《金屬加工與實(shí)訓(xùn)-基礎(chǔ)常識（第3版）》 課件 第3章 鋼的熱處理

金屬加工與實(shí)訓(xùn)—基礎(chǔ)常識（第3版）第3章鋼的熱處理第3章鋼的熱處理1．了解鋼的熱處理概念、目的、分類。2．熟悉鋼的退火、正火、淬火、回火、調(diào)質(zhì)、時(shí)效處理的方法及其應(yīng)用。3．了解熱處理的新技術(shù)、新工藝及典型零件的熱處理工藝過程。學(xué)習(xí)目標(biāo)3.1鋼的熱處理的的概念、目的、分類1.鋼的熱處理的的概念

鋼的熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄虘B(tài)鋼材進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其組織，從而獲得預(yù)期的鋼材內(nèi)部組織和性能的工藝。

熱處理方法很多，其共同點(diǎn)是：只改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，不改變表面形狀與尺寸，而且都由加熱、保溫、冷卻三階段組成，如圖3-1所示。圖3-1熱處理工藝曲線示意圖3.1鋼的熱處理的的概念、目的、分類2.鋼的熱處理的目的熱處理工藝，就是創(chuàng)造一定的外因條件（加熱、保溫、冷卻），使金屬內(nèi)部組織根據(jù)其固有規(guī)律發(fā)生人們所希望的某種變化，以期滿足零件所要求的使用性能之目的。45鋼在同樣的溫度下，采用不同冷卻速度冷卻時(shí)的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。從表中可以看出：工件加熱到一定溫度后，當(dāng)采用不同的冷卻速度冷卻時(shí)，將會轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織結(jié)構(gòu)，具備不同的性能。所以，冷卻過程是熱處理的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)。冷卻方法Rm/MPaReL/MPaA(%)Z(%)HRC隨爐冷卻51927232.54915～18空氣冷卻657～70633315～1845～5018～24油中冷卻88260818～221～140～50水中冷卻10787067～8452～6045鋼加熱到840oC保溫后，不同冷卻條件下的力學(xué)性能3.1鋼的熱處理的的概念、目的、分類3.鋼的熱處理的分類熱處理的目的，除了消除毛坯缺陷，改善工藝性能，以利于進(jìn)行冷熱加工外，更重要的是充分發(fā)揮材料潛力，顯著提高力學(xué)性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長使用壽命。相關(guān)鏈接：熱處理的作用圖3-2鋼的熱處理的分類常規(guī)3.2鋼的整體熱處理3.2.1退火

退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

退火目的：降低鋼的硬度，細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，改善組織。根據(jù)鋼的成分及退火目的不同，退火可分為完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等。

（1）完全退火

完全退火是將鋼加熱到一定溫度后緩慢冷卻的一種退火工藝。相關(guān)鏈接：45鋼鍛件完全退火操作

（2）球化退火

球化退火是使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火工藝。

（3）去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火主要是為了去除由于塑性變形加工、焊接等而造成的應(yīng)力和鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。3.2鋼的整體熱處理3.2.2正火

正火是將鋼件加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火的主要目的是：細(xì)化晶粒、調(diào)整硬度；消除網(wǎng)狀碳化物，為后續(xù)加工及球化退火、淬火等做好組織準(zhǔn)備。正火與退火相比，所得室溫組織相同，但正火的冷卻速度比退火要快。

因此，正火后的組織比退火組織要細(xì)小些，鋼件的強(qiáng)度、硬度比退火高一些。同時(shí)正火與退火相比，具有操作簡便、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率較高、成本低等特點(diǎn)。正火的主要應(yīng)用范圍：(1)改善切削加工性。(2)消除網(wǎng)狀碳化物，為球化退火做好組織準(zhǔn)備。(3)用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理。(4)用于淬火返修零件，消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化組織，以防重新淬火時(shí)產(chǎn)生變形和開裂。3.2鋼的整體熱處理3.2.3淬火1．淬火介質(zhì)淬火是將鋼件加熱到某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻，以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝。

