机械制造工程第三章节

第三章钢的热处理及金属的表面处理第一页，共五十页。教学目的与要求：1.了解热处理的基本原理。2.掌握常用热处理的主要工艺过程、作用与应用。3.了解机械零件常用的表面防护方法。教学内容：1.钢的热处理的基本原理。2.钢的常规热处理及表面热处理的种类，工艺过程，作用及应用。3.钢的热处理工艺选用。4.金属的表面防护处理。重点、难点重点：钢的常用热处理，作用及应用。难点：钢的热处理的基本原理。第二页，共五十页。1.热处理及其主要参数概念：热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。工艺参数——加热温度（T）、保温时间（t）、冷却速度(V冷)

热处理工艺曲线示意图概述

第三页，共五十页。热处理工艺曲线示意图第四页，共五十页。2.热处理的主要作用

⑴改变工件的内部组织；⑵改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求；⑶改变工件表层的成分、组织、性能；⑷热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷。第五页，共五十页。3.热处理的分类第六页，共五十页。4.表面处理概念：表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。第七页，共五十页。第一节钢的热处理基本原理

一、钢在加热时的组织转变

（一）相变温度第八页，共五十页。（二）奥氏体的形成和晶粒长大1、奥氏体的形成第九页，共五十页。2、影响A晶粒大小的因素加热温度对晶粒度的影响（1）材质方面（2）工艺因素方面加热温度保温时间第十页，共五十页。二、钢在冷却时的组织转变第十一页，共五十页。(一)等温冷却组织转变（以共析钢为例）第十二页，共五十页。1.高温组织转变

2.中温组织转变

3.低温组织转变第十三页，共五十页。珠光体3800倍索氏体8000倍屈氏体8000倍珠光体型组织第十四页，共五十页。电子显微照片5000倍光学显微照片500倍上贝氏体形态光学显微照片500倍下贝氏体形态电子显微照片12000倍第十五页，共五十页。板条马氏体片状马氏体第十六页，共五十页。（二）共析钢的连续冷却组织转变第十七页，共五十页。第二节钢的普通热处理

概念：将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600℃以下，再空冷至室温的热处理工艺。方法分类:

完全退火、不完全退火、扩散退火、再结晶退火、去应力退火。一、退火第十八页，共五十页。1.完全退火（亚共析钢）加热温度：Ac3以上20～30℃作用和目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。第十九页，共五十页。2.不完全退火（共析钢和过共析钢）加热温度：Ac1+（20～40℃）作用和目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。第二十页，共五十页。3.扩散退火加热温度:略低于固相线的温度作用和目的:是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。第二十一页，共五十页。4.再结晶退火加热温度：再结晶温度以上。作用和目的：要消除加工硬化，降低强度和硬度，使钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。第二十二页，共五十页。5.去应力退火加热温度：温度低、保温时间长作用和目的是减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余内应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。第二十三页，共五十页。第二十四页，共五十页。正火的目的：1.改善钢的切削加工性能；2.消除工件的热加工缺陷；3.消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火；4.代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率。二、正火加热温度：Ac3或Accm以上30℃～50℃第二十五页，共五十页。三、淬火淬火就是把钢件加热到Ac3或Ac1以上温度，经过保温后迅速冷却至室温的热处理工艺。1.淬火的目的（1）等温淬火，目的是获得下贝氏体；（2）普通淬火，目的是获得马氏体。第二十六页，共五十页。1）加热温度2.淬火工艺第二十七页，共五十页。2）保温时间保温的目的是使工件烧透，组织转变充分。保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。3）冷却速度实际冷却速度V必须大于该钢的临界淬火冷却速度VC。第二十八页，共五十页。3.常用的淬火方法第二十九页，共五十页。4.钢的淬硬性与淬透性1）钢的淬硬性定义：是指钢能够淬硬的程度，也就是钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低，是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度。影响因素：C%=0.8%以下，含C量增加，淬硬性提高；C%〉0.8%以后，没有明显提高。

例：T10〉40Cr〉20CrMnTi第三十页，共五十页。2）钢的淬透性定义：是指钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的多少，以钢在一定淬火条件下得到马氏体深度来表示，深度越大，淬透性越好。影响因素：钢的淬透性主要与合金元素及其含量有关，合金元素（除钴、铝外）使“C”曲线右移，减小临界淬火冷却速度，提高钢的淬透性。例：20CrMnTi〉40Cr〉T10第三十一页，共五十页。四、回火回火是把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。1、回火的目的⑴消除内应力；⑵稳定工件组织；⑶调整组织、性能。第三十二页，共五十页。2、回火的种类⑴低温回火（150~250℃）回火组织：回火马氏体。目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。应用：用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。第三十三页，共五十页。⑵中温回火（350～500℃）回火组织：回火屈氏体，是极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。目的：是提高弹性和韧性，并保持一定的硬度。应用：用于各种弹簧、锻模、压铸模等工件的热处理。第三十四页，共五十页。⑶高温回火（500～650℃）

