1、課 次4上課班級09模1、2、3上課日期3/3執(zhí)教者教學(xué)課題$鋼的表面熱處理$2.3碳素鋼教學(xué)目的及要求1 掌握鋼的表面熱處理工藝 2 了解各種碳素鋼的牌號，用途教學(xué)重點鋼的表面熱處理工藝教學(xué)難點鋼的表面熱處理工藝教學(xué)方法課堂講授、多媒體演示主要教具作業(yè)P79 第6題教 學(xué) 過 程v 回顧上節(jié)內(nèi)容：上次課鋼的整體熱處理講了鋼在加熱、保溫、冷卻過程中其組織、結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而影響鋼的性能，冷卻方式是熱處理的關(guān)鍵，四種熱處理的目的、工藝各有不同，集中在加熱的溫度和冷卻方式兩方面。v 導(dǎo)入新課：在扭轉(zhuǎn)、彎曲等交變負(fù)荷、沖擊載荷作用下的機(jī)械零件，它的表面層承受著比心部更高的應(yīng)力，加上摩擦，因此對零件的表

2、面層提出了強(qiáng)化的要求，要求具有更高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限。而心部仍有足夠的塑性和韌性。v 新課 鋼的表面處理（或表面熱處理） 表面處理是做什么的？哪些零件需要做表面處理？鋼的表面處理方法包括：表面淬火只改變組織結(jié)構(gòu)不改變化學(xué)成分化學(xué)熱處理既改變組織結(jié)構(gòu)又改變化學(xué)成分一、表面淬火 工藝（概念）：對零件進(jìn)行快速加熱，在表面層迅速達(dá)到淬火溫度，而心部未被加熱的情況下立即淬火冷卻，使表面層得到高硬度的馬氏體，而心部仍保持原來較好的韌性和塑性。 特點：快速加熱，立即冷卻 適用于中碳鋼（0.250.60%） 分類： 按加熱方式可分為感應(yīng)加熱、火焰加熱、電接觸加熱和電解加熱等。最常用的是前兩種： （

3、1）感應(yīng)加熱表面淬火：分“高頻，中頻、工頻”三種。 （2）火焰加熱表面淬火 （一）感應(yīng)加熱表面淬火： 原理：線圈通以交流電產(chǎn)生交變磁場工件產(chǎn)生感應(yīng)電流； 感應(yīng)電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零（這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)）； 工件表面由于存在電阻而被迅速加熱，幾秒鐘之內(nèi)迅速加熱到遠(yuǎn)高于Ac3以上的淬火溫度；迅速噴水冷卻工件，在零件表面獲得一定深度的硬化層（淬硬馬氏體）；心部保持低溫，仍為原始組織。 電流頻率越高，感應(yīng)電流透入深度越淺，加熱層也越薄。通過改變電流頻率可以得到不同的淬硬層深度。 感應(yīng)加熱的種類及應(yīng)用 種類頻率范圍淬硬層深度(mm)應(yīng)用舉例高頻感應(yīng)加熱100500KHz0.52.5中、

4、小型軸、銷、套等圓柱形零件、小模數(shù)齒輪等中頻感應(yīng)加熱110KHz310尺寸較大的軸類，大、中模數(shù)齒輪工頻感應(yīng)加熱50Hz1020大型零件(300mm)，如軋輥、火車輪的表面淬火、棒料穿透加熱等 特點：1 加熱溫度高，升溫快。這是電感應(yīng)加熱的特點。2 工件表層易得到細(xì)小的馬氏體，硬度比普通淬火提高23HRC，且脆性較低。3 工件表層存在殘余壓應(yīng)力，因而疲勞強(qiáng)度較高。4 工件表面質(zhì)量好。這是由于加熱速度快，沒有保溫時間，工件不易氧化和脫碳，且由于內(nèi)部未被加熱，淬火變形小。5 淬硬層深度易于控制；生產(chǎn)效率高，便于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化。簡言之：感應(yīng)淬火零件變形小，組織細(xì)，硬度高，表面質(zhì)量好；勞動生產(chǎn)率高

5、，節(jié)能，成本低；易實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、大批量流水生產(chǎn)。 但設(shè)備昂貴，維修、調(diào)整較困難，不適于形狀復(fù)雜的零件生產(chǎn)及單件生產(chǎn)。 適用感應(yīng)淬火的材料主要用于含碳量為0.40.5的中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼(40Cr、40MnB)，也可用于工具鋼。 在做表面淬火前通常要對零件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)（保證零件心部有良好的強(qiáng)韌性，并使淬火表面的硬度分布均勻）；淬火后進(jìn)行低溫回火以降低淬火應(yīng)力和脆性。即：正火或調(diào)質(zhì)表面淬火低溫回火(二）火焰加熱表面淬火： 原理：利用氧炔焰加熱工件表面，噴水冷卻。特點：設(shè)備簡單，成本低；加熱、淬火的質(zhì)量不易控制；適宜大型零件，或單件、小批量生產(chǎn)的零件。火焰加熱表面淬火示意圖二、化學(xué)熱處理

