《金属加工实训》-第三章

3.1常用工程材料

3.1.1常用工程材料的分类

翻开人类进化史，我们不难发现，材料的开发、使用和完善贯穿其始终。从天然材料的使用到陶器和青铜器的制造，从钢铁冶炼到材料合成，人类成功地生产出满足自身需求的材料，进而使自身走出深山、洞穴，奔向茫茫平原和辽阔海洋，飞向广裹的太空。人类社会的发展历史证明，材料是人类生产与生活的物质基础，是社会进步与发展的前提。当今社会，材料、信息和能源技术已构成了人类现代社会大厦的二大支柱，而且能源和信息的发展都离不开材料，所以世界各国都把研究、开发新材料放在突出的地位。材料是人类社会可接受、能经济地制造有用器件(或物品)的固体物质。工程材料是在各工程领域中使用的材料。工程上使用的材料种类繁多，有许多不同的分类方法。下一页返回3.1常用工程材料

按化学成分、结合键的特点，可将工程材料分为金属材料、非金属材料和复合材料三大类，见表3-1

金属材料可分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料主要是铁基金属合金，包括碳素钢、合金钢、铸铁等;有色金属材料包括轻金属及其合金、重金属及其合金等。而非金属材料可分为无机非金属材料和有机高分子材料。无机非金属材料包括水泥、陶瓷、玻璃等，有机高分子材料包括塑料、橡胶及合成纤维等。上述两种或两种以上材料经人工合成后，获得优于组成材料特性的材料称为复合材料。工程材料按照用途可分为两大类，即结构材料和功能材料。结构材料通常指工程上对硬度、强度、塑性及耐磨性等力学性能有一定要求的材料，主要包括金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材料等。上一页下一页返回3.1常用工程材料

功能材料是指具有光、电、磁、热、声等功能和效应的材料，包括半导体材料、磁性材料、光学材料、电介质材料、超导体材料、非晶和微晶材料、形状记忆合金等。工程材料按照应用领域还可分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料和航空材料等多种类别。.上一页下一页返回3.1常用工程材料

3.1.2金属材料的性能

工程材料具有许多良好的性能，因此被广泛地应用于制造各种构件、机械零件、工具和日常生活用具等。为了正确地使用工程材料，应充分了解和掌握材料的性能。通常所说工程材料的性能有两个方面的意义:一是材料的使用性能，指材料在使用条件下表现出的性能，如强度、塑性、韧性等力学性能，耐蚀性、耐热性等化学性能以及声、光、电、磁等物理性能;二是材料的工艺陛能，指材料在加工过程中表现出的性能，如冷热加工、压力加工性能，焊接性能、铸造性能、切削性能等等。工程材料是材料科学的应用部分，主要讨论结构材料的力学性能，阐述结构材料的组织、成分和性能的相互影响规律，解答工程应用问题。上一页下一页返回3.1常用工程材料

工程材料的力学性能也称为机械性能，是指材料抵抗各种外加载荷的能力，包括刚度、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等。常见的各种外载荷形式如图3-1所示。1.金属材料的拉伸性能在材料拉伸试验机上对一截面为圆形的低碳钢拉伸试样(图3-2)进行拉伸试验，可得到应力与应变的关系图，即拉伸图。图中的纵坐标为应力。(单位为MPa)，计算公式为横坐标为应变ξ，计算公式为上一页下一页返回3.1常用工程材料

式中，P为所加载荷;A0为试样原始截面积;L0为试样的原始标距长度;L1为试样变形后的标距长度;△l为伸长量。材料在外力作用下抵抗变形与断裂的能力称为强度。根据外力作用方式的不同，强度有多种指标，如抗拉强度、屈服强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪切强度和抗扭强度等。其中抗拉强度和屈服强度指标应用最为广泛。1)静载时的强度结合图3-2(a)说明，拉伸变形有如下几个阶段:oe:弹性变形阶段。试样的变形量与外加载荷成正比，载荷卸掉后，试样恢复到原来的尺寸.es:屈服阶段。此阶段不仅有弹性变形，还发生了塑性变形。即载荷卸掉后，一部分形变恢复，还有一部分形变上一页下一页返回3.1常用工程材料

不能恢复，形变不能恢复的变形称为塑性变形。sb:强化阶段。为使试样继续变形，载荷必须不断增加，随着塑性变形增大，材料变形抗力也逐渐增加。hz:缩颈阶段。当载荷达到最大值时，试样的直径发生局部收缩，称为“缩颈”。此时变形所需的载荷逐渐降低。z点:试样断裂。试样在此点发生断裂。

(1)弹性与刚度。在应力一应变曲线上,oe段为弹性变形阶段，即卸载后试样恢复原状，这种变形称为弹性变形。e点的应力。称为弹性极限。弹性极限值表示材料保持弹性变形，不产生永久变形的最大应力，是弹性零件的设计依据。

(2)屈服强度бs。如图3-2所示，当应力超过бe点时，卸载后试样的伸长只能部分恢复。这种不随外力去除而消失的变形称为塑性变形。当应力增加到бs点时，图上出现了平台。这种外力不增加而试样上一页下一页返回3.1常用工程材料

继续发生变形的现象称为屈服。材料开始产生屈服时的最低应力称为бs

屈服强度。工程上使用的材料多数没有明显的屈服现象。这类材料的屈服强度在国标中规定以试样的塑性变形量为试样标距的0.2%时的材料所承受的应力值来表示，并以符号б0.2表示。它是F0.2与试样原始横截面积A0之比。零(构)件在工程中一般不允许发生塑性变形，所以屈服强度бs是设计时的主要参数，是材料的重要机械性能指标。

(3)抗拉强度бb。材料发生屈服后，其应力与应变的关系曲线如图3-2的бb段，到b点，应力达最大值。，b点以后，试样的截面产生局部“缩颈”，迅速伸长，这时试样的伸长主要集中在缩颈部位，直至拉断。将材料受拉时所能承受的最大应力值二称为抗拉强度。бb是上一页下一页返回3.1常用工程材料

机械零(构)件评定和选材时的重要强度指标。与бb的比值叫做屈强比，屈强比越小，工程构件的可靠性越高，即一旦超载也不致于马上断裂;若屈强比过小，则材料强度有效利用率也就过低。

2)动载时的强度动载时最常用的是疲劳强度，它是指在大小和方向重复循环变化的载荷作用下材料抵抗断裂的能力。许多机械零件，如曲轴、齿轮、轴承、叶片和弹簧等，在工作中各点承受的应力随时间作周期性的变化，这种随时间作周期性变化的应力称为交变应力。在周期交变应力作用下，零件所承受的应力虽然低于其屈服强度，但经过较长时间的工作会产生裂纹或突然断裂，这种现象称为材料的疲劳。据统计，大约有80%以上的机械零件失效是由疲劳失效造成的。上一页下一页返回3.1常用工程材料

测定材料疲劳寿命的试验有许多种，最常用的一种是旋转梁试验，试样在旋转时交替承受大小相等的交变拉压应力。试验所得数据可绘成，δN疲劳曲线(如图3-3所示)，为产生失效的应力，N为应力循环次数。

图3-4所示为中碳钢和高强度铝合金的典型δ-N曲线(疲劳曲线)。对于中碳钢，随着承受的交变应力越大，则断裂时应循环的次数越少;反之，则循环次数越多。随着应力循环次数的增加，疲劳强度逐渐降低，以后曲线逐渐变平，即循环次数再增加时，疲劳强度也不降低。2.塑性材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的性能称为塑性。常用的塑性指标有延伸率(б)和断面收缩率(ψ)。在拉伸试验中，试样上一页下一页返回3.1常用工程材料

拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为延伸率，用符号占表示,即式中，L0为试样的原始标距长度(mm);L1为试样拉断后的标距长度(mm).

