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热处理技术交流,河北钢铁集团宣工公司技术中心闫保秋2011年12月14日,1,2,热处理技术交流,一、热处理工艺基础二、机械零件的热处理设计三、一些相关资料,3,热处理技术交流,一、热处理工艺基础,4,一、热处理工艺基础,1.1 热处理概述1.2 热处理原理1.3 热处理工艺1.4 热处理改造前设备1.5 热处理改造后设备,5,一、热处理工艺基础,1.1 热处理概述,6,1.1 热处理概述,商代酒具,西汉青铜剑,7,1.1 热处理概述,金属热处理是冶金、机械、航空、兵器等工业部门不可缺少的技术，是提高产品质量和寿命的关键工序，是发挥金属材料潜力，达到金属零、部件轻量化的重要手段，也是近代材料科学的重要分支之一。,8,1.1 热处理概述,1.1.1 热处理定义 热处理就是使固态金属通过加热、保温和冷却的方法，改变其内部组织，从而获得预期性能的工艺过程。,9,1.1 热处理概述,1.1.2 热处理目的 改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。,金属热处理特点：金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状、大小和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。,10,1.1 热处理概述,1.1.3 热处理作用 机械零件加工的一般工艺流程：坯料锻造预备热处理粗加工最终热处理精加工成品,预备热处理：消除铸（锻）件的组织缺陷，均匀组织，细化晶粒，降低硬度，消除应力。最终热处理：形成零件使用时需要的组织和性能。,11,1.1 热处理概述,热处理的作用可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力降 低结构重量、节省材料和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命；可以消除铸、锻、焊等热加工工艺造成的各种缺陷，细化晶粒、消除偏析、降低应力，使钢的组织和性能更加均匀；是机械零件加工工艺过程中的重要工续；通过热处理可使工件表面具有抗磨损、耐腐蚀等特殊物理化学性能。,搞好热处理 零件一顶几,12,一、热处理工艺基础,1.2 热处理原理,13,1.2 热处理原理,1.2.1 钢在加热过程中的转变 钢加热转变的理论依据 Fe-Fe3C相图,共析钢的奥氏体形成过程示意图,14,1.2 热处理原理,铁素体奥氏体渗碳体珠光体莱氏体,15,1.2 热处理原理,16,1.2 热处理原理,17,1.2 热处理原理,1.2.2 奥氏体在冷却时的组织转变 过冷奥氏体冷却转变的理论依据,A1,TTT曲线,CCT曲线,18,1.2 热处理原理,1.2.3 转变产物的组织与性能（1）珠光体（P）转变 Ar1550 层片状的 F 与 Fe3C机械混合物,片状珠光体的组织形态,P,S,T,19,1.2 热处理原理,珠光体性能,20,1.2 热处理原理,粒状珠光体,与片状P比较：碳含量相同，塑韧 性好 b相同，-1高 硬度相同，综合力 学性能好（不易产 生应力集中、裂纹）,21,1.2 热处理原理,1.2.3 转变产物的组织与性能（2）马氏体（M）转变 Ms线以下 碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体,板条马氏体,针叶M,22,1.2 热处理原理,马氏体形貌 决定于奥氏体的含碳量：当Wc 1.0%时，全部形成针片状M 当Wc 0.2%时，全部形成板条状M 当0.2%Wc1.0%时，形成混合M 马氏体性能 M片具有高硬度高强度，但塑性韧性低；M条具有较高硬度强度，塑性韧性也较好。,23,1.2 热处理原理,1.2.3 转变产物的组织与性能（3）贝氏体（B）转变 550Ms F与Fe3C机械混合物,上贝氏体,下贝氏体,24,1.2 热处理原理,贝氏体性能,25,一、热处理工艺基础,1.3 热处理工艺,26,1.3 热处理工艺,热处理,普通热处理,表面热处理,特殊热处理,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热,27,1.3 热处理工艺,1.3.1 退火和正火（1）退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、再结晶退火、和去应力退火等。