1.6 常见热处理（课件）《数控加工机械基础》（高教版）同步精品课堂

任务1.6 常见热处理 《数控加工机械基础》（高教版） 同步精品课堂—中职专业课 学习目标 01 03 02 理解常见热处理方法的实际应用情况。 能合理规划二级齿轮减速器轴的热处理工艺流程。 通过学习钢的常见热处理，明确热处理对材料性能的影响。通过学习常见的热处理知识，培养分析和解决问题的能力。 学习目标 课前导入 为啥淬火后的刀具更锋利？齿轮只强化表面却能更耐磨？咱们实训时用的零件，大多要靠热处理“升级”性能！今天就解锁热处理家族——退火、正火、淬火、回火这“四大金刚”，还有表面和化学热处理，搞懂不同工艺的“魔法”，学完就能看透零件性能背后的工艺门道。 金属材料的热处理是指采用适当的方式将金属材料进行加热、保温和冷却,以获得预期的组织结构与性能的工艺,热处理工艺曲线如图1-36所示。通过适当的热处理,不仅能充分提高零件的使用性能和使用寿命,而且还可以改善材料的加工工艺性能。因此,热处理工艺在机械制造业中十分重要。 热处理的工艺种类很多,国家标准规定,常见金属材料的热处理有整体热处理、表面热处理和化学热处理。 整体热处理 整体热处理 金属材料的整体热处理根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同主要有退火、正火、淬火和回火等。 在生产中,常把热处理工艺按其作用分为预备热处理和最终热处理两大类。一般情况下,退火与正火为预备热处理,淬火与回火为最终热处理。预备热处理的目的是消除坯料或半成品热加工所造成的缺陷,或为随后的冷加工和最终热处理做准备。最终热处理的目的是使工件获得最终所需要的使用性能。 整体热处理 (1)退火 退火是将钢加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却,也可埋人导热性较差的介质),以获得接近平衡组织的热处理工艺。 退火的目的是降低硬度,以利于切削加工；提高塑性和韧性,以利于冷变形加工改善金属材料的性能或为后续热处理做准备；消除金属材料中的残余内应力,防止变形和开裂。 整体热处理 退火的工艺种类很多,按照加热温度可分为两大类:一类是在临界温度(Ac或Ac,)以上的退火,包括完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和均匀化退火等;另一类是在临界温度(Ac)以上的退火,包括再结晶退火、去应力退火球化退火等。按照冷却方式可分为连续冷却退火及等温退火等。临界温度是指材料在加热过程中发生相变的温度点。 按照金属材料的成分和退火目的的不同,常用的退火可分为完全退火、球化退火和去应力退火三种。 整体热处理 1)完全退火 完全退火的目的是细化晶粒、消除残余内应力、降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能等。完全退火主要适用于中碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材,有时也用于焊接件,一般常作为一些不重要工件的最终热处理,或作为重要工件的预备热处理。 2)球化退火 球化退火的目的是得到球状组织、降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。球化退火常用于非合金工具钢、合金工具钢、冷作模具钢、高碳铬轴承钢等。球化退火适用于过共析钢及共析钢,并为淬火做好准备。 3)去应力退火 去应力退火的目的是消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力,稳定尺寸,减少变形,防止开裂。 整体热处理 (2)正火 正火是将金属材料加热到适当温度,保温一定时间,然后出炉在空气中冷却的热处理工艺。与退火相比较,正火的冷却速度快,故正火后的材料组织强度、硬度比退火高;正火操作简便,生产周期短,成本低,在可能的条件下宜用正火代替退火。 正火的目的是细化晶粒,均匀组织,消除铸件、锻件、焊接件的内应力,调整硬度改善切削加工性能。正火用于低碳钢时可提高硬度,改善切削加工性能;用于中碳钢和性能要求不高的零件时可代替调质处理;用于高碳钢时可消除网状碳化物,为球化退火做组织准备。正火可以用于普通结构零件的最终热处理及重要结构零件的预备热处理。 整体热处理 (3)淬火 金属材料在淬火后必须配以适当的回火,才能获得理想的力学性能。