热处理工(技师、高级技师)第一章

第一章编制钢铁复杂零件和铝合金零件的热处理工艺第一章编制钢铁复杂零件和铝合金零件的热处理工艺一、包装检验

即无包装，适用于锭、块（不怕腐蚀、不贵重）、大型钢材（大型钢、厚钢板、钢轨）、生铁等。

适用于尺寸较小、腐蚀对使用影响不大，如中小型钢、钢管、线材、薄板、金属制品等则可进行成捆、成卷或成盘包装。

1.散装2.成捆(卷、盘)包装3.成箱(桶)包装第一节金属材料验收标准适用于精度等级较高、防腐蚀以及小、薄产品，如马口铁、硅钢片、镁锭和硬质合金刀头等，须采用中性防潮纸、塑料薄膜或包装布依次包裹后，再成箱包装。

适用于线材、钢丝绳、钢绞线等包装。4.成轴包装第一节金属材料验收标准二、标志检验

是把用来表示金属材料种类、牌号颜色的油漆涂在材料的表面或末端表面上，主要用于钢材、生铁、有色金属原材料等。

在金属材料规定的部位（端面、端部）打钢印或喷带色漆印的方法，打印较涂色更能说明材料的特征，它的内容一般包括材料的品种、规格、牌号、标准号等。

1.涂色2.打印3.挂牌成捆、成箱、成轴等金属材料在外面挂牌说明其牌号、尺寸、重量、标准号、供方等。第一节金属材料验收标准三、规格尺寸检验

公称尺寸是人们在生产中想得到的理想尺寸，但它与实际尺寸有一定差距。

金属材料进行生产时，很难使实际尺寸与公称尺寸完全相符，实际尺寸总是稍大或稍小于公称尺寸，因而出现了差距。

金属材料的尺寸允许偏差规定了几种范围，并按尺寸允许偏差大小不同划为若干等级叫做精度等级，常见的精度等级有普通精度、较高精度、高级精度等。1.公称尺寸(名义尺寸)2.尺寸偏差3.精度等级第一节金属材料验收标准

交货长度是金属材料的交货主要尺寸，指金属材料交货时应具有的长（宽）度规格。

对长度不作一定的规定，但必须在一个规定的长度范围内（按品种不同，长度不一样）。

长度小于标准规定的通常为长度尺寸的下限，但不小于规定的最小允许长度的叫做短尺；宽度小于标准规定的不定尺宽度下限，但不小于允许的最窄宽度的叫做窄尺。4.交货长度(宽度)5.通常长度(不定尺长度)6.短尺(窄尺)第一节金属材料验收标准

所交金属材料长度必须具有需方在订货合同中指定的长度（一般为正偏差）。

所交金属材料长度必须为需方在订货合同中指定长度的整数倍（加锯口、正偏差）。7.定尺长度8.倍尺长度第一节金属材料验收标准表1-1常用钢材的测量部位第一节金属材料验收标准表1-2常用钢板及有色金属板材的测量部位第一节金属材料验收标准四、数量检验

