第五章 钢的热处理.ppt

1,1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,第五章 钢的热处理,2,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。,3,2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。,4,4、根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,6,一、钢的临界温度 碳钢的固态组织转变的相变点，都可由PSK线、GS线和ES线确定。铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。,第一节 钢在加热时的组织转变,加热是热处理的第一道工序。在临界点A1以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,K,7,由于Ac1、Ac3、Accm都是平衡相变点。实际中加热和冷却速度都比较快，实际相变点在加热时要高于平衡相变点，冷却时要低于平衡相变点，将钢加热时的各相变点度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的各相变点分别用Ar1、Ar3、Arcm表示,8,9,1.奥氏体晶核的形成和长大 以共析钢为例，奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。第一步：奥氏体晶核形成：首先在与Fe3C相界形成。形成原因：相界上原子排列较紊乱，处于能量较高状态。,10,第二步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散，向和Fe3C方向长大。使其邻近的渗碳体不断溶解，铁素体晶格改组为面心立方晶格。,11,第三步：残余Fe3C溶解：铁素体在成分、结构上比Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断向奥氏体溶解直至全部消失。,12,第四步：奥氏体均匀化。当残余Fe3C全部溶解后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的，在原来渗碳体处含碳量较高；在原来铁素体处含碳量较低。只有继续延长保温时间，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体的成分渐趋均匀化。,13,14,三、奥氏体晶粒大小及控制,1、奥氏体晶粒度概念,1）奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。,15,三、奥氏体晶粒大小及控制,1、奥氏体晶粒度概念奥氏体晶粒度：将钢加热到相变点（亚共析钢为，过共析钢为或）以上某一温度并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小。奥氏体晶粒大小的表示:晶粒的平均直径、晶料的平均表面面积或单位表面面积内的晶粒数目；,16,：用晶粒号N表示，将放大100倍的金相组织与标淮晶粒号图片进行比较来确定。一般将N小于的称为粗晶粒，称为细晶粒，以上称为超细晶粒。,17,、奥氏体晶粒长大起如晶粒度：在加热转变中，新形成并刚好互相接触时的奥氏体晶粒，称为奥氏体起始晶粒，其大小称为起始晶粒度。实际晶粒度：奥氏体起始晶粒一般都是很细小的，但随温度进一步升高，时间继续延长，奥氏体晶粒将不断长大，长大到钢开始冷却时的奥氏体晶粒称为实际，其大小称为实际晶粒度,18,阻止奥氏体晶粒长大：钢治炼时，用铝脱氧，形成A1N微粒；或加入Nb、V、Ti等元素，形成难溶的碳氮化物微粒，这些第二相微粒能阻止奥氏体晶粒长大。右图中本质粗晶粒钢曲线，不含有阻止晶粒长大的第二相微粒，随温度升高，奥氏体晶粒不断长大。,右图中本质细晶粒钢曲线，其奥氏体晶粒粗化温度高于常用的热处理加热温度（800-930），能获得较细小的奥氏体晶粒，为生产用钢种。,19,、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。加热速度：加热速度越快，奥氏体的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于生长速率，获得细小的晶粒。（）保温时间不保温时间不能太长，否则晶粒粗大。,20,第二节 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体的连续冷却转变,过冷奥氏体的等温转变产物的组织和性能,21,等温冷却：把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到以下某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。连续冷却：把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度（如炉冷、空冷、油冷、水冷等）连续冷却到室温。,两种冷却方式示意图1等温冷却2连续冷却,22,23,（一）、过冷奥氏体的等温转变曲线的建立建立原理：利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和性能的变化测定方法：金相法，在显微镜下进行金相分析。,24,第一步：将共析碳钢制成若干薄片小试样，并分成几组，每组有几个试样第二步：将各组试样都在同样加热条件下奥氏体化，获得均匀的奥氏体组织。