機械制造技術基礎 課件 第6章 零件的熱處理及表面處理工藝

機械制造技術基礎目錄第6章零件的熱處理及表面處理工藝6.1 熱處理工藝概述6.2 鋼件的熱處理6.3 鑄鐵件的熱處理6.4 零件的表面處理工藝6.5 零件的表面清理第6章零件的熱處理及表面處理工藝閱讀導入：

我國是世界上最早發(fā)明和使用生鐵的國家，早在春秋戰(zhàn)國時代，人們就用生鐵鑄造生產(chǎn)工具和生活用具了，但生鐵硬而脆卻不能使用。

為了改變其性能，古人發(fā)明了鑄鐵的柔化熱處理方法，包括石墨化退火和脫碳退火等，在戰(zhàn)國時期開始實施，到南北朝已很成熟。第6章零件的熱處理及表面處理工

閱讀導入：熱處理是將金屬進行加熱、保溫、冷卻以獲得所需的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝，目的是改變內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，改善多方面性能。表面處理是在基體表面上人工形成與基體機械、物理和化學性能不同的工藝。第6章零件的熱處理及表面處理工

閱讀導入：熱處理和表面處理的作用1）充分發(fā)揮材料的潛能；2）減少零件重量；3）提高質(zhì)量；節(jié)約成本；4）延長零件的使用壽命；5）表面處理還可實現(xiàn)零件的再制造。第6章零件的熱處理及表面處理工

本章學習目標：第6章零件的熱處理及表面處理工

6.1.1熱處理工藝概述重要的零件都必須進行適當?shù)臒崽幚聿拍苁褂?。材料中組織轉(zhuǎn)變規(guī)律是熱處理的理論基礎，稱為熱處理原理。1．熱處理工藝的組成熱處理過程有加熱、保溫及冷卻三個階段。熱處理工藝由加熱溫度、保溫時間、冷卻方式等參數(shù)組成。

第6章零件的熱處理及表面處理工

1．熱處理工藝的組成鋼在加熱過程中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度為：Ac1——珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Ac3——共析鐵素體全部溶入奧氏體的終了溫度；Accm——二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度。鋼在冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度為：Ar1——奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Ar3——奧氏體析出共析鐵素體的開始溫度；Arcm——奧氏體析出二次滲碳體的開始溫度。

第6章零件的熱處理及表面處理工

1．熱處理工藝的組成

第6章零件的熱處理及表面處理工

1．熱處理工藝的組成加熱是熱處理的第一道工序。將鋼加熱使溫度到Ac3或Accm以上，得到均勻的單相奧氏體組織，稱為奧氏體化，然后再以適當方式或速度冷卻，獲得所需的組織和性能。保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接關系。一般工件越大，導熱性越差，保溫時間就越長。冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得不同的性能。第6章零件的熱處理及表面處理工

1．熱處理工藝的組成熱處理能改變鋼性能的根本原因鐵有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變從而使鋼在加熱和冷卻過程中，發(fā)生了組織與結(jié)構(gòu)變化。

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2．熱處理工藝的分類根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點的不同，熱處理可以分為下列幾類：1)整體熱處理：退火、正火、淬火、回火和調(diào)質(zhì)等。2)表面熱處理：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電阻加熱表面淬火、滲碳、滲氮(氮化)和碳氮共滲等。3)其他熱處理：可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱處理等。第6章零件的熱處理及表面處理工

2．熱處理工藝的分類按照熱處理在零件生產(chǎn)過程中的位置和作用不同，熱處理工藝還可分為預備熱處理和最終熱處理。預備熱處理是零件加工過程中的一道中間工序(也稱為中間熱處理)，其目的是改善鍛、鑄毛坯件組織、消除應力，為后續(xù)的機加工或進一步的熱處理作準備。最終熱處理后硬度較高，除磨削外不宜再進行其他切削加工。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．鋼的加熱過程鋼的加熱工藝包含加熱溫度與加熱時間。加熱溫度的選擇，可根據(jù)鋼的相圖確定。實際生產(chǎn)中還要考慮加熱方式，根據(jù)熱處理類型以及鋼的具體成分等因素作必要調(diào)整。加熱時間指的是升溫與保溫時間的總和。加熱工件到要求的溫度(實為零件表面溫度)所需時間為升溫時間。保溫時間是工件表面與心部都達到要求的溫度所需時間第6章零件的熱處理及表面處理工

