金工實習第4章熱處理第4章熱處理【實習要求】

1.掌握熱處理的作用和應用。2.學會淬火操作和硬度測試操作。3.了解常用熱處理方法及其設備。熱處理安全操作技術1.操作人員在工作前要穿戴好規(guī)定的勞保用品，生產(chǎn)場地不準穿高跟鞋、拖鞋，不準赤膊操作。2.工作場地經(jīng)常保持清潔整齊，通道暢通，工作物不準堆放過高，以免碰倒傷人。3.工作場地應配備必要的消防器材，操作人員應具有一定的防火、防爆、防毒、防燙傷、防觸電的一般知識。4.電爐裝爐和出爐時，必須先斷電，輕拿輕放，不要碰壞爐底和爐襯。5.使用砂輪操作者必須站在砂輪機側面，以免砂輪破裂飛出傷人。

熱處理是將金屬在固態(tài)下加熱到預定的溫度，并在該溫度下保持一段時間，然后以一定的速度冷卻到室溫的一種熱加工工藝，其工藝曲線如圖4-1。其目的是改變鋼的內部組織結構，以改善其性能。4.1熱處理的定義熱處理工藝曲線示意圖熱處理分類熱處理分類普通熱處理表面熱處理退火正火淬火回火表面淬火化學熱處理預先熱處理（通常）最終熱處理（通常）4.2鋼的熱處理4.2.1熱處理的設備箱式電阻爐井式電阻爐真空氣淬爐熱處理車間的常用設備有加熱爐、測溫儀表、冷卻水槽、油槽及硬度計等。1.熱處理加熱爐主要有各種規(guī)格的箱式電阻爐、井式電阻爐、真空爐、滲碳爐、多用爐等。4.2.2熱處理基本工藝及其操作1.退火

退火是將工件加熱到臨界點以上或以下某一溫度（碳鋼一般加熱到750～900℃，根據(jù)鋼中含碳量而定），保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。退火的目的是：均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，調整硬度，消除內應力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火作好組織準備。2.正火

正火是將工件加熱到一定溫度（碳鋼一般加熱到780～920℃），保溫適當時間，然后出爐空冷獲得珠光體組織的熱處理工藝。

對于亞共析鋼來說，

正火與完全退火的加熱溫度相近，

但正火的冷卻速度較快，

轉變溫度較低，

正火組織中鐵素體數(shù)量較少，

珠光體組織較細，

鋼的強度，硬度較高，而塑性和韌性稍低，內應力消除不如退火徹底。正火時工件在爐外冷卻，不占用設備，因此生產(chǎn)周期短，成本較低，所以一般低碳鋼和中碳鋼大都采用正火。3.淬火

淬火是將工件加熱到一定溫度（碳鋼一般加熱到780～860℃），保溫一定時間后快速冷卻的熱處理工藝。淬火的主要目的是提高鋼的強度和硬度，增加耐磨性，配合適當?shù)幕鼗?，可使鋼的力學性能在很大范圍內得到調整，并能減小或消除淬火產(chǎn)生的內應力，降低鋼的脆性。

常用的淬火介質有水和油。水價格便宜且冷卻能力強，若在水中溶入少量的鹽，冷卻能力更強，適用于碳鋼的淬火；油也是應用較廣的淬火介質其冷卻能力較低，可以防止工件產(chǎn)生裂紋等缺陷，適用于合金鋼的淬火。工件浸入淬火介質的方式工件浸入淬火介質的方式可根據(jù)以下原則選擇：（1）細長工件（絲錐、鉆頭和軸等）應垂直浸入淬火介質中，并上下移動以減小變形；（2）薄而平的工件（圓盤銑刀），必須立著浸入淬火介質中；（3）薄壁環(huán)狀工件（套筒），其軸線要垂直于液面；（4）厚薄不均的工件，應先將厚的部分浸入淬火介質中。4.回火

回火是將淬火后的工件重新加熱到A1以下某一溫度（一般在150～650℃），保溫一定時間，然后空冷或油冷的熱處理工藝?；鼗鸬闹饕康氖菧p少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、

強度、

塑性和韌性的適當配合，

以滿足各種用途工件的性能要求。決定工件回火后的組織和性能的最重要因素是回火溫度。根據(jù)回火溫度不同，回火可分為三種：（1）低溫回火

：150～250℃。

其目的是減小工件淬火后的內應力和脆性而保持其高的硬度和耐磨性，主要用于刀具、量具及沖模等高碳鋼或高碳合金鋼。（2）中溫回火

：350～500℃。

目的是提高工件的沖擊韌性，中溫回火后工件的淬火應力基本消失，

因此鋼具有高的彈性極限，

較高的強度和硬度，

良好的塑性和韌性。故中溫回火主要用于各種彈簧零件及熱鍛模具，例如彈簧、發(fā)條、鍛模等。（3）高溫回火

：500～650℃。

習慣上將淬火和隨后的高溫回火相結合的熱處理工藝稱為調質處理。

經(jīng)調質處理后，

鋼具有優(yōu)良的綜合力學性能。

高溫回火主要適用于中碳結構鋼或低合金結構鋼制作的重要機器零件，

如發(fā)動機曲軸、連桿，

連桿螺栓、

汽車半軸、

機床主軸及齒輪等。

這些機器零件在使用中要求較高的強度并能承受沖擊和交變負荷的作用?；鼗鸱N類及應用回火種類溫度組織性能應用參考硬度（HRC）低溫回火<250℃回火M高硬度、高耐磨性主要用于刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火件。58～62中溫回火350℃～500℃回火T高強度，高σe、高σs主要用于各種彈性件和熱鍛模等35～50高溫回火500℃～

