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1、Tsinghua University Press 机 械 制 造 基 础第1章 金 属 材 料 教学提示：本章介绍了钢材的退火、正火、淬火、回火以及表面热处理和钢材火花鉴别的方法，同时对热处理常用设备进行了扼要讲解。对于热处理实践中常见的问题和缺陷原因进行了深入剖析。重点介绍了淬火、回火等热处理工艺，并以工程实例介绍了常见零件的热处理工艺规程。 教学目标：通过本章熟悉典型零件的热处理工艺，掌握基本热处理方法。 1.1 钢的热处理 1.1.钢的退火和正火钢的退火和正火 1.1. 淬火和回火淬火和回火 淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火、再配以不同温度的回火，可使钢获得所需的力学性能。 热
2、处理的作用日趋重要，因为现代机器设备对金属材料的性能不断提出新的要求。热处理可提高零件的强度、硬度、韧性、弹性等，同时还可改善毛坯或原材料的切削加工性能，使之易于加工。 退火是将钢加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。1.1.3 钢的表面热处理钢的表面热处理 表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。 1.表面淬火 2.化学热处理1.1.4 1.1.4 热处理设备热处理设备1. 加热设备2. 冷却设备1.1.5 1.1.5 项目案例精解项目案例精解1.2 钢材的火花鉴别 钢材品种繁多，应用很广泛，性能差异很大，因此钢材的鉴别就显得异常重要。火花鉴别法是依靠观察材料被砂轮磨削
3、时所产生的流线、爆花及其色泽判断出钢材化学成分的一种简便方法。 1.2.1 1.2.1 火花鉴别常用设备及操作方法火花鉴别常用设备及操作方法1.2.2 1.2.2 火花的组成和名称火花的组成和名称1.火束 2. 流线 3. 节点和芒线4. 爆花与花粉 5. 尾花 6. 色泽Guangdong University of Technology火花鉴别常用设备及操作方法火花鉴别常用设备及操作方法火花鉴别常用的设备为手提式砂轮机或台式砂轮机，砂轮宜采用4660号普通氧化铝砂轮。手提式砂轮直径为100150mm，台式砂轮直径为200250mm，砂轮转速一般为28004000r/min。在火花鉴别时，最
4、好备有各种牌号的标准钢样以帮助对比、判断。操作时应选在光线不太亮的场合进行，最好放在暗处，以免强光影响对火花色泽及清晰度的判别。操作时使火花向略高于水平方向射出，以便观察火花流线的长度和各部位火花形状特征。施加的压力要适中，施加较大压力时应着重观察钢材的含碳量；施加较小压力时应着重观察材料的合金元素。Guangdong University of Technology1.火束火束钢件与高速旋转的砂轮接触时产生的全部火花，叫做火花束，钢件与高速旋转的砂轮接触时产生的全部火花，叫做火花束，也叫火束。也叫火束。Guangdong University of Technology流线流线钢件在磨削时产
5、生的灼热粉末在空间高速飞行时所产生的光钢件在磨削时产生的灼热粉末在空间高速飞行时所产生的光亮轨迹，称为流线。亮轨迹，称为流线。Guangdong University of Technology节点和芒线节点和芒线流线上中途爆裂而发出的明亮而稍粗的点，叫节点。火花爆流线上中途爆裂而发出的明亮而稍粗的点，叫节点。火花爆裂时所产生的短流线称为芒线。裂时所产生的短流线称为芒线。Guangdong University of Technology爆花与花粉爆花与花粉在流线或芒线中途发生爆裂所形成的火在流线或芒线中途发生爆裂所形成的火花形状称为爆花，由节点和芒线组成花形状称为爆花，由节点和芒线组成。Gu
6、angdong University of Technology尾花尾花 流线末端的火花流线末端的火花1.2.3 1.2.3 碳钢火花的特征碳钢火花的特征 碳钢中火花爆裂情况随含碳量的增加分叉增多，形成二次花、三次花甚至更复杂的火花。火花爆裂的大小随含碳量的增加而增大，含碳量在0.5%左右时最大，火花爆裂数量由少到多，花粉增多，如图1-20所示。图1-20 含碳量与火花特征1.2.4 1.2.4 项目案例精解项目案例精解 通过用砂轮磨削材料，观察火花形态的方法，辨别15钢、45钢、T8钢和W18Cr4V这4种不同牌号的钢材。 1.3 拓 展 训 练 1.3.1 1.3.1 车床主轴热处理工艺车
