汽車機(jī)械基礎(chǔ)機(jī)工配套課件：1 單元3 金屬材料的熱處理

1、汽車機(jī)械基礎(chǔ)模塊一 汽車工程材料單元三 金屬材料的熱處理學(xué)習(xí)目標(biāo)1.知識目標(biāo)（1）了解鋼熱處理的定義、分類及應(yīng)用范圍；（2）掌握鋼鐵材料常用的熱處理工藝方法；（3）了解鋼熱處理的目的。2.能力目標(biāo)能了解汽車典型零件的熱處理方法目錄01任務(wù)一 金屬材料熱處理概述02任務(wù)二 鋼的整體熱處理03任務(wù)三 鋼的表面熱處理任務(wù)引入汽車零件是組成汽車的重要部分,在汽車零件中大部分屬于鋼鐵材料,鋼材的熱處理是提升鋼鐵材料性能的主要途徑。例如汽車后橋的主動齒輪未經(jīng)熱處理的使用壽命僅為1500h，而經(jīng)熱處理后能達(dá)到6000h。目錄01任務(wù)一 金屬材料熱處理概述02任務(wù)二 鋼的整體熱處理03任務(wù)三 鋼的表面熱處理金

2、屬材料熱處理概述 把金屬材料(可分為鋼、鑄鐵和有色金屬及合金等）加熱到一定溫度,在此溫度保持一定時間,用合適的冷卻介質(zhì)冷卻到室溫的過程。通過熱處理，可以改變材料的內(nèi)部組織（金相組織）和結(jié)構(gòu)，以獲得我們所需要的性能（分物理性能和化學(xué)性能）。熱處理概念：金屬材料熱處理概述 熱處理分為加熱、保溫、冷卻三個過程。對于不同的金屬材料、不同的外形尺寸和不同的加熱介質(zhì)，為了不同的目的，最終加熱溫度的高低、加熱速度、保溫時間長短、冷卻介質(zhì)及冷卻速度和方式各有不同。熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線：金屬材料熱處理概述熱處理工藝分類：根據(jù)熱處理的目的和工藝方法不同：整體熱處理退火、正火、淬火、回火等熱處理 表面熱處理

3、 表面淬火火焰加熱、感應(yīng)加熱化學(xué)熱處理滲碳、滲氮、碳氮共滲等熱處理金屬材料熱處理概述最終熱處理是在零件完成機(jī)械加工后進(jìn)行的，目的在于獲得零件所需的力學(xué)性能。熱處理工藝分類：根據(jù)工序位置的不同：預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理是在零件加工過程中進(jìn)行的，目的在于改善鑄造、鍛造或焊接毛坯件的內(nèi)部組織，消除內(nèi)部應(yīng)力，為后續(xù)機(jī)械加工或進(jìn)一步的熱處理作準(zhǔn)備，最終熱處理。目錄01任務(wù)一 金屬材料熱處理概述02任務(wù)二 鋼的整體熱處理03任務(wù)三 鋼的表面熱處理鋼的整體熱處理整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當(dāng)速度冷卻，以改變其整體力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。整體熱處理退火正火回火淬火退火1.概念 退火是將鋼件加熱到適當(dāng)?shù)臏?/p>

4、度，經(jīng)過一定時間的保溫后，緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）以使內(nèi)部組織均勻化，從而獲得預(yù)期力學(xué)性能的熱處理工藝。2.目的 降低材料的強(qiáng)度和硬度，提高塑性，為后續(xù)機(jī)械加工做準(zhǔn)備。 減小材料內(nèi)部組織的不均勻性，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)部應(yīng)力。 為后續(xù)的熱處理做好組織準(zhǔn)備。退火3.分類及應(yīng)用 不同成分的鋼件在退火時所需的加熱溫度和冷卻方式各不相同，通?？蓪⑼嘶鸱譃橥耆嘶稹⒌葴赝嘶?、球化退火、均勻退火和去應(yīng)力退火。（a）加熱溫度 （b）工藝曲線示意圖幾種退火方式的工藝曲線退火類別處理方法特點(diǎn)應(yīng)用范圍完全退火 將鋼件加熱到Ac3以上3050 ，保溫一段時間后，隨爐冷卻或?qū)摷袢肷?、石灰中，待冷卻至500 時取出空

