1、徐水职教中心机械加工技术专业 2017.3中职机械加工课件钢的热处理钢的热处理：将钢在固将钢在固态下，通过加热、保温态下，通过加热、保温和冷却以获得预期组织和冷却以获得预期组织和性能的工艺。和性能的工艺。作用作用：可提高零件的强可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性、度、硬度、韧性、弹性、改善切削加工性能改善切削加工性能分类分类普通热处理：退火、正火、普通热处理：退火、正火、淬火、回火淬火、回火表面热处理：表面淬火、表面热处理：表面淬火、化学热处理化学热处理加热加热保温保温冷却冷却温度温度时间时间临界温度临界温度一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变加热是热处理的首要步骤。加热是热处理的
2、首要步骤。指钢加热到临界温度以上，指钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成奥氏体使原有的组织转变成奥氏体后，以不同的冷却方式或速后，以不同的冷却方式或速度转变为所需的组织，获得度转变为所需的组织，获得预期的性能。预期的性能。临界温度临界温度A1、A3、Acm是在极其缓是在极其缓慢加热或冷却条件下测定的。慢加热或冷却条件下测定的。Ac1、Ac3、Accm是加热时的实际是加热时的实际转变温度。转变温度。Ar1、Ar3、Arcm是冷却时的实际转是冷却时的实际转变温度。变温度。在加热或冷却时各临界点的位置在加热或冷却时各临界点的位置共析钢完全转变成奥氏体，必须加热到共析钢完全转变成奥氏体，必须加热到
3、Ac1以上；以上；亚共析钢，必须加热到亚共析钢，必须加热到Ac3以上；以上；应合理选定钢的加热温度和保温时间，形成晶应合理选定钢的加热温度和保温时间，形成晶粒细小、成分均匀的奥氏体，其不仅强度高，粒细小、成分均匀的奥氏体，其不仅强度高，且塑性和韧性均较好。如果加热温度过高或保且塑性和韧性均较好。如果加热温度过高或保温时间过长，会引起奥氏体晶粒的急剧长大。温时间过长，会引起奥氏体晶粒的急剧长大。亚共析钢亚共析钢：0.021%碳质量分数碳质量分数0.77%共析钢共析钢：碳质量分数：碳质量分数=0.77%过共析钢过共析钢：0.77%碳质量分数碳质量分数2.11%二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时
4、的组织转变等温转变：等温转变：指将奥氏体化的钢迅速冷却到指将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以以下某个温度，使过冷奥氏体在保温过程中发生下某个温度，使过冷奥氏体在保温过程中发生组织转变，待转变完成后再冷却到室温。组织转变，待转变完成后再冷却到室温。等温转变曲线：等温转变曲线：经过改变不同温度、多次测试，经过改变不同温度、多次测试，绘制的曲线，形状类似绘制的曲线，形状类似C，称为，称为C曲线。曲线。0100200300400500600700800温度/C时间/sAMsv1234k1vvvvV1缓慢的随炉冷却缓慢的随炉冷却V2 静止空气中冷却静止空气中冷却V3 油中冷却油中冷却V4 水中快速冷却水中快
5、速冷却Vk 临界冷却速度临界冷却速度C曲线在连续冷却中的应用曲线在连续冷却中的应用一、退火一、退火定义：将钢加热、保温，然后定义：将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。使其缓慢冷却的热处理工艺。分类分类：完全退火完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火（1）完全退火）完全退火将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3以上以上30-50C，保温后缓慢，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织。冷却，以获得接近平衡状态组织。应用应用：用于铸钢件、重要锻件：用于铸钢件、重要锻件功能功能：可降低硬度、改善切削加工性。：可降低硬度、改善切削加工性。原理原理：钢件被加热到
6、：钢件被加热到Ac3以上时，呈完全奥氏体以上时，呈完全奥氏体状态。由于初始形成的奥氏体晶粒非常细小，状态。由于初始形成的奥氏体晶粒非常细小，待经过待经过Ar3线缓慢冷却时，通过线缓慢冷却时，通过“重结晶重结晶”使钢使钢件获得细小晶粒，并消除了内应力。件获得细小晶粒，并消除了内应力。注意：注意：必须严格控制退火加热温度，若加热温必须严格控制退火加热温度，若加热温度过高，则奥氏体晶度过高，则奥氏体晶 粒将急剧长大，冷却后仍粒将急剧长大，冷却后仍然是粗大晶粒。然是粗大晶粒。（2）球化退火球化退火原理原理：球化退火时，将钢加热到球化退火时，将钢加热到Ac1以上以上2030，此，此时，初始形成的奥氏体内
