钢的热处理及表面热处理.ppt

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1、05:13:05,在热处理中，冷却过程非常重要，热处理转变曲线可以形象表述冷却速度与转变产物之间的关系。热处理方法：淬火、回火、退火、正火等。此外，还有表面热处理和表面化学热处理等方法。,钢的热处理及表面热处理,本章要点:,利用加热或加热后冷却的方法来调节和改善其材料组织结构和力学性能，达到充分发挥材料的性能潜力目的。,05:13:05,6.1 概述6.2 钢在加热时的组织转变6.3 钢在冷却时的组织转变6.4 钢的退火和正火6.5 钢的淬火6.6 钢的淬透性6.7 钢的回火6.8 钢的表面淬火6.9 钢的化学热处理6.10 热处理零件的结构工艺性6.11 钢铁的表面处理6.12 热处理技术的

2、发展动向,主要内容,05:13:05,6.1 概 述,1.钢的热处理(heat treatment),一、概念,是指在固态下通过对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的组织结构，从而获得所需要性能的一种工艺。,2.热处理工艺,确定热处理加热温度、保温时间、冷却介质等工艺参数称为热处理工艺。,05:13:05,二、依据,钢在加热和冷却过程中组织转变规律,单相合金从高温到低温只存在一种组织状态，这类金属在加热和冷却过程中不发生组织变化，当然其性能采用热处理也无法改变。对于钢铁材料（如碳钢、铸铁、一般合金钢等）在固态下都会发生组织转变，金属的同素异构转变，钢在固态下的共析反应，就是热处理的依据。,0

3、5:13:05,大部分机械零件都需要进行合适的热处理。,三、分类,钢的热处理,普通热处理：退火、正火、淬火、回火,表面热处理：表面淬火、表面化学热处理,（作用）,（工艺方法）,预先热处理,最终热处理,作为机械零件切削加工前的一个中间工序，以改善切削加工性能及为后续工序做组织准备的热处理。,为获得零件最终使用性能的所有热处理。如：轴的调质处理,特殊热处理：形变、真空、光亮,05:13:05,特点：它不改变工件的形状和尺寸；只改变其组织和性能。它是保证工件内在质量的重要工序。,四、特点与目的,热处理的重要意义在于，它是赋予工件最终性能的关键工序。不少重要零件加工成型后，并不能直接使用，而必须进行热

4、处理，以获得最优的使用性能。,例如，汽车、拖拉机后桥主动齿轮（20CrMnTi）经过热处理，其使用寿命可达6000h以上，而未经处理的使用寿命仅1500h以下。可见同样钢材制造的齿轮经热处理后寿命成倍的增加。在机床制造中，70%的零件要进行热处理；在汽车、拖拉机制造中，7080%的零件要热处理；各类工具（刃具、量具、模具等）和滚动轴承，则是100%需要热处理。因此，热处理能有效的发挥材料的潜在能力，做到“物尽其用”。,05:13:05,五、设备,箱式炉、台车炉、推杆炉、输送带炉、流态粒子炉、可控气氛炉、真空炉等,炉子的质量、性能和自动化程度等是热处理质量保证的重要条件。,05:13:05,箱式

5、电阻炉,台车式电阻炉,连续式热处理炉,05:13:05,Tc,六、加热工艺,05:13:05,在铁一碳平衡相图中的A1、A3、Acm是热处理中常用的三条相变线。连续加热温度要比平衡态高一个过热度称为Ac1、Ac3、Accm。连续冷却时要比平衡态低一个过冷度称为Ar1、Ar3、Arcm。,6.2 钢在加热时的组织转变,变温度，钢在加热和保温阶段，将发生室温下的组织向奥氏体转变，称为奥氏体化。钢热处理后的组织和性能以及热处理缺陷都与奥氏体化的实际情况（化学成分、均匀性和晶粒大小等）密切相关，因此了解奥氏体形成规律是很必要的。,05:13:05,奥氏体的形成也成为奥氏体化是通过成核及长大的机制来实现

6、的。成核和长大的过程靠铁原子和碳原子的扩散,属于扩散型相变。以共析钢为例，其转变过程如图分四步。,一、奥氏体的形成,A 形核,A 长大,残余Fe3C溶解,A 均匀化,05:13:05,亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是有先共析相。其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，然后再进行先共析相的溶解。这个PA的转变过程同共析钢相同，也是经过前面的四个阶段。对于亚共析钢，平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，PA，在AC1AC3的升温过程中，先共析的F逐渐溶入A，同样，对于过共析钢，平衡组织是Fe3C+P，当加热到AC1以上时，PA，在AC1ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中