大多数金属材料是按实际质量交货的，因此进行数量检验时，必须分批、分车进行过磅计量；对于计件材料还应先点件数，然后逐件过磅。

理论质量是以材料的公称尺寸（实际尺寸）和密度计算得到的质量。1.按实际质量计量(检斤验收)2.按理论质量计量(检尺验收)第一节金属材料验收标准五、表面质量检验

圆度是指棒材或管材其截面的不圆程度（即同一截面上各方向直径不等的现象）。

弯曲是指轧制材料在长度或宽度方向不平直、呈曲线形状的总称。

镰刀弯是指金属板、带及接近矩形截面的型材沿长度（窄面一侧）的弯曲，一面呈凹入曲线，另一面对面呈凸出曲线，称为镰刀弯。

1.圆度2.弯曲、弯曲度3.镰刀弯(侧面弯)4.扭转第一节金属材料验收标准扭转是指条形轧制材料沿纵轴扭成螺旋状变形。

瓢曲度是指在板或带的长度及宽度方向同时出现高低起伏的波浪现象，形成瓢曲形，叫做瓢曲度。

由于轧辊配合不当等原因出现的沿轧制方向延伸的突起，叫做耳子。

刮伤是指材料表面呈直线或弧形沟痕，通常可以看到沟底。

5.瓢曲度6.耳子7.刮伤8.结疤第一节金属材料验收标准结疤是指不均匀分布在金属材料表面呈舌状、指甲状或鱼鳞状的薄片。

粘结是指金属板、箔、带在叠轧退火时产生的层与层间之点、线、面的相互粘连，经掀开后表面留有粘结痕迹，叫做粘结。

氧化铁皮是指材料在加热、轧制和冷却过程中，在表面生成的金属氧化物。

9.粘结10.氧化铁皮11.折叠第一节金属材料验收标准折叠是指金属在热轧过程中（或锻造）形成的一种表面缺陷，表面互相折合的双金属层呈直线或曲线状重合。

麻点是指金属材料表面凹凸不平的粗糙面。

金属材料的表面呈现无规律分布的大小不等、形状不同、周围圆滑的小凸起，破裂的凸起泡呈鸡爪形裂口或舌状结疤，叫做气泡。

12.麻点13.皮下气泡14.裂纹裂纹是指金属材料表层及内部的开裂，其特征是有尖锐的根部或边缘。第一节金属材料验收标准六、内部质量检验的保证条件

基本保证条件又叫必保条件，是对材料质量的最低要求。

附加保证条件是指除基本保证条件外，根据需方在订货合同中注明的要求才进行检验，并保证检验结果符合规定的项目。

在标准中有规定，但要经过供需双方协商并在订货合同中加以保证的项目。

1.基本保证条件2.附加保证条件3.协议保证条件4.参考条件第一节金属材料验收标准七、化学成分检验

根据化学反应来确定金属的化学成分，称为化学分析法。

(1)质量分析法采用适当的分离手段，使金属中被测定元素与其他成分分离，然后用称重法来测元素含量。

(2)容量分析法用标准溶液(已知浓度的溶液)与金属中被测元素完全反应，然后根据所消耗标准溶液的体积计算出被测定元素的含量。

在化学分析前，首先要做好取样工作，必须保证所取试样均匀而且具有代表性。1.化学分析法标准中有规定，但不要求保证；或标准中无规定，需方提出并经供需双方协议进行检验的项目，叫做参考条件。第一节金属材料验收标准

各种元素在高温、高能量的激发下都能产生自己特有的光谱，根据元素被激发后所产生的特征光谱来确定金属的化学成分及大致含量的方法，称为光谱分析法。

钢铁在砂轮磨削下由于摩擦、高温作用，根据各种元素、微粒氧化时产生的火花数量、形状、分叉、颜色等不同，来快速鉴别材料化学成分（组成元素）及大致含量的一种方法。2.光谱分析法3.火花鉴别法第一节金属材料验收标准八、内部质量检验

(1)疏松铸铁或铸件在凝固过程中，由于诸晶枝之间的区域内的熔体最后凝固而收缩，以及放出气体导致产生许多细小孔隙和气体而造成的不致密性，叫做疏松。

(2)夹渣被固态金属基体所包围着的杂质相或异物颗粒，叫做夹渣。

(3)偏析合金金属内各个区域化学成分的不均匀分布，叫做偏析。

(4)脱碳钢及铁基合金的材料或制件表层内的碳全部或部分失掉的现象，叫做脱碳。1.金属材料的内部组织缺陷第一节金属材料验收标准

金属材料的内部组织缺陷除了以上4种外，还有气泡、裂纹、分层、白点等也是常见的内部组织缺陷。

(1)宏观检验

是利用肉眼或10倍以下的低倍放大镜观察金属材料内部组织及缺陷的检验，常用的方法有：断口检验、低倍检验、塔形车削发纹检验及硫印试验等。

1)断口检验：是根据材料的断口来检查材料在冶炼或加工过程中所引起的缺陷，如气泡、缩孔残余、夹渣、分层、裂纹、粗大晶粒及白点等。2.金属材料内部组织缺陷的检验方法第一节金属材料验收标准2)低倍检验：是把材料的试样经过酸(或碱)浸蚀后，用肉眼或低倍放大镜对其表面进行观察。

3)塔形车削发纹检验：为了暴露材料内部的发纹缺陷，把钢材按一定尺寸车削成具有三个阶梯的圆柱形试样，然后用肉眼或10倍以下放大镜观察试样上的发纹，根据其条数和长度等来评定质量。

4)硫印试验：其目的是直接检验硫、间接检验其他元素在钢中的偏析或分布情况。

(2)显微检验显微检验又叫做高倍检验，是将制备好的试样按规定的放大倍数在金相显微镜下进行观察测定，以检验金属材料的组织及缺陷的检验方法。第一节金属材料验收标准(3)无损检验

无损检验最早是指在不损伤原材料和工件工作状态的前提下而进行的有关技术参数的测定，如测温、测压、测流速等。

无损检验有：磁力探伤、荧光探伤和着色探伤等。

1)磁力探伤也叫做磁粉探伤，是用于发现钢铁等铁磁性材料表面和近表面缺陷的一种探伤方法。

2)荧光探伤是一种利用渗透原理进行探伤的方法。

3)着色探伤的原理和上述荧光探伤一样，所不同的是使用着色剂而不是使用荧光粉，不需要在紫外线上观察。第一节金属材料验收标准以上两种方法用于无磁性材料，如有色金属、不锈钢、耐热合金的表面细小裂纹及松孔的检验。

(4)超声波检验超声波检验是用于内部缺陷的无损探伤方法，又叫做超声波探伤，作为低倍组织的预检，已被纳入标准中。

X光是波长为101．9~0．0006nm(1019~0．006Å)的电磁波，它能穿透80mm厚的钢件。第一节金属材料验收标准一、锻造余热淬火

锻造余热淬火指的是工件或毛坯经高温锻造成形后立即淬入淬火介质中以获得淬火组织的一种将锻造与淬火结合在一起的工艺方法，图1⁃1是锻造余热淬火工艺示意图。图1-1锻造余热淬火工艺示意图1.锻造余热淬火的特点第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识(1)节约能源

