1、课题一课题一轴类零件加工工艺编制轴类零件加工工艺编制 图1-1所示为某企业实际生产的，年产量达350件的传动轴零件图，请编制该零件的工艺，填写工艺文件。要完成该零件的加工，在车间接受任务后，首先由工艺人员审查零件图、分析零件结构和要求；选择或根据给定的零件材料，确定毛坯以及分析应采用哪些热处理方式、各种表面的加工方法；根据企业生产人员技术水平、设备和装备状况，选择加工设备、工装和确定零件精度检验手段及相关检测工具；查阅有关技术手册和相关资料，编制加工工艺文件，然后操作人员按照工艺文件的加工顺序及要求，完成零件的加工。可以说工艺文件是指导加工的重要技术文件，所编制的工艺文件是否科学合理，直接影响
2、到零件的加工质量和生产效率。1-11-1机械加工工艺认识机械加工工艺认识一、机器的生产过程和工艺过程一、机器的生产过程和工艺过程1.生产过程 所谓生产过程是将原材料变为成品之间各个相互关联的劳动过程。机器的生产过程包含：1)生产技术准备过程。这个过程主要完成产品投入生产前的各项准备工作，如产品设计、工艺设计、工装设计制造等。2)毛坯的制造。3)零件的各种加工过程。4)产品的包装过程。5)原材料、半成品和工具的供应、运输、保管以及产品的发运等。2.机械加工工艺过程 机械加工工艺过程是由很多工序组成的，工序包含若干个安装、工位、工步和进给。(1)工序所谓工序，是指一个或一组工人，在一个工作地点，对
3、同一个或同时对几个工件所连续完成的那一部分工艺过程称为工序。划分工序的主要依据是工作地点是否变动和工作是否连续。(2)安装工件经一次装夹后所完成的那一部分工序称为安装。在一道工序中，工件可能被装夹一次或多次才能完成加工。(3)工位为了完成一定的工序部分，一次装夹工件后，工件与夹具或设备的可动部分一起相对刀具或设备的固定部分所占据的每一个位置，称为工位。(4)工步在加工表面和加工工具不变的情况下，所连续完成的那一部分工序内容称为工步。划分工步的依据是加工表面和工具是否变化。(5)进给在一个工步内，若被加工表面需切去的金属层很厚，可分几次切削，每切削一次为一次进给。一个工步可以包括一次或数次进给。
4、二、生产类型及其工艺特征二、生产类型及其工艺特征1.生产纲领 生产纲领是指企业在计划内应当生产的产品产量和进度计划。计划期常定为1年，因此生产纲领常称为年产量。零件生产纲领要计入备品和废品的数量，可按下式计算：式中N零件的年产量，单位为件/年；Q产品的年产量，单位为台/年；n每台产品中该零件的数量，单位为件/台；备品的百分率；废品的百分率。2.生产类型 生产类型是指企业(或车间、工段、班组、工作地)生产专业化程度的分类，一般分为单件生产、成批生产和大量生产三种类型。生产类型和生产纲领的关系见表1-1。3.各种生产类型的工艺特征 生产类型不同，产品和零件的制造工艺、所用设备及工艺装备、采取的技术
5、措施、达到的技术经济效果等也不同。各种生产类型的工艺特征见表1-2。三、工艺文件三、工艺文件 将工艺文件的内容，填入一定格式的卡片，即成为生产准备和施工依据的工艺文件。常用的工艺文件的格式有下列几种：1.机械加工工艺过程卡 这种卡片以工序为单位，简要地列出整个零件加工所经过的工艺路线(包括毛坯制造、机械加工和热处理等)。它是制订其他工艺文件的基础，也是生产准备、编排作业计划和组织生产的依据。机械加工工艺过程卡片见表1-3。2.机械加工工艺卡片 机械加工工艺卡片是以工序为单位，详细地说明整个工艺过程的一种工艺文件。它是用来指导工人生产和帮助车间管理人员和技术人员掌握整个零件加工过程的一种主要技术
6、文件，是广泛用于成批生产的零件和重要零件的小批生产中。机械加工工艺卡片内容包括零件的材料、重量、毛坯种类、工序号、工序名称、工序内容、工艺参数、操作要求以及采用的设备和工艺装备等。机械加工工艺卡片格式见表1-4。3.机械加工工序卡片 机械加工工序卡片是根据机械加工工艺卡片为一道工序制订的，它更详细地说明整个零件各个工序的要求，是用来具体指导工人操作的工艺文件。在这种卡片上要画工序简图，说明该工序每一工步的内容、工艺参数、操作要求以及所用的设备及工艺装备。一般用于大批大量生产的零件。机械加工工序卡片格式见表1-5。四、编制工艺规程的原则及方法四、编制工艺规程的原则及方法1.编制工艺规程的原则(1
7、)制订工艺规程的原则：保证产品质量，提高生产效率，降低成本。(2)注意的问题：技术上的先进性，经济效益要高，良好的劳动环境。2.编制工艺规程的原始资料在编制工艺规程时，首先要收集以下原始资料。(1)产品的装配图和零件图。(2)质量验收标准。(3)生产纲领。(4)毛坯资料。(5)本厂的生产技术条件。(6)有关的各种技术资料。五、编制工艺规程的步骤五、编制工艺规程的步骤(1)分析零件。(2)选择毛坯的制造方法。(3)拟订工艺路线，选择定位基准。(4)确定各工序尺寸及公差。(5)确定各工序的工艺装备。(6)确定各工序的切削用量和工时定额。(7)确定各工序的技术要求和检验方法。(8)填写工艺文件。1-
