材料科学与工程专业金属热处理原理及工艺钢的热处理举例.pptx

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1、齿轮热处理齿轮热处理轴承热处理轴承热处理弹簧热处理弹簧热处理工具热处理工具热处理轴的热处理轴的热处理基本思路：工作条件（载荷，环境）失效形式性能要求材料热处理工艺第1页/共51页第2页/共51页1、工作条件、工作条件用于传递动力、改变方向或速度的重要用于传递动力、改变方向或速度的重要零件，受力情况复杂。零件，受力情况复杂。2、常见失效形式、常见失效形式 齿轮接触面磨损或齿面塑性变形（表面硬度不足）；齿轮接触面磨损或齿面塑性变形（表面硬度不足）；齿轮面剥落（疲劳损坏、点蚀）；齿轮面剥落（疲劳损坏、点蚀）；断齿（强度低断齿（强度低 或超载）或超载）一.齿轮热处理第3页/共51页一一.齿轮热处理齿轮

2、热处理3.3.齿轮的技术要求齿轮的技术要求 齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能；齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能；齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。4.4.齿轮用钢齿轮用钢 低、中碳低、中碳n轻载齿轮：45，调质或正火n中载齿轮：45、40Cr，调质，耐磨部位表面淬火n重载齿轮：20Cr、20CrMnTi，渗碳淬火n高精度齿轮：38CrMoAlA，调质渗氮第4页/共51页1）渗碳齿轮材料：20CrMnTi、20Cr、30CrMnTiA等服役场合：高速重载（汽车齿轮）下料工艺：工艺：锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火5.齿轮热处理工艺精加工掌握各热处理工序的目的

3、，工艺，组织第5页/共51页(1)(1)正火正火 细化晶粒；调整硬度，便于切削加工细化晶粒；调整硬度，便于切削加工 加热至加热至AcAc3 3+30+3050,50,空冷空冷,组织细珠光体组织细珠光体+(+(少量铁素体少量铁素体)(2)(2)渗碳渗碳 提高表面含碳量提高表面含碳量 920920930930保温保温3 39h 9h(3)(3)渗碳后淬火渗碳后淬火 获得马氏体，提高表面硬度获得马氏体，提高表面硬度 直接淬火或一次淬火直接淬火或一次淬火 表面：表面：高碳高碳M+Ar+M+Ar+碳化物碳化物,过渡层过渡层:M+Ar,M+Ar,心部心部:低碳低碳M+FM+F（少量）（少量）(4)(4)回

4、火回火 消除淬火应力，低温消除淬火应力，低温200，MM回回下料锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火精加工第6页/共51页第7页/共51页 20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线第8页/共51页加工工艺路线:下料 锻造 粗加工 半精加工 精车加工及 精磨 5.齿轮热处理工艺2）中载齿轮（中碳钢）热处理（表面淬火）适用于3555,40Cr,35CrMn,35CrMo,42SiMn等材料齿轮。正火调质表面淬火低温回火第9页/共51页(1)(1)正火正火(或完全退火）或完全退火）细化晶粒，调整硬度细化晶粒，调整硬度 加热至加热至AcAc3 3+30+3050,50,空冷空冷,细珠光体细珠光体+

5、(+(少量铁素体少量铁素体)(2)(2)调质热处理调质热处理 使心部具有良好强韧性使心部具有良好强韧性 加热至加热至AcAc3 3+30+305050后淬火后淬火+500+500600600高温回火高温回火,回火索氏体回火索氏体(3)(3)表面感应淬火表面感应淬火(表面火焰淬火表面火焰淬火)提高表面硬度提高表面硬度 表面加热至表面加热至AcAc3 3+30+305050，心部没有加热。，心部没有加热。淬火后淬火后表面表面获得马氏体获得马氏体+残余奥氏体残余奥氏体,过渡层过渡层马氏体马氏体+F+F残余奥氏体残余奥氏体,心部心部回火索氏回火索氏体体 (4)(4)低温回火低温回火 消除淬火应力，低温

