3-4 钢的热处理（2）《机械基础》安徽省（分类招生和对口招生）装备制造类 知识点讲解

安徽省装备制造大类对口高考机械基础复习讲义 模块3 机械工程材料 3-4 钢的热处理（2） 考点18 钢的表面热处理与应用（理解） 【考纲要求】 （1）理解钢的表面热处理的概念、分类和特点。 （2）理解钢的化学热处理的概念、分类和特点。 （3）理解典型零件的热处理工艺分析。 【知识网络】 【知识和技能要点】 二、表面热处理和化学热处理 在冲击载荷和摩擦条件下工作的零件,如齿轮、凸轮等,要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部需要足够的塑性和韧性。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，而利用表面热处理和化学热处理能满足这类零件的要求。 1.表面热处理 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。 表面淬火是最常用的表面热处理，它通过快速加热对工件表面进行淬火,而心部保持不变。目的是使工件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。 根据加热方法不同，表面淬火可分为火焰淬火和感应加热淬火等。 (1)火焰淬火 火焰淬火是指用氧 -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。淬硬层深度一般为2～6 mm。 优点：火焰淬火设备简单,操作简便，速度快，成本低,适用于局部磨损的工件，如轴、齿轮、轨道等,用于特大件更为经济有利。 缺点：火焰淬火容易使表面过热，质量难以控制，因而在使用上有一定局限性。 (2)感应加热淬火 感应加热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。 经感应加热淬火的工件表面具有高硬度和耐磨性,而心部具有足够的强度和韧性。 优点：感应加热淬火加热速度快,生产率高,质量稳定且容易控制,易于实现自动化操作，适用于大批量生产。 缺点：感应加热设备投资大,维修调试比较困难。 感应加热表面淬火后，需要进行低温回火。工艺路线一般如下： 毛坯锻造（或轧材下料）→退火或正火→粗加工→调质→精加工→感应加热表面淬火→低温回火→磨削加工。 2.化学热处理 化学热处理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入工件表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 渗碳、氮化和碳氮共渗是常用的化学热处理方法。 （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,使表面碳的质量分数升高的热处理工艺。 根据渗碳介质的形态不同,渗碳可分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳，以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、耐磨,心部具有足够强度和韧性,且具有高疲强度的工件,如齿轮、活塞销、轴类零件等。 渗碳后工件表面碳的质量分数会变得很高，最后要淬火+低温回火。 （2）氮化 氮化是向钢的表面渗入氮元素以提高表面氮浓度的热处理过程。 常用的氮化方法是把氮气通入一定温度(一般为 500~560℃)的密封炉中,氮气分解产生活性氮原子渗入工件表面。 优点：氮化后，工件的硬度高(可达1000~1200HV)、耐性好、氧化变形小并能耐热、耐腐蚀、耐疲劳等。 38CrMoAlA是常用的氮化钢,氮化后不需要进行淬火处理。 缺点：氮化处理的最大缺点是工艺时间较长。 三、典型零件热处理分析 1.预备热处理 预备热处理包括退火、正火、回火和调质等。 退火、正火通常安排在毛坯生产之后、切削（粗）加工之前，以消除毛坯的内应力，均匀组织，改善切削加工性能，并为以后的热处理做好组织准备。 加工路线为： 铸造或锻造→退火(或正火)→切削（粗）加工 调质一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是获得良好的综合力学性能，为以后的热处理做好组织准备。 调质件加工路线一般为： 下料→锻造→正火(或退火)→粗加工(留余量)→调质处理→半精加工(或精加工） 2.最终热处理 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,除磨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、磨削加工前。 