锻造余热淬火由于省去了原调质工艺中的锻后正火以及调质淬火两道加热工序，能显著节约能源。

另外，采用锻造余热淬火工艺时，锻坯的加热一般采用连续加热炉。

(2)节约钢材锻造余热淬火是在保证足够的塑性的前提下可以提高钢材的强度，因此采用该工艺可以减轻零件的重量、节约钢材。

(3)缩短生产周期以135柴油机40Cr钢连杆为例，原工艺为：下料→油炉加热→热模锻→空冷→正火→清理→调质→强化抛丸→机械加工→成品。第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识(4)便于机械加工

我们知道形变热处理在生产上不易推广的一个重要原因是在提高零件强度与硬度的同时还会改变其形状，由于锻轧成形不能保证零件的几何精度，故在形变热处理后还需进行机械加工，但强度与硬度的提高为其后进行的机械加工增加了许多困难。

(1)亚共析钢锻造余热淬火重要的机械零件，其含碳量大多是属于亚共析钢范畴。2.锻造余热淬火的工艺表1⁃3是从生产实际中采集的不同钢号的机械零件，经锻造余热淬火后的力学性能与普通淬火后的力学性能的比较。第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1-3几种零件锻造余热淬火与普通淬火力学性能的比较第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1-3几种零件锻造余热淬火与普通淬火力学性能的比较第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识(2)过共析钢锻造余热淬火

冷作模具、刀具用钢等都属于过共析钢，它们原来的加工路线是：锻造成形→球化退火→粗加工→淬火→低温回火→精加工。

球化退火一般约需20h左右，要耗费大量电能，而且所得到的球状碳化物较大，其平均直径在1μm以上。第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1- 4锻造余热淬火加高温回火与球化退火后硬度值比较第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识二、形变热处理

将钢加热到奥氏体状态，保温一定时间后，迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳定状态下（即珠光体与贝氏体形成温度范围之间）进行塑性变形，然后立即进行淬火的综合强化工艺，称为低温形变热处理。1.低温形变热处理第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1-5某些钢的低温形变淬火与普通淬火的力学性能对比第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1-5某些钢的低温形变淬火与普通淬火的力学性能对比第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识图1-2不同材料经低温形变淬火后的强度变化第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识图1-3形变温度对力学性能的影响第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识图1-4形变量对力学性能的影响2.高温形变热处理第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识将钢加热到奥氏体状态，保温一定时间，并在此状态下形变，随后进行淬火回火的一种工艺方法，称为高温形变热处理。

一般认为形变热处理获得强化的原因有下列几种：

(1)细化奥氏体晶粒、改变淬火后马氏体形态及其结构由于奥氏体晶粒的细化，使得马氏体变得很细，晶界增加。

(2)使钢中碳化物变细、分布弥散均匀这不仅使强度提高，而且韧性也有所提高。3.形变热处理的强化机理(3)改变脆性相的数量及分布

由此可减弱结构钢的可逆和不可逆回火脆性。第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识三、非调质钢

20世纪60年代发展起来的微合金化技术为非调质钢的产生提供了理论和生产基础，20世纪70年代初期发生的能源危机直接促成非调质钢的出现及发展。

1.非调质钢的概念2.非调质钢的强化原理第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识非调质钢顾名思义可以不经过调质处理而直接使用，为了达到调质处理的力学性能，通过在冶炼过程中适量添加微合金元素（V、Ti、Nb）和合理控制轧制工艺来调整基体组织形态。

非调质钢按应用场合分为直接切削用非调质钢、热锻用非调质钢、冷作强化非调质钢和高韧性非调质钢。3.非调质钢的应用第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识表1-6非调质机械结构钢的钢号与化学成分(质量分数，%)表1-6非调质机械结构钢的钢号与化学成分(质量分数，%)第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识(1)轴类零件

直接切削用非调质钢可替代现有的40Cr及45钢种的调质钢。

调质钢工序：落料→调质→切削加工→表面淬火。

(2)异形热加工锻件热锻用非调质钢根据所需力学性能不同，可替代40Cr、45、35CrMo、40Mn2、35MnB等调质钢。

调质钢工序：落料→锻造→调质→切削加工。

(3)冷加工用锻件冷作强化非调质钢主要用于标准件行业，可替代35、45、35CrMn的调质钢。

调质钢工序：落料→正火→冷镦锻造→调质→切削加工。第二节锻造余热淬火、形变热处理、非调质钢的热处理知识一、新材料应用知识

钢铁材料具有价格低廉，资源丰富，生产规模大，易于加工使用，性能可靠，便于回收等特点。

(1)低碳马氏体及其应用

低碳马氏体是低碳低合金钢经强烈淬火急冷后得到的一种显微组织结构，具有优良的综合力学性能以及良好的可加工性和焊接性。1.新一代钢铁材料第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(2)空冷贝氏体钢