金属材料的强度、硬度、耐磨性、弹性、韧性等都可以利用淬火与回火提高。 淬火是将金属材料加热到临界温度以上并保温一段时间,然后快速放人火剂(冷却介质)中冷却的热处理工艺。淬火可以提高金属材料的强度和硬度,但会降低其塑性。 淬火的冷却介质是决定淬火质量的关键因素之一,常见的冷却介质有水、盐水、碱水和矿物油等。 整体热处理 在重载荷、动载荷下工作的重要零件及承受拉压应力的重要零件,如弹簧、传动轴等,选用淬透性高的材料。应力主要集中在材料表面,内部应力不大的零件,如齿轮、转轴等,选用淬透性低的材料。焊接件一般选用淬透性低的材料,防止焊接缝附近出现淬火组织,导致变形与开裂。 整体热处理 (4)回火 回火是将经过淬火硬化处理的工件重新加热到150~650℃的某一温度,保温一定时间,然后在油中或空气中冷却的热处理工艺。火后的金属材料虽然获得了高的硬度,但脆性大,不能直接使用,所以必须及时回火。 回火的目的是减少或消除工件淬火时产生的内应力,降低脆性,防止工件变形与开裂,稳定组织,稳定工件的形状与尺寸,调整工件的力学性能,以满足工件所需要的性能。回火按照加热温度可分为低温回火、中温回火和高温回火三大类。 整体热处理 常用回火的特点及应用范围见表 1-15。 整体热处理 整体热处理 在冲击载荷和摩擦条件下工作的零部件,如传动轴、调速齿轮等,要求其表面具有高的硬度和耐磨性,而心部具有足够的塑性和韧性。工件表面和心部具有不同的性能要求,难以通过选材和整体热处理解决,而表面热处理能满足这类工件的要求。表面热处理是为了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。常用的表面热处理方法是表面淬火。 表面热处理 表面淬火是通过快速加热的方式使工件表面迅速奥氏体化,而心部保持不变,并随之快速冷却,只让表面硬化的淬火工艺。其目的是使工件表面具有高的硬度、耐磨性,而心部具有足够的塑性、韧性。根据加热方法不同,表面淬火可分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。其中,感应加热表面淬火最为常用。 (1)火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是指用氧-乙炔或其他可燃气体燃烧的火焰快速加热工件表面,并随后快速冷却的淬火工艺,如图1-39所示。火焰淬火的淬硬层深度一般为2~6 mm。 表面热处理 (2)感应加热表面淬火 感应加热表面淬火是利用电磁感应产生的热效应对工件整体或局部表面快速加热并进行急速冷却的淬火方法,如图1-40所示。经感应加热表面淬火的工件,其表面具有高硬度和耐磨性,而心部具有足够的强度和韧性。感应加热表面淬火加热速度快、生产率高、质量稳定且容易控制,易于实现自动化操作,因此适用于大批量生产,但感应加热设备投资大,维修调试比较困难。 表面热处理 化学热处理就是将工件置于适当的活泼介质中加热、保温,使一种或几种元素渗人工件表面,以改变工件表面的化学成分组织和性能的热处理工艺。渗人的元素不同,工件表面的性能也不同。 化学热处理工艺种类较多,其中,渗碳、碳氮共渗可提高钢件表面的硬度和耐磨性;渗氮、渗硼可使钢件表面特别硬,显著提高耐热性和抗氧化性。渗碳、渗氮、碳氮共渗是常用的化学热处理方法。 化学热处理 (1)渗碳 渗碳是把低碳钢工件放在渗碳介质中,加热到一定温度(一般为 930 ℃左右),保温足够长的时间,使表面碳的平均质量分数增加的热处理工艺。根据渗碳介质形态的不同,渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳,其中,气体渗碳应用最为广泛。渗碳通常用于由低碳钢或合金渗碳钢制造的表面要求高硬度、耐,心部具有足够强度和韧性且具有高疲劳强度的工件,如齿轮、活塞销、轴类零件等。 例如,用 20Cr 钢制造的大型变速器齿轮,为达到外硬内韧的效果,应先将它放人井氏渗碳炉中渗碳,接着从炉中取出,但此时的齿面硬度并不高,需将它在空气中冷却到淬火临界温度,然后放人水中进行淬火。因为齿轮表面碳的平均质量分数在渗碳后变得很高,所以最后还应进行低温回火。 化学热处理 (2)渗氦 渗氮是向钢的表面渗氮以提高表面氮浓度的热处理过程。常用的渗方法是把氮气通人一定温度(一般为 500~ 560℃)的密封炉中,氮气分解产生活性氮原子渗人工件表面。渗氮后,工件的硬度高(可达1000~1200HV)、耐性好、氧化变形小并耐热、耐腐蚀、耐疲劳等。