7、床主轴热处理工艺Guangdong University of Technology车床主轴工艺过程车床主轴工艺过程生产中车床主轴的工艺过程如下：备料锻造正火粗加工调质半精加工局部淬火(内锥孔、外锥面)、回火粗磨(外圆、内锥孔、外锥面)滚铣花键花键淬火、回火精磨。其中正火、调质为预备热处理，内锥孔及外锥面的局部淬火、回火和花键的淬火、回火属最终热处理，它们的作用和热处理工艺分别如下。(1) 正火：正火是为了改善锻造组织，降低硬度(HBS170230)以改善切削加工性能，也为调质处理作准备。正火工艺：加热温度为840870，保温11.5h，保温后出炉空冷。Guangdong University
8、 of Technology(2) 调质：调质是为了使主轴得到较高的综合力学性能和抗疲劳强度。经淬火和高温回火后硬度为HBS200230。调质工艺如下： 淬火加热：用井式电阻炉吊挂加热，加热温度为830860，保温2025min； 淬火冷却：将经保温后的工件淬入1535清水中，停留12min后空冷； 回火工艺：将淬火后的工件装入井式电阻炉中，加热至55010保温11.5h后，出炉浸入水中快冷。Guangdong University of Technology(3) 内锥孔、外锥面及花键部分经淬火和回火是为了获得所需的硬度。内锥孔和外锥面部分的表面淬火可放入经脱氧校正的盐浴中快速加热，在970
9、1050温度下保温1.52.5min后，将工件取出淬入水中，淬火后在260300温度下保温13h(回火)，获得的硬度为HRC4550。花键部分可采用高频淬火，淬火后经240260的回火，获得的硬度为HRC4853。为减少变形，锥部淬火与花键淬火分开进行，并在锥部淬火及回火后，再经粗磨以消除淬火变形，而后再滚铣花键及花键淬火，最后以精磨来消除总变形，从而保证质量。Guangdong University of Technology3) 车床主轴热处理注意事项(1) 淬入冷却介质时应将主轴垂直浸入，并可作上下垂直窜动。(2) 淬火加热过程中应垂直吊挂，以防工件加热过程中产生变形。(3) 在盐浴炉中
10、加热时，盐浴应经脱氧校正。1.3.2 1.3.2 圆拉刀的热处理工艺圆拉刀的热处理工艺Guangdong University of Technology圆拉刀的预备热处理可在一般性的任何炉型中进行。唯有淬火加热、分级淬火和回火必须谨慎选择炉型，目前大部分工厂都采用盐炉进行淬火加热和分级淬火，回火多采用带风扇的井式回火炉(也可用盐炉)。进入热处理车间淬火回火的拉刀，其工艺路线一般是：预热(二次)加热冷却热校直清洗回火热校直回火热校直回火热校直柄部处理清洗检验(硬度和变形量)表面处理。Guangdong University of Technology1. 预备热处理预备热处理1) 锻后退火锻后
11、退火圆拉刀锻造后在电炉中等温退火的工艺见图圆拉刀锻造后在电炉中等温退火的工艺见图1-27所示。所示。Guangdong University of Technology2) 消除应力退火一般情况下，消除应力退火这道工序，应放在冷加工后淬火前进行。特殊情况下，如果拉刀毛坯的弯曲量大，冷加工前需要进行校直，这时经过校直的拉刀毛坯需经消除应力退火后方可进行冷加工，而在冷加工后，仍需按常规进行消除应力退火。2. 淬火和回火1) 装炉和预热拉刀在炉中加热或者冷却，必须垂直悬挂，以减少拉刀的弯曲变形。目前大部分工厂还没有专用夹具，只用铁丝捆扎拉刀柄部，再用铁钩悬挂，或用钳子夹住加热。对于直径为100mm、
12、长为1500mm的拉刀，应采用两次预热，第一次预热温度为550650，预热时间为1h左右，可在空气电阻炉中进行。第二次预热温度为800870，预热时间为30min左右，在中温盐浴炉中进行。Guangdong University of Technology2) 高温加热拉刀的切削速度一般很低，它工作时的表面温度常在400左右，可见拉刀不太需要过高的红硬性，主要需要强度和韧性，所以可选下限温度进行加热，这样既可减少拉刀的弯曲变形和开裂倾向，又可提高强度和韧性，对直径100mm的拉刀来说，适宜的加热温度为127010至于加热时间，直径100mm的拉刀可按高速钢加热系数815s/mm选其下限，即13
