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精密机械设计精密机械设计第一页，本课件共有39页第八章第八章 工程材料及热处理工程材料及热处理第二页，本课件共有39页三、钢的热处理为什么要进行热处理为什么要进行热处理什么是热处理什么是热处理热处理的实质热处理的实质如何进行热处理如何进行热处理第三页，本课件共有39页 为什么要进行热处理为什么要进行热处理 通过恰当的热处理，不仅可以提高钢的使用性能、改善钢的工艺性能，而且能充分发挥材料的性能潜力，提高产品的产量和质量，提高经济效益。据统计：在机床制造中有6070的零部件要经过热处理 在汽车制造中有7080的零部件要经过热处理 各种工具及滚动轴承则要100的进行热处理 总之，凡重要零部件都必须进行恰当的热处理。第四页，本课件共有39页什么是热处理什么是热处理 钢的热处理是指把钢在固态下加热、保温、冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得所需性能的热加工工艺。第五页，本课件共有39页热处理的实质热处理的实质 在常温下的组织基本上由铁素体铁素体和渗碳体渗碳体两个相组成。将钢由低温加热到高温，钢的组织由铁素体和渗碳体的混合物就会转变为均匀的奥氏体奥氏体，钢在奥氏体状态下，通过不同冷却方式可以转变为不同的组织，从而得到不同的性能。马氏体贝氏体索氏体屈氏体珠光体第六页，本课件共有39页如何进行热处理如何进行热处理 热处理工艺的分类：热处理工艺的分类：第七页，本课件共有39页1、普通热处理、普通热处理 （1）退火）退火(Annealing)：主要用于铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加 工性能，去除内应力，为最终热处理作准备，也可用于性能要求 不高的机械零件的最终热处理。把钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉 冷、坑冷、砂冷、灰冷）的热处理工艺叫退火退火。可以分为：完全退火完全退火：改善钢的组织，降低硬度，消除内应力，有利于 切削加工。不完全退火不完全退火：降低钢的硬度，改善切削性能。等温退火等温退火：与完全退火目的一致，但可缩短时间。去应力退火去应力退火：消除内应力，稳定尺寸，减少变形。扩散退火扩散退火：消除晶内成分不均匀的现象。第八页，本课件共有39页 （2）正火）正火(Normalizing)：主要用于铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以改善毛坯机械加 工性能，去除内应力，为最终热处理作准备，也可用于性能要求 不高的机械零件的最终热处理，正火可以使钢的组织正常化。把钢加热到相变温度以上3050 C，保温一定时间，然后空 冷的热处理工艺叫正火正火。正火与退火的区别：正火与退火的区别：冷却速度不同：正火冷速较大，得到的珠光体组织细，因 此强度和硬度也较高。若零件尺寸较大或形状较复杂，正火可能会产生较大的内应力和变形，甚至开裂。正火比退火生产周期短，设备利用率高，比较经济。o第九页，本课件共有39页 （3）淬火）淬火(Quenching)：可以获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。把钢加热到相变温度以上的某一温度，使钢呈奥氏体状态，然后快速冷至室温（油冷或水冷），从而获得马氏体组织的热处 理工艺叫淬火淬火。淬火主要方法：淬火主要方法：普通淬火法：将加热的钢件投入一种淬火介质中连续冷却至 室温，如碳钢件淬水、合金钢件淬油。操作简便，易实现机械化，自动化。产生的 内应力较大，容易变形和开裂。适用于形状简单的零件。双液淬火法：将加热的钢件先在一种冷却能力较强的介质 中冷却，避免发生珠光体转变。然后转入另 一种冷却能力较弱的介质中冷却。如水淬油 冷，油淬空冷。既能保证获得马氏体组织，又减小了内应力 和变形开裂倾向。适用于大型的、形状复杂的零件。第十页，本课件共有39页 分级淬火法：将奥氏体化后的钢件投入一种液态介质中，保 持一定时间，使工件内外温度一致后取出空冷。减小了内应力和变形开裂倾向。适用于形状复杂，尺寸较小或小批量零件。等温淬火法：将奥氏体化后的钢件投入一种液态介质中，停 留足够时间，在等温条件下完成下贝氏体转变。淬火内应力小，强度硬度较高，韧性好。适用于尺寸小、形状复杂、韧性要求高的零件。局部淬火法：只对钢件需要硬化的局部进行淬火的方法。