7、及其晶界上尚存有少量未完全时，初始形成的奥氏体内及其晶界上尚存有少量未完全溶解的渗碳体。在随后的冷却过程中，从奥氏体中经共溶解的渗碳体。在随后的冷却过程中，从奥氏体中经共析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出，析反应析出的渗碳体以未溶渗碳体为晶核，呈球状析出，分布在铁素体基体之上，这种组织称为球化体。它是人分布在铁素体基体之上，这种组织称为球化体。它是人们对淬火前过共析钢最期望的组织，因为车削片状珠光们对淬火前过共析钢最期望的组织，因为车削片状珠光体时，容易磨损刀具，而球状珠光体硬度低，节省刀具。体时，容易磨损刀具，而球状珠光体硬度低，节省刀具。应用应用：过共析钢经过锻造以后，其珠光
8、体晶粒粗大，且存有少过共析钢经过锻造以后，其珠光体晶粒粗大，且存有少量网状二次渗碳体，致使硬度高、脆性大，进行切削加量网状二次渗碳体，致使硬度高、脆性大，进行切削加工时易磨损刀具，淬火时容易产生裂纹和变形，这些问工时易磨损刀具，淬火时容易产生裂纹和变形，这些问题可通过球化退火予以解决。题可通过球化退火予以解决。降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好准备。降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好准备。（3）去应力退火去应力退火原理原理：将钢加热到将钢加热到500650C，保温后缓慢冷却。，保温后缓慢冷却。应用应用：主要用于部分铸件、锻件及焊接件，有主要用于部分铸件、锻件及焊接件，有时也用于精密零件
9、的切削加工，使其时也用于精密零件的切削加工，使其消除内应消除内应力，防止钢件产生变形。力，防止钢件产生变形。将钢加热到将钢加热到Ac3（亚共析钢）或（亚共析钢）或Accm（共析、过（共析、过共析钢）以上共析钢）以上3050，保温后在，保温后在空气中空气中冷却的冷却的热处理工艺。热处理工艺。功能：功能：与完全退火相似，钢加热到奥氏体区，与完全退火相似，钢加热到奥氏体区，重新结晶，形成索氏体，其比珠光体的强度、重新结晶，形成索氏体，其比珠光体的强度、硬度稍高，韧性未下降。硬度稍高，韧性未下降。应用：应用：（1）用于改善低碳钢的切削加工性能；）用于改善低碳钢的切削加工性能；（2）取代部分完全退火；）
10、取代部分完全退火；（3）用于普通结构件的最终热处理；）用于普通结构件的最终热处理；（4）用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈）用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。网状析出。均匀化退火均匀化退火一、淬火一、淬火将钢加热到将钢加热到Ac3或或Ac1以以上上3050，保温后在，保温后在淬火介质中快速冷却，淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热以获得马氏体组织的热处理工艺。处理工艺。淬火易产生裂纹或变形。淬火易产生裂纹或变形。为防止淬火缺陷采用如下措施：为防止淬火缺陷采用如下措施：（1）严格控制淬火加热温度）严格控制淬火加热温度 若淬火加热温度不足若淬火加热温度不足 硬度不足。硬度不足
11、。若淬火加热温度过高若淬火加热温度过高 脆性增加，致使工件脆性增加，致使工件产生裂纹、变形倾向。产生裂纹、变形倾向。（2）合理选择淬火介质）合理选择淬火介质 水的冷却速度大，易获得马氏体，用于碳素钢。水的冷却速度大，易获得马氏体，用于碳素钢。油的冷却速度较低，工件不易产生裂纹和变形，油的冷却速度较低，工件不易产生裂纹和变形，用于合金钢。用于合金钢。（3）正确选择淬火方法）正确选择淬火方法 生产中最常用的是生产中最常用的是单介质淬火法单介质淬火法，它是在一种淬，它是在一种淬火介质中连续冷却到室温。单介质淬火法操作火介质中连续冷却到室温。单介质淬火法操作简单，便于实现机械化和自动化生产，故应用简单
12、，便于实现机械化和自动化生产，故应用最广。最广。对于容易产生裂纹、变形的工件，有时采用先水对于容易产生裂纹、变形的工件，有时采用先水后油的后油的双介质淬火法或分级淬火双介质淬火法或分级淬火等其它淬火法。等其它淬火法。盐浴炉真空淬火炉中频电炉感应圈中频电炉感应圈定义定义：将淬火钢重新加热到将淬火钢重新加热到Ac1以下某温度，保以下某温度，保温后冷却的热处理工艺，称为回火。温后冷却的热处理工艺，称为回火。作用作用：消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。止产生裂纹，同时使钢获得所需的力学性能。网带式回火电炉网带式回火电炉原理原理：
13、淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的升高，马氏体中过饱和的碳将以碳化物形式析升高，马氏体中过饱和的碳将以碳化物形式析出。总的趋势是回火温度愈高，析出的碳化物出。总的趋势是回火温度愈高，析出的碳化物愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升愈多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。高。分类：分类：(1)(1)低温回火低温回火(1