,25,第三步：将各组试样分别迅速投入到点以下不同温度（如720 C、700 C、650 C、600C等）的等温谷槽中，使过冷奥氏体进行等温转变。,26,第四步：从试样投入不同温度时刻起记录等温时间，每隔一定时间，在每一组中都取出一个试样淬入水中，将试样在不同时刻的等温转变状态固定下来。然后将冷却的试样在金相显微镜下进行金相分析。,27,第五步：进行产物分析 凡是在等温时未转变的奥氏体，水冷后变成马氏体和残留奥氏体，在组织中呈白亮色。等温转变的产物在水冷后被原样保留下来，在组织中呈暗黑色。,28,奥氏体等温转变产物是随等温时间的延长而逐渐增多。通常以转变产物量为1%的时刻作为奥氏体转变开始，转变产量达99%的时刻作为转变终了。图a为珠光体开始形成，图e为珠光体全部形成。,29,第六步：找出过冷奥氏体在各个温度下的转变开始时间和转变终了时间，并将其绘在温度时间坐标图中，然后把所有转变开始点和转变终了点分别连接起来，便获得过冷奥氏体等温转变曲线。其形状与字母“C”相似，又称它为C曲线。,30,32,（2）、C 曲线的分析孕育期：转变开始线与纵坐标之间的距离。孕育期特点：孕育期越短，过冷奥氏体稳定性越小。过冷奥氏体在不同温度下的稳定性不同。C曲线：开始时，随过冷度的增加，孕育期与转变终了时间逐渐缩短，但当过冷度达到温度约为550后，孕育其与转变终了时间却随过冷度的增加而逐渐变长，曲线呈“C”字形,33,34,二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。以共析钢为例说明：珠光体转变,35,1、珠光体的组织形态及性能 过冷奥氏体在A1到550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。,36,珠光体：形成温度为A1-680，过冷度小，片层较厚，500倍光镜下可分辨片层形态，用符号P表示。,37,索氏体 形成温度为680-600，片层较薄，800-1000倍高倍光学金相显微镜下可辨，用符号S 表示。,38,托氏体 形成温度为600-550，片层极薄，在放大几千倍以上的电子显微镜下可辨，用符号T 表示。,39,珠光体、索氏体、托氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,片层间距越小，相界面愈多，塑性变形抗力愈大，钢的强度、硬度越高。,40,2、珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间,形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。,41,珠光体转变过程,42,贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，由氏体是由含过饱和碳的铁素体与弥散分布的渗碳体组成的非层状两相组织，用符号B表示。根据其组织形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。,43,上贝氏体 形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为碳过饱和量不大的铁素体成束平排地由奥氏体晶界伸向晶内，铁素体条间分布着粒状或短杆状的渗碳体。铁素体条较粗、渗碳体颗粒较大、较少。,44,下贝氏体 形成温度为350-230(Ms)。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。铁素体条较细、渗碳体颗粒较大、较多。,45,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,46,2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。,47,当转变温度较高（550-350）时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成上贝氏体。,48,当转变温度较低（350-230）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,49,马氏体转变当奥氏体过冷到Ms 以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变温度极低，过冷度很大，形成速度极快，转变时只发生-Fe到-Fe的晶格改变，没有铁、碳原子扩散。马氏体中含碳量就是转变前奥氏体的含碳量。-Fe最大溶碳量为0.0218%，碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用符号M 表示。,马氏体组织,50,2、马氏体的组织形态 马氏体的形态分板条状和片状两类。板条状马氏体 立体形态呈扁条状或薄板状。在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。板条束由许多互相平行的板条组成 一个奥氏体晶粒可以转变成几个位向不同的板条束。,51,片状马氏体立体形态呈双凸透镜状，显微镜下看到的是金相试样面上的马氏体截面形态，呈针片状。片状马氏体形成时一般不穿过奥氏体晶界，后形成的马氏体不能穿过先形成的马氏体，愈后形成的马氏体，尺寸愈小。在同一视场中，可以看到许多长短不一且互成一定角度分布的马氏体片。,52,马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时则几乎全部是针状马氏体。