金属材料加工工艺讲义

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1、对于承受弯曲、扭转、冲击等动载荷，同时又承受强烈摩擦的零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等，一般要求表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部则应具有良好的综合机械性能。 为了满足这种要求，可采用表面强化技术，使材料表面得到强化。 主要方法包括：a.表面热处理 b.化学热处理,三、表面热处理,钢的表面热处理： 主要指钢的表面淬火。是通过对钢表面进行快速加热后，使表层获得奥氏体组织，然后迅速冷却，使表层获得马氏体组织而心部仍保持淬火前组织状态的一种热处理工艺方法。 常用方法： 感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火。生产中广泛应用的是感应加热表面淬火和火焰加热表面

2、淬火。 新发展起来的激光淬火、电子束淬火等。,三、表面热处理, 感应加热表面淬火 由于感应加热和相变的速度极快，与普通淬火相比，淬火后晶粒细小、硬度高、脆性低、变形小，且加热温度和淬硬层厚度便于调节控制，易于实现机械化和自动化，生产效率高。 火焰加热表面淬火 和感应加热表面淬火相比，火焰加热表面淬火所用设备简单，投资少，但是加热时易产生过热，淬火质量不稳定。 适于用表面热处理方法进行表面强化的钢材为中碳钢和中碳合金钢。,三、表面热处理,钢的化学热处理： 定义：把工件置于一定活性的介质中加热、保温，使介质分解出活性元素渗入工件的表层，以改变表层的化学成分，从而使表层与心部具有不同成分与组织性能的

3、工艺方法，称为表面化学热处理。 作用：a.强化表面，提高零件的某些机械性能， 如：表面硬度、耐磨性等； b.保护零件表面，提高某些零件的物理化学性能, 如：耐高温、耐腐蚀等。 分类：一般以渗入的元素来命名， 如：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硫、渗硼以及多元 共渗等；实际生产中常见：渗C、渗N、C-N共渗三种 基本原理： 分解吸收扩散 三个基本过程组成。,三、表面热处理, 渗碳。渗碳是目前机械制造业中应用最广泛的一种化学热处理方法。其工艺特点就是把钢件置于渗碳介质中去，加热到900950高温，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入到钢件表层，从而获得表层高碳、心部仍保持原有成分的热处理工

4、艺，按渗碳介质的不同，渗碳工艺分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。其中气体渗碳方法应用广泛。 渗氮。渗氮是把钢件置于渗氮介质中，加热到规定温度，保温足够时间后，渗氮介质中分解出的活性氮原子渗入到钢件表层，从而提高工件表层的硬度、耐磨性、耐蚀性的一种化学热处理方法。根据渗氮的目的不同，渗氮可分为耐磨渗氮和耐蚀渗氮二种。一般耐磨渗氮的温度为500570，渗氮层深度为0.150.75mm；耐蚀渗氮的温度为590左右，渗氮层深度极薄。与渗碳相比，渗氮温度低，工件变形小，但渗氮时间长，成本高，氮化层薄而脆。,三、表面热处理, 碳氮共渗。碳氮共渗是向钢件表面同时渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，俗称氰化。

5、目前生产上常用的方法有中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗两种。中温气体碳氮共渗以渗碳作用为主，还需进行淬火、低温回火处理；低温气体碳氮共渗以渗氮作用为主。氰化处理，适于中、低碳钢或合金钢的表面强化处理。,三、表面热处理,气体渗碳（氮）示意图,碳氮共渗示意图,特殊热处理是利用一些特殊工艺方法进行热处理，通常有形变热处理、磁场热处理等。,四、特殊热处理,随着工业及科学技术的发展，热处理工艺在不断改进，尤其是近20多年发展了许多新的热处理工艺，如真空热处理、可控气氛热处理、形变热处理、气相沉积和离子注如入等。,金属材料表面处理与装饰技术一般具有双重作用和功效。金属材料表面处理及装饰的功效一方面是保护

6、产品，即保护材质表面所具有的光泽、色彩和肌理等而呈现出的外观美，并延长产品的使用寿命，有效地利用材料资源；另一方面起到美化、装饰产品的作用，使产品高雅含蓄，表面有更丰富的色彩、光泽变化，更有节奏感和时代特征，从而有利于提高产品的商品价值和竞争力。,2.3.6 金属的表面处理技术,在对金属材料或制品进行表面处理之前，应有前处理或预处理工序，以使金属材料或制品的表面达到可以进行表面处理的状态。 金属制品表面的前处理工艺和方法很多，其中主要包括有金属表面的机械处理、化学处理和电化学处理等。 机械处理：通过切削、研磨、喷砂等加工清理制品表面的锈蚀及氧化皮等，将表面加工成平滑或具有凹凸模样； 化学处理：