6、 工藝（概念）：將零件放入某種活性介質(zhì)中，經(jīng)加熱、保溫，使介質(zhì)的原子滲入零件表層中，改變表層的化學(xué)成分、組織和性能。 基本過程：包含分解、吸收、擴(kuò)散三個過程1）化學(xué)滲劑在加熱及催化劑作用下分解活性原子。2）活性原子溶入鐵的晶格形成固溶體，或與鋼中某種元素形成化合物，即活性原子被工件表面吸收。3）活性原子由外向內(nèi)逐漸擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散層。 分類： （1）滲碳： （2）滲氮（俗稱氮化） （3）碳氮共滲（俗稱氰化） （4）滲金屬還有滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。1、滲碳(1)基本概念 經(jīng)加熱、保溫，碳原子滲入零件表面，提高其含碳量，從而增加表面的硬度和耐磨性。（2）分類（按滲碳方法）氣體滲碳固體

7、滲碳液體滲碳其中，氣體滲碳生產(chǎn)率高，勞動條件好；滲碳過程易于控制，滲層質(zhì)量好；適于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用最廣。氣體滲碳的工藝方法l 采用液體或氣體碳?xì)浠衔镒鳛闈B碳劑，如：煤油、甲苯或含碳的氣體。l 滲碳溫度是900950；滲碳時間（保溫時間）取決于要求的滲碳層深度，從幾小時到十幾小時不等。井式氣體滲碳爐（3）滲碳后的工件組織l 滲碳通常用于含碳0.15%0.20%的低碳鋼。注意：任何鋼所能達(dá)到的最大硬度只取決于含碳量。l 滲碳表層的含碳量可達(dá)0.85%1.05%，由外向內(nèi)含碳量逐漸降低。l 滲碳層由外向內(nèi)依次為過共析層、共析層、亞共析層和心部原始組織。 （4）滲碳后的熱處理 滲碳后必須淬火和低溫回

8、火，使表層獲得高碳馬氏體（表層組織為細(xì)小針狀馬氏體和粒狀分布的滲碳體組織），具有高的硬度和耐磨性； 即：滲碳淬火低溫回火 低碳鋼滲碳淬火后，表層硬度高、耐磨性好，心部韌性好。 滲碳主要用于承受較大沖擊載荷（心部韌性要好）和在嚴(yán)重磨損（表層硬度要高）條件下工作的零件。傳動齒輪通常采用滲碳熱處理工藝，以提高其硬度和耐磨性。2、 滲氮（氮化） 滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨、耐蝕和耐疲勞強(qiáng)度等多種性能。1）滲氮過程 將工件放入密封的滲氮爐，通入氨氣，加熱，保溫2050h。氨氣分解出氮原子滲入工件中，形成富氮層而完成氮化。 滲氮溫度600，此時鐵具有最好的

9、吸氮能力。2）氮化后的組織和性能 氮化后零件表面硬度比滲碳的還高，耐磨損性能很好，但脆性較大。氮化層具有一定的抗蝕性能。滲氮之前應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，改善心部性能。滲氮后無須再做其他熱處理。原因：不須淬火，是因為硬度已足夠高，且淬火主要是影響碳，對氮無影響； 即：調(diào)質(zhì)處理滲氮 滲氮溫度低零件變形小，通常毋需再加工。綜上，滲氮適合于精度高、沖擊載荷小、抗磨損能力強(qiáng)的零件，如精密零件、精密齒輪。缺點：成本高，生產(chǎn)周期長。3、碳氮共滲 又稱氰化，鋼件表面同時滲入碳原子和氮原子，形成碳氮共滲層，以提高工件的耐磨性和疲勞強(qiáng)度。1）高溫碳氮共滲（820920）以滲碳為主，氣氛中含有一定氮時，碳的滲入速度比相同溫

10、度下單獨滲碳的速度要高，厚度更深。2）低溫碳氮共滲（520580）以滲氮為主，共滲后表面形成白亮層，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦傷的性能。4、滲金屬是指以金屬原子滲入鋼的表面層的過程。滲金屬使鋼的表面層合金化，以使工件表面具有某些合金鋼、特殊鋼的特性，如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。生產(chǎn)中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。如滲釩后硬度可高達(dá)18002000HV。適合于工具鋼、模具鋼，用于增強(qiáng)抗磨損能力。舉例說明熱處理的作用例1：某機(jī)車柴油機(jī)曲軸選用42CrMo鋼制造，制作工藝如下： 下料 鍛造成毛坯 退火 粗車加工 調(diào)質(zhì) 精加工 中頻表面淬火 低溫回火 研磨 入庫。解釋：共有四道熱處理