7、。,05:13:05,起始晶粒度是指加热时各种原始组织刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。实际晶粒度是指钢在具体的热处理或热加工条件下实际获得的奥氏体晶粒度的大小。它直接影响钢的性能，实际晶粒度一般总比起始晶粒度大，通常结构钢的奥氏体晶粒度分为10级。1级最粗，10级最细。本质晶粒度是用来表示奥氏体晶粒长大的倾向性。不同冶炼工艺的钢，奥氏体晶粒长大倾向是不同的。本质粗晶粒钢：A晶粒度随温度升高不断迅速长大；本质细晶粒钢：A晶粒不容易长大。本质晶粒度不是用来表示晶粒大小，而用来表述钢在规定的加热条件下奥氏体晶粒长大倾向性的大小。,二、奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素,1.奥氏体晶粒度 起始晶粒度

8、、实际晶粒度和本质晶粒度。,05:13:05,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),本质粗,本质细,05:13:05,05:13:05,1.加热温度：随加热温度的提高,奥氏体化速度加快。2.加热速度：加热速度越快，发生转变的温度越高，转变所需的时间越短。3.钢中碳含量：碳含量增加，铁素体和渗碳体的相界面增大，转变速度加快。4.合金元素 钴、镍等加快奥氏体化过程；铬、钼、钒等减慢奥氏体化过程；硅、铝、锰等不影响奥氏体化过程。由于合金元素的扩散速度比碳慢得多，所以合金钢的热处理加热温度一般较高，保温时间更长。5.原始组织 原始组织中渗碳体为片状时奥氏体形成速度快，渗碳体间距越小，转变

9、速度越快。,三、影响奥氏体转变速度的因素,05:13:05,在A1以上温度奥氏体是稳定的。过冷至A1以下就成为不稳定的过冷奥氏体，以符号A冷表示。随着过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：即珠光体型转变，贝氏体型转变和马氏体型转变。现以共析碳素钢为例，对三种类型转变以及珠光体、贝氏体和马氏体组织形态与性能分别进行讨论。,6.3 钢在冷却时的组织转变,一、冷却方式 钢在奥氏体化后，冷却的方式通常有两种：(1)等温处理 即将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。(2)连续冷却 即钢以某种速度从高温到低温度连续冷却，在临界点以下变温连续转变。,05:13:05,(1

10、)珠光体(pearlite)类型的组织形态及性能 温度范围：A1550 组织形态：铁素体和渗碳体层片相间的机械混合物。由于转变温度不同，原子扩散能力不同形成的片层厚度也不同，根据层片的厚薄，这类组织可细分为：珠光体、索氏体、托氏体三种类型。下面分别来看一下三种组织。,二、珠光体型转变,060329,05:13:05,形成温度：A1650片层厚度：0.4m硬 度：约为160HBS250HBS。在500倍以下的光学金相显微镜下即可分辨片层，用符号P表示。,珠光体,3800X,05:13:05,形成温度：650600片层厚度：0.2m0.4m之间硬 度：约25HRC35HRC。一般在8001000倍

11、光学金相显微镜下才可分辨片层，用符号S表示。,索氏体(sorbite),托氏体(troostite)形成温度：600550片层厚度：0.2m硬 度：约35HRC48HRC只有在高倍的电子显微镜下才能分辨出片层，用符号T表示，,8000X,05:13:05,（2）珠光体转变过程,奥氏体转变为珠光体也是成核和长大过程。首先在奥氏体晶界上产生渗碳体晶核。片状渗碳体晶核向纵向和横向长大时吸收两侧奥氏体中的碳原子，从而使渗碳体片两侧奥氏体的碳的质量分数显著降低，为铁素体成核创造了条件，形成铁素体。新形成的铁素体片伴随着渗碳体生长，由于铁素体成核溶碳能力低，在横向生长时，必须向侧面的奥氏体中排除多余的碳。

12、为形成另二片渗碳体创造条件。,05:13:05,珠光体型转变是一种典型的扩散型相变。转变时有两个物理过程同时进行：一是碳原子和铁原子迁移产生高碳的渗碳体和低碳的铁素体；二是晶格重构，由面心立方的奥氏体转变成体心立方的铁素体和复杂立方的渗碳体。,05:13:05,(1)贝氏体(bainite)组织形态和性能 过冷奥氏体在550Ms温度范围内将转变成贝氏体类型组织，贝氏体用符号“B”表示。由于转变温度的不同，贝氏体的组织形态也不同，可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。,三、贝氏体型转变,上贝氏体形成温度在550350，上贝氏体形态呈羽毛状。,05:13:05,形成温度范围在350Ms。下贝氏