8、21-2零件分析零件分析零件的工艺性分析主要是指分析零件的技术要求、零件的结构和零件的结构工艺性。1.零件的技术要求分析轴类零件的技术要求主要有以下几个方面：(1)直径尺寸精度和几何形状精度轴上支承轴径和配合轴径是轴的重要表面，其直径尺寸精度通常为IT5IT9级，形状精度(圆度、圆柱度)控制在直径公差之内，形状精度要求较高时，应在零件图样上另行规定其公差，如图1-1所示。(2)相互位置精度轴类零件中的配合轴颈(装配传动件的轴颈)对于支承轴颈的同轴度是相互位置精度的普遍要求。普通精度的轴，配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动一般为0.010.03mm，高精度轴为0.0010.005mm。此外，相互位置
9、精度还有内外圆柱面间的同轴度、轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。(3)表面粗糙度根据机器精密程度的高低、运转速度的大小不同，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。支承轴颈的表面粗糙度Ra值一般为0.160.63m，配合轴颈Ra值为0.632.5m。2.零件的结构分析 轴类零件是机器中常见的零件，也是重要的零件，其主要功用是支承传动零部件(如齿轮、带轮等)和传递转矩。零件的结构分析主要是弄清零件由什么表面构成，各表面的尺寸大小如何。如图1-1所示，轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，加工表面通常有内外圆柱面、圆锥面，以及螺纹、键槽、横向沟、沟槽等。根据轴上表面类型和结构特征的不同，轴可分为多种形式
10、，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、十字轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴和齿轮轴等。3.零件的结构工艺性分析 零件的结构工艺性分析，主要分析零件结构的合理性，看零件在结构上是否符合机械加工要求。1-31-3材料、毛坯及热处理方式选择材料、毛坯及热处理方式选择一、轴类零件的材料一、轴类零件的材料 机械加工中常用到铁碳合金材料，铁碳合金是以铁为基础的合金，也是钢和铸铁的统称，它是现代工业中应用最广泛的合金。钢和铸铁虽然是多组元的复杂合金，但铁和碳是它的两个最基本的组元。(一)铁碳合金的基本组织 纯铁具有良好的塑性，但强度、硬度较低，很少用它制造机械零件。在纯铁中加入少量的碳，组织和性能就会发生显著的变
11、化，其原因是铁和碳相互结合，形成了不同的合金组织。在固态铁碳合金中，铁和碳的基本结合方式有两种：一种是碳溶于铁的晶格中形成固溶体，另一种是铁和碳形成金属化合物。此外，也可以由固溶体和金属化合物组合成机械混合物。铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体和珠光体等。1.铁素体 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。它仍保持-Fe的体心立方晶格，其原子排列如图1-2所示。由于体心立方晶格原子间的空隙较小，所以碳在-Fe中的溶解度也较小，在727时为0.0218；在室温时约为0.0008%。铁素体的性能与纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，较低的强度和硬度。2.奥氏体 碳溶于-Fe中
12、形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。它仍保持-Fe的面心立方晶格，其原子排列如图1-3所示。奥氏体的碳溶解能力比铁素体要大，在1148时溶解度最大达2.11；温度降低，溶解度也降低，在727时溶解度为0.77。奥氏体一般存在于727以上的高温范围内，具有较低的硬度和良好的塑性，易于锻压成形。3.渗碳体 渗碳体是铁和碳形成的一种间隙化合物，其分子式为Fe3C，可以符号Cm表示。渗碳体的碳的质量分数为6.69%，它是一个高碳相，熔点约为1227。其硬度极高，脆性很大，而塑性和冲击韧性几乎等于零。因此渗碳体不能单独使用，在钢中总是和铁素体混在一起，是钢中的主要强化相，渗碳体的数量、形状、大小和
13、分布状况对钢的力学性能影响很大。渗碳体在一定条件下可以分解形成铁和石墨状态的自由碳：这一分解过程对铸铁具有重要意义。4.珠光体 珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。在珠光体中，铁素体和渗碳体各自保持着自己原来的晶格类型。珠光体的平均碳的质量分数为0.77。由于它是硬的渗碳体和软的铁素体两相组成的混合物，所以它的力学性能介于铁素体和渗碳体之间。它的强度较高，硬度适中，具有一定塑性。在铁碳合金的几种基本组织中，铁素体、奥氏体、渗碳体都是单相组织，称为铁碳合金的基本相。而珠光体则是由基本相组成的机械混合物，表1-6列出了铁碳合金的基本组织的力学性能。(二)轴类零件的常用材料 一般轴