650℃回火S綜合力學性能好曲軸、連桿、螺栓、半軸、齒輪等25～35熱處理狀態(tài)σbδ×100aK/(J.cm2)HBS正火700～80015～2050～80162～220調質750～

85020～2580～120210～25045鋼正火和調質后的力學性能回火脆性

淬火鋼回火時并不是溫度越高，沖擊韌度越高，有些鋼在一定的溫度范圍內回火時，其沖擊韌度顯著下降，這種脆化現(xiàn)象叫做鋼的回火脆性。鋼在250~400℃溫度范圍內出現(xiàn)的回火脆性叫第一類回火脆性，也叫低溫回火脆性；在450~650℃溫度范圍內出現(xiàn)的回火脆性叫做第二類回火脆性，也叫高溫回火脆性。45鋼加熱到840℃，以不同方式冷卻后的力學性能冷卻方法σb/MPaσs/MPaδ(%)ψ(%)HBS爐內緩冷（退火）53028032.549.3160～200空氣冷卻（正火）670～72034015～1845～50170～240水中冷卻（淬火）10007207～812～1452～58HRC表面淬火

表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后冷卻，使表面獲得淬火組織而心部仍然保持原始組織的熱處理工藝。其目的是滿足某些零件表面硬心部韌的性能要求。主要用于承受沖擊載荷而且表面又要耐磨的零件，如齒輪、凸輪、傳動軸等。常用的表面淬火方法有：感應加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。感應加熱表面淬火示意圖化學熱處理

氣體滲碳示意圖

化學熱處理是將工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素的原子滲入工件表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，而心部仍然保持原有的性能。常用的方法有：滲碳、滲氮和碳氮共滲。鋼的表面熱處理分類表面淬火感應加熱表面淬火火焰加熱表面淬火表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，心部仍保持原來的退火、正火或調質狀態(tài)組織。硬化層深度2mm～8mm化學熱處理滲碳滲氮與頻率相關f越高，淬硬層越薄溫度高（900℃～950℃）溫度低（500℃～600℃）時間長短、滲層深度、工件變形量、滲后是否熱處理、適用鋼種。4.2.3熱處理后硬度檢測

硬度是指金屬材料抵抗局部變形或者抵抗其它物質刻劃或壓入其表面的能力，是重要的力學性能指標之一。通常材料的硬度越高，耐磨性越好，因此，常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標。

常用的硬度檢測方法有布氏硬度試驗、洛氏硬度試驗、維氏硬度試驗。試驗原理：布氏硬度試驗是在一定的試驗力F作用下，將一定直徑D的硬質合金球壓頭壓入到被測金屬表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，測量被測材料表面留下壓痕的平均直徑d，根據(jù)d計算出壓痕面積S，最后求出壓痕單位面積上承受的平均試驗力，以此作為被測金屬材料的布氏硬度值。式中HBW———布氏硬度;F———試驗力大小（N）;D———硬質合金球直徑（mm）;d———壓痕平均直徑（mm）;布氏硬度應用：用于測定灰鑄鐵、退火鋼、調質鋼、有色金屬等材料。布氏硬度計試驗原理：洛氏硬度試驗是采用頂角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑的鋼球或硬質合金球為壓頭，以規(guī)定的試驗力將其壓入試樣表面。以殘余壓痕深度計算硬度值。式中HR—洛氏硬度;k—常數(shù)，用金剛石圓錐體作壓頭時k=100，用鋼球作壓頭時k=130;h—殘余壓痕深度（mm）。洛氏硬度試驗時，一般均由硬度計的指示器上直接讀出硬度值。洛氏硬度（HR）應用：多用于測定淬回火后硬度相對較高的工件，常用工具、量具、軸承等工件洛氏硬度計洛氏硬度計不同壓頭和載荷組成A、B、C、D、E、F、G、H、K九種標尺和六種表面洛氏硬度標尺，共15種。HRA、HRB、HRC最常用，改變壓力和壓頭，可適用于不同的測試范圍。表面洛氏HR15N，HR30N，HR45N，HR15T用來測定極薄試樣及滲氮層的硬度。洛氏硬度種類試驗原理：維氏硬度是將頂部兩相對面具有規(guī)定角度的正棱錐體金剛石壓頭用一定的試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后卸除試驗力，通過測量試樣表面壓痕兩對角線長度，用其平均值計算硬度值，壓痕單位表面積所承受的平均壓力為維氏硬度值，用符號HV表示維氏硬度（HV）維氏硬度計算公式:式中HV—維氏硬度，不標單位;F—試驗力（N）;d—壓痕兩對角線長度平均值（mm）。在實際測試時，維氏硬度值不用計算，而是用測微計測出壓痕兩對角線的長度，計算出平均值后，再根據(jù)d的大小查表，即可求出所測硬度值。根據(jù)試驗力大小維氏硬度分為：普通維氏硬度試驗小載荷維氏硬度試驗顯微維氏硬度試驗（需要顯微放大裝置）顯微維氏硬度計4.2.4常見熱處理缺陷

零件在熱處理（尤其是淬火）時，若工藝參數(shù)選擇不合適、儀表誤差過大或操作不當，都會產(chǎn)生缺陷。常見的缺陷有：過熱、過燒；氧化、脫碳；硬度不足或不均；變形及裂紋等。1.過熱和過燒

若加熱溫度過高或保溫時間太長，會使鋼的晶粒粗大，即過熱。過熱將導致鋼的塑性和韌性降低。當加熱溫度接近熔點時，會使鋼的晶界氧化或局部熔化，即過燒。過熱的工件可以通過正火加以補救，而過燒的零件只能報廢。2.氧化和脫碳

鋼在氧化性介質中加熱時，會使工件表面氧化和脫碳。氧化使工件表面金屬燒損影響工件的尺寸和表面粗糙度，降低鋼的強度；脫碳使工件表面