淬火的主要目的是為了得到高硬度的組織，然后與適當(dāng)?shù)幕鼗鹣嗯浜?，使工件獲得所需的使用性能。

淬火和回火是緊密相聯(lián)的兩個(gè)工藝過程，是強(qiáng)化鋼材、提高機(jī)械零件使用壽命的重要手段，它們通常作為鋼件的最終熱處理。

淬火介質(zhì)是指工件進(jìn)行淬火冷卻時(shí)所使用的介質(zhì)。生產(chǎn)上最常用的淬火介質(zhì)有水、水溶液、油、硝鹽浴、堿浴、空氣等。2.淬火方法(1)單介質(zhì)淬火(相關(guān)鏈接:)單介質(zhì)淬火是將加熱好的工件直接放入一種淬火介質(zhì)中冷卻。一般非合金鋼采用水作淬火介質(zhì)，合金鋼采用油作淬火介質(zhì)。(2)雙介質(zhì)淬火(雙液淬火)

(相關(guān)鏈接:)雙介質(zhì)淬火是將加熱好的工件后，先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，在鋼還未達(dá)到該淬火介質(zhì)溫度之前即取出，立即轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻的方法。主要用于形狀不太復(fù)雜的高碳鋼和較大尺寸的合金鋼工件。3.2鋼的整體熱處理(3)分級淬火(相關(guān)鏈接:)分級淬火是將加熱好的工件，隨之浸入溫度稍高或稍低于（如230oC）的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時(shí)間，待鋼件內(nèi)外層溫度都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷的一種淬火工藝。

分級淬火操作比雙液淬火易于控制，能減少熱應(yīng)力和變形，防止開裂。分級淬火主要用于形狀復(fù)雜、尺寸要求精確的小型非合金鋼件和合金鋼工模具。(4)等溫淬火(相關(guān)鏈接:)等溫淬火是將加熱好的工件，放入溫度稍高于（如230oC）的鹽浴或堿浴中，保溫足夠長的時(shí)間使其完成組織轉(zhuǎn)變，獲得高硬度的組織，然后再取出空冷的淬火工藝。等溫淬火處理的工件強(qiáng)度高、韌性和塑性好，應(yīng)力和變形很小，能防止開裂。但生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)率較低。主要用于形狀復(fù)雜，且硬度與韌性都要求較高的小型工件，如各種模具、成形刃具等的淬火。3.2鋼的整體熱處理在熱處理過理中，由于

淬火工藝控制不當(dāng)，常會產(chǎn)生氧化與脫碳、過熱與過燒、變形與開裂、硬度不足及軟點(diǎn)等缺陷（見教材P46頁表3-2）。5.鋼的淬火缺陷3.2.4回火

回火是將鋼件淬硬后，再加熱到某一不太高的溫度（150～600℃），保溫一定時(shí)間后，冷卻至室溫的熱處理工藝?；鼗鹗蔷o接淬火后進(jìn)行的一種熱處理操作，通常也是工件進(jìn)行的最后一道熱處理工藝。回火的目的是：穩(wěn)定組織，使工件形狀、尺寸穩(wěn)定；減小或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，獲得工件所要求的力學(xué)性能。按回火溫度范圍不同，鋼的回火可分為低溫回火、中溫回火及高溫回火三種。相關(guān)鏈接：鋼的回火操作3.2鋼的整體熱處理(1）低溫回火

回火溫度為150～250℃。其目的是降低淬火內(nèi)應(yīng)力，減少脆性，保持淬火后的高硬度和高耐磨性。主要用于處理各種刃具、量具、冷作模具、滾動軸承、滲碳件和表面淬火件，回火后的硬度一般為58～64HRC。相關(guān)鏈接：低溫回火的應(yīng)用(2）中溫回火

回火溫度為250～500℃。其目的是獲得良好彈性和較高的屈服強(qiáng)度，并保持一定的沖擊韌性。主要用于要求高彈性和足夠韌性的工件，如各種彈簧、熱鍛模具等，回火后的硬度一般為35～45HRC。相關(guān)鏈接：中溫回火的應(yīng)用(3）高溫回火

回火溫度為500～650℃。其目的是獲得較高強(qiáng)度與足夠的塑性和韌性，即良好的綜合力學(xué)性能。高溫回火一般用于要求具有較好綜合力學(xué)性能的各種連接和傳動結(jié)構(gòu)件，如曲軸、連桿、螺栓、齒輪、軸等，回火后的硬度一般為25～35HRC。相關(guān)鏈接：高溫回火的應(yīng)用

