机械制造典型工艺的金属材料与热处理讲解

1、机械制造典型工艺 热处理基础知识 北华大学机械工程学院北华大学机械工程学院 机械类培训内容题纲 以典型的轴类零件和箱体类零件为例 分别从以下几个方面进行介绍其制造工艺 特性 功能用途、结构特点及主要的技术要求（如尺寸精度、 几何形状精度、位置精度、表面粗糙度等等） 常用材料及热处理 针对轴类零件和箱体类零件表面的结构特点及技术要求 进行工艺过程分析与介绍 定位基准选择 主要表面加工方法的选择 加工阶段划分要求 热处理工艺的安排 加工顺序 一、预备知识 1.简单的热处理知识 2.常用金属材料 3.公差与配合常识 4.六点定位原理 二、轴类零件加工工艺 1.轴的功用与类型 2.加工工艺 3.举例

2、三、箱体类零件加工工艺 1.箱体类零件的特点 2.“一面两孔”定位 3.应用举例 第一课 简单的热处理知识 铁碳平衡图 （iron-carbon equilibrium diagram ），又称铁碳相图或铁碳状态 图。它以温度为纵坐标，碳含量为横坐 标,表示在接近平衡条件（铁-石墨）和 亚稳条件（铁碳化铁）下（或极缓慢 的冷却条件下）以铁、碳为组元的二元 合金在不同温度下所呈现的相和这些相 之间的平衡关系。 铁碳平衡图 早在 1868 年，俄国学者切尔诺夫就注意到只 有把钢加热到某一温度”a”以上再快冷,才能使钢 淬硬,从而有了临界点的概念。至18871892年奥斯 蒙等利用热分析法和金相法发

3、现铁的加热和冷却曲 线上出现两个驻点，即临界点A3和A2，它们的温度 视加热或冷却 (分别以Ac和Ar表示)过程而异。奥斯 蒙认为这表明铁有同素异构体，他称在室温至A2温 度之间保持稳定的相为铁；A2A3间为铁；A3 以上为铁。 1895年，他又进一步证明，如铁中含有少量碳, 则在690或710左右出现临界点,即Ar1点,标志在此 温度以上碳溶解在铁中,而在低于这一温度时,碳以渗 碳体形式由固溶体中分解出来,随铁中碳量提高，Ar3 下降而与Ar2相合,然后断续下降，至含碳为0.80.9 时与Ar1合为一点。 1904年又发现A4至熔点间为铁。以上述临界点 工作的成果为基础，1899年罗伯茨奥斯

4、汀制定了第 一张铁碳相图；而洛兹本 更首先在合金系统中应用 吉布斯相律,于1990年制定出较完整的铁碳平衡图。 随着科学技术的发展，铁碳平衡图不断得到修 订，日臻完善。目前采用的铁碳平衡图示于图1， 图中各重要点的温度、浓度及含义如下表所列。当 铁中含碳量不同时，得到的典型组织如图2所示。 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回 火和表面热处理等方法。其中回火又包括高温回 火、中温回火和低温回火。 钢的回火 将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用 一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生 的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学 性能。 回火时以降低 了硬度和

5、脆性， 换取较好的韧 性 调质（quenching and high temperature tempering）即 淬火和高温回火的综合热处理工艺。 调质件大都在比较大的动载荷作用下工作，它们承受着 拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用，有的表面还具有摩 擦，要求有一定的耐磨性等等。总之，零件处在各种复合应 力下工作。这类零件主要为各种机器和机构的结构件，如轴 类、连杆、螺栓、齿轮等，在机床、汽车和拖拉机等制造工 业中用得很普遍。尤其是对于重型机器制造中的大型部件， 调质处理用得更多。因此，调质处理在热处理中占有很重要 的位置。 在机械产品中的调质件，因其受力条件不同，对其所要 求的性能也就不

6、完全一样。一般说来，各种调质件都应具有 优良的综合力学性能，即高强度和高韧性的适当配合，以保 证零件长期顺利工作。 调质通常指淬火高温回火，以获得 回火索氏体的热处理工艺。方法也就是先 淬火，淬火温度：亚共析钢为Ac3+3050； 过共析钢为Ac1+3050；合金钢可比碳钢 稍稍提高一点。淬火后在500650进行回 火即可。调质的主要目的是得到强度、塑 性、韧性都比较好的综合机械性能。 但是,同时应该注意,还有调质钢这一 说，调质钢是在冶炼钢材时候加锰,硅进行 的过程，要注意区别。 退火anneal; annealing; backout 退火 是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加 热到一

7、定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。 目的 是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应 力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调 整组织，消除组织缺陷。 退火定义将金属缓慢加热到一定温度，保持足够 时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是 控制冷却)的一种金属热处理工艺。 目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或 工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去 除残余应力，或得到预期的物理性能。 退火工艺随目的之不同而有多种，如重结晶退火、 等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退 火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火等 等。 1、金属工具使用时因受热而失去原有的硬