,28,1.3 热处理工艺,退火目的 降低钢的硬度，以利于切削加工及冷变形加工细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性能消除残余应力，稳定钢件尺寸并防止变形和开裂为最终热处理做组织上的准备,30,1.3 热处理工艺,1.3.1 退火和正火（2）正火 将钢材或铸铁工件加热奥氏体化后在空气中冷却，得到含有珠光体的均匀组织的热处理工艺。正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火少快，故正火组织比较细，它的强度、硬度比退火高。,31,1.3 热处理工艺,1.3.1 退火和正火（3）退火、正火的选择 切削加工性：170230HBS 低碳钢正火 中高碳钢完全退火 高碳钢、合金工具钢正火球化退火使用性能：作为最终热处理正火经济性：正火可替代完全退火以提高效率,32,1.3 热处理工艺,1.3.2 淬火和回火（1）淬火 将钢加热至临界点以上保温后，以大于临界冷却速度的冷速冷却获得马氏体或贝氏体的热处理工艺。目的：提高硬度、强度及耐磨性 获得良好的综合机械性能 改善钢的特殊性能,33,1.3 热处理工艺,冷却方法 原则：淬火时既要快冷获得M，又要尽可能减小 内应力，减少变形和开裂。单液淬火：碳钢 水 合金钢 油双液淬火：水淬油冷分级淬火：冷却时短暂停留，减小冷却温差等温淬火：获得下贝氏体,34,1.3 热处理工艺,钢的淬透性和淬硬性 淬透性：钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力，即得到M组织的能力，取决于 VK 淬硬性：钢在淬火时获得硬度高低的能力，取决于钢中的C%淬透性好的钢，其淬硬性不一定高。,35,1.3 热处理工艺,淬透性重要性:a)淬透性好，经过回火，零件整个截面组织均匀，综合力学性能好。b)淬透性好的钢，冷却速度减慢，防止淬火钢件变形开裂。,36,1.3 热处理工艺,淬透性的应用 根据服役条件，确定对钢淬透性的要求 选材和用材的重要依据热处理工艺制定的依据,37,1.3 热处理工艺,淬透性的实际应用,机械制造中许多在重载荷、动载荷下工作的重要零件以及承受拉压应力的重要零件，常要求工件表面和心部的力学性能一致，此时应选用能全部淬透的钢；对于应力主要集中在工件表面，心部应力不大(如承受弯曲应力)的零件，则可考虑选用淬透性低的钢；焊接件一般不选用淬透性高的钢，否则易在焊缝及热影响区出现淬火组织造成焊件变形和开裂。,38,1.3 热处理工艺,1.3.2 淬火和回火（2）回火 将淬火零件重新加热到低于临界点某一温度保温，然后冷却到室温的热处理工艺。,39,1.3 热处理工艺,回火目的合理调整力学性能，使工件满足使用要求稳定组织，保证工件的形状和尺寸不变降低或消除内应力，以减少工件的变形并防止开裂,40,1.3 热处理工艺,41,1.3 热处理工艺,（1）低温回火（150-250）回火马氏体 M 降低淬火应力和脆性，保证高硬度（58-64HRC）和耐磨性 高碳的工具、刀量具、滚动轴承、渗碳与表面淬火零件（2）中温回火（350-500）回火屈氏体 T 高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为35-45HRC 弹簧、模具（3）高温回火（500-650）回火索氏体 S 综合机械性能好(强度、韧性、塑性的配合)，硬度一般为25-35HRC 承受交变载荷，连杆、轴、螺栓、齿轮等重要结构件（最终热处理）精密量具、模具（预先热处理）,回火工艺组织性能关系,42,1.3 热处理工艺,淬火+高温回火调质处理,正火与调质处理的比较：45钢 b(MN/m2)(%)ak(kJ/m2)HB 组织 正火 700-800 12-20 500-800 163-229 细片S+F调质 750-850 20-25 800-1200 207-248 细粒S,45正火,45调质,43,1.3 热处理工艺,1.3.3 表面淬火 不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部热处理方法。目的：心部保持较高的综合机械性能，表面具有高硬度和耐磨性。钢种:中碳钢和中碳低合金钢,44,1.3 热处理工艺,1.3.3 表面淬火（1）感应加热表面淬火,基本原理：“电磁感应”“集肤效应”,45,1.3 热处理工艺,感应加热的分类及选用,46,1.3 热处理工艺,感应淬火后力学性能（1）硬度 比常规淬火高23HRC（2）疲劳强度 小工件提高23倍 大工件提高2030（3）耐磨性 比常规淬火提高75HRC,47,1.3 热处理工艺,表面淬火件的加工工艺路线 锻造退火或正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）,说明：为保证表面淬火后的组织和性能并使心部具有一定的强度和韧性，零件在感应加热前应先进行预备热处理。