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钢的热处理是将钢在固态下加热到一定温度进行必要的保温 然后以适当的冷却速度冷却以改变钢的组织和结构 从而获得所需要机械性能的方法 通过热处理 可以提高钢的强度和硬度 改善钢的塑性和韧性等 因此 许多重要零件要进行热处理 例如 机床上有80 左右的零件要进行热处理 刀具 量具和模具全部要进行热处理 热处理工艺都是由加热 保温和冷却三个阶段所组成的 因此 热处理工艺过程可用 温度 时间 为坐标的曲线图表示 此曲线称为热处理工艺曲线 第四章钢的热处理 1 2 第四章钢的热处理 钢材整个生产过程中的热处理 包括钢锭的热处理 压力加工过程中的和成品的热处理 钢锭的热处理主要是不同温度下的退火 钢材的热处理可依工艺性能和使用性能要求不同而异 例如各种钢材常须进行正火处理 以获得细而均匀的组织和较好的综合机械性能 高强度调质钢材则常进行淬火回火处理 以保证达到要求的机械性能 不锈钢板与钢带 大多数进行固镕处理以改善其耐蚀性 热锻 轧 钢材可根据用户的要求来决定产品的热处理工艺 冷拉 轧 钢材需进行坯料热处理 中间热处理和成品热处理 3 第四章钢的热处理 热处理 普通热处理 表面热处理 退火 正火 淬火 回火 感应加热淬火 表面淬火 化学热处理 氮化 碳氮共渗及其它 渗碳 火焰加热淬火 4 第四章钢的热处理 Fe Fe3C状态图A1 A3 Acm线是反映不同碳的质量分数的钢在缓慢冷却时的相变温度 在实际生产中 加热和冷却不能很缓慢 总有不同程度的相变滞后现象 即加热时实际转变温度高于平衡温度 冷却时实际转变温度又低于平衡温度 过冷 过热 通常用Ac1 Ac3和Accm表示加热时滞后的转变温度 用Ar1 Ar3和Arcm表示冷却时滞后的转变温度 5 6 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 一 钢在加热时的组织转变由Fe Fe3C状态图可知 钢加热至稍高于727 C PSK线或A1线 时 将发生珠光体向奥氏体的转变 这种转变过程伴随着铁原子和碳原子的扩散 所以其转变过程属于一种扩散型的转变 以共析钢为例 分析奥氏体形成的过程 其基本过程可描述为四个步骤 奥氏体晶核的形成奥氏体晶核易于在铁素体与渗碳体的交界面形成 奥氏体的长大由于渗碳体的晶体结构和含碳量都与奥氏体相差很大 故在铁素体全部消失后 仍有部分渗碳体尚未溶解 随着时间的延长 残余渗碳体继续向奥氏体中溶解 直至完全消失 残余渗碳体的溶解奥氏体晶核形成后 它一方面与渗碳体相接 另一方面与铁素体相接 奥氏体中的含碳量是不均匀的 存在着碳的浓度梯度 随着碳的扩散 铁素体向奥氏体转变 渗碳体不断溶解 7 奥氏体的均匀化 渗碳体刚刚消失时 奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的 原来渗碳体处的含碳量高 而原来铁素体处的含碳量低 需要一定的保温时间 通过碳原子的进一步扩散 才能使奥氏体中含碳量逐渐均匀 8 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时 奥氏体的晶粒是比较小的 这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多 有利于形成数目众多的奥氏体晶核 但是随着加热温度的升高 保温时间的延长 奥氏体晶粒会自发地长大 它是通过晶粒之间的相互吞并来完成的 加热温度越高 保温时间越长 奥氏体晶粒越大 钢在具体加热条件下获得的奥氏体晶粒大小 称为奥氏体的实际晶粒 其大小对冷却转变后钢的性能有明显的影响 因此 钢在加热时 为了获得细小而均匀的奥氏体晶粒 必须严格控制加热温度和保温时间 9 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 10 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 二 钢在冷却时的组织转变钢经加热获得奥氏体组织后 如在不同的冷却条件下冷却 最后可使钢获得不同的力学性能 例如用45钢制造的直径为15mm的轴 经840 C加热后 若在空气中冷却 其表面硬度小于HBS209 若在油中冷却 其表面硬度可达HRC45左右 若在水中冷却 其表面硬度可达HRC65左右 为了解这些差别的原因 必须了解奥氏体在冷却过程中的组织变化规律 两种冷却方式 连续冷却使加热到奥氏体的钢在温度连续下降的过程中发生组织转变 11 12 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 等温冷却使加热到奥氏体的钢 先以较快的速度冷却到A1 727 C 线以下一定温度 这时奥氏体尚未转变 成为过冷奥氏体 然后进行保温 使奥氏体在等温下发生组织转变 转变完成后 再冷却到室温 过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中转变温度 转变时间与转变产物 转变开始及终了 的关系曲线图称为等温转变图 也称为C曲线或TTT曲线图 在C曲线上可以了解到不同温度下的转变产物 因此 它是一种用来研究冷却过程中奥氏体不平衡转变的重要工具 13 14 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 15 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 