热处理工艺基本知识.ppt

第九章 钢的热处理工艺p钢的退火和正火p钢的淬火和回火p其它热处理9.1 钢的退火与正火 9.1.1 退火操作及其应用 退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。1完全退火完全退火 方法：方法：将亚共析钢加热到将亚共析钢加热到Ac3以上以上3050，保温一定时间缓慢冷却，保温一定时间缓慢冷却(随随 炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却)到到500以下，取出空冷。以下，取出空冷。目的：目的：先得到均匀的奥氏体，缓慢冷先得到均匀的奥氏体，缓慢冷 却转变基本接近相图描述转变过程，却转变基本接近相图描述转变过程，得到接近平衡组织，降低硬度，便于得到接近平衡组织，降低硬度，便于加工，消除内应力。加工，消除内应力。用途：用途：碳钢和合金钢的锻、铸、轧制碳钢和合金钢的锻、铸、轧制型材，可作为一般要求工件的最终热型材，可作为一般要求工件的最终热处理，大多为重要零件的预先热处理。处理，大多为重要零件的预先热处理。适用对象：适用对象：0.30.6%C。低碳或过共。低碳或过共 析钢不适用。析钢不适用。保温时间：保温时间：t=KD (min)，D为工件有为工件有效厚度效厚度(mm)，一般，一般K=1.52.0min/mm。2等温退火等温退火 完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢，可以采用等温退火等温退火工艺取代完全退火。方法方法：加热方法同上(将亚共析钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间)，在温度到珠光体转变开始前快速冷却(打开炉门，甚至吹风)到珠光体转变温度区保温到珠光体转变完毕后，取出空冷。目的和用途目的和用途同完全退火，效率和组织控制较好。3.球化退火 方法：将过共析钢加热到Ac1以上3050，保温2-4h，时间，冷却到Ar1温度附近时要足够慢的冷却(保温冷却，比随炉冷却还要缓慢)。目的：最终组织为铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。用途：降低过共析钢材料的硬度，保证足够的韧性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火作好组织准备。4.去应力退火去应力退火 方法方法：将钢较慢将钢较慢(100150/hr)加热到加热到500650(低于低于A1)，保温后随炉慢冷保温后随炉慢冷(50100/hr)到到200300以下出炉。以下出炉。目的：目的：无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应力。无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应力。如果材料原始有大的弹性应变能存在，可发生再结晶，组织也会有对应如果材料原始有大的弹性应变能存在，可发生再结晶，组织也会有对应的变化。的变化。用途：用途：锻造冷却未全恢复塑性变形，铸件的冷却热应力，焊接构件锻造冷却未全恢复塑性变形，铸件的冷却热应力，焊接构件的热应力，拉、拔、挤压的加工硬化等都会存在残余内应，利用去应力的热应力，拉、拔、挤压的加工硬化等都会存在残余内应，利用去应力退火可以消除变形或其它原因产生的内应力。退火可以消除变形或其它原因产生的内应力。9.1.2 正火正火将将钢钢加加热热到到Ac3和和Accm以以上上3050，保保温温得得到到均均匀匀的的奥奥氏氏体体后后，从从炉炉中取出自然空冷，发生珠光体型转变的热处理工艺称为中取出自然空冷，发生珠光体型转变的热处理工艺称为“正火正火”。