淬火内应力小，变形小。第十一页，本课件共有39页 （4）回火）回火(Tempering)：钢淬火后的组织是马氏体和残留奥氏体。马氏体转变会产生 较大内应力。淬火后的钢硬度虽高，但脆性过大，组织不稳定，不宜直接使用。将淬火后的工件加热至低于相变点某一温度，保持一段时间，然后冷却，使组织成为较稳定的状态，叫回火回火。此时硬度下降，但韧性有较大改善。淬火和回火必须配合使 用，单进行任何一个操作都是没有意义的。回火的目的是回火的目的是：降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂。使不稳定的组织趋于稳定，以保持工件的形状尺寸精度。获得所要求的组织和性能。第十二页，本课件共有39页 回火主要方法：回火主要方法：低温回火：回火温度为150250 C，回火后的组织为回火马 氏体。降低淬火内应力和脆性，提高硬度和耐磨性。适用于工具、模具等零件。中温回火：回火温度为350500 C，回火后的组织为回火屈 氏体。具有较高的弹性极限和屈服极限和一定的韧性。适用于弹簧和其他弹性零件。高温回火：回火温度为500650 C，回火后的组织为回火索 氏体。具有高强度，同时具有良好的塑性和韧性。将淬火和高温回火称为调质调质。适用于各种重要的零件。ooo第十三页，本课件共有39页2、表面热处理、表面热处理 （1）表面淬火）表面淬火：有些零件在使用中承受弯曲、扭转、摩擦或冲击载荷，一般要求其表面具有高的强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部在保持一定强度、硬度下，具有足够的塑性和韧性。对这类零件进行表面淬火是满足上述性能要求的有效方法之一。表面淬火：表面淬火：指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。表面淬火方法：表面淬火方法：感应加热表面淬火火焰加热表面淬火盐浴快速加热表面淬火电接触加热表面淬火激光加热表面淬火 目前生产中广为应用的是感应加热表面淬火感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火。第十四页，本课件共有39页感应加热表面淬火：感应加热表面淬火：基本原理基本原理：钢件放人由空心铜管绕制而成的感应器内，感应器中通人一定频率的交流电以产生交变磁场，于是钢件内就会产生同频率的感应电流，这种电流在钢件内自成回路，称为“涡流”。涡流在钢件截面上的分布是不均匀的，表面密度大，中心密度小。电流的频率越高，涡流集中的表面层越薄，这种现象称为“集肤效应”。由于钢本身具有电阻，集中于钢件表层的涡流就使表层被迅速（几秒钟）加热到8001000 C，而心部温度不超过相变温度。随即喷水冷却（合金钢浸油冷却），就可使钢件表层淬硬。o第十五页，本课件共有39页火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 基本原理：基本原理：利用乙炔-氧火焰对钢件表面进行加热，并随即淬火冷却的工艺。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为26mm，过深的淬硬层深度要求，会引起钢件表层的严重过热，产生淬火裂纹。由于火焰加热表面淬火方法简便，无需特殊设备，故适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件。第十六页，本课件共有39页 （2）化学热处理）化学热处理：是将钢件置于一定温度的特定介质中保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，从而改变表层的化学成分和组织来改变其性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层组织，而且还改变其化学成分，因此能更有效的改变表层性能。化学热处理的方法有：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铬、渗铝、渗硼等。目前生产中最常用的是渗碳、渗氮和碳氮共渗。第十七页，本课件共有39页渗碳渗碳：为增加钢表层碳含量，将钢件在渗碳介质中加热、保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳的目的：使钢件表层具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部保持一定的强度和较高的韧性。