8、度。 2、把金属材料或工件加热到一定温度并持续一定 时间后，使缓慢冷却。退火可以减低金属硬度和 脆性，增加可塑性。也叫焖火。 退火的目的退火的目的 (1) 降低硬度，改善切削加工性； (2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与 裂纹倾向； (3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。 在生产中，退火工艺应用很广泛。根据工件 要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种， 常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火 等。 退火方法退火方法 退火的一个最主要工艺参数是最高 加热温度（退火温度），大多数合金的 退火加热温度的选择是以该合金系的相 图为基础的,如碳素钢以铁碳平衡图为基 础。各种钢(包括碳素钢及合金

9、钢)的退 火温度，视具体退火目的的不同而在各 该钢种的Ac3以上、Ac1以上或以下的某 一温度。各种非铁合金的退火温度则在 各该合金的固相线温度以下、固溶度线 温度以上或以下的某一温度。 重结晶退火重结晶退火 应用于平衡加热和冷却时有固态相变 (重结晶)发生的合金。其退火温度为各该 合金的相变温度区间以上或以内的某一温 度。 加热和冷却都是缓慢的。 合金于加热和冷却过程中各发生一次 相变重结晶，故称为重结晶退火，常被简 称为退火。 这种退火方法，相当普遍地应用于钢。 钢的重结晶退火工艺是: 缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢 或过共析钢）以上3050，保持适当时间，然 后缓慢冷却下来

10、。 通过加热过程中发生的珠光体（或者还有先 共析的铁素体或渗碳体）转变为奥氏体（第一回 相变重结晶）以及冷却过程中发生的与此相反的 第二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、 组织均匀的珠光体(或者还有先共析铁素体或渗 碳体)。 退火温度退火温度在Ac3以上（亚共析钢）使钢发生完全的重 结晶者，称为完全退火完全退火，退火温度在Ac1与Ac3之间 (亚共 析钢)或Ac1与Acm之间（过共析钢）,使钢发生部分的重结 晶者,称为不完全退火不完全退火。 前者主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊件，以消 除组织缺陷（如魏氏组织、带状组织等），使组织变细和 变均匀，以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用于中碳和

11、 高碳钢及低合金结构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧 后的冷却速度较大时，形成的珠光体较细、硬度较高；若 停锻、停轧温度过低，钢件中还有大的内应力。此时可用 不完全退火代替完全退火，使珠光体发生重结晶,晶粒变 细，同时也降低硬度，消除内应力,改善被切削性。此外, 退火温度在Ac1与Acm之间的过共析钢球化退火,也是不完 全退火。 重结晶退火也用于非铁合金，例如钛合金于加热 和冷却时发生同素异构转变，低温为 相(密排 六方结构)，高温为 相（体心立方结构），其 中间是“”两相区，即相变温度区间。为 了得到接近平衡的室温稳定组织和细化晶粒，也 进行重结晶退火，即缓慢加热到高于相变温度区 间不多的温

12、度，保温适当时间，使合金转变为 相的细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使相再转 变为相或两相的细小晶粒。 等温退火等温退火 应用于钢和某些非铁合金如钛合金的一种控 制冷却的退火方法。对钢来说，是缓慢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（共析钢和过共析钢） 以上不多的温度，保温一段时间,使钢奥氏体化, 然后迅速移入温度在A1以下不多的另一炉内， 等温保持直到奥氏体全部转变为片层状珠光体 （亚共析钢还有先共析铁素体；过共析钢还有先 共析渗碳体）为止，最后以任意速度冷却下来 (通常是出炉在空气中冷却)。等温保持的大致温 度范围在所处理钢种的等温转变图上A1至珠光 体转变鼻尖温度这一区间之内(见过冷奥氏体转

13、 变图)；具体温度和时间，主要根据退火后所要 求的硬度来确定。 等温温度不可过低或过高，过低则退火 后硬度偏高；过高则等温保持时间需要延长。 钢的等温退火的目的，与重结晶退火基本相 同,但工艺操作和所需设备都比较复杂,所以 通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相 变温度区间转变相当缓慢的合金钢。后者若 采用重结晶退火方法，往往需要数十小时， 很不经济；采用等温退火则能大大缩短生产 周期，并能使整个工件获得更为均匀的组织 和性能。等温退火也可在钢的热加工的不同 阶段来用。 例如,若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室 温时，当心部转变为马氏体之时，在已发生 了马氏体相变的外层就会出现裂纹;若将该类

