机械技术基础制造 11

《机械制造技术基础》主教材第1章零件材料与热处理工艺的确定（2）21、改善钢的性能的常用方法合金化，冷变形强化，热处理2、热处理的概念

将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。基本的热处理工艺曲线示意图1.4钢的热处理§1.4.1概述3热处理状态σbσs

δψak

硬度830℃退火532281334960160~220HB830℃正火670~72034015~1845~5050170~240HB830℃水淬≥1700≥15007~812~14__50~60HRC830℃水淬190℃回火≥1300≥1150≥6≥2215~2550HRC830℃水淬520℃回火1000840205511030HRC45钢在不同热处理状态下的力学性能比较43、热处理的目的

（1）提高钢的力学性能（2）改善钢的工艺性能

4、热处理与其它加工方法的区别只改变组织和性能，不改变尺寸形状。5、热处理的发展简介（1）早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜、铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化，白口铸铁的柔化处理就是当时制造农具的重要工艺。5（2）公元前6世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。

（3）中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～

0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。兵马俑二号坑出土的青铜剑，用现代科学方法检测分析，这些青铜剑表面竟涂有一层厚约10微米的氧化膜，其中含铬2%。这一发现立即震动了世界，尤为值得称道的是，这些青铜剑的韧性异常惊人。兵马俑未解之谜：青铜剑历经两千年无蚀无锈6（4）1863年，英国金相学家揭示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，法国人奥斯蒙德确立铁的同素异构理论，英国人奥斯汀(奥氏体)制定出铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。（5）二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳

；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代后，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。近年来，真空热处理、激光热处理等技术得到不断的发展。7整体热处理渗碳渗氮碳氮共渗渗金属表面热处理热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理6、热处理的分类感应加热火焰加热电接触加热激光加热8砖式燃油台车加热炉热处理炉9井式渗碳炉可控气氛热处理炉双室真空油淬气冷炉播放热处理加热与冷却设备10刚热处理后的零件20CrMo材料真空渗碳11钢奥氏体组织加热保温1、工件表面与中心温度一致2、奥氏体组织不同的冷却条件不同的组织不同的机械性能§1.4.2钢的热处理原理121.铁碳合金的基本组织（1）铁素体（F）：碳与α-Fe形成的间隙固溶体。性能---强度和硬度低，塑性和韧性好。（2）奥氏体（A）：碳与γ-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727℃时存在。性能---塑性好，强度和硬度高于F，无磁性。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。（3）渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物。性能---硬度高，脆性大。（4）珠光体（P）：F与Fe3C组成的机械混合物。性能---力学性能介于两者之间。（5）莱氏体（Ld）：A与Fe3C组成的机械混合物，是白口铸铁的基本组织。性能---硬度高，塑性差，脆性大。铁素体晶胞示意图奥氏体晶胞示意图13纯铁的冷却曲线和晶格变化

晶体简介纯铁在不同的温度下，其晶格有不同结构－同素异构现象同素异构转变是钢铁材料的一个重要特性，是钢铁能采用热处理来改变其性能的内因和依据。14晶体的原子排列非晶体的原子排列简介：晶体（1）物质由原子组成，根据其原子排列特征，固态物质按可分为：晶体非晶体（2）常见金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格152.铁碳合金状态图引言：铁碳合金状态图

表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。

是在长期的生产实践和大量科学实验的基础上建立起来的。

作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。16Fe—Fe3C合金平衡相图亚共析钢过共析钢过共晶白口铁亚共晶白口铁工业纯铁共析钢共晶白口铁纯铁熔点共析点共晶点渗碳体的熔点纯铁的同素异晶转变点液相线固相线A开始析出F的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线C在A中的溶解度曲线，又称Acm线共晶线共析线,铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P，又称A1线C在α-Fe中最大溶解度

C在γ-Fe中最大溶解度

173.铁碳相图的应用(1)选用材料由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。(2)判断切削加工性能

低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。(3)制定热加工工艺在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。(4)应用于热处理生产由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理，并且可以据此选择加热温度。铁碳相图18（1）概念

将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。（2）目的

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）细化晶粒，消除组织缺陷；

3）消除内应力。1.钢的退火§1.4.3钢的退火与正火19（3）分类根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。完全退火①定义：将钢加热至Ac3以上30~50ºC,待完全奥氏体后，保温一定时间随后缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。②目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。③适用范围：亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材及焊接件等。20

