3-4 钢的热处理（课件）《机械基础》同步精品课堂（高教版·第三版）

3-4 机械工程材料-钢的热处理 机械基础 同步精品课堂 高等教育出版社（第三版） 1 钢的热处理 1、热处理：是指将钢在固态下采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的一种工艺. 为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度--时间坐标绘出热处理工艺曲线。 钢的热处理 1）机床制造：60-70% 2）在汽车、拖拉机制造：70-80% 3）轴承、各种工模具：几乎100% 2、应用：热处理是机械零件及 工具制造过程中的重要工序， 在制造业被广泛应用。它担负 改善工件的组织和性能、充分 发挥材料潜力、提高和改善零 件的使用性能和使用寿命的重 要任务。 钢的热处理 3、分类：钢的热处理主要是利用钢在加热和冷却时内部组织发生转变的基本规律，来选择加热温度和冷却介质等，以达到改善钢材性能的目的。 普通热处理 表面热处理 热处理 退火 正火 淬火 回火 表面淬火—感应加热、火焰加热、 电接触加热等 化学热处理—渗碳、氮化、碳氮 共渗、渗其他元素等 退火与正火 机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。 退火与正火是常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备（预备热处理）。对一般铸件、焊接件以及性能要求不高的工件来讲可作为最终热处理。 退火与正火 一、退火 将钢加热至适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。 ⑴降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性，以利于冷变形加工。 ⑵ 细化或均匀组织成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备。 ⑶ 消除内应力，以防止变形和开裂。 台式退火炉 1、退火目的 退火与正火 ②应用：主要用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件等细化或均匀组织、成分，充分消除内应力，以及降低硬度，改善切削加工性能。 ③注意：过共析钢不宜采用完全退火，因为加热到Accm线以上退火后，二次渗碳体以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的强度和韧性显著降低，同时也使零件在后续的热处理工序，如淬火过程中容易产生淬火裂纹。 退火与正火 （2） 球化退火（不完全退火） ①定义与组织： 球化退火是将工件加热到 Ac1+ 20-40℃ 保温后缓冷， 以得到渗碳体球状化的退火 工艺。所得到的室温组织 为F基体上均匀分布着球 状渗碳体（P） 退火与正火 ②目的与应用：目的是降低硬度，改善切削加工性，并为淬火做组织准备。主要用于共析、过共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。 退火与正火 （3）去应力退火 ①定义：是将钢加热至500-650℃，经保温缓慢冷却的热处理工艺。 ②目的：是为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火 ③应用：主要用于消除钢件在切削加工、铸造、锻造、热处理、焊接等过程中产生的残余应力。 退火 完全退火 球化退火 去应力退火 目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除应 力。同时也是为切削加工和最终热处理做准备。 目的：消除网状或片状渗碳体，降低硬度，提高 韧性,改善切削加工性并为淬火做组织准备。 目的：消除铸件、焊件中的内应力，稳定尺寸。 主要应用于：亚共析钢的铸件、锻件和焊接件 主要应用于：共析、过共析钢制造的刃具、量具、 模具等 主要应用于：消除刚件在切削加工、铸造、锻造、热处理等过程中产生的残余应力 退火与正火 二、正火 1、概念：正火是将钢加热到奥氏体化后（Ac3或Accm+30~ 50℃），保温后在空气中冷却的热处理工艺。 （1）亚共析钢加热： Ac3 +30~ 50℃ （2）共析钢或过共析钢： Accm+30~ 50℃ 二、正火 1、概念：正火是将钢加热到奥氏体化后（Ac3或Accm+30~ 50℃），保温后在空气中冷却的热处理工艺。 （1）亚共析钢加热： Ac3 +30~ 50℃ （2）共析钢或过共析钢： Accm+30~ 50℃ 退火与正火 二、正火 1、概念：正火是将钢加热到奥氏体化后（Ac3或Accm+30~ 50℃），保温后在空气中冷却的热处理工艺。 （1）亚共析钢加热： Ac3 +30~ 50℃ （2）共析钢或过共析钢： Accm+30~ 50℃ 正火温度 2、目的： （1）细化组织，用于低碳钢，可提高硬度，改善切削加工性能。 （2）用于中碳钢和性能要求不高的零件，可代替调制处理。 （3）用于高碳钢，可消除网状碳化物，为球化退火作准备。 退火与正火 退火与正火 3、正火与正火应用范围的区别 （1）亚共析钢不论是细化均匀组织、成分，还是为热处理作准备或充分消除内应力，都尽可能采用正火，特别是要求不高的零件，正火可作为最终热处理；但对于形状复杂的零件，因正火速度较快，易产生内应力，则可采用完全退火。 （2）改善切削性能，对于低碳钢可采用正火，过共析钢可采用球化退火；不在以上范围的中高碳钢可进行完全退火。 （3）过共析钢一般采用球化退火，为消除其网状渗碳体（为球化退火做准备）可先采用正火处理。 淬火 1、概念：将钢加热至Ac3 线或Ac1以上30~ 50℃保温后，快速冷却，从而使奥氏体转变为马氏体组织的热处理工艺。 一、淬火 马氏体（M）：碳或合金元素在α–Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高（取决于Wc） 淬火 目的：使钢件得到马氏体（M，碳或合金元素在a-Fe中的过饱和固溶体，硬度取决于碳含量）（或贝氏体）组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火工艺相配合，更好的发挥钢材的性能潜力。 淬火 3、淬火温度 淬火加热温度范围 （1）亚共析钢淬火加热温度为Ac3+30-50℃.在此温度范围内，可获得全部细小的奥氏体晶粒，淬火后得到均匀细小的马氏体。 加热温度过高，则奥氏体晶粒粗大，使钢淬火后的性能变坏 加热温度过低，则淬火组织中尚有未熔铁素体，使钢淬火后的硬度不足。 淬火 淬火加热温度范围 （2）共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1线以上30-50℃.此时组织为A+Fe3C（颗粒），淬火后得到细小马氏体和球状渗碳体，能保证钢淬火后得到高硬度和高耐磨性。 淬火 二、钢的淬透性与淬硬性 1、淬透性（钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力）：以规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的特性。 