14、类零件的材料常用45钢；中等精度而转速较高的轴类零件可选用40Cr等合金结构钢；精度较高的轴可选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等；高速、重载等条件下工作的轴可以选用20CrMnTi、20Cr、38CrMoAl、42CrMo等。二、轴类零件的毛坯选择二、轴类零件的毛坯选择 轴类零件的毛坯常用的有棒料、锻件和铸件三种。光轴和直径相差不大的阶梯轴毛坯一般以棒料为主。外圆直径相差较大的轴或重要的轴(如主轴)宜选用锻件毛坯，既节省材料、减小切削加工的劳动量，又改善其力学性能。结构复杂的大型轴类零件(如曲轴)可采用铸件毛坯。三、轴类零件的热处理三、轴类零件的热处理(一)钢的热处理基础图1-4热处理工艺
15、曲线 钢的热处理是指将钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺过程都可在温度时间坐标系中用曲线图形来表示，如图1-4所示。此曲线称为热处理工艺曲线。通过热处理，可以显著提高钢的力学性能，充分挖掘钢材的强度潜力，改善零件的使用性能，提高产品质量，延长使用寿命。此外，热处理还可改善毛坯件的工艺性能，为后续工序作好组织准备，以利于各种冷、热加工。据统计，现代机床工业中有6070的零件要进行热处理；而在刀具、量具、模具等的制造中，则100的需进行热处理。因此，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。根据加热和冷却方法不
16、同，常用的热处理方法大致分类如下：热处理分为普通热处理和表面热处理两大类，其中普通热处理包括退火、正火、淬火、回火4种方法；表面热处理又分成表面淬火(感应加热、火焰加热、激光加热)和化学热处理(渗碳、渗氮、碳氮共渗和其他)。热处理之所以能使钢的性能发生变化，其根本原因是钢在加热和冷却过程中，发生了组织与结构变化的结果。钢在加热时的组织转变，钢的热处理，首先需进行加热，大多数机械零件的热处理都需要加热到临界温度以上，使其全部或部分转变为均匀的奥氏体，以便采用适当的冷却方式，获得所需要的组织。在铁碳合金状态图中，A1、A3、Acm是钢在极其缓慢加热和冷却时的临界温度。但在实际的加热和冷却条件下，钢
17、的组织转变总有“滞后”现象，即此时的临界温度与状态图所示平衡临界温度有一定的偏离，通常在加热(冷却)时要高于(低于)状态图所示临界温度。为了区别起见，通常把加热时的临界温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的各临界温度用Ar1、Ar3、Arcm表示，如图1-5所示在加热和冷却时Fe-Fe3C状态图上各临界点的位置。由铁碳合金状态图可知，任何成分的碳钢加热到临界温度Ac1以上，都会发生珠光体向奥氏体的转变。热处理时进行Ac1温度以上加热的目的，就是为了得到奥氏体，通常把这一组织转变过程称为奥氏体化。退火和正火经常作为预先热处理工序，安排在锻造或铸造之后、机械(粗)加工之前，旨在消除前道工
18、序造成的某些缺陷，为随后的切削加工和最终热处理作好准备。对一些普通铸件、焊接件以及一些性能要求不高的工件，也可作为最终热处理工序。1.退火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，称为钢的退火。根据钢的成分、退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。(1)完全退火完全退火的工艺是把亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，随之缓慢冷却。由于完全退火加热温度在Ac3以上，实现了亚共析钢的完全奥氏体化，缓慢冷却是保证奥氏体在珠光体转变区的上半部完成组织转变，如图1-6所示。因此，完全退火后的组织是接近平衡状态的组织，即铁素体+珠光体。由于钢
19、在完全退火时，其内部组织经历了一次完全重结晶过程故又称为重结晶退火。重结晶使晶粒细化和均匀化，从而使中碳以上的钢软化以利于后续加工，且充分消除了内应力。一般情况下，退火工件随炉冷却，即可满足所要求的冷却速度。实际操作时，可随炉缓冷至500600以下后再在空气中冷却，也可埋在干砂、石灰中冷却。完全退火主要用于亚共析成分钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。其目的是细化晶粒、消除内应力与组织缺陷、降低硬度、改善切削加工性能等。表1-7为碳的质量分数为0.3的铸钢件进行完全退火后与原始铸态的性能比较。可见，铁素体晶粒尺寸在退火后大为减小，故强度、塑性均明显提高。过共析钢不宜采用完全退火，因
