第1章金屬材料
　　學習要點：本章介紹了鋼材的退火、正火、淬火、回火以及表面熱處理和鋼材火花鑒別的方法，同時對熱處理常用設備進行了扼要講解。對于熱處理實踐中常見的問題和缺陷原因進行了深入剖析；重點介紹了淬火、回火等熱處理工藝，并以工程實例介紹了常見零件的熱處理工藝規(guī)程。
　　知識目標：熟悉典型零件的熱處理工藝，掌握基本熱處理方法。
　　鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻，以獲得預期組織和性能的工藝。熱處理與其他加工方法(如鑄造、鍛壓、焊接和切削加工等)不同，它只改變金屬材料的組織和性能，而不以改變形狀和尺寸為目的。
　　含碳量Wc<211=""wc="">2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵，根據碳的存在形式不同，可將鑄鐵分為白口鑄鐵和灰口鑄鐵兩大類。
　　熱處理的作用日趨重要，因為現代機器設備對金屬材料的性能不斷提出新的要求。熱處理可提高零件的強度、硬度、韌性、彈性等，同時還可改善毛坯或原材料的切削加工性能，使之易于加工�？梢�，熱處理是改善金屬材料的工藝性能、保證產品質量、延長使用壽命、挖掘材料潛力不可缺少的工藝方法。據統(tǒng)計，在機床制造中，熱處理件占60%～70%；在汽車、拖拉機制造中，熱處理件占70%～80%；在刀具、模具和滾動軸承制造中，幾乎全部零件都需要進行熱處理。
　　熱處理的工藝方法很多，大致可分如下三大類。
　　*普通熱處理：包括退火、正火、淬火、回火等。
　　*表面熱處理：包括表面淬火和化學熱處理(如滲碳、氮化等)。
　　*特殊熱處理：包括形變熱處理和磁場熱處理等。
　　各種熱處理都可用以溫度、時間為坐標的熱處理工藝曲線來表示，如圖1-1所示。
　　圖1-1熱處理工藝曲線示意圖
　　1.1鋼的熱處理
　　項目案例導入：鏨口榔頭熱處理。
　　工件簡圖：如圖1-2所示。
　　工件材料：45鋼。
　　項目要求：鏨口榔頭要求高硬度、耐磨損、抗沖擊，熱處理后硬度為42～47HRC。
　　工藝流程：根據其力學性能要求，制定熱處理方法為淬火后低溫回火。加工工藝流程為：備料—鍛造—刨削或銑削—銼削—劃線—鋸削—銼削—鉆孔—攻螺紋—熱處理—拋光—表面處理—裝配。
　　圖1-2鏨口榔頭熱處理
　　1.1.1鋼的退火和正火
　　退火和正火是生產中應用很廣泛的預備熱處理工藝，安排在鑄造、鍛造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所帶來的某些缺陷，為隨后的工序做準備。例如，經鑄造、鍛造等熱加工以后，工件中往往存在殘余應力、硬度偏高或偏低、組織粗大、成分偏析等缺陷，這樣的工件其力學性能低劣，不利于切削加工成型，淬火時也容易造成變形和開裂。經過適當的退火或正火處理可消除工件的內應力，調整硬度以改善切削加工性能，使組織細化，成分均勻，從而改善工件的力學性能并為隨后的淬火做準備。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件，也可直接作為最終熱處理。
　　硬度是指金屬材料抵抗比它更硬物體壓入其表面的能力。常用的硬度指標有布氏硬度和洛氏硬度。
　　①布氏硬度。布氏硬度的測定方法是，用一定的載荷將直徑為D的淬硬鋼球壓入被測金屬的表面，保持規(guī)定的時間后，卸除載荷，測出金屬表面上的凹痕直徑后，從硬度換算表上查出布氏硬度值。布氏硬度用HBS表示。
　　②洛氏硬度。洛氏硬度的測定方法是，用一定的載荷將頂角為120°的金剛石圓錐或直徑為1.588mm的淬硬鋼球壓入被測表面，以凹痕深度來確定硬度值，硬度值直接從硬度計的刻度盤上讀出，非常方便。洛氏硬度用HRA、HRB或HRC表示，常用的為HRC。
　　1.退火