金属材料的б和ф值越大，表不材料的塑性越好。塑性好的金属可以发生塑性变形而不被破坏，便于通过各种压力加工获得形状复杂的零件，如铜、铝、铁等。工业纯铁的б可达50%,ф可达80%，可以拉成细丝、压成薄板，进行深冲成型。铸铁塑性很差，占和沪几乎为零，不能进行塑性变形加工。塑性好的材料在受力过大时，由于首先产生塑性变形而不致发生突然断裂，因此比较安全。上一页下一页返回3.1常用工程材料

金属重要的特性之一就是具有优良的塑性。塑性为金属零件的成型提供了经济而有效的途径，各种金属的板材、棒材、线材和型材都是通过轧制、锻造、挤压、冷拔、冲压等压力加工方法制造而成的，这些加工方法的特点是金属材料在外力的作用下按一定的形状和尺寸发生永久性的塑性变形。塑性金属经塑性变形后，不仅改变了外观和尺寸，内部组织和结构也发生了变化，而且通过塑性变形所伴随的硬化过程还使材料强度获得提高。因此，塑性变形也是改善金属材料性能的一个重要手段。此外，金属的常规力学性能，如强度、塑性等，也是根据其变形行为来评定的。但是，在工程上也常常要求消除塑件变形给金属造成的不良影响，也就是说，必须在加工过程中及加工后对金属进行加热，使其发生再结晶，恢复塑性变形以前的性能。上一页下一页返回3.1常用工程材料

3.硬度硬度是指材料抵抗另一硬物压人其内而产生局部塑性变形的能力。通常，材料越硬，其耐磨性越好。同时通过硬度值可估计材料的近似6h值。硬度试验方法比较简单、迅速，可直接在原材料或零件表面上测试，因此被广泛应用。常用的硬度测量方法有压人法，主要性能指标有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR),维氏硬度(HV)等。陶瓷等材料还常用克努普氏显微硬度(HK)和莫氏硬度(划痕比较法)作为硬度指标。

1)布氏硬度布氏硬度试验法的测试原理:在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压人到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图3-5所示。上一页下一页返回3.1常用工程材料

1)布氏硬度布氏硬度试验法的测试原理:在一定的载荷F作用下，将一定直径D的淬火钢球或硬质合金球压人到被测材料的表面，保持一定的时间t后将载荷卸掉，测量被测材料表面留下压痕的直径d，根据d计算出压痕的面积S，最后求出压痕单位面积上承受的平均压力，以此作为被测金属材料的布氏硬度值，如图3-5所示。2)洛氏硬度图3-6为洛氏硬度测量原理图。将金刚石压头(或钢球压头)在先后施加两个载荷(预载荷P0和总载荷P)的作用下压人金属表面。总载荷P为预载荷P0。和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后，测量其残余载荷压人深度h1来计算洛氏硬度值。残余载荷压人深度h1越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。上一页下一页返回3.1常用工程材料

3)维氏硬度布氏硬度不适用于检测较高硬度的材料;洛氏硬度虽可检测不同硬度的材料，但不同标尺的硬度值不能相互直接比较;而维氏硬度可用同一标尺来测定从极软到极硬的材料。维氏硬度试验原理与布氏法相似，也是以压坑单位表面积所承受压力的大小来计算硬度值的。它是用对面夹角为1360的金刚石四棱锥体，在一定压力作用下，在试样试验面上压出一个正方形压痕，如图3-7所示。通过设在维氏硬度计上的显微镜来测量压坑两条对角线的长度，根据对角线的平均长度，从相应表中查出维氏硬度值。维氏硬度试验所用压力可根据试样的大小、厚薄等条件来选择。压力按标准规定有49N,98N,196N,294N、490N、980N等。压力保持时间:黑色金属为10s~15s，有色金属为(30士2)s.上一页下一页返回3.1常用工程材料

4.韧性1)冲击韧性许多机械零件在工件中往往受到冲击载荷的作用，如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。制造这类零件所用的材料不能单用在静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。材料抵抗冲击载荷而不被破坏的能力称为冲击韧性。为了评定材料的冲击韧性，需进行冲击试验。摆锤式一次冲击试验。冲击试样的类型较多，常用的为U型或V型缺口(脆性材料不开缺口)的标准试样。一次冲击试验通常是在摆锤式冲击试验机上进行的。试验时将带缺口的试样安放在试验机的机架上，使试样的缺口位于两支架中间，并背向摆锤的冲击方向，如图3-8所示。上一页下一页返回3.1常用工程材料

2)低温脆性有些金属材料，如工程上用的中低强度钢，当温度降低到某一程度时，会出现冲击吸收功明显下降的现象，这种现象称为冷脆现象。历史上曾经发生过多次由于低温冷脆造成的船舶、桥梁等大型结构脆断的事故。例如，1965年，英国北海油田海上钻井平台由于温度突然下降而断裂，造成巨大损失。

3)断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，这种断裂的名义断裂应力低于材料的屈服强度。尽管在设计时保证了足够的延伸率、韧性和屈服强度，但仍不免被破坏，这是由于构件或零件内部存在着或大或小、或多或少的裂纹和类似裂纹的缺陷造成的。上一页下一页返回3.1常用工程材料

5.金属的物理性能密度:单位体积的质量，p=m/V。熔点:金属或合金从固态向液态转变的温度。导热性:金属材料传导热量的性能。通常用热导率来衡量。导电性:金属材料传导电流的性能。通常用电阻率来衡量。热膨胀性:金属材料随温度的变化而膨胀或收缩的性能。通常用线膨胀系数或体膨胀系数来表示。磁性:金属材料在磁场中受到磁化的性能。根据磁化程度不同，金属材料可分为铁磁性材料、顺磁性材料和抗磁性材料三类。6.金属的化学性能1)耐腐蚀性上一页下一页返回3.1常用工程材料

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀破坏作用的能力称为耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差;钦及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好(在食品、制药、化工工业中不锈钢是重要的应用材料);铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。

2)抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称为抗氧化性。加人Cr,Si等合金元素，可提高钢的抗氧化性。如合金钢4Cr9Si2(含有质量分数为9%的Cr和质量分数为2%的Si)可在高温下使用，用于制造内燃机排气阀及加热炉炉底板、料盘等。

3)化学稳定性金属材料耐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为“热稳定性”。上一页下一页返回3.1常用工程材料

7.金属的工艺性能材料工艺性能的好坏会直接影响制造零件的工艺方法、质量及成本。主要的工艺性能有以下几个方面。1)铸造性能材料铸造成型获得优良铸件的能力称为铸造性能。衡量铸造性能的指标有流动性、收缩性和偏析等。

(1)流动性。熔融材料的流动能力称为流动性。它主要受化学成分和浇注温度等因素影响。流动性好的材料容易充满铸腔，从而获得外形完整、尺寸精确和轮廓清晰的铸件。

(2)收缩性。铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、上一页下一页返回3.1常用工程材料

内应力、变形和开裂等缺陷。因此用于铸造的材料其收缩性越小越好。

(3)偏析。铸件凝固后，内部化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。偏析严重的铸件各部分的力学性能会有很大的差异，能降低产品的质量。一般来说，铸铁比钢的铸造性能好，金属材料比工程塑料的铸造性能好。

2)锻造性能锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能。它取决于材料的塑性和变形抗力。塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。例如纯铜在室温下就有良好的锻造性能，碳钢在加热状态锻造性能良好，铸铁则不能锻造。热塑性塑料可经挤压和压塑成型，这与金属挤压和模压成型相似。上一页下一页返回3.1常用工程材料

3)焊接性能两块材料在局部加热至熔融状态下能牢固地焊接在一起的能力叫做该材料的焊接性。碳钢的焊接性主要由化学成分决定，其中碳含量的影响最大。例如，低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。某些工程塑料也有良好的可焊性，但与金属的焊接机制及工艺方法不同。