4．鋼的冷卻過程鋼經(jīng)加熱保溫獲得奧氏體后，冷卻至Ar1以下時，過冷奧氏體將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。鐵碳相圖雖然揭示了在緩慢加熱或冷卻條件下，鋼的成分、溫度和組織之間的變化情況，但不能表示實際熱處理冷卻條件下鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2鋼件的熱處理6.2.1鋼的退火處理1．退火的定義將鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)的熱處理工藝。2．退火的目的1)降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。2)細化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能。3)消除鋼中的殘余內(nèi)應力，以防止變形和開裂。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．常用的退火工藝(1)完全退火(重結(jié)晶退火)

將鋼加熱至Ac1以上20-30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化，然后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的工藝。

完全退火的目的是細化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應力，降低硬度，改善可加工性。

退火主要用于中碳鋼及低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛件、鑄件熱軋型材等。

生產(chǎn)時，為了提高生產(chǎn)率，退火冷卻至600℃左右即可出爐空冷。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．常用的退火工藝(2)球化退火

將鋼加熱到Ac1以上20-30℃，保溫一定的時間隨爐緩慢冷卻至600℃后出爐空冷，得到球狀珠光體組織。

球化退火的目的是讓其中的碳化物球化(?；?改善可加工性，并為以后淬火作準備。

球化退火適用于共析鋼及過共析鋼。

例如碳素工具鋼、合金工具鋼等這些鋼在鍛造加工以后，必須進行球化退火，才適于進行切削加工，同時也為最后的淬火處理作好組織準備。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．常用的退火工藝(3)去應力退火

將工件隨爐緩慢加熱(100~150℃/h)至500~650℃（低于Ac1點的溫度)，保溫一段時間(1-3h)后隨爐緩慢冷卻(50~100℃/h)至200℃出爐空冷。

鋼及焊接件的去應力退火溫度一般在500~600℃，鑄鐵的去應力退火溫度一般在500~550℃。去應力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件(或冷拔件)及機加工的殘余內(nèi)應力，否則將導致在隨后的切削加工或使用中變形開裂，降低機器的精度，甚至會發(fā)生事故。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．常用的退火工藝(4)均勻化退火

將工件加熱到略低于固相線的溫度(碳鋼通常為1100~1200℃)，長時間保溫(一般10~20h)，然后隨爐緩慢冷卻到室溫。均勻化退火的主要目的是均勻鋼內(nèi)部的化學成分，主要適用于鑄造后的高合金鋼。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.2鋼的正火處理1．正火的定義將亞共析鋼加熱到Ac1以上30~50℃，過共析碳鋼加熱到Accm以上30~50℃，保溫一定時間，然后在空氣中冷卻的方法稱為正火。2．正火的目的與退火基本相同細化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。但正火冷卻速度比退火稍快，故正火組織比退火更細，強度硬度比退火高。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.2鋼的正火處理3．正火的工藝及應用正火保溫時間和完全退火相同，應以工件燒透，并考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設備等因素。正火冷卻方式最常用的是空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風、噴霧和調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達到要求的組織和性能。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.2鋼的正火處理3．正火的工藝及應用正火主要用于：（1）改善低碳鋼或低碳合金鋼的可加工性。（2）正火可以細化晶粒，對力學性能要求不高的結(jié)構(gòu)鋼零件，經(jīng)正火后所獲得的性能即可滿足使用要求可作為最終熱處理。（3）消除過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體，改善鋼的力學性能，并為球化退火做組織準備。（4）代替中碳鋼和低碳合金鋼的退火，改善其組織結(jié)構(gòu)及可加工性。（5）消除熱加工缺陷。中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋件以及焊接件在加熱加工后易出現(xiàn)粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應力的目的。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.2鋼的正火處理4．退火和正火的選擇退火與正火在某種程度上有相似之處，在實際生產(chǎn)中又可替代，進而應分析退火和正火的選擇原則。切削加工性

包括硬度、切削脆性、表面粗糙度及刀具磨損等。一般金屬的硬度在170~230HBW范圍內(nèi)，加工性能較好。硬度高，則難以加工，且刀具磨損快；硬度過低則切屑不易斷，造成刀具發(fā)熱和磨損，加工后的零件表面粗糙度很大?？梢姡瑢τ诘?、中碳結(jié)構(gòu)鋼以正火作為預備熱處理比較合適，高碳結(jié)構(gòu)鋼、中高碳合金鋼和工具鋼應以退火為宜。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.2鋼的正火處理4．退火和正火的選擇退火與正火在某種程度上有相似之處，在實際生產(chǎn)中又可替代，進而應分析退火和正火的選擇原則。(2)使用性能