38CrMoA1是常用的渗氮钢,渗氮后不需要进行淬火处理渗氮的最大缺点是工艺时间较长。 目前,化学热处理已经从单元素渗发展到多元素复合渗,可使零件具有优良的综合性能。 化学热处理 (1)热处理技术条件分析 热处理是机械制造过程中的重要工序。正确理解热处理的技术条件,合理安排零件的加工工艺路线,对改善钢的切削加工性能、保证零件质量、满足使用要求具有重要意义。热处理的技术分析主要包括温度、保温时间、冷却方式、材料性能等。 (2)热处理工序位置安排 合理安排热处理工序位置对保证零件质量和改善切削加工性能具有重要意义热处理按照工序位置不同可分为预备热处理和最终热处理。 典型零件热处理分析 退火、正火件的加工路线一般为“毛坯生产一退火(或正火)一切削加工”调质件的加工路线一般为“下料一锻造一正火(或退火)-粗加工(留余量)一调质处理一半精加工(或精加工)”。 预备热处理包括退火、正火、回火和调质等,一般安排在毛坯生产之后、切削加工之前,或粗加工之后、半精加工之前。 1)预备 热处理 典型零件热处理分析 整体淬火件加工路线一般为“下料一锻造一退火(或正火)一粗加工、半精加工留磨削余量)-淬火+回火(低、中温)一削”。 渗碳件加工路线一般为“下料一锻造一正火一粗加工、半精加工(留防渗余量和镀铜)一渗碳一淬火、低温回火一磨削”。 最终热处理包括淬火、回火和渗碳等。零件经最终热处理后硬度高,除削外不宜进行切削加工,故最终热处理一般安排在半精加工后、削加工前。 淬火件分为整体淬火件和表面淬火件两种。表面淬火件加工路线一般为“下料一锻造一退火(或正火)-粗加工一调质一半精加工(留磨削余量)一表面淬火、低温回火一削”。 2)最终热处理 典型零件热处理分析 (3)主轴类零件的热处理过程 与滚动轴承或有轴套的滑动轴承配合的轴,其轴颈不需要特别高的硬度,可选用45 钢或 45Cr 钢,调质,硬度为 220~ 250HBW,或采用 50Mn 钢,正火或调质,硬度为28~35HRC。其加工路线为“下料一正火一粗加工一调质一精加工”。 直径或质量较大的主轴渗碳较困难,当要求变形较小时,可用45 钢或 40Cr 钢在轴颈处进行高频淬火。其加工路线为“下料一正火一粗加工一调质一半精加工一高频淬火和低温回火一精加工”。 典型零件热处理分析 课堂练习 1.下列零件中，需采用“淬火+回火”组合工艺的是（ ） A. 汽车车身 B. 切削刀具 C. 空调外壳 D. 建筑钢筋 答案：B 解析：切削刀具需高强度高硬度，淬火可满足硬度需求，回火消除脆性，组合工艺适配其工作要求，故选B。 课堂练习 2.化学热处理的主要特点是（ ） A. 仅改变表面组织 B. 表面成分和组织均改变 C. 整体成分改变 D. 冷却速度极快 答案：B 解析：化学热处理通过元素渗入，使零件表面成分发生变化，进而改变组织和性能，故选B。 课堂练习 3.正火的主要用途是（ ） A. 改善低碳钢的切削性能 B. 获得极高硬度 C. 消除淬火内应力 D. 强化零件表面 答案：A 解析：正火可细化低碳钢组织，提高硬度和强度，改善切削加工性能，是低碳钢常用预处理工艺，故选A。 课堂练习 4.渗氮处理属于（ ） A. 整体热处理 B. 表面热处理 C. 化学热处理 D. 回火工艺 答案：C 解析：渗氮是将氮原子渗入零件表面的工艺，属于化学热处理，可显著提高表面硬度和耐腐蚀性，故选C。 课堂练习 5.回火温度越高，零件的（ ） A. 硬度越高 B. 韧性越好 C. 强度越高 D. 脆性越大 答案：B 解析：回火温度越高，内应力消除越彻底，零件韧性越好，但硬度和强度会略有下降，故选B。 课堂练习 6.下列不属于整体热处理的工艺是（ ） A. 退火 B. 正火 C. 表面淬火 D. 回火 答案：C 解析：表面淬火仅针对零件表层处理，属于表面热处理；退火、正火、回火均为整体加热冷却，故选C。 课堂练习 7.适合制造机床导轨的零件，应采用的热处理工艺是（ ） A. 表面淬火 B. 退火 C. 渗碳处理 D. 正火 答案：A 解析：机床导轨需表面耐磨、心部坚韧，表面淬火可精准满足该性能需求，故选A。 课堂练习 8.化学热处理中，能提高零件表面耐腐蚀性的工艺是（ ） A. 渗碳 B. 渗氮 C. 正火 D. 表面淬火 答案：B 解析：渗氮处理后零件表面形成的氮化层，具备优良的耐腐蚀性和耐磨性，故选B。 课后作业 化学热处理与表面热处理的本质区别是什么？ 正火的主要用途有哪些？与退火相比有何优势？ 典型切削刀具的热处理工艺是什么？为什么采用该组合？ 课堂小结 $