4)热处理性能所谓热处理，就是通过加热、保温、冷却的方法使材料在固态下的组织结构发生改变，从而获得所要求的性能的一种加工工艺。在生产上，热处理既可用于提高材料的力学性能及某些特殊性能以进一步充分发挥材料的潜力，也可用于改善材料的加工工艺性能，如改善切削上一页下一页返回3.1常用工程材料

加工、拉拔挤压加工和焊接性能等。常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火及表面热处理(表面淬火及化学热处理)等。

5)切削加工性能材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。切削加工性能主要用切削速度、加工表面光洁度和刀具的使用寿命来衡量。影响切削加工性能的因素有工件的化学成分、组织、硬度、导热性和形变强化程度等。一般认为金属材料具有适当硬度(170HBS-v230HBS)和足够脆性时，其切削性能良好。所以灰铸铁比钢切削性能好，碳钢比高合金钢切削性好。改变钢的成分(如加人少量铅、磷等元素)和进行适当的热处理(如低碳钢进行退火，高碳钢进行球化退火)可改善钢的切削加工性能。上一页下一页返回3.1常用工程材料

3.1.3钢铁材料的鉴别

黑色金属材料中使用最多的是钢铁，钢铁是世界上的头号金属材料，年产量高达数亿吨。钢铁材料广泛用于工农业生产及国民经济各部门。例如，各种机器设备上大量使用的轴、齿轮、弹簧，建筑上使用的钢筋、钢板，以及交通运输中的车辆、铁轨、船舶等都要使用钢铁材料。通常所说的钢铁是钢与铁的总称。实际上钢铁材料是以铁为基体的铁碳合金，当碳的质量分数大于2.11%时称为铁，当碳的质量分数小于2.11%时称为钢。为了改善钢的性能，人们常在钢中加人硅、锰、铬、镍、钨、钥及钒等合金元素，它们各有各的作用，有的提高强度，有的提高耐磨性，有的提高抗腐蚀性能等。在冶炼时有目的的向钢中加人合金元素就形成了合金钢。合金钢中合金元素含量虽然不多，但具有特殊的上一页下一页返回3.1常用工程材料

作用，就像炒菜时放人少量的味精一样，含量不多但味道鲜美。合金钢种类很多，按照性能与用途不同，合金钢可分为合金结构钢、合金工具钢、不锈钢、耐热钢、超高强度钢等。人们可以按照生产实际提出的使用要求，加人不同的合金元素而设计出不同的钢种。例如，切削工具要求硬度及耐磨性较高，在切削速度较快、温度升高时其硬度不降低。按照这样的使用要求，人们就设计了一种称为高速工具钢的刀具材料，其中含有钨、钥、铬等合金元素。普通钢容易生锈，化工设备及船舶壳体等的损坏都与腐蚀有关。据不完全统计，全世界因腐蚀而损坏的金属构件约占其产量的10%。人们经过大量试验发现，在钢中加人13%的铬元素后，钢的抗蚀性能显著提高。如在钢中同时加人铬和镍，还可以形成具有新的显微组织的不锈钢，于是人们设计出了一种能够抵抗腐蚀的不锈钢。上一页下一页返回3.1常用工程材料

1.碳素钢碳素钢是指碳的质量分数小于2.11%并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素所组成的铁碳合金，简称碳钢。其中锰、硅是有益元素，对钢有一定强化作用;硫、磷是有害元素，分别增加钢的热脆性和冷脆性，应严格控制。碳钢的价格低廉、工艺性能良好，在机械制造中应用广泛。常用碳钢的牌号及用途见表3-2。2.合金钢为了改善和提高钢的性能，在碳钢的基础上加人其他合金元素的钢称为合金钢。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钨、钥、钒、稀土元素等。合金钢还具有耐低温、耐腐蚀、高磁性、高耐磨性等良好的特殊性能，它在工具或力学性能、工艺性能要求高的、形状复杂的大上一页下一页返回3.1常用工程材料

截面零件或有特殊性能要求的零件方面，得到了广泛应用。常用合金钢的牌号、性能及用途见表3-3

。3.铸铁碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。由于铸铁含有的碳和杂质较多，其力学性能比钢差，不能锻造。但铸铁具有优良的铸造性、减振性及耐磨性等特点，加之价格低廉、生产设备和工艺简单，是机械制造中应用最多的金属材料。据资料表明，铸铁件占机器总质量的45%~90%。常用铸铁的牌号、用途见表3-4。4.有色金属及其合金有色金属的种类繁多，虽然其产量和使用不及黑色金属，但是由于它具有某些特殊性能，故已成为现代工业中不可缺少的材料。常用有色金属及其合金的牌号、应用及说明见表3-5

。上一页返回下一页3.2钢的热处理设备与方法

3.2.1热处理车间常用设备1热处理设备的分类热处理设备是指用于实施热处理工艺的装备。在热处理车间内还有维持热处理生产所需的燃料、电力、水、气等动力供应设备，起重运输设备，生产安全设备环保设备。热处理设备可分为主要设备和辅助设备两大类。通常把完成热处理工艺操作的设备称为主要设备。把与主要设备配套的和维持生产所需的设备称为辅助设备。主要设备包括热处理炉、热处理加热装置、冷却设备、测量和控制仪表等。辅助设备包括检测设备、校正设备和消防安全设备等。热处理车间内设备的分类如表3-6所示。下一页返回上一页3.2钢的热处理设备与方法

1)热处理主要设备

(1)热处理炉。热处理炉是指具有炉膛的热处理加热设备。因在加热过程中炉膛首先被加热，再参与对工件的热交换，所以热处理炉的加热性质属于间接加热。

(2)加热装置。加热装置是指热源直接对工件加热的装置。因此，其加热性质属直接加热。其加热方法可以是火焰直接喷烧工件，电流直接输人工件将其加热，在工件内产生感应电流加热工件及等离子体、激光、电子束冲击工件而加热等。(3)表面改性装置。这类装置主要有气相沉积和离子注人等。气相沉积装置是指通过在气相中的物理、化学过程，在工件表面上沉积金属或化合物涂层的装置。离子注人是把氮、金属等的离子注人材料表面。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

这类工艺方法不同于传统的通过加热和冷却发生相变而强化金属的热处理方法，是现代新兴的一种改善金属表面性能的方法。

(4)表面氧化装置。表面氧化装置是指通过化学反应在工件表面生成一层致密的氧化膜的装置。它由一系列槽子组成，通常称这些槽子为发蓝槽或发黑槽。(5)表面机械强化装置。表面机械强化装置是指利用金属丸抛击或压力辊压或施加预应力，使工件形成表面压应力或预应力状态的装置，有抛丸机和辊压机等。

(6)淬火冷却设备。淬火冷却设备是指用于热处理淬火冷却的装置，有各种冷却介质的淬火槽、喷射式淬火装置和压力淬火机等。(7)冷处理设备。冷处理设备是指用于将热处理件冷却到0℃以下的设备。常用的装置有冷冻机、干冰冷却装置和液氮冷却装置。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(8)工艺参数检测、控制仪表。通常指对温度、流量、压力等参数的检测、指不和控制仪表。随着计算机控制技术的应用，使对热处理工艺参数控制的概念发生了根本性的变化，除常规的工艺参数控制外，还有工艺过程静态和动态控制，生产过程机电一体化控制，计算机模拟仿真等。计算机的控制成为工艺过程和设备运行的指挥中心。

