精密機(jī)械設(shè)計(jì)精品課件

1、精密機(jī)械設(shè)計(jì)第1頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二第八章 工程材料及熱處理第2頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二三、鋼的熱處理為什么要進(jìn)行熱處理什么是熱處理熱處理的實(shí)質(zhì)如何進(jìn)行熱處理第3頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 為什么要進(jìn)行熱處理 通過恰當(dāng)?shù)臒崽幚恚粌H可以提高鋼的使用性能、改善鋼的工藝性能， 而且能充分發(fā)揮材料的性能潛力，提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。 據(jù)統(tǒng)計(jì)：在機(jī)床制造中有6070的零部件要經(jīng)過熱處理 在汽車制造中有7080的零部件要經(jīng)過熱處理 各種工具及滾動(dòng)軸承則要100的進(jìn)行熱處理 總之，凡重要零部件都必

2、須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)臒崽幚?。?頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二什么是熱處理 鋼的熱處理是指把鋼在固態(tài)下加熱、保溫、冷卻，以改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需性能的熱加工工藝。第5頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二熱處理的實(shí)質(zhì) 在常溫下的組織基本上由鐵素體和滲碳體兩個(gè)相組成。將鋼由低溫加熱到高溫，鋼的組織由鐵素體和滲碳體的混合物就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體，鋼在奧氏體狀態(tài)下，通過不同冷卻方式可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而得到不同的性能。馬氏體貝氏體索氏體屈氏體珠光體第6頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二如何進(jìn)行熱處理 熱處理工藝的分類：第7頁，

3、共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二1、普通熱處理 （1）退火(Annealing)： 主要用于鑄、鍛、焊毛坯的預(yù)備熱處理，以改善毛坯機(jī)械加 工性能，去除內(nèi)應(yīng)力，為最終熱處理作準(zhǔn)備，也可用于性能要求 不高的機(jī)械零件的最終熱處理。 把鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（隨爐 冷、坑冷、砂冷、灰冷）的熱處理工藝叫退火。 可以分為： 完全退火：改善鋼的組織，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力，有利于 切削加工。 不完全退火：降低鋼的硬度，改善切削性能。 等溫退火：與完全退火目的一致，但可縮短時(shí)間。 去應(yīng)力退火：消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形。 擴(kuò)散退火：消除晶內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象。第8頁，

4、共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 （2）正火(Normalizing)： 主要用于鑄、鍛、焊毛坯的預(yù)備熱處理，以改善毛坯機(jī)械加 工性能，去除內(nèi)應(yīng)力，為最終熱處理作準(zhǔn)備，也可用于性能要求 不高的機(jī)械零件的最終熱處理，正火可以使鋼的組織正?；?把鋼加熱到相變溫度以上3050 C，保溫一定時(shí)間，然后空 冷的熱處理工藝叫正火。 正火與退火的區(qū)別：冷卻速度不同：正火冷速較大，得到的珠光體組織細(xì)，因 此強(qiáng)度和硬度也較高。若零件尺寸較大或形狀較復(fù)雜，正火可能會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力和變形，甚至開裂。正火比退火生產(chǎn)周期短，設(shè)備利用率高，比較經(jīng)濟(jì)。o第9頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)

5、47分，星期二 （3）淬火(Quenching)： 可以獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和耐磨性。 把鋼加熱到相變溫度以上的某一溫度，使鋼呈奧氏體狀態(tài)， 然后快速冷至室溫（油冷或水冷），從而獲得馬氏體組織的熱處 理工藝叫淬火。 淬火主要方法： 普通淬火法：將加熱的鋼件投入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至 室溫，如碳鋼件淬水、合金鋼件淬油。 操作簡便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。產(chǎn)生的 內(nèi)應(yīng)力較大，容易變形和開裂。 適用于形狀簡單的零件。 雙液淬火法：將加熱的鋼件先在一種冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì) 中冷卻，避免發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變。然后轉(zhuǎn)入另 一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻。如水淬油 冷，油淬空冷。 既能保證獲得馬氏體組織，又減