如果工件性能要求不高，隨后不再進行淬火和回火，那么可用正火來提高其力學性能，但若零件的形狀比較復雜，正火的冷卻速度有形成裂紋的危險，應采用退火。(3)經(jīng)濟性

正火比退火的生產(chǎn)周期短，耗能少，且操作簡便，故在可能的條件下，應優(yōu)先考慮以正火代替退火。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.3鋼的淬火處理1．淬火的定義

將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。2．淬火的目的

獲得馬氏體組織以提高鋼的強度與硬度和耐磨性，是強化鋼材的重要手段。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.3鋼的淬火處理3．淬火加熱溫度淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數(shù)之一。選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。（1）亞共析鋼的淬火溫度在Ac3以上30~50℃，這是為了得到細晶粒的奧氏體，以便淬火冷卻獲得細小馬氏體組織。如果加熱溫度過高則引起奧氏體晶粒的粗化，淬火后馬氏體組織粗大，使鋼脆化。若加熱溫度太低(Ac1~Ac3)，則淬火組織中含有未溶的鐵素體將降低淬火工件的硬度及力學性能。（2）過共析鋼的淬火溫度在Ac1以上30~50℃；淬火后形成在細小馬氏體的基體上均勻分布著細小的滲碳體組織，能保證得到高的硬度和耐磨性，如果加熱到Accm以上不僅使奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大馬氏體，增大脆性和變形開裂的傾向，而且殘留奧氏體也多，降低了鋼的硬度。第6章零件的熱處理及表面處理工

4．淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻介質(zhì)是工件淬火冷卻時所使用的介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)有空氣、油、水、鹽水、堿水等，冷卻能力依次增大。最常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油。水在650~500℃范圍內(nèi)冷卻能力不夠強，而在300~200℃范圍內(nèi)冷卻能力卻又不夠緩慢，很容易引起工件變形和開裂，主要用于形狀簡單、截面尺寸較大的碳鋼工件。第6章零件的熱處理及表面處理工

4．淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻介質(zhì)是工件淬火冷卻時所使用的介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)有空氣、油、水、鹽水、堿水等，冷卻能力依次增大。最常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油。油在650~550℃內(nèi)冷卻較慢，高溫區(qū)的冷卻能力太低，不適用于碳鋼；在300~200℃范圍內(nèi)冷很慢，低溫區(qū)有比較理想的冷卻能力，有利于降低淬火工件的組織應力，減少工件變形和產(chǎn)生裂紋的傾向，適用于對過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。第6章零件的熱處理及表面處理工

4．淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻介質(zhì)是工件淬火冷卻時所使用的介質(zhì)。常用的淬火介質(zhì)有空氣、油、水、鹽水、堿水等，冷卻能力依次增大。最常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油。熔融狀態(tài)的鹽也可做淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。冷卻能力在油和水之間，這種介質(zhì)在高溫區(qū)有較強的冷卻能力，而接近介質(zhì)溫度時冷卻能力下降，有利于減少工件變形，只適用于對形狀復雜和變形要求嚴格的小件進行分級淬火或等溫淬火。第6章零件的熱處理及表面處理工

5．淬火工藝淬火冷卻介質(zhì)不能完全滿足淬火質(zhì)量的要求，因而需要冷卻方法加以配合。應根據(jù)零件的材料、尺寸、形狀和技術要求合理選擇淬火方法。第6章零件的熱處理及表面處理工

6．鋼的淬透性與淬硬性（1）淬透性

是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織深度的能力，是鋼材本身固有屬性。工程上規(guī)定淬透層的深度是從表面至半馬氏體層(50%馬氏體+50%托氏體)的深度。由表面至半馬氏體層的深度越大，則鋼的淬透性越高。（2）淬硬性

是指鋼以大于臨界冷卻速度冷卻時，獲得的馬氏體組織所能達到的最高硬度。鋼的淬硬性主要決定于馬氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)，即取決于淬火前奧氏體中碳的質(zhì)量分數(shù)。低碳鋼淬硬性差，高碳鋼淬硬性好。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.4鋼的回火處理1．回火的定義回火是指鋼件淬火后再加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。淬火后的鋼鐵工件處于高的內(nèi)應力狀態(tài)，不能直接使用，必須即時回火，否則會有工件斷裂的危險。2．回火的目的1)減小或消除工件在淬火時產(chǎn)生的內(nèi)應力，防止工件在使用過程中變形或開裂。2)提高鋼的韌性，適當調(diào)整鋼的強度和硬度，使工件具有較好的綜合力學性能。3)減少或消除殘留奧氏體，穩(wěn)定組織和尺寸。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．淬火鋼在回火時組織與性能的變化鋼淬火后的組織為馬氏體及少量殘留奧氏體，都是不穩(wěn)定組織，要向穩(wěn)定組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。室溫下轉(zhuǎn)變速度極慢，溫度升高組織轉(zhuǎn)變速度加快。1)馬氏體分解(80~200℃)當鋼加熱到200℃時，馬氏體開始分解，內(nèi)應力有所降低，此時的組織為回火馬氏體。這一階段的組織仍保持著高的硬度和耐磨性，韌性有所提高。2)殘留奧氏體的溶解(200~300℃)當鋼加熱到200℃以上時，馬氏體繼續(xù)分解，殘留奧氏體分解轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體，到300℃時分解結(jié)束。第6章零件的熱處理及表面處理工