5、冷 降低鋼件硬度，使組織均勻化，充分消除內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)機(jī)械加工做好組織準(zhǔn)備適用于亞共析鋼和合金鋼的鑄件、鍛件和焊件等等溫退火與完全退火的加熱溫度相同，先快速冷卻到A1以下的某一溫度保溫，待奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w后出爐空冷細(xì)化組織和降低硬度，獲得的組織比完全退火更均勻適用于中碳合金鋼和低合金鋼球化退火將鋼件加熱到Ac1以上1030 、保溫一段時間后，隨爐冷卻至600 后取出空冷使鋼件中碳化物球狀化，以改善切削加工性能，減小后續(xù)淬火時工件的變形和開裂適用于碳素工具鋼、合金工具鋼及軸承鋼等，為后續(xù)淬火準(zhǔn)備合適的組織均勻退火將鋼件加熱到Ac3以上150200 ，保溫1015 h后緩慢冷卻 消除鋼件內(nèi)部化學(xué)

6、成分的偏析和組織的不均勻性適用于合金鋼的大型鑄件或鍛件去應(yīng)力退火 將鋼件加熱到Ac1以下100200 左右，保溫一段時間后，隨爐冷卻至250 左右后取出空冷用于消除上一步加工工序產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，以減小變形，發(fā)生組織改變但不發(fā)生相變主要用于鍛造、鑄造等毛坯去應(yīng)力處理，為后續(xù)冷熱加工作準(zhǔn)備幾種退火方式的處理方法、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍正火1.概念2.目的及應(yīng)用 提高低碳鋼、低碳合金鋼的硬度，改善切削加工性能。 細(xì)化晶粒，消除組織缺陷，為后續(xù)熱處理工藝做好組織準(zhǔn)備。 提高強(qiáng)度、硬度和韌性，可作為對力學(xué)性能要求不高的機(jī)械零部件的最終熱處理。 正火是將鋼件加熱到Ac3（對于亞共析鋼）或Acm（對于過共析鋼）以上

7、3050 ，經(jīng)過一段時間保溫后，在空氣中冷卻以得到珠光體組織的熱處理工藝。由于正火比退火的加熱溫度略高，冷卻速度也較快，故正火后鋼件的強(qiáng)度和硬度較高。正火汽車上的很多零件常采用鍛造或鑄造的毛坯,如圖3-5所示。為了調(diào)整毛坯善切削加工性能,消除毛坯內(nèi)應(yīng)力,通常采用正火或退火作為預(yù)先熱處理。淬火1.概念2.淬火介質(zhì) 鋼件進(jìn)行淬火時所使用的冷卻介質(zhì)稱為淬火介質(zhì)。按照冷卻能力從高到低的順序，常用的淬火介質(zhì)包括水及水溶液、各種礦物油、硝鹽浴、堿浴及空氣等。通常情況下，對鋼件進(jìn)行淬火，在較高溫度區(qū)間內(nèi)，需要快速冷卻以獲得較高的硬度。 淬火是將鋼件加熱到加熱到Ac3（對于亞共析鋼）或Ac1（對于過共析鋼）以

8、上3050 ，經(jīng)過一定時間的保溫后，在某種介質(zhì)中快速冷卻，以大幅提高材料硬度的熱處理工藝淬火3.常用淬火方法根據(jù)冷卻方式的不同，淬火可分為單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火和等溫淬火等。1單介質(zhì)淬火法；2雙介質(zhì)淬火法；3分級淬火法；4等溫淬火法各種淬火方法的冷卻曲線示意圖淬火類別處理方法工藝特點(diǎn)應(yīng)用范圍單介質(zhì)淬火 將加熱保溫后的鋼件直接放入一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻。一般非合金鋼采用水作為淬火介質(zhì)，碳鋼采用油作為淬火介質(zhì) 操作簡單、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化；但在水中冷卻時，容易造成鋼件變形和開裂；在油中冷卻時，難以達(dá)到所要求的硬度或硬度分布不均勻 適用于形狀簡單、尺寸較小的鋼件雙介質(zhì)淬火 先將加熱保溫后的鋼件放入

9、冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，在鋼件內(nèi)部組織未向馬氏體轉(zhuǎn)變前將其取出，放入冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻，如水+油、油+空氣等 能綜合兩種淬火介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，高溫時快速冷卻可以獲得較高的組織硬度，低溫時緩慢冷卻可以減少鋼件的變形和開裂；但鋼件在第一種介質(zhì)中的冷卻時間難以掌握，操作技術(shù)要求較高適用于形狀復(fù)雜的高碳鋼件或大型合金鋼件分級淬火 將加熱保溫后的鋼件先放入接近馬氏體轉(zhuǎn)變溫度的介質(zhì)中冷卻，如硝鹽浴、堿浴，短時間停留后取出空冷 能夠減小鋼件內(nèi)部應(yīng)力，顯著減少變形和開裂適用于形狀復(fù)雜、截面尺寸小、精度要求高的非合金鋼件及碳素鋼件等溫淬火 將加熱保溫后的鋼件快速冷卻至貝氏體轉(zhuǎn)變所需溫度區(qū)間（260400 ），然后