6、小了內(nèi)應(yīng)力 和變形開裂傾向。 適用于大型的、形狀復(fù)雜的零件。第10頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 分級(jí)淬火法：將奧氏體化后的鋼件投入一種液態(tài)介質(zhì)中，保 持一定時(shí)間，使工件內(nèi)外溫度一致后取出空冷。 減小了內(nèi)應(yīng)力和變形開裂傾向。 適用于形狀復(fù)雜，尺寸較小或小批量零件。 等溫淬火法：將奧氏體化后的鋼件投入一種液態(tài)介質(zhì)中，停 留足夠時(shí)間，在等溫條件下完成下貝氏體轉(zhuǎn)變。 淬火內(nèi)應(yīng)力小，強(qiáng)度硬度較高，韌性好。 適用于尺寸小、形狀復(fù)雜、韌性要求高的零件。 局部淬火法：只對(duì)鋼件需要硬化的局部進(jìn)行淬火的方法。 淬火內(nèi)應(yīng)力小，變形小。第11頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分

7、，星期二 （4）回火(Tempering)： 鋼淬火后的組織是馬氏體和殘留奧氏體。馬氏體轉(zhuǎn)變會(huì)產(chǎn)生 較大內(nèi)應(yīng)力。淬火后的鋼硬度雖高，但脆性過大，組織不穩(wěn)定， 不宜直接使用。 將淬火后的工件加熱至低于相變點(diǎn)某一溫度，保持一段時(shí)間， 然后冷卻，使組織成為較穩(wěn)定的狀態(tài)，叫回火。 此時(shí)硬度下降，但韌性有較大改善。淬火和回火必須配合使 用，單進(jìn)行任何一個(gè)操作都是沒有意義的。 回火的目的是： 降低淬火鋼的脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形和開裂。 使不穩(wěn)定的組織趨于穩(wěn)定，以保持工件的形狀尺寸精度。 獲得所要求的組織和性能。第12頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 回火主要方法： 低

8、溫回火：回火溫度為150250 C，回火后的組織為回火馬 氏體。 降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，提高硬度和耐磨性。 適用于工具、模具等零件。 中溫回火：回火溫度為350500 C，回火后的組織為回火屈 氏體。 具有較高的彈性極限和屈服極限和一定的韌性。 適用于彈簧和其他彈性零件。 高溫回火：回火溫度為500650 C，回火后的組織為回火索 氏體。 具有高強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的塑性和韌性。 將淬火和高溫回火稱為調(diào)質(zhì)。 適用于各種重要的零件。ooo第13頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二2、表面熱處理 （1）表面淬火： 有些零件在使用中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、摩擦或沖擊載荷，一般要求其表面具有

9、高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度，而心部在保持一定強(qiáng)度、硬度下，具有足夠的塑性和韌性。對(duì)這類零件進(jìn)行表面淬火是滿足上述性能要求的有效方法之一。 表面淬火：指在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表面層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng)化零件表面的熱處理方法。 表面淬火方法：感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火鹽浴快速加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火激光加熱表面淬火 目前生產(chǎn)中廣為應(yīng)用的是感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二感應(yīng)加熱表面淬火： 基本原理： 鋼件放人由空心銅管繞制而成的感應(yīng)器內(nèi)，感應(yīng)器中通人一定頻率的交流電以產(chǎn)生交變磁場(chǎng)

10、，于是鋼件內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，這種電流在鋼件內(nèi)自成回路，稱為“渦流”。渦流在鋼件截面上的分布是不均勻的，表面密度大，中心密度小。電流的頻率越高，渦流集中的表面層越薄，這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”。由于鋼本身具有電阻，集中于鋼件表層的渦流就使表層被迅速（幾秒鐘）加熱到8001000 C，而心部溫度不超過相變溫度。隨即噴水冷卻（合金鋼浸油冷卻），就可使鋼件表層淬硬。o第15頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二火焰加熱表面淬火 基本原理： 利用乙炔-氧火焰對(duì)鋼件表面進(jìn)行加熱，并隨即淬火冷卻的工藝。 火焰加熱表面淬火的淬硬層深度一般為26mm，過深的淬硬層深度要求，會(huì)引起鋼件表

11、層的嚴(yán)重過熱，產(chǎn)生淬火裂紋。 由于火焰加熱表面淬火方法簡便，無需特殊設(shè)備，故適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火的工具或零件。第16頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 （2）化學(xué)熱處理： 是將鋼件置于一定溫度的特定介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入鋼件表層，從而改變表層的化學(xué)成分和組織來改變其性能的一種熱處理工藝。 與表面淬火相比，化學(xué)熱處理不僅改變表層組織，而且還改變其化學(xué)成分，因此能更有效的改變表層性能。 化學(xué)熱處理的方法有：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲鉻、滲鋁、滲硼等。 目前生產(chǎn)中最常用的是滲碳、滲氮和碳氮共滲。第17頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)