回火方法及其應(yīng)用3.2鋼的整體熱處理3.2.5調(diào)質(zhì)處理在熱處理生產(chǎn)中，通常將淬火加高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)。主要用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是交變載荷下工作的連桿、螺栓、螺帽、曲軸和齒輪等。調(diào)質(zhì)處理還可做為某些精密零件如絲杠、量具、模具等的預(yù)備熱處理，以減少最終熱處理過程中的變形。調(diào)質(zhì)鋼的硬度為20～35HRC。3.2.6時(shí)效處理為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，常在低溫回火后精加工前，把工件重新加熱到100～150℃，保持5～20小時(shí)，這種為穩(wěn)定精密制件質(zhì)量的處理，稱為時(shí)效處理。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時(shí)效處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，顯得尤為重要。3.3鋼的表面熱處理3.3.1表面淬火對表里性能要求不一致的零件，生產(chǎn)中常采用表面熱處理來解決。

表面熱處理是指僅對工件表層進(jìn)行熱處理，以改變其組織和性能的工藝。

目前最常用的表面熱處理方法是表面淬火和化學(xué)熱處理。表面熱處理常用的方法是表面淬火，表面淬火是僅對工件表層進(jìn)行的淬火。一般包括感應(yīng)淬火、火焰淬火等。表面淬火目的是使工件表層具有高硬度、耐磨性，而心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性。

感應(yīng)淬火是利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火。1.感應(yīng)淬火3.3.1表面淬火感應(yīng)表面淬火的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。圖3-3感應(yīng)表面淬火設(shè)備的結(jié)構(gòu)感應(yīng)淬火因加熱速度極快，表層硬度比普通淬火的高2～3HRC，且有較好的耐磨性和較低的脆性；

加熱時(shí)間短，基本無氧化、脫碳，變形??；

淬硬層深度容易控制；

能耗低，生產(chǎn)效率高，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，適宜大批量生產(chǎn)。感應(yīng)淬火的特點(diǎn):相關(guān)鏈接:(1)感應(yīng)淬火的操作(2)感應(yīng)加熱的基本原理(3)感應(yīng)加熱的分類3.3.1表面淬火相關(guān)鏈接:(1)火焰淬火的操作(2)火焰淬火的特點(diǎn)與應(yīng)用2.火焰淬火火焰淬火是應(yīng)用氧乙炔或其它可燃?xì)怏w的火焰對零件表面進(jìn)行加熱，隨之快速冷卻的工藝。

火焰淬火的特點(diǎn)：火焰淬火的操作簡便，不需要特殊設(shè)備，成本低；

淬硬層深度一般為2～6mm。

但淬火質(zhì)量難以控制，易產(chǎn)生變形與裂紋。火焰淬火的應(yīng)用：適用于大型、小型、單件或小批量工件的表面淬火，如大模數(shù)齒輪、小孔、頂尖、鑿子等。3.3.2化學(xué)熱處理相關(guān)鏈接:化學(xué)熱化處理過程

化學(xué)熱處理是一種將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。

化學(xué)熱處理的方法很多，包括滲碳、滲氮、碳氮共滲等。但無論哪種化學(xué)熱處理方法都是通過分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)基本過程來完成的。1.滲碳

滲碳是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入表層的化學(xué)熱處理。

滲碳的目的是為了增加工件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，然后經(jīng)淬火、低溫回火，使工件表層具有高的硬度和耐磨性，而心部具有高的塑性、韌性和足夠的強(qiáng)度，以滿足某些機(jī)械零件如汽車發(fā)動機(jī)的變速齒輪、變速軸、活塞銷等的需要。

為保證滲碳工件的性能要求，滲碳用鋼一般為wC=0.1％～0.25％的低碳鋼和低碳合金鋼。3.3.2化學(xué)熱處理2.滲氮滲氮是在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝，又稱為氮化。滲氮的目的是提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。滲氮用鋼大多是含鉻、鉬、鋁、鈦、釩等元素的中碳合金鋼，如38CrMoA1A是一種典型的氮化鋼。因?yàn)檫@些元素與[N]的親和力強(qiáng)，能形成高硬度、很穩(wěn)定的氮化物，使工件在600℃左右工作仍能保持高硬度，即具有良好的熱硬性。相關(guān)鏈接:

