《退火与正火工艺》PPT课件.ppt
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1、2.1.3 钢的普通热处理 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。,热处理的特点:不改变工件的形状和尺,提高工件的使用性能和使用寿命,而且还可以改善工件的加工工艺性能。,热处理按目的与作用不同,分为以下三类:,热处理方法很多,其工艺都由加热、保温和冷却三个阶段组成,可以用“温度-时间”为坐标的曲线来表示,称为热处理工艺曲线。,1.钢的退火与正火,一、钢的退火退火是将工件加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺。退火目的:降低钢的硬度,以利于切削加工;提高塑形和韧性,以利于冷变形加工;改善钢的性能或为以后的热处理
2、做好组织准备;细化晶粒,消除钢中的残余内应力,防止变形和开裂。,一、钢的退火1.完全退火将工件完全奥氏体化后缓慢冷却,获得接近平衡组织的退火。加热温度:AC3以上2040。,目的:降低钢件的硬度、细化晶粒、消除应力、为最终的热处理做组织准备。主要用于钢的铸件、锻件、热轧型材,焊接件的退火。,一般较长。因为完全退火时加热温度超过Ac3不多,相变进行得较慢,特别是粗大铁素体或碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀过程,均需要较长时间。,保温时间:,加热速度:常用结构钢、弹簧钢及热作模具钢钢锭,加热速度100200/h。,常用结构钢、弹簧钢及热作模具钢钢锭,保温时间,冷却速度:缓慢,以保证奥氏体在Ar1点以
3、下不大的过冷度情况下进行珠光体转变,以免硬度过高。,Q:装炉量,完全退火不能用于过共析钢,因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体,使钢的机械性能变坏。,完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧件,有时也用于焊件。,注意!,45钢锻件完全退火操作,应用范围:合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊件等。,一、钢的退火2.等温退火 工件加热到高于AC3(或AC1)的温度,保持,适当的时间,较快地冷却到珠光体转变区间的适当温度并等温保持,使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。目的:与完全退火相同,但时间相对于完全退火要短,用等温退火代替完全退火有利于缩短生产时间。应用范围:中碳钢,经
4、渗碳处理的低合金钢及冲压件等,3、球化退火,使钢中碳化物呈球状化,以降低硬度,改善切削加工性能,并为以后的淬火做好组织准备。,将过共析钢工件加热到Ac1以上(2030),保温后,以极慢的冷速通过A1,使珠光体P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状的热处理工艺称为球化退火。,定义,目的,球化退火中的珠光体变化,过共析钢的球化退火,T12钢球化退火组织 F+Fe3C,为了便于球化过程的进行,对于网状严重的过共析钢,应在球化退火之前进行一次正火,以消除网状渗碳体。,注意:,5、去应力退火,为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所所引起的及铸件内存在的残余应力(但不引起组织的变化)而进行的退火,称为去应力
5、退火。,定义,退火温度,退火温度范围很宽。由于材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同,以及去除程度的不同,去应力退火的加热温度范围很宽。钢500650;铸件500550;焊件500600。,去应力退火后,应缓慢冷却,以免产生新的应力。,一般在A1以下进行,组织并未发生变化,在缓慢冷却的过程中,工件各部分均匀冷却和收缩,消除了铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余内应力,避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂,去应力退火工艺曲线及其特点,常用退火工艺制度小结,2.钢的正火,将钢加热到AC3以上温度并保温,出炉空冷至室温的热处理工艺。由于正火比退火加热温度略高,冷却速度大,故珠光体的分
6、散度大,先共析铁素体的数量少,因而正火后强度、硬度较高。,正 火,(1)作为预备热处理工艺,为下续热处理工艺 提供适宜的组织状态,(2)作为最终热处理工艺,提供合适的机械性能,(3)用来消除某些处理缺陷,用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。亚共析钢采用正火来调整硬度,改善切削加工性能。过共析钢的正火可消除网状碳化物。细化晶粒(双重正火),正火的应用:,退火、正火后钢的组织和性能,加热时钢的组织转变,1、奥氏体的形成过程 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。,3)残留渗碳体的溶解:铁素体全部消失以后,仍有部分剩余渗碳体未溶解,随着时间的延长,这些剩余渗
7、碳体不断地溶入到奥氏体中去,直至全部消失。,1)奥氏体形核:奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。,2)奥氏体晶核长大:奥氏体晶核形成以后,依靠铁、碳原子的扩散,使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。,4)奥氏体均匀化:渗碳体全部溶解完毕时,奥氏体的成分是不均匀的,只有延长保温时间,通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。,亚共析钢的加热过程:,过共析钢的加热过程:,各种退火和正火工艺示意图,由于退火(主要指完全退火)与正火在组织上有着差异,因而性能也有所不同。表4-1 正火与退火的40Cr钢的机械性能,正火与退火相比较,正火的强度与韧性较高,塑性基本相同。但对
8、于过共析钢,完全退火的钢中因为有网状渗碳体的存在,其硬度、韧性均低于正火的。而球化退火的钢,因其所得组织是球状P,故其综合性能优于正火的。,由表可得出结论:,退火与正火的选用,C 0.25%的低碳钢,正火代替退火;C=0.250.5%的中碳钢,也可正火代替退火;C=0.50.75%的中高碳钢,用完全退火;C0.5%的高碳钢或工具钢,用球化退火。如有网状二次渗碳体,则应先正火消除。,生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种、冷、热的使用热加工工艺、零件的使用性能及经济综合考虑。,2.5退火、正火缺陷,碳素/低合金工具钢在退火后虽硬度很低,但脆性却很大,断口呈灰黑色,故称“黑脆”。主要原因是退火温度过