,48,1.3 热处理工艺,1.3.3 表面淬火（2）火焰加热表面淬火 用氧乙炔等火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。特点：设备简单,成本低。但生产率低,质量控制也比较困难，主要适用于单件、小批量生产及大型零件的表面淬火。,49,1.3 热处理工艺,1.3.4 化学热处理 将金属或合金置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表面化学成分、组织和性能的热处理工艺方法。目的：提高工件表面的疲劳强度、硬度、耐磨性、耐蚀性和耐热性等性能。基本过程：分解吸收扩散,50,1.3 热处理工艺,1.3.4 化学热处理（1）渗碳 向低碳钢或低碳合金钢渗入碳原子的过程。目的：提高表面硬度、耐磨性，而使心部仍保 持一定的强度和良好的塑性和韧性。钢种：低碳钢，低碳合金钢（Wc：0.10.3）工艺特点：900950 Dc=0.52mm 515h 0.851.15%C 热处理：渗碳+淬火+低温回火,51,1.3 热处理工艺,渗碳缓冷后组织：表层P+Cm,心部 F+P,52,1.3 热处理工艺,渗碳热处理后组织：表层M回+K+Ar,心部M回+F（或F+P）,20钢渗碳后淬火回火组织,53,1.3 热处理工艺,渗碳方法：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳,54,1.3 热处理工艺,渗碳件的加工工艺路线：,下料锻造正火机械加工 渗碳淬火+低温回火精加工成品,说明：为了改善切削加工性能和为渗碳提供合理的原始组织，保证渗层和心部的质量要求，渗碳前，应根据不同的材料选择适当的预备热处理方法。,55,1.3 热处理工艺,1.3.4 化学热处理（2）渗氮（氮化）在一定温度（一般在AC1）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的：使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、高红硬性和良好抗咬合性及耐蚀性能 钢种：含Al、Cr、Mo、W、V等合金元素的合金钢 工艺特点：氮化温度低、变形小、不需淬火、生产周期长,56,1.3 热处理工艺,1.3.4 化学热处理常用的氮化方法：气体氮化、离子氮化、氮碳共渗(软氮化)等,氮化层组织,57,1.3 热处理工艺,辉光离子氮化,氮化后零件（0T05027齿圈）,58,1.3 热处理工艺,氮化的工艺路线：锻造退火机械粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨,说明：为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理；为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。,59,1.3 热处理工艺,1.3.4 化学热处理（3）碳氮共渗及氮碳共渗 同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，渗碳为主碳氮共渗，渗氮为主氮碳共渗（软氮化）。,碳氮共渗性能优于渗碳，但渗层较浅；氮碳共渗比气体渗氮时间短，适用材料广。,60,1.3 热处理工艺,各种表面热处理和化学热处理比较 l）高频淬火主要用于耐磨性及硬度要求一般，形状简单和变形要求较小的工件,例如曲轴、机床齿轮等。2）渗碳主要用于耐磨性要求高,受重载和较大冲击载荷的工件,例如汽车齿轮、爪离合器等。3）碳氮共渗主要用于耐磨性要求较高,形状复杂,变形要求较小的中小型零件。4）氮化主要用于耐磨性要求高,耐蚀性和精度要求高的零件，例如精密机床主轴、丝杠等。,61,1.3 热处理工艺,1.3.5 热处理新技术（1）可控气氛热处理（2）真空热处理（3）激光热处理（4）形变热处理（5）离子注入（6）气相沉积（CVD和PVD）（7）计算机在热处理中的应用（控制和仿真）,62,一、热处理工艺基础,1.4 热处理改造前设备,箱式炉,台车炉,井式气体渗碳炉,井式回火炉,盐浴炉,高频及淬火机床,中频淬火机床,中频电源机组,大齿圈中频淬火机床,感应器,多用炉,离子氮化炉,淬火压床,抛丸机,淬火水槽,淬火油槽,淬火碱浴,一、热处理工艺基础,1、5热处理改造后设备,80,全自动调质生产线,81,台车炉,82,少氧化加热炉,83,辉光离子氮化炉,84,真空淬火炉,85,井式可控气氛生产线,86,感应淬火设备,87,单齿感应淬火设备,88,感应淬火设备,89,高频感应设备,90,检验设备,92,热处理技术交流,二、机械零件的热处理设计,93,二、机械零件的热处理设计,2.1 