yīng)用：用于受力大而復(fù)雜的零件，如傳動(dòng)軸、連桿、曲軸、齒輪等。淬火后高溫回火這一綜合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。3、回火工藝參數(shù)回火溫度和回火時(shí)間4、鋼在回火時(shí)主要缺陷硬度過低硬度過高、脆性過大一、鋼的表面淬火1、表面淬火表面淬火是利用快速加熱的方法，使鋼件表層迅速奧氏體化，當(dāng)熱量尚未傳至心部時(shí)，將其迅速冷卻。

2、種類感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等第三節(jié)鋼的表面熱處理3、應(yīng)用材料、組織性能

表面淬火一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼,如45、40Cr、40MnB鋼等。調(diào)質(zhì)處理+表面淬火+低溫回火，表層得到回火馬氏體，硬而耐磨；心部為回火索氏體，強(qiáng)而韌。用于齒輪、軸類等零件的表面硬化，提高耐磨性。4、感應(yīng)加熱表面淬火（1）原理過程感應(yīng)加熱表面淬火示意圖感應(yīng)加熱表面淬火（2）種類

高頻淬火；中頻淬火；

工頻淬火（3）特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：a、高質(zhì)高效；缺點(diǎn)：b、投入較大；c、專用感應(yīng)加熱圈，中間形狀和零件形狀相似；d、靈活性差；e、零件尺寸較大、數(shù)量較小的不適合。（4）應(yīng)用

較大批量，零件數(shù)量較多，形狀規(guī)則簡(jiǎn)單中小尺寸件）。二、化學(xué)熱處理1、化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件放入一定的化學(xué)介質(zhì)中，經(jīng)過加熱保溫，使介質(zhì)中分解產(chǎn)生一種或幾種元素的活性原子被工件表面吸收，并向表層一定深度擴(kuò)散，從而改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。

2、種類

滲碳、滲氮（氮化）、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲金屬（如滲鋁、滲鉻）等。3、常用方法（1）滲碳

滲碳是把工件置于滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使活性碳原子產(chǎn)生并滲入工件表層的化學(xué)熱處理方法。1）設(shè)備與過程井式氣體滲碳電阻爐結(jié)構(gòu)示意圖1-風(fēng)扇2-廢氣出口3-爐蓋

4-砂封5-電阻元件6-耐熱罐7-工件8-爐體9-滲劑入口2）適用材料、組織性能滲碳用鋼一般為低碳鋼。表面滲碳整體淬火+回火表層為高碳回火馬氏體，硬而耐磨；內(nèi)部為低碳回火馬氏體，較好的強(qiáng)韌性。3）特點(diǎn)（與表面淬火相比）優(yōu)點(diǎn)：更硬更耐磨；缺點(diǎn)：效率低、費(fèi)用高，并且易變形。4）應(yīng)用一般應(yīng)用于受力較大、表面摩擦較大的低碳鋼件。如齒輪、軸類、鏈條、套筒等。

（2）滲氮（氮化）滲氮：向工件表面滲入活性氮原子，在工件表層獲得一定深度的富氮硬化層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮（氮化）。1）設(shè)備過程

2）適用材料、組織性能氮化用鋼通常是含有Al、Cr、Mo等元素的合金鋼。氮化用鋼調(diào)制處理表面滲氮表層：氮化物質(zhì)，HRC70以上，硬度更高，耐磨性更好，耐熱，耐腐蝕，抗疲勞性都好。內(nèi)部：中碳合金回火索氏體，具有更高的強(qiáng)度，更好的韌性。3）特點(diǎn)（和滲C相比）優(yōu)點(diǎn)：表層性能更優(yōu)良，變形小；缺點(diǎn)：效率低，費(fèi)用高，滲層淺，鋼種受限。4）應(yīng)用

在高溫腐蝕性介質(zhì)中工作，受力大，表面摩擦大的重要精密件，如航空齒輪。（3）碳氮共滲（氰化）

碳氮共滲是同時(shí)向工件表面滲入活性碳原子和活性氮原子的一種化學(xué)熱處理工藝，因早期只使用劇毒的氰鹽（NaCN或KCN）作為介質(zhì)，故又名為氰化。根據(jù)氰化溫度的不同，氣體氰化又分為高溫氰化(900~950℃)、中溫氰化(800~870℃)和低溫氰化(500~600℃)三種