机械制造技术基础hfut第2(34)章机械工程材料基础.ppt

第5节 钢的热处理,热处理：将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。,热处理的三个阶段：加热、保温、冷却。如图1-29所示是最基本的热处理工艺曲线。,1.加热和冷却时的转变温度,要使钢的组织发生变化，必须加热到相变温度以上，相变温度可由 相图来确定。但在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，如图1-30所示，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。加热和冷却速度越快，偏离越严重。常用、表时加热时偏离的相变温度。用、表示冷却时偏离的相变温度。,图1-30 加热（冷却）时相变温度,2.5.1 热处理过程中的组织转变,2.钢在加热时的组织转变,奥氏体化：为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。,奥氏体的形成：,以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（F+Fe3C），当加热到 以上时，珠光体转变为奥氏体。其过程如下：,2）奥氏体晶核长大。通过原子扩散，使渗碳体不断溶解和铁素体晶格由体心立方晶格改组为面心立方晶格。,1）奥氏体晶核形成。首先在铁素体和渗碳体的晶界上出现奥氏体晶核，因为相界面的原子排列紊乱，晶体缺陷较多，易于形核。,3）残余渗碳体的溶解。铁素体先消失，渗碳体继续向奥氏体溶解完；,4）奥氏体均匀化。残余渗碳体溶解完后，碳的浓度并不均匀，在原来渗碳体的地方碳含量高，铁素体处低，保温一定时间，碳原子扩散，得到均匀的奥氏体组织。,亚共析钢和过共析钢，加热到 时，只有珠光体转变为奥氏体，随着加热温度升高，铁素体和二次渗碳体才不断向奥氏体转变，到加热温度超过 或 时，才全部转变成奥氏体。珠光体组织比较细密，形成奥氏体的晶核较多，因而珠光体刚转变成奥氏体时，其晶粒比较细小。但若升高温度或保温时间过长，晶粒将长大。,3.钢在冷却时的组织转变,热处理工艺中常用的冷却方式：连续冷却、等温冷却。,钢经奥氏体化后，冷却条件不同，转变产物的组织结构、性能均不同。,1）连续冷却。将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。,2）等温冷却。将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度，进行保温，使过冷奥氏体在该温度下恒温转变。,注：过冷奥氏体。冷却至A1以下尚未转变的奥氏体，是暂时存在的，处于不稳定状态的奥氏体。,下面以共析钢为例，分析奥氏体在不同温度下冷却时的组织转变。,奥氏体等温转变图：将不同等温转变过程中奥氏体转变开始和终结时间，标注在温度时间坐标系中，分别连接开始转变点和终结点，所得的图即为等温转变图，共析钢的等温转变图如图1-31所示。A1为奥氏体转变的临界温度，此线以上为奥氏体稳定区，左边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变开始线，其左方为过冷奥氏体区，右边的一条C曲线为过冷奥氏体的转变终结线，其右方为转变产物区，中间为转变区，下方的两条水平线分别为马氏体转变开始线（Ms=2300C)和终结线（Mf=-500C)。由图可知，过冷奥氏体等温转变的孕育期不同，以转变开始线与纵坐标的距离来表示，孕育期越长，过冷奥氏越稳定，C曲线鼻尖部位（约5500C）,转变最快。,图1-31 共析钢等温转变图,依据等温转变图，奥氏体的转变过程如下：,图3-3 共析钢等温转变图,1）高温转变（珠光体转变）。在A1线至5500C，转变产物为铁素体与渗碳体片层相间的珠光体型组织。其中在A16500C为粗片状珠光体，硬度在1723HRC。6500C6000C为较细片状珠光体，亦称索氏体，硬度在23-32HRC。6000C5500C为极细片状珠光体，亦称托氏体，硬度在3340HRC。层片越细，强度、硬度越高、塑性韧性越好。,2）中温转变（贝氏体转变）。在5500CMs温度范围内，得到过量碳浓度的铁素体和微小的渗碳体混合物。在5500C3500C，得到羽毛状的上贝氏体，硬度较高4045HRC，强度较低、塑性韧性较差。在3500CMs，得到黑色针状的下贝氏体，硬度高4555HRC，强度较高、塑性韧性较好。,图1-31 共析钢等温转变图,马氏体可分为片状马氏体和板条状马氏体，含碳量C1.0%的为片状，其硬度高，脆性大。含碳量C0.2%的为板条状马氏体，其强度、韧性较好。含碳量0.2%C1.0%的为片状马氏体和板条状马氏体的复合组织。,图1-31 共析钢等温转变图,3）低温转变（马氏体转变）。在Ms以下，得到碳在 中的过饱和固溶体，即马氏体。马氏体转变速度极快，瞬间完成。马氏体量随温度下降而增加，但总有一部分奥氏体残留下来，称为残余奥氏体，它将降低钢的硬度，影响零件形状、尺寸的稳定性。,2.5.2 钢的热处理工艺,钢的热处理可分为普通热处理（如退火、正火、淬火、回火等）和表面热处理。,1.退火 退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺。,退火的目的：,1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；,2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；,3）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。,退火的分类：各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图1-32所示。,图1-32 退火正火工艺规范示意图,1）完全退火。