整体淬火件加工路线一般为： 下料→锻造→退火(或正火)→粗加工、半精加工(留磨削余量)→淬火+回火(低、中温)→磨削 表面淬火件加工路线一般为： 下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→半精加工(留磨削余量)→表面淬火+低温回火→磨削 渗碳件加工路线一般为： 下料→锻造→正火→粗加工、半精加工(留防渗余量和镀铜)→渗碳→淬火+低温回火→磨削 有些零件性能要求不高，对其毛坯进行退火、正火或调质处理即可满足使用性能要求，这时退火、正火或调质处理也可作为最终热处理。 3.典型零件的热处理工艺分析 （1）锉刀 锉刀是常用的钳工手动工具，切削速度不高，但要有足够的硬度和耐磨性。锉柄硬度要求不高，要有足够的韧性，以防折断伤人。鉴于以上条件要求，选用T12钢锻件毛坯，热处理技术条件为：锉身硬度58～62HRC，锉柄硬度30～35HRC。 加工工艺路线如下： 备料→锻造→正火+球化退火→机械粗加工→锉身局部淬火+低温回火→机械精加工。 试分析各热处理工序的作用。 答：正火+球化退火是预备热处理，正火是为了消除毛坯的锻造内应力；消除网状渗碳体，降低硬度，改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备。球化退火是为了把正火得到的片状珠光体变成球状，进一步降低硬度，改善切削加工性能，避免淬火加热时晶粒粗大。 锉身局部淬火+低温回火是最终热处理，目的是使锉身获得足够的硬度和耐磨性，硬度达58～62HRC。锉柄在淬火时不浸入冷却液，在空气中冷却，获得片状珠光体组织，硬度达30～35HRC，并有足够的韧性，以防折断伤人。 （2）机床主轴 轴是机械中广泛使用的重要结构件,主要用于支承传动零件并传递扭矩,要求其具有较高的强度及足够的塑性和韧性。图示的机床主轴采用45 钢制造,热处理技术条件如下： ①整体调质220～250HBW；②轴颈、锥孔表面淬火52～58HRC。 加工路线:锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→局部表面淬火及低温回火→磨削。 试分析各热处理工序的作用。 答：正火是预备热处理，目的是消除毛坯的锻造应力,降低硬度,改善切削加工性能；均匀组织,细化晶粒,为后续热处理做好组织准备。 调质也是预备热处理，目的是获得高的力学性能和疲劳强度。 局部表面淬火及低温回火是最终热处理，目的是使表面获得马氏体组织，经回火后轴颈、锥孔硬度达到52～58HRC，其余部位保持调质后得到的回火索氏体组织，具有较高的强度及足够的塑性和韧性。 （3）汽车传动齿轮轴 汽车传动齿轮轴的光轴部分要与轴承配合，花键齿廓和齿轮齿廓主要承受摩擦载荷，整个齿轮轴主要承受扭转载荷，变速时还要承受一定的冲击载荷。选用淬透性好、综合力学性能高的合金调质钢40Cr锻件毛坯。热处理技术条件为：整体硬度220～250HBW，花键齿廓和齿轮齿廓硬度48～53HRC。 加工工艺路线如下： 备料→锻造→正火→机械粗加工→调质→机械半精加工→花键齿廓和齿轮齿廓高频表面淬火+低温回火→精磨 试分析各热处理工序的作用。 答：正火和调质是预备热处理。其中正火是为了消除毛坯的锻造内应力；降低硬度，改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备。调质是保证齿轮轴整体具有较高的综合力学性能，消除粗加工产生的内应力，进一步改善切削加工性能，满足整体硬度220～250HBW的要求。 高频表面淬火＋低温回火是最终热处理，目的是使花键齿廓和齿轮齿廓获得高硬度，达到48～53HRC。而心部保持调质状态，具有较高的强度和韧性，硬度为220～250HBW。 （4）汽车变速齿轮 汽车变速齿轮的齿面和内花键孔表面主要承受摩擦载荷，整个齿轮主要承受扭转载荷，变速时还要承受一定的冲击载荷，属于典型的要求“外硬内韧”的零件。选用淬透性好、晶粒不易长大的合金渗碳钢20CrMnTi的锻件毛坯，热处理技术条件为：①渗碳层深度为 0.8～1.3 mm；②齿面硬度58～62HRC，心部硬度33～48HRC。 加工工艺路线如下： 备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火、低温回火→喷丸→校正花键孔→磨削 试分析各热处理工序的作用。 答：正火是预备热处理，目的是消除毛坯的锻造内应力；提高硬度，改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备。 