10、等溫保持，以獲得貝氏體組織 能夠有效提高其強(qiáng)度和硬度，并具有良好的韌性和耐磨性；但生產(chǎn)周期長，效率低 適用于各種形狀復(fù)雜、尺寸精度要求高、并要求具有良好綜合力學(xué)性能的重要零件各種淬火方法的工藝特點(diǎn)及應(yīng)用范圍淬火3. 鋼的淬透性淬透性是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層(馬氏體組織占50%處)深度。影響鋼的性能的因素主要是臨界冷卻速度vc的大小。vc越小,鋼的淬透性越大。影響臨界冷卻速度vc因素有鋼的碳含量、合金元素及鋼中的未溶物質(zhì)等。此外,工件的截面尺寸和淬火的冷卻速度也會影響鋼的淬硬層深度。對于截面承載均勻的重要工件,要全部淬透,如汽車的高強(qiáng)螺栓、發(fā)動機(jī)連桿、模具等;對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)的零件可不必

11、淬透(淬硬層深度一般為徑的1/31/2),如汽車的軸類、齒輪等,如圖3-7所示?；鼗?.概念2.目的及應(yīng)用回火具有以下方面的目的： 提高組織穩(wěn)定性，避免鋼件在使用過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而造成開裂和變形。 消除內(nèi)部應(yīng)力，以穩(wěn)定鋼件幾何尺寸并改善切削加工性能。 適當(dāng)降低鋼件硬度和強(qiáng)度，提高韌性和塑性，以獲得良好的綜合力學(xué)性能。 回火是將淬火后的鋼件重新加熱到A1（相變溫度）以下某個溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的熱處理工藝。回火通常作為鋼件的最終熱處理工藝，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。 鋼件經(jīng)淬火后，內(nèi)部存在著馬氏體、貝氏體及殘余奧氏體等不穩(wěn)定組織，隨著時間的推移很容易發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，因此一般需要馬上

12、進(jìn)行回火?；鼗?.回火方法的分類回火的溫度越高，獲得的鋼件硬度、強(qiáng)度越低，塑性和韌性越高。類別保溫溫度工藝特點(diǎn)應(yīng)用范圍低溫回火150250 獲得的組織為回火馬氏體，硬度為5864 HRC；能夠減小淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低鋼件脆性，獲得較高的硬度和耐磨性，并保持一定的韌性適用于處理各種要求高硬度、高耐磨性的工件，如各種刀具、量具、模具、滾動軸承等中溫回火350500 獲得的組織為回火托氏體，硬度為5864 HRC；鋼件具有較高的彈性和一定的韌性適用于處理各種彈性零件和熱鍛模具，如彈簧等高溫回火500650 獲得的組織為回火索氏體，硬度為2535 HRC；能夠使鋼件具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性

13、，提高鋼件的綜合力學(xué)性能 適用于各種重要的受力零部件，如傳動軸、連桿、齒輪、絲杠等三類回火方法工藝特點(diǎn)及應(yīng)用范圍調(diào)質(zhì)處理 先對鋼件進(jìn)行淬火，再進(jìn)行高溫回火，這種復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)處理可使鋼件獲得良好的綜合力學(xué)性能，在具有較高強(qiáng)度和硬度的同時保持一定的韌性和塑性，通常用于絲杠、連桿、主軸、軸承等受力復(fù)雜的重要機(jī)械零部件。（a）絲杠 （b）連桿 （c）機(jī)床主軸 （d）軸承經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的零部件時效處理人工時效 指將鋼件重新加熱到100150 ，在較短時間內(nèi)（520 h）進(jìn)行的時效處理自然時效時效處理時效時是否加熱指不經(jīng)過加熱，將鋼件直接存放在室溫條件下，長時間放置而進(jìn)行的時效

14、處理。振動時效 指常溫時使鋼件以一定的頻率進(jìn)行振動，以使其內(nèi)部應(yīng)力均勻化，穩(wěn)定鋼件的形狀和尺寸的處理工藝。 經(jīng)塑性變形、鑄造、鍛造加工后的鋼件，在粗加工之后、精加工之前，被放置在較高的溫度或室溫環(huán)境中，存放一段時間，以使鋼件的性能、形狀、尺寸等發(fā)生緩慢變化直至穩(wěn)定狀態(tài)，這種熱處理工藝稱為時效處理，簡稱為時效。目錄01任務(wù)一 金屬材料熱處理概述02任務(wù)二 鋼的整體熱處理03任務(wù)三 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理表面熱處理是指僅對鋼件的表面進(jìn)行熱處理，以改變表層組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的熱處理工藝。工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，對機(jī)械零件提出了各種各樣的要求。發(fā)動機(jī)中的軸和齒輪，一方面要求軸面和齒輪硬度高、耐磨性好