基本原理：基本原理：一般化学热处理都包含分解、吸收、扩散三个基本过程。分解：分解：渗碳介质在一定温度下分解成可渗入钢表面的活性碳原子。吸收：吸收：活性碳原子被钢的表面吸收并进入铁的晶格内形成固溶体 或化合物。扩散：扩散：在渗碳温度下，被吸收的碳原子由表层向内部扩散，形成 一定深度的扩散层。渗碳方法：分为气体渗碳、液体渗碳、固体渗碳。第十八页，本课件共有39页第十九页，本课件共有39页气体渗碳法气体渗碳法:把低碳钢工件置于密封良好的加热炉中，通人渗碳剂并加热到渗碳温度、保温足够长时间，达到渗碳的预定要求。气体渗碳剂主要是含碳的气体（煤气、天然气、丙烷气等）和碳氢化合物的有机液体（煤油、苯、醇等），前者可直接通人炉内，后者用滴注方式滴人炉内，使渗剂在高温下裂解，并产生活性碳原子。在气体渗碳炉内，渗碳气主要由CO、CO、H 及CH 等组成，它们在高温下分解出活性碳原子：随后，活性碳原子被钢件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向钢件内部扩散而形成一定厚度的渗碳层。242第二十页，本课件共有39页第二十一页，本课件共有39页固体渗碳法：固体渗碳法：将钢件放在填充粒状渗碳剂的固体渗碳箱中进行渗碳的工艺称为固体渗碳。渗碳剂一般是由木炭和少量碳酸盐（BaCO 或Na CO）混合而成，碳酸盐在渗碳过程中可增加渗碳剂的活性，促进化学反应的进行，加速渗碳过程，故被称为“催渗剂”。加热时，渗碳剂分解形成CO，CO不稳定，它与红热的钢件表面接触分解出活性碳原子，主要反应式如下：活性碳原子被钢件表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向内部扩散，并最终获得一定的渗碳层厚度。233第二十二页，本课件共有39页渗氮渗氮 指向钢件表面渗入氮原子以形成高氮硬化层的化学热处理工艺。目的是提高钢件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性等。渗氮的方法：气体渗氮法气体渗氮法:气体渗氮是将除油净化后的钢件放人专用渗氮炉或井式气体渗碳炉内，加热并通人氨气。氨分解产生的活性氮原子被钢件表面吸收并向内部扩散，形成一定厚度的渗氮层。离子渗氮法：离子渗氮法：在低真空度的容器内，保持氮气的压强为（110）x 13332Pa，在400700V的直流电压作用下，使电离后的氮离子高速冲击钢件（阴极），使其渗入钢件表层。离子渗氮的优点：渗氮周期短，仅为气体渗氮的 1314，零件表层不易形成连续的白色脆性层。离子渗氮需要专用的离子渗氮炉。第二十三页，本课件共有39页渗氮的特点渗氮的特点:a)渗氮温度低、耗时长。渗氮温度通常在500570 C，需要的时间很长，需要几十甚至上百个小时。b)渗氮后的钢件，无需淬火表面就有很高的硬度和耐磨性，还具有较高 的热硬性。c)渗氮工件变形很小。d)由于渗氮后钢件表层比容增大，产生压应力，因此，其疲劳强度显著提高。e)提高工件的耐腐蚀能力。渗氮虽有不少优点，但其工艺过程复杂，工艺周期长，成本较高，渗氮层薄，因此只用于要求较高的零部件。第二十四页，本课件共有39页碳氮共渗碳氮共渗(氰化氰化)在钢件表面同时渗人碳原子和氮原子的化学热处理工艺。分为固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗固体碳氮共渗、液体碳氮共渗和气体碳氮共渗。按共渗温度的不同可分为高温碳氮共渗、中温碳氮共渗和低温碳氮共渗高温碳氮共渗、中温碳氮共渗和低温碳氮共渗。固体碳氮共渗和液体碳氮共渗因要用到剧毒的氰盐，故应用很少，目前以中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗应用较广。中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗 在改进的气体渗碳炉中同时滴人煤油，通人氨气。在共渗温度下，共渗剂（煤油、氨气）除了会发生单独的渗碳和渗氮的反应外，还发生如下的化学反应：产生的活性碳原子、氮原子渗人钢件表层，并向内部扩散形成碳氮共渗层。中温气体碳氮共渗，可用于低、中碳钢和低中碳合金钢。中温碳氮共渗与渗碳相比，具有加热温度低、钢件变形小，共渗速度快，生产率高，渗层的硬度、耐磨性、疲劳强度较高，又有一定的抗蚀能力等特点。目前常用以处理汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮蜗杆和轴类零件等。