3-4 钢的热处理（课件）《机械基础》上好课（高教版·第三版）

《机械基础》（高教版)第三版 上好课—中职专业课 模块三 机械工程材料 3-4 钢的热处理 教学目标 知识目标 1. 记住退火、正火、淬火、回火的概念、加热温度范围及冷却方式； 2. 掌握四种整体热处理方法的工艺特点、目的及应用范围； 3. 了解表面热处理与化学热处理的基本原理及应用场合。 能力目标 1. 能根据零件性能要求，正确选择合适的热处理方法； 2. 能区分退火与正火、淬硬性与淬透性等易混淆概念； 3. 初步学会分析典型零件的加工工艺路线中各热处理工序的作用。 情感目标 1. 感受热处理在机械制造中的“灵魂”作用，体会工艺控制对产品质量的决定性影响； 2. 培养严谨细致、精益求精的工匠精神，树立质量意识和安全责任意识。 1.7.2013 ‹#› 教学引入 铁匠把烧红的铁件往水里一放，这个动作叫什么？ 为什么要这样做？ 同样是钢铁制造的零件，为什么齿轮的齿面很硬很耐磨，而齿轮心部却要有足够的韧性？ 1.7.2013 同学们请看大屏幕，这就是我们今天要学习的主角——牛头刨床。大家可以看到，它正在对一个工件进行加工。请大家思考一下，这种加工方式和我们之前学的车削有什么区别？它主要用来加工什么样的表面呢？带着这些问题，我们正式进入今天的课程。 ‹#› 知识讲授：什么是热处理？ 热处理是一种至关重要的金属加工工艺，通过对钢或钢制工件进行科学的加热、保温和冷却操作，精准调控其内部的组织结构。它仅改变金属的内在微观结构，而完全不改变工件的外部形状与尺寸，是提升金属材料使用性能和工艺性能的核心技术手段。 三阶段工艺控制：严格把控加热速率、保温时间与冷却方式。 形存质变的本质：仅改变内部金相组织，不改变几何形状与尺寸。 性能跃升的关键：显著改善强度、硬度、韧性等关键指标。 知识讲授：热处理 知识讲授：热处理的核心：三要素 01. 加热：组织转变的起点 将工件加热到临界温度以上，使原始组织奥氏体化，为后续调整打下基础。 02. 保温：均匀化的关键 恒温保持足够时间，确保工件内外温度一致，使奥氏体成分均匀、晶粒细化。 03. 冷却：性能定型的手段 控制冷却速度，抑制或促进相变，获得所需的目标组织与性能。 核心关键：冷却方式决定最终力学性能。 知识讲授：热处理的家族成员 根据加热和冷却方式的不同，以及对工件整体或局部性能的要求，热处理主要可分为以下三类： 01 整体热处理 对工件整体进行穿透性加热，从内到外改变其组织和性能。核心工艺包括退火、正火、淬火和回火，是应用最广泛的基础热处理方式。 02 表面热处理 仅针对工件表层进行加热和冷却，使表面获得高硬度与耐磨性，同时保持心部良好的韧性。最常用的工艺是表面淬火，适用于轴类、齿轮等零件。 03 化学热处理 将工件置于特定化学介质中加热，使碳、氮等元素渗入表面，改变表层化学成分。典型工艺有渗碳、氮化，能显著提升表面的硬度、耐磨性和抗腐蚀性。 知识讲授：退火：让钢材“软”下来 退火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃的适当温度，保温一定时间后随炉缓慢冷却的热处理工艺，是钢材加工中最基础也最关键的工序之一。 箱式电阻炉是实验室与工厂中最常用的退火加热设备，能精准控制温度与保温时间，确保工件受热均匀。 退火可降低钢材硬度以方便切削加工，提高塑性与韧性以利于塑性变形，还能消除内应力，防止工件变形或开裂。 