由于冷速大于退火，得到的珠光体组织较细，材料硬度和强度均比由于冷速大于退火，得到的珠光体组织较细，材料硬度和强度均比退火要高。合金钢在空气中冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至退火要高。合金钢在空气中冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一般是指空冷时珠光体转变的这一部分。马氏体型相变，但正火一般是指空冷时珠光体转变的这一部分。用途：用途：1)中低碳钢用正火代替退火进行预先热处理，改善加工性能。2)普通结构钢(中碳钢)正火尽管未达到最佳性能，但可达到希望的强度和韧性，可以进行机械加工，作为最终热处理的成本较低。3)过共析钢正火时，可抑制二次渗碳体网状析出，对已经存在网状碳化物的工具钢，利用正火先溶化后抑制，用来消除网状碳化物，为下一部的球化处理作组织准备。9.2 钢的淬火 淬火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行奥氏体化，然后快速冷却到Ms点以下，发生马氏体转变的热处理工艺，叫作“淬火”。目的：钢的淬火组织主要是马氏体，可以提高钢的高硬度，保证高的耐磨性和承受高的接触应力。虽然马氏体不是热处理所要得到的最终组织，但马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组织和使用性能，最终达到理想的性能。9.2.1 淬火加热温度 淬火加热温度的确定应以获得晶粒细小、成分均匀的奥氏体为原则，以便得到细小的马氏体组织。亚共析钢：Ac3以上3050，铁素体可以全部溶解得到得到单一的奥氏体，从而消除未溶铁素体而带来的软相。也不宜过高，防止奥氏体晶粒粗大带来马氏体粗大，并且温度高带来的热变形也将严重。过共析钢：含碳量在0.8以上时，Ac1以上3050。这时得到的马氏体有了足够的硬度同时保持未溶解的颗粒状碳化物也可以提高材料的硬度和耐磨性。如果加热温度过高，淬火开裂的倾向加大，淬火后残余奥氏体量增加反而降低硬度；合金钢：合金元素大多可以阻止奥氏体晶粒长大，为了合金元素的均匀，加热温度和保温时间都要比碳钢稍微提高一些。9.2.2 淬火冷却介质 理想的淬火冷却速度 为保证得到多的马氏体，冷却速度应该大于临界冷却速度Vc；为防止零件变形、开裂，冷却应慢一些。所以理想的冷却速度如图，开始冷却慢一些，在快要发生组织转变时快冷，以躲开鼻子尖，随后又慢冷让马氏体转变慢慢的进行。常用淬火介质p盐水、碱水 1015的NaCl水溶液是最强的冷却介质。p清水 直接冷却和沸腾的蒸汽冷却，冷却能力也很强。p碱浴、硝盐浴 熔融的氢氧化钠、硝酸盐、亚硝酸盐导热能力很强，在120180以上的高温下有好的冷却能力。p矿物油 冷却能力约为水的1/41/8，用于奥氏体较稳定钢，如大多数合金钢，可以有效防止零件的变形开裂。9.2.3 淬火方法 1.单液淬火 直接放入某介质(水或油)中冷却到室温。方法简单，易于操作。2.双液淬火(水淬油冷)对复杂碳钢零件，先在水或盐水中快速冷却，躲开鼻子温度，估计温度低于500时立即转入油中，放慢冷却速度继续冷却到室温。3.分级淬火 淬入150260硝盐浴中躲过了鼻尖，停留一段时间让表面和心部温度均匀，热应力松弛。取出空冷。4.等温淬火 直接淬入硝盐浴中保温，发生贝氏体转变。5.局部淬火 局部加热法或局部冷却法6.冷处理 冷却到室温以下的过程称为“冷处理”。9.2.4 淬火组织缺陷 1.加热缺陷 过热、过烧、氧化脱碳、奥氏体晶粒过大等。2.