機械制造工程第三章節(jié)

第三章鋼的熱處理及金屬的表面處理第一頁，共五十頁。教學目的與要求：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、作用與應用。3.了解機械零件常用的表面防護方法。教學內(nèi)容：1.鋼的熱處理的基本原理。2.鋼的常規(guī)熱處理及表面熱處理的種類，工藝過程，作用及應用。3.鋼的熱處理工藝選用。4.金屬的表面防護處理。重點、難點重點：鋼的常用熱處理，作用及應用。難點：鋼的熱處理的基本原理。第二頁，共五十頁。1.熱處理及其主要參數(shù)概念：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定的溫度，保溫一定的時間，再以預定的冷卻速度進行冷卻的綜合工藝方法。工藝參數(shù)——加熱溫度（T）、保溫時間（t）、冷卻速度(V冷)

熱處理工藝曲線示意圖概述

第三頁，共五十頁。熱處理工藝曲線示意圖第四頁，共五十頁。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。第五頁，共五十頁。3.熱處理的分類第六頁，共五十頁。4.表面處理概念：表面處理是指通過化學或電化學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。第七頁，共五十頁。第一節(jié)鋼的熱處理基本原理

一、鋼在加熱時的組織轉變

（一）相變溫度第八頁，共五十頁。（二）奧氏體的形成和晶粒長大1、奧氏體的形成第九頁，共五十頁。2、影響A晶粒大小的因素加熱溫度對晶粒度的影響（1）材質(zhì)方面（2）工藝因素方面加熱溫度保溫時間第十頁，共五十頁。二、鋼在冷卻時的組織轉變第十一頁，共五十頁。(一)等溫冷卻組織轉變（以共析鋼為例）第十二頁，共五十頁。1.高溫組織轉變

2.中溫組織轉變

3.低溫組織轉變第十三頁，共五十頁。珠光體3800倍索氏體8000倍屈氏體8000倍珠光體型組織第十四頁，共五十頁。電子顯微照片5000倍光學顯微照片500倍上貝氏體形態(tài)光學顯微照片500倍下貝氏體形態(tài)電子顯微照片12000倍第十五頁，共五十頁。板條馬氏體片狀馬氏體第十六頁，共五十頁。（二）共析鋼的連續(xù)冷卻組織轉變第十七頁，共五十頁。第二節(jié)鋼的普通熱處理

概念：將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，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。方法分類:

完全退火、不完全退火、擴散退火、再結晶退火、去應力退火。一、退火第十八頁，共五十頁。1.完全退火（亞共析鋼）加熱溫度：Ac3以上20～30℃作用和目的：細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應力、降低硬度和改善鋼的切削加工性。第十九頁，共五十頁。2.不完全退火（共析鋼和過共析鋼）加熱溫度：Ac1+（20～40℃）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備。第二十頁，共五十頁。3.擴散退火加熱溫度:略低于固相線的溫度作用和目的:是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的成分偏析，使成分和組織均勻化。第二十一頁，共五十頁。4.再結晶退火加熱溫度：再結晶溫度以上。作用和目的：要消除加工硬化，降低強度和硬度，使鋼的機械性能恢復到冷變形前的狀態(tài)。第二十二頁，共五十頁。5.去應力退火加熱溫度：溫度低、保溫時間長作用和目的是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)應力，穩(wěn)定工件的尺寸，防止工件的變形。第二十三頁，共五十頁。第二十四頁，共五十頁。正火的目的：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。二、正火加熱溫度：Ac3或Accm以上30℃～50℃第二十五頁，共五十頁。三、淬火淬火就是把鋼件加熱到Ac3或Ac1以上溫度，經(jīng)過保溫后迅速冷卻至室溫的熱處理工藝。1.淬火的目的（1）等溫淬火，目的是獲得下貝氏體；（2）普通淬火，目的是獲得馬氏體。第二十六頁，共五十頁。1）加熱溫度2.淬火工藝第二十七頁，共五十頁。2）保溫時間保溫的目的是使工件燒透，組織轉變充分。保溫時間主要根據(jù)鋼的成分特點、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。3）冷卻速度實際冷卻速度V必須大于該鋼的臨界淬火冷卻速度VC。第二十八頁，共五十頁。3.常用的淬火方法第二十九頁，共五十頁。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，是指鋼在正常淬火條件下可能達到的最高硬度。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〉20CrMnTi第三十頁，共五十頁。2）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。影響因素：鋼的淬透性主要與合金元素及其含量有關，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第三十一頁，共五十頁。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)應力；⑵穩(wěn)定工件組織；⑶調(diào)整組織、性能。第三十二頁，共五十頁。2、回火的種類⑴低溫回火（150~250℃）回火組織：回火馬氏體。目的是降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。應用：用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。第三十三頁，共五十頁。⑵中溫回火（350～500℃）回火組織：回火屈氏體，是極細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。應用：用于各種彈簧、鍛模、壓鑄模等工件的熱處理。第三十四頁，共五十頁。⑶高溫回火（500～650℃）