15、，另一方面要求能夠承受很大的沖擊載荷和傳遞很大的扭距。這類零件表面和心部的要求不同，僅采用一種材料且經(jīng)過一種的處理是很難實(shí)現(xiàn)的。表面熱處理可以很好的滿足這種零件“表里不一”的性能要求。（a）曲軸 （b） 傳動齒輪 表面熱處理的零件鋼的表面熱處理根據(jù)工藝方法和原理的不同，表面熱處理可分為表面淬火和化學(xué)處理兩大類。表面淬火主要通過鋼件表面進(jìn)行快速加熱和冷卻，使鋼件表面獲得馬氏體組織，提高表面硬度和耐磨性；化學(xué)的熱處理通過改變鋼件表層的化學(xué)成分，從而改變表層組織并提高其力學(xué)性能。表面淬火 僅對鋼件表面進(jìn)行淬火而不改變其組成成分的熱處理工藝稱為表面淬火。表面淬火需要對鋼件表面進(jìn)行快速加熱，并在表層熱量

16、未傳到心部之前進(jìn)行快速冷卻，從而使表層獲得很高的硬度和耐磨性，同時心部保持良好的韌性和塑性。表面淬火加熱方式感應(yīng)表面加熱淬火火焰加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火激光熱處理表面淬火感應(yīng)加熱原理示意圖 右圖為感應(yīng)表面加熱淬火的原理示意圖。將鋼件置于加熱線圈中，當(dāng)加熱線圈內(nèi)通入交流電時，所產(chǎn)生的交變磁場會在鋼件內(nèi)部產(chǎn)生巨大的感應(yīng)電流。其中，鋼件表面的電流密度最大，心部的電流密度最小，幾乎為零。感應(yīng)電流的這種分布現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”。由于鋼件具有電阻，因此鋼件表面迅速加熱升溫，在幾秒鐘內(nèi)即可達(dá)到8001 000 ，而心部溫度變化較小。加熱后迅速向鋼件表面噴水冷卻即可完成表面淬火。1.感應(yīng)加熱表面淬火 感

17、應(yīng)加熱表面淬火時，鋼件表層無氧化及變形現(xiàn)象，淬火質(zhì)量好，且淬硬層深度可控，同時加熱速度快、時間短，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化；但加熱設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，故適用于中碳鋼、低合金鋼制造的中小型工件的大批量處理。 根據(jù)所通交變電流頻率的范圍，感應(yīng)加熱可分為高頻感應(yīng)加熱（10500 kHz）、中頻感應(yīng)加熱（50010 000 Hz）和工頻感應(yīng)加熱（50 Hz）。鋼件淬硬層的深度與交流電的頻率有直接關(guān)系，加熱電流的頻率越高，感應(yīng)電流越集中在鋼件表面，淬火后鋼件的淬硬層越薄。1.感應(yīng)加熱表面淬火2.火焰加熱感應(yīng)加熱表面淬火原理示意圖 火焰加熱表面淬火是利用乙炔等可燃?xì)怏w劇烈燃燒時產(chǎn)生的熱量加熱鋼件表面，然

18、后使其快速冷卻的熱處理工藝。 右圖為火焰加熱表面淬火的原理示意圖，其主要依靠改變火焰噴嘴與鋼件間的距離來控制淬硬層深度，容易造成鋼件表面加熱不均，影響淬火質(zhì)量，同時由于加熱時間難以把握，獲得的淬硬層深度難以統(tǒng)一，但加熱設(shè)備簡單，容易操作，成本低廉，故適用于單件、小批量工件的處理。化學(xué)熱處理 將鋼件置于一定的介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中的一種或幾種元素滲入鋼件表面，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而使鋼件表層和心部具有不同的性能，這種熱處理工藝稱為化學(xué)熱處理。化學(xué)熱處理是通過改變鋼件的化學(xué)組成成分來改變其組織和性能的。 化學(xué)熱處理的過程包括介質(zhì)分解成活性原子、工件表面吸收活性原子和活性原子在內(nèi)部擴(kuò)散三個基本階段。化學(xué)熱處理化學(xué)成分滲碳滲氮碳氮共滲化學(xué)熱處理1.滲碳 鋼的滲碳是指向低碳鋼或低合金鋼工件表面滲入碳原子，以提高表層含碳量，使鋼件表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好韌性的表面熱處理工藝。滲碳滲