机械制造基础第3版 宋昭祥第一篇第3章工程材料的改性

第三章 工程材料的改性 教学要点： 1.钢的退火、正火 2.钢的淬火、回火 3.铸铁改性工艺 4.改性工艺的相关设备 5.改性工艺新技术,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一节 金属材料改性工艺 一、钢的改性工艺 （一）钢的整体热处理改性工艺 钢的整体热处理是将钢件在固态下进行适当的加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而改善和提高钢件性能的工艺方法。 钢的整体热处理过程可以用温度和时间这两个主要因素来描述，钢的整体热处理工艺主要有退火、正火、淬火、回火等 。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,图1.3-1 热处理工艺曲线示意图,第一篇第三章 工程材料的改性 ,铁碳合金状态图中，钢的组织转变临界温度（相变温度）A1、A3、Acm是在极其缓慢的加热或冷却条件下测定的。然而实际热处理过程中加热或冷却的速度都比较快，因此钢的实际相变温度总是会略高或略低于状态图中的理论相变温度，即存在一定的过热度或过冷度。 通常将加热时的实际相变温度加注字母c，如Acl、Ac3、Accm，将冷却时的实际相变温度加注字母r, 如Ar1、Ar3、Arcm。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,图1.3-2 钢在加热或冷却时的相变温度线,第一篇第三章 工程材料的改性 ,1退火 退火是将钢件加热至高于或低于钢的临界温度，经适当保温后随炉或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。主要目的： 降低硬度，改善切削加工性； 细化晶粒改善组织，提高力学性能； 消除内应力，防止开裂与变形，或为下一道淬火工序作好组织准备； 提高塑性和韧性，便于进行冷冲压或冷拉拔加工。,钢的退火（影音文件）,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2正火 正火是将钢件加热到Ac3或Acm以上3050，保温适当时间后出炉，在空气中冷却的热处理工艺。目的： 可获得具有较高强度和硬度的组织，可用作不太重要的机械零件的最终热处理； 提高低碳钢的硬度，避免粘刀，改善其切削加工性； 对于过共析钢，正火可以减少或消除网状渗碳体，降低材料的脆性。,钢的正火（影音文件）,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,3淬火 淬火是将钢件加热至Ac3（亚共析钢）或Acl（共析钢与过共析钢）以上3050，保温适当时间后置于冷却介质中快速冷却的热处理工艺。其主要目的是提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承等。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,冷却速度是淬火工艺的关键。如果冷却速度不是足够快，则奥氏体会发生分解而得不到高硬度的马氏体组织；冷却速度过快又会使某些钢件容易变形或淬裂。 正确地确定冷却速度的原则是: 在保证获得全部马氏体组织的前提下，尽可能降低冷却速度。,钢的淬火（影音文件）,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,4回火 回火是将淬火后的钢件重新加热至Acl以下一定温度，保温适当时间后置于空气或水中冷却的热处理工艺。 淬火马氏体是一种硬、脆而又不稳定的组织。经回火后，马氏体中的过饱和碳原子以粒状碳化物的形式析出，从而使钢的组织趋于稳定，消除淬火时因冷却过快而产生的内应力，降低脆性、提高韧性，同时使零件的尺寸稳定化。钢件淬火后都要进行回火。,钢的回火（影音文件）,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（二）钢的表面强化工艺 钢的整体热处理往往不能同时提高钢的硬度与韧性，而有些机器零件要求其表面与心部具有不同的性能，例如变速齿轮、凸轮、离合器零件等，是在动载荷与摩擦条件下工作的，既要求表面具有较高的硬度和耐磨性，又要求心部具有足够的韧性，必须采用各种表面强化工艺才能满足上述要求。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,1 表面热处理 1）表面淬火 表面淬火是一种物理表面热处理工艺，是将钢件快速加热，使表面迅速达到淬火温度，心部仍低于A。温度，这时立即喷水快速冷却，使钢件表面层获得淬硬的马氏体组织，而心部仍然保持原来韧性较好的组织，再经低温回火。适于表面淬火的材料是中碳钢和中碳合金钢。表面淬火前应进行正火或调质处理。,感应加热表面淬火（影音文件）,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2）化学表面热处理 是将钢件置于某种介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，改变表层的化学成分和组织，以获得所要求性能的热处理工艺。常用的化学表面热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2 表面形变强化 使钢件表面在常温下发生塑性变形，提高其表面硬度并产生有利的残余压应力分布的表面强化工艺。它的工艺简单，成本低廉，是提高钢件抗疲劳能力，延长其使用寿命的重要工艺措施。 目前常用的表面形变强化工艺有喷丸、滚压等。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,3 表面履层强化 表面覆层强化是通过物理的或化学的方法在金属的表面涂覆一层或多层其他金属或非金属覆层的表面强化工艺。其主要目的是提高钢件的耐磨性、耐蚀性、耐热性或进行表面装饰。 1）金属喷涂 2）金属镀层 3）金属碳化物覆层 4）非金属覆层,第一篇第三章 工程材料的改性 ,二、铸铁的改性工艺 （一）铸铁强化的基本途径 灰铸铁的性能主要取决于石墨的形状、大小和分布以及基体组织的类型，铸铁的强化主要从这两条基本途径入手。 1改变石墨的形状、大小和分布 孕育处理 石墨化退火 球化处理,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2改变基体组织 调整影响铸铁石墨化过程的因素，如前述之孕育处理； 增加冷却速度，如金属型铸件的抗拉强度比砂型铸件高25%； 热处理。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（二）铸铁的热处理改性 铸铁的力学性能在很大程度上取决于石墨的形状、大小和分布， 而热处理对已经分布在基体上的石墨不产生明显的影响，所以铸铁热处理强化的效果远不如钢。只有使石墨的形状得到改善(如从片状改变为球状)，提高基体强度的利用率，铸铁热处理才会显示出强化效果。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,1铸铁的整体热处理改性 去应力退火（人工时效） 形状复杂或壁厚不均匀的铸件，受冷却不均匀与组织转变的影响，会产生较大的内应力。在机械加工后，由于内应力重新分布，铸件会缓慢地微量变形，丧失其应有的精度。所以，这样的铸件应采用去应力退火以消除内应力。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,软化处理 铸铁件由于碳、硅含量低，或凝固时冷却速度过快，容易在其表层或薄壁处产生硬而脆的白口组织，致使机械加工十分困难。为了消除白口组织，降低硬度，改善切削加工性，需进行所谓“软化处理”，即将铸件加热至800950，保温后随炉冷却至400500，然后在空气中冷却。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2铸铁的整体热处理强化 正火及去应力退火 球墨铸铁件铸后常采用正火及去应力退火处理。正火目的是获得以珠光体为基体的球墨铸铁，提高强度和硬度。正火后还需要进行550600去应力退火，以消除内应力。 淬火及回火 铸铁淬火及回火后的基体组织与碳钢相同，主要用于提高可锻铸铁和球墨铸铁的强度及耐磨性。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,3铸铁的表面热处理强化 表面淬火 用于提高大型铸铁件(如机床床身的导轨)的耐磨性。感应加热表面淬火在生产中应用较多。 化学表面热处理 提高铸铁件，特别是球墨铸铁件表面的耐磨性、抗氧化性和耐蚀性。常用的方法有软氮化、渗铝、渗硼和渗硫等。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,4铸铁的其他表面强化方法 滚压 对球墨铸铁曲轴圆角进行滚压强化，能压平工件表面的粗糙凸峰，降低表面粗糙度，同时产生很高的残余压应力，使曲轴的疲劳强度提高70%以上。 