2)热处理辅助设备(1)清洗和清理设备。清洗和清理设备是指对热处理前、后工件清洗或清理的设备。常用的清洗设备有碱水溶液、磷酸水熔液、有机溶剂(氮乙烯、二氯乙烷等)的清洗槽和清洗机以及配合真空、超声波的清洗装置。清理设备有化学法的酸洗设备，机械法的清理滚筒、喷炉砂机和抛丸机，燃烧法的脱脂炉等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(2)炉气氛、加热介质、溶剂制备设备。①热处理气氛生成设备，这类设备有:由可燃韧形成吸热式和放热式气氛;从空气中提取氮气，由液氨分解或燃烧制备H:和N:气氛，有机液分解气氛和制H2等设备。②加热介质制备设备，主要有盐浴炉用盐、流态化粒子及油的储存、筛选、混料等装置。③渗剂制备设备，主要有化学热处理用的固体、液体、气体渗剂，防工件加热氧化涂料，增强工件对辐射热吸收率的涂料等的储存、混料和再生设备。

(3)淬火介质循环冷却装置。淬火介质循环冷却装置是指为维持淬火介质温度而设置的淬火介质循环冷却的装置，主要包括储液槽、泵、冷却器和过滤器等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(4)起重运输设备。车间起重运输设备是指用于车间内工件运输、设备维修吊装的机械设备，有时也用于工件装出炉的吊装。此类机械设备主要有车间起重机、运输工件的车辆，传送工件的辊道和传送链等。(5)质量检测设备。质量检测设备是指对热处理件进行质量检测的设备。此类设备范围很广，有金相组织、力学性能、工件尺寸、缺陷探伤和残余应力等检测设备。

(6)动力输送管路及辅助设备。动力输送管路和辅助设备是指提供给热处理设备的电力、燃料、压缩空气、蒸汽、水等动力的管路系统和附属的装置。主要有管路系统、风机、泵、储气灌及储液灌等。

(7)防火除尘等生产安全设备。防火除尘等生产安全设备是指防治热处理生产造成的粉尘、废气、废液的装置，预防和处理火灾、上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

爆炸事故的装置。主要有抽风机、废气裂化炉、废酸反应槽及防火喷容器等。2.热处理炉

1)热处理炉的分类为满足各种热处理件、各类热处理工艺和不同生产批量的需要，热处理炉有很多类型和规格。依据热处理炉的特性因素，它有多种分类方法，如表3-7所示。

2)热处理炉的主要特性热处理炉的种类很多，但其基本组成和特性是由几个主要组成部分和特性参数限定的。(1)温度炉子温度决定了炉子的传热特性。由于辐射与温度成正比,上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

所以高温炉的结构应设计成辐射传热型，其主要特征是电热元件应能直接辐射加热工件。低温炉主要依靠对流传热，其炉子结构应有强烈的气流循环。

(2)热源。电加热的热处理炉，因电热元件容易在炉内安装和控制，所以有较高的温度均匀度和精度。煤气和油加热的热处理炉直接利用能源，比电热炉有较高能源利用率。煤气加热炉和油加热炉也能实现计算机控制，炉子的温度控制精度也可满足热处理工艺要求。燃煤加热的热处理炉，控温精度低、热效率低，CO2排放量大，所以其应用将受限制，仅应用于技术要求不严格的热处理生产，如可锻铸铁退火等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(3)炉膛结构与炉衬材料。炉膛是热处理炉的主体，是炉衬包围的空间。对它们的基本要求是，在炉膛内形成均匀的温度场，对被加热件有较高的传热效果，较少的积蓄热和散热量。炉衬材料和结构向轻质化、纤维化、预制结构、复合结构、不定型材料浇注以及喷涂增强辐射涂料的方向发展。

(4)燃烧装置和电热元件。燃烧装置和电热元件是炉子的主要部件，对燃烧装置的基本要求是，使燃料充分燃烧，达到所需的温度和所需的气氛状态，形成高辐射或强对流的火焰，满足热处理工艺要求，有较高的热效率和较轻的环境污染。燃烧装置的种类很多，较新型烧嘴有:平焰烧嘴、自身预热烧嘴、高速烧嘴及调焰烧嘴等;目前迅速发展的有:高热效率的蓄热式烧嘴、燃烧器、辐射管和计算机控制燃烧。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(5)炉气氛。实现热处理保护加热和气氛碳势可控制是我国热处理长期的战略任务。热处理炉气氛状态有如下几类:①空气气氛，空气气氛炉是一种结构最简单的炉型。工件在该炉内高于560℃以上，加热时会氧化脱碳。②火焰气氛，火焰气氛是燃料炉燃烧产物气氛。燃烧产物的组成主要是CO2.H2O和N2。还可能有过剩的O2或未完全燃烧的CO。火焰气氛的性质主要是氧化性，只有当CO量较多时才为弱氧化性或弱还原性。③可控气氛，可控气氛是人们特意加人炉内的气氛，主要是控制碳势、氮势或气氛还原性。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(6)作业方式。热处理设备按作业方式分间歇式作业炉和连续式作业炉两大类。间歇式炉一般为单一炉膛结构，工件成批装出料，在炉内固定位置上周期地完成一个工序的操作。简单型的间歇式炉有空气介质的箱式炉、井式炉等，其结构简单，但其生产的产品的稳定性、再现性、同一性都很差。近代，在间歇式简单炉型基础上，配备了传动机械、可控气氛、计算机控制等装置，使这类炉子的特性发生了质的变化。如密封式箱式炉，它可完成高质量的淬火、渗碳等功能，还可与清洗、回火等设备组成柔性生产线。真空间歇式炉还被发展成在一个炉膛工位上完成加热、冷却、回火等一个完整的热处理操作程序的生产模式。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

连续式炉的炉膛为贯通式，多为直线贯通，也有环形贯通。其操作程序是工件顺序地通过炉膛。热处理工艺规程是沿炉膛长度方向设置的，运行长度则为工艺时间。因此，每一个工件(或料盘)在炉内运行过程中都同样准确地执行同一个工艺程序，可获得同一性的品质。

(7)工件在炉内的传送机械，热处理炉的机械化状态是炉子先进程度的重要标志之一。各种形式的输送机械几乎都被应用于热处理炉。选择炉内工件传送机械应考虑:该机械是否与热处理件的形状、尺寸或料盘相适应;是采用连续式还是脉动式传送;工件与机械相对运动状态是相对静止还是相对运动的;工件支持点(或面)的接触状态;该机械与上下工序机械的衔接方式;该机械(包括料盘)是一直停留在炉内，还是反复进出炉，周期地被加热和冷却;传动机械的可靠性和使用寿命;上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

调整工艺的灵活性等。这些因素对提高产品质量和节能都有重大影响。

(8)控制方式。热处理炉的控制，包括控制范围、控制方法和控制装置。控制范围有:对温度、压力、流量及气氛等工艺参数控制，传动机械控制，工艺过程控制和预测产品质量控制。由于计算机控制技术的应用，控制方法和装置正进人一个新时代，从单纯参数控制，向用可编程控制器控制生产过程和计算机模拟仿真的方向发展。3)热处理炉的编号我国国标(GB10067.4-1988对热处理炉进行了分类和编号，如表3-8所示。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

4)典型热处理炉结构

(1)箱式电阻炉。是利用电流通过布置在炉膛内的电热元件发热，通过对流和辐射对零件进行加热，如图3-9所示。它是热处理车间应用很广泛的加热设备。适用于钢铁材料和非钢铁材料(有色金属)的退火、正火、淬火、回火及固体渗碳等的加热，具有操作简便，控温准确，可通人保护性气体防止零件加热时的氧化，劳动条件好等优点。

(2)井式电阻炉。如图3-10所示，井式电阻炉的工作原理与箱式电阻炉相同，其炉口向上，形如井状而得名。常用的有中温井式炉、低温井式炉和气体渗碳炉三种，井式电阻炉采用吊车起吊零件，能减轻劳动强度，故应用较广。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

