机械工程材料成型及工艺13.ppt

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1、重点回顾重点回顾 钢淬火和回火的概念、目的和一般钢淬火和回火的概念、目的和一般应用；淬火温度的选择理由；淬透性和应用；淬火温度的选择理由；淬透性和淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的淬硬性的区别，影响淬透性和淬硬性的因素，回火的分类和一般应用；回火脆因素，回火的分类和一般应用；回火脆性的概念和分类和防止。性的概念和分类和防止。2021/9/231本次课的内容本次课的内容n钢的表面热处理钢的表面热处理n常见热处理缺陷及防止常见热处理缺陷及防止n小结小结2021/9/232一、钢的表面热处理一、钢的表面热处理n概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组概念：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的

2、工艺；织和性能的工艺；n分类：表面淬火和化学热处理；分类：表面淬火和化学热处理；n应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷应用范围：主要是某些在冲击载荷、交变载荷及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮及摩擦条件下工作的机械零件，如曲轴、凸轮轴、齿轮等；轴、齿轮等；n工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧”的力学的力学性能。性能。2021/9/233n 表面淬火表面淬火1.1.定义定义:是一种不改变钢表层化学成分是一种不改变钢表层化学成分,但改变但改变表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热表层组织的局部热处理工艺，即通过快速加热使钢的表层奥氏体化使钢的表层奥氏体化,然后

3、急冷然后急冷,使表层形成马使表层形成马氏体组织氏体组织,而心部仍保持不变。而心部仍保持不变。2.2.目的目的:获得高硬度的表面层，以提高工件的获得高硬度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度。耐磨性和疲劳强度。2021/9/2343.3.表面淬火用钢表面淬火用钢:选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。4040、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB等。等。4.4.表面淬火加热的方法表面淬火加热的方法:感应加热感应加热(高、中、工频高、中、工频)、火焰加热火焰加热、激光加热等。激光加热等。2021/9/235n 感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)1)感应加热的基本原理感应加热

4、的基本原理:*感应电流感应电流-涡流涡流*集肤效应集肤效应*淬火层深度淬火层深度()与与电电流流频频率率(f)的关系的关系:=500/f （mm）2021/9/236感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图2021/9/2372)工艺要求工艺要求:*表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火或调质正火或调质处理处理,以保证零件有良好的基体。以保证零件有良好的基体。*表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温回火处低温回火处理理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3)生产特点生产特点:淬火件的质量好淬火件的质量好;工件变形小工件变

5、形小;不易氧化及不易氧化及脱碳脱碳;淬火层容易控制淬火层容易控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。不适于复杂形状零件和小批量生产。2021/9/238n 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1)1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2021/9/2392 2）火焰加热表面淬火的特点）火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单,操作方便操作方便,成本低；成本低；*淬火质量不稳定；淬火质量不稳定；*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。2021/9/2310二二.化学热处理化学热处理 (Chemical Heat

6、 Treatment)(Chemical Heat Treatment)一一)定义定义:将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温通过加热、保温,使介质中一种或几种元素使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层原子渗入工件表层,以改变钢表层的化学成以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。分和组织的热处理工艺。2021/9/2311二二)化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.2.吸收吸收:活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶解。零件表面吸收和溶解。3.3.扩散扩散:活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层形成一定的扩散层。1.1.