加热到Ac3以上30500C，保温，缓冷至3000C左右，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。,2）球化退火。使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到Ac1以上20300C，保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度提高韧性，改善切削加工性能。,图1-32 退火正火工艺规范示意图,3)去应力退火。为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为6006500C，铸铁件为500550，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。,4）扩散退火(均匀化退火)。将钢加热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。,2.正火 正火是将工件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30500C，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。,正火主要应用于：,1）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；,2）对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；,3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。,3.淬火 淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。,1）淬火加热温度。根据钢材的化学成分决定，亚共析钢在Ac3以上30500C，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体。若温度低于Ac3，将出现自由铁素体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。共析钢和过共析钢加热温度在Ac1以上30500C，得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。,2）淬火冷却方法。冷却介质对淬火效果有很大影响，常用的有水、油和盐、碱的水溶液。水用于形状简单、截面较大的碳素钢工件。油用于合金钢和复杂的碳素钢。常用淬火方法如图1-33所示。1表示单液淬火，2表示双液淬火，3表示分级淬火，4表示等温淬火。,3）淬透性和淬硬性。,图1-33 常用淬火方法示意图,淬透性：钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。,淬硬性：钢淬火时能达到的最高硬度。,淬火方法,1单液淬火 淬火工件放入一种淬火介质中，连续冷却到室温的方法。水淬容易变形和开裂，油淬容易产生硬度不足。2双液淬火 加热工件放入水中淬火，达到MS温度前取出放入油中冷却，又称水淬油淬法。利用水淬和油淬优点，获得理想的冷却条件。缺点是操作复杂。还有水淬空冷、油淬空冷。3分级淬火 工件奥氏体化后，先放入温度稍高于MS点冷却介质中，然后取出空冷。工件内外温差小，产生内应力小，变形轻微，防止变形开裂。4等温淬火 加热到奥氏体化后，快冷到贝氏体转变区，保温足够长的时间，使过冷奥氏体转变成下贝氏体，然后 取出空冷。强度高、韧性好，变形小，适用于复杂形状或尺寸较小工具。,4.回火 回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,回火目的：淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬火马氏体是不稳定的组织，它有变为稳定状态的趋势，而使零件尺寸变化，并存在内应力，零件容易变形和开裂。为此利用回火来达到以下目的：,1）减少和消除淬火应力；,2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂；,3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。,回火的种类及应用：,1）低温回火。加热温度为1502500C，得到碳的过饱和程度稍小的固溶体回火马氏体，硬度较高，在HRC5864之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。,2）中温回火。加热温度为3505000C，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物回火托氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在HRC3545；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。,3）高温回火。加热温度为5006500C，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物-回火索氏体，有较高的强度和硬度，25-35HRC，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。,5.表面热处理 表面热处理是使工作表面具有高的硬度和耐磨性，心部有足够的韧性和塑性的热处理。常用的有表面淬火及化学热处理。,2）表面淬火。对工件表层迅速加热至淬火温度，而心部温度仍保持在临界温度以下，然后快速冷却，使钢的表面至一定深度的组织为马氏体，心部仍为原始组织的热处理工艺。,1）化学热处理。将工件置于一定温度的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入它的表面，改变其表面的化学成分、组织和性能的热处理。使表面具有耐磨、耐腐蚀、耐热等性能。