机械制造技术基础 课件 第6章 零件的热处理及表面处理工艺

机械制造技术基础目录第6章零件的热处理及表面处理工艺6.1 热处理工艺概述6.2 钢件的热处理6.3 铸铁件的热处理6.4 零件的表面处理工艺6.5 零件的表面清理第6章零件的热处理及表面处理工艺阅读导入：

我国是世界上最早发明和使用生铁的国家，早在春秋战国时代，人们就用生铁铸造生产工具和生活用具了，但生铁硬而脆却不能使用。

为了改变其性能，古人发明了铸铁的柔化热处理方法，包括石墨化退火和脱碳退火等，在战国时期开始实施，到南北朝已很成熟。第6章零件的热处理及表面处理工

阅读导入：热处理是将金属进行加热、保温、冷却以获得所需的组织结构与性能的工艺，目的是改变内部组织结构，改善多方面性能。表面处理是在基体表面上人工形成与基体机械、物理和化学性能不同的工艺。第6章零件的热处理及表面处理工

阅读导入：热处理和表面处理的作用1）充分发挥材料的潜能；2）减少零件重量；3）提高质量；节约成本；4）延长零件的使用寿命；5）表面处理还可实现零件的再制造。第6章零件的热处理及表面处理工

本章学习目标：第6章零件的热处理及表面处理工

6.1.1热处理工艺概述重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。材料中组织转变规律是热处理的理论基础，称为热处理原理。1．热处理工艺的组成热处理过程有加热、保温及冷却三个阶段。热处理工艺由加热温度、保温时间、冷却方式等参数组成。

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1．热处理工艺的组成钢在加热过程中组织转变的临界温度为：Ac1——珠光体向奥氏体转变的开始温度；Ac3——共析铁素体全部溶入奥氏体的终了温度；Accm——二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度。钢在冷却过程中组织转变的临界温度为：Ar1——奥氏体向珠光体转变的开始温度；Ar3——奥氏体析出共析铁素体的开始温度；Arcm——奥氏体析出二次渗碳体的开始温度。

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1．热处理工艺的组成

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1．热处理工艺的组成加热是热处理的第一道工序。将钢加热使温度到Ac3或Accm以上，得到均匀的单相奥氏体组织，称为奥氏体化，然后再以适当方式或速度冷却，获得所需的组织和性能。保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织，从而获得不同的性能。第6章零件的热处理及表面处理工

1．热处理工艺的组成热处理能改变钢性能的根本原因铁有同素异构转变从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织与结构变化。

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2．热处理工艺的分类根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：1)整体热处理：退火、正火、淬火、回火和调质等。2)表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电阻加热表面淬火、渗碳、渗氮(氮化)和碳氮共渗等。3)其他热处理：可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。第6章零件的热处理及表面处理工

2．热处理工艺的分类按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理)，其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。最终热处理后硬度较高，除磨削外不宜再进行其他切削加工。第6章零件的热处理及表面处理工

3．钢的加热过程钢的加热工艺包含加热温度与加热时间。加热温度的选择，可根据钢的相图确定。实际生产中还要考虑加热方式，根据热处理类型以及钢的具体成分等因素作必要调整。加热时间指的是升温与保温时间的总和。加热工件到要求的温度(实为零件表面温度)所需时间为升温时间。保温时间是工件表面与心部都达到要求的温度所需时间第6章零件的热处理及表面处理工

4．钢的冷却过程钢经加热保温获得奥氏体后，冷却至Ar1以下时，过冷奥氏体将发生组织转变。铁碳相图虽然揭示了在缓慢加热或冷却条件下，钢的成分、温度和组织之间的变化情况，但不能表示实际热处理冷却条件下钢的组织转变规律。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2钢件的热处理6.2.1钢的退火处理1．退火的定义将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺。2．退火的目的1)降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。2)细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能。3)消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。第6章零件的热处理及表面处理工

3．常用的退火工艺(1)完全退火(重结晶退火)

将钢加热至Ac1以上20-30℃，保温足够长时间，使组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近平衡组织的工艺。

完全退火的目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善可加工性。

退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的锻件、铸件热轧型材等。

生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。第6章零件的热处理及表面处理工

3．常用的退火工艺(2)球化退火

将钢加热到Ac1以上20-30℃，保温一定的时间随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷，得到球状珠光体组织。

球化退火的目的是让其中的碳化物球化(粒化)改善可加工性，并为以后淬火作准备。

球化退火适用于共析钢及过共析钢。

例如碳素工具钢、合金工具钢等这些钢在锻造加工以后，必须进行球化退火，才适于进行切削加工，同时也为最后的淬火处理作好组织准备。第6章零件的热处理及表面处理工

3．常用的退火工艺(3)去应力退火

将工件随炉缓慢加热(100~150℃/h)至500~650℃（低于Ac1点的温度)，保温一段时间(1-3h)后随炉缓慢冷却(50~100℃/h)至200℃出炉空冷。