13、体形态呈竹叶状。在电子显微镜下可以看出，下贝氏体是由针片状过饱和固溶体和与其共格的碳化物（Fe2.4）组成，Fe2.4呈短条状，分布在过饱和的固溶体针的内部排列成行，并与过饱和固溶体针的长轴约呈5560角。,下贝氏体(lower bainite),05:13:05,贝氏体力学主要取决于组织形态。上贝氏体塑变抗力较低，易引起脆裂，因此上贝氏体的强度和韧性均不高，在生产中基本不使用。下贝氏体除有较高的强度和硬度外，还有较好的塑性和韧性，即具有优良的综合力学性能，是生产上常用的组织。获得下贝氏体组织是强化钢材的重要途径之一。,贝氏体的力学性能,05:13:05,发生贝氏体转变时，首先在过冷奥氏体的贫

14、碳区形成过饱和固溶体晶核（其碳的质量分数较高，是过饱和状态），然后随碳原子的扩散逐渐长大，在贝氏体转变过程中，由于转变温度低，只发生碳原子扩散，大质量的铁原子基本不扩散，属于半扩散型转变。,(2)贝氏体转变过程,当温度较高(550350)时，条状过饱和固溶体从奥氏体晶界向晶内平行生长，形成上贝氏体组织。,05:13:05,当温度较低(350Ms)时，形成下贝氏体组织形貌。,贝氏体转变速度主要受碳原子扩散速度影响。转变温度越低，碳原子迁移越困难，因而形成贝氏体的速度也就越慢。,05:13:05,（1）马氏体(martensite)组织形态和性能 转变温度：Ms以下（对于共析钢为230以下）获得马

15、氏体，是钢件强韧性的重要基础。由于钢的种类、成份不同，以及热处理条件的差异，使马氏体的形态和内部精细结构以及形成裂纹的倾向性等发生很大变化，这些变化对马氏体力学性能影响很大 因此掌握马氏体的组织形态以及了解影响马氏体形态的各种因素是十分重要的。,四、马氏体型转变,05:13:05,马氏体晶体结构,马氏体是过饱和的固溶体，用M表示,c/a1 称为马氏体的正方度含碳量高，正方度大,05:13:05,马氏体组织形态主要有两种类型。一类是板条状马氏体(1ath martensite)，一类是针片状马氏体(acicular martensite)。板条状马氏体的立体形状细长板条状。显微组织呈一束束的细条

16、状组织，每束内条与条之间大致平行排列，束与束之间有较大的晶格位向差。在一个奥氏体晶粒内可以形成几个位向不同的马氏体束。在透射镜下，马氏体板条内的亚结构是高密度的位错,因而也称位错马氏体。,马氏体的组织形态,05:13:05,针状马氏体的立体形态呈双凸透镜状，显微组织为针片状，是立体形态的截面。片与片之间有较大的位相差。在一个奥氏体晶粒内，先形成的马氏体片横贯奥氏体晶粒，但不能穿越晶界，后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片也就越小。显然，奥氏体晶粒越细，马氏体片的尺寸也就越小。在透射电下，针片状马氏体的亚结构主要是孪晶，因而这种马氏体又称孪晶马氏体。,实际淬火操作时

17、，由于加热温度比较低，奥氏体晶粒非常细小，淬火后马氏体的组织也非常细小，马氏体形态在光学显微镜下难以分辨，这种马氏体称为隐晶马氏体。,05:13:05,当碳的质量分数小于0.2%时，马氏体转变后的组织全部是板条马氏体，当碳的质量分数高于1%时，则几乎全部是片状马氏体，碳的质量分数介于 0.2%1%之间时是板条马氏体和针状马氏体的混合组织。,马氏体的形态主要取决于碳的质量分数。,05:13:05,主要特点：高硬度高强度。马氏体的硬度主要受碳的质量分数的影响，当碳的质量分数达到0.6%以上，其硬度变化趋于平缓。,马氏体性能,马氏体强化的主要原因是由于过饱和碳原子引起的品格畸变，即固溶强化。此外马氏