20、为加热到Accm以上温度再缓慢冷却时，二次渗碳体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的冲击韧度显著降低。(2)等温退火等温退火是把钢件或毛坯加热到高于Ac3(或Ac1)温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。与完全退火有着相似的目的，但等温退火可以有效地缩短退火时间，提高生产率；且因工件内外处于同一温度下发生组织转变，故可获得均匀的组织和性能。图1-6所示为高速钢的完全退火与等温退火工艺比较。完全退火需要1520h以上，而等温退火所需时间则大为缩短。(3)球化退火球化退火主要用于共析或过共析成分钢的刀具、量具、模具等
21、。其目的在于球化渗碳体(或碳化物)，以降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组织准备。图1-7碳的质量分数为1.0%钢的球化退火工艺曲线一般球化退火的工艺是把钢加热到Ac1以上1020，保温一定时间，然后缓慢冷却到600以下再出炉空冷。其工艺特点是低温短时加热和缓慢的冷却。2.正火 正火是将钢材或钢件加热到Ac3(或Accm)以上3050，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。正火实质上是退火的一个特例。二者不同之处，主要在于正火的冷却速度较快，过冷度较大，故正火组织中珠光体量增多，且珠光体的层间距变小，通常获得索氏体组织。由于正火和退火后钢的组织上存在上述差异，故反映在性能上也有所
22、不同。表1-8为碳的质量分数为0.45钢退火与正火状态力学性能比较。由表可见，钢经正火后的强度、硬度、冲击韧度都较退火后为高，且塑性也并不降低。正火与退火相比，不仅力学性能高，而且操作简便，生产周期短、能量耗费少，故在可能条件下，应优先考虑采用正火处理。目前正火主要应用于以下几个方面：1)作为普通结构零件的最终热处理。2)改善低碳钢和低碳合金钢的可加工性。图1-8所示为各种碳钢退火和正火后的大致硬度值，其中阴影线部分为可加工性较好的硬度范围。由图可见，低碳钢和低碳合金钢退火硬度一般都在160HBW以下，可加工性不良。3)作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。由于中碳结构钢正火后，可使一些
23、不正常组织转变为正常组织，消除了热加工所造成的某些组织缺陷，且其硬度一般仍在160230HBW范围内，故不仅具有良好的可加工性，而且还能减少工件淬火时的变形与开裂，提高淬火质量。所以，正火常作为较重要零件的预先热处理。能有开裂危险时，正火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。现将上面讨论的各种退火和正火的加热温度与工艺曲线，示意地绘于图1-9中。钢的淬火与回火是紧密衔接的两个工艺过程，只有相互配合才能收到良好的热处理效果。5)对一些大型的或形状较复杂的零件，淬火可4)消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备。这是因为正火冷却速度比较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈
24、网状析出。3.淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间使之奥氏体化，然后以大于马氏体临界冷却速度快速冷却的热处理方法，称为淬火。淬火一般以获得马氏体组织为目的。但是，马氏体不是热处理所要求的最终组织。钢件淬火后必须配以适当的回火，淬火马氏体在不同回火温度下可获得不同的组织，从而使钢具有不同的力学性能，以满足各类工模具和零件的使用性能要求。淬火工艺主要包括淬火加热温度的选择、保温时间和淬火介质等方面的内容。(1)淬火加热温度的选择碳钢的淬火加热温度可根据铁碳相图来选定，如图1-10所示。亚共析钢的淬火加热温度一般应选择在Ac3以上3050。这是为了得到细晶粒奥氏体，以便淬火冷却
25、后获得细小的马氏体组织。如果加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体组织亦粗大，使钢的性能严重脆化。但淬火温度过低，则淬火组织中会出现铁素体，造成钢的硬度不足。共析钢和过共析钢的淬火加热温度选择在Ac1以上3050，淬火后可得到均匀细小的马氏体和球状渗碳体组织。由于渗碳体的硬度比马氏体还高，它的存在不但不降低钢的硬度，而且能增加钢的耐磨性。所以加热温度在Ac1以上是适宜的。若加热温度选择在Accm以上，不仅使奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗针马氏体组织，增加脆性，且残余奥氏体量也多，降低钢材的硬度和耐磨性。由于加热温度高，还会引起钢的氧化、脱碳，增大了淬火应力，增加了工件的变形开裂倾向，