　　退火是將鋼加熱、保溫，然后隨爐或埋入灰中使其緩慢冷卻的熱處理工藝。由于退火的具體目的不同，其具體工藝方法有多種，常用的有3種。
　　1)完全退火
　　完全退火是將亞共析鋼加熱到鐵素體轉變?yōu)閵W氏體的終了溫度以上30～50℃，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織。完全退火主要用于鑄鋼件和重要鍛件，因為鑄鋼件鑄態(tài)下晶粒粗大，塑性、韌性較差；鍛件因鍛造時變形不均勻，致使晶粒和組織不均，且存在內應力。完全退火還可降低硬度，改善切削加工性。
　　完全退火的原理是：鋼件被加熱到以上時，呈完全奧氏體化狀態(tài)，由于初始形成的奧氏體晶粒非常細小，緩慢冷卻時，通過“重結晶”使鋼件獲得細小晶粒，并消除內應力。必須指出，應嚴格控制加熱溫度，防止溫度過高，否則奧氏體晶粒將急劇長大。
　　2)球化退火
　　球化退火主要用于過共析鋼件。過共析鋼經過鍛造以后，其珠光體晶粒粗大，且存在少量二次滲碳體，致使鋼的硬度高、脆性大，進行切削加工時易磨損刀具，且淬火時容易產生裂紋和變形。
　　球化退火時，將鋼加熱到珠光體轉變?yōu)閵W氏體的溫度以上20～30℃。此時，初始形成的奧氏體內及其晶界上尚有少量未完全溶解的滲碳體，在隨后的冷卻過程中，奧氏體經共析反應析出的滲碳體便以未溶滲碳體為核心，呈球狀析出，分布在鐵素體基體之上，這種組織稱為“球化體”。它是人們對淬火前過共析鋼最期望的組織，因為車削片狀珠光體時容易磨損刀具，而球化體的硬度低、節(jié)省刀具。必須指出，對二次滲碳體呈嚴重網狀的過共析鋼，在球化退火前應先進行正火，以打碎滲碳體網。
　　3)去應力退火
　　去應力退火是將鋼加熱到500～650℃，保溫后緩慢冷卻。由于加熱溫度低于臨界溫度，因而鋼未發(fā)生組織轉變。去應力退火主要用于部分鑄件、鍛件及焊接件，有時也用于精密零件的切削加工，使其通過原子擴散及塑性變形消除內應力，防止鋼件產生變形。
　　塑性是指金屬材料僅產生塑性變形而不斷裂的能力。常用的指標有伸長率?和斷面收縮率ψ。ψ和??值越大，說明材料的塑性越好；反之，則塑性越差。鋼和有色金屬的塑性較好，而鑄鐵的塑性很差。
　　2.正火
　　正火是將鋼加熱到以上30～50℃(亞共析鋼)或二次滲碳體溶入奧氏體的終了溫度以上30～50℃(過共析鋼)，保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。
　　正火和完全退火的作用相似，也是將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進行重結晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。但正火比退火的冷卻速度稍快，形成了索氏體組織。索氏體比珠光體的強度、硬度稍高，但韌性并未下降。正火主要用于以下方面。
　　(1)取代部分完全退火。正火是在爐外冷卻，占用設備時間短，生產率高，故應盡量用正火取代退火(如低碳鋼和含碳量較低的中碳鋼)。必須注意，含碳量較高的鋼，正火后硬度過高，使切削加工性變差，且正火難以消除內應力。因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復雜件仍以退火為宜。
　　(2)用于普通結構件的最終熱處理。
　　(3)用于過共析鋼，以減少或消除二次滲碳體呈網狀析出。
　　幾種退火和正火的加熱溫度范圍示意圖如圖1-3所示。
　　圖1-3幾種退火和正火的加熱溫度范圍
　　沖擊韌度是指金屬材料抵抗沖擊載荷作用而不破壞的能力。不少機械零件，如活塞銷、沖模、鍛模等都是在沖擊載荷作用下工作的，對于這類工件，必須考慮它們在沖擊載荷作用下的性能，即沖擊韌度。沖擊韌度常用一次擺錘沖擊試驗機測定。測定方法是，將被測的金屬材料制成帶缺口的標準試樣，用擺錘將試樣一次沖斷，以試樣被沖斷所消耗的功(單位為J)除以試樣缺口處的截面積(單位為cm2)來表示沖擊韌度值，用?k表示。