钢铁分类及表示方法2.2 零件热处理工艺性2.3 热处理技术要求及其标注2.4 典型零件热处理2.5 热处理与各专业的关系,94,二、机械零件的热处理设计,2.1 钢铁分类及表示方法,95,2.1 钢铁分类及表示方法,2.1.1 钢的分类,金属,黑色金属,有色金属,钢,铸铁,铜及其合金,铝及其合金,滑动轴承合金,其它有色金属及其合金,96,2.1 钢铁分类及表示方法,（1）按化学成分分类,钢,碳素钢,合金钢,低碳钢（Wc0.25%）,中碳钢（0.25%Wc0.6%）,高碳钢（Wc0.6%）,低合金钢（WMe5%）,中合金钢（5%WMe10%）,高合金钢（WMe10%）,97,2.1 钢铁分类及表示方法,（2）按钢的质量等级分类,钢,普通钢（Ws0.055%,Wp0.045%）,优质钢（Ws0.04%,Wp0.04%）,高级优质钢（Ws0.03%,Wp0.035%）,98,2.1 钢铁分类及表示方法,（3）按用途分类,钢,结构钢,工具钢,构件用钢,零件用钢,刃具钢,模具钢,量具钢,特殊性能钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,99,2.1 钢铁分类及表示方法,（4）按金相组织分类,钢,退火状态钢,正火状态钢,亚共析钢,冷却时有无相变的钢,过共析钢,莱氏体钢,共析钢,珠光体钢,马氏体钢,奥氏体钢,贝氏体钢,铁素体钢,双相钢,奥氏体钢,100,2.1 钢铁分类及表示方法,2.1.2 钢的牌号 化学元素符号+汉语拼音字母+阿拉伯数字（1）碳素结构钢和低合金高强度结构钢 代表屈服点的拼音字母+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法等四部分组成。牌号中Q表示“屈”；A、B、C、D、E表示质量等级；脱氧方法用符号F代表沸腾钢、b表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢，Z和TZ可以省略。例如Q215-AF表示碳素结构钢，s215MPa（试样尺寸16mm）质量级别为A的沸腾钢。,101,2.1 钢铁分类及表示方法,102,2.1 钢铁分类及表示方法,103,2.1 钢铁分类及表示方法,104,2.1 钢铁分类及表示方法,（2）优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示，表示平均含碳量的万分之几，如45钢表示Wc=0.45%的优质碳素结构钢。须注意:含Mn量较高的钢(WMn=0.70%1.20%)，须将Mn元素标出，如65Mn表示碳的质量分数为0.65的较高含锰量优质碳素结构钢；沸腾钢（F）、半镇静钢(b)及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。例如“20g”即表示0.20%C的锅炉专用钢。,105,2.1 钢铁分类及表示方法,（3）碳素工具钢 在钢号前加“T”表示碳素工具钢，其后跟以表示含碳量的千分之几的数字。如T8钢，表示Wc=0.80%C的碳素工具钢。注意:含Mn量较高者，在钢号后标以“Mn”，如T8Mn；如为高级优质碳工钢，则在其钢号后加“A”，如T10A钢。,106,2.1 钢铁分类及表示方法,（4）合金结构钢“两位数字+元素符号+数字”表示。前面两位数字代表平均含碳量的万分之几，元素符号表示钢中所含的合金元素,元素后面的数字表示该元素的平均含量的百分之几。如果平均含量低于1.5%，则不标明含量。如果平均含量大于1.5%、2.5%、3.5%，则相应地以2、3、4等表示。例如12CrNi3钢，其平均含碳量为0.12%，平均含铬量小于1.5%，平均含镍量为3%。若为高级优质合金结构钢，则在钢号的最后加A字例如18Cr2Ni4WA。牌号后表有字母“H”的钢为保证淬透性钢，如20CrMnTiH。,107,2.1 钢铁分类及表示方法,（5）合金工具钢和特殊性能钢 编号与合金结构钢相似，仅含碳量的表示方法有所不同。当合金工具钢的平均含碳量大于或等于1%时，其含碳量不予标出。平均含碳量小于1%时，以千分之几表示。不锈钢、耐热钢等平均含碳量小于千分之一的用“0”表示，不大于0.03的用“00”表示。例如：9SiCr钢，其平均含碳量为0.9%，硅和铬的平均含量小于1.5%，又如00Cr18Ni10，其平均含碳量不大于0.03，平均含铬量为18，平均含镍量为10。