《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第2章2.3 鋼的熱處理常識(shí)

第2章機(jī)械工程材料2.3鋼的熱處理常識(shí)鋼的普通熱處理2.3.1鋼的表面熱處理2.3.2學(xué)習(xí)目標(biāo)1.熟悉鋼的熱處理方法及應(yīng)用場(chǎng)合；2.學(xué)會(huì)分析和選擇簡(jiǎn)單的熱處理工藝。熱處理就是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結(jié)構(gòu)的工藝，如圖2-3-1所示。普通熱處理都要經(jīng)過如圖2-3-1所示的三個(gè)階段，不同的是加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度不同。圖2-3-1熱處理工藝曲線熱處理工藝的特點(diǎn)是不改變金屬零件的外形尺寸，只改變材料內(nèi)部的組織與零件的性能。所以鋼的熱處理目的是消除材料的組織結(jié)構(gòu)上的某些缺陷，更重要的是改善和提高鋼的性能，充分發(fā)揮鋼的性能潛力，這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和延長(zhǎng)使用壽命有重要的意義。熱處理加熱保溫的目的，一是為了使工件熱透，組織轉(zhuǎn)變完全；二是為了獲得成分均勻的A，以便冷卻后得到良好的組織與性能。由鐵碳狀態(tài)圖可知，碳素鋼在極其緩慢的加熱和冷卻過程中，其固態(tài)組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度可由A1線(PSK線)、A3線(GS線)和Acm線(ES線)來確定。在實(shí)際熱處理過程中，無論是加熱或者冷卻，都是在較快的速度下進(jìn)行的，因此實(shí)際發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度與狀態(tài)圖中所示的臨界溫度之間有所偏離，加熱時(shí)移向高溫，而冷卻時(shí)移向低溫，這種現(xiàn)象稱為“滯后”，并且滯后的量隨著加熱或冷卻速度的增大而增大．通常我們把實(shí)際加熱時(shí)發(fā)生相變的臨界溫度用Ac1、Ac3、Accm表示，而冷卻時(shí)的臨界溫度用Ar1、Ar3表示。根據(jù)加熱和冷卻方法不同，鋼的熱處理種類分為普通熱處理和表面熱處理兩大類。常用的普通熱處理有退火，正火、淬火和回火；表面熱處理可分為表面淬火與化學(xué)熱處理兩類。如圖2-3-2圖2-3-2熱處理的分類機(jī)械零件的一般加工工藝路線如下圖所示。從上面的順序框圖可以看出，退火和正火通常安排在機(jī)械粗加工之前進(jìn)行，作為預(yù)先熱處理，其作用是：消除前一工序所造成的某些組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，改善材料的切削性能，為隨后的切削加工以及熱處理（淬火+回火）做好準(zhǔn)備。對(duì)于某些不太重要的工件，正火也可作為最終熱處理工序。2.3.1鋼的普通熱處理1.退火將鋼加熱到500℃～600℃的溫度，保溫一定的時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）至室溫的熱處理工藝稱為退火。退火的目的：

(1）降低鋼的硬度、提高塑性、以利于切削加工；

(2）細(xì)化晶粒、均勻鋼的組織，改善鋼的性能，為以后的熱處理作組織準(zhǔn)備；

(3）消除鋼中的殘余應(yīng)力，以防止工件變形與開裂。根據(jù)鋼的成分及退火的目的不同，常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火、擴(kuò)散退火等

表2-3-1常用退火方法及應(yīng)用2.正火將鋼加熱到500℃～600℃，保溫一段時(shí)間，然后在爐外空氣中冷卻至室溫的熱處理工藝稱為正火。正火的目的與退火基本相同：（1）細(xì)化晶粒、調(diào)整硬度、消除碳化物網(wǎng)、為后續(xù)加工及球化退火、淬火等做好組織準(zhǔn)備。（2）改善鑄件、鍛件、焊接件的組織，降低工件硬度，消除內(nèi)應(yīng)力為后續(xù)加工做準(zhǔn)備正火的冷卻速度比退火要快，過冷度較大。因此，正火后的組織比退火組織要細(xì)小些，鋼件的強(qiáng)度、硬度比退火高些，同時(shí)正火與退火相比具有操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率較高，或成本低等特點(diǎn)。（1）改善切削加工性。因低碳鋼和某些低碳合金鋼的退火組織中鐵素體量較多，硬度偏低，在切削加工時(shí)易產(chǎn)生“黏刀”現(xiàn)象，增加表面結(jié)構(gòu)值。采用正火能適當(dāng)提高硬度，改善切削加工性。（2）消除網(wǎng)狀碳化物，為球化退火做好組織準(zhǔn)備。對(duì)于過共析鋼或合金工具鋼，因正火冷卻速度較快，可抑制滲碳體呈網(wǎng)狀析出，并可細(xì)化層片狀珠光體，有利于球化退火。（3）用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理，以代替調(diào)質(zhì)處理。