　　1.1.2鋼的淬火和回火
　　淬火和回火是強化鋼最常用的工藝。通過淬火，再配以不同溫度的回火，可使鋼獲得所需的力學性能。
　　1.淬火
　　淬火是將鋼加熱到或以上30～50℃(如圖1-4所示)，保溫后在淬火介質中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的強度、硬度和耐磨性，淬火是鋼件強化最經濟有效的方法之一。
　　強度是指金屬材料在外力作用下，抵抗塑性變形和斷裂破壞的能力。常用的強度指標有屈服極限和抗拉強度。
　　①屈服極限：是指金屬材料在外力作用下，剛開始出現塑性變形時的應力，用?s表示。
　�、趶姸葮O限：是指金屬材料在拉斷前所能承受的最大應力，用?b表示。
　　圖1-4碳鋼的淬火加熱溫度范圍
　　由于馬氏體形成過程伴隨著體積膨脹，造成淬火件產生了內應力，而馬氏體組織通常脆性又較大，這些都使鋼件淬火時容易產生裂紋或變形。為防止上述淬火缺陷的產生，除應選用適合的鋼材和正確的結構外，在工藝上還應采取如下措施。
　　(1)嚴格控制淬火加熱溫度。對于亞共析鋼，若淬火加熱溫度不足，因未能完全形成奧氏體，致使淬火后的組織中除馬氏體外，還殘存少量鐵素體，使鋼的硬度不足；若加熱溫度過高，因奧氏體晶粒長大，淬火后的馬氏體組織也粗大，增加了鋼的脆性，致使鋼件裂紋和變形的傾向加大。對于過共析鋼，若超過如圖1-4所示的溫度，不僅鋼的硬度不會增加，而且裂紋、變形傾向加大。
　　(2)合理選擇淬火介質，使其冷卻速度略大于臨界冷卻速度Vk。淬火時鋼的快速冷卻是依靠淬火介質來實現的，水和油是最常用的淬火介質。水的冷卻速度大，使鋼件易于獲得馬氏體，主要用于碳素鋼；油的冷卻速度較水低，用它淬火，鋼件的裂紋、變形傾向小。合金鋼因淬透性較好，以在油中淬火為宜。
　　(3)正確選擇淬火方法。生產中最常用的是單介質淬火法，即在一種淬火介質中連續(xù)冷卻到室溫。由于操作簡單，便于實現機械化和自動化生產，故應用最廣。對于容易產生裂紋、變形的鋼件，有時采用先水后油雙介質淬火法或分級淬火等其他淬火法。
　　2.回火
　　將淬火的鋼重新加熱到以下某溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。回火的主要目的是消除淬火內應力，以降低鋼的脆性，防止產生裂紋，同時也使鋼獲得所需的力學性能。
　　淬火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下被強制形成的不穩(wěn)定組織，因而具有重新轉變成穩(wěn)定組織的自發(fā)趨勢。回火時，由于被重新加熱，原子活動能力加強，所以隨著溫度的升高，馬氏體中的過飽和碳將以碳化物的形式析出。總的趨勢是回火溫度越高、析出的碳化物越多，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性越高。
　　根據回火溫度的不同(參見GB/T7232—1999)，可將鋼的回火分為如下3種。
　　(1)低溫回火(250℃以下)：目的是降低淬火鋼的內應力和脆性，但基本保持淬火所獲得的高硬度(56～64HRC)和高耐磨性。淬火后低溫回火用途最廣，如各種刀具、模具、滾動軸承和耐磨件等。
　　(2)中溫回火(250～500℃)：目的是使鋼獲得高彈性，保持較高硬度(35～50HRC)和一定的韌性。中溫回火主要用于彈簧、發(fā)條、鍛模等。
　　(3)高溫回火(500℃以上)：淬火并高溫回火的復合熱處理工藝稱為調質處理。它廣泛用于承受循環(huán)應力的中碳鋼重要件，如連桿、曲軸、主軸、齒輪、重要螺釘等，調質后的硬度為20～35HRC。由于調質處理后其滲碳體呈細粒狀，與正火后的片狀滲碳體組織相比，在載荷作用下不易產生應力集中，從而使鋼的韌性顯著提高，因此經調質處理的鋼可獲得強度及韌性都較好的綜合力學性能。