知识讲授：退火的不同类型 01 完全退火 将钢加热到Ac3以上使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡的组织。主要用于亚共析钢铸件、锻件，可细化晶粒、消除内应力并降低硬度，改善切削性能。 02 球化退火 加热到Ac1以上20~30℃保温后缓冷，使渗碳体球化。主要用于共析钢和过共析钢，获得球状珠光体，显著降低硬度，极大改善高碳钢的切削加工性能。 03 去应力退火 加热至Ac1以下温度保温后缓冷，消除铸件、锻件、焊接件及冷变形工件中的残余内应力，防止工件变形或开裂。 知识讲授：正火：比退火“快”一步 正火是将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃，保温后在空气中冷却的热处理工艺。与退火相比，其冷却速度更快，能获得更致密的金相组织。 细化组织：获得更细的晶粒结构，显著提高钢的综合力学性能，尤其是强度和韧性。 改善切削性：对低碳钢适度提高硬度，避免切削“粘刀”，提升表面光洁度与加工质量。 退火 vs 正火：孪生兄弟的区别 一、退火 • 冷却：随炉缓慢冷却，原子扩散充分 • 组织：粗片状珠光体，晶粒粗大均匀 • 性能：硬度低、塑性好，易切削加工 • 成本：周期长、能耗高，工艺成本昂贵 二、正火 • 冷却：空气中自然冷却，组织转变剧烈 • 组织：细片状珠光体，晶粒细化致密 • 性能：硬度高、强度好，综合性能更优 • 成本：周期短、效率高，经济性更佳 核心总结：冷却方式决定组织与性能，正火更经济高效，退火更适配高加工性能需求。 知识讲授：如何选择？—— 低碳钢篇 加工痛点：硬度低易“粘刀” 对于Q235、20CrMnTi等低碳钢，因硬度偏低，直接切削加工时刀具易产生粘附现象，不仅降低加工精度，还会严重影响表面质量。 优选方案：正火处理工艺 通过正火可将硬度提升至140~190HBW，有效改善切削性能；同时细化晶粒，为后续热处理奠定组织基础。相较于退火，正火具有成本更低、生产效率更高的优势。 应用实例：发动机凸轮轴 20CrMnTi钢制凸轮轴经正火预处理后，切削加工性能显著提升，为后续渗碳淬火等最终热处理提供了优良的组织条件。 知识讲授：如何选择？—— 高碳钢篇 01. 高碳钢的加工痛点 高碳钢（如T9、T12、GCr15）原始组织中渗碳体呈网状或粗片状，硬度高且不均，切削加工时刀具磨损快、精度差，甚至无法成型。 02. 关键工艺：球化退火 球化退火使渗碳体球化，获得均匀球状珠光体，硬度降至160~220HBW，降低切削抗力，改善加工性能。典型应用为GCr15钢制轴承套圈，便于车削、磨削，还能提升疲劳寿命。 知识讲授：退火与正火小结 01. 退火（随炉冷） 核心目的：“软化”金属，显著降低硬度，消除内部残余应力。 适用场景：适用于要求高塑性、高韧性的场合，或作为高碳钢切削加工前的预备热处理工序。 02. 正火（空冷） 核心目的：“细化”晶粒，在提高硬度和强度的同时，改善切削加工性能。 适用场景：常用于改善低碳钢的切削性能，也可作为力学性能要求不高的普通结构零件的最终热处理。 记忆口诀：低中碳钢用正火，高碳钢用球化退火。 知识讲授：淬火：让钢材“硬”起来 核心工艺原理 将钢材加热到临界温度以上并保温，随后迅速放入水、盐水或油等冷却介质中急冷，通过改变钢材的内部晶体结构，实现性能的飞跃。 性能提升与应用场景 淬火可显著提升钢材的强度、硬度和耐磨性。从切削刀具、高速轴承到精密模具、工程机械关键部件，凡是需要在苛刻工况下工作的钢材，都离不开淬火工艺的加持。 