14、钢的热钢锭或钢坯在冷却过程中放入700左 右的等温炉内，保持等温直到珠光体相变完 成后，再出炉空冷，则可免生裂纹。 含相稳定化元素较高的钛合金，其 相相当稳定，容易被过冷。过冷的相，其 等温转变动力学曲线与钢的过冷奥氏体等温 转变图相似。为了缩短重结晶退火的生产周 期并获得更细、更均匀的组织，亦可采用等 温退火。 均匀化退火均匀化退火 亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金（如锡青铜、 硅青铜、白铜、镁合金等）的铸锭或铸件的一种退火 方法。将铸锭或铸件加热到各该合金的固相线温度以 下的某一较高温度,长时间保温,然后缓慢冷却下来。 均匀化退火是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻 化学成分不均匀性（偏析

15、），主要是减轻晶粒尺度内 的化学成分不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。均 匀化退火温度所以如此之高，是为了加快合金元素扩 散，尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度 远高于Ac3，通常是10501200。非铁合金锭进行均 匀化退火的温度一般是“0.95固相线温度(K)”,均 匀化退火因加热温度高，保温时间长，所以热能消耗 量大。 球化退火球化退火 只应用于钢的一种退火方法。将钢 加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使 温度在A1上下周期变化，然后缓冷下来。 目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及 先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布 于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光 体)。具有这种组织的中碳

16、钢和高碳钢硬 度低、被切削性好、冷形变能力大。对 工具钢来说，这种组织是淬火前最好的 原始组织。 球化退火的具体工艺球化退火的具体工艺 普通（缓冷）球化退火，缓冷适用于多数钢种，尤其 是装炉量大时，操作比较方便，但生产周期长； 等温球化退火，适用于多数钢种，特别是难于球化的 钢以及球化质量要求高的钢（如滚动轴承钢）；其生产 周期比普通球化退火短，不过需要有能够控制共析转变 前冷却速率的炉子； 周期球化退火，适用于原始组织为片层状珠光体组织 的钢，其生产周期也比普通球化退火短，不过在设备装 炉量大的条件下，很难按控制要求改变温度，故在生产 中未广泛采用； 低温球化退火），适用于经过冷形变加工的钢

17、以及淬 火硬化过的钢（后者通常称为高温软化回火）； 形变球化退火，形变加工对球化有加速作用,将形变加 工与球化结合起来,可缩短球化时间。它适用于冷、热形 变成形的钢件和钢材（如带材 再结晶退火工艺再结晶退火工艺 应用于经过冷变形加工的金属及 合金的一种退火方法。目的为使金属 内部组织变为细小的等轴晶粒，消除 形变硬化，恢复金属或合金的塑性和 形变能力（回复和再结晶）。若欲保 持金属或合金表面光亮，则可在可控 气氛的炉中或真空炉中进行再结晶退 火。 去除应力退火 铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度 不同而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中 以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内 应力较

18、大而未及时予以去除，常导致工件变形甚 至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到 较低温度（例如，灰口铸铁是500550，钢是 500650），保温一段时间,使金属内部发生 弛豫，然后缓冷下来。应该指出,去除应力退火 并不能将内应力完全去除，而只是部分去除，从 而消除它的有害作用。 还有一些专用退火方法，如不锈耐酸钢稳定 化退火；软磁合金磁场退火；硅钢片氢气退火； 可锻铸铁可锻化退火等。 退火的目的在于： 改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和 焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残 余应力，防止工件变形、开裂。 软化工件以便进行切削加工。 细化晶粒，改善组织以提高工件的机械 性能。 为最终热处理（

19、淬火、回火）作好组织 准备。 总结总结常用的退火工艺有： 完全退火。用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后 出现的力学性能不佳的粗大过热组织。将工件加热到铁素 体全部转变为奥氏体的温度以上3050，保温一段时间， 然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变， 即可使钢的组织变细。 球化退火。用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度。 将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上2040，保 温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变 为球状，从而降低了硬度。 等温退火。用以降低某些镍、铬含量较高的合金结构钢 的高硬度，以进行切削加工。一般先以较快速度冷却到奥 氏体最不稳定的温度，保温适当

20、时间，奥氏体转变为托氏 体或索氏体，硬度即可降低。 再结晶退火。用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过 程中的硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度一般 为钢开始形成奥氏体的温度以下50150 ，只有这样才 能消除加工硬化效应使金属软化。 石墨化退火。用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良 好的可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到950左右 ，保 温一定时间后适当冷却 ，使渗碳体分解形成团絮状石墨。 扩散退火。用以使合金铸件化学成分均匀化，提高其使 用性能。方法是在不发生熔化的前提下 ，将铸件加热到尽 可能高的温度，并长时间保温，待合金中各种元素扩散趋 于均匀分布后缓冷。 去应力退火。用以消除钢铁铸

