第三章钢的热处理工艺及应用

《金属材料与热加工基础》课程教案系（部）教研室课程代码学分课程性质必修（）专业选修（）公共选修（）授课专业授课班级任课教师职称考核方式

金属材料与热加工基础教案（章节备课）章次第三章钢的热处理工艺与应用课时安排总学时数：12理论教学时数：10实验教学时数：2教学目的与要求本章主要通过钢的热处理原理，掌握常用热处理的目的，工艺及应用，初步具有热处理工艺编制的能力及分析热处理常见缺陷及预防的能力。本章知识结构图示钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢钢的热处理工艺与应用钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的退火与正火、淬火、回火工艺及应用钢的退火与正火、淬火、回火工艺及应用钢整体热处理工艺及应用钢整体热处理工艺及应用钢的热处理工艺制订钢的表面淬火钢的化学热处理二、钢的化学热处理钢的热处理工艺制订钢的表面淬火钢的化学热处理二、钢的化学热处理钢的表面热处理工艺及应用章重点与难点重点：1.钢冷却时组织转变2.退火、正火、淬火和回火、表面热处理的工艺及应用难点：钢的热处理工艺制订教学方法手段1.教法：（1）案例引导法（2）问题法（3）小组讨论法（4）实验法2.学习法：（1）文献查阅法（2）分组合作学习法（3）自主学习法3.教学手段：多媒体、热处理视频。主要参考资料金属材料与热加工基础备注

金属材料与热加工基础教案（课时备课）第1次课2学时第一节钢热处理工艺基础本次重点难点重点：钢热处理实质、作用及分类；钢在加热时的组织转变；钢在冷却时的组织转变难点：钢在冷却时的组织转变教学内容与进程安排一、钢热处理实质、作用及分类1.钢热处理实质、作用（1）实质：热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温、冷却，以改变其组织结构以获得不同性能的工艺方法。（2）作用：热处理是提高材料使用性能和改善工艺性能的基本途径之一，是挖掘材料潜力、保证产品质量、延长寿命的重要工艺。钢热处理分类热处理工艺方法很多，根据工艺类型、工艺名称和加热和冷却方式的不同，热处理工艺分类及名称见图3-2所示。二、钢在加热时的组织转变.1.钢的临界转变温度金属材料在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为临界转变温度（或相变点）。A1、A3、Acm,；Ac1、Ac3、Accm；，Ar1、Ar3、Arcm比较。2.奥氏体的形成过程此过程可分为奥氏体的形核、长大，残余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个阶段，如图3-4所示。3.奥氏体晶粒的长大及其影响因素加热时获得的奥氏体晶粒越细小，冷却转变的产物组织晶粒也越细小，其强度、塑性、韧性都比较好，反之，热处理后的强度、塑性、韧性越差。在生产中常采用以下措施来控制奥氏体晶粒的大小。合理选择加热温度和保温时间加热速度合金元素提示：钢在热处理加热后必须有保温阶段，不仅是为了使工件“热透”，也是为了使组织转变完全，以及保证奥氏体成分均匀。三、钢在冷却时的组织转变分析表3-1得出结论：不同冷却速度影响钢的力学性能1.过冷奥氏体的等温转变（1）过冷奥氏体等温图的建立（2）共析钢过冷奥氏体的等温转变图分析1)图中各特性线的含义2)区的含义3)孕育期（3）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能表3-2共析钢过冷奥氏体转变温度、产物的组织和性能2.过冷奥氏体连续冷却转变（1）过冷奥氏体连续冷却转变图分析Ps线、Pf线、K线，冷却速度线Vk得含义（2）过冷奥氏体连续冷却转变与等温转变的关系（3）过冷奥氏体等温转变图在连续冷却转变中的应用注意：采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行的，因此，连续冷却转变的转变产物往往不是单一的，根据冷却速度的不同，其转变产物有可能P+S,S+T和T+M等。马氏体的组织形态和性能1)形态2)性能四、小结及作业布置备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第2次课2学时第二节钢的整体热处理工艺及应用本次重点难点重点：退火、正火、淬火的目的，工艺及应用。难点：退火，正火工艺编制的能力教学内容与进程安排退火与正火退火和正火的主要目的有：(1）调整硬度以便进行切削加工。(2）消除残余应力，防止钢件的变形、开裂。(3）细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。(4）为最终热处理作好组织准备1.退火工艺及应用（1）完全退火工艺：完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊件等，通过完全退火使热加工造成的粗大晶粒细化，消除内应力。提示：完全退火不适合用于过共析钢，因为加热到Accm点以上随后缓冷时，会沿奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，使钢件韧性降低。（2）等温退火工艺：对某些合金钢，生产中常用等温退火来代替完全退火或球化退火。图3-15为高速工具钢完全退火与等温退火的比较（3）球化退火工艺：提示：对于存在有严重网状二次渗碳体的钢，可在球化退火前，先进行一次正火。