,108,2.1 钢铁分类及表示方法,特例 在合金结构钢中对于专用的铬滚动轴承钢，应在钢号前注明“滚”或“G”，其后为Cr+数字，数字表示铬含量的平均值为千分之几，含碳量不标出。如GCr15，表示含1%C、1.5%Cr的滚动轴承钢。在合金工具钢中的高速钢牌号，一般不标出其碳含量，只标合金元素含量平均值的百分之几。如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢中碳含量实际为0.7%0.8%、0.8%0.9%。在珠光体耐热钢中，碳含量表示方法同结构钢，是以两位数字表示碳含量的万分之几。如15CrMo。,109,2.1 钢铁分类及表示方法,（6）铸钢一般工程用铸造碳钢:用汉语拼音字头“ZG”再加用短杠分隔的两组数字表示，第一组数字代表屈服点，第二组数字代表其抗拉强度，单位都是Mpa。例如：ZG310-570表示屈服点为310Mpa、抗拉强度为570Mpa的铸造碳钢。合金钢铸件：合金钢牌号前加“ZG”。例如ZG35SiMnMo。,110,2.1 钢铁分类及表示方法,2.1.3 铸铁分类及牌号 组织特征：钢基体不同形态的G,铸铁,白口铸铁,灰口铸铁,麻口铸铁,灰 铸 铁（HT100）,可锻铸铁（KTZ450-06）,球墨铸铁（QT450-10）,蠕墨铸铁（RuT400）,111,2.1 钢铁分类及表示方法,112,2.1 钢铁分类及表示方法,113,二、机械零件的热处理设计,2.2 零件热处理工艺性,114,2.2 零件热处理工艺性,2.2.1 钢的热处理工艺性,零件选材的一般原则：使用性能+工艺性能+经济性 钢的热处理工艺性主要包括：淬透性、淬硬性、回火脆性、过热敏感性、回火稳定性、变形开裂倾向及尺寸稳定性氧化脱碳趋向及超高强度钢表面状态敏感性等。（1）淬透性 淬透性指接受淬火的能力。通常用淬透性曲线和淬火临界直径来表示。一般以心部获得50马氏体为淬火临界直径标准。,115,2.2 零件热处理工艺性,淬火临界直径D0(mm),116,2.2 零件热处理工艺性,测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法,117,2.2 零件热处理工艺性,利用淬透性曲线比较钢的淬透性,118,2.2 零件热处理工艺性,淬透性曲线的应用根据要求硬度，求相应的各种零件的截面尺寸；根据选定的材料及尺寸大小，求零件截面上的硬度要求；根据零件尺寸大小及要求的淬火硬度选择材料；根据选定材料的淬透性曲线求该钢的临界淬透直径。,119,2.2 零件热处理工艺性,设计中如何考虑淬透性1）要根据零件的不同工作条件确定淬透性要求，并不是所有场合都要求淬透，或者淬透都是有益的；,受轴向拉伸或压缩应力或交变拉应力、冲击载荷，如重要的螺栓、拉杆等 全部淬透受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷和局部磨损，如轴 一般淬透到截面直径的(1/21/4)R深，根据载荷大小，进行调整受交变弯曲应力、交变接触压应力、冲击载荷，以及带滑动的滚动摩擦，如齿轮 淬透层应大于0.5b(b是接触线宽度)，模数大，载荷大，淬透性可高一些，心部硬度3348HRC,120,2.2 零件热处理工艺性,设计中如何考虑淬透性,受交变应力和振动，如弹簧 一般要求全部淬透受点或线接触下交变压应力和磨损，如轴承 小轴承全部淬透，大的受冲击大的轴承则不宜淬透受较大能量高频冲击，如凿岩机活塞 全部淬透耐磨零件 淬透性能保证要求硬度即可焊接零件、渗碳零件、高频淬火零件 淬透性不宜过高,121,2.2 零件热处理工艺性,设计中如何考虑淬透性2）设计大截面或形状复杂的重要构件采用多元合金钢，可保证沿整个截面具有高强度和高韧性的配合，获得综合力学性能，减少淬火变形或避免开裂；3）要注意钢材的尺寸效应零件尺寸越大，淬透层越薄，性能越差。例如40Cr调质后，30b900MPa，120b750MPa，240b650MPa。查阅手册应注意，各种材料手册中的数据都有尺寸限制，不能根据小尺寸试样的性能指标来进行大尺寸零件的强度计算；,122,2.2 零件热处理工艺性,设计中如何考虑淬透性4）由于碳钢的淬透性低，有时在设计大尺寸零件时，用碳钢正火比用碳钢调质更经济，而效果相似。例如设计尺寸为100mm，用45钢调质达到b610MPa，正火也能达到b600MPa；5）当零件尺寸较大、又受到淬透性限制时，为了保证淬硬层深度，应先粗加工后热处理；截面差别较大的零件，如阶梯轴，应先粗车成形，然后调质，否则尺寸小的部分调质后的组织，在加工时可能被车去，起不到调质作用。,123,2.2 零件热处理工艺性,（2）淬硬性 在要求表面硬度较高时，应选择中碳或高碳钢；对表面硬度要求不高时，一般选择中碳或低碳钢。