6、消除淬火应力，低温200，MM回回 第10页/共51页轻载齿轮：轻载齿轮：45，调质或正火调质或正火中载齿轮：中载齿轮：45、40Cr，调质，耐磨部位表面淬火调质，耐磨部位表面淬火重载齿轮：重载齿轮：20Cr、20CrMnTi，渗碳淬火渗碳淬火高精度齿轮：高精度齿轮：38CrMoAlA，调质渗氮调质渗氮第11页/共51页第12页/共51页二、滚动轴承热处理滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承1、工作条件高载荷，交变应力高转速，一定冲击。第13页/共51页 接触疲劳破坏二、滚动轴承热处理2、失效形式第14页/共51页塑性变形 第15页/共51页磨损第16页/共51页3、性能要求:（内外圈和滚动体）v高的硬度

7、和耐磨性;v高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性;v尺寸稳定性滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承二、滚动轴承热处理第17页/共51页4、轴承用钢:二、滚动轴承热处理G Cr15 含Cr量WCr 1.5%滚动轴承钢高碳,Wc=0.951.15%第18页/共51页GCr15轴承钢制造轴承的工艺路线锻造 机加工 球化退火淬火+冷处理(60 80;1h)低温回火正火磨削加工稳定化处理(120 150；5 10h)第19页/共51页5 5、热处理工艺、热处理工艺预备热处理预备热处理:正火：正火：消除网状碳化物，细化晶粒消除网状碳化物，细化晶粒球化退火：球化退火：降低硬度，提高韧性，为淬火组织准备降低硬度，提高韧

8、性，为淬火组织准备淬火淬火:获得马氏体组织获得马氏体组织 810810860860（温度偏高），让（温度偏高），让CrCr尽量溶入尽量溶入A A，又不致于导致晶粒粗大，又不致于导致晶粒粗大，A A含碳过高；油冷含碳过高；油冷冷处理冷处理:获得马氏体组织获得马氏体组织,减少减少ArAr低温回火低温回火:消除残余应力，保持高硬度消除残余应力，保持高硬度.二、滚动轴承热处理第20页/共51页汽车板簧扭转弹簧大型热卷弹簧弹簧丝第21页/共51页三、弹簧热处理三、弹簧热处理1 1、工作条件、工作条件储存能量和减轻震动储存能量和减轻震动,主要承受拉力、压力、扭力、交变载主要承受拉力、压力、扭力、交变载荷；

9、荷；2 2、失效形式：、失效形式：疲劳断裂，永久变形疲劳断裂，永久变形3 3、性能要求：、性能要求：高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性能高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性能（塑性成型、热处理性能）（塑性成型、热处理性能）4 4、常用材料、常用材料 6565、65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢等中碳钢及中碳合金钢第22页/共51页5 5、热处理工艺、热处理工艺（一）冷成形弹簧（小弹簧）（一）冷成形弹簧（小弹簧）由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+回火的钢丝）回火的钢丝）冷卷成弹簧，冷卷成弹簧，只需进行去应力

10、退火（加热温度只需进行去应力退火（加热温度250 250 300 300），以消），以消除变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。除变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。（二）热成形弹簧（二）热成形弹簧 采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）淬火淬火提高强度，提高强度，中温回火中温回火消除应力，提高弹性极限。消除应力，提高弹性极限。淬火温度淬火温度Ac3Ac3以上，回火温度以上，回火温度350 350 450 450，组织：组织：回火屈氏体回火屈氏体大型热卷弹簧去应力退火淬火+中温回火（或采用等温淬火）或采用等温淬火，得到贝氏体组织第23页/共51页

11、（三）沉淀硬化处理（三）沉淀硬化处理对于对于17-7PH(0Cr17Ni7Al)沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理状态下成型的弹簧。主要工艺过程如下：状态下成型的弹簧。主要工艺过程如下：（1）固溶处理：固溶处理：奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织（2）成型加工）成型加工（3）调整热处理（或淬火处理）调整热处理（或淬火处理）加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体+残余奥残余奥氏体组织氏体组织（4）深冷处理：深冷处理：使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳马氏

