新能源汽车制造技术 课件08-新能源汽车零件热处理加工工艺

第八章新能源汽车零件热处理加工工艺2026.05SchoolofAutomotiveandTrafficEngineeringHeifeiUniversityofTechnology2026年秋季合肥工业大学

车辆工程专业课程_新能源汽车制造技术本章目录P28.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备8.1.1汽车零件的材料与热处理特点8.1.2热处理原理8.1.3新能源汽车零件热处理方法8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1.5热处理工艺与新能源汽车零件结构工艺性8.1.6热处理加工工艺检测方法8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺8.2.1热处理工序的安排8.2.2齿轮热处理加工制造工艺8.2.3新能源汽车弹簧材料热处理加工制造工艺8.2.4新能源汽车曲轴热处理加工制造工艺8.1.1汽车零件的材料与热处理特点8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P3汽车零件的材料和热处理工艺主要取决于其工作条件、性能要求以及所承受的载荷类型。为了提高汽车零部件的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳性能等，常采用特定的材料和热处理工艺搭配，以满足性能要求。用于制造汽车的钢材品种主要包括型钢、热轧中板、热轧薄板、钢带、优质钢材和钢管等，其中以薄板与优质钢材为主。汽车零件热处理能达到改变材料性能，即改善其硬度、强度和可加工性的目的。材料的性能取决于组织结构、碳含量和合金元素的成分等，因此根据汽车零件的服役条件与技术要求，选择合理的热处理工艺与设备，达到延长汽车零件使用寿命，提高力学性能的目的。一般零件的热处理包括退火、正火、淬火与回火、固溶与时效等，其是依据零件的服役条件来选择的。8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P4碳钢与铸铁是使用最为广泛的金属材料，是铁和碳组成的合金，不同成分的碳钢和铸铁，组织和性能也不相同。在研究和使用钢铁材料、制定其热加工和热处理工艺以及分析工艺废品的原因时，都需要应用铁碳相图。1.铁碳合金及相图（1）铁的同素异构转变纯铁由液态结晶为固态后，继续冷却到1394℃及912℃时，先后发生两次晶格类型的转变。金属在固态下发生的晶格类型的转变称为同素异晶转变。（2）铁素体与奥氏体碳在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F或α表示，其最大溶解度为0.0218wt%C，发生于727℃，碳多存在于体心立方α结构的八面体空隙。8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P5（3）纯铁的性能及应用工业纯铁的机械性能特点是强度、硬度低，塑性好，工业纯铁塑性和韧性很好，但其强度很低，很少用做结构材料。主要用于要求软磁性的场合。（4）铁碳合金相图铁碳合金相图用于表示在平衡状态下铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系。在工程中一般研究的铁碳合金状态图实际上都是铁与渗碳体两组元构成的状态图，如下图所示。铁碳合金状态图8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P6相图中各特性点的温度、碳含量及其含义见下表：特性点符号温度(℃)ωC(%)含义A15380熔点：纯铁的熔点C11484.3共晶点：发生共晶转变L4.3—→Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔点：渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度点G9120同素异构转变点S7270.77共析点：发生共析转变A0.77%→p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度点Q室温0.0008室温下碳在α-Fe中的溶解度8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P7热处理工艺一般由加热、保温和冷却三个阶段组成，通过将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变固体金属或合金的内部或表面组织结构，使材料满足使用性能或工艺性能的要求。除回火、少数去应力退火，热处理一般均需要加热到临界点以上温度使钢部分或全部形成奥氏体，经过适当的冷却使奥氏体转变为所需要的组织，从而获得所需要的性能。下图所示是最基本的热处理工艺曲线。热处理工艺曲线8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P82.钢在加热时的组织转变奥氏体化：为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。奥氏体的形成：以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（F+Fe3C），当加热到727℃以上时，珠光体转变为奥氏体。其形成过程如下图所示，包括晶核形成、晶核长大、残余渗碳体熔接以及奥氏体均匀化四个过程：奥氏体晶核形成、奥氏体晶核长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体均匀化。奥氏体的形成过程8.1.2热处理原理8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P93.钢在冷却时的组织转变钢经奥氏体化后，冷却条件不同，转变产物的组织结构、性能均不同。热处理工艺中常用的冷却方式：连续冷却、等温冷却。依据等温转变图（见下图），钢经奥氏体化后的转变过程如下：高温转变（珠光体转变）。中温转变（贝氏体转变）。低温转变（马氏体转变）。等温转变图8.1.3

