热处理工艺基础培训教案.docx

热处理工艺基础培训教案.docx

《热处理工艺基础培训教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理工艺基础培训教案.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

热处理工艺基础培训教案

热处理工艺基础培训教案

-.金属材料性能

纯金属与合金统称为金属材料。

工业上的金属材料分为黑色金属和有色金属两大类；以铁为基础的合金称为黑色金属，如钢和铁，除此以外的金属称为有色金属，如铜及铜合金、铝及铝合金。

制成零件的金属材料在使用过程中表现出来的性能，叫做使用性能，如机械性能、物理性能、化学性能等。

金属材料对于各种加工的接受能力以及加工的难易程度，叫做加工性能或工艺性能。

学习热处理，就是要利用热处理的方法来提高或改变材料的性能，来满足零件的使用要求，延长零件的使用寿命，降低其制造成本。

1.金属材料的机械性能

金属材料的机械性能主要包括：

强度、塑性、硬度、弹性、冲击韧性以及疲劳强度等。

强度是金属材料对外力作用所引起的变形或断裂的抵抗能力。

根据外力的作用形式，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等，机械制造中，常用抗拉强度作为金属材料机械性能的主要指标。

测定金属材料的抗拉强度，广泛采用静力拦伸试验法。

金属材料在外力作用下，产生永久变形而不破坏的能力叫做塑性；金属塑性指标有两个：

一个是延伸率，另一个是断面收缩率。

冲击韧性是金属材料抵抗冲击力的作用而不被破坏的能力，它的衡量指标是以试样冲断缺口处单位面积所消耗的功来表示。

硬度是金属材料是表面抵抗变形的能力。

常用的是布氏硬度试验及洛氏硬度试验。

2.金属材料的物理性能

金属材料的物理性能主要包括：

密度、比容、熔点、热膨胀性、导电性和导热性等。

3.金属材料的化学性能

金属材料的化学性就是指它在室温或高温下，抵抗外界介质对它化学侵蚀的能力。

它可分为耐腐蚀性和抗氧化性两个方面。

4.金属材料的工艺性能

根据不同的工艺方法，工艺性能一般包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理工艺性能等。

设计和制造零件时必须考虑材料的工艺性能，因为它直接影响加工方法、生产效率及成本等。

二．铁碳合金相图及碳钢

1.金属的晶体结构

一切物质都是有原子组成的，根据原子在物质内部的排列特征，固态物质可分为晶体和非晶体两类。

晶体内部原子在空间呈一定的有规则排列，如金刚石、石墨及一切固态金属与合金，非晶体内部原子是无规则堆积在一起的，如玻璃、沥青、石蜡、松香等。

晶格---为了便于描述内部原子排列的规律，人为地将原子看作一个点，并用一些假想的几何线条（直线）将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。

晶胞---从晶格中选一个能够完全反映晶体特征的，最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。

实际上晶格是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。

2.常见金属的晶格类型

●体心立方晶格---它的晶胞是一个长、宽、高相等的立方体。

立方体的八个角上各有一个与其它晶胞共有的原子，除此之外，在立方体中心还有一个原子。

●面心立方晶格---它的晶胞也是一个长、宽、高相等的立方体。

在立方体的八个角上和每个面的中心各有一个与其它晶胞共有的原子。

●密排六方晶格---它的晶胞是一个正六方柱体。

在正六方柱体的十二个角上及上、下底面的中心各有一个与其它晶胞共有的原子，除此以外，在柱体中心还有三个原子。

3.铁碳合金的基本组织

金属在固态下晶格类型随温度发生变化的现象称为同素异晶转变。

液态纯铁在结晶后具有体心立方晶格，称为σ-Fe,继续冷却到1394度时，铁原子重新排列，由体心立方晶格转变为面心立方晶格，称为γ-Fe,再继续冷却到912度时，铁原子排列又发生变化，由面心立方晶格转变为体心立方晶格，称为α-Fe,若再冷却下来，晶格类型不再发生改变。