共析钢过冷奥氏体等温转变产物 高温转变产物共析钢奥氏体过冷到727 550 C之间等温转变产物属于珠光体型组织 都是由铁素体和渗碳体的层片组成的机械混合物 过冷度越大 片层越薄 硬度也越高 珠光体 P 过冷到727 650 C之间的转变产物索氏体 S 过冷到650 600 C之间的转变产物屈氏体 T 过冷到600 550 C之间的转变产物 中温转变产物产物共析钢奥氏体过冷到650 600 之间等温转变产物 属于贝氏体型组织 B 是由含碳过量的铁素体和微小的渗碳体混合而成 贝氏体比珠光体具有更高的硬度 16 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 过冷到550 350 之间的转变组织为上贝氏体半扩散型 上 Fe不扩散 羽毛状碳化物分布在F间 韧性差 过冷到350 MS之间的转变组织为下贝氏体 下 C原子有一定的扩散能力 针状碳化物分布在F内 韧性高 综合机械性能好 低温转变产物共析钢奥氏体过冷到Ms230 Mf 50 之间的转变产物 马氏体 M 组织 是含碳过饱和的 固溶体 由于马氏体中溶入过多的碳使晶格严重扭曲 从而增加了变形抗力 所以马氏体具有很高的硬度 含碳量越高其硬度越大 马氏体是单相亚稳定的组织 17 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 18 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 马氏体转变的特点 MS Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的 属于非扩散型转变 马氏体转变速度及快 转变时体积发生膨胀 马氏体的比容比奥氏体的比容大 因而产生很大内应力 a A过冷 M A 残余b 转变产物 马氏体M 碳在 Fe中的过饱和固溶体 C 1 0 针状 马氏体c 实质 转变温度低 C无法扩散 非扩散性晶格切变 过饱和C的铁素体 w 3 低温区转变 马氏体转变 MS Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的 离于非扩散型转变 a A过冷 M A 残余b 转变产物 马氏体M 碳在 Fe中的过饱和固溶体 C 1 0 针状 马氏体c 实质 T低 C无法扩散 非扩散性晶格切变 过饱和C的铁素体 d M转变的特征 无扩散性 瞬时性 存在Ms Mf 不完全性 体积膨胀3 共析钢等温转变组织 性能的关系 1 珠光体型转变温度降低 片间距小 细晶强化 强度 硬度 塑性 韧性提高 2 贝氏体B上 强度 韧性差B下 硬度高 韧性好 具有优良的综合机械性能 3 马氏体硬度高C HRC 针状马氏体 硬而脆 塑 韧性差板条状 强度高 塑性 韧性好4 亚 过 共析钢的等温冷却转变曲线 19 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 20 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 21 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 3 共析钢等温转变组织 性能的关系 1 珠光体型转变温度降低 片间距小 细晶强化 强度 硬度 塑性 韧性提高 2 贝氏体B上 强度 韧性差B下 硬度高 韧性好 具有优良的综合机械性能 3 马氏体硬度高C HRC 针状马氏体 硬而脆 塑 韧性差板条状 强度高 塑性 韧性好 22 第一节钢在加热和冷却时的组织转变 23 第二节钢的退火和正火 一 退火将工件加热到高于或低于钢的临界点 保温一定时间 然后在炉中或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却的热处理工艺 目的 降低硬度 以利于切削加工 细化晶粒 改善组织 提高机械性能 消除内应力 为下面的淬火工序做准备 提高钢的塑性和韧性 便于进行压力加工 冲压 锻压 拉拔等 1 完全退火加热温度 Ac3以上20 30 C 组织 P F目的 使粗大 不均匀组织均匀化 细化晶粒 提高机械性能 接近平衡组织 调整 降低 硬度 切削性 消除内应力应用范围 亚共折钢 共析钢和合金钢的铸件 锻件等 不适用于过共析钢 24 第二节钢的退火和正火 2 球化退火 不完全退火 加热温度 Ac1以上20 30 C 随炉冷却600 C左右出炉在空气中冷却 应用范围 过共析的碳钢和合金钢组织 球状P F 球状渗碳体 目的 将过共析钢经轧制 锻造空冷后使出现的片层状珠光体和网状二次渗碳体都发生球化 HRC 韧性 切削性 为淬火作准备 减少工件变形和开裂的倾向 球化退火前 若钢的原始组织中有明显网状渗碳体时 应先进行正火处理 25 26 第二节钢的退火和正火 3 去应力退火将工件缓慢加热到500 650 保温一定时间 随炉温缓慢冷却至室温 由于去应力退火加热温度低于A1 故钢在去应力退火过程中并无组织变化 去应力退火的主要用于消除铸件 锻件及焊接结构件的残余应力 以及冷加工后的加工应力 以防止工件变形和开裂 4 再结晶退火加热温度 Ac1以下50 150 或再结晶温度以上30 50 保温一定时间 随炉温缓慢冷却至室温 目的 消除加工硬化 27 第二节钢的退火和正火 5 扩散退火 均匀化退火 加热温度 1050 1150 保温时间10 20h 组织 P F或P Fe3CII目的 消除偏析后果 