12、体（根据需要确定）马氏体（根据需要确定）（5）沉淀硬化处理沉淀硬化处理在在480 550 保温保温1小时左右，使碳化物析出弥散强化。小时左右，使碳化物析出弥散强化。第24页/共51页（四）弹簧的其它强化处理（四）弹簧的其它强化处理（1 1）形变热处理）形变热处理对于对于60Si2Mn60Si2Mn、55Si2Mn55Si2Mn等中碳钢具有较高的形变强化效果，等中碳钢具有较高的形变强化效果，因此这类弹簧适合于热成型因此这类弹簧适合于热成型+淬火淬火+回火回火（2 2）化学热处理）化学热处理对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材料，可以对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材料，可以不改变弹

13、簧整体强度、韧性和弹性极限情况下，化学渗提不改变弹簧整体强度、韧性和弹性极限情况下，化学渗提高弹簧表面硬度和疲劳强度。典型工艺热成型高弹簧表面硬度和疲劳强度。典型工艺热成型加工加工+淬火淬火+回火回火-化学渗处理。化学渗处理。（3 3）喷丸强化）喷丸强化使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿命使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿命5 51010倍。倍。第25页/共51页（五）弹簧的稳定化处理（五）弹簧的稳定化处理为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧进行加荷、或为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧进行加荷、或机械稳定、或加温加荷处理，以保证弹簧在使用过程中弹机械稳定、或加温加荷处理

14、，以保证弹簧在使用过程中弹性稳定。性稳定。第26页/共51页工具一般包括刃具、模具、量具工具一般包括刃具、模具、量具常用钢包括：常用钢包括：碳素工具钢、碳素工具钢、低合金工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢（高速钢等）高合金工具钢（高速钢等）四.工具热处理模具量具刃具成分特点：高碳第27页/共51页四.工具热处理4.1 刃具热处理 性能要求 高硬度(HRC60)，主要取决于含碳量。高耐磨性，靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。红硬性 即高温下保持高硬度的能力 足够的韧性 以防止脆断和崩刃。刃具用钢 碳素工具钢：T7T12（0.71.2%C）木工凿手锤圆冲第28页/共51页T12钢正常淬火组织球

15、状珠光体碳工钢热处理及组织碳工钢热处理及组织热处理：热处理：正火正火+球化退火球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火球化退火目的：球化退火目的：降低硬度，便于加工；降低硬度，便于加工；为淬火作组织准备。为淬火作组织准备。使用状态下的组织：使用状态下的组织：M M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A+AR R(少量少量)第29页/共51页丝锥板牙刃具用钢刃具用钢 低合金工具钢：低合金工具钢：CrWMn、9SiCr 热处理及组织同碳素工具钢，热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油（碳工钢为水）。只是淬火介质为油（碳工钢为水）。板牙丝锥第30页/共51页 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线板牙第31

16、页/共51页W18Cr4V的生产工艺及热处理铸造 锻造 球化退火 机加工 淬火+三次高温回火 磨削加工刃具用钢 高合金刃具钢：（高速钢）W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2第32页/共51页 W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织 420 铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。第33页/共51页锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理（正火）来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 第34页/共51页球化退火:消除应力,降低硬度，便于机加工,调整组织,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状 Cm球化退

17、火温度830880易于机械加工。W18Cr4V球化退火组织 420 第35页/共51页淬火:12001300 淬火后的组织:M+Cm+AR(2025%)（温度高）高速钢淬火温度高的原因：让C和Me充分溶入A，淬火后得到高合金马氏体高温回火时产生二次硬化效应，提高硬度提高红硬性第36页/共51页三次高温回火在560回火时,产生二次硬化多次回火,获得更多碳化物析出 让残余奥氏体转变。回火组织：S回+碳化物+Ar(1 2%)*淬火后A残约2025%。*第一次回火后A残约剩1518%。*第二次回火后A残约剩35%。*第三次回火后A残约剩12%。组织硬度为HRC65以上。第37页/共51页 W18Cr4