回火組織：回火索氏體，是較細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。目的：使具有一定強度和硬度，又有較高的沖擊韌性。應用：用于受力大而復雜的零件，如傳動軸、連桿、曲軸、齒輪等。調(diào)質(zhì)處理——淬火后高溫回火。第三十五頁，共五十頁。3、回火工藝參數(shù)回火溫度和回火時間4、鋼在回火時主要缺陷硬度過低硬度過高、脆性過大第三十六頁，共五十頁。第三節(jié)鋼的表面熱處理一、鋼的表面淬火1、何謂表面淬火？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，當熱量尚未傳至心部時，將其迅速冷卻。

2、種類

感應加熱表面淬火、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三十七頁，共五十頁。3、應用材料、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)制處理

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，強而韌。用于齒輪、軸類等零件的表面硬化，提高耐磨性。第三十八頁，共五十頁。4、感應加熱表面淬火

（1）原理過程感應加熱表面淬火示意圖感應加熱表面淬火第三十九頁，共五十頁。（2）種類高頻淬火；中頻淬火；

工頻淬火（3）特點優(yōu)點：a、高質(zhì)高效；缺點：b、投入較大；c、專用感應加熱圈，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）應用較大批量，零件數(shù)量較多，形狀規(guī)則簡單中小尺寸件）。

第四十頁，共五十頁。二、化學熱處理1、何謂化學熱處理？將工件放入一定的化學介質(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散，從而改變其表層化學成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。2、原子滲入工件表層基本過程分解、外擴散、吸附、內(nèi)擴散第四十一頁，共五十頁。3、常用方法（1）滲碳①概念：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熱處理方法。②適用材料、組織性能滲碳用鋼一般為低碳鋼。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，較好的強韌性。第四十二頁，共五十頁。③特點（與表面淬火相比）優(yōu)點：更硬更耐磨；缺點：效率低、費用高，并且易變形；④應用一般條件下使用，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。⑤分類氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳第四十三頁，共五十頁。（2）滲氮（氮化）①概念：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熱處理工藝稱為滲氮（氮化）。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。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，具有更高的強度，更好的韌性。第四十四頁，共五十頁。③特點（和滲C相比）優(yōu)點：表層性能更優(yōu)良，變形??；缺點：效率低，費用高，滲層淺，鋼種受限。④應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。⑤分類氣體氮化、離子氮化第四十五頁，共五十頁。（3）碳氮共滲（氰化）

碳氮共滲是同時向工件表面滲入活性碳原子和活性氮原子的一種化學熱處理工藝，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。分類：高溫氰化、中溫氰化和低溫氰化。第四十六頁，共五十頁。第四節(jié)鋼的熱處理工藝選用一、選用原則方法簡單、費用低、少污染。二、考慮因素工件材料、目的和作用。第四十七頁，共五十頁。本章小結本章主要講述了鋼的熱處理的基本原理、鋼的常規(guī)熱處理及表面熱處理的種類，工藝過程，作用及應用。1、掌握熱處理的概念、分類。2、了解熱處理的基本原理，其中共析鋼的等溫組織轉變產(chǎn)物以及性能變化要求掌握。3、了解常用熱處理（退火、正火、淬火、回火）的概念、主要工藝過程與應用、掌握其相應的目的作用。4、掌握常用淬火方法，以及鋼的淬硬性與淬透性。5、了解表面熱處理的方法、特點及應用。第四十八頁，共五十頁。作業(yè)1、為什么碳素鋼淬火冷卻介質(zhì)常用水，而合金鋼淬火冷卻介質(zhì)常用油？2、為什么截面大和形狀復雜的調(diào)制件要用合金調(diào)制鋼而不用碳素調(diào)制鋼？3、鋼的普通熱處理有哪些？其中淬火的目的是什么？第四十九頁，共五十頁。內(nèi)容總結第三章。晶退火、去應力退火。作用和目的:是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的成分偏析，使成分和組織均勻化。實際