26、因此是不适宜的。(2)保温时间保温的目的是使钢件热透，使室温组织转变为奥氏体。其时间长短主要根据钢的成分、加热介质和零件尺寸参照热处理手册或其他资料来确定。(3)淬火介质钢件在快速冷却过程中，由于内外温差而引起较大的热应力，往往使钢件在淬火冷却时产生变形或开裂。为了获得良好的淬火效果，应采用比较合理的冷却速度进行冷却。根据奥氏体等温转变图的特征，过冷奥氏体只是在奥氏体等温转变图鼻尖(650500)附近最不稳定，需要快速冷却，而在其上、下温度区间内可稍慢冷却。图1-11为钢淬火时理想的冷却曲线。供钢件淬火冷却所使用的介质称为淬火介质。生产中，希望淬火介质在过冷奥氏体不稳定区(550钢淬火时的理想
27、冷却曲线上下)有足够大的冷却能力，而在进入马氏体转变温度区(200300)应有较小的冷却能力。在使用过程中要求其性能、成分稳定，不易变质，无公害，来源丰富，价格便宜等。目前，常用的淬火介质有水和水溶性盐类、碱类或有机物的水溶液，以及油、熔盐、空气等。现有的冷却介质尚无一种能完全符合淬火理想冷却曲线的要求。水价廉易得，使用安全，而且在650500范围内具有较强的冷却能力。因此，水是目前碳钢淬火常用的淬火介质。但水在300200间仍有较强的冷却能力，此温度范围正好是碳钢的马氏体转变温度，冷却速度快，容易引起淬火钢件的变形或开裂。这使选用水作淬火介质受到很大限制。若在水中加入适量的NaCl(食盐)或
28、NaOH(苛性钠)，可大大提高其在650500范围内的冷却能力，而在300200间的冷却能力变化不大。各种矿物油、机器油也是较广泛应用的淬火介质，其优点是在300200范围内具有较弱的冷却能力，使钢件不易变形和开裂，但在650500范围内冷却能力也不够大，仅适用于过冷奥氏体较稳定的合金钢的淬火。(4)淬火方法由于目前还没有一种通用的理想淬火介质，所以必须对淬火方法加以研究，根据钢的化学成分、工件的形状尺寸和技术要求等，选择最适宜的淬火方法，来保证各种零件的淬火质量。生产中最常用的淬火方法如下：单介质淬火法：将已加热奥氏体化的工件浸入某一种淬火介质中连续冷却的方法，一般碳钢在水或水溶液中淬火，合
29、金钢在油中淬火均属单介质淬火法。此法操作简便，易实现机械化和自动化，应用广泛。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬冷却速度小，容易产生硬度不足或不均匀现象。所以，它主要适用于截面尺寸无突变、形状简单的工件淬火。双介质淬火法：将钢件奥氏体化后，先浸入一种冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时立即转入另一种冷却能力弱的介质中冷却的淬火方法。碳钢可采用先水淬后油冷，合金钢采用先油淬后空冷即属此例。双介质淬火法综合了两种不同淬火介质的长处，可以获得较为理想的冷却条件，既保证获得马氏体组织，又减小了马氏体转变的应力，防止工件的变形和开裂。此法的关键是要准确控制工件由第一种介质转入第二种介质时的温度。因为
30、，如果工件在第一种介质中停留的时间过短，即工件温度可能尚处在奥氏体等温转变图鼻尖以上，取出缓冷时，奥氏体则可能向珠光体转变，从而达不到淬火的目的。钢的淬火一般是为了获得马氏体组织，这就要求其冷却速度必须大于马氏体临界冷却速度。事实上工件淬火冷却时，其截面上各处的冷却速度已达到或超过该钢的临界冷却速度，则淬火处理后工件的整个截面上都会得到马氏体组织，说明该件已淬透。如果在距表面某一深度处的冷却速度开始小于该钢的临界冷却速度，则淬火后工件的表面一层是马氏体，冷却速度小于临界冷却速度的心部将有非马氏体组织出现，说明工件未被渗透，如图1-12所示。从理论上讲，淬硬深度应该是全部淬成马氏体的深度。但实际
31、上当马氏体中混入少量(如5%10)非马氏体组织时，无论通过显微观察还是硬度测量都难以分辨清楚，故一般多采用从钢的表面至半马氏体区(即50马氏体和50非马氏体)的垂直距离作为有效淬硬深度。而半马氏体区的硬度变化显著，较容易测量。钢的淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念，所谓淬硬性是钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。它主要取决于马氏体中的碳的质量分数。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。(5)淬透性的应用钢的淬透性是一项重要的热处理工艺性能，完全淬透的工件，不论是淬火后还是淬火回火后，整个截面上各处性能是均匀一致的。但是如果未淬透，则截面各处的组织和性能不均匀，未淬透部分的力学性能，