(4）用于淬火返修零件，消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化組織，以防重新淬火時(shí)產(chǎn)生變形和開裂。正火常在以下生產(chǎn)中應(yīng)用：3．淬火淬火是將鋼加熱到一定溫度，經(jīng)保溫后在在冷卻液（水、油）中快速冷卻的熱處理工藝。其目的是為了獲得馬氏體組織，以提高鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，改善零件使用性能。淬火時(shí)首先需把鋼加熱至臨界溫度以上，使鋼變?yōu)閵W氏體組織。亞共析鋼的淬火溫度必須超過臨界溫度Ac3以上30℃-50℃左右，這樣才能使鋼全部轉(zhuǎn)變成奧氏體，淬火后才有可能全部獲得馬氏體組織。淬火操作難度比較大，主要因?yàn)榇慊饡r(shí)要求得到馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度Vk，而快冷總是不可避免地要造成很大的內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起鋼件的變形與開裂。為既能得到馬氏體又最大限度地減小變形與避免開裂，主要從兩方面著手，其一是尋找一種比較理想的淬火介質(zhì)，其二是改進(jìn)淬火冷卻方法。常用的淬火冷卻介質(zhì)有水、礦物油、鹽水溶液等。常用的淬火冷卻方法如圖2-3-2所示。

(a)單液淬火(b)雙液淬火(c)分級(jí)淬火(d)等溫淬火圖2-3-2常用淬火冷卻方法示意圖表2-3-2常用淬火冷卻方法的操作方法、特點(diǎn)及應(yīng)用冷卻方法操作方法主要特點(diǎn)應(yīng)用范圍單液淬火將加熱后的鋼件，在一種冷卻介質(zhì)中進(jìn)行淬火。通常碳鋼用水冷卻，合金鋼用油冷卻操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。但某些鋼件（如外形復(fù)雜的中、高碳鋼工件）水淬易變形、開裂，油淬易造成硬度不夠碳鋼及合金鋼機(jī)器零件在絕大多數(shù)的情況下均用此法雙液淬火將工件加熱到淬火溫度后，先在冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻至400℃～300℃，再把工件迅速轉(zhuǎn)移到冷卻能力較弱的冷卻介質(zhì)中繼續(xù)冷卻至室溫的淬火可減少淬火內(nèi)應(yīng)力，但操作比較困難用于高碳工具鋼制造的易開裂工件，如絲錐、板牙等分級(jí)淬火將加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化的工件，放入溫度為200℃左右（MS附近）的熱介質(zhì)（熔化的鹽類物質(zhì)或熱油）中冷卻，并在該介質(zhì)中作短時(shí)間停留，然后取出空冷至室溫。有效避免和減小零件開裂和變形主要適用于合金鋼零件或尺寸較小、形狀復(fù)雜的碳鋼工件。等溫淬火把奧氏體化的鋼，放入稍高于MS溫度的鹽浴中，保溫足夠時(shí)間，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w；目的是為了獲得下貝氏體組織產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力很小，所得到的下貝氏體組織具有較高的硬度和韌性，用于處理形狀復(fù)雜，要求強(qiáng)度、韌性較好的工件，如各種模具、成形刀具等。4．回火鋼件淬火后，在硬度、強(qiáng)度提高的同時(shí)，其韌性卻大為降低，并且還存在很大的內(nèi)應(yīng)力（殘余應(yīng)力），使用中很容易破斷損壞。為了提高鋼的韌性，消除或減小鋼的殘余內(nèi)應(yīng)力必須進(jìn)行回火。此外淬火組織處于亞穩(wěn)定(即不夠穩(wěn)定)狀態(tài)，它有向較穩(wěn)定組織進(jìn)行轉(zhuǎn)變的自發(fā)趨勢(shì)，這將影響著零件的尺寸精度及性能穩(wěn)定，因此淬火后要進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鼗鹛幚?，以穩(wěn)定組織，進(jìn)而穩(wěn)定零件尺寸。回火工藝看起來很簡(jiǎn)單，是熱處理的最后工序，但它決定著鋼的使用性能，所以是一個(gè)很重要的熱處理工序?；鼗穑褐笇⒋阌埠蟮匿摷偌訜岬?27oC以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火的主要目的是穩(wěn)定組織和形狀尺寸；消除淬火應(yīng)力；調(diào)整硬度、提高韌性，以獲得所需要的力學(xué)性能。在回火加熱過程中，隨著組織的變化，鋼的性能也相應(yīng)發(fā)生改變。其變化規(guī)律是：隨著加熱溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性提高。在生產(chǎn)中由于對(duì)鋼件性能的要求不同，回火可分為三類（如表2-3-3所示）：表2-3-3常用的回火方法類型回火方法