（4）去应力退火工艺：若采用高温退火（如完全退火），也可以更彻底地消除应力，但会使氧化、脱碳严重，还会产生高温变形，故为了消除应力，一般是采用去应力退火。（5）均匀化退火工艺：均匀化退火时间长，耗费能量大，成本高，主要用于减少中碳合金钢、高合金钢铸件或锻、轧件化学成分和组织偏析，使之均匀化。均匀化退火后，钢的晶粒粗大，因此还要进行完全退火或正火。2.正火工艺及应用（1）工艺（2）一般正火主要应用于以下场合：1）改善低碳钢的切削加工性能2）可做最终热处理3）可消除钢中网状渗碳体3.退火与正火的选用原则（1）从切削加工性能方面考虑（2）从零件的结构形状考虑（3）从经济上考虑4.正火和退火常见缺陷及对策正火和退火常见缺陷及对策见表3-5所示。二、钢的淬火1.淬火工艺（1）加热温度1）对于亚共析钢2）对于共析钢或过共析钢（2）淬火加热时间（3）淬火冷却介质1）水2）油3）盐小结及作业布置备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第3次课2学时第二节钢的整体热处理工艺及应用本次重点难点重点：淬火的方法，淬透性、淬硬性；回火工艺及应用难点：淬火、回火工艺安排教学内容与进程安排2.常用的淬火方法（1）单液淬火（2）双液淬火（3）马氏体分级淬火（4）等温淬火（5）冷处理3.钢的淬透性与淬硬性（1）钢淬透性1）概念淬透性是表示钢接受淬火的能力，即钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。图3-21常用淬火方法示意图3-21常用淬火方法示意①单液淬火②双液淬火③马氏体分级淬火④等温淬火图钢的淬透层深度与钢的临界冷却速度、工件的截面尺寸和介质的冷却能力有关。同样条件下，钢的临界冷却速度越小，工件的淬透层深度越深。提示：不要把钢的淬透性和具体条件下具体零件的淬透层深度混为一谈。在同样奥氏体条件下，同一种钢的淬透性是相同的，但不能说同一种钢水淬与油淬时的有效淬透层深度相同。2）淬透性的应用（2）钢的淬硬性淬硬性是指以钢在理想条件下，进行淬火硬化所能达到的最高硬度来表征的材料特性。淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。4.淬火常见缺陷及对策（表3-7）三、钢的回火钢的回火则是指将淬火后的钢加热到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称为回火。1.回火过程中的组织转变（1）马氏体分解(≤200℃)（2）残留奥氏体分解（200～300℃）（3）残留奥氏体分解（200～300℃）（4）渗碳体聚集长大和铁素体的再结晶（＞400℃）2.回火方法及应用淬火后钢必须进行回火，根据回火温度不同，将回火分为低温回火、中温回火、高温回火。各种回火的方法、目的、组织及应用见表3-8所示。调质处理还常作为表面淬火、化学热处理的预备热处理，量具、模具等精密零件的预备热处理。3.回火脆性回火温度的确定不只考虑硬度，而且要顾及钢的特性和回火温度对韧性的影响。在实际回火过程中，回火温度升高时，钢的冲击韧度在250～350℃和500～650℃两个温度区间冲击韧性显著降低，也就是脆性增加，这种脆化现象称为回火脆性。4.回火常见的缺陷及对策钢在回火过程中，常出现硬度达不到要求或产生变形开裂等缺陷，表3-9所示为回火常见的缺陷、原因及对策。三、小结及作业布置备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第4次课2学时第三节钢的表面热处理工艺及应用本次重点难点重点：表面淬火、化学热处理工艺及应用难点：面淬火、化学热处理工艺及应用教学内容与进程安排实际生产中，有一些零件如齿轮、曲轴、凸轮等是在弯曲和扭转等交变载荷、冲击载荷及摩擦条件下工作的，要求其表面具有高的硬度和高的耐磨性，而心部具有一定的强度和足够的韧性。要达到零件性能“表里不一”的要求，单从材料方面解决比较困难一、表面淬火钢的表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却，使工件表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持未淬火状态的组织的热处理工艺。感应淬火（1）感应淬火基本原理感应淬火基本原理如图3-27所示。提示：通过感应器的电流频率越高，感应电流的集肤效应越强，电流集中的深度越薄，淬火后的工件淬硬层深度也越薄。（2）感应淬火的应用1）感应淬火用钢最适宜的钢种是中碳钢（如40钢、45钢）和中碳合金钢（如40Cr钢、40MnB钢等），也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。2）感应淬火频率的确定在生产中，根据对零件表面有效淬硬层深度的要求，选择合适的频率，如表3-10所示。（3）感应加热表面淬火常见的缺陷与对策感应加热表面淬火常见的缺陷为加热不匀，硬度不足，变形、开裂等，表3-11为感应加热表面淬火常见的缺陷与对策。2.火焰淬火火焰淬火是利用氧-乙炔（或其它可燃气体）火焰对工件表层加热，并快速冷却的淬火工艺，如图3-28所示。淬硬层深度一般为2～6mm,若要获得更深的淬硬层，往往会引起工件表面严重过热，且易产生淬火裂纹。特点应用二、化学热处理化学热处理是指将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变表层一定深度的化学成分、组织和性能的热处理工艺。提示：化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。