12、47分，星期二滲碳： 為增加鋼表層碳含量，將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。 滲碳的目的：使鋼件表層具有高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度，而心部保持一定的強(qiáng)度和較高的韌性。 基本原理： 一般化學(xué)熱處理都包含分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過程。 分解：滲碳介質(zhì)在一定溫度下分解成可滲入鋼表面的活性碳原子。 吸收：活性碳原子被鋼的表面吸收并進(jìn)入鐵的晶格內(nèi)形成固溶體 或化合物。 擴(kuò)散：在滲碳溫度下，被吸收的碳原子由表層向內(nèi)部擴(kuò)散，形成 一定深度的擴(kuò)散層。 滲碳方法： 分為氣體滲碳、液體滲碳、固體滲碳。第18頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二第19頁，共3

13、9頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二氣體滲碳法: 把低碳鋼工件置于密封良好的加熱爐中，通人滲碳劑并加熱到滲碳溫度、保溫足夠長時(shí)間，達(dá)到滲碳的預(yù)定要求。 氣體滲碳劑主要是含碳的氣體（煤氣、天然氣、丙烷氣等）和碳?xì)浠衔锏挠袡C(jī)液體（煤油、苯、醇等），前者可直接通人爐內(nèi)，后者用滴注方式滴人爐內(nèi)，使?jié)B劑在高溫下裂解，并產(chǎn)生活性碳原子。 在氣體滲碳爐內(nèi)，滲碳?xì)庵饕蒀O、CO 、H 及CH 等組成，它們?cè)诟邷叵路纸獬龌钚蕴荚樱?隨后，活性碳原子被鋼件表面吸收而溶于高溫奧氏體中，并向鋼件內(nèi)部擴(kuò)散而形成一定厚度的滲碳層。242第20頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二第21

14、頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二固體滲碳法： 將鋼件放在填充粒狀滲碳劑的固體滲碳箱中進(jìn)行滲碳的工藝稱為固體滲碳。 滲碳劑一般是由木炭和少量碳酸鹽（BaCO 或Na CO ）混合而成，碳酸鹽在滲碳過程中可增加滲碳劑的活性，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，加速滲碳過程，故被稱為“催滲劑”。 加熱時(shí)，滲碳劑分解形成CO，CO不穩(wěn)定，它與紅熱的鋼件表面接觸分解出活性碳原子，主要反應(yīng)式如下： 活性碳原子被鋼件表面吸收而溶于高溫奧氏體中，并向內(nèi)部擴(kuò)散，并最終獲得一定的滲碳層厚度。233第22頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二滲氮 指向鋼件表面滲入氮原子以形成高氮硬化層的化

15、學(xué)熱處理工藝。 目的是提高鋼件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性等。 滲氮的方法： 氣體滲氮法: 氣體滲氮是將除油凈化后的鋼件放人專用滲氮爐或井式氣體滲碳爐內(nèi)，加熱并通人氨氣。氨分解產(chǎn)生的活性氮原子被鋼件表面吸收并向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定厚度的滲氮層。 離子滲氮法： 在低真空度的容器內(nèi)，保持氮?dú)獾膲簭?qiáng)為（110）x 13332Pa，在400700V的直流電壓作用下，使電離后的氮離子高速?zèng)_擊鋼件（陰極），使其滲入鋼件表層。 離子滲氮的優(yōu)點(diǎn)： 滲氮周期短，僅為氣體滲氮的 1314，零件表層不易形成連續(xù)的白色脆性層。 離子滲氮需要專用的離子滲氮爐。第23頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分

16、，星期二滲氮的特點(diǎn):a)滲氮溫度低、耗時(shí)長。滲氮溫度通常在500570 C，需要的時(shí)間很長， 需要幾十甚至上百個(gè)小時(shí)。b)滲氮后的鋼件，無需淬火表面就有很高的硬度和耐磨性，還具有較高 的熱硬性。c)滲氮工件變形很小。d)由于滲氮后鋼件表層比容增大，產(chǎn)生壓應(yīng)力，因此，其疲勞強(qiáng)度顯著提高。e)提高工件的耐腐蝕能力。 滲氮雖有不少優(yōu)點(diǎn)，但其工藝過程復(fù)雜，工藝周期長，成本較高，滲氮層薄，因此只用于要求較高的零部件。第24頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二碳氮共滲(氰化) 在鋼件表面同時(shí)滲人碳原子和氮原子的化學(xué)熱處理工藝。 分為固體碳氮共滲、液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲。按共滲溫度的