32、尤其是屈服强度s和冲击韧度K显著下降，钢的淬透性越小。零件的淬硬层越浅，未淬透部分比例就越大，这就使零件承受载荷的能力大为下降。因此，在选择材料和制订热处理工艺时，必须慎重考虑所选钢材的淬透性的大小。一般情况下：1)大截面和在动载荷下工作的重要工件，如锤杆、锻模、大电动机轴；承受交变载荷的重要零件，如连杆螺栓、拉杆等对截面性能要求一致，应选用淬透性好的钢材。2)承受弯曲、扭转应力的零件(如轴类)，工作时所受最大应力分布在最外层，心部不要求高硬度，只需选用淬透性一般的钢材。3)形状复杂或对变形要求严格的零件，为减小变形，防止开裂，应选用淬透性较好的钢材，以便选用冷却能力较弱的淬火介质或采用双介质
33、淬火。4.回火 回火是将淬火钢件淬硬后，再重新加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。钢淬火后的组织主要是马氏体和少量残余奥氏体，它们都是不稳定的，有自发向稳定组织转变的倾向。通过回火时的加热、保温将促使淬火组织向稳定组织转变，其本质是淬火马氏体的分解及碳化物析出、聚集长大的过程。随着淬火钢的回火组织转变，钢的性能也发生相应的变化，其基本趋势是随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。在组织转变的同时，淬火钢的组织应力、马氏体的碳的质量分数、残余奥氏体量及渗碳体质点的尺寸等也都随回火温度的变化而发生相应变化。因此，回火是淬火后的必经工序，有以下主要
34、目的：1)减少或消除工件淬火时产生的内应力，防止工件在使用中的变形和开裂。2)提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，以满足各种工件的不同性能的要求。3)稳定组织，使工件在使用过程中不发生组织转变，从而保证工件的形状和尺寸不变，保证工件的精度。根据对工件性能要求的不同，按其回火温度范围，可将回火分为以下几种：(1)低温回火回火温度为250以下，此时，马氏体中过饱和的碳原子已部分地析出并形成了过渡碳化物。该碳化物在成分上与渗碳体有些差别，其形态非常细小，呈高度分散状分布在马氏体基体上。这种由过饱和程度较低的马氏体和极细的碳化物所组成的组织，称为回火马氏体。它仍保留着原马氏体的片状(或板条状)形态。
35、低温回火的目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免在使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刀具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等。回火后硬度一般为5864HRC。(2)中温回火回火温度为350500，此阶段，马氏体中过饱和的碳完全析出，晶格由体心正方转变为体心立方，故马氏体转变为铁素体。所析出的碳化物转变为大致呈圆形颗粒的渗碳体。这时的组织称为回火托氏体。它实际上是在铁素体基体内分布着极其细小的球状渗碳体的颗粒。中温回火后钢的弹性和屈强比高，内应力基本消除，有较高韧性。它常用于弹簧钢制造的弹性元件以及模具的处理。回火后硬度一般为3550HRC。(3
36、)高温回火回火温度为500以上，在此阶段，渗碳体发生聚集长大，形成较大的球状渗碳体；铁素体的形状也恢复为等轴多边形晶粒。所得组织即为回火索氏体。它实际是在铁素体基体内分布着渗碳体球粒的金相组织。习惯上，将淬火及高温回火的复合热处理工艺称为调质。其目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。因此广泛用于汽车、拖拉机、机床等重要结构零件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类。回火后硬度为200330HBW。应当指出，回火托氏体和回火索氏体与过冷奥氏体的分解产物托氏体、索氏体相比，前者的渗碳体是颗粒状或球状，后者的渗碳体呈片状。因其渗碳体的分布形态不同，往往在相同硬度条件下，前者具有较高的强度、塑性和
37、韧性。回火索氏体中的渗碳体呈球状，使工件在最后热处理淬火时，可以减小变形和开裂倾向。因此，调质可作为某些要求高的工具、量具的预备热处理。(二)钢的表面热处理 机械零件对性能的要求，主要取决于它的工作条件。例如，在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的凸轮轴、活塞销、曲轴和齿轮等零件，表面要求高的硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性。这种表里性能要求不一致的零件，采用普通热处理的方法是难以实现的。解决的办法是进行表面热处理，即钢的表面淬火和钢的化学热处理。1.钢的表面淬火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的工艺。具体的做法是把钢的表面快速加热到淬火温度，在热量尚未及传至工件中心时立即予以淬火冷却，使表