渗碳是保证齿面有足够深度和数量的碳的质量分数，达到0.85%以上，为后续热处理做好化学成分上的准备。 淬火＋低温回火是最终热处理，目的是使齿面有足够的硬度，达58～62HRC，而心部具有较高的强度和韧性，硬度达33～48HRC。低温回火还可以消除淬火内应力，减少脆性。 【练习题】 一、单项选择题 1.表面热处理不包括（ ）。 A.火焰淬火 B. 感应加热淬火 C.激光淬火 D.氮化 2.下列牌号的钢不适合表面淬火的是（ ）。 A.08 B.45 D.70 C.65 3.要求硬而耐磨的工件表面淬火后，需要进行（ ）。 A.低温回火 B.中温回火 C.高温回火 D. 调质处理 4.金属材料的化学热处理与其他热处理的根本区别是（ ）。 A.组织变化 B.成分变化 D.性能变化 C.温度不同 5.下列热处理属于化学热处理的是（ ）。 A.调质处理 B.水韧处理 C.球化处理 D.渗碳 6.下列热处理不属于化学热处理的是（ ）。 A.调质 B. 渗碳 C.氮化 D. 碳氮共渗 7.为获得良好的综合力学性能，38CrMoAl 钢制造的氮化件预先热处理应采用（ ）。 A.退火 B.正火 C.调质 D.渗碳 8.一模数4的齿轮，为获得1.5 mm深并沿齿廓分布的硬化层，应采用（ ）热处理方法。 A.表面淬火 B.渗碳+淬火+低温回火 C.氮化 D.碳氮共渗 9.在常用的表面热处理方式中，（ ）处理变形最小。 A. 火焰加热表面淬火 B. 感应加热表面淬火 C.氮化 D.渗碳 10.能提高低碳钢的硬度，也能降低高碳钢的硬度，以利于切削加工，这种热处理是（ ）。 A.退火 B. 正火 C.激光淬火 D. 回火 二、多项选择题 1.在冲击载荷和摩擦条件下工作的零件,要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部需要足够的塑性和韧性。利用（ ）能满足这类零件的要求。 A. 表面热处理 B. 化学热处理 C.孕育处理 D.蠕化处理 2.以下属于表面热处理的是（ ）。 A.火焰淬火 B.感应加热淬火 C.渗碳 D.氮化 3.下列牌号的钢适合进行表面淬火的是（ ）。 A.08 B.45 C.65 D.80 4.工件经氮化处理后，硬度高(可达1000~1200HV)、耐磨性好、氧化变形小并能（ ）。 A.耐热 B.耐腐蚀 C. 耐疲劳 D.耐冲击 5.以下属于预备热处理的是（ ）。 A.退火 B.正火 C.渗碳 D.氮化 6.以下属于最终热处理的是（ ）。 A.淬火 B.表面淬火 C.渗碳 D.氮化 三、填空题 1.根据加热方法不同，表面淬火可分为 和 等，其中 加热速度快，质量稳定且易控制，适用于大批量生产。 2.经表面淬火的工件表面具有高的 和 ,而心部具有足够的 和 。 3.电动螺丝刀的表面采用 淬火，齿轮批量件选用 淬火。 4.根据渗入元素的不同，化学热处理可分为 、 和 等。 5.根据渗碳介质的形态不同,渗碳可分为 、 和 。 6.热处理技术条件内容包括 和 方法及应达到的力学性能要求等，作为热处理生产及检验时的依据。 四、简述题 1.什么是表面热处理? 目的是什么? 表面淬火前应采用何种预备热处理？ 2.什么是化学热处理？常用的化学热处理方法有哪些？ 3.用T12钢制造丝锥，要求刃部硬度60HRC以上，柄部硬度35～40HRC。 加工工艺路线如下： 轧制→热处理1→机加工→热处理2→精加工。 试写出各热处理工序的名称及其作用，并指出热处理后的大致硬度。 4.用45 钢制造普通车床传动齿轮，工艺路线如下： 毛坏→锻造→热处理 1→粗加工→热处理2→精加工→热处理3一精磨。 试写出热处理 1、热处理2和热处理3 的名称并分析其作用。 5.用20CrMnTi钢的锻件毛坯制造汽车变速齿轮，热处理技术条件为：①渗碳层深度为 0.8～1.3 mm；②齿面硬度58～62HRC，心部硬度33～48HRC。 加工工艺路线为： 备料→锻造→热处理 1→机械加工→热处理2→热处理3→喷丸→校正花键孔→磨齿 试说出各热处理工艺的名称并分析其作用。 6.现有低碳钢和中碳钢齿轮各一个，为使齿面具有高的硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和韧性，各应进行何种热处理? 7.为什么机床齿轮一般选用 45 或 40Cr 钢等材料制造，而汽车齿轮一般选用 20CrMnTi、20CrMnMo 钢等材料制造？请给出两类材料的加工路线，并指出采用不同热处理工艺的目的。 8.