1、課 次4上課班級09模1、2、3上課日期3/3執教者教學課題$鋼的表面熱處理$2.3碳素鋼教學目的及要求1 掌握鋼的表面熱處理工藝 2 了解各種碳素鋼的牌號，用途教學重點鋼的表面熱處理工藝教學難點鋼的表面熱處理工藝教學方法課堂講授、多媒體演示主要教具作業P79 第6題教 學 過 程v 回顧上節內容：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、結構的變化，進而影響鋼的性能，冷卻方式是熱處理的關鍵，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 導入新課：在扭轉、彎曲等交變負荷、沖擊載荷作用下的機械零件，它的表面層承受著比心部更高的應力，加上摩擦，因此對零件的表

2、面層提出了強化的要求，要求具有更高的強度、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構不改變化學成分化學熱處理既改變組織結構又改變化學成分一、表面淬火 工藝（概念）：對零件進行快速加熱，在表面層迅速達到淬火溫度，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）感應加熱表面淬火： 原理：線圈通以交流電產生交變磁場工件產生感應電流； 感應電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零（這種現象稱為集膚效應）； 工件表面由于存在電阻而被迅速加熱，幾秒鐘之內迅速加熱到遠高于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。 感應加熱的種類及應用 種類頻率范圍淬硬層深度(mm)應用舉例高頻感應加熱100500KHz0.52.5中、

4、小型軸、銷、套等圓柱形零件、小模數齒輪等中頻感應加熱110KHz310尺寸較大的軸類，大、中模數齒輪工頻感應加熱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。這是電感應加熱的特點。2 工件表層易得到細小的馬氏體，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力，因而疲勞強度較高。4 工件表面質量好。這是由于加熱速度快，沒有保溫時間，工件不易氧化和脫碳，且由于內部未被加熱，淬火變形小。5 淬硬層深度易于控制；生產效率高，便于實現機械化、自動化。簡言之：感應淬火零件變形小，組織細，硬度高，表面質量好；勞動生產率高

5、，節能，成本低；易實現機械化、自動化、大批量流水生產。 但設備昂貴，維修、調整較困難，不適于形狀復雜的零件生產及單件生產。 適用感應淬火的材料主要用于含碳量為0.40.5的中碳結構鋼和中碳合金鋼(40Cr、40MnB)，也可用于工具鋼。 在做表面淬火前通常要對零件進行正火或調質（保證零件心部有良好的強韌性，并使淬火表面的硬度分布均勻）；淬火后進行低溫回火以降低淬火應力和脆性。即：正火或調質表面淬火低溫回火(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：設備簡單，成本低；加熱、淬火的質量不易控制；適宜大型零件，或單件、小批量生產的零件。火焰加熱表面淬火示意圖二、化學熱處理

6、 工藝（概念）：將零件放入某種活性介質中，經加熱、保溫，使介質的原子滲入零件表層中，改變表層的化學成分、組織和性能。 基本過程：包含分解、吸收、擴散三個過程1）化學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）活性原子由外向內逐漸擴散，形成一定的擴散層。 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，氣體滲碳生產率高，勞動條件好；滲碳過程易于控制，滲層質量好；適于大批量生產，應用最廣。氣體滲碳的工藝方法l 采用液體或氣體碳氫化合物作為滲碳劑，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：任何鋼所能達到的最大硬度只取決于含碳量。l 滲碳表層的含碳量可達0.85%1.05%，由外向內含碳量逐漸降低。l 滲碳層由外向內依次為過共析層、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。滲氮之前應進行調質處理，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：調質處理滲氮 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、抗磨損能力強的零件，如精密零件、精密齒輪。缺點：成本高，生產周期長。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。生產中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。如滲釩后硬度可高達18002000HV。適合于工具鋼、模具鋼，用于增強抗磨損能力。舉例說明熱處理的作用例1：某機車柴油機曲軸選用42CrMo鋼制造，制作工藝如下： 下料 鍛造成毛坯 退火 粗車加工 調質 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，調整硬度以便切削。這里的調質有兩個重要目的：一是賦給曲軸較好的綜合機械性能（后面的中頻淬火達不到此目的），二是調整好表層組織，為中頻淬火作組織準備。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：退火是預備熱處理，目的是降低鍛造應力、降低鍛造硬化、細火晶粒、均勻化學成分。滲碳淬火并低溫回火是最終熱處理，目的是增強齒輪的耐磨性。處理工藝缺陷與零件結構 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 熱處理件結構工藝性：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力最為集中的地方，往往成為裂紋的起點。 2. 設計時要避免厚薄懸殊，以免淬火后薄壁處變形，如下圖左； 零件結構宜對稱，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在選擇材質時，嚴格按標準取用鋼材，特別要注意其中的化學成分以及硫、磷含量、非金屬夾雜雜等級是否符合標準。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）將組織調整到正常組織，內應力予以消除，特別要使組織細化。5前序的冷加工及熱加工不要留下表面及內部裂紋及深的刀痕。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械方法校直，減少變形量，但仍恢復不到要求的公差，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)按鋼的質量等級分類（硫、磷含量）普通質量碳鋼（Ws0.045%、Wp0.045%） 不需要特別控制質量。 如：一般用途碳素結構鋼、碳素鋼筋鋼。優質碳鋼（硫、磷含量比普通質量碳鋼少）需要特別嚴格控制質量。 如：機械工程結構用

14、優質碳鋼、沖壓薄板的低碳結構鋼。特殊質量碳鋼（Ws0.020%、Wp0.020%）需要特別嚴格控制質量和性能。 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構鋼 用于制造機械零件、工程結構件。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 脫氧不完全鎮靜鋼 脫氧較完全半鎮靜鋼 脫氧程度介于上述之間二 碳素鋼的牌號、性能及用途 1碳素結構鋼l 牌號表示方法：例如： Q235AF字母Q代表屈服強度，235表示屈服強度值，A是質量等級符號，F是脫氧方法。Q235AF表示屈服強度s235 MPa，質

15、量等級為A級，脫氧方法為沸騰鋼的碳素結構鋼。 質量等級：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。脫氧方法：F（沸騰鋼）、B（半鎮靜鋼）、Z（鎮靜鋼）、TZ（特殊鎮靜鋼）。通常Z和TZ可省略。 碳素結構鋼的牌號、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、金屬結構件、滲碳件、焊接件等BQ235A有一定的

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

17、表示平均含碳量的萬分數；若含錳量高（0.7%1.2%）,標字母“Mn”；低（0.35%0.8%）則不標。 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%）。高級優質鋼，在牌號后面加“A”；特級優質鋼，在牌號后面加“E”。優質碳素結構鋼牌號、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，有一定的強度不需熱處理的第負荷零件，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鋼應用廣泛。60、65、70、60Mn、65Mn高的彈性和屈服強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+數字數字表示平均含碳量的千分數。例如，T8， 表示Wc=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+兩組數字其中，ZG 表示“鑄鋼”第一組數字表示該牌號屈服強度的最低