21、件和焊接件的内应力。对 于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100200， 保温后在空气中冷却，即可消除内应力。 淬火淬火 quench; quenching; chilling 钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚 共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温 度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏 体化，然后以大于临界冷却速度的冷速快 冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏 体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常 也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃 等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的 热处理工艺称为淬火。 淬火目的淬火目的 淬火的目的是使过冷奥氏体进行马 氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏

22、 体组织，然后配合以不同温度的回火， 以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、 疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机 械零件和工具的不同使用要求。也可以 通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、 耐蚀性等特殊的物理、化学性能。 淬火工艺淬火工艺 将金属工件加热到某一适当温度并保持一段 时间，随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处 理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、 空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性， 因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨 的零件（如齿轮、轧辊、渗碳零件等）。通过淬 火与不同温度的回火配合，可以大幅度提高金属 的强度、韧性及疲劳强度，并可获得这些性能之 间的配合（综合机械

23、性能）以满足不同的使用要 求。 另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定 的物理化学性能，如淬火使永磁钢增强其铁 磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主 要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以 上时，原有在室温下的组织将全部或大部转 变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷 却，奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组 织相比，马氏体硬度最高。淬火时的快速冷 却会使工件内部产生内应力，当其大到一定 程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为 此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法， 淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏 体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。 淬火工件的硬度淬火工件的硬度 淬火工件的硬度影响了淬

24、火的效果。 淬火工件一般采用洛氏硬度计，测试HRC 硬度。淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可 测试HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火 钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm 的淬火钢棒，可改用表面洛氏硬度计，测 试HRN硬度。 在焊接中碳钢和某些合金钢时，热影 响区中可能发生淬火现象而变硬，易形成 冷裂纹，这是在焊接过程中要设法防止 的。 由于淬火后金属硬而脆，产生的表面残余应 力会造成冷裂纹，回火可作为在不影响硬度的基 础上，消除冷裂纹的手段之一。 淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适， 对于过大的零件，淬火深度不够，渗碳也存在同 样问题，此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增 加强度。 淬火

25、是钢铁材料强化的基本手段之一。钢中 马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相(表1)，故钢 件淬火可以获得高硬度、高强度。但是，马氏体 的脆性很大，加之淬火后钢件内部有较大的淬火 内应力，因而不宜直接应用，必须进行回火。 淬火工艺的应用淬火工艺的应用 淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应 用。机械中重要零件，尤其在汽车、飞机、火箭 中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种 零件干差万别的技术要求，发展了各种淬火工艺。 如，按接受处理的部位，有整体、局部淬火和表 面淬火；按加热时相变是否完全，有完全淬火和 不完全淬火(对于亚共析钢，该法又称亚临界淬 火)；按冷却时相变的内容，有分级淬火，等温 淬火和

26、欠速淬火等。 工艺过程 包括加热、保温、冷却3个阶段。 下面以钢的淬火为例，介绍上述三个阶段工艺参 数选择的原则。 淬火加热温度淬火加热温度 以钢的相变临界点为依据，加热时要形成细小、均匀奥氏 体晶粒，淬火后获得细小马氏体组织。 淬火温度选择原则适用于大多数合金钢，尤其低合金钢。 亚共析钢加热温度为Ac3温度以上3050。从图上看，高温 下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内，故称为完全淬火。如亚 共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度，则高温下部分先共析 铁素体未完全转变成奥氏体，即为不完全(或亚临界)淬火。过 共析钢淬火温度为Ac1温度以上3050，这温度范围处于奥 氏体与渗碳体(A+C)双

27、相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属 不完全淬火，淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这 -组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢，若加热温 度过高，先共析渗碳体溶解过多，甚至完全溶解，则奥氏体晶 粒将发生长大，奥氏体碳含量也增加。淬火后，粗大马氏体组 织使钢件淬火态微区内应力增加，微裂纹增多，零件的变形和 开裂倾向增加；由于奥氏体碳浓度高，马氏体点下降，残留奥 氏体量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。 实际生产中，加热 温度的选择要根据具 体情况加以调整。如 亚共析钢中碳含量为 下限，当装炉量较多， 欲增加零件淬硬层深 度等时可选用温度上 限；若工件形状复杂， 变形要求严格等要采 用温度

28、下限。 表2常用钢种淬火的加热温度 淬火保温淬火保温 淬火保温时间 由设备加热方式、零 件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等 多种因素确定。对整体淬火而言，保温的 目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对 各类淬火，其保温时间最终取决于在要求 淬火的区域获得良好的淬火加热组织。 加热与保温是影响淬火质量的重要环 节，奥氏体化获得的组织状态直接影响淬 火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在 58级。 淬火冷却淬火冷却 要使钢中高温相奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳 相马氏体，冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在 冷却过程中，表面与心部的冷却速度有一定差异，如果这种差 异足够大，则可能造成大于临界冷