,几种常用钢整体淬火后硬度值与钢件截面尺寸的关系,124,2.2 零件热处理工艺性,确定钢的含碳量,例如：零件要求s1440Mpa，由上图可得：48HRC 53HRC Wcmin=0.4%,125,2.2 零件热处理工艺性,2.2.2 热处理对零件结构设计的要求,1）避免尖角、棱角（须倒角或改成圆角）,改进前,改进后,126,2.2 零件热处理工艺性,改进前,改进后,1）避免尖角、棱角,127,2.2 零件热处理工艺性,1）避免尖角、棱角,128,2.2 零件热处理工艺性,1）避免尖角、棱角,129,2.2 零件热处理工艺性,0A33006、0F33004 拉杆,130,2.2 零件热处理工艺性,2）避免厚薄悬殊截面（尽量均匀，必要时开工艺孔）,改进前,改进后,2）避免厚薄悬殊的截面,132,2.2 零件热处理工艺性,0T14035 支承球销,133,2.2 零件热处理工艺性,3）零件形状应力求简单对称,改进前,改进后,134,2.2 零件热处理工艺性,4）零件应具有足够的刚度（必要时设计加强肋）,改进前,改进后,135,2.2 零件热处理工艺性,5）采用组合结构（形状复杂或不同部位有不同性能要求）,改进前,改进后,136,2.2 零件热处理工艺性,6）轴类零件的细长比不可太大；7）合理安排孔的位置。孔与孔之间或孔与棱边之间应有一定的距离。内孔要求淬硬时，应变不通孔为通孔；8）尽量避免配作孔、局部渗碳、局部渗氮；9）高频淬火部位应尽量避免有孔或槽；10）热处理前要有一定的表面粗糙度；淬火Ra3.2m，渗氮Ra0.80.1m，渗碳Ra6.3m。表面不能有较深的印痕，关键部位不能有印痕。,137,二、机械零件的热处理设计,2.3 热处理技术要求及其标注,138,2.3 热处理技术要求及其标注,根据零件工作条件、载荷、应力分布情况，掌握主要损坏形式，确定应有的机械性能指标，提出热处理要求。如硬度值、淬硬层深度等，重要零件应提出对金相组织的要求。,2.3.1 调质一般用布氏硬度表示。常用范围：207255HB，229277HB，248302HB，269321HB，277332HB。金相组织：回火索氏体,139,2.3热处理技术要求及其标,2.3.2 淬火回火件一般用洛氏硬度来表示，常用范围：（HRC）,注：设计中有特殊要求的零件及弹簧，硬度值不受 上表限制；设计时优先选用第一系列。金相组织：马氏体 14级,140,2.3 热处理技术要求及其标注,2.3.3 表面淬火件 技术要求应包括：表面硬度、心部硬度和有效硬化层深度（DS）。有效硬化层深度应符合下表规定：,金相组织：马氏体37级,141,2.3 热处理技术要求及其标注,齿轮表面淬火硬化层分布：m4的齿轮，齿底硬化层深度不小于0.5mm；m4的齿轮，齿面应有不小于2/3齿高的淬硬区。花键轴：槽底硬度允许较顶部低6HRC。,142,2.3 热处理技术要求及其标注,2.3.4 渗碳和碳氮共渗 技术要求应包括：表面硬度、心部硬度和有效硬化层深度（DC）。,硬度：一般耐磨件取52HRC，耐磨性要求高的零件取58HRC；齿轮：齿面硬度5864HRC；心部硬度：渗碳：m8时为3345HRC,m8为2945HRC。碳氮共渗为3348HRC。渗碳层深度：一般零件的渗碳层深度（mm）：0.40.7，0.60.9，0.81.2，1.11.6，1.52.0，2.02.6，2.22.8，2.53.2。,143,2.3 热处理技术要求及其标注,齿轮的渗碳层深度选取：,金相组织：马氏体与残余奥氏体16级；心部铁素体14级；碳化物16级（常啮合齿轮）；15级（换档齿轮）。,144,2.3 热处理技术要求及其标注,2.3.5 渗氮 技术要求应包括：表面硬度、心部硬度和有效渗氮层深度（DN）。,硬度：一般用维氏硬度来表示，如550HV。渗氮层深度：一般零件的渗氮层深度（mm）：0.100.35；0.250.55；0.400.70。金相组织：氮化物12级；心部组织12级；脆性12级；疏松12级。,145,2.3 热处理技术要求及其标注,2.3.6 热处理标注时的注意事项图样上的热处理技术要求是指成品热处理最终状态应达到的技术指标；标注必须简明、准确、完整、合理。并且能在图形上标注的，尽量避免用文字说明；技术要求的指标值，一般采用范围表示法标出上、下限值，如6065HRC；DC=0.81.2。也可用偏差法表示，如 HRC；DC=；各种表面热处理均应标注有效硬化层深度；局部热处理零件需将有硬化要求的部位在图形上用粗点划线框出，硬化与不硬化均可的部位用虚线表示，不允许硬化或不要硬化的部位不必标注；,146,2.3 热处理技术要求及其标注,要求零件硬度检测必须在指定点（部位）时，用如图1符号表示；如零件形状复杂或其它原因难以标注，用文字说明不易表达时，可另加附图表示；标注除硬度以外的其他力学性能要求时（如强度、冲击韧性等），应在零件图样上注明具体技术指标和取样方法。