3．淬火鋼在回火時組織與性能的變化鋼淬火后的組織為馬氏體及少量殘留奧氏體，都是不穩(wěn)定組織，要向穩(wěn)定組織發(fā)生轉(zhuǎn)變。室溫下轉(zhuǎn)變速度極慢，溫度升高組織轉(zhuǎn)變速度加快。3)滲碳體的形成(300~400℃)當加熱到300℃以上時，馬氏體分解出的碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀的滲碳體，當加熱到400℃以上時，α-Fe中過飽和的碳已基本上析出，α-Fe晶格恢復正常，鋼的內(nèi)應力基本消除，此時的組織為鐵素體與細粒狀滲碳體的混合物，稱為回火托氏體。4)滲碳體的聚集長大(400℃以上時)隨著回火溫度的升高，滲碳體顆粒不斷長大，而數(shù)目不斷減少，回火溫度越高，滲碳體顆粒越粗，這種狀態(tài)下的鐵素體與滲碳體的混合物稱為回火索氏體。第6章零件的熱處理及表面處理工

4．回火的分類及應用實際生產(chǎn)中，按回火溫度的不同，通常將回火方法分為三類：1)低溫回火(150~250℃)

低溫回火的目的是降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。低溫回火后得到的組織為回火馬氏體，可使鋼獲得高的硬度、高的耐磨性和一定的韌性，硬度為58~64HRC。低溫回火主要用于高碳鋼，合金工具鋼制造的刃具、量具、模具及滾動軸承，滲碳、碳氮共滲和表面淬火件等硬而耐磨的零件。2)中溫回火(350~500℃)中溫回火后得到的組織為回火托氏體，鋼具有高的彈性極限屈服點和適當?shù)捻g性，硬度為35～50HRC。中溫回火主要用于彈性零件及熱鍛模。3)高溫回火(500~650℃)高溫回火后得到的組織為回火索氏體，鋼具有良好的綜合力學性能，硬度為25~40HRC，主要用于連接、受力和傳動的結(jié)構(gòu)零件，如軸、連桿、螺栓等。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.5復合熱處理1．調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)熱處理工藝是淬火后，進行高溫回火的復合熱處理工藝。鋼經(jīng)正火后和調(diào)質(zhì)后的硬度很相近，但重要的結(jié)構(gòu)件一般都要進行調(diào)質(zhì)而不采用正火。在抗拉強度大致相同的情況下，經(jīng)調(diào)質(zhì)后的屈服點、塑性和韌性指標均顯著超過正火，尤其是塑性和韌性更為突出。45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能都較好，機械性能較好，且價格低、來源廣，所以應用廣泛。但最大弱點是淬透性低，截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。第6章零件的熱處理及表面處理工

6.2.5復合熱處理1．調(diào)質(zhì)處理45鋼淬火溫度在Ac3以上30~50℃，在實際操作中，一般是上限。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，就需要足夠的保溫時間。淬火介質(zhì)采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。45鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應該達到56~59HRC，截面大的可能會低些，但不能低于48HRC。45鋼淬火后的高溫回火，加熱溫度通常為560~600℃，硬度要求為22~34HRC。因為調(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機械性能，所以硬度范圍比較寬。圖紙有硬度要求的，應按圖紙要求調(diào)整回火溫度，以保證硬度。第6章零件的熱處理及表面處理工

2．時效處理時效處理是指合金工件經(jīng)固溶處理，冷塑性變形或鑄造、鍛造后在較高的溫度或室溫放置，其性能、形狀、尺寸隨時間變化的熱處理工藝。時效處理的目的，消除工件的內(nèi)應力，穩(wěn)定組織和尺寸，改善機械性能等。例如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，可以穩(wěn)定精密制件質(zhì)量。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構(gòu)件進行時效處理，以消除殘余應力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。第6章零件的熱處理及表面處理工

2．時效處理若采用將工件加熱到