18、体在转变过程中产生的大量晶体缺陷(如位错、孪晶等)和引起的组织细化，以及碳以弥散碳化物形式析出都对钢的强化有不同程度的贡献。合金元素存在对钢中马氏体的硬度影响不大。,05:13:05,马氏体转变是在较低的温度下进行的，因而具有一系列的特点，主要有：,（2）马氏体转变特点,无扩散性,切变共格和表面浮凸现象,变温形成,高速长大,转变不完全,05:13:05,Ms和Mf点的温度与冷却速度有关，主要取决于奥氏体的碳的质量分数和合金元素的质量分数。,05:13:05,由于转变温度不同，过冷奥氏体将按不同机理转变成不同组组织（珠光体、贝氏体、马氏体）。虽然转变类型主要取决于转变温度，但是转变量和速度又与时

19、间密切相关。通常可以用温度、时间、和转变量之间关系的过冷奥氏体转变曲线表示。,五、过冷奥氏体转变曲线,1.过冷奥氏体等温转变曲线（TTT曲线）将奥氏体迅速冷至临界温度（A1）以下的一定温度，并在此温度下进行等温，在等温过程中所发生的相变称为奥氏体等温转变。曲线综合反映了过冷奥氏体在不同过冷度下等温转变过程：转变开始和终了时间，转变产物和转变量与温度和时间的关系。由于等温转变曲线通常呈“C”形状，故又称C曲线。,05:13:05,(1)等温转变曲线的建立,金相法,将转变开始点a和转变终了点b标在同一个转变温度-时间的坐标图上，并分别连接各转变开始点和转变终了点，标出转变产物，可得该曲线，即C曲线

20、。,05:13:05,05:13:05,碳的影响形状(产物)位置(稳定性),(2)影响C曲线的因素,亚共析钢的的C曲线随碳的质量分数的增加向右移。过共析钢的C曲线随碳的质量分数的增加向左移。,05:13:05,合金元素的影响形状、位置、,Co左移，其它右移，部分(Cr、Mo、W、V)双C曲线,05:13:05,加热温度和保温时间的影响,温度高、时间长导致奥氏体成分均匀、晶粒粗大，未溶碳化物减少，过冷奥氏体稳定性增加，C曲线右移。,05:13:05,2 奥氏体连续冷却转变C曲线,CCT曲线 Continuous、Cooling、Transformation只有P、M转变k为临界冷却速度,05:1

21、3:05,连续冷却与等温冷却的比较,孕育期不同过冷度不同转变产物不同实际生产中的应用,05:13:05,过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用,1-炉冷AP2-空冷AS3-油淬AT+M+A4-水冷AM Ak-临界冷却速度k,P,S,M,T,05:13:05,应用场合：预先热处理：安排在铸铁和锻造之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后工序作组织准备。最终热处理：要求不高的工件。,6.4 钢的退火和正火,退火和正火都是应用非常广泛的热处理工艺。,05:13:05,调整硬度以便进行切削加工，经适当退火和正火后，可使工件硬度调整到170HBS250HBS，该硬度值具有最佳

22、的切削加工性能。消除残余内应力，可减少工件后续加工中的变形和开裂。细化晶粒，改善组织，提高力学性能。正火可以消除过共析钢中网状Fe3C。为最终热处理（如淬火）做好组织准备。,退火和正火的主要目的:,05:13:05,1.概念：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。,一、退火(annealing),2.分类：退火根据钢的成分和工艺目的不同分完全退火等温退火球化退火均匀化退火（扩散退火）去应力退火再结晶退火,05:13:05,将钢完全奥氏体化（Ac3以上20 30），随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全

23、退火又称重结晶退火和普通退火。特点：周期比较长。应用场合：主要用于亚共析成分的中碳钢，大中型合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般是作为重要件的预先热处理，也可作为一些不重要工件的最终热处理。,完全退火,05:13:05,通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能；由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。,完全退火的目的：,05:13:05,使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。应用场合：球化退火是一种不完全退火（加热温度略高于Ac1），主要用于共析和过共析碳素钢及合金工具钢。目的

24、：是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），降低硬度，改善切削加工性能，并为后续的淬火作组织准备。,球化退火,组织：铁素体基本上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织，成为粒状珠光体。,T10钢球化退火组织(化染)500,05:13:05,是将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快的冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。特点：等温退火使工件在炉内的停留时间大大缩短，提高热处理炉的使用率，缩短生产周期，应用场合：特别适合某些合金钢的小型工件。例如，高速钢采用普通退火需要15h20h，而采用等温退火