29、却速度部分转变成马氏体， 而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。 为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力 足够强的淬火介质，以保证工件心部有足够高的冷却速度。但 是冷却速度大，工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力，可 能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素，合理选 择淬火介质和冷却方式。 冷却阶段不仅零件获得合理的组织，达到所需要的性能， 而且要保持零件的尺寸和形状精度，是淬火工艺过程的关键环 节。 淬火方式淬火方式 单介质淬火单介质淬火 工件在一种介质中冷却，如水淬、油淬。 优点是操作简单，易于实现机械化，应用广泛。 缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂； 在油

30、中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不 易淬透。 双介质淬火双介质淬火 工件先在较强冷却能力介质中冷却到300 左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却， 如：先水淬后油淬，可有效减少马氏体转变的 内应力，减小工件变形开裂的倾向，可用于形 状复杂、截面不均匀的工件淬火。双液淬火的 缺点是难以掌握双液转换的时刻，转换过早容 易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。为了克服这 一缺点，发展了分级淬火法。 分级淬火分级淬火 工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的 温度在Ms点附近，工件在这一温度停留2min5min， 然后取出空冷，这种冷却方式叫分级淬火。分级冷却 的目的，是为了使工件内外温度较为均匀，

31、同时进行 马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂。 分级温度以前都定在略高于Ms点，工件内外温度均匀 以后进入马氏体区。现在改进为在略低于Ms点的温度 分级。实践表明，在Ms点以下分级的效果更好。例如， 高碳钢模具在160的碱浴中分级淬火，既能淬硬，变 形又小，所以应用很广泛。 等温淬火等温淬火 工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部 (稍高于Ms)，工件等温停留较长时间，直到贝氏体转变结 束，取出空冷。等温淬火用于中碳以上的钢，目的是为了 获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。低碳 钢一般不采用等温淬火。 表面淬火表面淬火 表面淬火是将刚件的表面层淬透到一定的深度，而

32、心 部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火 时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量 来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。 感应淬火感应淬火 感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工 件进行加热。 正火 normalization; normalizing 正火，又称常化，是将工件加热至Ac3或Accm以上 3050，保温一段时间后，从炉中取出在空气中或喷 水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。正火 与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快， 因而正火组织要比退火组织更细一些，其机械性能也 有所提高。另外，正火

33、炉外冷却不占用设备，生产率 较高，因此生产中尽可能采用正火来代替退火。 正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析 钢为S+二次渗碳体，且为不连续。 正火主要用于钢铁工件。一般钢铁正火与退火相似，但冷却 速度稍大，组织较细。有些临界冷却速度（见淬火）很小的 钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处理 不属于正火性质，而称为空冷淬火。与此相反，一些用临界 冷却速度较大的钢制作的大截面工件，即使在水中淬火也不 能得到马氏体，淬火的效果接近正火。钢正火后的硬度比退 火高。正火时不必像退火那样使工件随炉冷却，占用炉子时 间短，生产效率高，所以在生产中一般尽可能用正火代替退 火。对于含

34、碳量低于0.25的低碳钢，正火后达到的硬度适 中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火为切削加工作 准备。对含碳量为0.250.5的中碳钢，正火后也可以满 足切削加工的要求。对于用这类钢制作的轻载荷零件，正火 还可以作为最终热处理。高碳工具钢和轴承钢正火是为了消 除组织中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。 钢件的热处理工艺正火 钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两 大类。常用的整体热处理有退火，正火、淬火和回火； 表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。 正火是将钢件加热到临界温度以上30-50,保温 适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为 正火。正火的主要目的是细化组织，改

35、善钢的性能， 获得接近平衡状态的组织。 正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却 速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。故退火与 正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。 大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一 般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度 较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。 正火的主要应用范围有： 用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作 为切削加工的预处理。 用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为 用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳 化物的形成，从而得到球化退火所需的良

36、好组织。用于铸 钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。 用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大 的开裂倾向。 用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于 制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳 体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。 回火tempering 回火是工件淬硬后加热到AC1以下的某一温度， 保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火一般紧接着淬火进行，其目的是： (a)消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形 和开裂；(b)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性， 达到使用性能要求；(c)稳定组织与

37、尺寸，保证精度； (d)改善和提高加工性能。因此，回火是工件获得所 需性能的最后一道重要工序。 按回火温度范围，回火可分为低温回火、中温 回火和高温回火。 (1)低温回火低温回火 工件在250以下进行的回火。 目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降 低淬火残留应力和脆性 回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温 回火时得到的组织。 力学性能：5864HRC，高的硬度和耐磨 性。 应用范围：刃具、量具、模具、滚动轴承、 渗碳及表面淬火的零件等。 (2)中温回火中温回火 工件在250500 之间进行的回火。 目的是得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。 回火后得到回火托氏体，指马氏体回火时形成的铁 素