粗大晶粒 应用完全退火消除 二 正火将钢材或钢件加热到AC3或Accm以上30 50 保温适当的时间后 出炉在空气中冷却的热处理工艺称为正火 正火与退火的主要区别是冷却速度较快 同一种钢正火后的珠光体片层较薄 晶粒较细 强度和硬度较高 韧度也较好 28 第二节钢的退火和正火 正火后的组织 S F或Fe3C 正火的应用 1 作最终热处理 普通结构钢零件目的 a 细化A晶粒 组织均匀化 b 减少了亚共析钢中F P 细化 强度 韧性 硬度 2 预先热处理消除亚共析钢中的魏氏组织 带状组织 细化组织 为淬火 调质作准备魏氏组织 片状F的析出当转变温度较低 A中成分均匀 晶粒粗大时 F向与其有位向关系的A中长大 就使得同一晶粒中F呈片状且相互平行 通常将这种先共析铁素体称为魏氏组织铁素体 29 b 使过共析钢中Fe3CII 使其不形成连续网状 为球化作准备 3 改善切削加工性能 针对低碳钢 30 第二节钢的退火和正火 5 扩散退火 31 第三节钢的淬火和回火 一 淬火淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上30 50 C 保温一定时间后 在油中或水中快速冷却的一种热处理工艺 淬火的目的是为了获得高硬度的马氏体组织 淬火冷却其始温度的选择 亚共析钢在Ac3以上30 50 C 这是为了得到细晶粒的奥氏体 以便在冷却时获得细小的马氏体 过亚共析钢在Ac1以上30 50 C 淬火后形成在细小马氏体基体上均匀分布细小渗碳体组织 这种组织不仅耐磨性好 而且脆性也小 32 第三节钢的淬火和回火 33 第三节钢的淬火和回火 2 淬火介质常用的淬火介质有水 水溶液盐类 熔盐 空气等 为了保证钢中的奥氏体转变为马氏体 而不出现非马氏体组织 对临界冷却速度大的碳钢常采用淬火冷却烈度大的水或水溶液为淬火介质 而合金钢一般用油作为淬火介质 淬火方法 单液淬火法将钢奥氏体化后 在单一淬火介质中冷却到室温的处理 称为单液淬火 双液淬火法将钢奥氏体化后 先侵入一种冷却能力强的介质中 在钢的组织还未转变时迅速取出 马上侵入另一种冷却能力弱的介质中 缓冷至室温 34 35 第三节钢的淬火和回火 双液淬火的优点是内应力小 变形及开裂少 缺点是操作困难 不易掌握 主要应用于碳素工具钢制造的易开裂的工件如丝锥 马氏体分级淬火将钢奥氏体化后 随之侵入温度稍高于或低于钢的上马氏体点的液态介质中 保持适当的时间 待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷 以获得马氏体组织的淬火工艺称为马氏体分级淬火 贝氏体等温淬火将钢奥氏体化后 随之快冷到贝氏体转变温度区间 0 C 等温保持 使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺称为贝氏体等温淬火 常用于成形刀具和形状复杂的模具 36 第三节钢的淬火和回火 钢的淬透性与淬硬性淬透性是指在规定条件下 决定钢材淬硬层深度和硬度分布的特性 它是反映钢在淬火时 奥氏体转变为马氏体的容易程度 因此 淬透性好的钢较淬透性差的钢便于整体淬透 钢的淬透性与其临界冷却速度有密切的关系 临界冷却速度越低 钢的淬透性越好 所以一切增加过冷奥氏体稳定性 降低临界冷却速度的因素都可以提高钢的淬透性 如合金钢 淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到最高硬度的能力 钢的淬硬性主要取决于钢中的含碳量 37 38 第三节钢的淬火和回火 淬火缺陷 氧化与脱碳钢加热时 炉内氧化气氛与钢表面铁或碳相互作用 会引起氧化和脱碳 氧化不仅造成金属的耗损 还影响钢的力学性能和表面质量 脱碳会降低钢件表层的强度 硬度和疲劳强度 因此 对于弹簧 轴承和各种工具和模具等 脱碳是严重的缺陷 过热与过烧 变形与开裂 39 第三节钢的淬火和回火 二 钢的回火回火就是把淬火后的钢重新加热到A1以下的某一温度 保温一段时间 然后置于空气中冷却的热处理工艺 目的 减少或消除工件淬火时产生的内应力 防止工件在使用过程中变形和开裂 降低钢的脆性提高其韧性 适当调整钢的强度和硬度 使工件达到所需要的力学性能 以满足各种工件的需要 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 以达到保证工件精度的目的 40 41 第三节钢的淬火和回火 钢在回火时的组织与性能的变化钢在淬火后的组织是马氏体和少量残余奥氏体 它们都是不稳定组织 有向稳定组织转变的倾向 但在室温下 原子活动能力差 这种转变难于进行 随着温度升高 原子活动能力增强 组织转变可以较快的速度进行 由于组织的变化钢的性能也发生变化 按加热温度的不同 钢的组织转变可分为四个阶段 马氏体分解当钢加热到80 200 C时 马氏体中的过饱和的碳开始以碳化物的形式逐步析出 使马氏体中碳的过饱和程度不断降低 同时 晶格奇变程度也减弱 内应力有所降低 42 第三节钢的淬火和回火 淬火马氏体中的碳 部分的从固溶体中析出并形成过渡碳化物 这时的组织称为回火马氏体 马氏体的分解 使 Fe中碳的过饱和程度有所降低 钢的硬度相应的也有所下降 但析出的碳化物对基体有起着强化作用 所以 这一阶段钢仍保持高的硬度和耐磨性 又因为内应力有所下降 钢的韧性有所提高 残余奥氏体分解当钢加热温度超过200 C时 马氏体继续分解的同时 残余奥氏体也开始分解 转变为下贝氏体或回火马氏体 到300 C时 残余奥氏体的分解基本结束 43 第三节钢的淬火和回火 