知识讲授：淬火的“冷却伙伴” 水与盐水：极速冷却的首选 冷却能力极强，专为淬透性较差的碳钢设计。其中盐水的冷却速度比清水更快，能让工件获得更高的表面硬度，是工业中最经济的冷却方式。 矿物油：温和防护的关键 冷却能力较弱，适用于淬透性较好的合金钢。其平缓的冷却速率能有效降低热应力，防止工件因骤冷产生裂纹或变形，保证结构完整性。 空气：高合金钢的专属方案 针对高速钢等特殊高合金钢，在静止空气中自然冷却即可完成淬火，称为“空冷淬火”。这种方式能精准控制组织转变，发挥材料最佳性能。 知识讲授：淬硬性：硬度的极限 核心定义：淬硬性是指钢在理想淬火条件下，经马氏体转变后所能达到的最高硬度值，其数值主要取决于钢中碳的质量分数，是钢材本身固有的属性。 实例佐证：高碳钢（如T12钢）含碳量约1.2%，淬火后硬度可达60HRC以上；低碳钢（如20钢）含碳量约0.2%，淬火后硬度仅25~30HRC。 结论：在一定范围内，钢的含碳量越高，淬硬性越好，淬火后可达到的硬度极限值就越高。 知识讲授：淬透性：硬化的深度 核心概念：淬硬层的“深度”能力 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。淬透性越好，意味着热量越难从工件内部传出，工件的整个截面也就更容易被均匀淬硬，能获得更深的有效硬化层。 关键因素：成分与冷却的双重作用 淬透性主要取决于钢的化学成分（特别是合金元素的含量）和冷却方式。合金元素能显著降低临界冷却速度，因此合金钢的淬透性普遍优于碳素钢，是工业制造中优先选择的材料。 核心辨析：淬硬性 ≠ 淬透性 淬硬性：硬度的高低 描述钢材淬火后能达到的最高硬度，主要由钢的含碳量决定。核心问题：钢材淬火后“能硬到什么程度？” 淬透性：硬化层的深浅 描述钢材在淬火时获得马氏体组织的能力，主要由合金元素和冷却方式决定。核心问题：淬火后钢材内部“能硬多深？” 重要结论：淬硬性好的钢材淬透性未必好；反之，硬度不高的钢材淬透性也可能极佳。二者是衡量钢材淬火性能的不同维度，不可混为一谈。 知识讲授：回火：淬火的“黄金搭档” 回火是将淬火后的钢重新加热到低于727℃的某一温度，保温后空冷的热处理工艺。淬火后的钢虽硬度高，但塑性和韧性极差，且存在巨大内应力，质脆易裂，因此淬火后必须及时进行回火处理。 • 消除淬火内应力：有效消除或降低内应力，防止工件变形开裂。 • 调整力学性能：兼顾硬度与塑韧性，满足不同使用要求。 • 稳定组织与尺寸：使组织稳定，确保尺寸长期不变。 知识讲授：低温回火：保持高硬度 回火温度范围：150~250℃ 属于低温热处理工艺，在此温度区间内，钢材内部组织发生细微转变，为后续性能奠定基础。 核心目的：保硬度，降脆性 在保持淬火后高硬度和高耐磨性的前提下，有效消除淬火内应力，降低工件脆性，提升使用安全性。 典型应用与案例 广泛用于刀具、量具、轴承等耐磨精密零件。如金属切削刀具，经处理后刃口锋利耐磨，能承受冲击摩擦，显著延长寿命。 知识讲授：中温回火：获得高弹性 回火温度区间：350~500℃ 处于低温与高温回火之间的过渡区间，在此温度下，钢材内部组织发生转变，析出碳化物，为获得高弹性奠定基础。 核心性能：高弹性与适当韧性 旨在提升材料的弹性极限和屈服强度，同时保持适当的韧性以防止脆性断裂，硬度通常控制在 40~50HRC 的范围内。 关键应用场景：弹性元件 广泛应用于各类需要反复承受冲击和振动的零件，如机械弹簧、精密发条以及工作条件苛刻的热作模具等。 