38、体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的 复相组织。 力学性能：3550HRC，较高的弹性极限、屈服 点和一定的韧性。 应用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。 (3)高温回火高温回火 工件在500以上进行的回火。 目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学 性能。 回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的 铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体） 的复相组织。 力学性能：200350HBS，较好的综合力学性 能。 应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件， 如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。 工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。 调质不仅作最终热处理，也可作一些精密零件或感应

39、淬火件预先热处理。 45钢正火和调质后性能比较见下表所示。 45钢(20mm40mm)正火和调质后性能比较 注意事项 将淬火成马氏体的钢加热到临界点A A1以下某个温度，保温 适当时间，再冷到室温的一种热处理工艺。回火的目的在于消 除淬火应力，使钢的组织转变为相对稳定状态。在不降低或适 当降低钢的硬度和强度的条件下改善钢的塑性和韧性，以获得 所希望的性能。中碳和高碳钢淬火后通常硬度很高，但很脆， 一般需经回火处理才能使用。钢中的淬火马氏体，是碳在- Fe中的过饱和固溶体,具有体心正方结构，其正方度c/a随含碳 量的增加而增大(c/a=1+0.045wtC)。马氏体组织在热力学上 是不稳定的，有

40、向稳定组织过渡的趋势。许多钢淬火后还有一 定量的残留奥氏体，也是不稳定的，回火过程中将发生转变。 因此，回火过程本质上是在一定温度范围内加热粹火钢，使钢 中的热力学不稳定组织结构向稳定状态过渡的复杂转变过程。 转变的内容和形式则视淬火钢的化学成分和组织，以及加热温 度而有所不同。 热处理知识 退火： Th 加热-保温-随炉冷却 用来消除铸、锻、焊零件的内应力，降 低硬度，以利切削加工，细化晶粒，改 善组织，增加韧性 热处理知识 正火： Z 加热-保温-空气冷却 用于处理低碳钢、中碳结构钢及渗碳零 件，细化晶粒，曾加强度与韧性，减少 内应力，改善切削性能 热处理知识 淬火： C C48(淬火回火

41、45-50HRC) 加热-保温- 急冷 提高机件强度及耐磨性。但淬火后引起 内应力，使钢变脆，所以淬火后回火 热处理知识 调质： T T235（调质至HB220-250） 淬火- 高温回火 提高韧性及强度。重要的齿轮、轴及丝 杠等零件需要调质 热处理知识 高频淬火： G G52（高频淬火后回火至50-55HRC） 用高频电流将零件表面加热-急速冷却 提高机件表面的硬度及耐磨性，而心部 保持一定的韧性，使零件既耐磨又能承 受冲击，常用来处理齿轮 中频或高频交流电 (1000-300000Hz 或更高) 工频（50Hz） 热处理知识 渗碳淬火： S-C S0.5-C59（渗碳层深0.5，淬火硬度5

42、6- 62HRC） 将零件在渗碳中加热，使渗入钢的 表面后，在淬火回火 渗碳深度0.5-2mm 提高机件表面的硬度、耐磨性、抗拉强度等适 用于低碳、中碳（C0.40%）结构钢的中小型 零件 热处理知识 氮化： D D0.3-900 （氮化深度0.3，硬度大于 HV850）将零件放入氨气内加热，使氮原子 渗入到钢表面。氮化层0.025-0.8mm，氮化时 间40-50小时 提高机件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗 蚀能力。适用于合金钢、碳钢、铸铁件，如机 床主轴、丝杠、重要液压元件中的零件 38CrMoAl 铝在高温下对氮 原子有亲和作用 热处理知识 氰化： Q Q59（氢化淬火后，回火至26-

43、62HRC） 钢件在碳、氮中加热，使碳、氮原子同时渗入 钢表面。可得到0.2-0.5氢化层 提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性， 用于要求硬度高、耐磨的中小型、薄片零件及 刀具等 热处理知识 时效： 时效处理 机件精加工前，加热到100- 150后，保温5-20小时-空气冷却，铸 件可天然时效（露天放一年以上） 消除内应力，稳定机件形状和尺寸，常 用于处理精密机件，如精密轴承、精密 丝杠等 表面处理 发蓝发黑： 发蓝或发黑 将零件置于氧化剂内加热氧 化，使表面形成一层氧化铁保护膜 防腐蚀、美化，如用于螺纹连接件 表面处理 镀镍： 使用电解方法，在钢件表面镀一层镍 防腐蚀、美化 镀铬： 使用