新能源汽车零件热处理方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P10钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，为使钢获得限定的性能要求，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律性。1.钢的退火与正火退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。在机器零件加工艺过程中，退火和正火是一种先行工艺，具有承上启下的作用。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，退火和正火亦可作为最终热处理。对于铸件，退火和正火通常就是最终热处理。8.1.3新能源汽车零件热处理方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P11（1）退火目的及工艺退火是将钢加热至临界点以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调节器整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。退火工艺种类很多，按加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火。前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、不完全退火和球化退火。后者包括再结晶退火及去应力退火。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续退火。（2）正火目的及工艺正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低。因此，相同钢材正火后获得的珠光体组织较细，钢的强度、硬度也较高。8.1.3新能源汽车零件热处理方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P122.钢的淬火将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温以后以大于临界状态冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。淬火的目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。（1）淬火加热温度淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。（2）淬火介质钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫做淬火介质。（3）淬火方法选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。淬火方法主要由单一淬火法、双液淬火法、分级淬火发以及等温淬火等方法。8.1.3新能源汽车零件热处理方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P133.钢的回火回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。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。对于一般碳钢和低合金钢，根据工件的组织和性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火等几种。8.1.4

新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P141.密封箱式多用炉生产线—适用于中小产量多种工艺通用类零部件（1）概述密封箱式多用炉（见下图）适用于中小产量，且品种多样的金属组件。密封箱式多用炉（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P15（2）生产线组成密封箱式多用炉生产线（见下图）一般由预氧化炉、密封箱式多用炉、真空清洗机或普通双槽双液清洗机、（高/低温）回火炉、装卸料小车、升降台及备料台、吸热式气体发生器、控制系统等设备共同组成。

密封箱式多用炉生产线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P162.推盘式炉热处理生产线—适用于大批量金属零部件的热处理（1）概述气体渗碳推盘式炉（见下图）因其连续运行和高效产能输出，经济效益及节能效果显著。气体渗碳推盘式炉（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P17（2）生产线组成推盘式炉热处理生产线（见下图）一般由装料机构、预氧化炉、加热炉、渗碳炉、扩散炉、淬火槽、清洗机、回火炉、卸料装置和控制系统等组成。气体渗碳推盘式炉热处理产线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P183.辊底式炉热处理生产线—适用于大批量金属零部件的热处理（1）概述辊底式炉热处理生产线（见下图）广泛应用于轴承行业组件热处理及其他多种零件热处理。根据产品的工艺要求分为退火线、油淬火线和硝盐淬火线。

辊底式炉热处理生产线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P19（2）生产线组成典型的退火线适用于等温球化退火、正火。其主要组成：上料台、前锁气室（抽真空）、辊底式加热/冷却炉、水冷却室、后锁气室（抽真空）、传送料道、控制系统等组成。8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P204.转底式炉热处理生产线（1）概述转底式炉（见下图）适用于螺旋伞齿轮、同步器齿套、轴承等零件的大批量保护气氛加热淬火。

转底式炉热处理生产线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P21（2）生产线组成典型转底炉生产线主要由转底式加热炉、自动上料、装出料转移装置（或机械手，见下图）、多工位淬火压床、清洗机、二次冷却、回火炉及控制系统等组成。装出料转移装置（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P225.环形炉热处理生产线（1）概述此炉型结合转底炉和推盘炉的优点，具有单独的加热、渗碳和扩散区，可以在独立的炉室中获得不同的温度和碳势。尤其适用于汽车行业伞齿、主动齿轮轴等零件的压淬和直淬热处理工艺（见下图）。

环形炉热处理生产线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P23（2）生产线组成环形渗碳、压淬/直淬生产线是汽车后桥主从动螺旋伞齿轮不同层深气体渗碳、压淬/直淬，同炉混装作业的全自动柔性生产线。（见下图）。压淬取料物料线（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P246.真空炉（1）VGH系列真空高压气淬炉VGH系列真空高压气淬炉（见下图）适用于真空加热+高压气淬；真空退火和回火。VGH系列真空高压气淬炉（来源：爱协林官网）8.1.4新能源汽车零件热处理设备8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P25（2）VOD系列卧式真空油淬炉VOD系列卧式真空油淬炉（见左下图）适用于真空加热+油淬/气冷/真空退火和回火。（3）VTH系列真空回火炉VTH系列真空回火炉（见右下图）适用于真空回火。VOD系列卧式真空油淬炉VTH系列真空回火炉8.1.5