C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,53,3、马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增加。,当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。马氏体的硬度不等于淬火钢的硬度，因为淬火钢中混有其他组织（如残留奥氏体和渗碳体等）,54,马氏体的塑性和韧性随含碳量增高而急剧降低。低碳的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，是一种强韧性很好的组织，具有较高的断裂韧度和较低的韧脆转变温度等优点。,55,4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：非扩散性,马氏体转变是过冷奥氏体在极大的过冷度下进行的，只发生的-Fe到-Fe晶格改变。铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,56,（2）高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。马氏体量的增加不是靠已经形成的马氏体片不断长大，而是靠新的马氏体片的不断形成（3）转变不完全即使冷却到Mf 点，也不可能获得100%的马氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。,57,（4）降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点，用Ms 表示。,马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示.只要温度达到Ms 以下即发生马氏体转变。在Ms 以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。,58,Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。含碳量越高，Ms、Mf 温度越低。马氏体转变后，A（残余奥氏体）量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量才显著。,59,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,60,三、过冷奥氏体连续冷却转变 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT 曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,61,62,1、过冷A的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。,63,（3）马氏体临界冷却速度 与过冷奥氏体连续冷却转变曲线鼻尖相切的冷却速度，是保证奥氏体在连续冷却过程中不发生转变、而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度，用Vk 表示，该速度对热处理工艺十分重要,64,65,第三节 钢的退火与正火,预先热处理：为了消除前道工序造成的某些缺陷，或为随后的切削加工和最终热处理作好淮备的热处理。最终热处理：为使工件满足使用性能要求的热处理中。,较重要工件的制造过程：铸造或锻造 退火或正火机械（粗）加工淬火+回火（或表面热处理）机械（精加工）,66,预先热处理：退火或正火，安排在铸造或锻造之后、机械（粗）加工之前原因：铸造或锻造后，工件中不仅存在残余应力和硬度可能偏高，晶粒粗大，会降低钢的使用性能，淬火时易变形和开裂。经过退火或正火，可以使组织细化，成分均匀，消除应力，改善力学性能和切削加工性。,67,一、钢的退火,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的 热处理工艺叫做退火。1、退火目的 调整硬度，便于切削加 工。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,68,2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。完全退火,主要用于亚共析钢。加热温度Ac3+30 50。保温一定时间，随炉缓慢冷却到600 以下，现出炉空冷。退火目的：细化晶料，消除内应力与组织缺陷，降低硬度，为随后的切削加工和淬火作好组织淮备。,69,等温退火亚共析钢加热温度 Ac3+3050共析、过共析钢加热温度 Ac1+3050保温后快冷到略低于Ar1（珠光体转变温度区间）的温度，等温一定时间，使奥氏体在等温中转变为珠光体组织，空冷至室温。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。,高速钢等温退火与普通退火的比较,70,球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。主要用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。,共析钢，加热温度 Ac1+10 20保温一定时间后，通过缓冷到600 以下使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。,71,球化退火原因：过共析碳钢经热轧、锻造后，组织中会出现层状珠光体和二次渗碳网，使钢的硬度增加，切削加工性变坏，淬火时，易产生变形和开裂。