　　1.1.3鋼的表面熱處理
　　機械中的許多零件都是在彎曲和扭轉等交變載荷、沖擊載荷的作用或強烈摩擦的條件下工作的，如齒輪、凸輪軸、機床導軌等，要求金屬表層具有較高的硬度以確保其耐磨性和抗疲勞強度，金屬芯部具有良好的塑性和韌度以承受較大的沖擊載荷。為滿足零件的上述要求，生產中采用了一種特定的熱處理方法，即表面熱處理。
　　表面熱處理分為表面淬火和化學熱處理。
　　1.表面淬火
　　表面淬火是通過快速加熱，使鋼的表層很快達到淬火溫度，在熱量來不及傳到鋼件芯部時就立即淬火，從而使表層獲得馬氏體組織，而芯部仍保持原始組織。表面淬火的目的是使鋼件表層獲得高硬度和高耐磨性，而芯部仍保持原有的良好韌性，常用于機床主軸、發(fā)動機曲軸、齒輪等。
　　表面淬火所采用的快速加熱方法有多種，如電感應、火焰、電接觸、激光等，目前應用最廣泛的是電感應加熱法。
　　感應加熱表面淬火法就是在一個感應線圈中通以一定頻率的交流電(有高頻、中頻、工頻三種)，使感應線圈周圍產生頻率相同、方向相反的感應電流，這個電流稱為渦流。由于集膚效應，渦流主要集中在鋼件表層。由渦流所產生的電阻熱使鋼件表層被迅速加熱到淬火溫度，隨即向鋼件噴水，將鋼件表層淬硬。
　　感應電流的頻率越高，集膚效應越強烈，故高頻感應加熱用途最廣。高頻感應加熱常用的頻率為200～300kHz，此頻率加熱速度極快，通常只有幾秒鐘，淬硬層深度一般為0.5～2mm，主要用于要求淬硬層較薄的中、小型零件。
　　感應加熱表面淬火質量好，加熱溫度和淬硬層深度較易控制，易于實現機械化和自動化生產。缺點是設備昂貴、需要專門的感應線圈。因此，主要用于成批或大量生產的軸、齒輪等零件。
　　2.化學熱處理
　　化學熱處理是將鋼件置于適合的化學介質中加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入鋼件表層，以改變鋼件表層的化學成分和組織，從而獲得所需的力學性能或理化性能�；瘜W熱處理的種類很多，依照滲入元素的不同，有滲碳、滲氮、碳氮共滲等，以適應不同的場合，其中以滲碳應用最廣。
　　滲碳是將鋼件置于滲碳介質中加熱、保溫，使分解出來的活性碳原子滲入鋼的表層。滲碳采用密閉的滲碳爐，并向爐內通以氣體滲碳劑(如煤油)，加熱到900～950℃，經較長時間的保溫，使鋼件表層增碳。井式氣體滲碳過程由排氣、強烈滲碳、擴散及降溫4個階段組成，如圖1-5所示。
　　圖1-5井式氣體滲碳工藝曲線
　　滲碳件通常采用低碳鋼或低碳合金鋼，滲碳后滲層深一般為0.5～2mm，表層含碳量Wc將增至1%左右，經淬火和低溫回火后，表層硬度達56～64HRC，因而耐磨；而芯部因仍是低碳鋼，故保持其良好的塑性和韌性。滲碳主要用于既承受強烈摩擦，又承受沖擊或循環(huán)應力的鋼件，如汽車變速箱齒輪、活塞銷、凸輪、自行車和縫紉機的零件等。
　　滲氮又稱氮化。它是將鋼件置于氮化爐內加熱，并通入氨氣，使氨氣分解出活性氮原子滲入鋼件表層，形成氮化物(如AlN、CrN、MoN等)，從而使鋼件表層具有高硬度(相當72HRC)、高耐磨性、高抗疲勞性和高耐腐蝕性。滲氮時加熱溫度僅為550～570℃，鋼件變形甚小。常用的滲氮工藝有3種，即等溫滲氮法(又稱一段滲氮法)、二段滲氮法和三段滲氮法。圖1-6所示為38CrMoAlA鋼的等溫滲氮工藝。
　　圖1-638CrMoAlA鋼等溫滲氮工藝曲線
　　由圖1-6可知，滲氮生產周期長(需幾十小時)，生產效率低，需采用專用的中碳合金鋼，成本高。工件滲氮層厚度較薄且脆性大，不能承受過大的接觸應力和沖擊載荷，從而使?jié)B氮的應用受到一定的限制。因此滲氮主要用于制造耐磨性和尺寸精度要求均高的零件，如排氣閥、精密機床絲杠、齒輪等。