第3章-4熱表處理工藝

1、3.1.3 3.1.3 熱處理工藝熱處理工藝將金屬在固態(tài)下通過加熱、保溫和適當(dāng)?shù)睦鋮s，使其組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，從而獲得所需性能的工藝方法。零件對力學(xué)性能的要求高硬度、一定韌性強(qiáng)度、韌性-綜合性能榔頭自行車架如何獲得所需性能組織材料獲得組織的方法榔頭自行車架如何獲得所需性能組織材料獲得組織的方法榔頭回火馬氏體高碳鋼水冷+回火低溫轉(zhuǎn)變自行車架 回火屈氏體中碳鋼水冷+回火高溫轉(zhuǎn)變熱處理工藝的基本過程一般地說，熱處理工藝的基本過程包括加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。由于熱處理時(shí)起作用的主要因素是溫度和時(shí)間，所以各種熱處理都可以用溫度時(shí)間曲線來表示，叫做熱處理工藝曲線，常用熱處理工藝常用熱處理工藝退火正火淬火回火熱

2、處理工藝曲線（臨界溫度）保溫（回火）加熱冷卻溫度時(shí)間共析鋼熱處理工藝曲線示意圖爐冷-退火退火水冷珠光體奧氏體淬火淬火空冷-正火正火低溫回火低溫回火中溫回火中溫回火高溫回火高溫回火1、退火Annealing將鋼件加熱到臨界溫度（將鋼件加熱到臨界溫度（A1、A3、Acm）以上（有時(shí)以下）保溫一定時(shí)間，然后緩冷以上（有時(shí)以下）保溫一定時(shí)間，然后緩冷（爐冷、坑冷、灰冷）以得到平衡狀態(tài)的組織（爐冷、坑冷、灰冷）以得到平衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝稱退火。的熱處理工藝稱退火。1、完全退火、完全退火n主要用于亞共析鋼和合金鋼的鑄、鍛、及熱軋型材。也可以用于焊件。細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力和組織缺陷，硬度，塑性。n加熱保

3、溫 Ac3+3050n冷卻 緩慢冷卻（隨爐或者埋在砂中或石灰中冷卻）到500以下，在空氣中冷卻。n目的 細(xì)化晶粒，消除應(yīng)力和組織缺陷，降低硬度，提高塑性，為機(jī)加工及后續(xù)熱處理（淬火）作組織準(zhǔn)備。完全退火工藝完全退火工藝n完全退火的局限性需要時(shí)間很長，特別對于某些A比較穩(wěn)定的合金鋼，需要十幾個(gè)小時(shí)甚至幾天，為了生產(chǎn)效率，產(chǎn)生了等溫退火。2、不完全退火、不完全退火-球化退火球化退火n 過共析鋼不能采用完全退火，否則會(huì)形成網(wǎng)狀Fe3C。所以加熱溫度在Ac1+2030 。n為了改善高碳鋼的切削加工性，通過較長時(shí)間的加熱保溫，使Fe3C變成球，以降低硬度，改善切削加工性能。又稱作球化退火。2、 鋼的正火

4、鋼的正火 NormalizingAc3、Accm+ 30 80，保溫后空冷。保溫后空冷。ABEGHJNPSQAFA+FF+Fe3CA+Fe3CL+AL應(yīng)用范圍n對普通結(jié)構(gòu)件為最終熱處理，以細(xì)對普通結(jié)構(gòu)件為最終熱處理，以細(xì)化組織，提高其強(qiáng)度和韌性；化組織，提高其強(qiáng)度和韌性；n使中、低碳結(jié)構(gòu)鋼組織正常化，改使中、低碳結(jié)構(gòu)鋼組織正?；纳魄邢骷庸ば阅?；善切削加工性能；n為淬火作組織準(zhǔn)備；為淬火作組織準(zhǔn)備；n抑制或消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，抑制或消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。為球化退火作組織準(zhǔn)備。退火與正火的選擇n改善切削加工性能改善切削加工性能n低碳鋼：硬度低，粘刀，正火；低碳鋼

5、：硬度低，粘刀，正火；n高碳鋼：硬度高，難切削，退火；高碳鋼：硬度高，難切削，退火；n中碳鋼：退火、正火。中碳鋼：退火、正火。n經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性n正火周期短，耗能少，操作簡便，盡量正火周期短，耗能少，操作簡便，盡量以正火代替退火。以正火代替退火。3、淬火與回火（1）淬火將鋼加熱至Ac3線或Ac1線以上的某一溫度，保溫一定時(shí)間使之奧氏體化后，迅速冷卻，從而獲得馬氏體組織的工藝叫淬火。ABGHJNPSQAFA+FF+Fe3CA+Fe3CL+AL（2）回火將淬火后的鋼加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后取出空冷或油冷的熱處理工藝過程稱為回火。n根據(jù)加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和

6、高溫回火。a.低溫回火n加熱溫度在150250之間，回火組織為回火馬氏體。這種回火主要是為了降低鋼中的殘余應(yīng)力和脆性，而保持淬火后得到的高硬度和耐磨性。主要用于各種工具，滾珠軸承及滲碳件等。硬度一般為HRC5864。b.中溫回火加熱溫度在350500之間, 回火組織為回火屈氏體。中溫回火后鋼的內(nèi)應(yīng)力大大降低，同時(shí)具有較高的彈性極限的屈服極限，硬度為HRC3545。主要用于彈簧元件、鍛模等。c.高溫回火加熱溫度在500600之間，回火組織為回火索氏體。淬火加高溫回火又稱為“調(diào)質(zhì)處理”。它可以消除鋼的內(nèi)應(yīng)力，獲得較高的韌性，使鋼具有良好的綜合性能。因此，調(diào)質(zhì)被廣泛用于要求具有一定強(qiáng)度和較高塑性、韌

7、性的各類機(jī)械零件。調(diào)質(zhì)處理后的硬度一般為HRC2535。在硬度相同的情況下調(diào)質(zhì)鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能明顯高于正火。熱處理工藝曲線（臨界溫度）保溫（回火）加熱冷卻溫度時(shí)間共析鋼熱處理工藝曲線示意圖爐冷-退火退火水冷珠光體奧氏體淬火淬火空冷-正火正火低溫回火低溫回火中溫回火中溫回火高溫回火高溫回火熱處理工藝曲線（臨界溫度）保溫（回火）加熱冷卻溫度時(shí)間共析鋼熱處理工藝曲線示意圖爐冷-珠光體水冷珠光體奧氏體-馬氏體空冷-索氏體回火馬氏體回火屈氏體回火索氏體如何獲得所需性能組織材料熱處理榔頭回火馬氏體高碳鋼淬火+低溫回火自行車架 回火屈氏體中碳鋼淬火+高溫回火4、表面熱處理n（1）表面淬火n（2）滲碳n（3）

8、 滲氮（1）表面淬火表面淬火是將鋼件表面進(jìn)行快速加熱，使其表面組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，然后快速冷卻，表面層轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的一種局部淬火的方法。工件冷卻水冷卻水感應(yīng)線圈淬火噴水套進(jìn)水圖3-17 感應(yīng)加熱淬火示意圖表面淬火的配合熱處理表面淬火只改變了表面的組織，不能改變心部的組織好性能。另外，表面淬火后的組織（馬氏體）脆，還有殘余應(yīng)力，不能直接使用。所以需要配合其他熱處理： 調(diào)質(zhì)+表面淬火+低溫回火（2）滲碳( Carburize of steel )n滲碳是向鋼的表面滲入碳原子，使其表面達(dá)到高碳鋼的含碳量滲碳主要有固體滲碳和氣體滲碳兩種方法，應(yīng)用廣泛的是氣體滲碳法。液體滲碳劑廢氣沙封加熱元件耐熱罐工件風(fēng)

9、扇圖3-18 氣體滲碳示意圖氣體滲碳劑裂化 混合氣 體 （ 天 然 氣 或 煤 氣 CH4+C3H8）；有機(jī)液體高溫下分解產(chǎn)生的混合氣體（CO、CH4、C2H4 ）n工件滲碳后，通常還要進(jìn)行淬火+低溫回火處理，組織為表面：高碳回火M+粒狀滲碳體或碳化物+少量A 心部：低碳合金鋼為：回火低碳M+F滲碳層深度：0.52mm20鋼滲碳緩冷組織 580 表層珠光體 + 網(wǎng)狀滲碳體; 中層珠光體; 內(nèi)層鐵素體 + 珠光體（3） 滲氮( Nitridation of steel )n滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨性、抗蝕性、疲勞強(qiáng)度等多種性能。滲氮種類很多，有

10、氣體滲氮法、鹽浴氮化法、軟氮化、離子氮化等。38 CrMoAl 氣體滲氮層組織 650 黃色區(qū) : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 紅色區(qū) : ( Fe4N ) ;藍(lán)綠色區(qū):含氮索氏體 + 脈狀氮化物; 綠黃色區(qū):索氏體基體。3.1.43.1.4熱處理工序安排熱處理工序安排1、預(yù)先熱處理2、最終熱處理1、預(yù)先熱處理n作用主要是消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善組織，改善切削加工性能，并為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。n預(yù)先熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)等。其工序位置一般在毛坯生產(chǎn)(鑄、鍛、焊)之后，或機(jī)械粗加工之后，精加工之前。2、最終熱處理n最終熱處理是決定零件最終組織和性能的熱處理。包括各種淬

11、火、回火及化學(xué)熱處理等。最終熱處理后的零件一般硬度較高，除磨削外，不宜進(jìn)行其它切削加工，所以一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。連桿螺栓熱處理技術(shù)條件：回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體。調(diào)質(zhì)263322HBS工藝路線鍛造鍛造粗加工粗加工精加工精加工熱處理工序及安排熱處理工序及安排連桿螺栓熱處理技術(shù)條件：回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體。調(diào)質(zhì)263322HBS工藝路線鍛造鍛造退火或正火退火或正火粗加粗加工工調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì)精加工精加工硬度42HRC加工工序：鍛造粗、半精加工精磨需要的熱處理及其工序安排尾錐套硬度42HRC鍛造正火粗、半精加工淬火、回火精磨尾錐套合金滲碳零件的工藝流程舉例n發(fā)動(dòng)機(jī)上某齒輪，材

12、料為12Cr2Ni4A，要求：齒部滲碳深度0.841.1毫米(磨后為0.7 0.9毫米)；表面硬度HRC60；心部硬度HRC3141。 f 30f 82f 71.2加工工藝n模鍛機(jī)械加工齒輪表面精加工檢驗(yàn)n需要的熱處理及其安排加工工藝n模鍛正火+高溫回火機(jī)械加工滲碳淬火+低溫回火精加工檢驗(yàn)3.1.53.1.5淬火變形及零件結(jié)構(gòu)工藝性淬火變形及零件結(jié)構(gòu)工藝性n由于淬火時(shí)的溫度變化劇烈，工件各部冷速不同，淬火后工件不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形。工件內(nèi)部也會(huì)有殘余內(nèi)應(yīng)力。特別是當(dāng)淬火零件結(jié)構(gòu)不對稱，壁厚不均勻或操作不當(dāng)時(shí)，工件會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力、變形甚至開裂。 n較小的變形影響不大，精度要求高的零件可用后續(xù)