13、min左右，如果装炉量多，拉刀入炉后的压温时间超过8min，则应适当延长加热时间，以确保拉刀的热处理质量。Guangdong University of Technology3) 淬火冷却拉刀淬火冷却方式与拉刀产生弯曲、裂纹和是否易于校直有着密切的关系，对于直径为100mm、长为1500mm的拉刀，最好的冷却方案是二次分级加短时等温冷却，这样能控制残余奥氏体、贝氏体和马氏体的相对数量，以利于校直。第一次分级的盐浴为2-3-5盐，盐浴温度为580650，分级冷却时间，以拉刀刃部冷到650800为宜，约3min。第二次分级盐浴为100%KNO3，分级温度为450550，分级冷却时间为4min左右，
14、最后等温的盐浴成分为50%KNO3+50%NaNO3，等温温度为240280，等温时间为40min。如果没有条件分级加等温冷却，也可采用油冷。将拉刀从高温炉中取出后，要进行延时，待拉刀表面温度冷到10501200时浸入80120的油中，在油中冷到350左右出油，出油后在几秒钟内，要使粘在拉刀上的油自燃。无论是油冷或分级加等温淬火的拉刀，在冷至200左右时，将导向部分浸入中温盐浴中，加热几分钟(深约20mm)后取出，这样可减少顶针孔开裂的危险。Guangdong University of Technology4) 回火淬火冷却到室温后，放入沸水中清洗，然后在2h内及时回火。拉刀的回火温度为56
15、0，一般是回火三次，每次约90min，这是指到达回火温度的保温时间，第二次回火和第三次回火，间隔不得超过24h。5) 柄部淬火柄部淬火在拉刀回火后进行。用铁丝将拉刀绑扎起来，柄部朝下，悬挂于中温盐浴炉中，柄部加热温度为90010，时间为25min左右，冷却是在油中或在230300的硝盐中。Guangdong University of Technology3. 校直校直1) 淬火后热校直将拉刀从淬火介质中取出后(不低于200)，其基体组织基本上为奥氏体或奥氏体加贝氏体(分级+等温)，这时塑性极好，可采用螺旋手压机进行热校直。将拉刀从油中或硝盐中取出后用棉纱或布擦净残盐，淬油的用铁刷刷掉油渍，清
16、理净中心孔，然后卡在校直机的顶尖上，用百分表测量变形后取多点加压校正。2) 回火后热校直每次回火出炉后，趁热检查弯曲量，然后于400左右放在校直机上长期加压，一直冷到室温为止。如在回火热校直后还有回火工序，则应将拉刀向弯曲反方向压过一些，以备再次回火时弯曲的恢复。3) 冷校直如果拉刀经上面几次校直后，弯曲量仍超差，可进行冷校直，常用的方法是借柄校直法。即将拉刀没有经过淬火的导向部压弯(在变形公差范围内)，以达到减少刃部偏摆量的校直方法。1.3.3 201.3.3 20CrMnTiCrMnTi变速箱齿轮的渗碳热处理工艺变速箱齿轮的渗碳热处理工艺Guangdong University of Te
17、chnology1.4.1 1.4.1 过热与过烧过热与过烧1.4.2 1.4.2 氧化与脱碳氧化与脱碳1.4.3 1.4.3 变形与开裂变形与开裂1.4 实践中常见问题解析Guangdong University of Technology1. 过热过热过热是因工件加热温度过高或在高温下保温时间过长，而使晶粒粗大化的一种缺陷。过热使奥氏体晶粒变得粗大，容易造成淬火变形和开裂，并显著降低了工件的塑性和韧度。Guangdong University of Technology2. 过烧过烧过烧是因加热温度太高而使奥氏体晶界出现严重氧化甚至熔化的现象。过烧后的工件晶粒极为粗大，晶粒间的联系被破坏，
18、强度降低，脆性很大。过热后的工件可以重新进行一次正火或退火以细化晶粒，再按常规工艺重新进行淬火；而过烧的工件则无法挽救，只得报废。为避免过烧或过热，生产中常采用下列措施进行预防。(1) 合理选择和确定加热温度和保温时间。(2) 装炉时，工件与炉丝或电极的距离不得太近。(3) 对截面厚薄相差较大的工件，应采取一定的工艺措施使之加热均匀。Guangdong University of Technology1. 氧化氧化氧化是指钢件加热时与炉内的氧化性的炉气发生化学反应生成一层氧化皮的现象。氧化皮不仅使工件表面粗糙，尺寸不准确，钢材烧损，还影响工件的力学性能、切削加工性及耐腐蚀性等。Guangdon
19、g University of Technology2. 脱碳脱碳 脱碳是指高温下工件表层中的碳与炉内的氧化性气氛发生化学反应形成气体逸出，使工件表面含碳量下降的现象。脱碳后，工件表面贫碳化，导致工件淬火后的硬度、耐磨性严重下降，并增加了工件的开裂倾向。Guangdong University of Technology防止氧化和脱碳的措施有以下几项。(1) 用保护气氛炉加热工件。(2) 淬火加热前，在工件表面涂以防氧化脱碳的涂料。(3) 将工件装入盛有硅砂、生铁屑或木炭粉的密封箱内加热。(4) 用盐浴炉加热，并定期加入脱氧剂进行脱氧和除渣。(5) 严格控制加热温度和保温时间。Guangdon