44、电解方法，在钢件表面镀一层铬 提高表面硬度、耐磨性和耐蚀能力，也 用于修复零件上磨损了的表面 铬：装饰 镉：硬度 镀镍、镀铜做底层 硬度知识 依测定方法不同而有布氏、洛氏、维氏等 几种 HB（布氏硬度）、HRC（洛氏硬度）、HV （维氏硬度） 1.材料抵抗硬物压入其表面的能力 2. 检验材料经热处理后的机械性能 3.硬度HB用于退火、正火、调质的零件及 铸件。 4. HRC用于经淬火、回火及表面渗碳、渗 氮等处理的零件。 5.HV用于薄层硬化零件 HB是用一定的力将一定直径（2.5、5、 10）的钢球压向被测材料的表面，然后 测量被测材料表面钢球压痕的直径以判 断材料的硬度。 材料的原始状态和

45、钢材的退火、正火或 调质常用HB。 HR有A、B 、C3三种。 A和C 用120度的金刚石正圆锥体作测头， B用直径1.588的钢球作测头。 测量方法都是先用一个预压力将测头压 在被测材料的表面，再施以主压力，然 后撤除主压力，测量压入深度判断材料 的硬度。 HV是对HR的一种改良。 因120度的正圆锥体不符合金刚石的晶 体结构，不易磨好，所以HV将测头改为 棱圆椎体，顶端可以制作得非常精良。 测量方法同HR。 HRA和HV用来测量材料经表面热处理， 如氮化、渗碳以后的表面硬度， HRC常用于测量淬火后硬度。 第二课 常用金属材料 1. 碳素结构钢 2. 优质碳素结构钢 3. 铬钢 4. 铬锰

46、钛钢 5. 铸钢 6.灰铸铁 7.球墨铸铁 8.可锻铸铁 9.有色金属及合金 碳素结构钢 Q215 A级、B级 金属构件、拉杆、套圈、铆钉、螺栓、短 轴、心轴、凸轮（载荷不大）、垫圈；渗 碳零件及焊接件 Q235 A级、B级、C级、D级 金属构件，心部强度要求不高的渗碳或氰化零件， 吊钩、拉杆、套圈、汽缸、齿轮、螺栓、螺母、 连杆、轮轴、楔、盖及焊接件 “Q”为碳素 结构钢屈服 点“屈”的 汉语拼音首 字母 A3 Q275 轴、轴销、刹车杆、齿轮、 螺栓、螺母、垫圈、连杆及其他 强度较高的零件 优质碳素结构钢 08F 可塑性能好的零件： 管子、垫圈、渗碳件、氰化件 10 15 20 25 10

47、拉杆、卡头、垫圈、焊接件 15渗碳件、紧固 件、冲模锻件、化工贮器 20杠杆、轴套、钩、 螺钉、渗碳件、氰化件 25轴、辊子、连接器、 紧固件中的螺栓、螺母 牌号的两位 数字表示平 均碳的质量 分数 万分数 F代表 沸腾钢 含碳量在0.25%以 下的为低碳钢 （渗碳钢） 板料拉伸 08Al 中碳钢 30 曲轴、转轴、轴销、连杆、横梁、星轮 35 曲轴、拉杆、摇杆、键、销、螺栓 40 齿轮、齿条、链轮、凸轮、轧辊、曲柄轴 45 齿轮、轴、联轴器、衬套、活 塞销、链轮 50 活塞杆、轮轴、齿轮、不重要的弹簧 55 齿轮、连杆、扁弹簧、轧辊、偏心轮、轮 圈、轮缘 60 叶片、弹簧 锰钢 30Mn 螺

48、栓、杠杆、制动板 40Mn 用于承受疲劳载荷的零件，轴、曲轴、万向联 轴器 50Mn 用于高负荷下耐磨的热处理零件，齿轮、凸轮、 摩擦片 60Mn 弹簧、发条 推土机的铲 刃 电动磨的磨 片 65Mn 铬钢 15Cr 渗碳齿轮、凸轮、活塞销、离合器 20Cr 较重要的渗碳件 30Cr 重要的调质零件：轮轴、齿轮、摇杆、 螺栓 40Cr 较重要的调质零件：齿轮、进气阀、辊 子、轴 45Cr 强度及耐磨性高的轴、齿轮、螺栓 钢中加入一定量的合金元 素，提高了钢的力学性能 和耐磨性，也提高了钢的 淬透性，保证金属在较大 截面上获得高的力学性能 铬锰钛钢 18CrMnTi 汽车上重要渗碳件：齿轮 30

49、CrMnTi 汽车、拖拉机上强度特高的 渗碳齿轮 40CrMnTi 强度高、耐磨性高的大齿轮、 主轴 不锈钢 1Cr18Ni9Ti 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 白钢刀方 W18Cr4V2 高速钢 一般含Cr大 于13%的为不 锈钢，低于 13%的为耐热 钢 铸钢 ZG25 机座、箱体、支架（万分 碳含量） ZG230-450 轧机机架、铁道车 辆摇枕、侧梁、铁铮台、机座、 箱体、锤轮、450以下的管路 附件等 为工程用铸钢 表示屈服点为 230N/mm，抗拉 强度450N/mm 灰铸铁 HT 100 低强度铸铁：盖、手轮、支架 HT 150 中强度铸铁：底座、刀架、轴承座、