由于铁和碳原素相互作用的不同，铁碳合金的基本组织有：

铁素体、奥氏体、渗碳体。

珠光体和莱氏体。

铁素体---碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。

铁素体仍保持α-Fe体心立方晶格。

碳在体心立方晶格中的溶解度小，在600度时碳的质量分数为0.008%，当温度升高到727度时，碳的质量分数为0.0218%。

铁素体的性能与纯铁相似，强度和硬度较低，塑性和韧性好（邻碳量近似等于0）。

奥氏体---碳溶于γ-Fe中所形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。

奥氏体仍何持γ-Fe的面心立方晶格。

溶碳量较铁素体多，在727度时碳的质量分数为0.77%，当温度升高到1148度时，碳的质量分数为2.11%。

奥氏体具有很好的塑性和韧性，有一定的强度和硬度。

生产中常将钢材加热到奥氏体状态进行锻造。

渗碳体—是铁和碳形成的一种具有复杂晶格的间隙化合物，用化学式Fe3C表示。

渗碳体中碳的质量分数为6.99%，硬度很高，塑性和韧性极低，脆性大，溶点为1227度。

在钢和生铁中渗碳体常以片状、球状和网状等不同形态存在，它的形态、大小、数量和分布对钢和生铁、铸铁性能有很大影响。

珠光体---是铁素体和渗碳体组成的两相复合物，用符号P表示。

碳的质量分数为0.77%，是一个双向组织，性能介于铁素体和渗碳体之间，具有足够的强度、塑性和硬度。

莱氏体---碳的质量分数为4.3%的液态铁碳合金，冷却到1148度时，由液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的复相组织称为莱氏体，用符号Ld表示。

莱氏体的性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性很差。

4．铁碳合金相图

铁碳合金相图是指在极其缓慢加热（或冷却）条件下，不同成分的铁碳合金，在不同的温度下所处状态的一种图形。

它是选择材料和制定有关热加工工艺时的参考，也是钢和铸铁进行热处理的理论基础。

Fe-Fe3C相图纵坐标表示温度，横坐标表示碳的质量分数。

横坐标端碳的质量分数为零，是纯铁的成分；右端碳的质量分数为6.99%。

是Fe3C的成分。

Fe-Fe3相图中的物性点

特性点温度碳的质量分数含义

A15380纯铁的熔点

C11484.3共晶点，L---Ld

D～12276.69渗碳体的熔点

E11482.11在γ-Fe中的最大溶解度

G9120α-Fe---γ-Fe纯铁的同素异晶转变

P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度

S7270.77共析点，A---P

Q6000.008碳在α-FeK中的溶解度

Fe-F3C相图中的特性线

特性线名称含义

ACD线液相线任何成分的铁碳合金在此线以下均处于液态（L）,液态

合金缓冷到AC线时，从液体中开始结晶出奥氏体（A）,缓冷到CD线时，从液体中开始结晶出渗碳体，这种渗碳体称为一次渗碳体（Fe3C1）

AECF线固相线任何成分的铁碳合金缓冷到此线时全部结晶为固休

ECF水平线共晶线凡是碳的质量分数＞2.11%的铁碳合金缓冷到该线（1148度）时均发生共晶转变，生成莱氏体。

PSK水平线共析线凡是碳的质量分数＞0.0218%的铁碳合金（奥氏体）缓冷到727度时均发生共析转变，由奥氏体生成珠光体。

ES线Acm线碳在γ-Fe中的溶解度曲线。

随着温度的降低，含碳量在减小，在1148度时，碳的质量分数为2.11%（E）点，在727度时，碳的质量分数为0.77%（S）点，或者说碳的质量分数为0.77%的铁碳合金由高温缓冷时从奥氏体中析出渗碳体的开始线，这种渗碳体称为二次渗碳体，加热时为二次渗碳体溶入奥氏体的终了线。

PQ线碳在α-Fe中的溶解度曲线，随着温度的降低，含碳量在减小，在727度时碳的质量分数为0.0218%，在600度时碳的质量分数为0.008%（Q）点，因此，由727度缓冷时，铁素体中多余的碳将以渗碳体的形式析出，这种渗碳体称这三次渗碳体。