7、分解分解:化学介质在高温下释放出待渗的化学介质在高温下释放出待渗的活性原子活性原子。2CO CO2CO CO2 2 +C C2021/9/2312三三)化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1.1.渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子,而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2.2.零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力,即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合,形成化合物形成化合物。四四)化学热处理的种类化学热处理的种类:渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;渗硼渗硼;渗铝渗铝;渗渗 硫硫;渗铬等。渗

8、铬等。2021/9/23131.1.钢的渗碳钢的渗碳(Carburize of steel)(Carburize of steel)1)1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2)2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)3)用钢用钢:低碳钢低碳钢和和低碳合金钢。低碳合金钢。4)4)方法方法:固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。2021/9/2314 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱2021/9/2315 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图2021/9/23165)5)工艺工

9、艺:加热温度加热温度为为900900950;950;渗碳时间渗碳时间一般为一般为3 39 9小时小时;6)6)渗碳后的组织渗碳后的组织:1%CP+Fe3C0.2%C F+P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F2021/9/231720钢渗碳缓冷组织钢渗碳缓冷组织 580 表层珠光体表层珠光体+网状渗碳体网状渗碳体;中层珠光体中层珠光体;内层铁素体内层铁素体+珠光体珠光体2021/9/23187)7)渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间时间温温度度930850方案方案1方案方案2渗渗 碳碳淬淬火火加加热热2021/9/23197)7)渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺2021/9/232

10、08)8)热处理后的组织热处理后的组织低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A残残低碳低碳合金钢合金钢F+PM回回+Fe3C+A残残低碳钢低碳钢心部组织心部组织表层组织表层组织钢种钢种9)9)常用的钢种常用的钢种:15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。等。2021/9/232120CrMnTi 钢渗碳层组织钢渗碳层组织(化染化染)320 渗碳体渗碳体(白色块状白色块状)+高碳高碳M(兰色针状兰色针状)+残余残余A(棕黄色棕黄色)2021/9/23222.2.钢的渗氮钢的渗氮(Nitridation of steel)(Nitridation of steel)1

11、)1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入氮原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)4)方法方法:气体气体渗氮。渗氮。2021/9/23235)5)工艺工艺:加热温度加热温度500500600;600;保温时间保温时间0.30.30.5mm/200.5mm/2050h50h。6)6)热处理特点热处理特点:渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理;渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。7)7)渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层:FeFe4 4N N、FeFe2 2N N、AlNAl

12、N、CrNCrN、MoN MoN、TiNTiN、VNVN。心部心部:S S回回。8)8)常用的钢种常用的钢种:35 CrMo35 CrMo、18CrNiW18CrNiW、38 CrMoAlA38 CrMoAlA 等。等。2021/9/232438 CrMoAl 气体渗氮层组织(化染)650 黄色区:(Fe2-3N)+(Fe4N);红色区:(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;绿黄色区:索氏体基体。2021/9/2325 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需处理后是否需要热处理要热处理处理时处理时间间(h)处理温度处理温度()名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需

13、要不需要2050500600渗氮渗氮2021/9/23263.3.钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗-氰化处理氰化处理 (Carbonitriding of steel)(Carbonitriding of steel)1)1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原子表面同时渗入碳和氮原子的过的过 程。程。2)2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温2021/9/23274)4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC5360中温气体碳氮共渗中温气体碳氮共渗80

14、086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合金工具钢HRC5463低温气体碳氮低温气体碳氮共渗共渗50060016以渗氮为主以渗氮为主0.10.4mm不需要不需要材料材料性能性能名称名称温度温度()时间时间(h)作用作用渗层渗层热处理热处理2021/9/2328二、常见热处理缺陷及其防止二、常见热处理缺陷及其防止n加热时出现的缺陷加热时出现的缺陷：欠热（退火和正火矫正）、：欠热（退火和正火矫正）、过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过过热（不严重的可以用退火和正火矫正）、过烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或真烧、氧化和脱碳（盐浴中加热或保护气氛或

15、真空加热或表面涂层空加热或表面涂层)。n在冷却（淬火）时出现的缺陷在冷却（淬火）时出现的缺陷：淬火变形、淬：淬火变形、淬火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件火裂纹。防止办法：正确选材、合理进行零件的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。的结构设计、选择或制定合理的淬火工艺。2021/9/2329小结小结n重点要求重点要求 钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、钢的表面热处理的分类；表面淬火的概念、目的；常见热处理缺陷。目的；常见热处理缺陷。n一般要求一般要求 化学热处理；常见热处理缺陷的防止措施。化学热处理；常见热处理缺陷的防止措施。2021/9/23302021/9/23312021/9/