渗碳体的形成当钢加热温度到300 400 C阶段 从固溶体中析出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体 当加热温度达到400 C时 固溶体中的过饱和的碳基本上完全析出 Fe晶格恢复正常 变为铁素体 钢的内应力基本消除 渗碳体的聚集长大在第三阶段结束时 钢内形成了细粒状渗碳体均匀分布在铁素体基体上的两相混合物 随着加热温度的升高 渗碳体颗粒的尺寸不断长大 而颗粒的数目不断减少 根据混合物中渗碳体颗粒的大小 可将转变组织分为两种 在350 500 C形成的组织 渗碳体颗粒很细小 称为回火托氏体T 屈氏体 在500 650 C得到细小的球粒渗碳体分布在铁素体上的混合物称为回火索氏体S 44 第三节钢的淬火和回火 45 回火的分类及应用 低温回火回火温度150 250 C 回火后得到碳在 Fe中过饱和程度较小的固溶体 回火马氏体 中温回火回火温度350 500 C 回火后的组织是极细的渗碳体与铁素体的机械混合物 回火屈氏体 高温回火回火温度500 650 C 回火后的组织是细粒渗碳体与铁素体的机械混合物 回火索氏体 淬火 高温回火 调质处理 调质处理可使钢有适当的强度 硬度以及较高塑性 韧性相配合的综合力学性能 用于轴 齿轮 连杆等承受交变载荷的重要零件 46 第三节钢的淬火和回火 47 常用表面热处理方法有表面淬火及化学热处理一 表面淬火表面淬火 不改变表面化学成分 只改变其表面组织的局部热处理方法 感应加热表面淬火 原理 交变磁场 感应电流 涡流 工件电阻 加热 集肤效应 表面加热 快速冷却 分类 a 高频200 300KHz 淬硬深度0 5 2mm小工件 b 中频2500 8000Hz 淬硬深度2 5mm尺寸较大的工件 c 工频50Hz 淬硬深度10 15mm大型工件 d 超音频30 40KHz 48 钢种 中碳钢和中碳低合金钢 特点 a 加热速度快几秒 几十秒 b 加热时实际晶粒组小 淬火得到极细马氏体 硬度 脆性 c 残余压应力 提高寿命 d 不易氧化 脱碳 变形小 e 工艺易控制 设备成本高 工艺路线锻造 退火式正火 粗加工 调度 精加工 表面淬火 低温回火 粗磨 时效 精磨 49 火焰淬火用氧 乙炔 或其它可燃性气体 火焰对零件表面进行加热 随之快速冷却的工艺称为火焰淬火 火焰淬火的淬硬层深度一般为2 6mm 这种方法的特点是 加热温度及淬硬层深度不易控制 淬火质量不稳定 但不需要特殊设备 故适用于单件或小批量生产 适用于中碳钢 中碳合金钢制造的大型工件 50 第四节钢的表面热处理 二 化学热处理 渗碳将钢件在渗碳介质中加热并保温 使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳 目的提高钢件表层的含碳量和一定的碳的浓度梯度 渗碳后经淬火和低温回火 表面获得高硬度和高的耐磨性 而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性 渗碳件必须用低碳钢 低碳合金钢制造 渗碳方法可分为固体渗碳 盐浴渗碳和气体渗碳三种 应用较为广泛的是气体渗碳 51 第四节钢的表面热处理 气体渗碳是将工件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺 将工件置于密封的加热炉中 加热到900 950 C 滴入煤油 丙酮 甲醇等渗碳剂 这些渗碳剂在高温下分解 产生活性原子 活性碳原子被钢件的表面吸收而溶入奥氏体中 并向内部扩散 形成一定深度的渗碳层 渗碳层的深度主要取决于保温时间 一般可按每小时渗入深度0 2 0 25mm的速度进行估算 渗碳后 零件表面含碳量可达0 85 1 05 含碳量从表层到心部逐渐减少 心部仍保持低碳钢的含碳量 52 53 第四节钢的表面热处理 在缓慢冷却条件下 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 过渡层 中心仍为原来的组织 因此 渗碳只改变钢表层的化学成分 要使钢的表面具有高硬度 高耐磨性 心部具有足够的塑性和韧性 必须在渗碳进行淬火和低温回火 处理后 钢的表层显微组织为细针马氏体和均匀细粒渗碳体 硬度高达HRC58 64 心部显微组织仍为铁素体和珠光体 某些低碳合金钢 其心部组织为低碳马氏体和铁素体 所以心部具有较高的韧性和适当的强度 54 55 渗氮在一定条件下 使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗氮 其目的是提高零件表面的硬度 耐磨性及疲劳强度 渗氮与渗碳相比 有以下特点 渗氮层具有很高的硬度和耐磨性 钢件渗氮后不用淬火就可得到高硬度 如38CrMoAl钢渗碳层硬度高达1000HV以上 相当于HRC69 72 而且这些性质在60 650 C时仍可维持 渗氮温度低 工件变形小 渗氮工件具有很强的耐蚀性 可防止水 蒸气和盐碱溶液的侵蚀 渗氮方法有气体渗氮和离子渗氮 渗氮虽然具有上述优点 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 这就使渗氮的应用受到一定限制 在生产中渗氮主要用来处理重要和复杂的精密零件 如精密丝杠 镗杆 排气阀 精密机床的主轴等 56 气体渗氮工件在气体介质中进行渗氮称为气体渗氮 它是将工件放在密闭的炉内 加热到50 600 C通入氨气 氨气分解出活性氮原子 活性氮原子被零件表面吸收 与钢中的合金元素Al Cr Mo形成氮化物 并向心部扩散 