贝氏体钢能够空冷自硬，并将冶金热加工工序与产品成形制造工序相连接，具有良好的强韧性配合、生产工序简单、节约能源、污染少、成本低等优点，因而引起了广泛重视。

(3)无莱氏体高速钢大连铁道学院戚正风教授等研制成功的无莱氏体高速钢，其合金元素与一般高速钢相同，含碳量则降低到钢液凝固时不形成共晶碳化物(莱氏体)，而又能在淬火回火后整体具有足够的强度、韧性与硬度的水平。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(4)奥氏体-贝氏体球墨铸铁(A—B球墨铸铁)20世纪70年代我国与美国、芬兰等国家同时研制成功A—B球墨铸铁并获得了实际应用，由于A—B球墨铸铁既具有较高的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性，因而被广泛用于汽车、拖拉机、内燃机的齿轮以及连杆、轴类等结构件和矿山磨球、锤头等耐磨零件。

通常将密度低于4．5g/cm3的金属称为轻金属。

铜的密度为8．94g/cm3，为重非铁金属，具有面心立方晶格，无同素异构转变。2.Al—Li合金3.铜合金第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识

钛与铝、铜不同，和铁一样也存在同素异构转变，在883℃以上为体心立方结构称为β相，在883℃以下为密排六方结构称为α相。

(1)Ti-6Al-4V钛合金这种钛合金是α＋β型钛合金，其合金成分(质量分数)为5%~6%的铝、4%的钒。

该合金易于焊接、锻造和切削加工，通过热处理可使抗拉强度高达1173MPa，并在482℃还有很好的热稳定性，在飞机上主要用作发动机壳体、压缩机叶片、结构锻件和紧固件等。4.航空与医用钛合金第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(2)β型高强度钛合金β型钛合金是发展高强度(σb≥1400~1500MPa)钛合金潜力最大的合金，由于加入了大量的β相稳定元素，空冷或水冷在室温即能得到全β相的组织，再通过时效处理析出α相弥散质点可大幅度提高强度。

β⁃21S是美国20世纪90年代新开发出的一种β型钛合金，其化学成分为Ti⁃15Mo⁃2．7Nb⁃3Al⁃0．2Si。

(3)钛铝化合物为基的高温钛合金不断提高钛合金的工作温度，以便代替航空发动机所用的较重的镍基高温合金，增大航空发动机的推重比，这始终是新型钛合金研究的目的之一。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识二、新工艺应用知识

在环境压力低于正常大气压以下的减压空间中进行加热、保温的热处理工艺，称为真空热处理。

(1)真空热处理的特点真空热处理具有无污染、无氧化脱碳、变形小等一系列优点。

1)防止金属氧化：工件只要在10-1Pa的真空度下，金属的氧化速度就极慢，在真空度小于1.33×10-2Pa的真空下加热金属，虽然都高于金属氧化物的分解压力，也可得到无氧化的光亮表面。1.真空热处理美国已有两个以Ti3Al为基的高温钛合金开始批量生产，它们的化学成分是Ti⁃21Nb⁃14Al和Ti⁃21Nb⁃14Al⁃3．5V⁃2Mo。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识2)表面净化作用：金属表面在真空热处理时，如果炉内氧的分压小于氧化物的分解压，金属表面氧化物分解生成的氧气可被真空泵排出炉外。

3)脱气作用：在真空热处理过程中，由于金属零件内外具有压差，溶解在金属中的气体会向金属表面进行扩散并在表面脱附逸出。

4)加热速度缓慢：工件在真空中主要依靠辐射方式进行传热，其加热速度比盐浴和炉气中加热慢，所以加热时间需要适当延长，降低了生产率。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(2)真空热处理的应用由于真空热处理具有以上特点，这项新工艺自20世纪60年代问世以来，得到了突飞猛进的发展，现在几乎所有热处理工艺均可进行真空热处理，例如退火、淬火、回火、渗碳、渗氮、渗金属等，而且淬火介质从最初的仅能气冷淬火，发展到现在的油冷淬火、水冷淬火、硝盐淬火等。

1)真空退火：金属在进行真空退火时，既可避免氧化，又有脱气、脱脂等作用。

真空退火应用很广，例如硅钢片的真空退火可除去大部分气体和氮化物、硫化物等；可以消除应力和晶格畸变；甚至可以提高磁感应强度。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识2)真空淬火：真空淬火已广泛应用于各种钢材和钛、镍、钴基合金等，真空淬火后钢件硬度高且均匀，表面光洁，无氧化脱碳，变形小。

3)真空渗碳：工件在真空中加热并进行气体渗碳，称为真空渗碳。

渗碳过程由于是在高温下时间又较长，容易使钢材基体组织粗大，当渗碳扩散整个周期完成后，可在惰性气体保护下冷却到Al线以下，再重新加热到淬火温度，通过重结晶使晶粒细化后再进行淬火。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(3)真空热处理的发展我国自20世纪70年代开始研制油、气淬火冷却的冷壁式真空热处理炉，80年代成系列地批量生产。

由于模具对表面质量和畸变的高要求，真空加热高压气淬几乎成为模具热处理不可替代的技术。

离子渗扩热处理是利用阴极（工件）和阳极间的辉光放电产生的等离子体轰击工件，使工件表层的化学成分、组织及性能发生变化的热处理工艺。

(1)离子渗氮离子渗氮是在真空室内进行的，工件接高压直流电源的负极，真空钟罩接正极。2.离子渗扩热处理第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识离子渗氮表面形成的氮化层具有优异的力学性能，例如高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度等，并使得离子渗氮零件的使用寿命成倍提高。