GS线A3线碳的质量分数＜0.77%的铁碳合金由奥氏体中析出铁素体的开始线，或者说加热时铁素体转变为奥氏体的终了线。

5.铁碳合金的分类

（1）工业纯铁碳的质量分数小于等于0.0218%

（2）钢大于0.0218%小于等于2.11%

共析钢碳的质量分数等于0.77%。

亚共析钢碳的质量分数小于0.77%。

过共析钢碳的质量分数大于0.77%。

（3）白口铁碳的质量分数大于2.11%小于6.99%

共晶白口铁碳的质量分数等于4.3%。

亚共晶白口铁碳的质量分数大于2.11%小于4.3%。

过共晶白口铁碳的质量分数大于4.3%小于6.69%。

碳钢及钢中的杂质

碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。

按钢中含碳量的多少碳钢分为

低碳钢碳的质量分数＜0.25%

中碳钢碳的质量分数为大于等于0.25%小于0.60%

高碳钢碳的质量分数＞0.60%

按钢中有害杂质硫、磷含量多少分为

普通质量钢钢中硫、磷含量较高

优质钢钢中硫、磷含量较低

高级优质钢钢中硫、磷含量很低

按钢的用途可分为

碳素结构钢用于制作各种机器零件和工程机械。

碳素工具钢用于制作和种量具、刃具和模具等。

铸钢用于制作形状复杂，难于锻压等方法成型的铸钢件。

钢中有杂质锰和硅都是有益元素，而钢中的硫和磷是有害元素，因此钢中应严格控制硫和磷的含量，以免对钢的质量产生影响。

三.钢的热处理

钢的热处理是将钢在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以改变内部组织，获得所需性能的一种工艺方法。

通过热处理能显著提高钢的力学性能，增加零件的强度韧性和使用寿命。

根据加热和冷却方式不同，热处理分为

普通热处理—退火，正火，淬火，回火

热处理

表面热处理：

表面淬火---火焰加热，感应加热

化学热处理---渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗金属等。

虽然热处理方法很多，但过程都是由加热、保温和冷却三个阶段。

1.钢加热时组织有转变

由铁碳合金相图可知，共析钢、亚共析钢和过共析钢分别被缓慢加热到A1、As、Acm温度以上时均可获得单相的奥氏体组织。

A1、As、Acm是平衡时的相变点（温度）。

加热和冷却速度的增大，相变点的偏离程度也增大。

为了与平衡的相变点区别，通常将实际加热时的各相变点用Ac1、Ac3、ACcm表示，冷却时的各相变点用Ar1、Ae3、Arcm表示。

大多数机械零件进行热处理时，都需要加热到相变点以上，以获得全部或部分均匀的奥氏体组织，称这一过程为奥氏体化。

2、钢的退火与正火

钢的退火

退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火的目的

（1）降低钢件的硬度，以利于切削加工。

（2）消除残余应力，以防钢件变形与开裂。

（3）细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好准备。

退火的分类

根据钢的成分和退火的目的不同，退火可分为：

完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火（扩散退火）和去应力退火。

（1）完全退火完全退火是钢件完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。

实际生产中，为了提高生产效率，冷却至600度左右时可以将工件出炉空冷。

完全退火因为所需时间很长，对于某些合金钢需要数十小时，甚至数天时间，因此是一种费时工艺，

（2）等温退火等温退火是将钢件加热到Ac3（Ac1）温度经上，保温一定时间后，以较快的速度冷却到Ar1以下某一温度，并在此温度等温停留，使奥氏体转变为珠光型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。

等温退火能缩短退火时间，得到均匀的组织和性能。

主要用于处理高碳钢，、合金工具钢和高合金钢。

（3）球化退火球化退火是将过共析钢或共析钢加热至Ac1以上20～40度，保温一定时间，然后随炉缓冷至室温，或者在略低于Ar1的温度下保温之后再出炉空冷的退火工艺。

球化退火可以使网状二次渗碳体和珠光体中的片层渗碳体都变为球状。

（4）均匀化退火（或称扩散退火）均匀化退火是将金属铸锭、铸件或锻坯加热到高温，在此温度长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺。

