第九章-钢铁的热处理工艺课件.ppt

第九章钢的热处理工艺,退火正火淬火回火其他类型热处理,加热速度冷却速度加热温度保温时间处理次数处理次序,第一节 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理。退火与正火主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,一、钢的退火,概念：将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,种类,退火,重结晶退 火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化退火,等温球化退火,1完全退火,加热至,Ac3+20-30,保温,炉冷（P+F）,应用范围：亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构；也可作为一些不重要件的最终热处理,目的：细化晶粒提高力学性能降低硬度改善切削性能消除内应力,亚共析钢,工艺：,2球化退火,片状Fe3C或网状Fe3C球化,加热至,Ac1+20-30,保温,过共析钢,炉冷（F+球状Cm）,目的：使Cm球化HRC，韧性改善切削性为淬火作准备,工艺：,3、等温退火,工艺：A化后快冷至Ar1以下等温转变为 P，再空冷。,等温退火与普通退火的比较,目的：缩短退火时间。,4扩散退火（均匀化退火）工艺：1100-1300，10-15h,P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（再应用完全退火消除）,6再结晶退火T再+150-250；消除加工硬化,5去应力退火500-650 炉冷；消除应力,二、钢的正火,概念:把零件加温到临界温度以上3050,在空气中冷却目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。,工艺：,应 用：（1）预先热处理 a.细化组织为淬火、调质作准备 b.使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网 状，为球化作准备（2）作普通结构钢零件的最终热处理 冷却较快，组织细化，提高力学性能强度，韧性，硬度（3）改善切削加工性能,退火、正火的选择,1切削加工低、中碳钢正火中高碳钢，合金工具钢完全退火，球化退火,2作为最终热处理正火,3为最终热处理提供良好的组织状态工具钢正火+球化退火结构钢正火返修件退火,第二节 钢的淬火与回火,一、钢的淬火概念:把零件加温到AC1或AC3相变温度以上一定温度,保温一段时间,然后快速冷却。目的:为了获得马氏体组织（或下贝氏体组织）,提高钢的硬度和耐磨性。,（一）淬火应力,1、热应力工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力为热应力。圆柱体试样淬火中应力变化热应力与冷却速度，淬火温度，截面尺寸，材料热导率及线膨胀系数等有关。,2、组织应力工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比体积的不同变化而产生的内应力为组织应力。组织应力与钢件尺寸、在M转变温度范围的冷速、钢的导热性及淬透性等有关。,3、淬火应力的影响因素碳和合金元素的含量碳M比体积；Ms合金元素导热性；A稳定性工件尺寸淬火介质和冷却方法,4、淬火应力的影响,淬火变形（0.2）热应力心部受压组织应力心部受拉淬火裂纹（b）淬透沿轴的纵向裂纹未淬透横向/弧形裂纹,淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火应力变形，开裂,（二）淬火工艺,（1）碳素钢:亚共析钢：Ac33050 共析钢和过共析钢：Ac13050,1、淬火温度的选定,（2）合金钢：（Ac3/Ac1）50100,45钢和65MnV钢淬火组织（0.5%C时为M；0.5%C时为M+A）,65MnV钢(0.65%C)淬火组织,45钢(含0.45%C)淬火组织,35钢（含0.35%C）亚温淬火组织（F+M）,共析钢淬火组织（M+A）,过共析钢（T12）淬火组织:M+Fe3C颗粒+A(预备组织为P球),2、淬火介质,理想的淬火冷却方法是：650以上，慢，减小热应力650400，快，避免C曲线400 以下，慢，减轻相变应力,水：650550 及300200 冷却能力都较大油：300200 及650550 冷却能力都较小盐浴：冷却能力高于水,盐浴炉,3、淬火方法,（1）单液淬火工艺：将加热到奥氏体化的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温。（如水淬、油淬）特点：优点：操作简单，易实现机械化、自动化；缺点：应力大（水淬），或淬不透（油淬）,（2）双液淬火工艺：将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却至Ms以上（避免P转变），然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变。特点：优点：结合两种介质优点获得较理想的冷却条件；缺点：不易掌握在第一种介质中的停留时间。,（3）马氏体分级淬火工艺：将工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，待工件内外温度均匀后，再取出，缓冷淬火。特点：优点：大大减少了内应力，减小变形和开裂；缺点：只适用截面尺寸比较小（直径或厚度 10mm的工件）,（4）贝氏体等温淬火工艺：钢加热奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变区间（260350），等温保持，使过冷奥氏体转变为下贝氏体的淬火方法。特点：淬火热应力和组织应力变形和开裂倾向。,（5）冷处理工艺：把淬火冷却到室温的钢继续冷却到零度以下（如-70-80），而后进行低温回火。特点：适用于Mf温度位于0以下的高碳钢和合金钢。（精密量具、滚动轴承）目的：使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全，减少残余奥氏体的数量，提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。,（三）钢的淬透性,1、淬透性的概念,（2）表示：规定冷却条件下淬火件表面至半马氏体区的距离。淬火过程中表面与心部冷速不同对组织性能的影响,（1）定义：是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。,（3）概念比较：与淬硬性淬硬性表示钢在淬火后获得硬度的能力；用淬火马氏体的硬度表示。C%淬硬性 与淬透层深度 淬透性不随工件形状、尺寸和介质冷却能力而变化。,2、淬透性的试验方法：末端淬火法用不同钢种制成相同形状和尺寸的工件，在规定的淬火条件下淬透层的深度大小来表示。,（5）影响因素：钢的淬透性是由临界冷却速度Vk决定,Vk减小，奥氏体稳定（C曲线右移），钢的淬透性越好,（6）淬透性的应用,预测零件淬火后的硬度分布。（预测50mm直径40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布.）,利用淬透性曲线进行选材。（求厚60mm汽车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处为HRC45）,利用淬透性可控制淬硬层深度。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。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1/21/3)，如轴类、齿轮等。注意尺寸效应。