9、高,保温时间过长,冷却缓慢,珠光体转变按Fe-C进行即碳石墨化。(发生黑脆的工具不能返修),退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常组织,造成缺陷,常见的如下:,(1)过烧:由于加热温度过高,晶界被氧化,甚至晶界局部溶解,使工件报废。,(2)黑脆:,(3)粗大魏氏组织:主要是由于加热温度过高。魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于铁素体针片形成的脆面,使金属的韧性急剧下降。(4)反常组织:亚/过共析钢在Ar1附近冷却缓慢,结果在亚共析钢中形成非共析渗碳体,再过共析钢中形成游离的铁素体或渗碳体。(5)网状组织:由于加热温度过高,冷却速度过慢引起的。网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能,特别是网状渗碳
10、体。一般重新正火可消除。(6)球化不均匀:由于退火前没有消除网状渗碳体,在球化退火时聚集而成。可通过正火和一次球化退火消除。(7)硬度过高:退火时加热温度过高,冷却速度过快,使硬度高于规定的范围,重新退火即可。,a)b)图4-8 反常组织a)0.5%C,加热温度为850;b)1.2%C,加热温度为970,粗大的渗碳体,渗碳体网很宽,淬火是指将将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk的速度冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此,淬火的目的就是为了获得马氏体,提高钢的力学性能。淬火是钢的最重要的强化方法,也是应用最广的热处理工艺之一。,钢的淬火和回火,淬火温度,淬火温度即钢奥氏体化温度,是淬火
11、的主要工艺参数之一。碳钢的淬火温度可利用合金相图来选择(如下图所示)。,对于亚共析钢,淬火温度为Ac3+3050。当含碳量不高于0.5%时,淬火后组织为马氏体,当含碳量大于0.5%时,淬火后组织为马氏体与少量残余奥氏体,亚共析钢在Ac1Ac3之间加热淬火后的组织为马氏体加铁素体,由于组织中有自由铁素体存在,使钢的强度和硬度降低,但可改善韧性,这种淬火称为亚温淬火,如处理得当,亚温淬火也可作为一种强韧化处理方法。,对于共析钢和过共析钢,淬火温度为Ac1+(30-50)。共析钢淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体。过共析钢由于淬火前经过球化退火,因而淬火后组织为细马氏体加颗粒状的渗碳体和少量残余奥
12、氏体,如下图所示。分散分布的颗粒状渗碳体对提高钢的硬度和耐磨性有利。如果将过共析钢加热到Accm以上,则由于奥氏体晶粒粗大,含碳量提高,使淬火后马氏体晶粒也粗大,且残余奥氏体量增多,这将使钢的硬度、耐磨性下降,脆性和变形开裂倾向增加。,对于合金钢,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,因而淬火温度比碳钢高,一般为临界点以上50-100。,常用的淬火介质是水和油:水是经济的且冷却能力较强的淬火介质,水的缺点是在650-550范围内的冷却能力不够强,而在300-200范围内冷却能力又太大,因此生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢件的淬火。油在低温区冷却能力较理想,但在高温
13、区冷却能力太低,因此主要用于合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火。大尺寸碳钢件油淬时,由于冷却不足,会出现珠光体型分解。熔融的碱和盐也常用作淬火介质,称为盐浴或碱浴。这类介质只适用于形状复杂及变形要求严格的小型件的分级淬火和等温淬火。,淬火方法,采用适当的淬火方法可以弥补冷却介质的不足,常用的淬火方法如图所示。,1)单介质淬火方法,将加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。如水淬和油淬都属于这种方法。该方法操作简单,易实现机械化,应用较广。,2)双介质淬火,是指将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却,避免珠光体转变,然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。常用的方法是水淬油冷或油
14、淬空冷。其优点是冷却比较理想,缺点是第一种介质中停留时间不易控制,需要有实践经验。该方法主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件。,3)分级淬火,指将奥氏体化的工件淬入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保温,待工件表、心部温度接近盐浴温度时取出来空冷的淬火方法。分级淬火可以很好地消除淬火工件表心部的温差问题,有效地减少工件变形开裂倾向。,4)等温淬火,加热工件在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间,获得下贝体组织后再空冷的淬火方法。经等温淬火的零件具有良好的综合力学性能,淬火应力小,适用于形状复杂及要求较高的小型件。,钢的淬透性,钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为钢的淬透性,其高低用规定条件
15、下的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指工件表面到半马氏体的深度。淬透性与淬硬性不同,淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度,即硬化能力。同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸,冷却介质有关,工件尺寸小、冷却能力强,淬硬层深,工件尺寸小、介质冷却能力强,淬硬层深,而淬透性与工件尺寸、冷却介质无关,它只用于不同材料之间的比较,是在尺寸、冷却介质相同时,用不同材料的淬硬层深度进行比较的。,淬透性的应用,力学性能是机械设计中选材的主要依据,而钢的淬透性又直接影响其热处理后的力学性能。因此,在选材时,必须对钢的淬透性有充分的了解。,回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后在油活着空气中冷却的热处理工艺。
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