知识讲授：高温回火与调质处理 高温回火：追求极致的综合性能 回火温度控制在500~650℃，核心是消除内应力，使工件获得强度、塑性和韧性俱佳的综合力学性能，硬度稳定在200~300HBW，兼顾强韧性。 调质处理：机械制造的核心工艺 “淬火+高温回火”的组合即为调质处理，是应用最广的热处理工艺之一，广泛用于螺栓、连杆、齿轮、轴类等承受交变载荷的关键结构零件。 外硬内韧：表面热处理的目标 工况下的双重性能矛盾 齿轮、凸轮、轴颈等零件在工作时，表面需极高硬度与耐磨性抵御摩擦、磨损和冲击；心部则需足够强度和韧性以传递载荷、防止断裂。 表面热处理的核心逻辑 通过仅对零件表面层进行局部硬化处理，不改变心部组织和性能，让零件融合“高硬度耐磨外壳”与“高强度韧性心部”的复合性能。 知识讲授：表面淬火之一：火焰淬火 火焰淬火是利用氧-乙炔等火焰快速加热工件表面，使其迅速奥氏体化并立即冷却的传统工艺。 工艺优势：设备简单、成本低，适用于单件、大型或异形工件的局部淬火。 主要局限：温度难控易致工件过热，质量受操作人员技术影响，稳定性较差。 典型应用：大型轴类、重载齿轮、机床导轨等重型机械零件的表面强化。 表面淬火之二：感应加热淬火 ▍工艺原理：利用电磁感应原理在工件表面产生感应电流，借电流热效应快速加热并冷却，是高效的表面热处理手段。 ▍工艺优势：加热速度极快、生产率高，淬火质量稳定且工件变形小，易实现自动化与大批量流水线作业。 ▍成本特点：初期设备投资大，需为不同工件定制专用感应线圈，通用性较弱。 ▍核心应用：广泛用于汽车、机械制造等行业，对齿轮、轴类零件、轴承圈等关键传动部件进行表面强化。 知识讲授：化学热处理：改变表面成分 如果说表面淬火是改变表面组织，化学热处理则是从根本上改变表面的化学成分，是更为深层、彻底的表面改性技术。 其原理是将工件置于含特定元素的活性介质中加热、保温，使碳、氮等元素渗入工件表面，形成一层具有高硬度、高耐磨性或高耐腐蚀性的特殊合金层，如同为金属穿上一层“防护铠甲”。 对比：表面淬火仅改变表层金相组织，化学成分不变；化学热处理则实现成分与组织的双重改变，从化学本质上提升性能。 知识讲授：化学热处理 - 渗碳 01. 核心原理：碳原子渗入 将低碳钢工件置于渗碳介质中，在930℃左右高温加热并保温，使活性碳原子渗透至工件表层，形成高碳浓度的渗碳层，改变表层化学成分。 02. 关键工艺：淬火+低温回火 渗碳后需配合淬火和低温回火处理。此举可使工件表面获得58~62HRC的高硬度与耐磨性，同时心部保留低碳钢原有的强韧性，实现“外硬内韧”。 03. 典型应用：承受冲击的耐磨件 广泛应用于汽车齿轮、活塞销、凸轮轴等关键零件。这些零件在工作中既需要表面抵抗磨损，又需要心部承受冲击载荷，渗碳工艺是其理想的强化手段。 知识讲授：化学热处理 - 氮化 氮化是向钢的表面渗入氮原子的化学热处理工艺。通常在500~560℃的密封炉中进行，利用氨气分解出的活性氮原子渗入工件表面，形成富氮硬化层，从而显著提升工件性能。 • 硬度极高，耐磨优异：表面硬度可达1000~1200HV，远超渗碳淬火后的硬度，能承受强烈的磨损，延长工件使用寿命。 • 处理温低，变形极小：氮化处理温度远低于淬火温度，工件在处理过程中热应力小，尺寸精度高，适合精密零件的最终处理。 • 工序简化，无需淬火：渗氮过程中直接形成高硬度的氮化物层，处理后无需进行淬火、回火等后续热处理，大幅简化工艺流程。 典型应用：广泛应用于要求高精度、高耐磨性的精密机械零件，如精密机床主轴、镗床镗杆、高精度量具、齿轮及发动机曲轴等关键部件。 