25、所需要时间大大缩短，高速钢的普通退火工艺比较。,等温退火,等温退火对于亚共析钢可替代完全退火，对于共析钢、过共析钢，可代替球化退火。但是，装炉量不宜多。,05:13:05,均匀化退火是将铸件加热到略低于固相线的温度为Ac3+150-200长时间保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。均匀化退火主要是用于消除某些具有化学成分偏析的铸钢件及锻轧件。,均匀化退火（扩散退火）,去应力退火 去应力退火是将工件加热至Ac1以下某一温度（根据具体需要确定）保温后随炉冷却到160以下出炉空冷。去应力退火是一种无相变的退火，主要用于消除铸、锻、焊件的内应力，稳定尺寸，防止后续工序中工件变形和开裂。,05:13:05,正

26、火是将钢材或钢件加热到Ac3（或Accm）以上3050，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。,二、正火(normalizing),正火与退火的主要区别：是冷却速度不同，正火后的组织比较细，比退火强度、硬度有所提高，而且生产周期短，操作简单。过共析钢正火后可消除网状碳化物，所以正火是最常用的消除网状碳化物热处理工艺；低碳钢正火可显著改善切削加工性能。碳的质量分数在0.4%以下的中碳钢都可用正火代替完全退火。因此，正火是一种优先采用的预先热处理工艺。一些大直径工件也可以用正火作为最终热处理。各种退火、正火加热范围，,05:13:05,退火和正火的选择,（1）从切削加工性上考虑 切削加

27、工性包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。（2）从使用性能上考虑 如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。（3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。,05:13:05,退火与正火的规范,05:13:05,钢的淬火(quenching)是将钢

28、件加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保持一定时间，然后以大于K的速度冷却获得马氏体和（或）下贝氏体组织的热处理工艺。主要目的：通过先获得马氏体或贝氏体，再为以后获得各种力学性能的实用回火组织做准备。,6.5 钢的淬火,05:13:05,碳素钢的淬火温度可利用Fe-Fe3C相图来选择。为防止奥氏体粗大，一般淬火温度不宜太高，一般规定淬火温度在临界点以上3050。,1.亚共析钢:淬火温度Ac3+3050。如果淬火温度过高，出现粗大马氏体组织。同时引起钢件较严重的变形或开裂。如果淬火温度过低，在淬火组织中将出现铁素体，造成钢的硬度不足强度不高。,一、淬火温度的选择,05:13:05,2.共析钢

29、和过共析钢，淬火温度为Ac1+30 50是部分奥氏体化，加之共析钢和过共析钢都是经过球化退火处理，因而淬火后的组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体。如果淬火温度过高，奥氏体晶粒粗大，淬火后的马氏体也粗大，且残余奥氏体量提高，这不仅降低硬度，耐磨性和韧性，而且会增大变形和开裂倾向。,3.合金钢，一般为临界点以上50 100，提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化，以取得较好的淬火效果。由于大多数合金元素（Mn、P除外）有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，因而淬火温度允许比碳素钢高,05:13:05,在淬火工艺中所采用的冷却介质称为淬火介质。淬火介质可以是液体或气体。淬火介质对保证淬

30、火工艺的实施起至关重要作用。,由C曲线上可知，淬火介质的冷却能力必须保证工件以大于临界冷却速度（k）冷却才能实现淬火，冷速越快，产生的内应力越大，易引起工件变形和开裂。较为理想的淬火介质应该是在C曲线“鼻尖”附近快冷，使冷却曲线不与C曲线相交，而在Ms点附近应尽量慢冷，以减少马氏体转变时产生的组织内应力。这样既保持较高的淬火冷却速度，又不致形成较大的淬火应力。理想的淬火冷却速度，见图。但到目前为止，尚找不到这种理想冷却介质。,二、淬火介质,目前常用的冷却介质仍是水和油。,060403,05:13:05,三、常用的淬火方法,单液淬火：直冷，简单易操作双液淬火：先快后慢，降低应力分级淬火：快-恒-

31、快，应力极低等温淬火：得到B下工模具、弹簧,局部淬火：量具等的局部区域冷 处 理：-70-80，降低A残%，稳定尺寸,05:13:05,局部淬火方法,05:13:05,1.淬透性的基本概念,6.6 钢的淬透性,所谓钢的淬透性(hardenability)是指规定条件下，钢材获得淬硬层深度的能力。它是钢材固有的一种属性。,钢件能否淬透与钢的淬火临界冷却速度(K)有关。,05:13:05,淬透性对钢的力学性能影响很大，如果工件淬透了，表里的性能均匀一致，能充分发挥钢材的力学性能潜力；如果未淬透，表里的性能便存在差异，尤其在高温回火后，心部的强韧性将比表层低。,2 淬透性对钢力学性能的影响,各种结构