渗氮层一般深度为0 l 0 6mm 离子渗氮在低于一个大气压的渗氮气氛中 利用工件 阴极 和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮 离子渗氮的原理是将工件作为阴极 以炉壁接阳极 在真空室内通入氨气 并在阴阳极间通以高压直流电 在高压电场作用下 氨气被电离 形成辉光放电 被电离的氮离子以很大的速度轰击工件表面 使工件表面温度升高 一般为450 650 C 并使氮离子在阴极上夺取电子后还原成氮原子而渗入工件表面 并经过扩散形成渗氮层 57 第四节钢的表面热处理 离子渗氮具有速度快 生产周期短 渗氮质量高 工件变形小 对材料适应性强等优点 因而在国内外引起很大的重视迅速的发展起来 已在实际生产中得到应用 但目前离子渗氮还存在投资高 装炉量少 测温困难及质量不够稳定等问题 尚需进一步改进 碳氮共渗在一定温度下 将碳 氮同时渗入工件表层奥氏体中 并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗 又名氰化处理 常用的为气体的碳氮共渗 气体碳氮共渗的温度为820 870 C 共渗层含碳量为0 7 l 0 含氮量0 l5 0 5 热处理后 表层组织为含碳 氮的马氏体及呈细小分布的碳氮化合物 碳氮共渗与渗碳相比具有加热温度低 零件变形小 生产周期短 而且渗层具有较高的硬度 耐磨性和疲劳强度 58 第五节零件的热处理分析 热处理是机械制造过程中的重要工序 正确理解热处理的技术条件 合理安排零件的加工工艺路线 对于改善钢的切削加工性能 保证零件的质量 满足使用要求 具有重要意义 一 热处理的技术条件需要进行热处理的零件 对其热处理后应具有的组织 性能 精度和加工工艺性能等的要求 统称为热处理技术条件 热处理技术条件是根据零件工作特性而提出的 一般零件都以硬度作为热处理的技术条件 对渗碳零件则应标注渗碳层深度 对某些性能要求较高的零件还须标注力学性能指标或金相组织要求 59 第五节零件的热处理分析 二 热处理的工序位置 预备热处理的工序位置预备热处理包括退火 正火 调质处理等 退火 正火的工序位置 通常安排在毛坯生产之后 切削加工之前 以消除毛坯的内应力 均匀组织 改善切削加工性能 并为以后的热处理作组织准备 对于精密零件 为了消除切削加工的残余应力 在半精加工后也安排去应力退火 调质工序一般安排在粗加工之后 精加工或半精加工之前 目的是为了获得良好的综合机械性能 为以后的热处理作组织准备 调质一般不安排在粗加工之前 以免表面调质层在粗加工时大部分被切掉 这对于淬透性差的碳钢件尤为重要 60 第五节零件的热处理分析 最终热处理的工艺位置最终热处理一般为淬火 回火及表面热处理等 零件经这类热处理后 获得所需的使用性能 因其硬度较高 除磨削外 一般不宜进行其他形式的切削加工 故其工艺位置一般安排在半精加工之后 有些零件工作性能要求不高 在毛坯时进行退火 正火或调质即可满足工作要求 这时退火 正火或调质也可作为最终热处理 61 三 典型零件的热处理工序分析 机床主轴 毛坯采用45钢锻件 热处理技术条件为 整体调质后硬度为HBS220 250 内锥孔和外锥体硬度为HRC45 50 花键部分硬度为HRC48 53 加工工艺路线为 备料 锻造 正火 机械粗加工 调质 机械半精加工 锥孔及外锥体的局部淬火 回火 粗磨 外圆 锥孔 外锥体 铣花键 花键淬火 回火 精磨 外圆 锥孔 外锥体 62 汽车变速箱齿轮 毛坯采用20CrMnTi钢的锻件 热处理技术条件为 渗碳层含碳为0 8 1 05 渗碳层深度为0 8 1 3mm 齿面硬度为HRC58 62 心部硬度HRC33 48 加工工艺路线为 备料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 矫正花键孔 磨齿 63 第五章合金钢 碳素钢虽然价格便宜 并且通过热处理可以得到不同性能来满足工业生产上的各种需要 但是碳素钢的淬透性差 缺乏良好的综合性能和一些特殊 性能 如耐热 耐磨 耐腐蚀 高磁性 无磁性等 为了改善和提高钢的机械性能 工艺性能或物理化学性能 在冶炼时特意在钢中加入一些合金元素 如铬 镍 锰 钼 钨 钒 钴 硼 铝 钛和稀土等这种钢就称为合金钢 随着现代化工业和科学技术的发展 合金钢在机械制造中的应用日益广泛 一些在恶劣环境下使用的设备以及承受复杂交变应力 冲击载荷和在摩擦条件下工作的零件往往离不开合金钢 64 2020 1 9 65 合金元素在钢中的作用是非常复杂的 它对钢的组织和性能产生很大影响 一 溶于铁素体大多数合金元素 除铅以外 都能溶于铁素体 形成合金铁素体 由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异 引起铁素体的晶格奇变 产生固溶强化 使铁素体的强度 硬度提高 而塑性和韧性下降 合金元素对铁素体韧性的影响和它们的溶解度有关 例如Si 1 00 Mn 1 50 时其韧性没有下降 但当溶解度超过此值时才有下降的趋势 而铬和镍在适当范围内 Cr 2 0 Ni 5 0 则可以使铁素体韧性提高 第一节合金元素在钢中的作用 66 第一节合金元素在钢中的作用 二 形成合金碳化物合金元素根据它与钢中碳的亲和力的大小 可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类 常见的非碳化物形成元素有 镍 钴 铜 硅 铝和硼等 它们不和碳形成碳化物 而溶于铁素体和奥氏体中 形成合金铁素体和合金奥氏体 