中温井式炉主要应用于长形零件的淬火、退火和正火等热处理，其最高工作温度为950℃，井式炉与箱式炉相比，井式炉热量传递较好，炉顶可装风扇，使温度分布较均匀，细长零件垂直放置可克服零件水平放置时因自重引起的弯曲。

(3)盐浴炉。盐浴炉是利用熔盐作为加热介质的炉型。盐浴炉结构简单，制造方便，费用低，加热质量好，加热速度快，因而应用较广。但在盐浴炉加热时，存在着零件的扎绑、夹持等工序，使操作复杂，劳动强度大，工作条件差。同时存在着启动时升温时间长等缺点。因此，盐浴炉常用于中、小型且表面质量要求高的零件。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

3.2.2钢的热处理方法1.钢的热处理工艺热处理是一种重要的金属加工工艺，它是将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，改变其表面或内部的组织结构以获得所需要的组织结构与性能的一种工艺方法。热处理是机械零件及工模具制造过程中的重要工序之一，通过热处理可以使金属具有优良的力学性能，高的强度、硬度、塑性和弹性等，从而扩大了材料的使用范围，提高了材料的利用率，延长使用寿命。因此，在汽车、拖拉机及各类机床上有70%~80%的钢铁零件要进行热处理，工模具、量具和轴承等则全部需要进行热处理。在热处理时，由于零件的成分、形状、大小、工艺性能及使用性能不同，因此采用不同的加热速度、上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

加热温度、保温时间以及冷却速度。常用的热处理方法有普通热处理(退火、正火、淬火和回火)，如图3-11所示，表面热处理(表面淬火、化学热处理)和特殊热处理等。热处理分预备热处理和最终热处理两种。预备热处理的目的是为了消除前道工序所遗留的缺陷和为后继加工准备条件;最终热处理则在于满足零件的使用性能要求。各种热处理方法会根据加工目的不同，穿插在各冷热加工工艺中进行讲述。2.钢的退火和正火1)退火退火是将金属或合金加热到一定温度(对碳素钢而言为740℃~880℃),保温一定时间，然后随炉冷却或埋人导热性差的介质中缓慢冷却上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

的一种工艺方法。退火主要目的是降低材料硬度，改善其切削加工性，细化材料内部晶粒，均匀组织及消除毛坯在成形(锻造、铸造、焊接)过程中所造成的内应力，为后续的机械加工和热处理作好准备。常用的退火方法有消除中碳钢铸件缺陷的完全退火，改善高碳钢切削加工性能的球化退火和去除大型铸锻件应力的去应力退火等。

2)正火正火是将金属或合金加热到一定温度(对碳素钢而言为760℃~920℃),保温一定时间，然后出炉，在空气中冷却的一种工艺方法。由于正火的冷却速度稍快于退火，经正火后的零件，其强度和硬度较退火零件要高，而塑性，韧性略有下降。此外由于正火采用空冷，消除内应力不如退火工艺彻底。但有些塑性和韧性较好、硬度低的材料(如上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

低碳钢)，可以通过正火处理代替退火处理，提高零件硬度，改善其切削加工性能，这对于缩短生产周期，提高劳动生产率及加热炉使用率均有较好的实用意义。对某些使用要求不太高的零件，可通过正火，提高强度、硬度，并把正火作为零件的最终热处理。3.钢的淬火和回火1)淬火淬火是将钢件加热到临界温度以上(对碳素钢而言为770℃~870℃)，保温一定时间，然后快速冷却，以得到高硬度组织的一种工艺方法。淬火的主要目的是提高零件的强度和硬度，增加耐磨性。淬火是钢件强化的最经济有效的热处理工艺，几乎所有的工模具和重要零部件都需要进行淬火处理。淬火后必须继之以回火，才能获得优良综合力学性能的零件。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

影响淬火质量的主要因素是淬火加热温度，冷却剂的冷却能力及零件投人冷却剂中的方式等。一般情况下，常用非合金钢的加热温度取决于钢的碳含量。淬火保温时间主要根据零件有效厚度来确定。过长的保温时间，会增加钢的氧化脱碳，过短将导致组织转变不完全。零件进行淬火冷却所使用的介质叫做淬火介质。水最便宜而且冷却能力较强，适合于尺寸不大，形状简单的碳素钢零件的淬火。浓度为10%的NaCI和10%的NaOH的水溶液与纯水相比，能提高冷却能力。油也是一种常用的淬火介质。早期采用动、植物油脂。目前工业上主要采用矿物油，如锭子油、全损耗系统用油(俗称机油)、柴油等，多用于合金钢的淬火。此外还必须注意零件浸人淬火冷却剂的方式。如果浸人方式不当，会使零件因冷却不均而导致硬度不均，产生较大的内应力，发生变形，甚至产生裂纹。

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2)回火经过淬火的钢虽有较高的硬度，但韧性，塑性较差，组织不稳定，有较大的内应力，为了降低淬火后的脆性，消除内应力和获得所需要的组织及综合机械性能，淬火后的钢都要进行回火处理。将淬火后的零件，重新加热到某一温度范围，保温一定时间后，冷却到室温的热处理工艺称为回火。通过回火可以消除或部分消除在淬火时存在的内应力，调整硬度，降低脆性，获得具有较高综合力学性能的零件。回火操作主要是控制回火温度。回火温度越高，工作韧性越好，内应力越小，但硬度、强度下降得越多。根据回火加热温度的不同，回火常分为低温回火、中温回火和高温回火。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(1)低温回火。回火温度为150℃~250℃。经低温回火的零件可以减小淬火应力及脆性，保持高硬度及高耐磨性。低温回火广泛用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如各类高碳工具钢、低合金工具钢制作的刃具，冷变形模具、量具，滚珠轴承及表面淬火件等。

(2)中温回火。回火温度为350℃~450℃。经中温回火的零件可以使零件内应力进一步减小，组织基本恢复正常，因而具有很高的弹性，又具有一定的韧性和强度。中温回火主要用于各类弹簧，热锻模具及某些要求较高强度的轴、轴套、刀杆的处理。

(3)高温回火。回火温度为500℃~650℃。经高温回火可以使零件淬火后的内应力大部分消除，获得强度、韧性、塑性都较好的综合机械性能。生产中通常把淬火加高温回火的处理称为调质处理。对于上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

各种重要的结构件，特别是在交变载荷下工作的零件，如连杆、螺栓、齿轮、轴等都需经过调质处理后再使用。回火决定了零件最终的使用性能，直接影响零件的质量和寿命。4.表面热处理对于在动载荷和强烈摩擦条件下工作的零件，如齿轮、凸轮轴、床身导轨等，要求表面具有高硬度，高耐磨性，而心部要求有足够的塑性和韧性，这些要求很难通过选材来解决，可以采用表面热处理方法，仅对零件表面进行强化热处理，以改变表面组织和性能，而心部基本上保持处理前的组织和性能。常用的钢的表面热处理有表面淬火及化学热处理两大类。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

1)表面淬火表面淬火是将零件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。淬火后需进行低温回火，以降低内应力，提高表面硬化层的韧性及耐磨性能。根据热源不同，表面淬火可分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。感应加热表面淬火，感应加热的基本原理如图3-12所示。感应线圈中通以高频率的交流电，线圈内外即产生与电流频率相同的高频交变磁场。若把钢制工件置于通电线圈内，在高频磁场的作用下，工件内部将产生感应电流(涡流)，由于本身电阻的作用而被加热。这种感应电流密度在工件的横截面上分布是不均匀的，即在工件表面电流密度上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