分为渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗铬等金属、多元共渗等。P60-61,1）火焰加热表面淬火。使用氧-乙炔火焰喷向工件表面，立即喷水冷却的淬火方法。如图1-34所示。,2）感应加热表面淬火。利用感应电流产生的热效应莱加热工件表面，喷水冷却的方法。如图1-35所示。,图1-34 火焰加热表面淬火示意图,图1-35 感应加热表面淬火示意图,5.2典型机械零件的选材,齿轮类零件的选材,齿轮的工作条件与性能要求1.工作条件：1）齿根承受很大的交变弯曲应力；2）齿部承受一定的冲击载荷；3）齿面相互滚动，承受很大的接触应力，并发生强烈摩擦。2.失效形式：1）断齿；2）齿面接触疲劳损坏；3）齿面磨损；4）齿面塑性变形；3.性能要求：1）高的接触疲劳强度、高的表面硬度、足够的抗弯强度等。,5.2.1.2 齿轮材料选择 主要依据：齿轮的传动方式、载荷性质的大小、传动速度、精度要求、淬透性及齿面硬化要求等。,1.轻载，低、中速，冲击力小，精度要求低。选用中碳钢制造，调质硬度一般为200280HBW。2.中载，中速、受一定冲击载荷、运动较平稳。选用中碳钢或合金调质钢，最终热处理+高频或中频淬火+低温回火，硬度可达5055HRC。3.重载，中、高速，且受较大冲击载荷。选用合金渗碳钢，渗碳淬火+低温回火后，硬度5863HRC。,典型齿轮选材及加工工序安排举例1.机床齿轮：CM6032机床 材料：45钢。热处理：正火，840860调质，硬度160217HBW；高频淬火+120200低温回火，硬度5055HRC。,加工工艺路线：锻造正火粗加工调质半精加工高频淬火及低温回火精磨。正火：消除锻造应力，调整硬度以利加工；调质：具有较高的综合力学性能；高频淬火：提高表面硬度和耐磨性，增强抗疲劳破坏能力；低温回火：消除淬火应力。,2.汽车、拖拉机齿轮,材料：20CrMnTi热处理：表层wC=0.81.05%，渗碳层深度为0.81.3mm，齿面硬度5862HRC，心部硬度3742HRC。,加工工艺路线：锻造正火粗加工、半精加工渗碳淬火+低温回火。热处理方法：正火，950970空冷，硬度179217HRW；渗碳，920940，保温46h，预冷至830850油淬，低温回火18010，保温2h。,轴类零件的选材,轴的工作条件与性能要求 1.工作条件：交变应力，轴颈承受较大的摩擦，一定的过载或冲击。2.性能要求：综合力学性能；高的疲劳强度；相对运动部位应具有高的硬度等。,轴类零件材料选择 1.轻载、低速，不重要的轴：可选碳素结构钢，不进行热处理；2.中等载荷或要求精度不高：中碳优质碳钢。调质+表面淬火+低温回火；3.较大载荷或要求精度高：合金钢。,加工工艺路线：锻造正火粗加工调质半精加工表面淬火+低温回火磨削加工。,正火：改善组织，调整硬度以利加工；调质：得到综合力学性能；表面淬火+低温回火：提高硬度，增加耐磨性。,2.汽车半轴,材料：40Cr,热处理技术条件：,正火，187241HBW，调质，杆部3742HBW，盘部外圆2434HRW。,加工工艺路线：锻造正火机加工调质盘部钻孔精加工。,正火的目的是调整硬度，以利加工；改善锻造组织，为调质作准备。调质的目的是使半轴具有高的综合力学性能。,箱体类零件的选材及工艺 机床床身、床头箱、变速箱、进给箱、溜板箱、内燃机缸体等。,箱体类零件的工作条件、失效形式和性能要求（1）具有足够的强度和刚度。（2）对精度要求高的机器的箱体，要求有较好的减震性。（3）对于有相对运动的表面要求有足够的硬度和耐磨性。（4）具有良好的工艺性，如铸造性能或焊接性能。,箱体类零件的选材,1.灰铸铁（HT150、HT200、HT250）：受力不大，且主要承受静力而不受冲击的箱体（床身、变速箱等）。2.铸钢（ZG250-450、ZG270-500）：受力较大、形状较复杂的箱体（汽轮机的机壳）。3.铝合金（铸造铝合金）：受力不大、要求重量轻的箱体（飞机发动机箱体）。,课堂讨论题：,1.有一10mm的杆类零件，受中等交变拉压载荷作用，要求零件沿截面性能均匀一致，供选材料有Q345（16Mn）、45、40Cr、T12。要求：（1）选择合适的材料；（2）编制简明工艺路线；（3）说明各热处理工序的作用；（4）指出最终金相组织。,课堂讨论题：,2.请为下列机械零件、构件选择合适的材料，并安排主要的热处理工艺（如果需要进行热处理），并简述理由。,（1）汽车板簧（45、60Si2Mn、2A01）（2）机床床身（Q235、T10A、HT200）（3）受冲击载荷的齿轮（40MnB、20CrMnTi、KTZ450-06)（4）桥梁结构（Q345、40、3Cr13）（5）滑动轴承（GCr15、ZSnSb11Cu6、耐磨铸铁）（6）曲轴（9SiCr、Cr12MoV、50CrMoA）（7）螺栓（40Cr、H70、T12A）（8）高速切削工具（W6Mo5Cr4V2、T8MnA、ZGMn13),课堂讨论题：,3.有一从动齿轮用20CrMnTi钢制造，使用一段时间后发生严重磨损，齿已磨秃（如图示）。从轮齿切面正中A、B、C三点进行硬度、化学成分和金相分析，结果如下表：,齿轮制造工艺路线：锻造正火切削加工渗碳预冷淬火低温回火精磨。又知与此齿轮同时加工的其他齿轮未发生类似失效情况，试分析该齿轮失效原因。,热处理工艺与机械零件结构工艺性,1.避免厚薄悬殊，防止冷却不均热应力增大，造成的变形和开裂的倾向加大，如图3-16；2.避免尖角和棱角（淬火应力集中的地方），如图3-17；3.采用对称结构，如图3-18；4.增加工艺肋，如图3-19、20；5.采用组合结构，如图3-21、22。,热处理工艺与机械零件结构工艺性,思考题：,1.试述共析钢加热时奥氏体形成的几个步骤。,2.试述过冷奥氏体转变产物的组织和性能。,3.何谓淬透性，与淬硬性有何不同？,4.现有45钢制造的轴，工艺路线为：锻造热处理机加工热处理精加工。试写出上述热处理工序的方法及其作用。,材料及热处理技术发展,热处理设备PPTIPSEN/AICHELIN介绍中信重工热处理介绍介绍热处理学科发展见附件,