金工实习第4章 热处理

金工实习第4章热处理第4章热处理【实习要求】

1.掌握热处理的作用和应用。2.学会淬火操作和硬度测试操作。3.了解常用热处理方法及其设备。热处理安全操作技术1.操作人员在工作前要穿戴好规定的劳保用品，生产场地不准穿高跟鞋、拖鞋，不准赤膊操作。2.工作场地经常保持清洁整齐，通道畅通，工作物不准堆放过高，以免碰倒伤人。3.工作场地应配备必要的消防器材，操作人员应具有一定的防火、防爆、防毒、防烫伤、防触电的一般知识。4.电炉装炉和出炉时，必须先断电，轻拿轻放，不要碰坏炉底和炉衬。5.使用砂轮操作者必须站在砂轮机侧面，以免砂轮破裂飞出伤人。

热处理是将金属在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺，其工艺曲线如图4-1。其目的是改变钢的内部组织结构，以改善其性能。4.1热处理的定义热处理工艺曲线示意图热处理分类热处理分类普通热处理表面热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理预先热处理（通常）最终热处理（通常）4.2钢的热处理4.2.1热处理的设备箱式电阻炉井式电阻炉真空气淬炉热处理车间的常用设备有加热炉、测温仪表、冷却水槽、油槽及硬度计等。1.热处理加热炉主要有各种规格的箱式电阻炉、井式电阻炉、真空炉、渗碳炉、多用炉等。4.2.2热处理基本工艺及其操作1.退火

退火是将工件加热到临界点以上或以下某一温度（碳钢一般加热到750～900℃，根据钢中含碳量而定），保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的一种热处理工艺。退火的目的是：均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火作好组织准备。2.正火

正火是将工件加热到一定温度（碳钢一般加热到780～920℃），保温适当时间，然后出炉空冷获得珠光体组织的热处理工艺。

对于亚共析钢来说，

正火与完全退火的加热温度相近，

但正火的冷却速度较快，

转变温度较低，

正火组织中铁素体数量较少，

珠光体组织较细，

钢的强度，硬度较高，而塑性和韧性稍低，内应力消除不如退火彻底。正火时工件在炉外冷却，不占用设备，因此生产周期短，成本较低，所以一般低碳钢和中碳钢大都采用正火。3.淬火

淬火是将工件加热到一定温度（碳钢一般加热到780～860℃），保温一定时间后快速冷却的热处理工艺。淬火的主要目的是提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，配合适当的回火，可使钢的力学性能在很大范围内得到调整，并能减小或消除淬火产生的内应力，降低钢的脆性。

常用的淬火介质有水和油。水价格便宜且冷却能力强，若在水中溶入少量的盐，冷却能力更强，适用于碳钢的淬火；油也是应用较广的淬火介质其冷却能力较低，可以防止工件产生裂纹等缺陷，适用于合金钢的淬火。工件浸入淬火介质的方式工件浸入淬火介质的方式可根据以下原则选择：（1）细长工件（丝锥、钻头和轴等）应垂直浸入淬火介质中，并上下移动以减小变形；（2）薄而平的工件（圆盘铣刀），必须立着浸入淬火介质中；（3）薄壁环状工件（套筒），其轴线要垂直于液面；（4）厚薄不均的工件，应先将厚的部分浸入淬火介质中。4.回火

回火是将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度（一般在150～650℃），保温一定时间，然后空冷或油冷的热处理工艺。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、

强度、

塑性和韧性的适当配合，

以满足各种用途工件的性能要求。决定工件回火后的组织和性能的最重要因素是回火温度。根据回火温度不同，回火可分为三种：（1）低温回火

：150～250℃。

其目的是减小工件淬火后的内应力和脆性而保持其高的硬度和耐磨性，主要用于刀具、量具及冲模等高碳钢或高碳合金钢。（2）中温回火

：350～500℃。

目的是提高工件的冲击韧性，中温回火后工件的淬火应力基本消失，

因此钢具有高的弹性极限，

较高的强度和硬度，

良好的塑性和韧性。故中温回火主要用于各种弹簧零件及热锻模具，例如弹簧、发条、锻模等。（3）高温回火

：500～650℃。

习惯上将淬火和随后的高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。

经调质处理后，

钢具有优良的综合力学性能。

高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢制作的重要机器零件，

如发动机曲轴、连杆，

连杆螺栓、

汽车半轴、

机床主轴及齿轮等。

这些机器零件在使用中要求较高的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。回火种类及应用回火种类温度组织性能应用参考硬度（HRC）低温回火<250℃回火M高硬度、高耐磨性主要用于刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火件。58～62中温回火350℃～500℃回火T高强度，高σe、高σs主要用于各种弹性件和热锻模等35～50高温回火500℃～

650℃回火S综合力学性能好曲轴、连杆、螺栓、半轴、齿轮等25～35热处理状态σbδ×100aK/(J.cm2)HBS正火700～80015～2050～80162～220调质750～