球化退火用处：使珠光体中的层状渗碳体和二次渗碳体网都能球化，变成球状的渗碳体。,球状珠光体,球化体：铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体的组织。,72,73,二、正火 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+30 50，过共析钢加热到Accm+30 50，保温后空冷得到较细珠光体组织的工艺。正火比退火冷却速度快，组织中珠光体量增多，组织强度、硬度也比退火高，塑性不降低。1、正火后的组织：碳钢的碳含量0.6%时组织 F+S（铁素体+索氏体）碳钢的碳含量0.6%C时组织 S（索氏体）,正火温度,74,2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。正火冷却速度比较快，二次渗碳体来不及沿奥氏体晶界呈网析出。普通件最终热处理。,要改善切削性能：低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。,75,第四节 钢的淬火,76,一、淬火温度1、碳钢 亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50。亚共析碳钢要完全奥氏体淬火，温度选择在Ac1 Ac3之间：组织中将有一部分先析铁素体存在，淬火冷却后，铁素体不发生转变而保留下来，降低淬火钢的硬度。加热温度超Ac3 过高：使钢的氧化脱碳严重，奥氏体晶粒粗化，淬火后马氏体粗大，钢的性能变坏。,77,（2）过共析钢 淬火温度 Ac1+30-50过共析钢加热到Ac1以上不完全奥氏体化淬火原因:过共析碳钢在淬火加热以前，都已经过球化退火。加热到Ac1以上时，其组织为奥氏体和一部分未溶的细粒状渗碳体。淬火后，奥氏体变为马氏体，未溶渗碳体颗粒被保留下来。由于渗碳体硬度较高，它不但不会降低淬火钢的硬度，而且还可提高它的耐磨性。,T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,78,过共析碳钢加热到Accm以上完全奥氏体化淬火的害处：1、会使奥氏体晶粒粗化。2、淬火后的马氏体粗显微裂纹增多。3、淬火应力大，增加工件变形和开裂的倾向。4、淬火后残留奥氏体量增多，降低钢的硬度与耐磨性。,T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,79,三、淬火介质,1、理想的淬火冷却速度：过冷奥氏体最不稳定在C曲线鼻尖附近，即在650 500温度范围内要快速冷却，C曲线鼻尖的上部和下部过冷奥氏体较稳定，为了减少淬火冷却时，工件截面内外温差的热应力，冷却速度 应该缓慢。,特别在Ms附近尽量缓冷，以免工件截面上的内外温差增大，马氏体转变不能同时进行而产生相变应力。,80,2.常用淬火冷却介质 冷却介质有水、油及盐或碱的水溶液。（1）水 冷却缺点：水的冷却特性并不理想，在需要快冷的650 500温度范围内，它的冷却速度很小，在300 200需要慢冷时，它的冷却速度反而增大。水温愈高、冷却能力愈小，一般不能超过40 冷却优点：水价兼，使用安全，无燃烧、腐蚀。,81,（2）淬火冷却介质的矿物油有（机油、锭子油、变压器油、柴油）油在300 200温度范围内，冷却速度远小于水，对减小淬火工件的变形与开列有利。,650 500温度内，冷却速度比水小得多，只能用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火（3）盐、碱水的溶液最大冷却速度所在温度正好处于650 500温度范围内，易获得高而均匀的硬度。但在300 200温度范围的冷却速度过大，使淬火工件中相变应力增大，对工件有锈蚀作用。,82,四、淬火方法,目前还没有一种冷却介质能完全满足理想淬火冷却速度的要求，需改进淬火方法，弥补介质的不足。使既能将工件淬硬，又能减少淬火内应力。1、单液淬火法 概念：将奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷至室温的淬火。例如：碳钢在水或水溶液中淬火。合金钢在油中淬火。,83,84,双液淬火法的优点：把两种不同冷却能力介质的长处结合起来，保证获得马氏体组织，又减小了淬火应力，防止工件变形与开裂。双液淬火注意事项：要淮确控制工件由第一种介质转入第二种介质时的温度，如果工件温度过高（在C曲线鼻尖以上），缓冷时奥氏体发生珠光体转变。,85,86,分级淬火的优点：分极淬火通过在附近保温，消除工件内外温差，使淬火热应力减到最小，在随后的空冷时，可在工件截面上几乎同时形成马氏体组织，减小淬火的相变应力。分级淬火的缺点：盐浴或石碱浴的冷却能力较小，容易使过冷奥氏体稳定性较小的钢，在分级过程中形成珠光体。,87,88,第五节 钢的回火,井式回火炉,回火是指将淬火钢加热到Ac1以下的某温度保温后冷却到室温的工艺。一、回火的目的1、减少或消除淬火内应力，防 止变形或开裂。2、获得所需要的力学性能。钢淬火的组织为淬火马氏体和少量残余奥氏体，硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,89,3、稳定工件尺寸。淬火马氏体和残留奥氏体都是不稳定的组织，在使工过程中，将引起工件的形状与尺寸的改变，通过回火可以使淬火组织转变为稳定组织。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,淬火马氏体与残留奥氏体在回火过程中，都会向稳定的铁素体和渗碳体的两相组织转变。