11、工序。鍛造之后毛坯件退火采用的球化退火，目的是消除帶狀組織，調(diào)整硬度以便切削。這里的調(diào)質(zhì)有兩個重要目的：一是賦給曲軸較好的綜合機(jī)械性能（后面的中頻淬火達(dá)不到此目的），二是調(diào)整好表層組織，為中頻淬火作組織準(zhǔn)備。中頻淬火并低溫回火，屬于最終熱處理，賦給曲軸的抗磨損性能。例2：某汽車齒輪采用20CrMoTi鋼制造，其制造工藝如下： 下料 鍛造成圓餅 退火 粗車并銑齒成型 精銑齒輪 滲碳淬火、低溫回火 研磨 入庫。 解釋：退火是預(yù)備熱處理，目的是降低鍛造應(yīng)力、降低鍛造硬化、細(xì)火晶粒、均勻化學(xué)成分。滲碳淬火并低溫回火是最終熱處理，目的是增強(qiáng)齒輪的耐磨性。處理工藝缺陷與零件結(jié)構(gòu) 鋼熱處理后的缺陷常有硬度不

12、高、硬度分布不均勻、變形與開裂等。一 熱處理件結(jié)構(gòu)工藝性：1零件的尖角、棱角處要有倒角，如下圖。因為尖角、棱角部分是淬火時應(yīng)力最為集中的地方，往往成為裂紋的起點。 2. 設(shè)計時要避免厚薄懸殊，以免淬火后薄壁處變形，如下圖左； 零件結(jié)構(gòu)宜對稱，如下圖右，淬火后零件橢園度變大，為此開一個工藝孔可減少橢園度。3在選擇材質(zhì)時，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)取用鋼材，特別要注意其中的化學(xué)成分以及硫、磷含量、非金屬夾雜雜等級是否符合標(biāo)準(zhǔn)。4合理安排加工工藝路線，通過淬火之前的熱處理（退火、正火等）將組織調(diào)整到正常組織，內(nèi)應(yīng)力予以消除，特別要使組織細(xì)化。5前序的冷加工及熱加工不要留下表面及內(nèi)部裂紋及深的刀痕。6淬火前工件予留足

13、夠的加工余量。零件淬火變形后可通過機(jī)械方法校直，減少變形量，但仍恢復(fù)不到要求的公差，因此需要要通過切削或磨削的辦法消除變形，為此淬火之前必須留足加工余量。-按化學(xué)成分，鋼材可分為碳素鋼和合金鋼兩大類2.3 碳素鋼一 碳素鋼的分類碳鋼分類方法很多，常見的分類方法有： (1)按鋼中碳含量分類低碳鋼(Wc0.25%)、中碳鋼(0.25Wc0.60%)高碳鋼(Wc0.60%)。(2)按鋼的質(zhì)量等級分類（硫、磷含量）普通質(zhì)量碳鋼（Ws0.045%、Wp0.045%） 不需要特別控制質(zhì)量。 如：一般用途碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素鋼筋鋼。優(yōu)質(zhì)碳鋼（硫、磷含量比普通質(zhì)量碳鋼少）需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量。 如：機(jī)械工程結(jié)構(gòu)用

14、優(yōu)質(zhì)碳鋼、沖壓薄板的低碳結(jié)構(gòu)鋼。特殊質(zhì)量碳鋼（Ws0.020%、Wp0.020%）需要特別嚴(yán)格控制質(zhì)量和性能。 如：保證淬透性碳鋼、碳素彈簧鋼、特殊易切削鋼、碳素工具鋼等。 (3)按鋼的用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼 用于制造機(jī)械零件、工程結(jié)構(gòu)件。一般屬于低、中碳鋼。碳素工具鋼 用于制造刃具、量具和模具。一般屬于高碳鋼。(4)按冶煉時脫氧方法分類沸騰鋼 脫氧不完全鎮(zhèn)靜鋼 脫氧較完全半鎮(zhèn)靜鋼 脫氧程度介于上述之間二 碳素鋼的牌號、性能及用途 1碳素結(jié)構(gòu)鋼l 牌號表示方法：例如： Q235AF字母Q代表屈服強(qiáng)度，235表示屈服強(qiáng)度值，A是質(zhì)量等級符號，F(xiàn)是脫氧方法。Q235AF表示屈服強(qiáng)度s235 MPa，質(zhì)