,147,2.3 热处理技术要求及其标注,148,2.3 热处理技术要求及其标注,149,2.3 热处理技术要求及其标注,150,2.3 热处理技术要求及其标注,151,2.3 热处理技术要求及其标注,152,二、机械零件的热处理设计,2.4 典型零件热处理,153,2.4 典型零件热处理,2.4.1 轴类零件的热处理 轴类零件工作时支承传动零件并传递运动和动力，因此应有较高的综合力学性能（强韧性），局部承受摩擦的部位如花键、轴颈等处要求较高的硬度，以提高耐磨性。包括各类轴、连杆、丝杠、高强度螺栓等。一般选用中碳钢或中碳合金钢经调质处理使零件整体得到满意的强韧性，如选45、40Cr等。局部承受摩擦的部位则进行局部表面淬火或氮化处理。须氮化处理的零件宜选用氮化专用钢，如38CrMoAl等。一些形状复杂而对力学性能要求不是很高的零件（如低速内燃机曲轴）可选用球墨铸铁。,154,2.4 典型零件热处理,2.4.2 齿轮类零件的热处理 齿轮的作用是调节速度和传递功率，其损坏形式主要是齿的折断、齿面的剥落和过度磨损。因此齿轮材料应有：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；齿面有高的硬度和耐磨性；心部有足够的强韧性。,155,2.4 典型零件热处理,（1）机床齿轮 机床齿轮运转平稳、负荷一般不大，工作条件较好，选用中碳钢或中碳合金钢调质+表面淬火，如选用45、40Cr等。工艺路线是：下料锻造正火粗加工调质精加工表面淬火+低温回火精磨。（2）汽车、拖拉机变速箱齿轮 此类齿轮受力较大，高速运转且频受冲击，性能要求更高，选用合金渗碳钢渗碳淬火，如：20CrMnTi等。工艺路线是：下料锻造正火切削加工渗碳+淬火+低温回火喷丸精磨。,156,2.4 典型零件热处理,2.4.3 弹簧类零件的热处理 弹簧的作用是起储存能量和减轻振动，除了承受巨大的静载荷外，还要承受冲击载荷和振动，所以受力以反复弯曲为主，其失效形式主要是疲劳损坏。因此弹簧材料应有高的强度极限和高的疲劳极限。常用钢种：60,65,65Mn,55Si2Mn，50CrVA等。热处理由供货状态决定：（1）热成形弹簧（热轧截面较大）：热成形后进行淬火+中温回火。组织：回火屈氏体（T回），4050HRC。（2）冷成形弹簧：对小尺寸弹簧，用强化弹簧钢丝冷绕成形，再去应力退火。,157,2.4 典型零件热处理,2.4.4 工具零件的热处理 用于制造刃具、模具和量具。根据不同的工作条件要求性能应具有：高强度、高硬度、高耐磨性、高热硬性、高尺寸稳定性和足够的塑性韧性。（1）250以下工作的工具如：手工工具、低速刃具、冷作模具、冷轧辊、量具等，选用低合金工具钢：9SiCr、9Cr2、9Mn2V、CrWMn、GCr15等，要求低的还可用碳素工具钢：T8、T10、T12等。预先热处理：球化退火 最终热处理：淬火+低温回火 组织：M 回+Ar+碳化物,158,2.4 典型零件热处理,（2）250600工作的刃具 应选用高速工具钢：W6Mo5Cr4V2、W18Cr4V等。高速钢的锻造很重要（反复多向）。其最终热处理特点：高温加热淬火+560 多次回火。,159,2.4 典型零件热处理,（3）冷作模具（冷冲模、冷挤模、冷镦模、拉丝模等）重负荷、大尺寸、形状复杂应选用高、中合金钢，如 高速钢、Cr12型钢（Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV等）。新钢种：高强韧性低合金冷作模具钢 6CrMnNiMoVSi（GD）；高耐磨高强韧性冷作模具钢 9Cr6W3Mo2V2（GM）。（4）热作模具（锤锻模、热挤压模、精锻模等）性能要求：高回火稳定性、高淬透性、高热疲劳抗力、热磨损抗力、较好的韧性。必须使用合金钢。如 5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV1(H13)、3Cr2W8V等。新钢种：高强度高热稳定性热作模具钢 4Cr3Mo2NiVNbB（HD）。,160,二、机械零件的热处理设计,2.5 热处理与各专业的关系,161,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.1 热处理与铸造的关系 灰铸铁：去应力退火 铸钢：正火 球墨铸铁：等温淬火 铸造缺陷对热处理质量有很大影响。如热裂、冷裂、气孔、针孔、缩松、缩孔、夹杂、偏析等 均易在热处理时产生裂纹。