钢件 Wc 淬透性 亚共析钢 提高 提高 过共析钢 提高 降低 钢的淬透性 临界冷却速度 化学成分。 （Vk越低，淬透性越好） 注：提高淬透性的合金元素主要有钼、锰、铬、镍、和硼等（钴除外），如微量的硼（0.0005%--0.003%）能明显提高钢的淬透性。 淬火 2、淬硬性：钢在理想条件下淬火后，获得马氏体所能达到的最高硬度来表征的钢材特性。钢的淬硬性取决于含碳量的高低。奥氏体中Wc高，钢的淬硬性越高，淬火后硬度值也越高。 注意：淬火后硬度高的钢，不一定淬透性就高；淬火后硬度低的钢，不一定淬透性就低。 如：高碳工具钢与低碳合金钢相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性好。 回火 定义：将淬火钢加热到AC1以下某一温度，保温一定时间，然后以一定的冷却方法冷到室温的热处理工艺。 目的：消除和减小内应力，稳定组织，调整性能以获得较好的强度和韧性配合。 一、钢在回火时组织和性能的变化 轧轱回火电炉 根据组织转变情况： 1、马氏体分解 2、残余奥氏体分解 3、碳化物转变 4、碳化物的聚集长大与铁素体的再结晶 回火 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。 ● 淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质. 广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。 适用于各种高碳钢、渗碳件、滚动轴承及表面淬火件。 应用 淬火应力完全消除，强度较高，具有良好的塑性和韧性，综合力学性能。 降低淬火应力，提高弹性极限和区服强度，具有一定韧性 。 在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,减小脆性。 回火目的 S回 T回 M回 回火组织 500-650℃ 250-450℃ 150-250℃ 回火温度 高温回火 中温回火 低温回火 适用于 弹簧热处理 表面热处理与化学热处理 一、表面热处理：是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。 表面淬火（最常用）：是指仅对工件表层进行淬火的工艺（在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化，使心部仍处于临界点以下），随之淬火以强化零件表面的热处理方法）。 火焰加热 感应加热 表面热处理与化学热处理 表面淬火目的： 使表面具有高的硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，（表硬里韧）。以提高其在扭转、弯曲、循环应力或在摩擦、冲击、接触应力等工作条件下的使用寿命。 数控淬火机床 表面热处理与化学热处理 感应加热表面淬火示意图 （一）感应加热表面淬火 1、 感应加热原理: 利用交变电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺。 表面热处理与化学热处理 2、感应加热表面淬火的特点 （1）加热时间短，工件基本无氧化、脱碳、且变形小， 奥氏体晶粒细小。淬火后获得细小马氏体组织，表层硬度高。 （2）加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批量生产。 （3）感应加热设备投资大，维修调试比较困难。 表面热处理与化学热处理 ① 高频感应加热：频率为50-300KHz，淬火深度0.3-2.5mm，主要应用于中小型轴、销、套等圆柱形零件，小模数齿轮 感应加热表面淬火齿轮的截面图 ② 中频感应加热：频率为1-10kHz，淬火深度3-10mm。尺寸较大的轴类、大模数齿轮。 ③ 工频感应加热：频率为50Hz,淬火深度10-15 mm，主要应用于大型零件（>Φ 300）的表面淬火或棒料穿透加热。 表面热处理与化学热处理 （二）火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火示意图 火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是利用乙炔-氧或其他可燃气燃烧的火焰会工件表层加热，随之快速冷却的热处理工艺。 表面热处理与化学热处理 二、化学热处理 化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比，表层不仅有组织的变化，而且有化学成分的变化。 表面热处理与化学热处理 （一）渗碳 经渗碳处理的从动齿轮 1、定义：为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳的质量分数梯度，将工件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。 2、渗碳用钢：一般是Wc=0.10%-0.25%的低碳钢和低合金钢，如15钢、20钢、20Cr钢、20CrMnTi钢等钢。 表面热处理与化学热处理 3、热处理及目的：经渗碳后的工件，都要进行淬火和低温回火，使工件表层获得高的硬度（56-64HRC）、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。 4、应用：广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销等。 5、渗碳分类：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，常用的是气体渗碳。 6、渗碳零件的加工工艺路线：毛坯锻造（或轧材下料） 正火 粗加工、半精加工 渗碳 淬火 低温回火 精加工（磨削加工） 表面热处理与化学热处理 （二）渗氮 1、定义：在一定温度下处于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 2、目的：提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。 3、应用：应用于各种高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴、循环应力作用下要求疲劳强度高的零件（如高速柴油机曲轴），以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件（如阀门）等。但是，氮化层薄而脆，不能承受冲击和震动；而且渗碳处理周期长，生产成本高。渗氮后不需淬火就可达到68-72HRC的硬度。目前常用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮两种。 表面热处理与化学热处理 4、渗氮工件的加工工艺路线 毛坯锻造 退火 粗加工 调质 精加工 去应力退火 粗磨 镀锡（非渗氮面） 渗氮 粗磨或研磨 （三）碳氮共渗 1、定义：在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。 2、分类：低温（520-580℃）碳氮共渗、中温（760-880℃）碳氮共渗和高温（900-950℃）碳氮共渗。 3、目的：主要是提高工件表层的硬度和耐磨性。 感谢观看 $$