(2)离子渗碳离子渗碳是将工件装入温度在900℃以上的真空炉内，在通入碳氢化合物(CH4或C3H8)的减压气氛中加热，同时在工件(阴极)和阳极之间施加高压直流电，产生辉光放电，使活化的碳被离子化，在工件附近加速轰击工件表面进行渗碳。

离子渗碳从加热、渗碳到淬火处理，都可在同一装置内进行，这种真空热处理炉是具有辉光放电机构的加热渗碳室和油冷淬火室的双室型热处理炉。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识(3)离子注入

离子注入就是在真空中把气体或固体蒸汽源离子化，通过加速后把离子直接注入到固体材料表面，从而改变材料表面(包括近表面数十到数百纳米的深度)的化学成分和结构，达到改善性能之目的。

由于离子注入是在高能量离子轰击下强行注入金属表面，能形成极薄且具有特殊功能的新型渗层，它不受合金相图固溶度的限制，致使表层的化学成分和结构产生变化，形成特殊功能。

1)金属材料离子注入的优点：①几乎所有的元素都可以注入，而且可得到高的表面浓度，获得非平衡结构和合金相。2)主要缺点：①注入层较薄；②离子直线注入，对可以处理的工件的形状有一定要求，复杂工件很难处理；③设备费用昂贵。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识3)应用范围：①提高耐磨性能，氮离子注入的钛合金人造骨，其磨损可降低三个数量级，使用寿命提高100倍；由硬质合金制造的拉丝模具、工具钢制造的塑料挤压模具、切纸刀和橡胶切刀、钻头、冲头等，通过离子注入都可以使使用寿命提高几倍到十几倍；②提高耐蚀性能，在钢表面离子注入一层铬，可以得到与铬合金相当的耐蚀性能；③提高抗氧化性能，对一些金属，例如钛、锆、铬、镍和铜等，离子注入钇、铯、铝等抗氧化元素，可以使其表面氧化速率降低1/10以下。第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识使离子在较低的能量下直接沉积到基体上，称为离子束沉积。

在加热过程中使奥氏体的晶粒度细化到十级以上，然后再进行淬火，可以有效地提高钢的强度、韧性和降低脆性转化温度。

电子束热处理是利用电子枪发射的电子束轰击金属表面，将能量转换为热能进行热处理的方法。3.超细化热处理4.电子束热处理第三节国内外相关新材料、新工艺应用知识一、金属材料的成形方法概述图1-5机器生产过程示意图第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识图1-6金属毛坯生产方法及其分类1.铸造第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识铸造是将所需的金属熔化成液体，浇注到铸型中，待其冷却凝固后获得铸件（毛坯）。

1)由于是液态成形，铸造可以生产形状很复杂的铸件。

2)铸件大小几乎不受限制，质量从几克到几百吨，壁厚从1mm到1m以上都可以铸造。

3)可用于铸造的金属与合金的种类很多。

4)铸造所用原材料价格较低，所以铸件生产成本较低。

铸造的特点是金属一次成形，可用于各种成分、形状和重量的构件（如重达875kg的河南安阳商代遗址出土的司母戊鼎就是铜铸件）；成本低廉，能经济地制造出内腔形状复杂的零件。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识

压力加工是利用金属在外力的作用下所产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的生产方法。

要把各种零部件组成一个整体，成为一个有机的结构以完成一定的功能，就需要一定的连接手段。

粉末冶金是一种以金属粉末或金属与非金属粉末的混合物为原料，经过压制成形和烧结而制取金属材料、复合材料及其制品的工艺过程。2.压力加工3.焊接4.粉末冶金第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识1)可制取多组元无偏析的金属材料、复合材料：粉末冶金采用粉末混合方法，可使成分均匀，烧结时温度低于熔炼温度，基体金属不熔化，所以能获得无偏析的多组元材料和颗粒或纤维强化的复合材料。

2)可制取多孔材料：粉末颗粒间有孔隙存在并且分布均匀。

3)可生产硬质合金与难熔金属材料：常用的难熔金属有钨、钼、钽、铌、锆、钛等，它们的碳化物、氮化物具有极高的硬度，是硬质合金的主要原料。当然粉末冶金也有其局限性：金属粉末的生产成本较高，模具费用也较高，受设备的限制压制产品的尺寸不宜过大，由于粉末的流动性较差等因素，产品的形状也不能太复杂等。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识二、选材的原则与方法

(1)使用性原则材料的使用性能应满足使用要求，因为它是保证零件的设计功能实现、安全耐用的必要条件，是选材的最重要的原则。

1)通过对零件工作条件的全面分析，确定零件的使用性能。

2)进行失效分析，确定零件的主要使用性能。1.选材原则与方法第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识3)利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室力学性能指标；再根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布；由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值；利用相关手册根据使用性能进行选材。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识由于零件所要求的力学性能数据不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况：材料的性能不但与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关；材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别进行适当的修正；材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。