某型号柴油机的凸轮轴,要求凸轮表面有高的硬度（HRC>50），而心部具有良好的韧性(Ak>40J)，原采用 45 钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火。现因工厂库存的 45 钢已用完，只剩 15 钢，拟用 15 钢代替。试说明： (1)原 45 钢各热处理工序的作用； (2)改用 15 钢后，应按原热处理工序进行能否满足性能要求，为什么？ (3)改用 15 钢后，为达到所要求的性能，在心部强度足够的前提下采用何种热处理工艺？ 9.用65Mn 钢制造弹簧，工艺路线如下： 毛坯→轧制→热处理1→机加工→热处理2。 试写出热处理1和热处理2的名称并分析其作用。 【答案】 一、单项选择题 1.D 2.A 3.A 4B 5.D 6.A 7.C 8.B 9.C 10.B 二、多项选择题 1.AB 2.AB 3.BCD 4.ABC 5.AB 6.ABCD 三、填空题 1. 火焰淬火 感应加热淬火 感应加热淬火 2. 硬度 耐磨性 塑性 韧性 3. 火焰 感应加热 4. 渗碳 氮化 碳氮共渗 5. 固体渗碳 液体渗碳 气体渗碳 6. 预备热处理 最终热处理 四、简述题 1.答：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。 表面热处理的目的是使工件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。 表面淬火前应采用退火或正火处理。 2.答：化学热处理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入工件表面，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 渗碳、氮化和碳氮共渗是常用的化学热处理方法。 3.答：热处理1为球化退火，目的是消除毛坯的轧制应力；降低硬度，改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备。 热处理2为淬火+低温回火，目的是使丝锥刃部获得足够的硬度，经低温回火，硬度达60HRC以上。锉柄在淬火时不浸入介质，相当于空冷，硬度达35～40HRC，并有足够的韧性。 4.答：热处理1为正火，目的是消除锻造后的内应力，改善切削加工性，为以后热处理做组织准备。 热处理2为调质，目的是得到良好的综合力学性能。 热处理3为感应加热表面淬火，目的是使表层获得高硬度高耐磨性，而心部仍旧保持原有的调质后的性能。 5.答：热处理1为正火,主要作用是消除锻造内应力；提高硬度,改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备。 热处理2为渗碳，主要作用是使齿轮表面有足够深度和数量的碳的质量分数，达到0.85%以上，为后续热处理做好化学成分上的准备。 热处理3为淬火+低温回火，主要作用是使齿面硬度58～62HRC，心部硬度 33～48HRC，同时具有较高的强度和韧性；低温回火还可消除淬火内应力，减少脆性。 6.答：为使齿轮齿面具有高的硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和韧性，低碳钢齿轮需进行“渗碳→淬火+低温回火”处理；中碳钢齿轮需进行“调质→表面淬火+低温回火”处理。 7.答：因为汽车在运行过程中对变速齿轮的冲击比机床要大，也就要求齿轮有更高的韧性。20CrMnTi、20CrMnMo属于低合金钢，在做齿轮时一般采取“渗碳+淬火+低温回火” 处理，比 45 或 40Cr调质具有更高的内部韧性，45 或 40Cr 属于中碳钢或中碳合金钢，没必要渗碳，热处理采取调质处理。 8.答：(1)正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；调质处理可获得高的综合力学性能和疲劳强度；局部表面淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。 (2）不能。改用 15 钢后按原热处理工序会造成心部较软，表面硬，会造成表面脱落。 (3)渗碳。因为 15 钢是低碳钢，渗碳法可以提高钢件的表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能，满足柴油机凸轮所需要求。 9.答：热处理1为退火或正火，作用是消除轧制过程中产生的内应力,为以后的加工做好组织准备。 热处理2为淬火+中温回火，作用是获得高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $