钢的表面热处理(共13页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上课 次4上课班级09模1、2、3上课日期3/3执教者教学课题$2.2.3钢的表面热处理$2.3碳素钢教学目的及要求1 掌握钢的表面热处理工艺 2 了解各种碳素钢的牌号，用途教学重点钢的表面热处理工艺教学难点钢的表面热处理工艺教学方法课堂讲授、多媒体演示主要教具作业P79 第6题教 学 过 程v 回顾上节内容：上次课钢的整体热处理讲了钢在加热、保温、冷却过程中其组织、结构的变化，进而影响钢的性能，冷却方式是热处理的关键，四种热处理的目的、工艺各有不同，集中在加热的温度和冷却方式两方面。v 导入新课：在扭转、弯曲等交变负荷、冲击载荷作用下的机械零件，它的表面层承受着比心部更高的应力，加上摩擦，因此对零件的表面层提出了强化的要求，要求具有更高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限。而心部仍有足够的塑性和韧性。v 新课2.2.3 钢的表面处理（或表面热处理） 表面处理是做什么的？哪些零件需要做表面处理？钢的表面处理方法包括：表面淬火只改变组织结构不改变化学成分化学热处理既改变组织结构又改变化学成分一、表面淬火 工艺（概念）：对零件进行快速加热，在表面层迅速达到淬火温度，而心部未被加热的情况下立即淬火冷却，使表面层得到高硬度的马氏体，而心部仍保持原来较好的韧性和塑性。 特点：快速加热，立即冷却 适用于中碳钢（0.250.60%） 分类： 按加热方式可分为感应加热、火焰加热、电接触加热和电解加热等。最常用的是前两种： （1）感应加热表面淬火：分“高频，中频、工频”三种。 （2）火焰加热表面淬火 （一）感应加热表面淬火： 原理：线圈通以交流电产生交变磁场工件产生感应电流； 感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零（这种现象称为集肤效应）； 工件表面由于存在电阻而被迅速加热，几秒钟之内迅速加热到远高于Ac3以上的淬火温度；迅速喷水冷却工件，在零件表面获得一定深度的硬化层（淬硬马氏体）；心部保持低温，仍为原始组织。 电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。通过改变电流频率可以得到不同的淬硬层深度。 感应加热的种类及应用 种类频率范围淬硬层深度(mm)应用举例高频感应加热100500KHz0.52.5中、小型轴、销、套等圆柱形零件、小模数齿轮等中频感应加热110KHz310尺寸较大的轴类，大、中模数齿轮工频感应加热50Hz1020大型零件(300mm)，如轧辊、火车轮的表面淬火、棒料穿透加热等 特点：1 加热温度高，升温快。这是电感应加热的特点。2 工件表层易得到细小的马氏体，硬度比普通淬火提高23HRC，且脆性较低。3 工件表层存在残余压应力，因而疲劳强度较高。4 工件表面质量好。这是由于加热速度快，没有保温时间，工件不易氧化和脱碳，且由于内部未被加热，淬火变形小。5 淬硬层深度易于控制；生产效率高，便于实现机械化、自动化。简言之：感应淬火零件变形小，组织细，硬度高，表面质量好；劳动生产率高，节能，成本低；易实现机械化、自动化、大批量流水生产。 但设备昂贵，维修、调整较困难，不适于形状复杂的零件生产及单件生产。 适用感应淬火的材料主要用于含碳量为0.40.5的中碳结构钢和中碳合金钢(40Cr、40MnB)，也可用于工具钢。 在做表面淬火前通常要对零件进行正火或调质（保证零件心部有良好的强韧性，并使淬火表面的硬度分布均匀）；淬火后进行低温回火以降低淬火应力和脆性。即：正火或调质表面淬火低温回火(二）火焰加热表面淬火： 原理：利用氧炔焰加热工件表面，喷水冷却。特点：设备简单，成本低；加热、淬火的质量不易控制；适宜大型零件，或单件、小批量生产的零件。火焰加热表面淬火示意图二、化学热处理 工艺（概念）：将零件放入某种活性介质中，经加热、保温，使介质的原子渗入零件表层中，改变表层的化学成分、组织和性能。 基本过程：包含分解、吸收、扩散三个过程1）化学渗剂在加热及催化剂作用下分解活性原子。2）活性原子溶入铁的晶格形成固溶体，或与钢中某种元素形成化合物，即活性原子被工件表面吸收。3）活性原子由外向内逐渐扩散，形成一定的扩散层。 分类： （1）渗碳： （2）渗氮（俗称氮化） （3）碳氮共渗（俗称氰化） （4）渗金属还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。1、渗碳(1)基本概念 经加热、保温，碳原子渗入零件表面，提高其含碳量，从而增加表面的硬度和耐磨性。（2）分类（按渗碳方法）气体渗碳固体渗碳液体渗碳其中，气体渗碳生产率高，劳动条件好；渗碳过程易于控制，渗层质量好；适于大批量生产，应用最广。气体渗碳的工艺方法l 采用液体或气体碳氢化合物作为渗碳剂，如：煤油、甲苯或含碳的气体。l 渗碳温度是900950；渗碳时间（保温时间）取决于要求的渗碳层深度，从几小时到十几小时不等。井式气体渗碳炉（3）渗碳后的工件组织l 渗碳通常用于含碳0.15%0.20%的低碳钢。注意：任何钢所能达到的最大硬度只取决于含碳量。l 渗碳表层的含碳量可达0.85%1.05%，由外向内含碳量逐渐降低。l 渗碳层由外向内依次为过共析层、共析层、亚共析层和心部原始组织。 （4）渗碳后的热处理 渗碳后必须淬火和低温回火，使表层获得高碳马氏体（表层组织为细小针状马氏体和粒状分布的渗碳体组织），具有高的硬度和耐磨性； 即：渗碳淬火低温回火 低碳钢渗碳淬火后，表层硬度高、耐磨性好，心部韧性好。 渗碳主要用于承受较大冲击载荷（心部韧性要好）和在严重磨损（表层硬度要高）条件下工作的零件。传动齿轮通常采用渗碳热处理工艺，以提高其硬度和耐磨性。2、 渗氮（氮化） 渗氮是将氮原子渗入钢件表面，形成以氮化物为主的渗氮层，以提高渗层的硬度、耐磨、耐蚀和耐疲劳强度等多种性能。1）渗氮过程 将工件放入密封的渗氮炉，通入氨气，加热，保温2050h。氨气分解出氮原子渗入工件中，形成富氮层而完成氮化。 渗氮温度600，此时铁具有最好的吸氮能力。2）氮化后的组织和性能 氮化后零件表面硬度比渗碳的还高，耐磨损性能很好，但脆性较大。氮化层具有一定的抗蚀性能。渗氮之前应进行调质处理，改善心部性能。渗氮后无须再做其他热处理。原因：不须淬火，是因为硬度已足够高，且淬火主要是影响碳，对氮无影响； 即：调质处理渗氮 渗氮温度低零件变形小，通常毋需再加工。综上，渗氮适合于精度高、冲击载荷小、抗磨损能力强的零件，如精密零件、精密齿轮。缺点：成本高，生产周期长。3、碳氮共渗 又称氰化，钢件表面同时渗入碳原子和氮原子，形成碳氮共渗层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。1）高温碳氮共渗（820920）以渗碳为主，气氛中含有一定氮时，碳的渗入速度比相同温度下单独渗碳的速度要高，厚度更深。2）低温碳氮共渗（520580）以渗氮为主，共渗后表面形成白亮层，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦伤的性能。4、渗金属是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。渗金属使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。如渗钒后硬度可高达18002000HV。适合于工具钢、模具钢，用于增强抗磨损能力。举例说明热处理的作用例1：某机车柴油机曲轴选用42CrMo钢制造，制作工艺如下： 下料 锻造成毛坯 退火 粗车加工 调质 精加工 中频表面淬火 低温回火 研磨 入库。解释：共有四道热处理工序。锻造之后毛坯件退火采用的球化退火，目的是消除带状组织，调整硬度以便切削。这里的调质有两个重要目的：一是赋给曲轴较好的综合机械性能（后面的中频淬火达不到此目的），二是调整好表层组织，为中频淬火作组织准备。中频淬火并低温回火，属于最终热处理，赋给曲轴的抗磨损性能。例2：某汽车齿轮采用20CrMoTi钢制造，其制造工艺如下： 下料 锻造成圆饼 退火 粗车并铣齿成型 精铣齿轮 渗碳淬火、低温回火 研磨 入库。 解释：退火是预备热处理，目的是降低锻造应力、降低锻造硬化、细火晶粒、均匀化学成分。渗碳淬火并低温回火是最终热处理，目的是增强齿轮的耐磨性。处理工艺缺陷与零件结构 钢热处理后的缺陷常有硬度不高、硬度分布不均匀、变形与开裂等。一 热处理件结构工艺性：1零件的尖角、棱角处要有倒角，如下图。因为尖角、棱角部分是淬火时应力最为集中的地方，往往成为裂纹的起点。 2. 设计时要避免厚薄悬殊，以免淬火后薄壁处变形，如下图左； 零件结构宜对称，如下图右，淬火后零件椭园度变大，为此开一个工艺孔可减少椭园度。3在选择材质时，严格按标准取用钢材，特别要注意其中的化学成分以及硫、磷含量、非金属夹杂杂等级是否符合标准。4合理安排加工工艺路线，通过淬火之前的热处理（退火、正火等）将组织调整到正常组织，内应力予以消除，特别要使组织细化。5前序的冷加工及热加工不要留下表面及内部裂纹及深的刀痕。6淬火前工件予留足够的加工余量。零件淬火变形后可通过机械方法校直，减少变形量，但仍恢复不到要求的公差，因此需要要通过切削或磨削的办法消除变形，为此淬火之前必须留足加工余量。-按化学成分，钢材可分为碳素钢和合金钢两大类2.3 碳素钢一 碳素钢的分类碳钢分类方法很多，常见的分类方法有： (1)按钢中碳含量分类低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%)高碳钢(Wc0.60%)。(2)按钢的质量等级分类（硫、磷含量）普通质量碳钢（Ws0.045%、Wp0.045%） 不需要特别控制质量。 如：一般用途碳素结构钢、碳素钢筋钢。优质碳钢（硫、磷含量比普通质量碳钢少）需要特别严格控制质量。 如：机械工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢。特殊质量碳钢（Ws0.020%、Wp0.020%）需要特别严格控制质量和性能。 如：保证淬透性碳钢、碳素弹簧钢、特殊易切削钢、碳素工具钢等。 (3)按钢的用途分类碳素结构钢 用于制造机械零件、工程结构件。一般属于低、中碳钢。碳素工具钢 用于制造刃具、量具和模具。一般属于高碳钢。(4)按冶炼时脱氧方法分类沸腾钢 脱氧不完全镇静钢 脱氧较完全半镇静钢 脱氧程度介于上述之间二 碳素钢的牌号、性能及用途 1碳素结构钢l 牌号表示方法：例如： Q235AF字母Q代表屈服强度，235表示屈服强度值，A是质量等级符号，F是脱氧方法。Q235AF表示屈服强度s235 MPa，质量等级为A级，脱氧方法为沸腾钢的碳素结构钢。 质量等级：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。脱氧方法：F（沸腾钢）、B（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。通常Z和TZ可省略。 碳素结构钢的牌号、性能特点及用途见下表所示。牌号等级性能特点用途举例Q195 塑性好，有一定的强度用于载荷较小的钢丝、垫圈、铆钉、拉杆、地脚螺栓、冲压件、焊接件等Q215A塑性好、焊接性好用于钢丝、垫圈、铆钉、拉杆、短轴、金属结构件、渗碳件、焊接件等BQ235A有一定的强度、塑性、韧性、焊接性好，易于冲压、可满足钢结构的要求，应用广泛用于连杆、拉杆、轴、螺栓、螺母、齿轮等机械零件及角钢、槽钢、圆钢、工字钢等型材。C级、D级用于较重要的焊接件 BCDQ255A强度较高，塑性、焊接性尚好，应用不如Q235广泛用于轴、拉杆、吊钩、螺栓、键等机械零件，各种型钢BQ275 较高的强度，塑性、焊接性差较高的强度，塑性、焊接性差2 优质碳素结构钢特点：含锰 （普通的碳素结构钢不含锰）；硫、磷等有害杂质含量较少。 质量等级分类：组 别WpWs代 号不大于优质钢0.0350.035-高级优质钢0.0300.030A特级优质钢0.0250.020E牌号表示法用两位数字表示平均含碳量的万分数；若含锰量高（0.7%1.2%）,标字母“Mn”；低（0.35%0.8%）则不标。 如 40钢， 表示平均Wc040%。 60Mn钢， 表示平均Wc060%，并含有较高的锰（0.7%1.2%）。高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后面加“E”。优质碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表所示。牌 号性能特点用途举例08F、08、10塑性、韧性好，强度不高冷轧薄板、钢带、钢丝、钢板,冲压制品,如外壳、容器、罩子、子弹壳、仪表板、垫片、垫圈等。15、20、25、15Mn、20Mn塑性、韧性好，有一定的强度不需热处理的第负荷零件，如螺栓、螺母、拉杆、法兰盘、渗碳后可制作齿轮、轴、凸轮等零件30、35、40、45、50、55、30Mn、40Mn、50Mn强度、塑性、韧性都较好主要制作齿轮、连杆、轴类等零件，其中40钢、45钢应用广泛。60、65、70、60Mn、65Mn高的弹性和屈服强度常制作弹性零件和易磨损零件，如弹簧、弹簧垫圈、轧辊、犁等3 碳素工具钢牌号表示方法： T+数字数字表示平均含碳量的千分数。例如，T8， 表示Wc=0.80%的碳素工具钢； T8A， A表明钢中硫、磷含量比T8中少。这类钢的含碳量约为0.651.35，一般均需热处理后使用。主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具钢牌号、性能特点及用途牌 号性能特点用途举例T7、T7A、T8、T8A、T8Mn韧性较好，一定的硬度木工工具、钳工工具，如锤子、錾子、模具、剪刀等，T8Mn可用于制造截面较大的工具T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A较高硬度、一定韧性低速刀具，如刨刀、丝锥、板牙、锯条、卡尺、冲模、拉丝模T12、T12A、T13、T13A硬度高、韧性差不受振动的低速刀具、如锉刀、刮刀、外科用刀具和钻头等4 碳素铸钢牌号表示方法： ZG+两组数字其中，ZG 表示“铸钢”第一组数字表示该牌号屈服强度的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，例如， ZG200400， 表示200Mpa、b400Mpa的铸钢。碳素铸钢的牌号、性能特点及用途见下表所示。牌 号性能特点用途举例ZG200-400有良好的塑性，韧性和焊接性，焊补不需预热用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱体等ZG230-450有一定的强度和较好的塑性、韧性，良好的焊接性，焊补可不预热，切削性尚好用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件,如钻座轴承盖、外壳、底板、阀体等ZG270-500有较好的强度、塑性，焊接性能尚好用于轧钢机架、模具、箱体、缸体、连杆、曲轴等ZG310-570强度和切削性较好，焊接性差，焊补要预热用于载荷较大的耐磨件,如辊子、缸体、齿轮、制动轮、联轴器、机架等ZG340-640有较高的强度 、硬度和耐磨性,切削性能中等，焊接性差，焊补需预热用于齿轮、棘轮、叉头、车轮等注意：合金铸钢的牌号若平均含碳量0.1，在“ZG”后面标出含碳量万分数；若平均含碳量1，不标含碳量,主要合金元素符号及其含量的百分数。例如， ZG15Cr1MolV， 表示平均Wc=0.15%、WCr=1.0%、WMo=1%、Wv1.0%，属于合金铸钢。v 小结： 表面热处理的两种方法中，表面淬火只改变组织结构不改变化学成分，表面化学热处理改变组织结构同时也改变化学成分。在实际生产要合理指定热处理的工艺，只有这样才能达到效果，从上述两例可见。关于碳素钢，掌握其牌号及其含义即可。 专心-专注-专业