xiugai第五章钢的热处理.ppt

第五章 钢的热处理,改善钢的性能，主要有两条途径：一是合金化，这是下几章研究的内容；二是热处理，这是本章要研究的内容。,一、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。适合加工的硬度为170-250HB。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,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,将工件加热到Ac3+3050 保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢.,等温退火亚共析钢加热到Ac3+3050,共析、过共析钢加热到Ac1+3050，保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间，更适合于孕育期长的合金钢.,高速钢等温退火与普通退火的比较,合金钢奥氏体化比碳钢慢得多加热温度高,球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。它是将工件加热到Ac1+3050 保温后缓冷，或,者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。,对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状.,二、正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析 钢加热到 Accm+30 50保 温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：0.6%C时，组织为F少+S;0.6%C时，组织为S。,正火温度,正火,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。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.,以45钢为例的正火工艺曲线：,保温时间的经验公式:=KD(单位为min,式中,K加热系数,一般K=1.5-2.0mm/min,若装炉量大则可延长保温时间,D工件有效厚度,单位为mm),操作步骤如下：,退火800-840,退火、正火的选择,正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1切削加工 低碳钢、含碳0.8%高碳钢、中碳合金工具钢（正火）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4.正火可替代完全退火以提高效率，只适用于碳素钢、低、中合金钢。高合金钢空冷得到M，空淬,0.25 0.6,第五节 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速,度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能.,真空淬火炉,或B下,一、淬火温度,1、碳钢 亚共析钢,淬火温度为Ac3+3050。预备热处理组织为退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,M 板+针,M+A 板+针,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为F+M，强度、硬度低,但塑韧性好.,35钢(含0.35%C)亚温淬火组织,低合金焊接结构钢18MnMoNb 16Mn 16MnV亚温淬火提高了该钢在350度时的热强性和塑性，改善焊缝热影响区的韧性，降低韧脆转变温度.,AC3以下5-10 加热回火后强硬及韧性有最大值。,20钢亚温淬火制化工机械用弯头满足-50 下的工作性能要求，节约低温用合金钢,共析钢淬火温度为Ac1+3050；淬火组织为M+A。,过共析钢淬火温度:Ac1+3050.温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A。(预备组织为P球),T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,灰白为：M+A 黑为：M 白为：Fe3C颗粒,5.2 钢的淬火与回火,一、淬火：加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却M+A,1碳钢淬火温度的决定,淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火温度过高A粗大M粗大淬火应力变形，开裂,2、合金钢淬火温度由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火温度为Ac3+50100。共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50100。,钢坯加热,二、淬火介质,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小,内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用了合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质。,、淬火方法,采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。,2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状,复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷(空)。(150-260 2-5min),可减少内应力，用于形状复杂、小尺寸工件。刀具量具及变形要求小的精密工件。,盐浴炉,电极盐浴炉 高温1300高速钢高合金钢淬火加热 中温850碳钢、合金钢 淬火加热、高速钢淬火预热 低温650高速钢工件预热、回火加热。,碱浴 80%KOH 20%NaOH 6%H2O盐浴 55%kNO3+45%NaNO3(NaNO2),4、等温淬火法将工件在稍高于 Ms 的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。空冷经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.一般不再进行回火处理。适用于形状复杂及要求较高的小型件。,淬火方法,45钢的淬火工艺曲线：,油冷,M,T,第六节 钢的淬透性,网带式淬火炉,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。,一、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.,二、淬透性与淬硬层深度的关系,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关.工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。,三、影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vk越小。,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素.即除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,四、淬透性的测定及其表示方法,1、淬透性的测定常用末端淬火法,示，J 表示末端淬透性，d 表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC 为半马氏体区的硬度。,2、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示,即用 表,用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0(C)表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。,淬透性不同的钢材经调质处理后,沿截面的组织和机械性能差别很大。如直径为30mm的40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体,机械性能均匀,强度高,韧性好。而直径为30mm的40钢的表层为回火索氏体,心部为片状索氏体+铁素体,心部强韧性较差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。,40CrNiMo,40Cr,40,3、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。淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。,不同冷却条件下的转变产物,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,？,？,？,第七节 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（一般空冷）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。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、稳定尺寸。淬火M 和 A都是非平衡组织，有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4、对于某些高淬透性的钢，空冷即可淬火，如采,用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,二、钢在回火时的转变,淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,网带式回火电炉,回火时组织转变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(-FeXC)，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(低过饱和度的固溶体)上，这种组织称回火马氏体，用M回表示。,透射电镜下的回火马氏体形貌,共格关系是指两相界面上的原子恰好位于两相晶格的共同结点上。,碳化物(-FeXC)与低过饱和度的固溶体共格,回火马氏体,在光镜下M回为黑色，A为白色。0.2%C 时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。