常见的碳化物形成元素有 锰 铬 钼 钨 钒 铌 锆和钛等 按与碳形成碳化物的稳定性程度由弱到强依次排列 锰与碳的亲和力较弱 其大部分溶于铁素体或奥氏体中 而少部分则溶于渗碳体形成合金渗碳体 3 合金渗碳体与渗碳体晶体结构相同 但比渗碳体略稳定 硬度也略高 67 第一节合金元素在钢中的作用 与碳亲和力较强的铬 钼和物等 含量较低时 一般倾向与形成合金渗碳体 含碳量较高时可形成合金碳化物 如Cr7C3等 合金碳化物比合金渗碳体的稳定性更高 溶点和硬度也更高 与碳亲和力更强的钨 钒 铌 锆和钛等几乎都形成碳化物Mo2C VC NbC WC等 它们的稳定性最高 稳定性愈高的碳化物 其熔点和硬度也愈高 加热时也愈难溶于奥氏体中 回火时加热到较高温度才能从奥氏体中析出并聚集 长大也较慢 三 阻碍奥氏体的晶粒长大几乎所有的合金元素都抑制钢在加热时的奥氏体晶粒长大 使晶粒细化 不同元素影响程度不同 68 第一节合金元素在钢中的作用 强碳化物形成元素铌 钒 钛等形成的碳化物 铝在钢中形成的AlN Al2O3细小质点 都能强烈地阻碍奥氏体晶粒长大 所以合金钢 除锰外 在淬火加热时不宜过热 有利于获得细的马氏体 提高加热温度 使奥氏体中溶入更多的合金元素 以改善钢的淬透性和力学性能 四 提高钢的淬透性除钴以外的所有的合金元素当它们溶于奥氏体中以后 都能增加过冷奥氏体的稳定性 推迟珠光体类型的转变 使 曲线右移 提高了钢的淬透性 这样在同样淬硬层深度的情况下 可以采用冷却能力较低的淬火介质 以减少形状复杂零件的变形和开裂 在同样的淬火条件下 合金钢可获得较深的淬硬层 能使大截面的零件获得均匀一致的组织 从而得到较高的力学性能 69 第一节合金元素在钢中的作用 五 提高钢的回火稳定性合金元素在回火过程中 由于合金元素的阻碍作用 推迟了马氏体和残余奥氏体的转变 提高了铁素体的再结晶温度 使碳化物不易聚集长大 而保持较大的弥散度 因此 提高了钢对回火软化的抗力 即提高了钢的回火稳定性 和碳素钢相比 在相同的回火温度下 合金钢比相同含碳量的碳素钢具有更高的硬度和强度 对工具钢和耐热钢尤为重要 高的回火稳定性使钢在较高的温度下 仍能保持高硬度和高的耐磨性 金属材料在高温 O 下保持高硬度 6O 的能力 称为红硬性 70 第二节合金钢 一 合金钢的分类 按用途分类合金结构钢用来制造机械零件和工程结构的钢 合金工具钢用来制造各种刃具 模具和量具的钢 特殊性能钢具有某些物理性能 化学性能的钢如不锈钢 按合金元素含量分类低合金钢合金元素总含量 中合金钢合金元素总含量 10 高合金钢合金元素总含量 O 按质量分类分为优质钢 O O 高级优质钢 O O O O 71 第二节合金钢 二 合金结构钢 普通低合金结构钢 低合金高强度钢 普通低合金结构钢是一种低碳 O 低合金 一般合金元素总量 的钢 由于合金元素的强化作用 这类钢的强度 特别是屈服点 显著高于相同含碳量的碳钢 并且有良好的塑性 韧性 耐蚀性和焊接性 主要用于桥梁 车辆 船舶以及锅炉 高压容器 油管等大型结构件的制造 采用这类钢的主要目的是减轻结构重量 保证结构安全 这类钢通常是在热轧退火 正火 状态下使用 焊接后不再进行热处理 72 73 第二节合金钢 合金渗碳钢合金渗碳钢是用来制造承受较强烈的冲击和受磨损条件的零件 合金渗碳钢的含碳量在0 10 0 25 之间 以保证心部具有足够的塑性和韧性 加入合金元素以提高钢的淬透性和防止高温长时间渗碳过程中晶粒的长大 性能要求 心部具有足够的塑性和韧性 碳素渗碳钢的淬透性低 零件心部的强度和硬度在热处理前后差别不大 而合金渗碳钢的淬透性高 零件心部强度和硬度在热处理前后差别较大 表面渗碳层具有耐磨性和疲劳抗力 热处理特点 渗碳 淬火 低温回火 74 75 调质钢调质钢是指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢 这类钢的含碳量一般为0 25 0 50 热处理特点 淬火 高温回火 处理后获得回火索氏体组织 使零件具有良好的综合性能 因此 机械设备上要求良好综合机械性能的各种重要零件 都要采用调质钢 与合金调质钢相比 碳素调质钢 40 45 只适用于制造强度不太高 截面尺寸不太大的零件 40Cr 35CrMo 40MnB钢是最常用的合金调质钢 40Cr钢的强度比40钢提高20 第二节合金钢 76 77 弹簧钢 性能要求由于弹簧是在动载荷下使用 要求弹簧钢具有 高的抗拉强度 高的屈强比 s b 高的疲劳强度 足够的塑性和韧性以及良好的表面质量 较好的淬透性和低的脱碳敏感性 在冷热状态下容易卷绕成型 化学成分碳素弹簧钢 C 0 60 0 90 淬透性差 12mm 合金弹簧钢 C 0 46 0 70 常含有si Mn Cr V等元素 以提高钢的淬透性和回火稳定性 强化铁素体和细化晶粒 热处理弹簧钢按加工和热处理分为两种 第二节合金钢 78 第二节合金钢 热成型弹簧钢 8mm热成型弹簧钢一般用于大型弹簧或形状复杂的弹簧 弹簧热成型后进行淬火和中温回火 获得回火屈氏体组织 硬度在HRC40 45 热处理后弹簧往往还要进行喷丸处理 使表面产生硬化层 并形成有利的残余应力 以提高弹簧的抗疲劳性能 冷成型弹簧钢 8mm冷成型弹簧钢采用冷拉弹簧钢丝冷绕成型 一般用于小型弹簧 由于弹簧钢丝在生产过程中 冷拉或铅浴淬火 已具备了很好的性能 所以卷绕成型后不再淬火 只需作250 300 C的去应力退火 以消除在冷绕过程中产生的应力 并使弹簧定型 79 80 滚动轴承钢滚动轴承钢用来制造各种滚动轴承的滚动体和内外圈 也用来制造各种工具和耐磨零件 