球化退火

①定义：将钢加热到Ac1以上20~30

ºC,保温后随炉缓冷至500ºC，出炉空冷。

②目的：使渗碳体球化，降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。

③适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。21（3）去应力退火

①定义：将钢加热到500--650

ºC,保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷。又称低温退火。

②目的：消除铸件、锻件、焊接件和机加工件的内应力。（没有发生组织变化）

③适用范围：用于所有的钢。播放钢件的完全退火和球化退火处理22名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC3＋20～50℃，炉冷至550℃左右空冷

F＋P亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC1＋20～40℃，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到Tm-100～200℃，先缓冷，后空冷粗大组织（组织严重过烧）合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷变形晶粒变成细小的等轴晶冷变形加工的制品去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500～650℃缓冷至200℃空冷

无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件常用退火工艺制度表232.钢的正火（1）概念

将钢件加热到Ac3或Accm线以上30~50ºC

，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。（2）目的

1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；

2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理；

3）对高碳钢，可为球化退火作准备。24退火与正火的加热温度范围A3A1Acm25（1）概念

将钢件加热到Ac3或Ac1以上30~50ºC，保温一定时间后，快速冷却的热处理工艺。获得马氏体＋细粒状渗碳体（2）目的提高钢的强度、硬度和耐磨性并保持足够的韧性。1.钢的淬火§1.4.4钢的淬火与回火26（3）淬火剂水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质，它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性能稳定、冷却能力强。水适用于截面尺寸较大、淬透性低且形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。油一般采用矿物油，如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的牌号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。油只用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件，多用于合金钢。淬火油对周围环境的污染大，淬火时容易引起火灾。27在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。其缺点是介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10％，苛性钠水溶液的浓度为10％～15％。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。盐水和碱水28常用的淬火冷却介质的冷却能力29

为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用适当的淬火介质和冷却方法。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火等，如图所示。（4）.淬火方法缓冷快冷缓冷30淬火方法：（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。特点：操作简单，容易实现自动化。应用：形状简单的工件（2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。特点：可防止变形与开裂。应用：中等形状复杂的工件（3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。特点：有效减小内应力，防止变形与开裂；但只适于小尺寸工件。应用：形状复杂，小型的碳钢和合金钢工件31中碳钢322.钢的回火（1）回火的概念将淬火后钢件再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间后，然后冷却到室温的热处理工艺。（2）回火的目的

降低淬火钢的脆性，提高韧性，调整硬度，消除内应力，稳定工件的尺寸，获得所需要的力学性能。33（3）回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种：低温回火：150ºC~250ºC中温回火：350ºC~500ºC高温回火：500ºC~650ºC34①

低温回火回火温度：（150~250）ºC回火组织：回火马氏体,硬度为58--64HRC。目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力,减小钢的脆性。主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。稳定化处理：为了提高精密零件与量具的尺寸稳定性，可在（100~150）ºC进行长时间（几十小时）的低温回火。

35②

中温回火回火温度：（350~500）ºC回火组织：回火托氏体,硬度为35~45HRC.

目的：获得高的弹性极限、屈服强度和较好的韧性。又称弹性处理。

主要用于：弹性零件及热锻模具等。36

③高温回火

回火温度：（500~650）ºC回火组织：回火索氏体,硬度为25~35HRC.

目的：消除内应力，获得良好的综合力学性能。又称调质处理。主要用于：中碳钢和中碳合金钢做的各种重要结构零件，如齿轮、轴、连杆及螺栓等。播放1.回火的种类及其应用

2.钢锻件的调质处理高强度螺栓37引言:

为了兼顾零件表面和心部两种不同性能要求,生产中广泛采用表面热处理的方法,即表面淬火和化学热处理.一、表面淬火（1）概念：指仅对工件的表面层进行淬火的局部热处理工艺。