金属镀层 如镀钼可以显著提高发动机球墨铸铁缸体的耐磨性。金属喷涂、金属碳化物覆层和非金属覆层等表面强化方法均可应用于铸铁。 表面合金化,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（三）铸铁的合金化强化 铸铁中加入一定量的合金元素制成合金铸铁。 1耐磨铸铁 向孕育铸铁中加入质量分数为0.4%0.6%的磷，或根据需要同时加入铜、钛等元素，制成高磷耐磨铸铁，可提高耐磨性一倍以上，是制造机床导轨的好材料。 2耐热铸铁 向铸铁中加入铝、硅、铬等合金元素，能使铸件表面生成致密的氧化膜，保护内层不被氧化和提高稳定性。由于这种铸铁在高温下具有抗氧化、不起皮的能力，故称为耐热铸铁，常用于制造炉门、炉栅等耐热件。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,三、金属材料改性工艺的设备简介 （一）加热设备 1 箱式电阻炉 中温箱式电阻炉，型号为RX30-9，R表示电阻炉；X表示箱式；第一组数字“30”表示炉子的额定功率为30kW；第二组数字“9”表示炉子的最高使用温度为950。箱式炉用来加热除长轴类零件之外的各类零件。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,图1.3-3 箱式电阻炉示意图 炉门；2-炉体；3-耐热钢炉底板；4-电阻丝； 5-炉膛；6-工件；7-测温热电偶；8-电子控温仪表,第一篇第三章 工程材料的改性 ,2井式电阻炉 中低温井式电阻炉，型号RJ36-6。 其中，R表示电阻炉；J表示井式；第一组数字“36表示炉子的额定功率为36kW；第二组数字“6”表示最高使用温度为650。井式炉特别适应于长轴零件加热。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,图1.3-4 井式电阻炉示意图 1-炉盖升降机构；2-炉膛；3-炉盖；4-风扇； 5-工件；6-电热元件；7-炉体；8-装料筐,第一篇第三章 工程材料的改性 ,3 盐浴炉 盐浴炉分外热式和内热式两种。内热式盐浴炉又叫电极式盐浴炉。它的加热元件是电极，盐浴炉所用熔盐主要有氯化钠、氯化钾和氯化钡。 盐浴炉加热主要以接触式传热。加热速度快，盐浴在电磁力作用下翻腾，加热均匀，温度控制准确，氧化脱碳少，适合中小型零件热处理。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（二）辅助设备 1 冷却设备 2 控温仪表 3 质量检验设备 4 辅助设施及工具,第一篇第三章 工程材料的改性 ,第三节 改性工艺新技术 一、激光表面改性工艺 金属材料的激光表面改性技术是70年代中期发展起来的一项高新技术。激光具有高辐射亮度、高方向性和高单色性三大特点，它作为一种精密可控的高能量密度的热源，可实现材料表面的快速加热和冷却，其热影响区的范围很窄，几乎不影响。若将激光束作用在金属表面上，控制合适的工艺参数，可对金属表面进行多种强化处理，显著改善其表面性能，如提高金属表面硬度、强度、耐磨性、而蚀性和耐高温等性能。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,图1.3-7 金属激光表面改性技术,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（一）激光相变硬化工艺 激光相变硬化（也称激光表面淬火）为激光表面改性技术中研究最多，最为成熟，在生产中已经行之有效的一种。它利用高功率密度激光束（功率密度103105w/cm2）扫描金属材料表面，材料表面吸收光束能量而迅速升温到相变点以上，然后移开激光束，热量从材料表面向内部传导发散而迅速冷却（冷却速度可达到100c/s），从而实现快速自冷的淬火方式。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,激光表面相变硬化层较浅，通常为0.30.5mm。采用4-5KW的大功率激光器，能使硬化层的深度达3mm。由于激光加热速度特快，工件表面的相变是在很大过冷度下进行的，因而得到不均匀的奥氏体细晶粒，冷却后转变成隐晶或细针马氏体。,第一篇第三章 工程材料的改性 ,（二）激光相变硬化的特点与应用 1特点 ： 相变硬化层的硬度比常规淬火的硬度高15%20%以上，可显著提高钢的耐磨性。 相变硬化层造成较大的压应力，有助于其疲劳强度的提高。 仅对工