(2)工艺性原则材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识1)铸造性能：包含流动性、收缩性、疏松及偏析倾向、吸气性、熔点高低等。

2)压力加工性能：指材料的塑性和变形抗力(包括变形温度范围、产生缺陷的可能性及加热、冷却要求等)。

3)焊接性能：包括焊接应力、变形及晶粒粗化倾向、焊缝脆性、裂纹、气孔及其他缺陷倾向等。

4)机械加工性能：指切削抗力、零件表面粗糙度、排除切屑难易程度及刀具磨损量等。

5)热处理性能：指材料的热敏感性、氧化、脱碳倾向、淬透性、回火脆性、淬火变形和开裂倾向等。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识综上所述，与使用性能的要求相比，工艺性能处于次要地位，但在某些情况下，工艺性能也可成为主要考虑的因素。

(3)经济性原则除了使用性能与工艺性能外，经济性也是选材必须考虑的重要问题。

1)材料的价格：材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%～70%，不同材料的价格差异很大，而且在不断变动，因此设计人员应对材料的市场价格有所了解，并十分关心材料的市场价格变动情况，以便于核算产品的制造成本。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识2)国家的资源状况：随着工业的发展，资源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。

3)零件的总成本：由于生产经济性的要求，选材从几个方面影响零件的总成本，这就是材料的价格、零件的自重、零件的寿命、零件的加工费用、试验研究费用(为采用新材料所必须进行的研究与试验费)及维修费用等。

2.其他需要考虑的问题除了以上这些原则以外，近年来考虑人类社会的可持续发展，使我们的子孙后代仍能在地球上生存下去，能源和环保也是选材时必须考虑的两个重要因素。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识三、热处理在机械零件制造中的作用

机械零件的加工就是把材料制备成具有一定形状尺寸和性能的制品的过程。

机械零件（工模具）的设计，包括根据零件的服役条件选择材料、确定零件的外形结构、几何尺寸、传动精度及热处理技术要求等。

(1)正确选材选材时，应根据零件的服役条件、失效形式找出该零件所选材料的主要力学性能指标。

材料手册提供的数据一般是以该材料制成的试样进行力学性能试验测得的。1.机械零件冷、热加工工艺与热处理工艺的区别2.热处理工艺与零件设计的关系第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识(2)合理地确定热处理技术条件

1)根据零件服役条件，恰当地提出性能要求：如零件硬度值的确定要考虑零件的工作条件和失效形式，用高速钢制成的冷变形模具，对硬度要求不同于刀具，适当降低硬度要求，反而延长模具的使用寿命；用40CrNi或35CrMo制成的10t大型模锻锤的失效，属于疲劳断裂，若将硬度值由241~270HBW提高到38~43HRC，其使用寿命将大幅度提高。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识2)热处理技术要求只能定在所选钢号淬透性和淬硬性允许范围之内：要求大截面零件获得小尺寸试样的性能指标或者要求低碳钢不经化学热处理达到高硬度等都是不合理的。

3)显微组织的控制标准：由于零件的某些使用性能不能完全通过简单的硬度等力学性能表征出来，所以对热处理质量又提出了一些显微组织检验的要求。

4)热处理技术要求应该允许有一定的热处理变形：由于零件热处理时受组织应力和热应力作用，因此热处理变形是不可避免的。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识5)经济性：提出零件的热处理技术要求应综合考虑该零件的制造成本、使用寿命等经济因素，以达到最佳的技术经济效益。

(3)恰当处理热处理件外形结构在实际生产中，工程师们有时只注意到如何使零件的结构、形状及尺寸适合零件结构的需要，而往往忽视了零件在热处理过程中因其结构的不合理给热处理工序带来的不便，以致引起淬火变形甚至开裂，使零件报废。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识图1-7避免尖角、棱角的实例1)避免尖角和棱角：零件的尖角、棱角部分是淬火应力第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识最为集中的地方，往往是淬火裂纹的起点。

2)设计时要避免厚薄悬殊(见图1-8)，使淬火后薄处变形直径增大，并且还要考虑零件对称，如图1-9零件截面形状不均匀，淬火后零件圆度变大，为此开一个工艺孔即可减少圆度。图1-8零件存在危险截面应加厚薄壁第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识图1-9开工艺孔可避免淬火变形、开裂3)采用封闭、对称结构：零件形状为开口或不对称结构第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识时，淬火时淬火应力分布不均匀，容易引起变形。

4)采用组合结构：对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件，尽可能采用组合结构或镶拼结构。

5)轴类零件的细长比不可太大。

6)内孔要求淬硬时，应变不通孔为通孔。

7)提高零件结构的刚性，必要时可附加加强肋。

8)热处理前零件要有一定的表面粗糙度。

(1)铸造工艺对热处理质量的影响铸钢件由于是从高温液态直接在模中冷凝而成，本身往往有很多缺陷。3.热处理工艺与铸造的关系第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识1)晶粒粗大：常出现粗大片状珠光体，周围有又粗又厚的铁素体网，或粗大的铁素体晶粒。