滚动轴承在工作时 承受着高而集中的交变应力 同时在滚动体和套圈之间还产生强烈的摩擦 因此滚动轴承钢必须具有 高而均匀的硬度和耐磨性 高的弹性极限和接触疲劳强度 足够的韧性和淬透性 一定的耐蚀性 应用最广泛的轴承钢是高碳铬钢 C 0 95 1 05 Cr 0 40 1 65 加入合金元素铬是为了提高钢的淬透性 并在热处理后形成细小均匀分布的碳化物 以提高钢的硬度 接触疲劳极限和耐磨性 热处理包括预备热处理和最终热处理 预备热处理是为了获得球状珠光体组织的球化退火 以降低锻造后钢的硬度 便于切削加工 并为淬火作好组织上的准备 最终热处理为淬火加低温回火 其目的是获得极细的回火马氏体和细小均匀分布的碳化物 以提高轴承的硬度和耐磨性 硬度可达HRC61 65 81 82 第二节合金钢 三 合金工具钢 合金工具钢的分类 编号分类 刃具钢 模具钢 量具钢 编号 平均含碳量大于1 时不标出 小于1 时以千分之几表示 合金元素含量的表示方法与结构钢标法相同 高速钢含碳量不标出 如高速钢W18Cr4VC 0 70 0 80 W 18 Cr 4 V HRC60 高耐磨性 高的热硬性 红硬性 高速钢 600 C 一定的强度 韧性和塑性 常用刃具钢 83 第二节合金钢 碳素刃具钢T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13 低合金刃具钢9SiCr CrWMn 9Mn2V低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢 钢中加入铬 锰 硅等元素 其目的是提高钢的淬透性和钢的强度 加入钨钒等强碳化物形成元素 是为了提高钢的硬度和耐磨性 并防止加热时过热 保持晶粒细小 高速钢 锋钢 高速钢是一种高合金工具钢 钢中含W Mo Cr V等元素 高速钢经过适当的热处理 可获得良好的切削性能 它区别于其它一般工具钢的主要特性是它具有良好的热硬性 温度达到600 C左右时硬度仍无明显下降 84 85 第二节合金钢 高速钢只有经过适当的热处理才能获得最好的性能 高速钢的导热性差 淬火温度又很高 所以淬火加热时必须进行一次预热 800 850 C 或两次预热 500 600 C 800 850 C 高速钢中含有大量的钨 钼 钒 铬等的难溶碳化物 它们只有在1200 C以上才能大量溶入奥氏体中 以保证淬火 回火后获得高的红硬性 因此 高速钢的淬火加热温度很高 一般为1220 1280 C 高速钢淬火后必须在550 570 C进行多次回火 此时由马氏体中析出极细碳化物 并使残余奥氏体转变成回火马氏体 以进一步提高钢的硬度和耐磨性 使钢的硬度达到较好值 HRC63 66 86 87 第二节合金钢 模具钢模具钢主要用来制造各种金属成型用的工具 模具 按其工作条件的不同 可分为冷作模具钢和热作模具钢 冷作模具钢包括冷冲模 冷镦模 冷挤压模和拉丝模等 它们属于接近室温状态下对金属进行变形加工的一类模具 由于要使金属在模具中产生塑性变形 因而模具要承受很大的压力 弯曲力 冲击载荷和磨擦 所以要求冷作模具钢具有高的硬度 耐磨性 足够的强度 一定的韧性和疲劳强度 大型模具要求一定的淬透性 88 第二节合金钢 小型轻载的冷作模具可用碳素工具钢和低合金工具钢来制造 如T10A T12 9SiCr CrWMn 9Mn2V和GCr15等 大型冷作模具一般采用Cr12 Cr12MoV等高碳铬钢制造 这类钢具有高的硬度 强度和耐磨性 热作模具钢是用来制造使金属在高温下成型的模具 如热锻模 热挤压模和压铸模等 热作模具是在高温下工作 承受 拉 压 弯曲 应力及冲击力 还要受到强烈的磨擦 因此要求热作模具钢具有 高的高的强度和韧性的良好配合 同时具有足够的硬度和耐磨性 它经常接触高温金属 型腔表面温度可达400 600 C 因此它必须具有高的回火稳定性 具有热疲劳抗力 89 淬透性好 导热性强 目前常采用5CrMnMo 小型 和5CrNiMo 大型 钢制造热作模具 采用3Cr2W8V钢制作挤压模和压铸模 热作模具钢的最终热处理是淬火后中温回火 或高温回火 以保证足够的韧性 量具钢 性能要求 高的硬度和耐磨性 某些量具要求热处理变形小 在存放和使用的整个过程中尺寸不发生变化 以保持高精度 好的加工性能 常用材料 90 第三节特殊性能钢 特殊性能钢是指不锈钢 耐热钢 耐磨钢等一些具有特殊化学和物理性能的钢 一 不锈钢在腐蚀介质中具有高的抗蚀性能的钢 称为不锈钢 腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀 在钢中加入一定量的铬和镍使钢的电极电位提高 因此抗蚀性显著提高 常用不锈钢有 铬不锈钢 1Cr13 2Cr13 制造零件 3Cr13 3Cr13 4Cr13 工具 量具 1Cr17 酸槽 管道 铬镍不锈钢 1Cr18Ni9 耐酸零件 1Cr18Ni9Ti 医疗用具 91 第三节特殊性能钢 二 耐热钢在高温下具有高的抗氧化性和较高强度的钢称为耐热钢 分为抗氧化钢与热强钢两类 抗氧化钢这类钢主要用于长期在高温下工作 但强度要求不高的零件 如各种加热炉的底板等 抗氧化钢中加入的合金元素为铬 硅 铝等 它们在钢表面形成致密的 高熔点的 稳定的氧化膜 Cr2O3 Si2O Al2O3 严密而牢固地覆盖在钢的表面 使钢与高温氧化性气体隔绝 从而避免了钢进一步被氧化 常用的抗氧化钢有4Cr9Si2 1Cr13SiAl等 热强钢热强钢是在高温下具有良好抗氧化性能 并有较高的高温强度的钢 92 第三节特殊性能钢 