知识讲授：前沿技术：激光淬火 作为“中国制造2025”重点推广的清洁热处理技术，激光淬火利用高能量密度激光束扫描工件表面，实现快速升温与自冷相变，在工件表层形成性能优异的淬硬层，兼顾效率与质量。 核心优势： • 清洁环保：无需冷却介质，无废气废水排放，符合绿色制造标准。 • 精密低变：加热区域精确，工件整体温升小，淬火后变形量极低。 • 性能优异：获得极细的马氏体组织，表面硬度高，耐磨性能显著提升。 典型应用：广泛应用于机床导轨、大型齿轮、精密模具、轧辊等关键零部件的表面强化处理。 生产的语言：图样上的热处理标注 在零件的设计图样上，必须明确标注热处理技术条件，将设计要求转化为可执行的工艺指令，这是指导生产加工和最终质量检验的核心依据。 需明确热处理方法，如“调质处理”“渗碳淬火”“高频感应淬火”等，确保工艺路线准确无误。 需量化关键性能指标，标注硬度值（如220~250HBW）、硬化层深度（如0.8~1.3mm）等具体参数，作为质量判定的量化标准。 工艺路线中的热处理（预备热处理） 热处理工序在零件整个加工工艺路线中的位置至关重要。预备热处理（如退火、正火、调质）的核心目的是改善材料的切削加工性能、消除铸造或锻造产生的内应力，并为后续的最终热处理做好组织层面的准备。 通常置于毛坯生产之后、切削加工之前以优化切削性能；调质处理则常安排在粗加工之后、半精加工之前，以获得更均匀的综合力学性能。 典型路线：下料 → 锻造 → 正火 → 粗加工 → 调质 → 半精加工。正火与调质衔接了冷热加工的各个阶段。 知识讲授：预备热处理 工艺路线中的热处理（最终热处理） 核心目的 通过淬火、回火、渗碳等工艺手段，使零件获得所需的硬度、强度、耐磨性和韧性，达到产品设计规定的最终使用性能要求。 关键工序位置 通常安排在半精加工之后、最终磨削加工之前。此位置可通过后续磨削去除热处理产生的微小变形与氧化层，确保零件最终精度。 典型工艺路线 半精加工 → 淬火+低温回火 → 最终磨削加工。该流程兼顾了性能强化与尺寸精度控制。 总结 最终热处理是决定零件性能的关键环节，其工序位置的选择直接影响零件的加工质量和使用寿命，必须严格遵循“先热处理改性，后磨削定形”的原则。 例题3-9：机床主轴热处理分析（45钢） （1）热处理技术条件：①整体调质220~250HBW；②轴颈、锥孔表面淬火52~58HRC。 （2）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。 （3）各热处理工序作用： ①正火（855~875℃）：消除锻造应力，降低硬度，细化晶粒，改善切削加工性能，为后续热处理做好组织准备； ②调质（淬火840~860℃+高温回火500~550℃）：获得高的力学性能和疲劳强度； ③表面淬火及低温回火（760~780℃）：表面获得针状马氏体，轴颈、锥孔硬度达52~58HRC，心部保持回火索氏体组织，具有较高的强度和韧性。 例题3-10：汽车变速器齿（20CrMnTi） （1）热处理技术条件：①渗碳层深度0.8~1.3mm；②齿面硬度58~62HRC，心部硬度33~48HRC。 （2）加工路线：备料→锻造→热处理①→机械加工→热处理②→机械加工→热处理③→机械加工。 （3）各热处理工序作用： ①热处理①正火：消除锻造应力，降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；细化晶粒，改善内部组织，为以后的热处理做准备； ②热处理②渗碳：使齿轮表面有足够深度和数量的碳化层； ③热处理③淬火+低温回火：齿面硬度58~62HRC，心部硬度33~48HRC，兼具表面高硬耐磨和心部强韧；低温回火消除淬火应力、减少脆性。 