,162,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.2 热处理与锻造的关系 锻件：正火 冲压件：再结晶退火 锻造缺陷如过热、过烧、混晶、带状组织、分层、折叠等均易在热处理时产生变形裂纹。,163,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.3 热处理与焊接的关系 焊接件：去应力退火（PWHT）消除残余应力和有害气体 焊接缺陷：过热、过烧、焊接裂纹、气孔、夹杂等。焊接件一般不进行淬火。,164,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（1）考虑零件结构的热处理工艺性；（2）合理安排工艺路线；,165,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（3）合理调整加工尺寸；例如齿轮要求键宽为，热处理变形规律为缩小0.05mm，因此 冷加工控制在，热处理后一般在，正好在技术要求范围内。,热处理变形量允许为成品公差的1/22/3。通过试验，掌握零件变形规律，通过冷热加工配合，调整加工尺寸，对于减小热处理变形是一种行之有效的方法。,166,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（4）合理预留加工余量；,167,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（4）合理预留加工余量；,168,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（4）合理预留加工余量；,一般来说，渗碳零件磨削余量不应大于0.3mm；氮化零件不应使其磨量超过0.05mm。,169,2.5 热处理与各专业的关系,2.5.4 热处理与机加工的关系（5）提高表面粗糙度。,硬度在156217HB之间，切削性能最好；硬度在170200HB或270300HB时，光洁度较好，而硬度在210260HB之间时，光洁度较差。,机加工缺陷如粗糙刀痕、鳞状毛刺、表面机械碰伤、标识刻痕不当等，热处理时易产生裂纹。,170,热处理技术交流,三、一些相关资料,171,三、一些相关资料,以下内容仅供参考：1.不论碳钢和合金钢，在淬透前提下，硬度相同时，其机械性能基本一样。反之，两者性能上的差异将增大。,3.硬度越高，疲劳强度不一定越高。例如按照传统的设计思想，对于要求疲劳强度典型零件发动机曲轴，通常将表面硬度标注为52HRC以上，而先进的设计，硬度为4550HRC。,2.承受小能量冲击的零件，其使用可靠性决定因素不是韧性，而是强度。相应的最佳硬度为40HRC左右。,172,三、一些相关资料,以下内容仅供参考：4.为适应我国齿轮工业的发展，冶金部已确认20CrMnTi为今后淘汰钢种，多用Cr-Mo系及Cr-Ni-Mo系钢取而代之。,6.一般说来，随着渗碳厚度的增加，齿轮疲劳强度 和抗弯强度也随之增加，但当渗碳厚度超过0.7mm 时，强度开始下降。,5.不要认为硬度越高，耐磨性越好。如淬火钢200回火后耐磨性最好，淬火球墨铸铁350400左右回火后耐磨性最好。,173,三、一些相关资料,以下内容仅供参考：7.在美国，价格（Price）和淬透性（Jominy）是选择钢种时强调的因素，不是合金元素的种类，而是以淬透性为基础，这是选材要点。,9.齿轮热处理后精度变化的一般规律是：热前加工精 度较高的齿轮，热后精度降低12级；热前加工精 度较差的齿轮，热后齿轮精度变化无明显规律。,8.热处理发展方向：一少二化三无四高。一少即变形少；二化即机械化，自动化；三无即无氧化、无脱碳、无公害；四高即高强度、高韧性、高疲劳强度、高耐磨性。,174,三、一些相关资料,以下内容仅供参考：10.小松公司的经验表明：要控制齿轮热处理后的变形问题，首先要控制材料的淬透性带宽度。例如：材料的淬透性带宽由J11处的10HRC单位控制在5HRC单位时，齿轮热处理后的变形率可降低60。,175,三、一些相关资料,以下内容仅供参考：11.瑞典VOLVO公司的研究表明：就获得最小热处理变形而言，设计、材料和热处理对齿轮变形的影响程度为：5060%:2030%:515%。所以设计是先天性影响变形的最重要的因素。原则：设计为主导，材料为基础，工艺为保证。,12.美国热处理2020年目标：能源消耗减少80；工艺周期缩短50；生产成本降低75；零畸变；零质量分散度；加热炉寿命提高到10倍；加热炉 价格降低50；零污染。,176,祝大家周末愉快！,衷心欢迎大家提出宝贵意见！,谢谢大家！,