硬度不足或出现软点 前者是整体硬度低于要求，后者是个别部位硬度低于要求。产生原因有加热不足，冷却介质的冷却能力不够，工件表面不干净，局部散热不良等。3.变形与开裂 零件淬火后发生变形是热应力和组织应力综合作用的结构，完全不变形是困难的，但超量的变形甚至开裂则是要防止的。减小变形的途径有：零件结构设计合理，结构对称，避免过大的尺寸突变；淬火前组织要均匀，必要时经过退火或正火；加热温度适当，不要过热；冷却介质和方法适当，包括入水的角度；及时回火，防止当时未裂在放置时开裂。9.2.5 钢的淬透性 当试样尺寸较大时，从表面向内冷却速度逐渐减小，当冷却速度低于Vc，就不能得到全部马氏体，随着深度的加深，马氏体的数量愈来愈少，到达一定的深度后，冷却速度低于Vc，根本不能发生马氏体相变。所以大尺寸试样想全部得到马氏体是不可能的，随着马氏体数量的减少，对应的硬度也不断下降，通常把淬火钢从表面到马氏体组织占50处的距离成为淬透层深度。实际淬透层的深度除了与材料本身有关外，还与试样的大小、冷却方式有密切的关系。淬透层深度1.淬透性的概念同样形状和尺寸的工件，在同样加热和冷却条件下淬火，由于钢种类不同，淬透层的深度将不同，把钢在淬火后能获得淬透层深度的一种性质或获得马氏体的能力叫淬透性。它是一种材料特性，与零件的尺寸和淬火工艺无关，并不直接表明钢淬火能得到多大的淬透层深度，同样淬透性的钢，用不同冷却方法得到的淬透层深度是不一样的。淬透性淬硬性淬硬性 指在正常情况下，淬火后能得到多高的硬度，也就是指在正常情况下，淬火后能得到多高的硬度，也就是形成全部马氏体所能达到的最高硬度。显然它决定于淬火时形成全部马氏体所能达到的最高硬度。显然它决定于淬火时奥奥氏体的含碳量氏体的含碳量。淬火后的实际硬度决定于钢的淬硬性和实际获。淬火后的实际硬度决定于钢的淬硬性和实际获得的马氏体比例。得的马氏体比例。钢的淬透性好坏取决于钢的过冷奥氏体的稳定性，即C曲线上的临界冷却速度。总的来说有：1)钢的含碳量，共析钢的淬透性最高；2)合金元素中除Co外，绝大部分都使C曲线右移，提高淬透性；钢的成分组织不均匀，或因含有某些微量杂质，组成第二相质点存在，可促使奥氏体分解，降低钢的淬透性；3)奥氏体化的温度、时间参数影响奥氏体的均匀性和稳定性，影响淬透程度，但这不全部为材料特征。影响淬透性的因素影响淬透性的因素2.淬透性的测定方法淬透性的测定方法 目前普遍采用的是“末端淬火法”(简称端淬)方法，按国家标准GB22563执行。将f25100的试样加热奥氏体化后，迅速放在专门的设备中喷水冷却。喷水条件：喷水管孔直径f12.5，水温23-30，自由水柱高度655mm，喷水口到端面距离12.5mm。测量出到端面不同距离的硬度，作出硬度距离曲线，即淬透性曲线。淬透性的表示方法：淬透性的表示方法：JHRC-d，其中J表示端淬法，HRC为硬度，d到端面的距离。J40-6表示在淬透性带上距末端6mm处的硬度为40HRC。显然J40-6比J35-6淬透性好。3.淬透性的意义淬透性的意义 钢的淬透性不同，淬火后表层和心部的组织、性能也有一定的差别，在机械设计和施工工艺主要注意以下问题：1)重要零件对心部性能要求较高的，如连杆、锻模等，为保证心部的性能需要淬透，选用淬透性较高的钢；对焊接件为减小热影响区内出现淬火组织，造成变形开裂，应用淬透性较低的钢为宜。2)根据钢的淬透性不同，在淬火时选用合适的淬火冷却介质。3)对于大尺寸、低淬透性的钢，反正淬不透，进行淬火后回火的意义不大，经常直接用正火来代替调质，可以减少因淬火带来的可能开裂，工艺简单经济。