7、主要是清理制品表面的油污、锈蚀及氧化皮等； 电化学处理：主要用以强化化学除油和浸蚀的过程，有时也可用于弱浸蚀时活化金属制品的表面状态。,一、金属材料的表面前处理,金属材料表面装饰技术是保护和美化产品外观的手段，主要分为表面着色工艺和肌理工艺。,一、金属材料的表面装饰技术,金属表面着色工艺是采用化学、电解、物理、机械、热处理等方法，使金属表面形成各种色泽的膜层、镀层或涂层。 化学着色：在特定的溶液中，通过金属表面与溶液发生化学反应，在金属表面生成带色的基体金属化合物膜层曲方法。 电解着色：在特定的溶液中，通过电解处理方法，使金属表面发生反应而生成带色 膜层。 阳极氧化染色：在特定的溶液中，以化学

8、或电解的方法对金属进行处理，生成能吸附染料的膜层，在染料作用下着色，或使金属与染料微粒共析形成复合带色镀层。,镀覆着色：采用电镀、化学镀、真空蒸发沉积度和气相镀等方法，在金属表面沉积金属、金属氧化物或合金等，形成均匀膜层。 涂覆着色：采用浸涂、刷涂、喷涂等方法，在金属表面涂覆有机涂层。 珐琅着色：在金属表面覆盖玻璃质材料，经高温烧制形成膜层。 热处理着色：利用加热的方法，使金属表面形成带色氧化膜。 传统着色技术：包括做假锈、汞齐镀、热浸镀锡、鎏金、鎏银以及亮斑等。,1、金属表面着色工艺,金属表面肌理工艺是通过锻打、刻划、打磨、腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果。 表面锻打：使用不同形状的锤头在

9、金属表面进行锻打，从而形成不同形状的点状肌理，层层叠叠，十分具有装饰性。 表面抛光：利用机械或手工以研磨材料将金属表面磨光的方法。表面抛光又有磨光、镜面、丝光、喷砂等效果。 表面镶嵌：在金属表面刻画出阴纹，嵌入金银丝或金银片等质地较软的金属材料，然后打磨平整。呈现纤巧华美的装 饰效果。 表面蚀刻：是使用化学酸进行腐蚀而得到的一种斑驳、沧桑的装饰效果。,1、金属表面肌理工艺,具体方法如下： 首先在金属表面涂上一层沥青，接着将设计好的纹饰在沥青的表面刻画，将需腐蚀部分的金属露出。下面就可以进行腐蚀了，腐蚀可以视作品的大小，选择进入化学酸溶液内腐蚀和喷刷溶液腐蚀。一般来说，小型作品选择浸入式腐蚀。化

10、学酸具有极强的腐蚀性，在进行腐蚀操作时一定要注意安全保护。,表面蚀刻处理的餐具,2.4 常用的黑色金属,金属种类繁多，通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属包括铁、锰、铬及它们的合金。工业产品设计中，应用最广泛的金属材料主要是钢铁材料。钢是以铁碳合金为主要构成，它包括碳素钢及合金钢两大类。,自然界中，铁很少以纯铁状态出现，而是以称为铁矿石的化合物形式出现。因此，钢的制取较复杂：先要将铁矿石在高炉中用碳或一氧化碳还原得到生铁(C2.11%)，这一过程称铁的冶炼。然后将生铁与废钢在炼钢炉中炼成钢，这一过程称钢的冶炼。常用的炼钢炉有平炉、转炉、电弧炉、电渣重熔炉等。 钢按脱氧程度不同，可分

11、为镇静钢和沸腾钢。脱氧相当完全的钢称镇静钢。这种钢组织致密，成分均匀，力学性能较好，因此合金钢和许多碳钢是镇静钢。脱氧不完全的钢称沸腾钢。这种钢凝固前将发生氧-碳反应，生成大量的CO气泡，引起钢水沸腾。与镇静钢相比，其成分、性能不均匀，强度也较低，不适于制造重要零件。,2.4.1 概述,由于炼钢原料中存在许多杂质，虽然在炼钢时尽力设法去除，但仍不可避免会有一些物质从炉壁、炉渣、大气等混入钢液。因此钢中总含有Mn、Si、S、P等杂质元素和气体(O2、H2等)、非金属夹杂物(硅酸盐、A12O3等)，这必然会影响钢的质量。 杂质S、P的影响 钢中作为杂质存在的元素主要有Mn、Si、S、P等。锰和硅一