在不同温度范围内回火，将发生以下四种转变.,二、淬火钢的回火转变,网带式回火电炉,1、马氏体的分解100回火时，钢的组织无变化。100-200加热时，马氏体将发生分解，从马氏体中析出-碳化物(Fe2C)，使马氏体过饱和度降低。,析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。在光镜下M回为黑色，A为白色。,回火马氏体,（二）残余奥氏体分解 当回火温度达到 200-300时,残留奥氏体将转变成为下贝氏体，马氏体也会分解，但主要组织仍为回火马氏体，钢的硬度没有明显降低，但淬火应力会进一步减小。（三）-碳化物(Fe2C)的转变 在250以上回火时Fe2C将随温度升高逐渐转变为稳定的渗碳体 Fe3C 当回火温度达到450时，这时钢的组织由铁素体和高度弥散分布的渗碳体组成，称为回火托氏体。钢的硬度降低，淬火应力基本消除,回火托氏体,回火索氏体,在600以下回火，铁素体仍保留原来马氏体的板条状或片状形态，当回火温度超过600，铁素体发生再结晶，形态由原来的板条状或片状变为多边形晶粒。这种等轴铁素体和颗粒状渗碳体组成的混合物称为回火索氏体。,（四）渗碳体的球化、长大和铁素体的再结晶（400-400）当回火温度在450以上时，高度弥散分布的渗碳体球化成细粒状，并随温度的升高，渗碳体颗粒逐渐长大。,二、回火的种类（一）低温回火（150250）所得组织：回火马氏体。目的：在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火内应力和脆性，以免崩裂或损坏。用途：切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承等,切削刃具,量具,冷冲模具,（二）中温回火（150250）所得组织：回火托氏体。目的：获得较高的弹性和韧性。用途：弹簧和模具和处理,弹簧,模具,（三）高温回火（150250）所得组织：回火索氏体。调质处理：淬火加高温回火相结合的热处理。目的：获得强度、硬度、塑性都较好的综合力学性能。用途：汽车、拖拉机、机床等重要结构零件，如连杆、螺栓、齿轮及轴。,连杆,螺栓,齿轮,钢正火与调质处理的区别：钢经调质处理后的组织为回火索氏体、渗碳体呈粒状。钢正火得到的索氏体中渗碳体呈片状。钢调质处理后有较高的强度，而且塑性与韧性更显著地超过了正火状态。,98,第六节、钢的淬透性,淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,99,1.淬透性的概念,M量和硬度随深度的变化,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。,淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。,100,2.影响淬透性的因素,凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，或者说凡使C曲线位置右移，减小马氏体临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。,增加过冷奥氏体稳定性的方法：除钴以外的合金元素，当其溶入奥氏体后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，降低马氏体临界冷却速度，使钢的淬透性增高。C曲线右移的方法：奥氏体化温度愈高，保温时间愈长由于奥氏体晶粒愈粗大，成分愈均匀，残余渗碳体或碳化物的溶解也愈彻底，使过冷奥氏体愈稳定，C曲线愈右移。,101,.淬透性的应用,1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺 栓、连杆、模具等。2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2-1/3），如轴类、齿轮等。,102,不同冷却条件下的转变产物(共析钢),等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,103,第七节 钢的表面淬火,一、钢的表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,104,表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,105,感应加热表面淬火示意图,二、感应加热表面淬火的基本原理、把工件放入由空心铜管绕成的感应器，在感应器中通入一定频率的交流电以产生交变磁场，此时工件内会产生频率相同、方向相反的感应电流。、感应电流在工件内自成回路，形成“涡流”，涡流在工件截面上的分布是不均匀的，表面密度大，中心密度小，通入感应器的电流频率愈高，涡流集中的表面层愈薄，这种现象称为“集肤效应”。、由于钢具有电阻，集中于工件表面的涡流，可使表层迅速被加热到淬火温度，而心部接近室温，在表层喷水快速冷却后，达到了表面淬火目的。,106,感应加热表面淬火示意图,（三）感应加热表面淬火用钢最适宜的钢种：中碳钢和中合金钢，如40、45、40cr、40Mnb 选择上面钢种原因：含碳量过高，会增加淬硬层脆性，降低塑性和韧性，并增加淬火开裂倾向；含碳量过低，会降低零件表面淬硬层的硬度和耐磨性。特殊情况下应用：高碳工具钢、低合金具钢及铸铁。,107,感应加热表面淬火的应用、高频感应加热表面淬火：频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm主要应用：淬硬层较薄的中、小型零件（如中、小模数齿轮、小型轴）的表面淬火。