,二、钢的回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。目的：减少或消除淬火内应力,防止变形或开裂；获得所需要的力学性能；稳定尺寸,回火保温时间温度均匀且组织转变充分，并减少内应力一般12h回火后冷却一般空冷重要件缓冷/高温回脆件快冷,三、淬火加热缺陷及防止,过热：淬火加热时温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷过烧：淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象。,氧化：造成工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足的缺陷脱碳：降低淬火后的钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度,第三节 其他类型热处理,表面淬火化学热处理深冷处理,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。,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。,表面淬火用材料：0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；铸铁 提高其表面耐磨性。,机床导轨,表面淬火齿轮,表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。,感应淬火机床,表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。,感应加热表面淬火,感应加热表面淬火示意图,表面淬火常用加热方法感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。,感应加热分为：高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm 中频感应加热 频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm 工频感应加热 频率为50Hz,淬硬层深度10-15 mm,火焰加热:利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。激光热处理:利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,二、钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子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。,化学热处理也是获得表硬里韧的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,1、化学热处理的基本过程,介质(渗剂)的分解:分解的同时释放出活性原子。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。原子向内部扩散。,2、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,目的：提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。渗碳用钢：为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,经渗碳的机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,渗碳方法 气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点:质量好,效率高；缺点:渗层成分与深度不易控制。,固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。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,渗碳温度：为900-950。渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：一般为0.5-2mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后组织：表层为P+网状Fe3C;心部为F+P;中间为过渡区。,渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180。,渗碳后的热处理示意图,3、钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。氮化用钢:为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。(常用钢号为38CrMoAl)氮化温度为500-570氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。,井式气体氮化炉,常用氮化方法气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。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,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。,工件变形小。氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。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。,应用：用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,三、深冷处理,深冷处理概述本课题组工作,1、概述,深冷处理一种超低温处理方法。冷处理（SZ）可分为：常规冷处理（CSZ），处理温度约为-100以上深冷处理（SSZ），处理温度则为-100以下。深冷处理是在-130或-160以下对材料进行处理的一种技术。,深冷处理作为热处理工艺冷却过程的延续，直至二十世纪六十年代由于液氮的广泛应用及绝热材料的发展才使其工艺应用成为可能。范围主要是集中在工具钢、不锈钢、刀具、磨具、高速钢及硬质合金、钴基合金等钢铁材料深冷处理的研究，并取得较满意的结果，显著地提高了工具的使用寿命，创造了相当的经济效益。,深冷处理的机制,金属材料中残余奥氏体向马氏体转化，并且能使马氏体组织及其性能更加稳定；金属材料中马氏体内分布更多、更细、更硬的碳化物硬质点；金属的组织结构变得更均匀、更致密、更细化；,低温冷却的收缩可使材料本身存在的微小缺陷产生塑性流变；复温过程中在空位表面产生残余应力；对钢或合金来说，深冷处理能部分转移了金属原子的动能（斥力），从而使原子结合更紧密，提高了金属性能。,深冷处理的作用,微观组织中出现了大量的细小碳化物；导致合金元素在基体和碳化物之间的分布不同；耐磨损性能提高；韧性提高。,深冷处理的应用,涉及行业多，如航空航天工业、兵器工业、汽车工业、船舶制造业、电子工业、机械工业、木材加工行业，等等。处理对象范围极广，不仅有金属材料如碳素结构钢、合金结构钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金、铜及其合金、铝及其合金等，而且还有非金属材料，如陶瓷、尼龙、塑料、橡胶制品、食物及药品等。,包括精密仪器齿轮、发动机油嘴、汽缸套、凸轮轴、曲轴、气阀、活塞、活塞销、涡轮轴、柱塞、精密轴承、铜电极、焊接电极、低温阀门、弹簧、轧钢用轧辊、模具、量具、各类金属切削刀具、切纸及加工用材刀片、石村加工（切割）刀具、琴弦、兵器用铝制反射镜、军用全天候飞机雷达机架、飞行器用推进剂高压容器等。