14、50250)：目的目的：降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火：降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度所获得的高硬度(5664HRC)和高耐磨性。和高耐磨性。应用应用：低温回火用途最广，主要用于：低温回火用途最广，主要用于工具钢工具钢的热处理，的热处理，如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件等。如各种刃具、模具、滚动轴承和耐磨件等。(2)(2)中温回火中温回火(350500)：目的目的：使钢获得高弹性，保持较高硬度：使钢获得高弹性，保持较高硬度(3550HRC)和一定的韧性。和一定的韧性。应用应用：主要用于各种：主要用于各种弹簧、发条、锻模弹簧、发条、锻模等。等。(3)(3)高温
15、回火高温回火(500(500650)650)：淬火并高温回火的热处理合称淬火并高温回火的热处理合称调质处理调质处理。应用应用：用于：用于承受疲劳载荷的中碳钢承受疲劳载荷的中碳钢重要件，如重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。其硬连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。其硬度为度为2035HRC。目的目的：调质处理的钢可获得强度及韧性都较好调质处理的钢可获得强度及韧性都较好的综合力学性能。的综合力学性能。第四节 时效时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。目的：消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械
16、性能。方法：有自然时效、热时效、变形时效、振动时效等。一、表面淬火一、表面淬火定义：定义：通过快速加热，使钢件表面层很快达到通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即淬火温度，在热量来不及传到工件心部就立即淬火，使其表面获得马氏体组织，心部仍保持淬火，使其表面获得马氏体组织，心部仍保持原始组织。原始组织。目的：目的：表层获得高硬度、高耐磨性，而心部仍表层获得高硬度、高耐磨性，而心部仍保持原有的良好韧性。保持原有的良好韧性。常用常用承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，如如机机床主轴、齿轮，发动机的曲轴等。床主轴、齿轮，发动机的曲轴等
17、。材料：中碳钢材料：中碳钢方法：方法：电感应、火焰、电接触、激光等，电感应、火焰、电接触、激光等，目前应用最广的是目前应用最广的是电感应加热法电感应加热法。感应加热感应加热感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法 在一个感应线圈中通以一定频率的交流电在一个感应线圈中通以一定频率的交流电(有高频、有高频、中频、工频三种中频、工频三种)，使感应圈周围产生频率相同、，使感应圈周围产生频率相同、方向相反的感应电流，这个电流叫作涡流。由方向相反的感应电流，这个电流叫作涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在工件表层。涡流于集肤效应，涡流主要集中在工件表层。涡流所产生的电阻热使工件表
18、层被迅速加热到淬火所产生的电阻热使工件表层被迅速加热到淬火温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。温度，随即向工件喷水，将工件表层淬硬。感应加热表面淬火感应加热表面淬火 高频高频感应加热，淬感应加热，淬硬层深度一般为硬层深度一般为 0.52mm。主要用于要求淬。主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件，硬层较薄的中、小型零件，如齿轮、轴等。如齿轮、轴等。中频中频感应加热，电流感应加热，电流透入深度透入深度(约约25mm)，主要用于中、小齿轮、凸主要用于中、小齿轮、凸轮轴、曲轴的表面淬火。轮轴、曲轴的表面淬火。工频工频感应加热，电流感应加热，电流透入深度较大透入深度较大(超过超过10mm)，主要用于冷
19、轧，主要用于冷轧辊表面淬火。辊表面淬火。感应加热表面淬火机感应加热表面淬火机感应圈感应圈定义：定义：将钢件置于适合的化学介质中加热和保将钢件置于适合的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗人钢件表层，以改温，使介质中的活性原子渗人钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能。的力学性能或理化性能。种类：种类：依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。渗碳、渗氮、碳氮共渗渗碳、渗氮、碳氮共渗提高工件表面硬度提高工件表面硬度。渗硼、渗硅