9.3 钢的回火钢的回火 9.3.1 回火概念回火概念 p消除内应力消除内应力 钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂，在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。将淬火后的工件，加热到A1以下的某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温的一种热处理工艺操作叫“回火”。目的目的9.3.5 回火种类及其应用回火种类及其应用 回火温度为回火温度为150250，得到的组织为，得到的组织为回火马氏体回火马氏体，保留淬火时的高硬度，消除淬火的残余应力。这时钢保留淬火时的高硬度，消除淬火的残余应力。这时钢有好的耐磨性，常用于轴承、冷作模具的热处理，回有好的耐磨性，常用于轴承、冷作模具的热处理，回火温度低于火温度低于200时，硬度可达到时，硬度可达到5864HRC。低温回火低温回火 回火温度为回火温度为350500，得到的组织是回火屈氏体，在具有一定韧性的同时，有高的弹性极限和屈服强度。主要用于弹簧类和要求较高强度硬度又要一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。中温回火中温回火 回火温度为500650，得到的组织是回火索氏体，目的是使钢得到强度、硬度、塑性、韧性有良好配合的综合力学性能，尤其是冲击韧性高，且可以直接进行机械加工。淬火后进行高温回火的工艺通常称为“调质”处理。主要用于承受较大应力，特别是有冲击应力场合下的结构零件，如各种轴、连杆、齿轮等，对具有第二类回火脆性的钢注意回火后应在水或油中冷却。高温回火9.4 钢的表面热处理 机械零件在服役时，常常要求表面与心部具有不同的力学性能，能更好的发挥材料的潜力作用。例如在机械中常用的齿轮，表面承受巨大的接触应力，希望有高的硬度来提高其耐磨性和接触疲劳抗力，同时又要传递动力，齿部经受弯曲疲劳，要求材料有高的韧性，但一般材料当硬度高时韧性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韧性就可以兼顾二者的需求，内燃机的曲轴也是同样的情况，传递动力且轴颈处耐磨。达到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多种：一种是相同的材料，表面和心部经过不同方式的热处理；另一种方法是通过改变材料表面成分的方法来达到具有不同的性能。9.4.1 表面淬火表面淬火 1.基本原理：基本原理：首先对零件进行整体热处理，让零件心部达到首先对零件进行整体热处理，让零件心部达到要求的性能，例如轴、机床齿轮类先进行调质，再利用快速要求的性能，例如轴、机床齿轮类先进行调质，再利用快速加热的方法，只将工件的部分表层奥氏体化，然后淬火。表加热的方法，只将工件的部分表层奥氏体化，然后淬火。表面淬火不改变材料的化学成分，只表面获得马氏体组织，得面淬火不改变材料的化学成分，只表面获得马氏体组织，得到强化和硬化心部组织并不发生变化，保持高的韧性。到强化和硬化心部组织并不发生变化，保持高的韧性。2.淬火组织：淬火组织：加热时，从表面到心部的温度不同，淬火后组加热时，从表面到心部的温度不同，淬火后组织也不同，最表层加热温度到织也不同，最表层加热温度到 Ac3以上，为细小的马氏体，以上，为细小的马氏体，可能有少量未溶的铁素体；次表层温度在可能有少量未溶的铁素体；次表层温度在Ac1Ac3之间，之间，加热组织为铁素体加奥氏体，淬火组织为铁素体加马氏体或加热组织为铁素体加奥氏体，淬火组织为铁素体加马氏体或铁素体加屈氏体；里层温度在铁素体加屈氏体；里层温度在 Ac1以下，未奥氏体化，不可以下，未奥氏体化，不可能形成马氏体，心部依然保留原始组织。能形成马氏体，心部依然保留原始组织。