,深冷处理的工艺,深冷方式升降温速度 保冷时间 深冷工艺顺序 深冷次数,存在问题,对深冷处理温度与保冷时间的选择并未取得共识；深冷处理方式与工艺顺序也与材料本身有关；材料硬度及耐磨性的提高与深冷处理工艺的密切联系未得到一致认可；深冷设备的差异和严重滞后成为其进一步机理探讨与工业化应用的最大障碍。,2、课题组前期工作,对象P20钢P20钢（3Cr2Mo）为美国牌号，属通用型镜面塑料模具钢，近年来被最为广泛地应用于热塑性注塑、伸模、吹塑模等。P20的国产化研究自我国“七五”科技规划开始进行，重点对其冶金工艺、预硬化处理工艺等逐步攻关，已取得了较大的发展，在全国也得到普遍使用。,P20钢特点,该钢种冶金生产工艺简便，成材率高，钢价格便宜，在预硬化硬度为HRC2835的条件下冲击韧性较高，淬透性好，可以使较大截面的钢材获得均匀的硬度，尤其是其镜面抛光性能明显优于45钢等普通钢和其它低合金钢等。,国产化的不足,国产P20在使用性能上与进口产品还存在一些的差距，特别是镜面抛光性能总不及国外产品。材料的显微纯洁度和均匀一致的硬度是关键的制约因素。引入深冷处理技术,试验方法与结果,深冷处理尤其是多级深冷可进一步提高铸造P20钢的硬度和冲击韧性，主要是由于基体中析出了均匀弥散的微细碳化物，强化了基体。,预处理深冷常规处理 预处理+深冷常规淬火深冷回火 图5 深冷处理后铸造P20钢金相组织（500）,本章完,三、表面处理新技术,近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法。,全方位离子注入与沉积设备,一、热喷涂技术,将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。,等离子热喷涂,涂层的结构热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。,热喷涂层组织,热喷涂方法 火焰喷涂:多用氧-乙炔火焰作为热源。电弧喷涂:丝状喷涂材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂:是一种利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。,热喷涂的特点及应用工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等涂层可控:从几十m到几mm生产效率高工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺),涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层),由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。,热喷涂,二、气相沉积技术,气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。,根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)两大类。,物理气相沉积TiAl靶,1、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，,使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。物理沉积技术主要包括真空蒸镀、溅射镀、离子镀三种基本方法。,磁控溅射镀膜设备,真空蒸镀是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。,溅射镀是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。,离子镀是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒,多弧离子镀膜机,子一起沉积到工件表面成膜的方法。,物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等,离子镀产品,领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。,2、化学气相沉积(CVD)化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体,CVD设备,表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。例如，气态的TiCl4与N2和H2在受热钢的表面反应生成TiN，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。,由于化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。,三、三束表面改性技术,三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束(合称“三束”)等具有高能量密度的能源(一般大于103W/cm2)施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。,进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。,由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面,离子束溅射系统,1、激光束表面改性技术激光束能量密度高(106W/cm2)，可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变;当激,光辐射停止后，由于散热速度快，又会产生“自激冷”。激光表面改性技术主要应用于以下几方面:,CO2激光器,激光表面淬火（激光相变硬化）激光表面淬火件硬度高（比普通淬火高1520%）、耐磨、耐疲劳，变形极小，表面光亮。已广泛用于发动机缸套、滚动轴承圈、机床导轨、冷作模具等。,激光表面合金化预先用镀膜或喷涂等技术把所要求的合金元素涂敷到工件表面，再用激光束照射涂敷表面，使表面膜与基,体材料表层融合在一起并迅速凝固，从而形成成分与结构均不同于基体的、具有特殊性能的合金化表层。已成功用于发动机阀座和活塞环、涡轮叶片等零件的性能和寿命的改善。,激光合金化热剪断刀,电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体,电子束的能量密度最高可达109W/cm2。除所使用的热源不同,外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。,电子束表面改性装置,2、电子束表面改性技术,与激光束表面改性技术相比，电子束表面改性技术还具有以下特点:由于电子束具有更高的能量密度，,所以加热的尺寸范围和深度更大。设备投资较低，操作较方便（无需象激光束处理那样在处理之前进行“黑化”）。因需要真空条件，故零件的尺寸受到限制。,电子束物理气相沉积,3、离子注入表面改性技术离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。,离子注入的特点是：可注入任何元素，不受固溶度和热平衡的限制；注入温度可控，不氧化、不变形；注入层厚度可控，注入元素分布均匀；,注入层与基体结合牢固，无明显界面；可同时注入多种元素，也可获得两层或两层以上性能不同的复合层。,离子注入机,通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医,疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。,离子注入处理的铣刀片,淬硬性与淬透性之间的关系,