知识点背诵 一、热处理四把火： 退火（随炉冷）、正火（空冷）、淬火（快速冷）、回火（空冷）。 二、淬硬性看含碳量，淬透性看化学成分和冷却方式，两者不是一回事。 三、渗碳后必须淬火+低温回火； 氮化后不需淬火，典型钢号是38CrMoAl。 1.7.2013 好了，我们来总结一下今天的重点知识。刨床分牛头和龙门；刨削能加工各种平面和沟槽；刨刀有弯颈、直杆、偏刀和成型刀四种主要类型。这些都是必须掌握的核心内容。 ‹#› 师生互动 降低正弦量计算门槛，提升效率 问题 机床主轴（45钢）为什么采用“调质+表面淬火”，而不是直接整体淬火？ 结论 机床主轴工作时既承受弯曲扭转等整体载荷，轴颈部位又承受摩擦磨损。采用调质可使整个截面获得综合力学性能（强度与韧性兼顾）；表面淬火只硬化轴颈、锥孔等关键部位，表面耐磨（52~58HRC），心部保持回火索氏体组织具有较高强度和韧性，实现“外硬内韧”。如果直接整体淬火，心部会变脆，韧性不足，容易断裂。 1.7.2013 ‹#› 单项选择题 1.下列哪种热处理工艺的冷却速度最慢（ ） A．退火 B．正火 C．淬火 D．表面淬火 正确答案：A 退火采用随炉缓慢冷却，是四种热处理中冷却速度最慢的；正火为空冷，速度较快；淬火和表面淬火均为快速冷却。 课后练习 1.7.2013 现在我们来做几道练习题巩固一下。第一题，主要用于加工大型工件的刨床是什么？A还是B？对，是B，龙门刨床。 ‹#› 单项选择题 2.中温回火的温度范围是（ ） A．150~250℃ B．350~500℃ C．500~650℃ D．727℃以上 正确答案：B 低温回火150~250℃，中温回火350~500℃，高温回火500~650℃。中温回火可获得高的弹性极限，用于弹簧、发条等弹性零件。 课后练习 1.7.2013 第二题，为了防止扎刀，精加工用哪种刨刀？没错，是弯颈刨刀，选B。 ‹#› 单项选择题 3.气体渗碳属于（ ） A．整体热处理 B．表面热处理 C．化学热处理 D．预备热处理 正确答案：C 渗碳是向钢件表面渗入碳元素，改变表面化学成分，属于化学热处理。气体渗碳是渗碳的一种，以气体渗碳应用最为广泛。 课后练习 1.7.2013 ‹#› 为什么淬火后的钢必须及时回火？回火的目的是什么？ 课后练习 淬火后钢的内部存在很大的淬火内应力，组织处于不稳定状态，若不及时回火，工件容易发生变形甚至开裂。 回火的目的是： （1）减少或消除工件淬火时产生的内应力； （2）稳定组织，使工件尺寸和性能保持稳定； （3）调整工件的力学性能，满足使用性能要求。 1.7.2013 最后是一道简答题，请大家简述刨削加工的工艺特点。大家可以从切削工况、成本、效率、应用和精度这几个方面来回答，把我们刚才总结的内容写出来就可以了。 ‹#› 课堂小结 1. 背诵：四种整体热处理的定义、冷却方式、目的及典型应用。 2.案例分析（例题3-10变式）：某汽车变速器齿轮（20CrMnTi）的加工工艺路线如下——下料→锻造→热处理①→粗加工→热处理②→半精加工→热处理③→磨削。请写出热处理①②③的名称，并说明各自的作用。 课后作业 1.7.2013 这是今天的课后作业。基础题帮助大家巩固记忆，巩固题要求大家对比两种刨床的核心区别，预习任务是为下节课做准备。请大家认真完成。 ‹#› 感谢观看 $