2、残余奥氏体分解,200-300时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms 上升，A 分解,为-碳化物和过饱和铁素体，即M回。,应力大量消除，M回 转变为在 保持马氏体形态的 铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示.,发生于250-400，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分，内,回火托氏体,3、-碳化物转变为Fe3C,4、Fe3C聚集长大和铁素体多边形化400以上，Fe3C开始聚集长大。450以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。,回火时的性能变化回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。,200-300，由于高碳钢中A转变为M回,硬度再次升高。大于300,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。,三、回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。,1、第一类回火脆性又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。M-沿M条或片的边界析出断续的薄壳状碳化物，降低境界强度。快冷慢冷皆不能消除。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内所有工业用钢进行回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。采用等温淬火代替淬火回火。回火时应避开这一温度范围。特例：高碳钢、合金工具钢可以T10高碳钢冲头常在230-300 回火寿命最高，否则以脆断开裂。CrWMn六角螺母冷锻模180 回火HRC60以上，极易产生开裂，260回火HRC56-58，避免了开裂，寿命大大提高。许德珠,2、第二类回火脆性又称可逆回火脆性。是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性.回火后快冷不出现，是可逆的。防止办法：回火后快冷。,加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。大件冷速慢快冷效果不好,四、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。,淬火加高温回火的热处理称作调质处理，简称调质.,以45#钢为例的调质工艺曲线：,淬火+高温回火调质处理,回火工艺及其应用,记注：淬火+高温回火调质处理,第八节 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。,轴的感应加热表面淬火,1、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.,2、预备热处理工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。目的:为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织。,3、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.4、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).,感应加热表面淬火示意图,5、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。,高频感应加热表面淬火,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2500-8000 Hz，淬硬层深度2-10mm。,工频感应加热频率为50Hz，淬硬层深度1015mm,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。,激光表面热处理,典型齿轮选材及工艺路线设计举例,机床齿轮 机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。因此，一般可选中碳钢(45钢)制造，为了提高淬透性，也可选用中碳合金钢(40Cr钢)。,工艺路线为：下料-锻造-正火-粗加工-调质-精加工 轮齿高频淬火及低温回火-精磨。,第九节 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。,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。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。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。,一、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+2N2、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。,氮化扩散层,齿轮、凸轮的机械性能要求表面：硬，耐磨，耐疲劳 M心部：塑，韧，耐冲击 F，P,解决思路：选材低淬透性材料工艺只改变表层组织表面淬火同时改变表层组织、成分化学热处理,二、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1、渗碳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。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。汽车拖拉机变速箱齿轮活塞销摩擦片及轴类。,经渗碳的机车从动齿轮,气体渗碳法示意图,3、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,4、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。,常用的淬火方法,渗碳件常用的淬火方法,5、渗碳后的热处理淬火+低温回火,回火温度为160-180.淬火方法有：预冷淬火法渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,钢渗碳、淬火、回火后的性能,(1)表面硬度高 达58 HRC64 HRC以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达30 HRC45 HRC。(2)疲劳强度高 表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。,汽车齿轮,汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。采用表面淬火不能满足使用性能。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。高的硬度而耐磨性及疲劳极限，而心部有较高的强度和韧性，以抵抗冲击断裂。渗碳齿轮的工艺路线为：下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬火及低温回火-喷丸-磨削加工。,例：北京吉普车后桥圆锥主动齿轮。,以上图纸上应标明,气体渗碳法的改进,计算机控制的煤油+甲醇分段渗碳,20CrMnTi汽车齿轮气体渗碳工艺,缩短渗碳时间，提高渗碳质量,无炭黑,气体渗碳法的改进,稀土催渗渗碳 在有机液体(煤油、甲醇等)中，溶入一定量的稀土盐类，使渗速快，且降低了渗碳温度，减少了渗碳件的变形。,低温快速渗碳,真空渗碳法新发展起来的高温渗碳技术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.由于渗碳炉无氧化性气体，零件表面无吸附的气体，因而表面活性大，通渗碳气体后，渗碳速度快.渗碳时间约为气体渗碳的1/3。优点:表面质量好,渗碳速度快.缺点：成本高,真空渗碳炉,三、钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1、氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2、氮化温度为500-570氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。,3、常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。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,离子氮化法,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。,工件变形小.因氮化温度低，氮化后不需热处理.耐蚀性好.因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、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。高速传动的精密齿轮、镗床、磨床主轴、变动载荷作用下要求疲劳极限高的零件高速柴油机曲轴，抗热耐腐蚀阀门,气体氮化的温度低500600变形小，对心部调质组织影响小,气体氮化件的工艺路线：,锻造退火机械粗加工调质半精加工 去应力退火粗磨氮化精磨,说明：为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理；为减少在氮化中的变形，切削加工后要进行去应力退火。,气体氮化的时间长3050h,气体氮化的硬度高HV1000-1100高耐磨性，热硬性 600-650,气体氮化高的疲劳强度和抗腐蚀性能,锻造退火粗加工 调质处理半精加工去应力退火 粗磨氮化精磨,一般氮化件的加工工艺路线,碳氮共渗（氰化）,低温气体氮碳共渗（气体软氮化）：氨+甲醇温度：560-570 时间;2-3h 在该温度和时间的共渗层硬度最高。渗层厚度：0.01-0.02mm特点：温度低 时间短 变形小能显著提高疲劳极限、耐磨、耐蚀性N在-Fe中的过饱和固溶体，表面膨胀。,碳氮共渗（氰化）,高温气体碳氮共渗：煤油+氨气温度：830-850 时间：3-4h 渗层厚度：0.5-0.6mm组织：淬火低回后：含氮马氏体能显著提高疲劳极限、耐磨、耐蚀特点：温度低 时间短 渗速快 变形小汽车、机床上的的齿轮、涡轮、涡杆及轴类零件,渗层不能超过0.8mm，所以不能用于承受很高压强和厚渗层的零件。,几种表面热处理工艺的比较,热处理新技术,在空气炉中进行加热时，钢件常表面发生氧化脱碳影响工件热处理后的表面质量和性能，这是由于空气中存在氧气的缘故。避免上述缺陷的方法：排除炉内氧气。把空气抽掉：真空热处理。向炉内通入保护钢件不氧化、不脱碳的气体：可控气氛热处理。形变热处理,