2)魏氏体组织：铁素体以针状出现，脆性较大。

3)枝晶偏析：造成化学成分不均匀。

4)由于凝固和冷却的不均匀，内应力较大。

以上这些缺陷的存在，会使铸件的力学性能大大降低，切削加工性能变坏，并在随后的热处理中可能造成变形，硬度不足，甚至开裂。

(2)铸钢件的预备热处理

铸钢件的预备热处理一般是在铸造后立即进行，但应分不同情况采取不同的预备热处理方法。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识1)低碳钢一般选用正火处理，以获得均匀的铁素体+细片状珠光体组织。

2)中碳钢和合金钢一般采用完全退火或等温退火，以获得铁素体+片状(或球状)珠光体组织。

这两种预备热处理的方式都可以清除铸造中出现的粗大晶粒、网状铁素体和魏氏组织等微观缺陷和应力，大大改善铸件的切削加工性能，并且细化了组织，为最终热处理做好了组织准备，使最终热处理时组织细化，同时也减少了变形开裂的倾向。

3)如果只是为了消除铸造应力，则可采用低温回火。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识4)对于大型铸件，由于往往会出现枝晶偏析，这时可采用扩散退火。

(3)铸铁件灰铸铁件一般需要进行退火，包括消除铸件内应力的去应力退火，消除白口组织以利切削加工的石墨化退火，以及提高铸件的强度和塑性的正火处理；球墨铸铁在机加工前应进行退火以消除内应力并均匀组织，粗加工后再进行淬火、回火(等温淬火、表面淬火或化学热处理等)，由于其强化潜力巨大，经热处理提高自身的强度后，可用于制造若干重要零件，如齿轮、曲轴等。第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识(4)非铁金属铸件

可按技术要求进行淬火(固溶处理)与时效处理，以满足铸件的组织性能要求。

(1)锻造工艺对热处理质量的影响由于锻造温度较高，一般在1150~1200℃，锻后往往带有过热缺陷。

因此，为了改善锻件的组织状态，并为以后的淬火作好组织准备，以及降低硬度改善切削加工性能，锻件必须进行预备热处理。

(2)锻件的预备热处理方法

1)碳的质量分数小于0.45%的碳素钢和碳的质量分数小于0.40%的低合金结构钢，应用正火方法。4.热处理工艺与锻造的关系第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识2)碳的质量分数在0.45%~0.70%的碳素钢和弹簧钢，以及碳的质量分数大于0.40%的合金结构钢和弹簧钢，一般应采用完全退火。

3)对于工具钢应采用球化退火。

4)对于需要渗氮或高频感应加热淬火的小型锻件，以及合金元素含量较高的钢种，如18Cr2Ni4WA钢等退火不易软化的钢种，可采用调质处理作为预备热处理。

焊接件的热处理目的主要是去除因焊接而产生的结构应力，稳定构件的尺寸；其次是对焊缝处的组织缺陷进行弥补。5.热处理工艺与焊接的关系第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识

钢的切削加工性的好坏与其化学成分、金相组织和力学性能有关。表1-7常用结构钢采用不同热处理工艺后的硬度、组织7.工艺路线对热处理的影响6.热处理工艺与切削加工的关系第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识图1-1040Cr钢齿轮简图第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识图1-11汽车拉条简图第四节零件从选材到成品冷热加工衔接的知识•训练1看懂基本的钢铁热处理状态金相图谱例1看懂GCr15轴承钢球化退火淬火状态金相图谱

球化退火组织说明：球粒状珠光体。表1-8GCr15轴承钢的化学成分例2看懂40Cr钢淬火状态金相图谱

组织说明：板条马氏体及针状马氏体，为典型中碳马氏体。第五节编制热处理工艺训练实例图1-12GCr15轴承钢球化级别图(1~3级)第五节编制热处理工艺训练实例图1-13GCr15轴承钢球化级别图(4~6级)第五节编制热处理工艺训练实例图1-14GCr15轴承钢淬火组织第五节编制热处理工艺训练实例表1-940Cr钢化学成分第五节编制热处理工艺训练实例图1-1540Cr钢800℃加热油冷淬火的细马氏体组织

体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀放大500倍第五节编制热处理工艺训练实例图1-1640Cr钢860℃加热油冷淬火的中等针状马氏体组织

体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀放大500倍第五节编制热处理工艺训练实例图1-1740Cr钢920℃加热油冷淬火的粗大板条马氏体组织

体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀放大500倍第五节编制热处理工艺训练实例例320CrMnTi钢渗碳后淬火状态金相图谱

图1⁃18为20CrMnTi的渗碳淬火组织，4%硝酸酒精预腐蚀，化学染色（硫代硫酸钠240g，氯化镉24g，柠檬酸30g，蒸馏水1000mL），目测为蓝紫色。图1-1820CrMnTi钢渗碳后淬火状态金相图谱第五节编制热处理工艺训练实例1.技术条件及技术要求图1-1945钢柴油机连杆•训练245钢柴油机连杆锻造余热淬火第五节编制热处理工艺训练实例2.利用锻造余热进行淬火的目的和意义表1-10经不同工艺处理后的45钢和40Cr钢连杆的力学性能比较第五节编制热处理工艺训练实例4.热处理质量检验1)检查硬度前连杆需经吹砂处理，压力为不大于20kPa以去除工件表面的氧化皮。