38、层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持着原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。根据快速加热方法的不同，常用的有感应淬火和火焰淬火。(1)感应淬火感应加热原理如图1-13所示。把工件放入由空心铜管绕成的加热感应器内，使感应器通过一定频率的交流电以产生交变磁场。于是工件内就会产生频率相同、方向相反的感应电流，感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面电流密度大，中心电流密度小，感应器中的电流频率越高，涡流越集中于零件的表面，这种现象称为“集肤效应”。由于工件表面涡流产生的热量，使工件表层迅速被加热到淬火温度，而心部仍接近室温，随即快速冷却，从而达到
39、了表面淬火的目的。与普通淬火相比，感应淬火有以下特点：1)加热速度极快，一般只需要几秒到几十秒的时间就可把工件加热到淬火温度。3)淬硬深度易于控制，变形小，能耗低，生产效率高，易实现机械化和自动化，适宜大批量生产；但感应加热设备费用较贵，维修调整比较困难，形状复杂的感应器不易制造，故不宜用于单件生产。(2)火焰淬火火焰淬火是应用氧-乙炔或其他可燃气的火焰，对工件表面进行加热然后快冷的淬火工艺，如图1-14所示。火焰淬火的操作简便，不需要特殊设备，成本低；有效淬硬层深度一般为26mm。它适用于大型、小型、单件或小批量工件的表面淬火，如大模数齿轮，小孔、顶尖、凿子等。但因火焰温度高，若操作不当工件
40、表面容易过热或加热不均，造成硬度不均匀，淬火质量难以控制。2.钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。其主要特点是：它不仅改变了钢的组织，而且表层的化学成分也发生了变化；它能使渗层轮廓与钢件形状相似，而不受钢件形状限制；它的性能不受原始成分的局限；节省贵重金属等。分解介质在一定的温度下发生化学分解，形成渗入元素的活性原子。吸收活性原子被工件表面吸收，并进入晶格内形成固溶体或形成化合物。扩散渗入的活性原子在一定的温度下由表层向中心扩散，并形成一定厚度的扩散层渗层。目前，在机械制造业中，最常用的化学热处
41、理有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。(1)渗碳渗碳是向钢的表面渗入碳原子的过程，即把钢件置于渗碳介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层，以增加钢件表层的含碳量。经淬火及低温回火后，获得表面高硬度、中心高韧性的零件。为了达到上述要求，渗碳零件必须用低碳钢或低碳合金钢来制造。渗碳方法可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳3种，其中前两种应用较广泛。1)气体渗碳。国内应用较广的滴注式气体渗碳法如图1-15所示。它是把工件置于密封的加热炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900950(常用930)，使工件在高温的渗碳气氛中进行渗碳。炉内的渗碳气氛主要由直接滴入炉内的苯、醇、煤油等液体渗碳剂在高温下裂解形成。当渗
42、碳剂滴入炉内，会在900950的高温下分解形成如CO等。当CO与赤热的工件表面相接触时，便裂解出活性碳原子：2)固体渗碳。如图1-16所示，将工件置于四周填满固体渗碳剂的箱中，密封后送加热炉中加热至渗碳温度，经保温一定时间后出炉，取出即得渗碳工件。固体渗碳剂一般由木炭粒与碳酸盐(Na2CO3或BaCO3等)混合组成。其中木炭粒是基本的渗碳物质，加入碳酸盐可加速渗碳过程，故称其为“催渗剂”。其过程与气体渗碳相似。渗碳层深度，可按每保温一小时渗入0.10.15mm计算。工件渗碳后，其表面碳的质量分数可达到0.851.05，碳的质量分数由表及里逐渐减少，心部仍保持原来低碳钢的碳的质量分数。在缓慢冷却
43、条件下，渗碳层的组织由表面向中心依次为过共析区、共析区、亚共析区；中心仍为原始组织。由此可见，渗碳只是使工件表层的碳的质量分数提高。为了更有效地发挥渗碳层的作用，渗碳后必须进行热处理，常用的热处理方法是淬火后低温回火。渗碳零件经淬火及低温回火后，表层显微组织为回火马氏体和均匀分布的细粒状渗碳体，硬度高达5864HRC，心部因是低碳钢，其显微组织仍为铁素体和珠光体，硬度为1015HRC；对于低碳合金钢，其心部组织一般为低碳马氏体及铁素体，硬度为3045HRC。所以心部具有高的韧性和适当的强度。(2)渗氮在一定的温度下(一般在Ac1温度以下)使活性氮原子渗入工件表面的过程称为渗氮(氮化)。其目的是