钢的高温强度与再结晶温度有关 当钢的工作温度超过再结晶温度后 由于发生再结晶 消除了塑性变形引起的硬化 所以即使所受的应力小于常温下的屈服极限 钢也会发生缓慢而连续的塑性变形 加入难熔合金元素钨 钼等 可提高其再结晶温度 加入钛 钒等可形成稳定碳化物 氮化物以阻碍其变形 从而提高钢的高温强度 常用的热强钢有 15CrMo 4Cr14Ni14W2Mo 15CrMo钢是典型的锅炉用钢 可以制造300 500 C以下长期工作的零件 4Cr14Ni14W2Mo钢可以制造600 C以下的工作的零件 如汽轮机叶片 大型发动机排气阀等 93 第三节特殊性能钢 三 耐磨钢耐磨钢主要用于承受严重磨损和强烈冲击的零件 如车辆履带 破碎机颚板 球磨机衬板 挖掘机铲斗齿和铁路分道岔等 因此要求耐磨钢具有良好的耐磨性 高锰钢是目前最重要的耐磨钢 它的含碳量为0 9 1 4 含锰量为11 14 其牌号为ZGMn13 这种钢机械加工比较困难 基本上是通过铸造成型 其铸态组织为奥氏体和粗大的碳化物 硬度并不高 只有通过热处理获得全部奥氏体组织 才呈现出良好的韧性和耐磨性 94 第三节特殊性能钢 热处理 水韧处理 将钢加热到 保温一段时间 使钢中碳化物全部溶入奥氏体 然后迅速水淬 在室温下获得均匀单一的奥氏体组织 此时钢的硬度不高 HBS180 220 韧性很好 当在工作中受到强烈冲击和压力时 表面产生强烈的硬化 使其硬度显著提高 HRC50以上 从而获得高的耐磨性 心部仍保持高的塑性和韧性 95 第六章有色金属及硬质合金 通常把铁及其合金 钢铁 称为黑色金属 而把非铁金属及其合金称为有色金属 有色金属的种类很多 其产量和使用量虽不及黑色金属 但由于它们具有许多特殊性能 如高的导电性和导热性 较低的密度和熔化温度 良好的力学性能和工艺性能 因此 也是现代生产中不可缺少的材料 常用的有色金属有铜及铜合金 铝及铝合金 钛及其合金和轴承合金 96 第一节铜及其合金 一 纯铜 紫铜 纯铜的熔点1083 在固态下具有面心立方晶格结构 无同素异构转变 比重8 9 具有玫瑰红色 表面形成氧化膜后呈紫色 纯铜是一种逆磁性物质 用铜制作的各种仪器和机件不受外来磁场的干扰 这一特性在制作各种磁学仪器 定向仪器和其它防磁器械时 具有重要意义 纯铜的突出优点是导电及导热性好 其导电性在各种元素中仅次于银而居第二位 故纯铜的主要用途是制作电工导体 在力学性能和工艺方面 纯铜的强度不高 塑性良好 可以承受各种形式的冷热压力加工 在冷变形过程中 铜有明显的加工硬化现象 所以在铜的冷加工过程中必须进行适当的中间退火 以恢复材料的塑性 铜的化学性能比较稳定 97 98 二 黄铜铜和锌的合金叫做黄铜 当含锌量小于39 时 能全部溶解到铜中形成单一 固溶体 具有面心立方晶格 良好的塑性 适于常温下加工 黄铜的强度和延伸率与其含锌量有密切关系 含锌量为30 32 时 延伸率达到最高值 继续增加大含锌量 合金的塑性开始下降 而合金的抗拉强度继续升高 直至达到45 46以上时 黄铜的抗拉强度在急剧下降 黄铜具有良好的铸造性能 流动性好 易形成集中缩孔 铸件组织比较致密 黄铜承受压力加工的能力很强 因而经常在锻轧状态下使用 黄铜的抗蚀性能很好 与紫铜接近 99 100 101 102 三 青铜含有Sn Al Si Pb Be Mn等的铜基合金叫青铜 锡青铜锡能溶于铜形成 固溶体 但比锌在铜中的溶解度小的多 14 通常含锡量小于8 的锡青铜具有较好的塑性和适当的强度 适于压力加工 含锡量大于10 的锡青铜 由于塑性差 只适于铸造 锡青铜在铸造时 体积收缩小 易形成分散细小的缩孔 可铸造形状复杂的铸件 但铸件的致密性差 在高压下易渗漏 不适合制造要求密封性好的铸件 锡青铜在大气及海水中的耐蚀性好 广泛用于制造耐蚀零件 103 第一节铜及其合金 铝青铜常用铝青铜的含铝量为5 12 铝青铜比锡青铜有更好的耐蚀性 更高的力学性能和耐热性 还可以进行淬火和回火来进一步强化其性能 常用来制造重载的耐蚀和耐磨的零件 铍青铜常用的铍青铜的含铍量为 7 5 铍在铜中的溶解度随温度的变化而增大 因此 经淬火后加以人工时效可获得较高的强度 硬度 抗蚀性和抗疲劳性能 而且具有良好的导电性和导热性 是一种综合性能良好的结构材料 主要用作弹性元件和耐磨零件 硅青铜硅青铜具有很高的力学性能和耐蚀性能 良好的铸造性能和冷 热变形加工性能 104 105 第一节铜及其合金 106 第一节铜及其合金 通常把铁及其合金 钢铁 称为黑色金属 而把非铁金属及其合金称为有色金属 有色金属的种类很多 其产量和使用量虽不及黑色金属 但由于它们具有许多特殊性能 如高的导电性和导热性 较低的密度和熔化温度 良好的力学性能和工艺性能 因此 也是现代生产中不可缺少的材料 常用的有色金属有铜及铜合金 铝及铝合金 钛及其合金和轴承合金 107 108 第一节铜及其合金 109 第二节铝及其合金 一 纯铝铝是银白色的金属 是储量最丰富的金属元素 纯铝具有以下独特性能和优点 铝的密度为2 72 属于轻金属 导电导热性能好 仅次于银 铜 金居第四位 塑性好 80 能通过冷或热的压力加工制成各种型材 如丝 线 箔 片 棒 管 抗大气腐蚀性能好 因为铝的表面能生成一层致密的氧化膜 它能有效地隔绝铝和氧的接触 阻止铝的进一步长大 强度很低 b 80 100MPa 冷变形加工硬化后强度可提高到 b 150 250MPa 但塑性却下降到 50 60 110 111 第二节铝及其合金 用途制作电线 电缆以及要求具有导热和具有抗大气腐蚀性能而对强度要求不高的用品或器皿 二 铝合