17、不同可分為高溫碳氮共滲、中溫碳氮共滲和低溫碳氮共滲。 固體碳氮共滲和液體碳氮共滲因要用到劇毒的氰鹽，故應(yīng)用很少，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體氮碳共滲應(yīng)用較廣。 中溫氣體碳氮共滲 在改進(jìn)的氣體滲碳爐中同時(shí)滴人煤油，通人氨氣。在共滲溫度下，共滲劑（煤油、氨氣）除了會(huì)發(fā)生單獨(dú)的滲碳和滲氮的反應(yīng)外，還發(fā)生如下的化學(xué)反應(yīng)： 產(chǎn)生的活性碳原子、氮原子滲人鋼件表層，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成碳氮共滲層。 中溫氣體碳氮共滲，可用于低、中碳鋼和低中碳合金鋼。 中溫碳氮共滲與滲碳相比，具有加熱溫度低、鋼件變形小，共滲速度快，生產(chǎn)率高，滲層的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度較高，又有一定的抗蝕能力等特點(diǎn)。 目前常用以處理汽車和機(jī)床

18、上的各種齒輪、蝸輪蝸桿和軸類零件等。第25頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二四、表面精飾什么是表面精飾表面精飾的常用方法第26頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二表面精飾是指在金屬零件的表面附上一層覆蓋層，以達(dá)到防蝕、 裝飾等目的。常用方法： 電鍍 化學(xué)處理 涂漆 1、電鍍 （1）鍍鉻 適用于鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金。 特點(diǎn)： 化學(xué)穩(wěn)定性高 外觀顏色好 有較高的硬度和耐磨性 拋光后反射率較高 不適于鍍復(fù)雜零件 第27頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二（2）鍍鎳 適用于鋼、銅合金和鋁合金。 特點(diǎn)：穩(wěn)定性好良好的導(dǎo)電性不適宜鍍防磁零

19、件（3）鍍鎘 適用于鋼、銅合金和鋁合金。 特點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好（4）鍍鋅 適用于鋼、銅合金和鋁合金。 特點(diǎn)：對(duì)鋼質(zhì)零件有電化學(xué)保護(hù)作用防腐能力較強(qiáng)中等硬度，但耐磨性較低第28頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 （5）鍍銀 適用于銅合金零件。 特點(diǎn)： 良好的化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性 反射率可達(dá)90以上 不宜鍍直接與橡膠接觸的零件2、化學(xué)處理 主要方法： 氧化 磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜。 磷化是在零件表面上生成一層在大氣中較穩(wěn)定的磷酸鹽膜。 常用類型： （1）黑色金屬的氧化與磷化 氧化膜較薄，不影響零件的尺寸精度，但保護(hù)能力差， 適用于儀器內(nèi)部的零件。 磷化膜呈黑灰色，較薄

20、，不影響尺寸精度。 耐磨性強(qiáng)，保護(hù)能力強(qiáng)。 氧化磷化處理可用于精密鑄件上，經(jīng)鈍化和浸油處理， 可提高其防腐能力。 第29頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二 （2）鋁及鋁合金的陽極氧化 用于保護(hù)和裝飾性覆蓋層。 在大氣條件下極為穩(wěn)定，耐熱性好、膜層較硬、耐磨，是涂漆 的良好底層。不能用于鑲有鋼、銅及銅合金的鋁及鋁合金零件上。 （3）銅及銅合金氧化 膜層為黑色，但耐磨性、防腐能力不強(qiáng)。3、涂漆 在金屬制品的表面上涂以清漆或瓷漆的薄膜，起保護(hù)和裝飾作用。 第30頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二五、材料的選用原則使用要求工藝要求經(jīng)濟(jì)要求第31頁，共39頁，

21、2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二零件的失效 （1）零件完全破壞，不能繼續(xù)工作；（2）嚴(yán)重?fù)p傷，繼續(xù)工作很不安全；（3）雖能安全工作，但已不能滿意地起到預(yù)定的作用。 第32頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二導(dǎo)致零件失效的主要原因的示意圖 第33頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二零件失效形式 第34頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二第35頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二從零件失效的角度看，選材時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題 ：（1）彈性變形失效與選材 （2）塑性變形失效與選材 （3）脆性斷裂失效與選材 （4）疲勞斷裂失效與選材 （5）表面損傷失效與選材 第36頁，共39頁，2022年，5月20日，8點(diǎn)47分，星期二1、使用要求 考慮： （1）零件的工作和受載情況 （2）對(duì)零件尺寸和重量的限制 （3）零件的重要程度