32、零件根据其工作条件的不同，对钢的淬透性有不同的要求。如弹簧、热锻模等，要求淬透，而齿轮等要求可以不淬透。,05:13:05,影响钢的淬透性的决定性因素是临界冷却速度(K)。临界冷却速度小，钢的淬透性就越大，临界冷速与钢的化学成分和奥氏体化温度之间有密切关系。,3 影响淬透性的因素,合金元素使C曲线右移，降低vk，提高钢的淬透性。是影响淬透性的最主要因素。含碳量碳钢中的含碳量愈接近共析成分，其C曲线愈靠右。vk愈小，淬透性越好。奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，成分均匀化，从而减少珠光体的形核率，降低钢的vk，增大其淬透性。钢中未溶第二相碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥

33、氏体分解的非自发核心，使vk增大，降低淬透性。,05:13:05,目前测定钢的淬透性的最常用的方法之一是末端淬火法，简称端淬法。此法通常用于测定优质碳素结构钢、合金结构钢，也可用于测定弹簧钢、轴承钢、工具钢的淬透性。,4 淬透性的测定和表示方法,钢的淬透性值可用J 表示。其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。,钢的淬透性有时也用临界淬透直径(D0)表示，把钢加热到A相区，随后在同一淬火介质中淬火，心部得到全部M的最大直径即D0。比较D0也可判断钢的淬透性。,例如 J,表示距水冷端10mm处试样硬度值是30HRC35HRC。,05:13:05,淬硬性是指钢在正常淬

34、火条件下，所能达到的最高硬度，淬硬性主要与钢中的碳的质量分数有关。更确切地说它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的碳的质量分数。奥氏体中固溶的碳越多，淬火后马氏体的硬度也就越高。由此可见，淬硬性与淬透性的含意是不同的，淬硬性高的钢，其淬透性不一定高，而淬硬性低的钢，其淬透性也不一定低。,5 淬硬性与淬透性,05:13:05,受力情况：轴向拉压、弯曲与扭转重要与否：重要的轴、齿轮、连杆弹 簧：要求大的屈强比(s/b)阶 梯 轴：可初车后淬火焊 接 件：不宜选择淬透性高的钢材,6.淬透性的应用：,钢的淬透性是设计工件、合理选择钢材和正确制定热处理工艺的重要依据。,05:13:05,回火(temperi

35、ng)是指将淬火后的钢再加热到不超过Ac1的温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,6.7 钢的回火,1.回火的概念,钢经过淬火后必须回火！,05:13:05,回火的主要目的是：,(1)降低脆性，消除或减少内应力。防止钢件继续发生变形甚至开裂。(2)获得工件所要求的力学性能。调整硬度，减少脆性，得到所需要的韧性和塑性。(3)稳定工件尺寸。淬火M和A残是不稳定的组织，他们会自发地向稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相混合物组织转变，引起工件的尺寸和形状的继续变化。利用回火处理可以促使他们充分转变到一定程度，使其组织结构稳定化，以保证工件在以后使用过程中不再发生尺寸和形状的改变。(4)调质

36、球化。对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火后（或正火后）在进行较高温回火，使钢中MF，碳化物也适当球化，将硬度降低，以利切削加工，这种工艺称为调质球化。,05:13:05,回火其实质：是淬火的马氏体分解以及碳化物析出，聚集长大的过程，是由非平衡态组织趋向平衡态组织的转变。淬火碳素钢回火过程：大致包括M分解(80200)，A残转变(200300)，碳化物聚焦长大(250400)和固溶体的回复与再结晶(400以上)等四个阶段。,2 回火种类及应用,根据工件所需的力学性能要求，按回火温度范围，可将回火分为以下几种,得到组织：回火M、回火T、回火S和回火P四种组织。回火转变是扩散型转变。,05:13:

37、05,低温回火（150250）回火M(低过饱和F针-Fe2.4C)保证高硬度，用于工模具等 HRC5864中温回火（350500）回火屈氏体，F针Fe3C极细粒状 HRC3545，用于各种弹性元件高温回火（500650）回火索氏体，F多边形Fe3C细粒状 HRC2535淬火+高温回火调质,05:13:05,3 回火脆性,淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象称为回火脆性，或低温回火脆性。淬火钢在回火时，一般是随回火温度的增高，强度、硬度降低，塑性、韧性升高。回火温度与冲击韧度的关系曲线,第一类回火脆性，不可逆,第二类回火脆性，可逆,40机械性能随回温的变化,05:

38、13:05,钢的表面淬火目的是使零件获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原来良好的韧性和塑性的一类热处理方法，表面淬火不改变零件表面化学成分,只是通过表面快速加热淬火，改变表面层的组织来达到强化表面的目的。,6.8 钢的表面淬火,根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火，电接触加热表面淬火以及激光加热表面淬火等几种。工业上应用最多的应为感应加热和火焰加热表面淬火。,05:13:05,碳的质量分数在0.40.5的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火。这是由于中碳钢经过预先热处理（正火或调质）以后再进行表面淬火处理，即可以保持心部原有良好的综合力学性能，又可使表面具有高硬度和耐

39、磨性。若碳的质量分数过高，尽管淬火后的表面硬度、耐磨性提高，但硬化层的脆性增大，心部的塑性和韧性较低。而低碳钢由于表面强化效果不显著，均很少采用表面淬火工艺。基体组织相当于中碳钢的普通灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和合金铸铁原则上均可进行表面淬火，但以球墨铸铁工艺性为最好。,05:13:05,感应表面淬火使采用电磁感应方法使零件表面迅速加热，然后迅速喷水冷却的一种热处理操作方法。优点：是加热速度快，热处理质量好，比普通淬火硬度稍高（2HRC3HRC），脆性小，不易氧化脱碳，变形小，生产率高，易于实现自动化和机械化。,1 感应表面淬火,（1）感应加热基本原理 当工件放入感应器中，感应器通过中频或高频

40、交流电流后，在感应器周围形成交变磁场，工件在磁场中感应产生同频率的感应电流，由于钢本身具有电阻，因而集中在工件表面的电流可使表层迅速被加热，在数秒内可使工作表面温度达到8001000，而心部温度仍停在室温。,05:13:05,感应电流的特性是，在工件表面电流密度极大，心部电流密度几乎等于0，这种现象称为集肤效应。频率越高，感应加热深度越浅，,05:13:05,高频 701000KHz，常用200300KHz，淬硬深度为0.52mm。中小模数齿轮、轴类零件等。中频 50010000Hz，常用25008000Hz，淬硬深度210mm，直径较大的轴类和较大模数的齿轮等。工频 50Hz，淬硬深度达10

41、15mm。直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。超音频 2040KHz，(音频20KHz)，淬硬深度在2mm以上，适用于模数为36的齿轮及链轮、花键轴、凸轮等。,（2）感应加热的频率,05:13:05,感应加热表面淬火的特点,淬火温度高：(Ac3+80150)表面硬、脆性低：高23HRC，低的脆性。疲劳强度高：表面产生体积膨胀而形成压应力。表面质量好、变形小：不易氧化、脱碳，变形小。生产过程易于控制：适用于大批量生产。不 足：设备较贵、复杂零件的感应器不易制造。,05:13:05,2 其它表面加热淬火方法,(1)火焰加热表面淬火,淬硬层深度一般是2mm6mm，过深的淬硬层会使工件表面组织过热，

42、易产生淬火裂纹。火焰淬火方法简便，当单件或小批生产的大型工件,(2)电接触加热表面淬火,采用低电压、大电流，通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路，靠接触电阻热实现快速加热，滚轮移去后即进行自激冷淬火。,05:13:05,（3）激光加热表面淬火,能量密度104108W/cm2 淬硬深度0.30.5mm形状复杂、盲孔等均可,05:13:05,6.9 钢的化学热处理,化学热处理的概念：将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表面化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的主要特点是：表层不仅有组织的变化，而且有成分的变化，故性能改变的幅度大。其主要作用

43、是强化和保护金属表面。,05:13:05,加热将工件加热到一定温度使之有利于吸收渗入元素活性原子；分解由化合物分解或离子转变而得到渗入元素活性原子；吸收活性原子被吸附并溶入工件表面形成固溶体或化合物；扩散渗入原子在一定温度下，由表层向内部扩散形成一定深度的扩散层。,化学热处理的基本过程为：,05:13:05,化学热处理方法：渗碳、碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳性质；渗氮、渗硼、渗铬使工件表面特别硬，可显著提高耐磨性和耐蚀性；渗铝可提高耐热抗氧化性；渗硫可提高减摩性；渗硅可提高耐酸性等。最常用：渗碳、渗氮和碳氮共渗及氮碳共渗。,05:13:05,渗碳：将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗

44、入表层的化学热处理工艺。目的是使低碳(wc=0.100.25%)钢件表面得到高碳(wc=1.01.2%)，经适当的热处理(淬火+低温回火)后获得表面高硬度、高耐磨性；而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性，适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低合金钢零件，如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油嘴偶件等。,05:13:05,钢的渗碳原理示意图,05:13:05,1、气体渗碳（1）,方法：滴注式渗碳介质：苯、醇、煤油等液体工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950(常用930)，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下

45、与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子。,05:13:05,1、气体渗碳（2）,生成活性碳原子：2COC+CO2 CH4C+2H2 CO+H2C+H2O 随后活性碳原子被钢表面吸收而溶入奥氏体中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。气体渗碳的优点是：生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。,05:13:05,2、固体渗碳,渗碳 工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱中，加热至900950保温。固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3)的混合物。化学 反应：C+O22CO BaCO3或Na2CO3BaO（或Na2O）+CO2 CO2+C

46、 2CO 2COC+CO2,05:13:05,3、渗碳层的组织及热处理,表面的含碳量最高：wc=1.0%左右，由表及里，含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。组织由表及里为：(P+Fe3C)(P)(P+F)(F+P)渗碳层的深度：碳钢从表面到过渡区亚共析组织一半处的深度为渗碳层的深度；合金钢从表面到过渡区亚共析组织终止处的深度作为渗碳层的深度。,05:13:05,渗碳层的组织,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始亚共析组织(F+P),05:13:05,渗碳层的热处理（1）,直接淬火法 预冷至850880后直接淬入油中或水中，180200进行低温回火。预冷目的：

47、减少淬火变形及开裂，使表层析出碳化物，降低奥氏体的含碳量，从而降低淬火后的残余奥氏体量，提高表层硬度。特 点：操作简单、成本低，生产率高，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火后的性能不利。用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。,05:13:05,渗碳层的热处理（2）,一次淬火法：工件经渗碳空冷后，再重新加热至淬火温度（如830860）进行淬火，然后在180200回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化，使钢的性能得到提高。用途 适用于比较重要的零件，如

48、高速柴油机齿轮等。,05:13:05,渗碳层的热处理（3）,二次淬火法 渗碳空冷后，先加热到Ac3以上(一般为850900)油淬，使心部组织细化，消除表层网状渗碳体；然后再加热到Ac1以上(一般为750800)油淬，最后在180200进行回火。二次淬火法使工件表层和心部组织被细化，从而获得较好的力学性能。但工艺复杂，成本高；工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。所以只适用于少数对性能要求特别高的工件。,05:13:05,渗碳工件的一般工艺路线,锻造（问题）正火（目的）机械加工【可否与渗碳工艺倒置】渗碳（组织）淬火+低温回火精加工,05:13:05,渗碳工件的最终组织,淬火+低温回火：针状回火马

49、氏体+碳化物+少量残余奥氏体 硬度为5864HRC，而心部则随钢的淬透性而定。对于低碳钢如15、20钢，其心部组织为铁素体+珠光体，硬度相当于1015HRC；对于低碳合金钢如20CrMnTi，心部组织为回火低碳马氏体+铁素体，硬度为3545HRC。,05:13:05,渗碳工件的实际应用,设计技术条件：渗碳层深度、表面硬度、心部硬度及不允许渗碳的部位等，不允许渗碳的部位：可采用镀铜的方法来防止渗碳或多留加工余量。,05:13:05,二、钢的氮化（渗氮）,渗氮一般在Ac1温度以下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳性质、耐蚀性及热硬性。分类气体渗氮和离子渗氮

50、。,05:13:05,1、气体氮化（1）,气体渗氮 在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。工艺过程 在渗氮炉内通入氨气，在380以上氨分解出活性氮原子:2NH33H2+2N活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。,05:13:05,1、气体氮化（2）,工艺特点：温度低：500600常用550570，远低于渗碳温度。由于氮在铁素体中有一定的溶解能力，无需加热到高温。时间长：2050h，氮化层厚度为0.40.6mm。需调质预处理：改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织，保证较高的强度和韧性。,05:13:05,1、气体氮化（3）,渗氮件的性能表面强化和表面保护高硬