3.加热方法加热方法感应加热表面淬火感应加热表面淬火工件置于中频或高频工件置于中频或高频(500-500kHz)的交的交变磁场中，在工件上有感应电流，由于变磁场中，在工件上有感应电流，由于电流的集肤效应，电流集中于表层，大电流的集肤效应，电流集中于表层，大的电流产生的热量将工件表面迅速达到的电流产生的热量将工件表面迅速达到 8001000，然后迅速置于水中或喷，然后迅速置于水中或喷水冷却，达到表层淬硬的结果。由于加水冷却，达到表层淬硬的结果。由于加热速度快，温度高，奥氏体晶粒细，硬热速度快，温度高，奥氏体晶粒细，硬度高于普通淬火硬度度高于普通淬火硬度23HRC，象，象45、40Cr、40MnB经正火或调质后表面淬火，经正火或调质后表面淬火，表层硬度大于表层硬度大于50HRC。感应加热表面淬火感应加热表面淬火感应功率越大，频率越高，淬硬层越浅。如感应功率越大，频率越高，淬硬层越浅。如20-500kHz获得的淬硬层获得的淬硬层2mm，而，而0.510kHz下淬硬层为下淬硬层为26mm。此外感应圈的形状和结构对淬火质量也有很大。此外感应圈的形状和结构对淬火质量也有很大的影响。的影响。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火用氧乙炔用氧乙炔(或其它燃料气或其它燃料气)的高温火焰，可达近的高温火焰，可达近3000，快速加热工件的表面，使表层迅速达到淬火温度，喷水冷快速加热工件的表面，使表层迅速达到淬火温度，喷水冷却，也能达到表面淬火的目的。根据操作者控制，淬硬层却，也能达到表面淬火的目的。根据操作者控制，淬硬层深度可在深度可在0.86mm范围。优点是简单、方便、价廉，特范围。优点是简单、方便、价廉，特别是大型工件，但质量的控制完全决定于操作者。别是大型工件，但质量的控制完全决定于操作者。9.4.2 化学热处理简介化学热处理简介 化学热处理是将材料置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中化学热处理是将材料置于一定的化学介质中加热、保温，使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层，一种或几种元素的原子渗入工件表层，以改变工件表层化学成分和以改变工件表层化学成分和组织结构，来获得心部和表层兼顾有不同性能要求的热处理方法。组织结构，来获得心部和表层兼顾有不同性能要求的热处理方法。过程过程：1)介质分解出活性原子介质分解出活性原子 介质加热分解释放出待渗活性原子；介质加热分解释放出待渗活性原子；2)界面上的原子交换界面上的原子交换 活性原子被材料表面吸收和溶解；活性原子被材料表面吸收和溶解；3)材料内原子的扩散材料内原子的扩散 吸收渗入的原子向内部扩散，形成一定的扩吸收渗入的原子向内部扩散，形成一定的扩散层，以保温时间来控制扩散层的深度。散层，以保温时间来控制扩散层的深度。种类种类：钢利用化学热处理能改变的成分有钢利用化学热处理能改变的成分有C、N、O、H、B等原子等原子尺寸较小的元素或少数活性元素，如尺寸较小的元素或少数活性元素，如Al。在热处理中无论有意或。在热处理中无论有意或无意使钢表层发生成分变化的有氧化还原、脱碳、无意使钢表层发生成分变化的有氧化还原、脱碳、渗碳渗碳、氮化、氮化、渗硼、渗铝等。渗硼、渗铝等。9.4.3 渗渗 碳碳 1.目的及用途：目的及用途：提高钢制工件表面的含碳量然后淬火，达到提高工件提高钢制工件表面的含碳量然后淬火，达到提高工件表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳性，并使心部具有良好的塑性和韧表面硬度、耐磨性和抗接触疲劳性，并使心部具有良好的塑性和韧性。