50、 胶带轮、端盖 HT 200、HT 250 高强度铸铁：床身、机座、 齿轮、凸轮、气缸泵体、联轴器 HT 300、HT 350 高强度耐磨铸铁：齿轮、 凸轮、重载荷床身、高压泵、阀壳体、锻模、 冷冲压模 “HT”表示灰铸铁， 后面的数字表示 抗拉强度值 （N/mm） 球墨铸铁 QT800-2、QT700-2、QT600-2 具有 较高的强度，但塑性低：曲轴、凸轮轴、 齿轮、气缸、缸套、轧锟、水泵轴、活 塞环、摩擦片 QT500-5、QT420-10、QT400-17 具 有较高的塑性和适当的强度，用于承受 冲击负荷的零件 “QT”表示球墨铸铁， 其后第一组数字表示抗 拉强度值（N/mm），第

51、二组数字表示延伸率（%） 可锻铸铁 KTH 300-06、KTH 330-08*、KTH 350-10、 KTH 370-12* 黑心可锻铸铁：用于承受冲击 震动的零件，如汽车、拖拉机、农机铸铁 KTB 350-04、KTB 380-12、KTB400-05、 KTB 450-07 白心可锻铸铁：韧性较低，但强 度高，耐磨性、加工性好。可代替低、中碳钢 及低合金钢的重要零件，如曲轴、连杆、机床 附件等 “KT”表示可锻铸铁， “H”表示黑心“B” 表示白心，第一组数 值表示抗拉强度 （N/mm），第二组数 值表示延伸率（%） （注：1.KTH300-06 适用于气密性零件。 2.有*号的为推荐

52、性 牌号） 普通黄铜： H62 散热器，垫圈，弹簧、各种网， 螺钉等 “H”表示黄铜，后面上的数字表示 平均含铜量的百分数 铸造黄铜： ZHMn 58-2-2 轴瓦，轴套及其它 耐磨零件 牌号的数字表示含铜、锰、铅的平 均百分数 离心铸造 铸造锡青铜 ZCuSn5Pb5Zn5 用于承受摩擦的零件，如轴承 “Z”为铸造汉语拼音的首字母，各化学元素后 面的数字表示该元素含量的百分数 铸造铝青铜： ZCuAl9Mn2、ZCuAl10Fe3 强度高，减磨性、 耐蚀性、铸造性良好，可用于制造蜗轮、衬套 和防锈零件 “Z”为铸造汉语拼音的首字母，各化学元素后 面的数字表示该元素含量的百分数 铸造铝合金 Z

53、L 201、ZL 301、ZL 401 载荷不大的 薄壁零件，需保持固定尺寸的零件 ZL102表示含硅（10-13） % 、余量为 铝的铝硅合金。 ZL202表示含铜（9-11）%、余量为铝 的铝铜合金 硬铝 LY 适用于中等强度的零件，焊接性能好 切削刀具材料 (1)刀具材料应具备的性能 高硬度。常温硬度在HRC60以上。 足够的强度和韧性。抗弯强度足够，抵抗冲击 振动的韧性足够。 高耐磨性。抵抗磨损能力高，保持刀刃锋利 高热硬性。高温下保持高的硬度。 良好的工艺性。便于刀具制造和热处理。 (2)刀具材料种类 A.普通刀具材料 （a）碳素工具钢 含碳量：0.7%-1.3%，硬度：HRC61-

54、65， 热硬性：200-250，速度：0.1-0.2m/s。 淬火后易变形和开裂，适用于简单、低速的 手工工具，如锉刀、锯条、刮刀等。常用牌 号：T10A、T12A。 T7、T8、T10、T10A、 T12、T12A、T13 含碳量增加、热处理 后的硬度不再增加， 但耐磨性增加 （b）合金工具钢 碳素工具钢中加入适量的铬（Cr）、 钨（W）、锰（Mn）、硅（Si）等合金元 素，提高材料的热硬性、耐磨性和韧性。 硬度：HRC61-65，热硬性：300-350， 速度0.25-0.3m/s。 淬火变形小、淬透性好。常用于制造 形状复杂、低速加工和要求热处理变形小 的刀具，如丝锥、板牙等。常用的牌号有 CrWMn和9SiCr等。 （c）高速钢 高速钢又称白钢、锋（或风）钢，钢 中加入铬（Cr）、钨（W）、钒（V）、 钼（M