44、提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。目前，应用最广的是气体渗氮法。它是将钢件放入密封炉内加热，并不断地通入气体渗氮介质氨气(NH3)，加热至500560保温。在加热过程中，氨气裂解产生活性氮原子：以提高钢件表层硬度和耐磨性为主要目的的渗氮用钢，大都是含铬、钼、铝等元素的中碳合金钢。因为铬、钼、铝等元素极易与氮结合形成非常稳定的氮化物如CrN、MoN、AlN等。这些氮化物硬度很高，颗料很细，均匀地分布在钢的基体中，使钢件在600650下工作时仍保持高硬度。38CrMoAl即是一种典型的渗氮用钢。以提高钢件表层耐蚀性为目的的渗氮用钢，选用碳钢、合金钢及铸铁即可。活性氮原子能与铁形成氮化物
45、或溶于铁素体，形成薄的耐蚀层，但硬度不高。渗氮层可以具有很高的硬度和耐磨、耐疲劳；可以抵抗水、过热蒸汽和碱性溶液的腐蚀；渗氮温度低，渗氮件变形小，尺寸稳定，常作为工件的最终热处理工序。但它的生产周期长，成本高，渗氮层薄而脆，不宜承受集中的重载荷。(3)碳氮共渗碳氮共渗是向工件表面层同时渗入碳和氮原子的过程。碳氮共渗习惯上称为氰化。其目的是使工件的共渗层兼有渗碳和渗氮的性能。根据共渗的温度不同，分为低温(500600)、中温(700880)、高温(900950)碳氮共渗；目前，生产中常用的是中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗两种。实践证明：在渗层碳浓度相同的情况下，工件共渗的表面硬度、耐磨性、疲
46、劳强度都比渗碳高，共渗温度较低，有利于减少变形。目前，工厂里常用来处理汽车和机床上的齿轮、蜗杆和轴类零件。低温气体氮碳共渗又称气体软氮化，常用共渗温度为520570。一般工件的共渗层深度不超过0.05mm，共渗时间为14h。低温共渗后，工件多采用快速冷却(碳钢用水冷，合金钢用油冷)。所得共渗层的硬度稍低，但脆性小。软氮化可使工件表层具有耐磨、耐疲劳、抗啮合的优良性能，与气体渗氮相比，大大缩短生产周期，可广泛用于各种钢材和铸铁。软氮化常用来处理模具、量具、刀具等。但此方法对环境有污染，应注意环保。(三)轴类零件的常用热处理方法1.一般轴类零件的热处理前面已经讲过，一般轴类零件的材料常用45钢，根
47、据前面已经学过的热处理知识，可以知道，其采用的热处理方式一般是通过正火、调质、淬火等不同的热处理工艺，获得一定的强度、韧性和耐磨性。2.中等精度而转速较高的轴类零件的热处理这类零件材料一般选用40Cr等合金钢，主要通过调质和表面淬火处理获得较好的综合力学性能。3.精度较高的轴的热处理这类零件的材料一般选用轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn等，通过调质和表面淬火获得更好的耐磨性和耐疲劳性。4.高转速、重载等条件下工作的轴的热处理这类零件的轴一般选用20CrMnTi、20Cr、38CrMoAl等，经过淬火或渗氮处理获得很高的表面硬度、耐磨性和心部强度。(四)机械加工中热处理工序位置的安排 机械零件的
48、材料及毛坯类别选定之后，欲使零件实现所要求的力学性能，则主要靠热处理工艺来保证。因此，必须根据热处理目的和工序作用的不同，合理安排热处理工序在加工工艺路线中的位置。1.预备热处理的工序位置 预备热处理包括退火、正火、调质等。其工序位置一般均紧接毛坯生产之后、切削之前，或粗加工之后、精加工之前。(1)退火和正火的工序位置退火和正火通常作为预备热处理工序，一般安排在毛坯生产之后、切削加工之前。对于精密零件，为了消除切削加工残余应力，在切削加工工序之间还应安排去应力退火。工艺路线安排为：毛坯生产(铸、锻、焊、冲压等)退火或正火机械加工(2)调质的工序位置这种热处理既可作为最终处理，又可为以后表面淬火
49、或易变形零件的整体淬火作好组织准备。调质工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，一般的工艺路线应为：下料锻造正火(退火)粗加工(留余量)调质精加工2.最终热处理的工序位置 最终热处理包括各种淬火、回火及化学热处理等。零件经这类热处理后硬度较高，除磨削外，不适宜其他切削加工。故其工序位置应尽量靠后，一般均安排在半精加工之后、磨削之前。整体淬火与表面淬火的工序位置安排基本相同。淬火件的变形及氧化、脱碳应在磨削中予以去除，故需预留磨削余量(例如直径200mm以下、长度1000mm以下的淬火件，磨削余量一般为0.350.75mm)。整体淬火件的加工路线一般为：下料锻造退火(正火)粗(半精)加工
50、淬火、回火(低温、中温)磨削感应淬火件加工路线一般为：下料锻造正火(退火)粗加工调质半精加工(留磨量)感应淬火、回火磨削不经调质的感应淬火件，锻造后的预先热处理须用正火。如正火后硬度偏高，可加工性不好，可在正火后再高温回火。例如图1-17所示是45钢制成的锁紧螺母，要求槽口硬度3540HRC。若在槽口、内螺纹全部加工后再整体淬火、回火，槽口硬度虽可达到要求，但内螺纹变形大，不能保证精度；若热处理后再切削加工，则硬度较高，可加工性差。如将热处理方法及加工次序变为：调质加工槽口槽口高频淬火加工内螺纹这样既可达到技术要求又可减少零件变形。3.渗碳的工序位置 渗碳分整体渗碳和局部渗碳两种。当渗碳零件局