2)按10%检查工件的硬度应为30～38HRC；按100%检查工件表面不应有裂纹。

•训练3编制微机控制的气体渗碳工艺3.利用锻造余热进行淬火的工艺方法第五节编制热处理工艺训练实例1.微机控制渗碳原理(1)气体渗碳碳势的自动控制碳势受很多因素的影响，如CO2、H2O、O2、CH4、CO、H2气压，炉温，被处理工件的合金元素等。

单参数控制系统的特点是所需设备较简单，成本较低，但控制精度较差。图1-20氧探头单参数碳势计算机控制系统示意图

1—气泵2—流量计3—氧探头4—数控阀

5—滴注器6—热电偶7—电源线8—并式气体渗碳炉第五节编制热处理工艺训练实例(2)炉温控制

由热电偶测得的温度信号，经CPU按预先编排好的程序处理，获得与温度偏差成PID关系的控制量，直接输入晶闸管过零触发器，以控制晶闸管输给电炉的电功率，从而达到控制炉温的目的。

(3)时间控制依照工艺过程预先选定的预热、加热、渗碳和扩散的时间曲线进行时间控制。

(4)其他控制目前普遍应用的箱式炉中的进料口小车运动、炉门开启、工件进炉、推料、加热、停炉、冷却、报警等均由微机控制。第五节编制热处理工艺训练实例2.编制微机控制的渗碳工艺•训练4编制铝合金的热处理工艺

工业用铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类，下面分别说明其热处理工艺的编制。第五节编制热处理工艺训练实例1.编制变形铝合金的热处理工艺(1)退火

1)扩散退火：又称为均匀化退火，它是将铝合金在接近熔点的温度下长时间保温，然后根据不同合金的特点，分别快速冷却或缓慢冷却，目的是消除合金铸锭内的化学成分不均匀和组织不均匀(晶内偏析现象)，消除铸造应力，提高塑性加工性能。

一般扩散温度采用0．95T熔或低于合金中低熔点共晶温度，保温时间为12~24h，冷却方式为随炉冷却或出炉堆放在一起空冷。

2)中间退火：在冷加工过程中进行退火是为了消除加工硬化，恢复材料的塑性，以利于继续加工变形。第五节编制热处理工艺训练实例中间退火的加热温度在再结晶温度以上，所有变形铝合金再结晶温度均在250℃左右，过烧温度在500℃以上，所以一般中间退火温度为350~415℃。

3)不完全退火：又称为低温退火或回复退火。

4)完全退火：又称为高温退火或平衡退火。

5)等温退火：又称为联合退火。

常用的变形铝合金的退火规范见表1⁃11。第五节编制热处理工艺训练实例表1-11常用变形铝合金退火规范(2)淬火与时效

铝合金淬火加热时，第五节编制热处理工艺训练实例α固溶体及第二相(金属间化合物)转变为单相的α固溶体，淬火时单相的α固溶体转变为单相的过饱和α固溶体，但它不发生同素异晶转变，故铝合金的淬火也称为固溶处理。

1)淬火温度：淬火温度过高，易使合金中的低熔点共晶体熔化(即产生过烧)，不仅降低合金的力学性能与耐蚀性能，严重时将导致合金报废。

2)保温时间：保温时间过短，过剩相溶解不充分；保温过长，则浪费能源与设备台时，工效低，且增加过热危险。第五节编制热处理工艺训练实例3)淬火转移时间与冷却速度：淬火转移时间与冷却速度应保证合金在冷却过程中过剩相不从固溶体中析出，因此一般不超过35s，对于超硬铝不超过25s。

4)时效：通常硬铝采用自然时效，时间不少于4天。

铝合金的人工时效应选用温度均匀、控温精度较高的设备，如电热热风炉、油浴，时效后一般进行空冷。表1-12常用变形铝合金淬火时效规范第五节编制热处理工艺训练实例2.编制铸造铝合金的热处理工艺(1)退火

不能热处理强化的铝合金，可通过退火消除铸造应力和机械加工过程中产生的加工硬化来提高塑性。

(2)淬火与时效铝合金铸件的化学成分一般是由各零件生产厂自行配制，与变形铝合金标准化学成分比较其控制精度相对差一些。

1)淬火温度与保温时间：由于铸造铝合金中的杂质含量较多，容易出现低熔点的共晶组织，其淬火温度不能像变形铝合金那样选择在过剩相的最大溶解度温度，而要比最大溶解度温度稍低一点，以防止合金过热。第五节编制热处理工艺训练实例2)淬火介质的选用：因为铸造铝合金件形状复杂，壁厚不均匀，内部缺陷较多，强度和塑性较低，为防止淬裂或变形，应选用温度较高的水(60~100℃)作为淬火介质。

3)时效：铸造铝合金中的合金元素较多，它们通过淬火保持在固溶体中，过剩相的析出困难，自然时效要1~2个月才能使合金强度接近最大值，因此需要人工时效使合金强化。

完全人工时效：以获得最大的强化效果为目的，时效温度应取160~190℃之间，保温时间从数小时到几十小时不等。第五节编制热处理工艺训练