热处理工艺与新能源汽车零件结构工艺性8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P26热处理过程中的加热和冷却会影响零部件的尺寸稳定性，还会在材料内部产生残余应力，因此零件机械设计（零件的结构、截面尺寸等）时要考虑其热处理工艺性如何。。影响结构热处理工艺性因素上要有：材料的选择，零件的几何形状，零件的尺寸大小，零件的精度及表面状态等。当零件的形状结构设计对于热处理工艺性无法修正的可能时，可采用其他一些可行的工艺措施来改善零件的结构工艺性。考虑的主要方面如下：零件的结构要易于进行热处理（如避免悬殊截面、盲孔等），易于达到技术要求；零件的结构有利于减少变形、防止开裂；零件的结构不易发生早期失效，有较高寿命。具体措施如下：避免尖角；避免厚薄悬殊；避免断面突变，增大过渡圆角；采用封闭和对称结构；采用组合结构。8.1.6

热处理加工工艺检测方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P271.硬度检测硬度是指工程材料抵抗更硬的物体压入其表面内的能力，表示材料抵抗局部塑性变形或破坏的性能，是一个综合反映材料弹性、塑性、强度和韧性的机械性能指标。可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。（1）布氏硬度HBW1）布氏硬度试验原理。布氏硬度试验原理如下图所示。布氏硬度试验原理示意图8.1.6热处理加工工艺检测方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P28（2）洛氏硬度HRA、HRB、HRC主要内容如下。1）洛氏硬度试验原理。洛氏硬度试验原理如下图所示，用锥顶角为120°的金刚石圆锥或直径1.588mm的淬火钢球，以相应试验力压入待测表面，保持规定时间卸载后卸除主试验力，以测量的残余压痕深度增量来计算出硬度值。洛氏硬度试验原理示意图及洛氏硬度计8.1.6热处理加工工艺检测方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P292）常用洛氏硬度标尺及适用范围。常用洛氏硬度标尺为HRA、HRB和HRC，硬度计球头、载荷以及标尺适用范围见下表。试验优缺点。优点：操作简单迅速，效率高，直接从指示器上读出硬度值；压痕小，缺点：由于压痕小，测得的数值不够准确，通常要在试样不同部位测定四次以上，取其平均值为该材料的硬度值。符号压头载荷适用范围HRC120°金刚石锥体150kg淬火钢等HRB淬火钢球φ1.59毫米100kg退火钢及有色金属HRA120°金刚石锥体60kg薄板或硬脆材料常用洛氏硬度标尺及适用范围8.1.6热处理加工工艺检测方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P30（3）维氏硬度HV维氏硬度HV的主要内容如下。维氏硬度试验原理。维氏硬度试验原理如下图所示，以一定的试验力将压头压入试样表面，保持规定时间卸载后，在试样表面留下一个四方锥形的压痕，测量压痕两对角线长度，以此计算出硬度值。维氏硬度试验原理示意图及维氏硬度计8.1.6热处理加工工艺检测方法8.1新能源汽车零件热处理加工工艺方法及设备P312.金相检测金相是指金属或合金的内部结构，即金属或合金的化学成分以及各种成分在合金内部的物理状态和化学状态。金相检验（或者说金相分析）是应用金相学方法检查金属材料的宏观和显微组织的工作（见下图）。主要是通过采用定量金相学原理，运用二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。金相分析仪8.2.1

热处理工序的安排8.2

新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺P321.预备热处理预备热处理是指为随后的机加或最终热处理提供良好的机加性能或组织形态而进行的热处理。常见的预备热处理有退火、正火、调质。退火：用于高碳钢、合金钢等，降低硬度，便于切削；毛坯生产之后，切削加工之前正火：用于低碳钢，提高硬度，便于切削；毛坯生产之后，切削加工之前调质：淬火后高温回火，粗加工之后，精加工或半精加工之前目的：调整硬度，改善切削加工性能，消除毛坯内应力，细化晶粒，均匀组织，为最终热处理做好组织准备。8.2.1热处理工序的安排8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺2.最终热处理在半精加工后、精加工前进行最终热处理工序。这一环节通常包括淬火、渗碳和氮化等不同的热处理方法，具体选择需根据零件的材质和性能要求而定。淬火：通过将工件加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，以提高材料的硬度和强度。渗碳：通过将碳渗入钢材表层，增加表面硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持内层韧性。氮化：利用氮原子渗入材料表面，形成高硬度的氮化层。氮化处理能够进一步提高零件的耐腐蚀性和耐热性能，尤其适用于在高温、高负荷条件下工作的零件。最终热处理通常在半精加工后、精加工前进行，通过改变材料的微观结构，显著提高其强度和硬度，使其在精加工阶段具备更好的加工性，并为后续的使用提供更强的机械性能保障。P338.2.2