极大，而心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。功率越高，表面电流密度越大，则表面加热层越薄。感应加热的速度很快，在几秒钟内即可使温度上升至800℃~1000℃，而心部仍接近室温。当表层温度达到淬火加热温度，立即喷水冷却，使工件表层淬硬。感应加热表面淬火，淬火质量稳定，淬火层深度容易控制。这种热处理方法生产效率极高，加热一个零件仅需几秒至几十秒即可达到淬火温度。由于这种方法加热时间短，故零件表面氧化、脱碳极少，变形也小，还可以实现局部加热、连续加热，便于实现机械化和自动化。但高频感应设备复杂，成本高，故适合于形状简单，大批量生产的零件。火焰加热表面淬火是用氧一乙炔或氧一煤气等高温火焰(约3000℃)上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

加热工件表面，使其快速升温，升温后立即喷水冷却的热处理工艺方法。如图3-13所示，调节喷嘴到工件表面的距离和移动速度，可获得不同厚度的淬硬层。火焰加热表面淬火的淬硬层厚度一般为2mm~6mm。与高频感应加热表面淬火相比，火焰加热表面淬火具有工艺及设备简单、成本低等优点，但生产率低，工件表面存在不同程度的过热，淬火质量控制也比较困难。因此主要用于单件、小批量生产零件及大型零件(如大型的轴、齿轮、轧辊等)的表面淬火。

2)化学热处理化学热处理与其他热处理方法不同，它是利用介质中某些元素(如碳、氮、硅、铝等)的原子在高温下渗人零件表面，从而改变零件上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

表面的成分和组织，以满足零件的特殊需要的热处理方法。通过化学热处理一般可以强化零件表面，提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性及其他性能，而心部仍保持原有性能。常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗(或称氰化)以及渗金属元素(如铝、硅、硼等)。渗碳是将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗人钢件表面，增加表层碳含量及获得一定碳浓度梯度的工艺方法。适用于碳的质量分数为0.1%~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20钢、20Cr、20CrMnTi等。零件渗碳后，碳的质量分数从表层到心部逐渐减少，表面层碳的质量分数可达0.80%~1.05%，而心部仍为低碳。渗碳后再经淬火加低温回火，使表面具有高硬度，高耐磨性，而心部则具有良好塑性和韧性，使零件既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

又能承受弯曲应力及冲击载荷。渗碳用于在摩擦冲击条件下工作的零件，如汽车齿轮、活塞销等。渗氮是在一定温度下将零件置于渗氮介质中加热、保温，使活性氮原子渗人零件表层的化学热处理工艺。零件渗氮后表面形成氮化层，氮化后不需淬火，钢件的表层硬度高达950HV~1200HV，这种高硬度和高耐磨性可保持到560℃~600℃工作环境温度下而不降低，故氮化钢件具有很好的热稳定性，同时具有高的抗疲劳性和耐蚀性，且变形很小。由于上述特点，渗氮在机械工业中获得了广泛应用，特别适宜于许多精密零件的最终热处理，例如磨床主轴、精密机床丝打、内搬机曲辅以及各种精密齿轮和量且等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

5.其他热处理1)真空热处理在气压低于1.01X105Pa的环境中进行的热处理称为真空热处理。其特点是:零件在真空中加热表面质量好，不会产生氧化、脱碳现象;加热时无对流传热，升温速度快，零件截面温差小，热处理后变形小;减小了零件的清理和磨削工序，生产率较高。

2)激光热处理它是利用激光对零件表面扫描，在极短的时间内零件被加热到淬火温度，当激光束离开零件表面时，零件表面高温迅速向基体内部传导，表面冷却且硬化。其特点是:加热速度快，不需要淬火冷却介质，零件变形小;硬度均匀且超过60HRC;硬化深度能精确控制;改善了劳动条件，减小了环境污染。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

3)形变热处理是将塑性变形和热处理工艺有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。它是将热加工成形后的锻件(车[制件等)，在锻造温度到淬火温度之间进行塑性变形，然后立即淬火冷却的热处理工艺。其特点是:零件同时受到形变和相变，内部组织更为细化;因为有利于位错密度增高和碳化物弥散度增大，所以零件具有较高的强韧性;生产流程得以简化，能源、设备得以充分节省，具有较高的经济效益。

4)离子轰击热处理离子轰击热处理是利用阴极(零件)和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击零件，使零件的表层的成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。常用的是离子渗氮工艺，离子渗氮表面形成的氮化层具有优异上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

的力学性能，如高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度等，并能够使离子渗氮零件的使用寿命成倍提高。此外，离子渗氮节约能源，操作环境无污染。其缺点是设备昂贵，工艺成本高，不适于大批量生产。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

3.2.3常见金属材料的热处理工艺1.石墨钢的石墨化退火石墨具有良好的润滑作用，当其以细小质点分散分布于钢的组织中时，将极大地提高钢的耐磨性。石墨钢即为经适当热处理后含有细小石墨质点的钢种，它多用于制作不能应用润滑剂而又要求耐磨的工件，也可用于制作轴承及模具等。石墨钢碳含量1.40%~1.60%，硅含量1.0%。为要得到优良的使用性能，必须经过石墨化退火，规范是:加热到950℃温度以上，保温适当时间，在水或油中淬火，600℃~700℃低温石墨化退火。退火保温时间越长，则石墨化程度越大。低温石墨化退火后，再进行最终的热处理:860℃奥氏体化后水或油冷淬火和150℃~200℃低温回火，以提高石墨钢的硬度。在硬度相同上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

的条件下，石墨钢工件使用寿命显著增长。例如，用石墨模具钢SiMnMo。制造的模具，比Cr12Mn及CrWMn钢制作的模具平均使用寿命延长了1.5~2.5倍。2可锻铸铁脱碳退火脱碳退火是可锻铸铁的可锻化退火的工艺方法之一，其过程是:白口铸铁在氧化介质中加热至高温并长时间保持，使坯件表面脱碳、心部石墨化的退火工艺，所获得的铸铁称为白心可锻铸铁。退火之前白口铸坯(具有珠光体、莱氏体和渗碳体组织)装人填有Fe3O4及建筑用砂的箱中，或在氧化气氛炉中加热至高温(一般为950℃~1050℃)并进行长时间保温。在保温过程中表面产生脱碳、心部的自由渗碳体转变为石墨。高温保温完了后坯件随炉冷至650℃~550℃出炉空冷。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

经如此处理后铸铁表面为铁素体，心部为珠光体(有时还有少量铁素体或渗碳体)及团絮状石墨组织。因珠光体塑性较差，打断时断口的心部呈白色，白心可锻铸铁因而得名。脱碳退火后使铸件的可加工性及韧性等均获得提高。3.白口铸铁快速可锻化退火白口铸铁件在可锻化退火前，预先加热到900℃~950℃、保温lh~2h，然后以水、油、空气或在250℃~300℃的盐浴中等较快速方式进行冷却，冷却速度应根据铸件的形状及尺寸来选择，以免产生裂纹。然后再按一般可锻化退火温度进行可锻化退火。与一般可锻化退火工艺相比较，在保证质量的前提下，快速可锻化退火可节省大量的工艺时间。预先处理时的冷却速度越快，则最终可锻化退火所需的上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

时间就越短。两种(一般和快速)可锻化退火工艺所得结果的另一不同之处是:快速可锻化退火后石墨颗粒更小、更分散，这可能是由于预先的快速冷却，增多了退火时石墨的结晶晶核所致。4.球墨铸铁快速正火球墨铸铁件经完全奥氏体化或不完全奥氏体化后，出炉采用吹风或喷雾的方法正火冷却，是为球墨铸铁的快速正火。与空冷正火相比较，快速正火后球墨铸铁可获得更多、更细的珠光体，因而可提高其强度性能。快速正火时的加热温度、保温时间与普通正火相同。但当其他条件(工件尺寸、装炉数量和在炉内排布方式)相同时，如组织中自由渗碳体较多时，则应采用较高的加热温度和较长的保温时间。正火后进行500℃~600℃的回火。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