加热温度一般为Ac3以上150～250度，保温时间10～15小时。

均匀化退火的钢晶粒往往过分粗大，要再进行一次完全退火或正火处理。

均匀化退火是一种耗费能量很大，成本很高的热处理工艺，因此主要用于质量要求高的优质合金钢铸锭或铸件。

（5）去应力退火去应力退火是将钢件随炉缓慢加热到Ac1以下某一温度，约500～650度，经一定时间保温后，随炉缓慢冷却至300～200度出炉空冷的退火工艺。

去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊件的内应力，稳定尺寸，减少使用过程中的变形。

钢的正火

正火是将钢件加热到Ac3（或ACcm）以上30～50度，保温一定时间，在空气中冷却的热处理工艺。

把钢件加热到Ac3以上100～150度的正火称为高温正火。

正火与退火的主要区别是冷却速度比退火快，因此正火后得到的组织比退火细小，钢材的强度、硬度也稍有提高。

正火的目的是：

细化晶粒，调整硬度消除网状渗碳体，为后续加工、球化退火及淬火等做好准备。

正火操件简单、生产周期短、成本较低，应用广泛，主要用于：

（1）改善切削加工性低碳钢和低碳合金钢经退火后，组织中铁素体量过多，硬度偏低，切削加工中易产生“粘刀”现象，表面粗焅度增大。

通过正火处理可得到细小的珠光体组织，硬度有所提高，改善了切削加工性能。

（2）消除网状渗碳体为球化退火做好准备。

由于正火加热温度高于Acm，冷却速度又较大，渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网状析出，正火可细化片状珠光体组织，有利于球化。

（3）作为预备热处理可用于中碳钢和合金结构钢制作的较重要零件的预备热处理。

（4）作为最终热处理因为正火可以细化晶粒，提高力学性能，故对性能要求不高的普通结构零件可采用正火作为最终热处理。

3．钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢和过共析钢）以上某一温度，保温一定时间，然后以适当的速度冷却获得的马氏体组织的热处理工艺。

淬火的目的淬火主要目的是为了获得马氏体或贝氏体组织，然后与适当的回火工艺相配合，以得到零件所要求的使用性能。

淬火与回火是强化钢材的重要热处理工艺方法。

（1）淬火加热温度

亚共析钢加热温度一般在Ac3以上30～50度，可得到全部细晶粒的奥氏体组织，淬火后为均匀细小的马氏体组织。

共析钢和过共析钢适宜的淬火温度为Ac1以上30～50度，此时的组织为奥氏体或奥氏体与渗碳体，淬火后得到细小的马氏体或马氏体与少量的渗碳体。

淬火加热时间包括升温时间和保温时间。

升温时间是指零件由低温到淬火温度所需要的时间。

保温时间是指零件内外温度一致，达到奥氏体均匀化的时间。

（2）淬火冷却介质

淬火时为了保证奥氏体转变为马氏体，又不致于造成零件的开裂，必须选择适当的冷却介质。

水---水是应用最广泛的冷却介质。

具有较强的冷却能力。

但水的冷却特性不理想，因为在需要快冷的650-500度范围内，它的冷却速度较小，而在300-200度需要慢冷时，冷却速度比要求的大，这样会使零件产生变形或开裂。

只能作为较小碳钢的冷却介质。

盐或碱的水溶液---为了提高冷却能力，常在水中加入（5-10%）的盐或碱。

常用食盐水溶液和苛性钠水溶液。

A）食盐水溶液：

在650-500度范围内，冷却能力比清水提高近一倍，在300-200度范围内，冷却速度却增加得很少，可以获得高的硬度和更深的淬硬层，但组织应力较大，易使淬后零件变形和开裂。