,感应加热表面淬火齿轮的截面图,108,中频感应加热表面淬火 频率：2500-8000Hz淬硬层深度：2-10mm主要应用：处理淬硬层要求较深的零件，如直径较大的轴类和模数较大的齿轮,109,工频感应加热表面淬火频率：50Hz频率低淬硬层深度：10-15 mm主要应用：大直径钢材的穿透加热和要求淬硬层深的大直径零件（如轧辊、火车车轮）的表面淬火。,110,超音频感应加热表面淬火工作电流频率：20-40kHz，由于这个频率比音频（20kHz）高，称超音频。主要应用：模数为3-6的齿轮表面淬火，也适用于链轮、花键轴、凸轮等零件的表面淬火。,111,第八节钢的化学热处理,化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使一种或几种元素渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。（一）化学热处理的两个作用、强化工件表面提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳极限。、保护工件表面提高工件表层耐高温及耐腐蚀性等,112,（二）化学热处理的基本过程,1）介质(渗剂)的分解：分解的同时释放出活性原子。如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N,2）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。3）原子向内部扩散。形成一定厚度的扩散层,氮化扩散层,113,（三）钢的渗碳渗碳：把钢置于渗碳介质中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的化学热处理工艺。1）渗碳目的 使重要零件，如变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等，在变动载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件下工作时，零件表面具有高的硬度、耐磨性及疲劳极限，而心部具有较高的强度的韧性。2）渗碳用钢：为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,114,气体渗碳法示意图,（四）渗碳方法 滴注式气体渗碳法原理：将工件置于密封的加热炉中，通入渗碳剂，并加热到渗碳温度900950，使工件在高温的渗碳气氛中进行渗碳。,方法：渗碳时，滴入炉内的煤油在高温下分解出活性碳原子，随后，活性碳原子被钢表面吸收而溶于高温奥氏体中，并向钢内部扩散而形成一定尝试的渗碳层，在一定的渗碳温度下，保温时间愈长，渗碳层愈厚。,115,固体渗碳法 将工件埋入渗剂中，渗剂为木炭，装箱密封后在高温下加热渗碳。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳 动条件差。真空渗碳法 将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点：表面质量好，渗碳速度快。,真空渗碳炉,116,（五）渗碳技术要求渗碳温度：900-950。渗碳层表面含碳量：0.85-1.05%为最好。渗碳层深度：轴类：（0.1-0.2）半径齿轮（0.2-0.3）模数薄片工件（0.2-0.3）厚度,低碳钢渗碳缓冷后的组织,如何控制渗碳层：不允许高硬度的部分，可采用镀铜来防止渗碳；或多留加工余量，渗碳后，在淬火前切去该部位的渗碳层。,117,（六）渗碳后的组织表层为珠光体+网状Fe3C；心部为铁素体+珠光体；中间为过渡区。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,（七）渗碳后热处理的原因渗碳后表层缓冷后的组织是珠光体+渗碳体网，不能达到表面硬而耐磨的要求。在渗碳温度900-950长时间保温，引起奥氏体晶粒粗化，使渗碳件的力学性能降低。,118,渗碳后的热处理示意图,c,b,a,119,渗碳后的热处理示意图,c,b,a,120,渗碳后的热处理示意图,c,b,a,121,此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量残留)心部：M回+F（淬透时）,122,3.钢的氮渗渗氮：在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、耐疲劳极限及耐蚀性。渗氮方法：气体渗氮和离子渗氮。,井式气体氮化炉,123,井式气体氮化炉,124,气体渗氮温度：760-800 渗氮时间：40-70h 渗氮层深度：0.4-0.6mm合金氮化物：AIN、CrN、MoN 常用合金元素：Cr、Mo、Al、Ti、V等常用的渗氮用钢：38CrMoAl渗氮的应用：高速传动的精密齿轮、高精度机床主轴（如镗杆、磨床主轴），在变动载荷工作条件下要求疲劳极限很高的零件（如高速柴油机曲轴），及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨零件（如阀门）。,125,离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,126,4、氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。,127,工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,