5.球墨铸铁的淬火将球墨铸铁的工件加热至930℃~950℃温度，保温适当时间之后快冷，获得马氏体及球状石墨组织的热处理工艺，称为球墨铸铁的淬火。球墨铸铁的淬透性优于灰铸铁，淬火介质大多使用油或熔盐，淬火后硬度可达58HRC~60HRC。球墨铸铁的淬火加热温度不宜过高，以免淬火后获得粗大马氏体和过量的残余奥氏体而恶化了工件的性能。组织中有较多渗碳体时，应事先用退火方法消除之。在淬火温度的保温过程中，石墨碳不断向奥氏体中扩散，增大其含碳量，也随之增多淬火后的残余奥氏体数量，因此，保温时间不宜过长。此外，保温时间还与球墨铸铁显微组织有关:球状石墨细小，珠光体数量较多时，上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

保温时间应短些;反之，球状石墨粗大，基体中珠光体数量少(甚至是铁素体基体)则保温时间应适当延长。淬火后工件应进行回火，以消除应力和获得所需要的组织和性能。6球墨铸铁的调质处理球墨铸铁淬火后于500℃~600℃高温回火，称为球墨铸铁的调质处理。调质处理后基体为回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能。回火前、后显微组织中的石墨无明显的变化。调质处理回火后在空气中冷却(无需快冷)。球墨铸铁调质处理时的回火温度不得高于600℃;温度高于600℃，回火索氏体中的颗粒状碳化物产生石墨化，使球墨铸铁的综合力学性能(强度、塑性、韧性)降低。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

3.2.4工件热处理变形的校正1.热处理缺陷分类热处理通过加热和冷却，使零件获得适应工作条件需要的使用性能，达到充分发挥材料潜力、提高产品质量、延长使用寿命的目的。如果出现热处理缺陷，热处理就无法达到预期的目的，成为不合格品或废品，造成经济损失;如果热处理缺陷不能及时发现，带有缺陷的零件或产品投人使用，可能引起重大事故，工程上这类事件时有发生。由于热处理是通过改变材料内部微观组织结构，达到零件宏观性能要求的特种工艺，所以热处理缺陷除一小部分是宏观的，大部分是微观的，必须使用仪器检查，这给热处理缺陷检查和发现带来困难。另一方面，热处理属于批量连续生产，一旦发生热处理缺陷，一般情况上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

涉及范围都比较大，因此，热处理缺陷是危害性大的缺陷，应大力防止产生这类缺陷。热处理缺陷一般按缺陷性质分类，主要包括热处理裂纹、变形、残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其他缺陷七大类，如表3-9所示。热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后二方面的原因。热处理前可能因设计不良、原材料或毛坯缺陷等原因，热处理时产生或扩展成热处理缺陷，其责任不在热处理。零件设计中可能因选材不当、热处理技术要求不当、断面急剧变化、锐角过渡、打标记处应力集中等不合理设计，导致热处理缺陷。原材料各种缺陷及热处理前各种加工工序缺陷，在热处理时也可导致热处理缺陷。原材料缺陷主要有化学成分波动和不均匀、杂质上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

元素偏多、严重偏析、非金属夹杂物、疏松、带状组织、折痕、发纹、白点、微裂纹、氧化脱碳、划痕等。此外，铸造、锻造、焊接、机械加工的缺陷如:裂纹、组织不良、外观缺陷等，也可能导致热处理缺陷。热处理后，因后续加工工序不当或使用不当，还可能产生与热处理有联系的缺陷，这些缺陷的责任不完全在热处理。后续加工工序不当可能产生的与热处理有关的缺陷有:磨削裂纹、磨削烧伤、磨削淬火、电火花加工裂纹、电镀或酸洗脆性等;使用不当可能产生与热处理有关的缺陷有:应力集中过大产生裂纹、使用温度过高产生热裂或变形、修补裂纹等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

2.热处理的质量监控热处理全面质量控制，就是对热处理零件在整个热处理过程中，一切影响热处理的因素实施全面控制。这就是说，全体热处理有关人员都参与热处理质量工作，对热处理过程的每一个环节都实行质量控制，包括基础条件质量控制、热处理前质量控制、热处理中质量控制、热处理后质量控制，如图3-14所示，确保热处理质量。实行热处理全面质量控制就是要改变过去以最终检验为主的质量保证观念和制度，实行预防为主、预防与检验相结合的质量保证模式，把质量保证的重点从最终检验的被动把关，转移到以事前生产过程质量控制上来，把热处理缺陷消灭在质量形成过程中，避免造成更大浪费，有利于提高热处理质量，确保产品使用的安全可靠和寿命。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

1)环境条件控制(1)厂房:热处理车间应有足够的生产面积和辅助面积，生产面积除能按设备技术要求和技安要求摆放各种生产设备和检验设备之外，还要保证安全操作。此外，根据质量控制要求，生产现场要把不同热处理状态的零件区分开，分别摆放，所以热处理车间要有待处理零件、合格品零件、不合格品零件、返修零件、废品隔离等单独摆放场地。

(2)温度:热处理的加热和冷却对环境有影响，同时生产环境的温度也影响热处理工艺的正确实施。如果环境温度过高，对冷却介质降温不利，连续生产时其温度升高，使热处理零件质量的一致性变差，严重时出现淬火硬度低等质量问题，如采取空冷淬火时影响更明显。如果环境温度过低，可能使淬火介质性能发生变化，淬火烈度增加，容易上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

产生变形和开裂。此外环境温度过低或过高还会影响操作人的情绪和实际操作，影响仪表和设备的正常运行，容易产生各种热处理缺陷和质量事故，为此，对热处理车间的环境温度提出一定要求。

(3)照明与噪声:为了保证热处理各工序正确无误的按工艺要求实施，热处理车间有一定光照度是必须的。厂房要有良好采光条件，设置足够的天窗和侧窗，此外还要有良好照明条件，热处理各工序光照度一般不低于2001x，检验等局部光照度不得低于2001x。噪声过大影响现场各类人员的情绪，容易造成误操作，产生各种热处理缺陷，影响热处理质量，严重的噪声还可能使人的听力受损失，甚至导致耳聋，所以生产现场噪音必须控制，采取消声和隔音措施，将产生强噪声的设备，如吹砂、喷丸、压缩空气设备等单独装在封闭隔间内。热处理车间噪音一般应低于85dB.上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

2)设备与仪表控制

(1)热处理炉的炉温均匀性及分类:为了使热处理零件达到预期的使用性能，在热处理加热过程中，全部零件及零件的所有部位均应处于热处理工艺要求的温度范围之内，为此，热处理炉应能按热处理工艺参数准确的控制和记录加热温度，并保证炉膛中工作区各处的炉温均匀一致。热处理炉炉膛工作区内各处温度均匀一致的程度一般用“炉温均匀性”(也称保温精度)来表示。所谓炉温均匀性，是指炉子在热稳定状态下温度自动记录仪表指示的温度(经误差修正)与工作区内各检测点的温度之间最大温度差。各种热处理炉根据设计和制造水平都给定一个额定工作区(也称有效上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

加热区)尺寸，并保证一定的炉温均匀性。为了及时掌握热处理炉炉温均匀性变化情况，还应在生产过程中根据炉子情况变化检测炉温均匀性及定期检测炉温均匀性。(2)温度仪表及控制系统:

为了使热处理加热温度满足工艺要求，热处理炉应配置合适的温度控制和记录仪表。为了防止热电偶及仪表故障造成温度失控，引起“跑温”，热处理炉每一个加热区均应配置两支热电偶，其中一支热电偶安放在有效加热区内，连接温度记录仪表，以便准确反映加热实际情况，另一支热电偶接控温仪表，进行炉子温度的自动控制，此外这两支热电偶中应有一支并联报警装置，一旦出现超温时能自动报警并切断电源，这种配置称之为“双联温度系统”，另外还可采用控温、记录、报警三者分别独立的系统，称之为“三联温度系统”。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