主要用于形状简单的而尺寸较大的低、中碳钢零件的淬火。

B）碱水溶液：

冷却能力在650-500度时比盐水还大，在300-200度时比盐水溶液小。

但是腐蚀性大，主要用于易产生裂纹的零件。

C）油：

常用机油、变压器油、柴油等。

在300-200度时冷却速度比水小，有利于减小零件的变形和开裂，但在650-500度时冷却速度比水小得多，所以只能用来作为合金钢的淬火介质。

（3）淬火的方法

水冷或油冷淬火

水冷（或油冷）淬火是将工件加热至相变点以上某一温度，保温适当的时间，然后在水（或油）中急速冷却的淬火方法。

此法操作简单，易于机械化和自动化。

但水冷淬火变形和开裂倾向大，而油冷淬火冷却速度小，使大件淬不硬。

通常碳钢件在水中淬火，合金钢件在油中淬火。

双介质淬火

先放入一种冷却能力强的介质中，在工件还未达到该淬火介质温度之前即取出，马上放入另一种冷却能力弱的介质中冷却，进行马氏体转变。

如先水淬后油冷，先水淬后空冷。

此法适用于形状复杂的高碳钢零件和尺寸较大的合金钢零件。

马氏体分级淬火

另外淬火的方法还有马氏体淬火和奥氏体淬火，其淬火工艺是为了获得马氏体组织和贝氏体给织。

4.钢的回火

将淬火后的工件，再加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

回火是紧接着淬火后进行的一项操作，，通常是零件进行热处理的最后一道工序，对产品所要求的性能起着决定性的作用。

淬火与回火常作为零件的最终热理。

（1）回火的目的

（a）降低脆性，消除或减少内应力。

（b）获得工件所要求的力学性能：

调整硬度，减小脆性。

（c）稳定工件尺寸：

通过回火使淬火组织变为稳定的组织，保证工件在以后的使用过程中不会发生尺寸和形状的改变。

（2）回火方法及应用

（a）低温回火（150-250度）：

回火后的组织为回火马氏体。

其目的是降低淬火应力和脆性，保证钢具有较高的硬度和耐磨性。

回火硬度一般为HRC58-64。

多用于高碳钢和合金钢制作的刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳以及表面淬火的零件。

（b）中温回火（350-500）：

回火后的组织为回火马氏体。

目的是为了使钢具有高的弹性极限、屈服点和一定的韧性、回火后的硬度一般为HRC36-50.主要用于各种弹簧和模具的热处理。

（c）高温回火（500-600）：

通常将淬火及高温回火的热处理工艺称为调质处理。

高温回火的组织为回火索氏体，硬度为HRC25-35.目的是为了获得强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

广泛用于各种重要的结构零件。

5．钢的表面淬火

钢的表面淬火是一种不改变钢表面化学成分，只改变表面层组织的局部热处理方法。

应对用最广泛的感应加热淬火和火焰淬火。

（1）感应加热淬火：

淬硬层的厚度取决于高频电流透入工件表面的深度。

（A）高频感应加热：

电流频率多为200-300KHZ,淬硬层深度为1.0-2.0mm。

适用淬硬层较薄的中、小型零件，如轴。

齿轮等。

（B）中频感应加热：

常用电流频率为2500-800HZ,淬硬层深度一般为2-10mm。

适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿等。

感应加热的特点

（A）加热速度快且无保温时间，碳原子来不及扩散，加热温度一般在Ac3以上80-150度。

（B）加热时间较短，使奥氏体组织细小而均匀，得到马氏体组织，硬度比普通淬火高HRC2-3,且脆性较低。

（C）由于加热时间短，一般不会发生氧化和脱碳，又由于心部未被加热，故工件变形很小。

（D）生产率高，适用于大批量生产，宜实现自动化和机械化。

感应加热淬火后，为了降低淬火应力，保持高的硬度和耐磨性，要进行低温（180-200度回火。

（2）火焰淬火

火焰淬火是利用氧-乙炔（或其它可燃气体）火焰对工件表面进行加热，随之冷却淬火的工艺。

火焰淬火主要缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，质量不稳定。

主要用于单件小批生产。

6.钢的化学热处理

化学热处理是将钢置于活性介质中，通过加热和保温，使介质分解析出某些元素的活性原子，并渗入工件表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

按渗入元素和不同可分为：

渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、渗铝、渗硅、渗铬等。

（1）钢的渗碳

渗碳是将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的热处理工艺。

渗碳深度按使用要求一般为0.5-2.0.

钢经渗碳后，表面层碳的质量分数为0.9-1.05%，从表层到心部碳含量逐步减少，心部为原来低碳钢的含碳量。

工件渗碳后必须进行淬火和低温回火。

（2）钢的渗氮

渗氮是在一定温度（一般在Ac1以下）下，使活性氮原子渗入工件表面层的一种化学热处理工艺方法。

目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。

常用的渗氮方法：

气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等。

用于渗氮的钢中必须含有铝、钒、钨、钼、铬、锰等易形成氮化物和提高淬透性的合金元素。

渗氮层深度一般不超过0.60-0.70mm。

（3）钢的碳氮共渗

碳氮共渗是将碳和氮原子同进渗入工件表面的一种化学热处理过程。

目前常用的是气体碳氮共渗的气体氮碳共渗。