85020～2580～120210～25045钢正火和调质后的力学性能回火脆性

淬火钢回火时并不是温度越高，冲击韧度越高，有些钢在一定的温度范围内回火时，其冲击韧度显著下降，这种脆化现象叫做钢的回火脆性。钢在250~400℃温度范围内出现的回火脆性叫第一类回火脆性，也叫低温回火脆性；在450~650℃温度范围内出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，也叫高温回火脆性。45钢加热到840℃，以不同方式冷却后的力学性能冷却方法σb/MPaσs/MPaδ(%)ψ(%)HBS炉内缓冷（退火）53028032.549.3160～200空气冷却（正火）670～72034015～1845～50170～240水中冷却（淬火）10007207～812～1452～58HRC表面淬火

表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后冷却，使表面获得淬火组织而心部仍然保持原始组织的热处理工艺。其目的是满足某些零件表面硬心部韧的性能要求。主要用于承受冲击载荷而且表面又要耐磨的零件，如齿轮、凸轮、传动轴等。常用的表面淬火方法有：感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。感应加热表面淬火示意图化学热处理

气体渗碳示意图

化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素的原子渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性，而心部仍然保持原有的性能。常用的方法有：渗碳、渗氮和碳氮共渗。钢的表面热处理分类表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火表层获得硬而耐磨的马氏体组织，心部仍保持原来的退火、正火或调质状态组织。硬化层深度2mm～8mm化学热处理渗碳渗氮与频率相关f越高，淬硬层越薄温度高（900℃～950℃）温度低（500℃～600℃）时间长短、渗层深度、工件变形量、渗后是否热处理、适用钢种。4.2.3热处理后硬度检测

硬度是指金属材料抵抗局部变形或者抵抗其它物质刻划或压入其表面的能力，是重要的力学性能指标之一。通常材料的硬度越高，耐磨性越好，因此，常将硬度值作为衡量材料耐磨性的重要指标。

常用的硬度检测方法有布氏硬度试验、洛氏硬度试验、维氏硬度试验。试验原理：布氏硬度试验是在一定的试验力F作用下，将一定直径D的硬质合金球压头压入到被测金属表面，保持规定时间后卸除试验力，测量被测材料表面留下压痕的平均直径d，根据d计算出压痕面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均试验力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值。式中HBW———布氏硬度;F———试验力大小（N）;D———硬质合金球直径（mm）;d———压痕平均直径（mm）;布氏硬度应用：用于测定灰铸铁、退火钢、调质钢、有色金属等材料。布氏硬度计试验原理：洛氏硬度试验是采用顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以规定的试验力将其压入试样表面。以残余压痕深度计算硬度值。式中HR—洛氏硬度;k—常数，用金刚石圆锥体作压头时k=100，用钢球作压头时k=130;h—残余压痕深度（mm）。洛氏硬度试验时，一般均由硬度计的指示器上直接读出硬度值。洛氏硬度（HR）应用：多用于测定淬回火后硬度相对较高的工件，常用工具、量具、轴承等工件洛氏硬度计洛氏硬度计不同压头和载荷组成A、B、C、D、E、F、G、H、K九种标尺和六种表面洛氏硬度标尺，共15种。HRA、HRB、HRC最常用，改变压力和压头，可适用于不同的测试范围。表面洛氏HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用来测定极薄试样及渗氮层的硬度。洛氏硬度种类试验原理：维氏硬度是将顶部两相对面具有规定角度的正棱锥体金刚石压头用一定的试验力压入试样表面，保持规定的时间后卸除试验力，通过测量试样表面压痕两对角线长度，用其平均值计算硬度值，压痕单位表面积所承受的平均压力为维氏硬度值，用符号HV表示维氏硬度（HV）维氏硬度计算公式:式中HV—维氏硬度，不标单位;F—试验力（N）;d—压痕两对角线长度平均值（mm）。在实际测试时，维氏硬度值不用计算，而是用测微计测出压痕两对角线的长度，计算出平均值后，再根据d的大小查表，即可求出所测硬度值。根据试验力大小维氏硬度分为：普通维氏硬度试验小载荷维氏硬度试验显微维氏硬度试验（需要显微放大装置）显微维氏硬度计4.2.4常见热处理缺陷

零件在热处理（尤其是淬火）时，若工艺参数选择不合适、仪表误差过大或操作不当，都会产生缺陷。常见的缺陷有：过热、过烧；氧化、脱碳；硬度不足或不均；变形及裂纹等。1.过热和过烧

若加热温度过高或保温时间太长，会使钢的晶粒粗大，即过热。过热将导致钢的塑性和韧性降低。当加热温度接近熔点时，会使钢的晶界氧化或局部熔化，即过烧。过热的工件可以通过正火加以补救，而过烧的零件只能报废。2.氧化和脱碳

钢在氧化性介质中加热时，会使工件表面氧化和脱碳。氧化使工件表面金属烧损影响工件的尺寸和表面粗糙度，降低钢的强度；脱碳使工件表面