钢及焊接件的去应力退火温度一般在500~600℃，铸铁的去应力退火温度一般在500~550℃。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件(或冷拔件)及机加工的残余内应力，否则将导致在随后的切削加工或使用中变形开裂，降低机器的精度，甚至会发生事故。第6章零件的热处理及表面处理工

3．常用的退火工艺(4)均匀化退火

将工件加热到略低于固相线的温度(碳钢通常为1100~1200℃)，长时间保温(一般10~20h)，然后随炉缓慢冷却到室温。均匀化退火的主要目的是均匀钢内部的化学成分，主要适用于铸造后的高合金钢。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.2钢的正火处理1．正火的定义将亚共析钢加热到Ac1以上30~50℃，过共析碳钢加热到Accm以上30~50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却的方法称为正火。2．正火的目的与退火基本相同细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。但正火冷却速度比退火稍快，故正火组织比退火更细，强度硬度比退火高。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.2钢的正火处理3．正火的工艺及应用正火保温时间和完全退火相同，应以工件烧透，并考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.2钢的正火处理3．正火的工艺及应用正火主要用于：（1）改善低碳钢或低碳合金钢的可加工性。（2）正火可以细化晶粒，对力学性能要求不高的结构钢零件，经正火后所获得的性能即可满足使用要求可作为最终热处理。（3）消除过共析钢中的网状渗碳体，改善钢的力学性能，并为球化退火做组织准备。（4）代替中碳钢和低碳合金钢的退火，改善其组织结构及可加工性。（5）消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.2钢的正火处理4．退火和正火的选择退火与正火在某种程度上有相似之处，在实际生产中又可替代，进而应分析退火和正火的选择原则。切削加工性

包括硬度、切削脆性、表面粗糙度及刀具磨损等。一般金属的硬度在170~230HBW范围内，加工性能较好。硬度高，则难以加工，且刀具磨损快；硬度过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。可见，对于低、中碳结构钢以正火作为预备热处理比较合适，高碳结构钢、中高碳合金钢和工具钢应以退火为宜。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.2钢的正火处理4．退火和正火的选择退火与正火在某种程度上有相似之处，在实际生产中又可替代，进而应分析退火和正火的选择原则。(2)使用性能

如果工件性能要求不高，随后不再进行淬火和回火，那么可用正火来提高其力学性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。(3)经济性

正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.3钢的淬火处理1．淬火的定义

将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。2．淬火的目的

获得马氏体组织以提高钢的强度与硬度和耐磨性，是强化钢材的重要手段。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.3钢的淬火处理3．淬火加热温度淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。（1）亚共析钢的淬火温度在Ac3以上30~50℃，这是为了得到细晶粒的奥氏体，以便淬火冷却获得细小马氏体组织。如果加热温度过高则引起奥氏体晶粒的粗化，淬火后马氏体组织粗大，使钢脆化。若加热温度太低(Ac1~Ac3)，则淬火组织中含有未溶的铁素体将降低淬火工件的硬度及力学性能。（2）过共析钢的淬火温度在Ac1以上30~50℃；淬火后形成在细小马氏体的基体上均匀分布着细小的渗碳体组织，能保证得到高的硬度和耐磨性，如果加热到Accm以上不仅使奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，增大脆性和变形开裂的倾向，而且残留奥氏体也多，降低了钢的硬度。第6章零件的热处理及表面处理工

4．淬火冷却介质淬火冷却介质是工件淬火冷却时所使用的介质。常用的淬火介质有空气、油、水、盐水、碱水等，冷却能力依次增大。最常用的淬火冷却介质是水和油。水在650~500℃范围内冷却能力不够强，而在300~200℃范围内冷却能力却又不够缓慢，很容易引起工件变形和开裂，主要用于形状简单、截面尺寸较大的碳钢工件。第6章零件的热处理及表面处理工

4．淬火冷却介质淬火冷却介质是工件淬火冷却时所使用的介质。常用的淬火介质有空气、油、水、盐水、碱水等，冷却能力依次增大。最常用的淬火冷却介质是水和油。油在650~550℃内冷却较慢，高温区的冷却能力太低，不适用于碳钢；在300~200℃范围内冷很慢，低温区有比较理想的冷却能力，有利于降低淬火工件的组织应力，减少工件变形和产生裂纹的倾向，适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。第6章零件的热处理及表面处理工

4．淬火冷却介质淬火冷却介质是工件淬火冷却时所使用的介质。常用的淬火介质有空气、油、水、盐水、碱水等，冷却能力依次增大。最常用的淬火冷却介质是水和油。熔融状态的盐也可做淬火介质，称作盐浴。冷却能力在油和水之间，这种介质在高温区有较强的冷却能力，而接近介质温度时冷却能力下降，有利于减少工件变形，只适用于对形状复杂和变形要求严格的小件进行分级淬火或等温淬火。第6章零件的热处理及表面处理工