20、g University of Technology3. 硬度不足或不均硬度不足或不均 1) 淬火工件硬度不足 硬度不足是指工件淬火后整个工件或工件的较大区域内硬度达不到工艺规定要求的现象。(1) 硬度不足的原因如下。 加热温度过低或保温时间不足，使钢件的内部组织没有完全奥氏体化，有铁素体或残余的珠光体，从而使淬火硬度不足。 对过共析钢，加热温度过高，奥氏体含碳量过高，淬火后残余奥氏体数量增多，也会造成硬度值偏低。 冷却速度太慢，如冷却介质的冷却能力差等原因，使淬火工件发生高温转变，从而导致硬度不足。 操作不当。如在冷却介质中停留时间过短；预冷时间过长，使奥氏体转变为非马氏体组织，从而使硬度不
21、足。 工件表面脱碳，使工件含碳量过低导致淬火硬度值偏低。 原材料本身存在大块铁素体等缺陷。 材料的牌号、成分未达到技术要求值。Guangdong University of Technology(2) 硬度不足的预防及弥补措施如下。 加强保护防止工件氧化和脱碳。 严格按工艺规程进行操作。 硬度不足的工件经退火或高温回火后重新进行淬火。2) 硬度不均 硬度不均俗称“软点”，是指工件淬火后出现小区域硬度不足的现象。Guangdong University of Technology(1) 硬度不均的原因如下。 材料化学成分(特别是含碳量)不均匀。 工件表面存在氧化皮、脱碳部位或附有污物。 冷却介质
22、老化、污染。 加热温度不足或保温时间过短。 操作不当，如工件间相互接触，在冷却介质中运动不充分。Guangdong University of Technology 加热时加强保护，盐浴炉要定期脱氧捞渣。 选用合适的冷却介质并保持清洁。 工件在冷却介质中冷却时要进行适当的搅拌运动或分散冷却。 淬火温度和保温时间要足够，保证相变均匀，防止因加热温度和保温时间不足而造成“软点”。Guangdong University of Technology(2) 硬度不均的预防及弥补措施如下。 截面相差悬殊的工模具等工件选用淬透好的钢材。 通过锻造或球化退火等预备热处理改善工件原始组织。 加热时加强保护，盐
23、浴炉要定期脱氧捞渣。 选用合适的冷却介质并保持清洁。 工件在冷却介质中冷却时要进行适当的搅拌运动或分散冷却。 淬火温度和保温时间要足够，保证相变均匀，防止因加热温度和保温时间不足而造成“软点”。Guangdong University of Technology1.4.3 变形与开裂变形与开裂变形与开裂是由于工件淬火时产生的内应力而引起的。淬火时产生的内应力有两种：一种是工件在加热或冷却时因工件表面与心部的温差引起胀缩不同步而产生的，称为热应力；另一种是工件在淬火冷却时，因工件表面与心部的温差使马氏体转变不同步而产生的，称为组织应力。当淬火工件的内应力超过工件材料的屈服极限时，则导致变形；若超
24、过强度极限时，则导致开裂。防止变形和开裂的根本措施就是减少内应力的产生。Guangdong University of Technology防止变形和开裂的根本措施就是减少内应力防止变形和开裂的根本措施就是减少内应力的产生的产生 在生产中可采取下列措施在生产中可采取下列措施(1) 合理设计工件结构。厚薄交界处平滑过渡，避免出现尖角；对于形状复杂、厚薄相差较大的工件应尽量采用镶拼结构；防止太薄、太细件的结构。(2) 合理选用材料。形状复杂、易变形和开裂或要求淬火变形极小的精密工件选用淬透性好的材料。(3) 合理确定热处理技术条件。用局部淬火或表面淬火能满足要求的，尽量避免采用整体淬火。(4) 合
25、理安排冷、热加工工序。工件毛坯经粗加工后去除表面缺陷，可减少淬火处理产生的裂纹。(5) 应用预先热处理。对机加工应力较大的工件应先去应力退火后再进行淬火；对高碳钢工件预先进行球化退火等。(6) 采用合理的热处理工艺。对形状复杂易变形工件用较慢速度加热；高合金钢采用多次预热；在满足硬度的前提下，尽可能选用冷却速度较慢的介质进行淬火冷却。(7) 淬火后及时进行回火。Guangdong University of Technology1.5 本 章 小 结 本章介绍了钢材的退火、正火、淬火、回火以及表面热处理和钢材火花鉴别的方法，同时对热处理常用设备进行了扼要讲解。对于热处理实践中常见的问题和缺陷原因进行了深入剖析。重点介绍了淬火、回火等热处理工艺，并以工程实例介绍了常见零件的热处理工艺规程，通过本章热处理项目的工艺分析，掌握基本热处理方法。读者可利用拓展训练了解复杂零件的热处理工艺并根据实际条件加以训练，熟悉热处理操作方法。