18、V钢的热处理过程示意图进展:现在对这种热处理工艺还不满意,对高速钢淬火+回火后,再进行TiN沉积第38页/共51页四.工具热处理4.2 冷作模具热处理v 性能要求:高硬度（HRC5060）；高耐磨性、强度和韧性；热处理变形小;汽车冲压模具v 应用:冷冲模、冷镦模、冷挤模、搓丝板等v 冷作模具用钢:碳素工具钢：T7T8低合金工具钢：9SiCr、9Mn2V、CrWMn或GCr15高合金工具钢：Cr12、Cr12MoV（C1.4%2.3%、Cr11%12%）第39页/共51页 Cr12型冷作模具钢的热处理（C1.4%2.3%、Cr11%12%）球化退火 冷作模具钢铸态组织极不均匀,含有大量共晶碳化物

19、，需反复锻打后退火处理。球化退火温度830880，获得细化碳化物+珠光体组织，易于机械加工。淬火+回火 一次硬化法：较低温度淬火（980）低温回火 回火组织为M回+碳化物+Ar 二次硬化法：较高温度淬火（1050）23次高温回火 回火组织为S回+碳化物+Ar(少量）第40页/共51页四.工具热处理4.3 热作模具热处理v 性能要求:v 应用:v 热作模具用钢:使热金属或液态金属成型的模具，包括热锻模、热挤压模和压铸模等。高的热硬性、高温耐磨性;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力和导热性;中碳 0.30.6%;热变形模具钢，5CrNiMo、5CrMnMo压铸模具，3Cr2W8V第41页/共

20、51页 5 CrMnMo热处理:热处理工艺:完全退火 淬火 550回火 曲轴模具热处理后的组织:S回第42页/共51页 3 Cr2W8V钢热处理:热处理工艺:淬火+550三次回火 回火时二次硬化现象HRC47 汽车四缸压铸模汽车四缸压铸模第43页/共51页四.工具热处理4.4 量具热处理v 性能要求:v 量具用钢:高的硬度（HRC62）和耐磨性，热处理变形小、尺寸稳定，保证尺寸精度。卡 尺量 规千分尺碳素工具钢：T8T12低合金工具钢：淬透性高，用于精度要求较高的量具。CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr第44页/共51页千分尺卡尺特点特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。预

21、备热处理组织为球化退火或调质处理组织。下限温度淬火及冷处理，目的是减少下限温度淬火及冷处理，目的是减少A A。长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。淬火 冷处理(-70-80)低温回火 时效处理(120130,几十小时)v 热处理:第45页/共51页 CrWMn钢制造块规退火后热处理工艺650820840油冷3h-70-80 冷处理1401603h11012036h时效处理精磨3h研磨温度时间第46页/共51页受力受力弯曲和扭转应力，且在弯曲和扭转应力，且在轴的截面上分布是不均的，表轴的截面上分布是不均的，表面应力最大，中心应力为零

22、。面应力最大，中心应力为零。性能性能此类零件调质时不需要此类零件调质时不需要整个截面淬透，只要保证表面整个截面淬透，只要保证表面淬硬层为其半径的淬硬层为其半径的1/41/4即可。即可。选材选材多用多用4040、4545钢，重要轴钢，重要轴类用合金调质钢制造（类用合金调质钢制造（40Cr40Cr、35CrMo 35CrMo、42Mn2V42Mn2V等）等）五、轴的热处理第47页/共51页备料锻造正火或退火粗加工调质精加工材料：45钢工艺：轻载主轴加工工艺第48页/共51页中载主轴加工工艺备料锻造正火或退火粗加工调质精加工材料：40Cr钢工艺：整体调质，轴颈和锥孔表面淬火表面淬火及低温回火磨削第49页/共51页轻载主轴：轻载主轴：4545，调质或正火，调质或正火中载主轴：中载主轴：4545，40Cr40Cr，调质，耐磨部位表面淬火，调质，耐磨部位表面淬火重载主轴：重载主轴：20CrMnTi20CrMnTi，渗碳淬火，渗碳淬火高精度主轴：高精度主轴：38CrMoAlA38CrMoAlA，渗氮，渗氮第50页/共51页感谢您的观看！第51页/共51页