20、、渗金属渗硼、渗硅、渗金属提高工件表面的耐腐蚀提高工件表面的耐腐蚀性和抗氧化性性和抗氧化性。渗碳：渗碳：定义：定义：将钢件置于渗碳介质将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使分解出中加热、保温，使分解出来的活性炭原子渗入钢的来的活性炭原子渗入钢的表面。表面。原理：原理：将钢件放人密闭的渗将钢件放人密闭的渗碳炉中，通入气体渗碳剂碳炉中，通入气体渗碳剂（如煤油等），加热到（如煤油等），加热到900950，经较长时间，经较长时间的保温，使工件表层增碳。的保温，使工件表层增碳。应用：应用：用于既受强烈摩擦、用于既受强烈摩擦、又承受冲击或疲劳载荷的又承受冲击或疲劳载荷的工件。如汽车变速箱齿轮、工件。如汽车变速
21、箱齿轮、活塞销、凸轮、自行车和活塞销、凸轮、自行车和缝纫机零件等。缝纫机零件等。气体渗碳法示意图可控气氛渗碳炉真空渗碳炉渗碳回火炉渗氮渗氮 定义：定义：将钢件置于氮化炉内加热，并通入氮气，将钢件置于氮化炉内加热，并通入氮气，使氨气分解出活性氮原子渗入钢件表面，形成使氨气分解出活性氮原子渗入钢件表面，形成氮化物，使钢件表面具有高硬度、高耐磨性、氮化物，使钢件表面具有高硬度、高耐磨性、高抗疲劳性和高耐腐蚀性。高抗疲劳性和高耐腐蚀性。优点：优点：加热温度加热温度550570，钢件变形甚小。，钢件变形甚小。缺点：缺点：生产周期长，采用专用的中碳合金钢，成生产周期长，采用专用的中碳合金钢，成 本高。本高
22、。应用：应用：用于制造耐磨性和尺寸精度要求高的零件，用于制造耐磨性和尺寸精度要求高的零件，如排气阀、精密机床丝杠、齿轮。如排气阀、精密机床丝杠、齿轮。井式气体氮化炉离子氮化炉缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。的几种。全方位离子注入与沉积设备将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为称为热喷涂热喷涂
23、。等离子热喷涂一、热喷涂技术一、热喷涂技术 l 利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。l 广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。热喷涂二、气相沉积技术二、气相沉积技术 气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。的一种新型镀膜技术。l 根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。1、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积物理气相沉积是指在真空
24、条件下，用物理的方法，是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备真空蒸镀真空蒸镀是蒸发成膜材料是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。件表面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品溅射镀溅射镀是在真空下通过是在真空下通过辉光放电来电离氩气，辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来速轰击阴极，溅射下来的粒
25、子沉积到工件表面的粒子沉积到工件表面成膜的方法。成膜的方法。磁控溅射镀磁控溅射镀AlAl的塑料制品的塑料制品磁控溅射镀膜机磁控溅射镀膜机离子镀离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒性粒多弧离子镀膜机多弧离子镀膜机由于化学气相沉由于化学气相沉积膜层具有良好积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电性、耐热性及电学、光学等特殊学、光学等特殊性能，已被广泛性能，已被广泛用于机械制造、用于机械制造、航空航天、交通航空航天、交通运输、煤化工等运输、煤化工等工业领域
26、。工业领域。经经CVD处理的模具处理的模具经经CVD处理处理的活塞环的活塞环2、化学气相沉积、化学气相沉积三、三束表面改性技术三、三束表面改性技术 三束表面改性技术三束表面改性技术是指将激光束是指将激光束、电子束和离子束电子束和离子束(合称合称“三束三束”)等具有高能量密度的能源施加到材等具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。表面性能的技术。电子束加工电子束加工等离子束加工等离子束加工 由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面 进行快速加热和快速冷进行快速加热和快速冷却却,使表层的结构和成分使表层的结构和成分发生大幅度改变发生大幅度改变(如形成如形成微晶、纳米晶、非晶、微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合亚稳成分固溶体和化合物等物等),从而获得所需要从而获得所需要的特殊性能。的特殊性能。束流技术还具有能量利束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、用率高、工件变形小、生产效率高等特点。生产效率高等特点。