§1.4.5钢的表面热处理38

（2）种类

①

火焰加热表面淬火

用氧—乙炔火焰喷射到工件表面，使其被快速加热到淬火温度，并立即喷水冷却的操作方法。适用于含C0.35%~0.7%的中碳钢和中碳合金钢，如45，40Cr。39表面淬火前应先进行正火或调质处理，以保证零件心部有良好的综合力学性能。表面淬火后，应进行低温回火，以降低淬火应力和脆性，保持高的硬度和耐磨性。优点：设备简单，使用方便，灵活性大。缺点：加热温度不易控制，容易过热，硬度不均应用：单件小批量生产或大型工件40各种钢/铸铁的火焰加热表面淬火温度41表钢加热后的火色与温度对照表（℃）钢温颜色钢温颜色530-580暗褐色830-900淡红色580-650赤褐色900-1050桔黄色650-730暗红色1050-1150深黄色730-770暗樱红色1150-1250淡黄色770-800樱红色1250-1300黄白色800-830亮樱红色42钢/铸铁经火焰表面淬火后的硬度45钢－104543

②感应加热表面淬火

用一定频率的感应电流使工件表面快速加热到淬火温度，随即快速冷却的热处理工艺。

感应加热的原理：电磁感应、集肤效应、电流的热效应适用于含C0.4%~0.5%的中碳钢和中碳合金钢，如45，40Cr。

优点：加热速度快，淬火质量好，硬度比普通淬火高2~3HRC，淬硬层深度易于控制。

缺点：设备较昂贵

应用：机床齿轮的齿面、主轴轴颈等的大批量生产。44感应加热表面淬火的分类播放感应淬火的基本原理、分类及应用45二、钢的化学热处理引言

概念：将钢置于一定温度的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗

化学热处理的基本过程：

1.工件放在介质中加热2.高温下介质分解出渗入元素的活性原子

3.工件表面吸收活性原子，即其进入铁的晶格形成固溶体或特殊化合物

4.被工件吸收的原子由表面向内部扩散，形成一定厚度的扩散层461.钢的渗碳概念：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性。

渗碳方法：渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。常用的渗碳剂：煤油、甲醇、丙酮等。目前广泛应用的是气体渗碳法。气体渗碳示意图47渗碳用钢：含碳量为0.1%—0.25%的低碳钢和低碳合金钢。注意：为提高工件表层的硬度和耐磨性，渗碳后必须淬火＋低温回火处理。

应用：用于一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等。482.钢的渗氮概念：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。目的：是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。

渗氮方法：气体渗氮、离子渗氮等。生产中应用较多的是气体渗氮（介质为氨气）。渗氮用钢：优质碳素结构钢，如20，45等；合金结构钢，如40Cr等；渗氮专用钢，如38CrMoAlA。渗氮特点：不需再进行淬火处理即有更高的硬度和耐磨性；氮化温度低，变形小，且红硬性好。但生产周期长，成本高。应用：耐磨性和精度均要求很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮；在循环载荷下要求高疲劳强度的零件，如高速柴油机曲轴；以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件，如阀门、发动机气缸以及热作模具等。49

渗碳与渗氮的工艺对比名称温度(℃)处理时间(h)处理后是否需要热处理渗碳900～9503～9需要渗氮500～60020～50不需要503.其它化学热处理方法碳氮共渗：碳氮同时渗入工件表层。具有高的表面硬度、抗疲劳性和耐磨性，兼具渗碳和渗氮的优点。

渗铬：有较好的耐蚀性和优良的抗氧化性、高的硬度和耐磨性，可代替不锈钢和耐热钢用于机械和工具制造。渗硼：十分优秀的耐磨性、耐腐蚀磨损和泥浆磨损的能力，耐磨性明显优于渗氮、碳和碳氮共渗层，但不耐大气和水的腐蚀。主要用于泥浆泵零部件、热作模具和工装夹具。511.热处理技术条件热处理后应达到的组织、性能、精度和加工工艺性能等要求，统称为热处理技术条件

2.热处理工序位置安排预备热处理包括退火、正火、调质等，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，并为以后的热处理做组织准备。