主要用于承受强摩擦、冲击应力及易发生接触疲劳损伤的零件，性。主要用于承受强摩擦、冲击应力及易发生接触疲劳损伤的零件，如汽车齿轮、销轴、链条、套筒、摩擦片等。如汽车齿轮、销轴、链条、套筒、摩擦片等。2.渗碳用钢渗碳用钢 低碳钢或低碳合金钢，淬火后心部得到低碳马氏体，保持好的塑性低碳钢或低碳合金钢，淬火后心部得到低碳马氏体，保持好的塑性和韧性。和韧性。3.渗碳方法渗碳方法：为了环保和便于控制，目前基本上都采用气体渗碳法。通入炉内的为了环保和便于控制，目前基本上都采用气体渗碳法。通入炉内的有丙烷、天然气或滴入甲醇、乙醇、丙酮、煤油等，经过一次高温有丙烷、天然气或滴入甲醇、乙醇、丙酮、煤油等，经过一次高温分解后，气体的主要成分有分解后，气体的主要成分有CO、CO2、H2、H2O、CH4、N2等。按等。按化学平衡原理，存在一定量的活性碳化学平衡原理，存在一定量的活性碳C，可以向奥氏体中溶解。，可以向奥氏体中溶解。4.基本原理基本原理分解、吸附、扩散 三过程a.活性原子的产生活性原子的产生 2CO CO2+C；CH4 2H2+C;CO+H2 H2O+C 对于渗氮：2NH3 3H2+2N;由于活性原子处于高能状态，能克服钢件表面铁原子的结合力进入其表层晶格。加入催化剂促进活性原子的产生，如Na2CO3、BaCO3等分解放出CO2,CO2再和碳粒反应生成CO,CO在钢表面反应分解出 C。b.活性原子的吸附和扩散活性原子的吸附和扩散 钢件表面存在很多位错和晶界露头，为活性原子渗入提供了通道。表面越干净、越新鲜，粗糙度高，吸附能力越强。一般渗前对钢件表面采用化学方法进行轻微侵蚀，促进原子吸附和扩散。5.控制参数1)控制气体的成分决定表层的含碳量；2)渗碳温度高，原子的活动能力强，渗碳速度快，同样渗层深度可节省时间，提高生成率；过高的温度会使渗碳时间内奥氏体晶粒过快长大，一般钢件常用920；3)渗层深度用渗碳保温的时间来保证。过共析层共析层过渡层6.渗碳后的热处理渗碳后的热处理 为保证表层的硬度，渗碳后必需进行淬火低温回火。淬火方法通常有：1)利用渗碳加热的温度出炉直接淬火或在空气中稍停留(预冷)。用于简单、要求不高的工件。2)渗碳后期将炉温调节到合适的温度进行控制预冷保温，工件内外温度都降低到某一水平，取出直接淬火。增加保温阶段，产品质量更好一些，主要用于淬透性好的低碳合金钢，在保证表面得到高硬度马氏体的同时，心部得到高韧性的低碳马氏体。3)渗碳后出炉空冷(正火)，重新加热到Ac1(3050)，保温出炉淬火。用于渗碳时晶粒长的较大的钢，正火细化晶粒，防止表面出现网状碳化物，淬火后心部原亚共析钢因加热温度不足、淬透性低转变为铁素体屈氏体。9.4.4 其它化学热处理 1.氮化(渗氮)：在570利用NH3分解气氛渗氮。也可以用辉光等离子进行氮化。表层生成氮化物有极高的硬度，处理稳定低，工件变形小，渗层一般薄，用于精密、高耐磨工件。2.碳氮共渗（高温）与氮碳共渗（低温）9.5 铸铁的热处理铸铁的热处理 铸铁的基体与钢基本相同，但含有性能接近于空洞的石墨，热处理仅改变基体的组织，石墨的存在状态不发生变化。铸铁热处理转变过程和方式与钢基本相同。但由于石墨的存在，加热保温的温度对奥氏体的含碳量有明显的影响。球墨铸铁因石墨球化，影响程度弱一些，热处理后有明显好的效果，可以进行与钢相同的各种热处理。灰铸铁中石墨对性能的影响强烈，热处理的作用不明显，一般不进行热处理。为改善铸造时的某些不利影响，常用：p去应力退火p软化退火 消除尖角、薄壁、表层因快冷而出现的白口。p表面淬火 提高硬度和耐磨性，用于机床导轨。本章小结p退火、正火、调质p淬火、回火、淬透性和淬硬性p表面热处理和化学热处理