15、量等級為A級，脫氧方法為沸騰鋼的碳素結(jié)構(gòu)鋼。 質(zhì)量等級：A表示W(wǎng)s0.050%、Wp0.045%；B表示W(wǎng)s0.045%、Wp0.045%；C表示W(wǎng)s0.040%、Wp0.040%；D表示W(wǎng)s0.035%、Wp0.035%。脫氧方法：F（沸騰鋼）、B（半鎮(zhèn)靜鋼）、Z（鎮(zhèn)靜鋼）、TZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）。通常Z和TZ可省略。 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能特點及用途見下表所示。牌號等級性能特點用途舉例Q195 塑性好，有一定的強(qiáng)度用于載荷較小的鋼絲、墊圈、鉚釘、拉桿、地腳螺栓、沖壓件、焊接件等Q215A塑性好、焊接性好用于鋼絲、墊圈、鉚釘、拉桿、短軸、金屬結(jié)構(gòu)件、滲碳件、焊接件等BQ235A有一定的

16、強(qiáng)度、塑性、韌性、焊接性好，易于沖壓、可滿足鋼結(jié)構(gòu)的要求，應(yīng)用廣泛用于連桿、拉桿、軸、螺栓、螺母、齒輪等機(jī)械零件及角鋼、槽鋼、圓鋼、工字鋼等型材。C級、D級用于較重要的焊接件 BCDQ255A強(qiáng)度較高，塑性、焊接性尚好，應(yīng)用不如Q235廣泛用于軸、拉桿、吊鉤、螺栓、鍵等機(jī)械零件，各種型鋼BQ275 較高的強(qiáng)度，塑性、焊接性差較高的強(qiáng)度，塑性、焊接性差2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼特點：含錳 （普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼不含錳）；硫、磷等有害雜質(zhì)含量較少。 質(zhì)量等級分類：組 別WpWs代 號不大于優(yōu)質(zhì)鋼0.0350.035-高級優(yōu)質(zhì)鋼0.0300.030A特級優(yōu)質(zhì)鋼0.0250.020E牌號表示法用兩位數(shù)字

17、表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)；若含錳量高（0.7%1.2%）,標(biāo)字母“Mn”；低（0.35%0.8%）則不標(biāo)。 如 40鋼， 表示平均Wc040%。 60Mn鋼， 表示平均Wc060%，并含有較高的錳（0.7%1.2%）。高級優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號后面加“A”；特級優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號后面加“E”。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號、性能特點及用途見下表所示。牌 號性能特點用途舉例08F、08、10塑性、韌性好，強(qiáng)度不高冷軋薄板、鋼帶、鋼絲、鋼板,沖壓制品,如外殼、容器、罩子、子彈殼、儀表板、墊片、墊圈等。15、20、25、15Mn、20Mn塑性、韌性好，有一定的強(qiáng)度不需熱處理的第負(fù)荷零件，如螺栓、螺母、拉桿、法蘭盤、滲碳后可制

18、作齒輪、軸、凸輪等零件30、35、40、45、50、55、30Mn、40Mn、50Mn強(qiáng)度、塑性、韌性都較好主要制作齒輪、連桿、軸類等零件，其中40鋼、45鋼應(yīng)用廣泛。60、65、70、60Mn、65Mn高的彈性和屈服強(qiáng)度常制作彈性零件和易磨損零件，如彈簧、彈簧墊圈、軋輥、犁等3 碳素工具鋼牌號表示方法： T+數(shù)字?jǐn)?shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)。例如，T8， 表示W(wǎng)c=0.80%的碳素工具鋼； T8A， A表明鋼中硫、磷含量比T8中少。這類鋼的含碳量約為0.651.35，一般均需熱處理后使用。主要制作低速切削刃具,以及對熱處理變形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具鋼牌號、性能特點及用途牌 號性能特點用途舉例T7、T7A、T8、T8A、T8Mn韌性較好，一定的硬度木工工具、鉗工工具，如錘子、鏨子、模具、剪刀等，T8Mn可用于制造截面較大的工具T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A較高硬度、一定韌性低速刀具，如刨刀、絲錐、板牙、鋸條、卡尺、沖模、拉絲模T12、T12A、T13、T13A硬度高、韌性差不受振動的低速刀具、如銼刀、刮刀、外科用刀具和鉆頭等4 碳素鑄鋼牌號表示方法： ZG+兩組數(shù)字其中，ZG 表示“鑄鋼”第一組數(shù)字表示該牌號屈服強(qiáng)度的最低