13、加工解決。較大的變形需先矯正，然后再進(jìn)行后續(xù)加工。n殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)在后續(xù)加工或以后的使用過程中釋放出來，引起工件變形甚至開裂?？赏ㄟ^淬火后的回火或時(shí)效消除應(yīng)力。在設(shè)計(jì)零件時(shí)，也應(yīng)考慮到零件結(jié)構(gòu)對淬火應(yīng)力的影響。 n在設(shè)計(jì)零件時(shí)，也應(yīng)考慮到零件結(jié)構(gòu)對淬火應(yīng)力的影響。在滿足使用要求的前提下，零件的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)盡量對稱(a)，壁厚均勻，必要時(shí)可增加工藝孔或采用組合結(jié)構(gòu)(b)、(c)。避免出現(xiàn)尖角、盲孔(d)。在截面變化時(shí)應(yīng)有過渡?？着c邊緣和尖角的距離不能太近(e)。對某些易變形的零件，還可在淬火前留筋，淬火后切除(f)。 圖3-23為淬火零件的結(jié)構(gòu)比較。3.2 金屬的表面處理金屬的表面處理n3.2.13

14、.2.1表面防護(hù)表面防護(hù)為防止金屬腐蝕而采用各種方法叫金屬表面防護(hù)。常用的金屬表面防護(hù)方法有表面涂層和表面轉(zhuǎn)化膜工藝。n3.2.2 3.2.2 金屬的表面改性金屬的表面改性金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術(shù)手段，改變材料表面及近表面的組分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，3.2.13.2.1表面防護(hù)表面防護(hù)n表面涂層：表面涂覆具有防腐性能的保護(hù)涂層電鍍、電泳涂裝、靜電噴漆、n表面轉(zhuǎn)化膜工藝：使材料表面的易腐蝕材料轉(zhuǎn)化為不易腐蝕材料鋼的氧化、鋼的磷化、鋁合金陽極化（1）電鍍形成金屬涂層的工藝主要有電鍍、化學(xué)鍍、噴鍍、熱鍍等。其中電鍍是目前我國應(yīng)用最廣的一種價(jià)廉而有效的防護(hù)方法。電鍍

15、原理陰極：主反應(yīng)陰極：主反應(yīng) Zn2+2e-Zn 副反應(yīng)副反應(yīng) 2H+2e-H2陽極：主反應(yīng)陽極：主反應(yīng) Zn-Zn2+2e 副反應(yīng)副反應(yīng) 4OH-2H2O+O2+4e 圖3-20鍍鋅過程示意圖HZnFeH+Zn2+ZnSO4陽極(Zn)陰極 (Fe)（2）電泳涂裝n電泳涂裝是一種水溶性漆液施工方法。其原理是在外加電場的影響下，漆液中的帶電膠體粒子在水溶性分散介質(zhì)中作定向移動(dòng)，沉積到作為陽極工件的表面上，形成涂層。水溶性漆用樹脂，有環(huán)氧酯、丙烯酸、聚氨酯、酚醛和醇酸等水溶性漆品種。（3）靜電噴漆n此法是使已霧化的油漆微粒在直流高壓電場中帶電，而在靜電場的作用下，帶電油漆微粒迅速地向異極性的工件

16、表面結(jié)集成膜。2、轉(zhuǎn)化膜n轉(zhuǎn)化膜是用化學(xué)和電化學(xué)的方法使金屬表面層發(fā)生反應(yīng)，形成有自身參與的氧化物或金屬鹽類防護(hù)膜層也可起到防護(hù)作用。n最常見的工藝有黑色金屬的氧化、磷化和鋁合金的陽極化。（1）鋼的氧化處理n鋼在加熱的硝酸鈉、氫氧化鈉水溶液中氧化處理。n鋼氧化處理后零件表面上能生成保護(hù)性磁性氧化鐵（Fe3O4）和氧化亞鐵 膜。膜的顏色一般呈黑色和藍(lán)黑色。又稱發(fā)蘭或發(fā)黑。膜層的厚度約為0.61.5 微米，因此氧化處理不影響零件的精度。發(fā)蘭后的零件再進(jìn)行浸油和其他填充處理，能進(jìn)一步提高膜層的耐蝕性和潤滑能力。 n鋼的氧化處理一般采用堿性氧化法。在一定溫度的條件下，在含有氧化劑（硝酸鈉或亞硝酸鈉）的