12、般是为脱氧加入钢中的，它对钢的力学性能有提高作用，而且锰还能脱硫，故为有益元素。 硫和磷是随炼钢原材料进入钢中的。硫与铁形成化合物FeS，FeS又与Fe形成低熔点共晶，当钢进行加热时，会因共晶体熔化而脆化开裂，这称“热脆”。磷溶于铁素体会导致钢在低温时的塑性、韧性急剧下降，这称“冷脆”。,2.4.1 概述,因此硫和磷是钢中的有害元素，应予严格限制。生产上根据钢中S、P含量，把钢分为普通钢(Ws0.055%、Wp0.045%)、优质钢(Ws、Wp0.040%)、高级优质钢(Ws0.030%、Wp0.035%)。 硫、磷虽是有害元素，但在某些情况下却有有益的一面，如硫与锰同时加入钢中，形成的MnS

13、会使切削时易于断屑，这种钢称易切削钢。含磷和铜的低碳钢可以提高钢在大气中的耐蚀性。,2.4.1 概述, 气体氢的影响 氢在钢中的严重危害是造成白点，这是一种银白色斑点，实际上是一种微裂纹。它使钢的塑性、韧性急剧下降，导致钢件淬火时开裂或使用时发生突然断裂，因此十分危险。 非金属夹杂物的影响 钢中非金属夹杂物的存在，将降低钢的塑性，且常为冲击破坏和疲劳破坏的裂纹源。 为获得高质量的钢，可采用真空电弧炉、电渣重熔炉对钢进行重熔，以进一步降低各种杂质的含量。,2.4.1 概述,2.4.1 概述,2.4.1 概述,钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,2.4.

14、1 概述,工程中使用的钢铁材料，绝大多数都是经过轧制而得到的各种形状和尺寸的 钢材。因为使用目的不同，钢材的种类很多，一般按其外形分为型材、板材、管材、钢丝四大类。为了便于生产、管理、订货和经销工作的进行，目前我国将上述四大类钢材又具体分为十五大品种，详细说明见下表所列。,2.4.2 钢材的分类,型材是钢材中型、板、管、丝四类中极重要的一类，也是数量最大的一类，它包括十五大品种中的重轨、轻轨、普通大、中、小型型钢、线材、优质型钢和其它钢材等八个大品种，其具体规格更为繁多。 普通型钢 普通型钢的品种规格很多，按其断面形状，可分为圆钢、方钢、扁钢、六角和八角钢、工字钢、槽钢、等边和不等边角钢等。各

15、种型钢的规格，通常以反映其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。异型型钢无统一的规格表示方法，有的用型号表示，有的用断面面积表示。普通型钢的用量最大，用途也最广，它们主要用于制造各种建筑结构、桥梁、车辆、船舶以及一般的机械零件和壳体零件的骨架等。,2.4.2 钢材的分类（型材）,圆 钢,方 钢,角 钢,扁 钢,六 角 钢,工 字 钢,异 型 钢, 优质型钢 优质型钢是用优质钢轧制成的各种型材，根据生产方法的不同，通常可分为热轧(或锻造)和冷拔两大类。优质型钢很少直接使用，绝大多数都是在经过加工和热处理之后，制造各种机械零件和工具。 线材 线材主要指普通低碳钢热轧圆盘条，其有59 mm等规格。它在工业上

16、应用广泛，可直接用于建筑结构，还可用于制作圆钉、螺丝、钢丝、焊条等。,2.4.2 钢材的分类（型材）,板材是钢材中除型材外的另一大类。按国家标准，以钢板厚度大于或小于4 mm为界，分为薄钢板和厚钢板两大类，习惯上还把厚度在20 mm以下的厚板称为中板，超过60 mm的钢板称为特厚板。钢带是指厚度较薄、宽度较窄，长度很长的、可以成卷供应的钢板。 厚钢板 厚钢板厚度一般为4.560 mm，宽度一般为6003000 mm，长度一般为120012000 mm。厚钢板按钢的质量分为普通厚钢板、优质厚钢板和复合厚钢板三类。,2.4.2 钢材的分类（板材）, 薄钢板 薄钢板按钢的质量可以分为普通薄钢板和优质薄钢板；按生产方法可以分为热轧薄钢板和冷轧薄钢板。薄钢板的品种比较多，如普通碳素钢薄板(也称为黑铁皮)、普通低合金结构钢薄板、屋面薄板、镀锌薄板(也称为白铁皮)、电工用纯铁薄板、深冲压用冷轧薄板、镀铅薄板、镀锡薄板(也称为马口铁)、搪瓷用热轧薄板、不锈耐酸薄板等。 热轧和冷轧薄板的