第二十五页，本课件共有39页四、表面精饰什么是表面精饰什么是表面精饰表面精饰的常用方法表面精饰的常用方法第二十六页，本课件共有39页表面精饰表面精饰是指在金属零件的表面附上一层覆盖层，以达到防蚀、装饰等目的。常用方法常用方法：电镀 化学处理 涂漆 1、电镀、电镀 （1）镀铬 适用于钢、铜及铜合金、铝及铝合金。特点：化学稳定性高 外观颜色好 有较高的硬度和耐磨性 抛光后反射率较高 不适于镀复杂零件 第二十七页，本课件共有39页（2）镀镍 适用于钢、铜合金和铝合金。特点：稳定性好良好的导电性不适宜镀防磁零件（3）镀镉 适用于钢、铜合金和铝合金。特点：化学稳定性好（4）镀锌 适用于钢、铜合金和铝合金。特点：对钢质零件有电化学保护作用防腐能力较强中等硬度，但耐磨性较低第二十八页，本课件共有39页 （5）镀银 适用于铜合金零件。特点：良好的化学稳定性和导电性 反射率可达90以上 不宜镀直接与橡胶接触的零件2 2、化学处理、化学处理 主要方法：氧化 磷化 氧化是在零件表面上形成氧化膜。磷化是在零件表面上生成一层在大气中较稳定的磷酸盐膜。常用类型：（1）黑色金属的氧化与磷化 氧化膜较薄，不影响零件的尺寸精度，但保护能力差，适用于仪器内部的零件。磷化膜呈黑灰色，较薄，不影响尺寸精度。耐磨性强，保护能力强。氧化磷化处理可用于精密铸件上，经钝化和浸油处理，可提高其防腐能力。第二十九页，本课件共有39页 （2）铝及铝合金的阳极氧化 用于保护和装饰性覆盖层。在大气条件下极为稳定，耐热性好、膜层较硬、耐磨，是涂漆 的良好底层。不能用于镶有钢、铜及铜合金的铝及铝合金零件上。（3）铜及铜合金氧化 膜层为黑色，但耐磨性、防腐能力不强。3 3、涂漆、涂漆 在金属制品的表面上涂以清漆或瓷漆的薄膜，起保护和装饰作用。第三十页，本课件共有39页五、材料的选用原则使用要求使用要求工艺要求工艺要求经济要求经济要求第三十一页，本课件共有39页零件的失效零件的失效（1）零件完全破坏，不能继续工作；（2）严重损伤，继续工作很不安全；（3）虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。第三十二页，本课件共有39页导致零件失效的主要原因的示意图导致零件失效的主要原因的示意图 第三十三页，本课件共有39页零件失效形式零件失效形式 第三十四页，本课件共有39页第三十五页，本课件共有39页从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题从零件失效的角度看，选材时应考虑以下几个方面的问题：（1）弹性变形失效与选材（2）塑性变形失效与选材（3）脆性断裂失效与选材（4）疲劳断裂失效与选材（5）表面损伤失效与选材 第三十六页，本课件共有39页1 1、使用要求、使用要求 考虑：（1）零件的工作和受载情况 （2）对零件尺寸和重量的限制 （3）零件的重要程度 一般原则：（l）若零件的尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料。（2）若零件的尺寸取决于刚度，则应选用弹性模量较大的材料。（3）若零件的尺寸取决于接触强度，应选用可以进行表面强化处理 的材料，如调质钢、渗碳钢、渗氮钢等。（4）滑动摩擦下工作的零件，为减小阻力应选用减摩性能好的材料。高温下工作的零件，应选用耐热材料。腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料。（5）采取适当的热处理工艺，充分发挥材料的潜力。第三十七页，本课件共有39页 2 2、工艺要求、工艺要求 考虑 （1）工艺方法 （2）生产条件 （3）毛坯的制取方法 一般原则：（1）形状复杂、尺寸较大的零件难以锻造。（2）对于尺寸较小的齿轮坯、蜗杆、轴类等旋转体零件，可采用钢、铜合金、铝合金棒料，直接进行机械加工。（3）对于形状简单、薄壁、高度或深度小的零件，如生产批量较大 时，可考虑压力加工成形。（4）大批量生产的零件，应考虑材料的切削性能要好（易断屑、刀 具磨损小、表面光滑等）。（5）考虑材料的热处理工艺性能。第三十八页，本课件共有39页 3 3、经济要求、经济要求 考虑：生产的经济性和材料的相对价格，不应片面选用优质材料。在 满足使用要求和工艺要求前提下，应尽可能选用普通材料和价 格低廉的材料，以降低生产成本。一般原则：（1）材料本身的相对价格。（2）局部品质的原则。（3）材料的加工费用。（4）材料的利用率。（5）节约稀有材料。（6）材料的供应状况。作业：作业：P28，2-12-11第三十九页，本课件共有39页