17、氫氧化鈉溶液中進(jìn)行。氧化劑與氫氧化鈉與金屬鐵作用，生成亞鐵酸鈉（Na2FeO2)和鐵酸鈉（Na2Fe2O4)，再互相反應(yīng)，生成磁性氧化鐵。 （2）鋼的磷化處理n鋼鐵零件在含有錳、鐵、鋅的磷酸鹽溶液中，進(jìn)行化學(xué)處理，使其表面生成一層難溶于水的磷酸鹽保護(hù)膜的方法，叫做磷化處理。n磷化膜的外觀由于基體材料及磷化工藝的不同可由暗灰到黑灰色。磷化膜的主要成分由磷酸鹽Me3(PO4)2或磷酸氫鹽（MeHPO4)的晶體組成。用于涂漆前打底，提高漆膜層的附著力與防腐蝕能力。（3） 陽極化n所謂陽極化是指用電化學(xué)的方法在鋁及鋁合金表面獲得一層氧化膜的方法，由于在處理時(shí)零件為陽極，所以稱為陽極氧化處理（陽極化）。

18、n氧化膜的性質(zhì)：na多孔：b硬度高 c化學(xué)穩(wěn)定性好d絕緣性好：e結(jié)合能力好：f耐高溫： n幾乎所有的鋁合金零件都能氧化。如機(jī)械加工、鈑金、部分鑄造和焊接等鋁制零件。因此在航空工業(yè)、電氣工業(yè)、各種機(jī)械制造業(yè)、日用品工業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。3.2.2 3.2.2 金屬的表面改性金屬的表面改性n金屬的表面改性也稱表面優(yōu)化，就是借助于離子束、激光、等離子體等新技術(shù)手段，改變材料表面及近表面的組分、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，從而獲得傳統(tǒng)的冶金和表面處理技術(shù)無法得到的新薄層材料，或者使傳統(tǒng)材料具有更好的性能。1. 物理氣相沉積（PVD)n（1）蒸發(fā)鍍膜n（2）濺射n（3）離子鍍2. 化學(xué)氣相沉積（CVD)（1）蒸發(fā)鍍膜n

19、蒸發(fā)鍍膜通常是在真空中進(jìn)行，例如圖3-21所示的真空蒸鍍。將零件和涂層材料同時(shí)放在鐘罩形的真空室內(nèi)，涂層材料受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)出的分子或原子在自由行程內(nèi)與受鍍零件表面相遇，不斷凝結(jié)成膜。 圖3-21 電阻加熱真空蒸鍍真空泵蒸發(fā)源基體蒸發(fā)料加熱燈絲常用材料蒸汽壓與溫度關(guān)系蒸發(fā)鍍特點(diǎn)n設(shè)備簡單n速度快n鍍層不牢固，重復(fù)性不好（2）濺射沉積n在真空度不太高的環(huán)境中，在強(qiáng)電場的作用下，充入的氬氣產(chǎn)生輝光放電，并部分電離，在陰極負(fù)高壓的吸引下，Ar+離子被加速，以極高的速度轟擊材料靶，濺射出來的原子或分子以足夠高的速度飛向周圍的基體（被鍍零件）上，形成鍍覆層。 Ar靶基體濺射原子圖3-22 陰極濺射鍍示意圖 n1) 具有嚴(yán)格的晶格生長方向，可制造單晶結(jié)構(gòu)層；(2) 膜層致密，均勻，結(jié)合力更高；n金屬，合金，陶瓷，硼化物陶瓷，碳化物陶瓷，氟化物陶瓷 ，氮化物陶瓷 ，氧化物陶瓷靶材，硒化物陶