控制，其控制的工作框图见图3-15。各种热处理设备由各自的微机化仪表单独控制，控制仪表又通过各自的通用通讯接口上接中心微机。控制仪表可单独编程控制，也可按中心微机指令或编程进行控制。中心微机可以对下接仪表发出指令或编程，也可以只进行巡回监控，工作方式十分灵活。

3)质量管理全面质量管理有几个基本条件:标准化工作、计量工作、质量教育工作、质量信息工作、质量责任制，这些条件以产品质量为中心，相互制约、相互促进、紧密相关，是推行全面质量控制的基础工作。(1)热处理技术标准化:标准化工作与质量管理有密切关系，标准化是质量管理的基础，质量上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

热处理炉的温度测量装置应能准确地反映出真实温度，具有足够的精度、可靠性和稳定性。温度测量装置包括热电偶(一次仪表)、补偿导线及电子电位差计等二次仪表。炉温自动控制大致分为二大类:位式控制、准连续调节和连续式调节。位式控制结构简单，使用方便，价格低廉，但控温精度不高，容易出现故障。为了提高和稳定加热质量，位式控制不断被连续式调节控制代替，并选配微机数字式仪表，对炉温进行高精度的连续式调节控制。微机控温和测温系统中，可以采用系统机、总线结构的工控机、单板机、单片机及智能仪表。目前市场上有各种类型的微机温度控制装置，包括微机温度仪表、微机控温仪、微机控温柜，可以根据工作需要合理选用。微机控制系统的发展趋势是集散式控制，又称分布式上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

管理是贯彻执行标准的保证。在全国热处理标准化技术委员会的组织协调下，经过我国广大热处理工作者的努力，我国热处理技术标准化取得很大进展，已经形成了完整热处理技术标准化体系，如图3-16、图3-17所示。我国热处理标准体系分为两个层次。第一个层次为通用热处理标准，包括基础标准(术语、分类及代号)，热处理技术条件在图样上标注方法，热处理工艺计算机辅助设计，热处理质量控制要求，通用质量检验方法，安全、环保、能耗标准及辅助设备标准等。第二个层次共分多个小类:整体热处理、表面热处理、化学热处理、钢铁热处理、非铁金属热处理及热处理工艺材料。整体热处理标准包括正火、退火、淬火、回火、真空热处理、盐浴热处理、冷处理等标准。表面热处理标准包括感应淬火、火焰淬火、激光热处理、表面上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

热处理及金相、淬硬层深度检验等标准。化学热处理标准包括渗碳、渗氮、渗金属、多元共渗等化学热处理方法，以及金相、渗层深度检验方法等标准。钢铁热处理标准包括不锈钢和耐热钢热处理、高速钢热处理、高温合金热处理、球墨铸铁热处理及冷冲模具、工具钢热处理金相检验等标准。有色金属热处理标准包括铝合金、铜合金、钦合金、功能合金热处理等标准。热处理工艺材料标准包括热处理用盐、保护气、淬火剂、渗剂、辅助材料及淬火介质性能测定方法等标准。我国热处理标准体系与机械制造工艺标准体系协调一致，规划了热处理标准全面蓝图，贯彻了积极采用国际标准的方针，对改善热处理质量管理，提高我国热处理水平，促进热处理进步和与国际接轨都有重要意义。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

(2)热处理质量保证体系:热处理质量保证体系是保证热处理全面质量管理取得稳定效果的关键，是热处理质量管理水平的重要标志。热处理质量保证体系是以保证和提高热处理质量为目标、运用系统的概念和方法，按照质量保证活动的程序，明确各质量保证组织的任务、职责、权限以及相互关系，形成一个协调一致的有机的整体，把热处理专业技术与质量管理工作紧密结合起来，做到事事有规定，步步有标准。热处理质量保证体系包括:要明确与热处理工艺有关的各部门、各单位的职责分工;要有保证实现热处理质量目标的各类标准，如技术标准、管理制度、质量责任制、岗位责任制及经济责任制等;要有完善质量记录和信息反馈系统，建立热处理质量档案;要有对体系的素质上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

和效能的评价，通过对活动评价，检查各个环节的预期效果，监督检查质量保证体系本身效率;要有一个保证热处理质量保证体系的业务流程;建立必要的会议制度，开展有关培训、宣传和咨询活动;要有热处理质量保证体系图。3.预备热处理的质量监控预备热处理主要包括退火和正火，特殊需要也可采用正火+高温回火或调质处理。预备热处理一般安排在毛坯成型之后，机械加工之间，或者最终热处理之前。预备热处理主要目的是为后续工序作好组织和性能准备。预备热处理质量控制包括工艺方法选择和工艺路线安排、工艺参数确定、加热设备选择、质量要求与检验等。上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

钢的主要预备热处理种类及应用范围如表3-10所示，根据预备热处理的目的参照此表来选择预备热处理的种类。预备热处理大部分安排在毛坯成型之后，用于改善毛坯加工性能，消除铸造、锻造等毛坯生产中的缺陷。在机械加工之间、冷成形加工之间有时需进行一次或多次预备热处理，用以消除内应力，改善加工性能。为了保证最终热处理达到要求的使用性能，需要在最终热处理之前进行预备热处理，用以改善组织结构，为最终热处理作好准备。4淬火回火缺陷的预防淬火回火是使零件整体获得使用性能的最主要热处理工艺方法，属于整体热处理范畴。淬火是将零件加热到相变点以上奥氏体化，然后快速冷却使其转变为马氏体等过饱和固溶体;再经过某一适当温度的上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

回火，使零件获得各种需要的使用性能。通过对工艺、设备、操作及检验等环节的控制，来保证淬火回火的加热质量和冷却质量。牢现对最终执处理质量控制。由金属材料或毛坯加工成各种零件，其加工工艺路线很复杂，概括起来如图3-18所示。零件工艺路线可以分为三类:

性能要求不高的一般零件工艺路线为:材料或毛坯正火或退火机械加工零件，即图3-18中工艺路线1。正火或退火既是预备热处理又是最终热处理，为机械加工改善了加工性能，同时又赋予零件必要的使用性能。性能要求较高的一般零件工艺路线为:材料或毛坯一预备热处理(正火或退火等)→粗加工→最终热处理(淬火回火等)→精加工→零件，上一页下一页返回3.2钢的热处理设备与方法

即图3-18中工艺路线2。对于硬度要求不高零件，机械加工又无困难的情况，可以把粗加工和最终热处理调换位置，即在预备热处理和最终热处理后。再进行粗加工和精加工，直至合格零件，这样可以减少零件在热处理车间与机加工车间之间多次往返运输。要求较高的精密零件，这类零件除要求使用性能外，还要求很高的尺寸和形状精度，以及相当低的表面粗糙度。其工艺路线为:材料或毛坯→预备热处理→粗加工→热处理→半精加工→热处理→精加工→稳定化热处理→零件，即图3-18中3或4工艺路线。这类零件为了保证高的精度要求，在半精加工之后要进行一次或多次精加工和稳定化处理。热处理工艺编制程序见图3-19.上一页返回下一页3.3技能训练项目

3.3.1技能训练项目一汽车半轴淬火开裂与疲劳断裂的分析及防止措施1.概况汽车半轴是传递转矩的重要零件，如图3-20所示，通常选用40Cr钢，经调质处理，技术要求为回火索氏体组织，341HBS~415HBS。半轴淬火时，用特制吊具在井式保护气氛炉内整体加热，出炉后杆部先进行水淬，使盘部露出水面空冷，