最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。零件经过这类热处理之后，获得所需的使用性能，因其硬度较高，除磨削外，不宜进行其他形式的切削加工，故其工序位置一般均安排在半精加工之后。对于一些性能要求不高的零件，调质也常用作最终热处理。如何选择?§1.4.6热处理条件及工序位置52533．热处理技术条件的标注54551.准备工作（1）根据工件的热处理要求及其材料，确定加热温度、保温时间、冷却方式。（2）检查热处理炉、辅助设备（如水槽、油槽等）、仪表等是否正常，炉膛各处的温度差是否在规定的范围之内。§1.4.7对工件进行热处理操作562.操作步骤（1）将工件放入炉内，关闭炉门。（2）合上总电源，打开控制器电源开关，在控温表设置所需温度，按下开关进行加热。（3）加热至所需温度后进行保温。（4）保温结束后，关闭电源，打开炉门，首先用夹钳取出需淬火的工件，迅速在水槽或油槽中冷却，然后用夹钳取出需正火的工件空冷。需退火的工件留在炉中，随炉缓冷至600℃左右，再出炉空冷。（5）如需回火，重新合上电源，将炉调至所需温度，将淬火后的工件再放回炉内加热和保温。（6）回火保温结束后，关闭控制器电源，关闭总电源，用夹钳取出工件空冷。3.操作注意事项(P38)571.5确定零件的材料及热处理工艺58

材料选择基本原则：§1.5.1机械零件材料选择的原则

零件材料选用原则

1.使用性能

2.工艺性能

3.经济性591.使用性能通常以满足使用性能要求作为零件选材的主要依据。使用性能包括力学性能、物理性能和化学性能等。零件一般是在受力条件下工作，因此以力学性能作为选材的主要指标。只有在特殊条件下工作时，才将物理、化学性能作为选材的主要指标。60（1）根据零件受载情况选择材料脆性材料原则上只适用于在静载荷作用下的零件；零件受动载荷作用时，应选用塑性材料；若零件的接触应力较高，应选用可进行表面强化处理的材料；若零件尺寸取决于强度，而尺寸和重量又受到限制时，应选用强度较高的材料；若零件尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。行星齿轮减速器61（2）根据零件工作情况选择材料在湿热或有腐蚀性物质环境下工作的零件，其材料应具有良好的防锈能力和耐腐蚀能力；在高温下工作的零件，应选用耐热材料；在滑动摩擦下工作的零件，应选用减摩性能好的材料；靠摩擦传递运动和动力的零件应选用摩擦系数大的材料。622.工艺性能材料的工艺性能，即加工成零件的难易程度，是选材时必须考虑的重要问题。与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位；但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。

63（1）毛坯制造工艺性要求对于结构复杂、尺寸较大的零件，常采用铸造或焊接的方法制造毛坯，所选材料应具有良好的铸造性能或焊接性能。结构简单的零件可选用锻造工艺性好的低碳钢和中碳钢等材料。64（2）热处理工艺性要求热处理工艺性能是指金属材料经过热处理后其组织和性能改变的能力，包括淬硬性、淬透性、回火脆性等指标。大部分机械零件需进行热处理，因此选择材料时必须考虑其热处理工艺性能。65（3）切削加工工艺性要求材料的切削加工工艺性是指材料的易切削性、冷作硬化程度及切削后能达到的表面粗糙度等。对不同的工艺性能而言，同一材料可能有不同的表现，例：

灰铸铁的铸造性能和切削加工性能很好，但焊接性能却很差在选择材料时应从整个制造过程综合考虑其工艺性能。66材料的相对价格材料相对价格材料相对价格碳素结构钢低合金结构钢优质碳素结构钢易切削钢合金结构钢铬镍合金结构钢滚动轴承钢弹簧钢普通黄铜11.2~1.71.3~1.51.71.7~1.9531.6~1.913~17碳素工具钢低合金工具钢高合金工具钢高速钢硬质合金铬不锈钢铬镍不锈钢灰铸铁件

球墨铸铁件1.5~1.82.4~3.75.4~7.216~20150~2008201.42.4~2.93.经济性

零件的选材应力求使零件生产的总成本最低选材的经济性不单是指选用的材料本身价格应便宜，更重要的是采用所选材料来制造零件时，可使产品的总成本降至最低。注：由于市场价格存在浮动，此表仅供参考。671.轴类零件作用支承回转件并传递运动和动力；影响精度和寿命。失效形式疲劳、过载断裂、过量变形和轴颈过度磨损。§1.5.2典型零件的材料与热处理工艺

性能要求选材有足够的抗拉强度和刚度，适当的冲击韧性和高的疲劳强度，对轴颈处受摩擦部位要高硬度和耐磨性。工艺上切削加工性和淬透性要好。材料选择经锻造或轧制的中碳钢或中碳合金钢。68表1-20轴类零件的材料选用与热处理工艺工作条件选用材料热处理工艺性能应用举例低速，轻、中载荷，稍有冲击45淬火加中温回火40~45HRC小