回火组织：回火索氏体，是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。目的：使具有一定强度和硬度，又有较高的冲击韧性。应用：用于受力大而复杂的零件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。调质处理——淬火后高温回火。第三十五页，共五十页。3、回火工艺参数回火温度和回火时间4、钢在回火时主要缺陷硬度过低硬度过高、脆性过大第三十六页，共五十页。第三节钢的表面热处理一、钢的表面淬火1、何谓表面淬火？表面淬火是利用快速加热的方法，使钢件表层迅速奥氏体化，当热量尚未传至心部时，将其迅速冷却。

2、种类

感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火等第三十七页，共五十页。3、应用材料、组织性能表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。调制处理

表面淬火+低温回火，表层得到回火马氏体，硬而耐磨；心部为回火索氏体，强而韧。用于齿轮、轴类等零件的表面硬化，提高耐磨性。第三十八页，共五十页。4、感应加热表面淬火

（1）原理过程感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火第三十九页，共五十页。（2）种类高频淬火；中频淬火；

工频淬火（3）特点优点：a、高质高效；缺点：b、投入较大；c、专用感应加热圈，中间形状和零件形状相似；d、灵活性差；e、零件尺寸较大、数量较小的不适合。（4）应用较大批量，零件数量较多，形状规则简单中小尺寸件）。

第四十页，共五十页。二、化学热处理1、何谓化学热处理？将工件放入一定的化学介质中，经过加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被工件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。2、原子渗入工件表层基本过程分解、外扩散、吸附、内扩散第四十一页，共五十页。3、常用方法（1）渗碳①概念：渗碳是把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层的化学热处理方法。②适用材料、组织性能渗碳用钢一般为低碳钢。表层为高碳回火马氏体，硬而耐磨；内部为低碳回火马氏体，较好的强韧性。第四十二页，共五十页。③特点（与表面淬火相比）优点：更硬更耐磨；缺点：效率低、费用高，并且易变形；④应用一般条件下使用，受力较大，表面摩擦较大的低碳钢件。如齿轮、轴类、链条、套筒等。⑤分类气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳第四十三页，共五十页。（2）渗氮（氮化）①概念：向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度的富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮（氮化）。②适用材料、组织性能氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢。表层：氮化物质，HRC70以上，硬度更高，耐磨性更好，耐热，耐腐蚀，抗疲劳性都好。内部：中碳合金回火索氏体，具有更高的强度，更好的韧性。第四十四页，共五十页。③特点（和渗C相比）优点：表层性能更优良，变形小；缺点：效率低，费用高，渗层浅，钢种受限。④应用在高温腐蚀性介质中工作，受力大，表面摩擦大的重要精密件，如航空齿轮。⑤分类气体氮化、离子氮化第四十五页，共五十页。（3）碳氮共渗（氰化）

碳氮共渗是同时向工件表面渗入活性碳原子和活性氮原子的一种化学热处理工艺，因早期只使用剧毒的氰盐（NaCN或KCN）作为介质，故又名为氰化。分类：高温氰化、中温氰化和低温氰化。第四十六页，共五十页。第四节钢的热处理工艺选用一、选用原则方法简单、费用低、少污染。二、考虑因素工件材料、目的和作用。第四十七页，共五十页。本章小结本章主要讲述了钢的热处理的基本原理、钢的常规热处理及表面热处理的种类，工艺过程，作用及应用。1、掌握热处理的概念、分类。2、了解热处理的基本原理，其中共析钢的等温组织转变产物以及性能变化要求掌握。3、了解常用热处理（退火、正火、淬火、回火）的概念、主要工艺过程与应用、掌握其相应的目的作用。4、掌握常用淬火方法，以及钢的淬硬性与淬透性。5、了解表面热处理的方法、特点及应用。第四十八页，共五十页。作业1、为什么碳素钢淬火冷却介质常用水，而合金钢淬火冷却介质常用油？2、为什么截面大和形状复杂的调制件要用合金调制钢而不用碳素调制钢？3、钢的普通热处理有哪些？其中淬火的目的是什么？第四十九页，共五十页。内容总结第三章。晶退火、去应力退火。作用和目的:是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。实际