齿轮热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。在变速箱中，通过它来改变发动机，曲轴和主轴齿轮的转速；在差速器中，通过它来增加扭转力矩，调节左右两车轮的转速，并将发动机动力传给主动轮，推动汽车、拖拉机运行，所以这此类齿轮传递功率、承受冲击载荷及摩擦压力都很大，工作条件比机床齿轮要繁重得多。渗碳钢通常是指经渗碳、淬火以及低温回火后使用的钢。渗碳齿轮加工的工艺路线如下：剪切下料→齿坯成形→预备热处理→切削加工→渗碳→淬火和回火→喷丸→精加工。P348.2.2齿轮热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺1.预备热处理通常20CrMnTi选用正火或调质处理作为预备热处理，其目的是降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工；细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能，为以后的热处理作准备；消除锻造应力，防止变形和开裂，保证齿形合格。对于车辆齿轮或大批量的小型齿轮越来越多采用等温正火工艺。（1）正火正火是将钢加热到Ac3以上30℃～50℃，保温足够的时间后出炉在空气中冷却到室温，对于一般的齿轮采用正火。（2）调质对于重要的齿轮采用调质来改善钢的性能，调质钢与正火钢相比不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，同时锻造应力得到充分的消除，满足了机械加工要求，在生产中已取得了良好的经济效益。P358.2.2齿轮热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺2.渗碳处理工艺（1）钢的化学成分20CrMnTi的含碳量为0.20％属于低碳钢，渗碳时保证了碳元素的正常渗入。淬火热处理后心部获得低碳马氏体，以保证心部具有足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷。钢中合金元素为Cr<1.5％、Mn<1.5％、Ti<1.5％。Cr、Mn合金元素能提高钢的铁索体的强度，同时提高钢的淬透性。（2）渗碳工艺渗碳淬火工艺过程中，要防止齿轮变形，严格控制渗碳齿轮的表面碳浓度和渗层深度。（3）淬火低温回火下面分别对淬火和低温回火进行介绍。1）淬火。钢的加热温度一般可根据Fe-Fe3C相图选择，亚共析钢淬火加热温度选择Ac3以上30℃～50℃，过共析钢淬火加热温度选择Ac1以上30℃～50℃。2）低温回火。淬火后钢中不稳定的马氏体、残余奥氏体易发生组织转变，且存在淬火内应力，重载齿轮常采用200℃保温四小时低温回火，回火时马氏体析出碳化物、释放内应力形成回火马氏体，既稳定组织与尺寸，又能让钢材保留高硬度、耐磨性及合适韧性。P368.2.3

新能源汽车弹簧材料热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺（1）汽车钢板弹簧工作条件和技术要求：汽车钢板弹簧是种弹性元件，其作用是承受车厢以及载物(静载荷)，可传递垂直载荷，缓和及抑制不平路面所引起的冲击，限制车身和车轮的振动。钢板弹簧一般由多片曲率半径不同、长度不等、宽度一样的钢板等组成，如下图所示。P37汽车钢板弹簧1-卷耳；2-钢板架子；3-钢板；4-中心螺栓；5-螺栓；6-套管8.2.3新能源汽车弹簧材料热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺（2）汽车钢板弹簧的机械加工流程一般汽车弹簧钢板的加工流程为：剪切下料→机械加工(钻孔、切角等)→

校直→卷耳→淬火→中温回火→喷丸→质量检查。（3）汽车钢板弹簧的热处理工艺规范汽车钢板弹簧选用的材料为60Si2MnA，其热处理工艺流程为：预热→加热→冷却→中温回火→喷丸，要求硬度为42~45HRC，板簧淬火后必须及时进行回火处理，回火温度一般为440~520℃，金相组织为回火托氏体+碳化物。P388.2.4

新能源汽车曲轴热处理加工制造工艺8.2新能源汽车典型零件热处理加工制造工艺1.工作条件和技术要求曲轴是汽车发动机的最关键的零部件之一，其结构如下图所示。曲轴的性能在很大程度上影响着汽车发动机的可靠性与寿命。曲轴在发动机中承担着最大的负荷和全部的功率，需要承担强大且方向不断变化的弯矩和扭矩，还要承受着长时间的高速运转的磨损。曲轴常用中碳钢和中碳合金钢模锻而成，也可采用球墨铸铁制造。P39曲轴结构示意图8.2.4