16、23322021/9/2333铁碳合金平衡组织的观察实验报告要求铁碳合金平衡组织的观察实验报告要求n实验内容：实验内容：n实验目的：实验目的：n实验设备和样品：实验设备和样品：n实验结果：实验结果：n思考题：思考题：1 1）2#2#、3#3#、4#4#试样组织的异同点？试样组织的异同点？2 2）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金）根据所观察的组织，说明含碳量对铁碳合金的组织和性能影响的大致规律？的组织和性能影响的大致规律？2021/9/23342021/9/2335例题一n 现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，现需要制造一汽车、拖拉机传动齿轮，要求表面要求表面具有高的硬度、耐磨性和高的具有高

17、的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部具有良好的韧性接触疲劳强度，心部具有良好的韧性，应采用如下哪种材料及热处理工艺应采用如下哪种材料及热处理工艺：T10T10钢经淬火钢经淬火+低温回火；低温回火；45 45钢经调钢经调质处理；质处理；低碳合金钢低碳合金钢20CrMnTi20CrMnTi经渗碳经渗碳+淬火淬火+低温回火。说明其理由。低温回火。说明其理由。2021/9/2336例题二 在一批在一批4545钢制的螺栓中（要求头部热钢制的螺栓中（要求头部热处理后的硬度为处理后的硬度为434348HRC48HRC）混入少量）混入少量2020钢钢和和T12T12钢，若按钢，若按4545钢工艺进行淬火、回

18、火处钢工艺进行淬火、回火处理，试问能否达到要求？分别说明为什么理，试问能否达到要求？分别说明为什么？2021/9/2337例题三 现有三个形状、尺寸、材质（低碳现有三个形状、尺寸、材质（低碳钢）完全相同的齿轮，分别进行普通整钢）完全相同的齿轮，分别进行普通整体淬火、渗碳淬火和高频感应淬火，试体淬火、渗碳淬火和高频感应淬火，试用最简单的办法将它们区分开。用最简单的办法将它们区分开。2021/9/2338例题四 用用4545钢制车床主轴，要求轴颈部位硬度为钢制车床主轴，要求轴颈部位硬度为565658HRC58HRC，其余地方为，其余地方为202024HRC24HRC，其加工工艺路，其加工工艺路 线

19、为：锻造线为：锻造正火正火机械加工机械加工轴颈表面淬火轴颈表面淬火 低温回火低温回火磨削加工。请说明以下问题：磨削加工。请说明以下问题：正火的目的及大致热处理工艺参数；正火的目的及大致热处理工艺参数；表面淬火及低温回火的目的；表面淬火及低温回火的目的；使用状态下轴颈及其他部位的组织。使用状态下轴颈及其他部位的组织。2021/9/2339第五章 机械工程用钢钢中常存元素的作用；钢中常存元素的作用；钢中合金元素的作用；钢中合金元素的作用；钢的分类；钢的编号方法；钢的分类；钢的编号方法；碳素钢；碳素钢；合金钢；合金钢；铸铁。铸铁。2021/9/2340一、钢中常存元素的作用一、钢中常存元素的作用 主要元素：主要元素：FeFe、C C 有益元素：有益元素：MnMn、SiSi；有害元素：有害元素：S S、P P、O O、N N、H H。Mn Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度和硬度。Si Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,能脱氧；能脱氧；1 1）有益元素：）有益元素：2021/9/23412 2）有害的非气体元素）有害的非气体元素:P P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,低温低温 韧性差韧性差(冷脆冷脆)；S S 能引起钢在热加工时或高温工作下能引起钢在热加工时或高温工作下开裂开裂(热裂或称热脆热裂或称热脆)。2021/9/2342