作用及應(yīng)用高溫回火（調(diào)質(zhì)）鋼件淬火后，加熱到500℃～650℃，經(jīng)保溫后再冷卻到室溫具有良好綜合力學(xué)性能（既有一定的強(qiáng)度、硬度，又有一定的塑性、韌性）。一般中碳鋼和中碳合金鋼常采用淬火后的高溫回火處理。軸類零件應(yīng)用最多。中溫回火鋼件淬火后，加熱到250℃～500℃，經(jīng)保溫后再冷卻到室溫獲得較高的彈性和強(qiáng)度。用于各種彈簧的制造低溫回火鋼件淬火后，加熱到250℃以下，經(jīng)保溫后再冷卻到室溫降低內(nèi)應(yīng)力和脆性。用于各種工、模具及滲碳或表面淬火工件調(diào)質(zhì)：生產(chǎn)中把淬火和高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為“調(diào)質(zhì)”，由于調(diào)質(zhì)處理后工件可獲得良好的綜合力學(xué)性能，不僅強(qiáng)度較高，而且有較好的塑性和韌性，為零件在工作中承受各種載荷提供了有利條件。因此，重要的受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件一般均采用調(diào)質(zhì)處理。2.3.2鋼的表面熱處理表面熱處理僅處理工件表面，對(duì)工件的芯部不作處理，保持其原來的特性。一般應(yīng)用在工件表面需要具有較高的硬度，而芯部又要有較高的韌性。

1.表面淬火：是用高速加熱法使零件表面層很快地達(dá)到淬火溫度，而不等其熱量傳至內(nèi)部，立即迅速冷卻使表面層淬硬的工藝方法。也就是僅把零件需耐磨的表層淬硬，而中心仍保持未淬火的高韌性狀態(tài)。表面淬火用的鋼材必須是中碳（0.35%）以上的鋼，常用40、45鋼或中碳合金鋼40Cr等。

（1）火焰加熱表面淬火用高溫的氧----乙炔火焰或氧與其他可燃物（煤氣、天然氣等）的火焰，將零件表面迅速加熱到淬火溫度，然后立即噴水冷卻。適用于含C0.35%~0.7%的中碳鋼和中碳合金鋼，如45，40Cr。

（2）感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流通過材料或工件所產(chǎn)生的熱量，使材料或工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)淬火。此法具有效率高、工藝易于操作和控制等優(yōu)點(diǎn)，所以目前在機(jī)床、機(jī)車拖拉機(jī)以及礦山機(jī)器等機(jī)械制造工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的有高頻和中頻感應(yīng)加熱兩種。由于通入感應(yīng)器的電流頻率越高，感應(yīng)渦流的集膚效應(yīng)就會(huì)越強(qiáng)烈，因此，感應(yīng)加熱表面淬火的淬硬層深度主要取決于電流頻率，頻率越高淬硬層越淺。生產(chǎn)中常用的電流頻率和淬硬層的關(guān)系2.化學(xué)熱處理將工件放在一定的活性介質(zhì)中加熱，使某些元素滲入工件表層，以改變表層化學(xué)成分和組織，從而改善表層性能的熱處理工藝，稱為化學(xué)熱處理?；瘜W(xué)熱處理是通過改變鋼件表層化學(xué)成分，使表層和心部組織不同，從而使表面獲得與心部不同的性能。與其他熱處理相比，化學(xué)熱處理不僅改變了鋼的組織，而且表層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化，因而能更有效地改變零件表層的性能?；瘜W(xué)熱處理的方法很多，已用于生產(chǎn)的化學(xué)熱處理方法見表2-3-4。表2-3-4常用的化學(xué)熱處理方法化學(xué)熱處理方法

工藝方法特點(diǎn)及應(yīng)用滲碳將鋼件放入含碳的介質(zhì)中，加熱并保溫，使鋼件表層提高含碳量的工藝方法滲碳件經(jīng)淬火和低溫回火后，表面具有高硬度、高耐磨性及較高的疲勞強(qiáng)度，而心部仍保持良好的韌性和期性。低碳鋼或低碳合金鋼可采用滲碳處理。滲氮在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝和滲碳相比，滲氮層有更高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度、耐蝕性。滲氮后不需淬火，變形小，但滲氮生產(chǎn)周期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、成本高、需用專用滲氮鋼如38CrMoA1A。碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮同時(shí)滲入工件表層，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝碳氮共滲與滲碳相比，不僅加熱溫度低、零件不易過熱、變形小，而且滲層有較高的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度。適用鋼種：低、中碳鋼及合金鋼。滲金屬將金屬工件放在含有滲入金屬元素的滲劑中，加熱到一定溫度，保持適當(dāng)時(shí)間后，使一種或多種金屬原子滲入金屬工件表層內(nèi)，從而改變工件表層的化學(xué)成分、組織和性能的化學(xué)熱處理工藝它是使鋼的表面層合金化，以使工藝表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。生產(chǎn)中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。無論哪一種化學(xué)熱處理方法都是通過以下三個(gè)基本過程來完成的，①分解：介質(zhì)在一定的溫度下，發(fā)生化學(xué)分解，產(chǎn)生滲入元素的活性原子；②吸收：活性原子被工件表面吸收。例如活性碳原子溶入鐵的晶格中形成固溶體、與鐵化合成金屬化合物；③擴(kuò)散：滲入的活性原子，