目前在机械制造行业上，最常用的化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。1.渗碳所谓渗碳是将工件放入渗碳气氛中，并在900～950℃的温度下加热、保温，以提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳的质量分数梯度的化学热处理工艺。其目的是使工件表面具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。渗碳层深度一般为0.5～2.5mm，渗碳层碳的质量分数为0.8%～1.1%，齿轮、凸轮轴、活塞销等零件常采用渗碳处理。（1）渗碳方法（2）渗碳用钢及渗碳后的组织渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢，碳的质量分数一般为0.1%～0.25%。碳的质量分数提高，将降低工件心部的韧性。渗碳后的组织工件渗碳后其表层碳的质量分数通常为0.85%～1.05%范围。渗碳缓冷后的组织如图3-30所示（3）渗碳后的热处理工件渗碳后必须进行适当的热处理，即淬火并低温回火，才能达到性能要求，如图3-31所示。渗碳件的淬火一般为直接淬火、一次淬火和二次淬火三种。2.渗氮渗氮是指在一定温度下（一般在Ac1）以下，使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性和良好耐蚀性，因氮化温度低，变形小，应用广泛。（1）渗氮方法常用的氮化方法有：气体渗氮和离子渗氮。1）气体渗氮2)离子渗氮(2)渗氮用钢及应用渗氮钢一般含有Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的钢，这些元素能与N形成颗粒细小、分布均匀、硬度高的各种氮化物（CrN、MoN、AlN），渗氮层深度为0.6～0.7mm。渗氮后工件表面有很高的硬度（1000～1200HV，相当于72HRC）和耐磨性，因此渗氮后不需再进行淬火，在600℃左右时，硬度无明显下降，热硬性高。3.碳氮共渗是指在工件表面同时渗入碳和氮，并以渗碳为主的化学热处理工艺。其主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性。其共渗层比渗碳层的硬度、耐磨性和抗疲劳性高，因此广泛应用于自行车、缝纫机、仪表零件、齿轮、轴类、模具、量具等表面处理。常用的是气体碳氮共渗。碳氮共渗后要进行淬火、低温回火。共渗层表面组织为回火马氏体、粒状碳氮化合物和少量残留奥氏体，渗层深度一般为0.3～0.8mm。气体碳备注：金属材料与热加工基础教案（课时备课）第5次课2学时第四节热处理工艺的制订本次重点难点重点：热处理技术条件的标注；热处理工序位置的安排难点：热处理工序位置的安排教学内容与进程安排一、热处理技术条件的标注根据零件性能要求，在零件图样上应标出热处理的技术条件，其内容包括：最终热处理方法（如调质、淬火、回火、渗碳等）以及应达到的力学性能指标。以此作为热处理生产及检验时的依据。力学性能指标一般只标出硬度值（硬度值有一定允许范围，布氏硬度值为30～40单位，洛氏硬度值为5个单位）。对于力学性能要求较高的重要件，如主轴、齿轮、曲轴、连杆等，还应标出强度、塑性和韧性指标，有时还要对金相组织提出要求。对于渗碳或渗氮件应标出渗碳或渗氮部位、渗层深度，渗碳或渗氮后的硬度等。表面淬火零件应标明淬硬层深度、硬度及部位等。热处理工艺代号由基础分类代号及附加分类工艺代号组成。在基础分类工艺代号中按着工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热方法三个层次进行分类，均有相应的代号，见表3-12。二、热处理工序位置的安排热处理按目的和工序位置不同，分为预备热处理和最终热处理，其工序位置安排如下。1.预备热处理的工序位置预备热处理包括退火、正火、调质等。一般均安排在毛坯生产之后，切削加工之前或粗加工之后，半精加工之前。（1）退火、正火工序位置退火、正火件的加工路线为：毛坯生产→退火(或正火)→切削加工。（2）调质工序的位置调质工序位置一般安排在粗加工后，半精或精加工前。若在粗加工前调质，则零件表面调质层的优良组织有可能在粗加工中大部分被切除掉，失去调质的作用，碳钢件可能性更大。调质件的加工路线一般为：下料→锻造→正火(或退火)→粗加工(留余量)→调质→半精加工(或精加工)。生产中，灰铸铁件、铸钢件和某些无特殊要求的锻钢件，经退火、正火或调质后，已能满足使用性能要求，不再进行最终热处理，此时上述热处理就是最终热处理。2.最终热处理的工序位置最终热处理包括：淬火、回火、渗碳、渗氮等。零件经最终热处理后硬度较高，除磨削外不宜再进行其它切削加工，因此工序位置一般安排在半精加工后，磨削加工前。(1)淬火工序位置淬火分为整体淬火和表面淬火两种。（1）整体淬火的位置整体淬火件加工路线一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工、半精加工(留磨量)→淬火、回火(低、中温)→磨削。（2）表面淬火的工序位置表面淬火件加工路线一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→半精加工(留磨量)→表面淬火、低温回火→磨削(2)渗碳工序的位置渗碳件（整体与局部渗碳）的加工路线一般为：下料→锻造→正火→粗、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→磨削(3)渗氮工序位置渗氮件加工路线一般为：下料→锻造→退火→粗加