(1)滲氮的特點(diǎn)

(2)化學(xué)熱處理發(fā)展3.4熱處理新技術(shù)簡介3.4.1形變熱處理

形變熱處理是將塑性變形和熱處理有機(jī)結(jié)合，以提高材料力學(xué)性能的復(fù)合工藝，是提高鋼的強(qiáng)度和韌性的重要手段。

1.低溫形變熱處理將鋼加熱到較高溫度，經(jīng)保溫后快冷到某一溫度進(jìn)行變形(形變強(qiáng)化)，然后立即進(jìn)行淬火回火(通過熱處理強(qiáng)化)的一種熱處理方法。低溫形變熱處理的特點(diǎn)是：在保證塑性和韌性不降低的條件下，能夠大幅度提高強(qiáng)度和抗磨損能力，主要用于高速鋼刀具、模具等要求高韌性的零件。

2.高溫形變熱處理將鋼加熱到較高溫度，經(jīng)保溫后以較快的速度進(jìn)行塑性變形(形變強(qiáng)化)然后立即進(jìn)行淬火、回火(通過熱處理強(qiáng)化)的一種熱處理方法。

與普通熱處理相比，部分材料可提高抗拉強(qiáng)度10％～30％；提高塑性40％～50％。一般碳鋼、低合金鋼均可采用這種熱處理。為了防止氧化脫碳的產(chǎn)生，生產(chǎn)中采用了真空熱處理與可控氣氛熱處理。1.真空熱處理

具有無氧化、無脫碳、無污染和少變形的“三無一少”的優(yōu)越性，是當(dāng)代熱處理的先進(jìn)技術(shù)之一。它是在1.33～0.0133Pa真空度的真空介質(zhì)中加熱的熱處理，主要包括真空淬火、真空退火、真空化學(xué)熱處理等。

2.可控氣氛熱處理

是為達(dá)到無氧化、無脫碳或按要求增碳的目的，在成分可控的爐氣中進(jìn)行的熱處理。雙室真空油淬氣冷爐真空熱處理后的零件可控氣氛熱處理生產(chǎn)線3.4.2真空熱處理與可控氣氛熱處理3.4.3激光淬火與電子束淬火

1.激光淬火

是利用專門的激光器發(fā)出能量密度極高的激光，以極快的速度加熱工件表面，自冷淬火后使工件表面強(qiáng)化的熱處理。

2.電子束淬火

是利用電子槍發(fā)射成束電子，轟擊工件表面，使之急速加熱，自冷淬火后使工件表面強(qiáng)化的熱處理。其能量的利用率大大高于激光表面熱處理，可達(dá)80％。

這兩種表面熱處理工藝不受鋼材種類限制，淬火質(zhì)量高，基體性能不變，是很有發(fā)展前途的新工藝。相關(guān)鏈接:激光淬火3.5熱處理工藝的應(yīng)用3.5.1熱處理工序確定的一般規(guī)律

根據(jù)熱處理的目的和工序位置的不同，可將其分為預(yù)備熱處理和最終熱處理兩大類。

預(yù)備熱處理(正火、退火、調(diào)質(zhì)等)工序一般安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前，或粗加工之后，精加工之前。

最終熱處理(淬火、回火、化學(xué)熱處理等)后硬度較高，除可以磨削加工外，一般不適宜其他切削加工，故其工序位置一般均安排在半精加工之后，磨削加工(精加工)之前。在生產(chǎn)過程中，由于零件選用的毛坯和工藝過程不同，熱處理工序會有所增減。因此，工序位置的安排必須根據(jù)具體情況靈活運(yùn)用。3.5.2確定熱處理工序位置的實(shí)例

1.車床主軸的熱處理

車床主軸是傳遞力的重要零件，它承受交變載荷，軸頸處要求耐磨，如圖3-4所示。一般選用45鋼制造。熱處理技術(shù)條件為：整體調(diào)質(zhì)處理，硬度220～250HBW，軸頸及錐孔表面淬火，硬度50～52HRC。圖3-4CA6140型臥式車床的主軸主軸制造工藝路線：鍛造→正火→切削加工(粗)→調(diào)質(zhì)→切削加工(半精)→高頻感應(yīng)加