5．淬火工艺淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，因而需要冷却方法加以配合。应根据零件的材料、尺寸、形状和技术要求合理选择淬火方法。第6章零件的热处理及表面处理工

6．钢的淬透性与淬硬性（1）淬透性

是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力，是钢材本身固有属性。工程上规定淬透层的深度是从表面至半马氏体层(50%马氏体+50%托氏体)的深度。由表面至半马氏体层的深度越大，则钢的淬透性越高。（2）淬硬性

是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要决定于马氏体中碳的质量分数，即取决于淬火前奥氏体中碳的质量分数。低碳钢淬硬性差，高碳钢淬硬性好。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.4钢的回火处理1．回火的定义回火是指钢件淬火后再加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态，不能直接使用，必须即时回火，否则会有工件断裂的危险。2．回火的目的1)减小或消除工件在淬火时产生的内应力，防止工件在使用过程中变形或开裂。2)提高钢的韧性，适当调整钢的强度和硬度，使工件具有较好的综合力学性能。3)减少或消除残留奥氏体，稳定组织和尺寸。第6章零件的热处理及表面处理工

3．淬火钢在回火时组织与性能的变化钢淬火后的组织为马氏体及少量残留奥氏体，都是不稳定组织，要向稳定组织发生转变。室温下转变速度极慢，温度升高组织转变速度加快。1)马氏体分解(80~200℃)当钢加热到200℃时，马氏体开始分解，内应力有所降低，此时的组织为回火马氏体。这一阶段的组织仍保持着高的硬度和耐磨性，韧性有所提高。2)残留奥氏体的溶解(200~300℃)当钢加热到200℃以上时，马氏体继续分解，残留奥氏体分解转变为下贝氏体或回火马氏体，到300℃时分解结束。第6章零件的热处理及表面处理工

3．淬火钢在回火时组织与性能的变化钢淬火后的组织为马氏体及少量残留奥氏体，都是不稳定组织，要向稳定组织发生转变。室温下转变速度极慢，温度升高组织转变速度加快。3)渗碳体的形成(300~400℃)当加热到300℃以上时，马氏体分解出的碳化物转变为颗粒状的渗碳体，当加热到400℃以上时，α-Fe中过饱和的碳已基本上析出，α-Fe晶格恢复正常，钢的内应力基本消除，此时的组织为铁素体与细粒状渗碳体的混合物，称为回火托氏体。4)渗碳体的聚集长大(400℃以上时)随着回火温度的升高，渗碳体颗粒不断长大，而数目不断减少，回火温度越高，渗碳体颗粒越粗，这种状态下的铁素体与渗碳体的混合物称为回火索氏体。第6章零件的热处理及表面处理工

4．回火的分类及应用实际生产中，按回火温度的不同，通常将回火方法分为三类：1)低温回火(150~250℃)

低温回火的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。低温回火后得到的组织为回火马氏体，可使钢获得高的硬度、高的耐磨性和一定的韧性，硬度为58~64HRC。低温回火主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等硬而耐磨的零件。2)中温回火(350~500℃)中温回火后得到的组织为回火托氏体，钢具有高的弹性极限屈服点和适当的韧性，硬度为35～50HRC。中温回火主要用于弹性零件及热锻模。3)高温回火(500~650℃)高温回火后得到的组织为回火索氏体，钢具有良好的综合力学性能，硬度为25~40HRC，主要用于连接、受力和传动的结构零件，如轴、连杆、螺栓等。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.5复合热处理1．调质处理调质热处理工艺是淬火后，进行高温回火的复合热处理工艺。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同的情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其是塑性和韧性更为突出。45钢是中碳结构钢，冷热加工性能都较好，机械性能较好，且价格低、来源广，所以应用广泛。但最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。第6章零件的热处理及表面处理工

6.2.5复合热处理1．调质处理45钢淬火温度在Ac3以上30~50℃，在实际操作中，一般是上限。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。淬火介质采用冷却速度大的10%盐水溶液。45钢调质件淬火后的硬度应该达到56~59HRC，截面大的可能会低些，但不能低于48HRC。45钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度要求为22~34HRC。因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。图纸有硬度要求的，应按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。第6章零件的热处理及表面处理工

2．时效处理时效处理是指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后在较高的温度或室温放置，其性能、形状、尺寸随时间变化的热处理工艺。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。例如为了消除精密量具或模具零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后精加工前，把工件重新加热到100-150℃，保持5-20小时，可以稳定精密制件质量。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。第6章零件的热处理及表面处理工

2．时效处理若采用将工件加热到