工艺技术-金属材料及热处理培训课件(ppt 53页)

金属材料及热处理 主讲教师：赵忠魁 第二章 钢的热处理工艺 钢的热处理工艺 通过 加热 、 保温 和 冷却 的方法改变钢 的组织结构以获得工件所要求性能的一种 热加工技术。 分类 普通热处理（退火、正火、淬火、回火） 表面热处理（表面淬火、化学热处理） 形变热处理 一、退火 什么是 退火 ？ 将钢加热到 相变温度 Ac1以上或以下 ，保温以 后 缓慢冷却 （一般随炉冷却）以获得接近平衡状 态组织的一种热处理工艺。 目的： 均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒， 调整硬度，消除内应力和加工硬化 ，改善钢 的成形和切削加工性能， 为淬火做好组织准备。 （ 1） 按加热温度分为临界温度以上或以下 临界温度以上 l 完全退火 l 扩散退火 l 不完全退火 l 球化退火 临界温度以下 l 再结晶退火 l 去应力退火 （ 2）按冷却方式 等温退火 连续冷却退火 分类 加热温度范围 1.完全退火 概念 将钢件或钢材 加热到 Ac3以上 20 30 ，经完全奥 氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处 理工艺。 目的 均匀组织，细化晶粒 降低硬度，消除内应力 改善钢的切削加工性能 。 适用钢材 中碳钢（消除魏氏组织、晶粒粗大、带状组织等） 实际生产中， 600 出炉空冷 。 等温退火 将奥氏体化后的钢较快地 冷却到稍低于 Ar1温度 等温，使 奥氏体转变为珠光体，再空冷 到室温的热处理工艺。 缩短退火时间 适用于高碳钢、合金工 具钢和高合金钢。 （ 1）概念 （ 2）目的 （ 3）适用钢种 2.不完全退火 概念 将钢加热到 Ac1 Ac3(亚共析钢 )或 Ac1 Accm (过共析钢 )之间的双相区，保温后缓慢冷却的热处理工艺。 对亚共析钢，可代替完全退火。 对过共析钢，即为球化退火。 3.球化退火 概念 钢随炉升温加热到 Ac1 Accm以下的双相区 ，保温后 缓慢冷却的热处理工艺。 目的 让其中的碳化物 球化 （粒化）和 消除网状的二次 渗碳体 。（因此叫做球化退火。） 主要适用于共析或过共析的工模具钢 适用钢种 T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 4.扩散退火（ 均匀化退火 ） 概念 将工件加热到 略低于固相线的温度 （亚共析钢通常为 1050 1150 ），长时间（一般 10 20h）保温，然后随 炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。 （也叫均匀化退火。） 目的 均匀钢内部的化学成分，消除偏析。 主要于铸造后的高合金钢。 适用情况 5.去应力退火 概念 为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余 内应力而进行的退火称为 去应力退火 。 退火温度 不超过 Ac1，一般 500 650 。 6.再结晶退火 概念 把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的 时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶而消除加工硬化 的热处理工艺。 二、正火 概念 将钢材或钢件加热到 临界温度以上 ，保温后 空冷 的热 处理工艺。 亚共析钢 的加热温度为 Ac3 30 50 过共析钢 的加热温度为 Accm 30 50 。 正火与退火的主要区别 冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组 织很细，因而强度和硬度也较高。 应用 （ 1）消除网状二次渗碳体 （ 2）作为最终热处理，提高工件的力学性能 （ 3）改善切削加工性能 （ 4）消除热加工缺陷。 三、退火和正火的选用 含碳量 0.75钢，选用球化退火 中碳钢、合金钢正火硬度高不易切削，选 用完全退火 在要求不高时，尽量选用正火。 三、 钢的淬火 概念 将 亚共析钢加热到 Ac3以上 ， 共析钢与过共析钢加热 到 Ac1以上 （低于 Accm）的温度，保温后以 大于临界冷却 速度 Vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处 理工艺。 目的 获得马氏体，提高钢的力学性能。 选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织 。 过共析钢淬火温度： 一般为 Ac1以上 30 50 图 6-14是碳钢的淬火温度范围。 （ 1）淬火温度的确定 亚共析钢的淬火温度： 一般为 Ac3以上 30 50 ，淬火后获得均匀 细小的马氏体组织。 （ 2）加热时间的确定 加热时间由 升温时间 和 保温时间 组成。 由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为 升温时间 ，并 以此作为保温时间的开始。 保温时间 是指零件烧透即完成奥氏体化过程所需要的时间。 加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中 往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件 质量。 淬火要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂 在 “鼻尖 ”温度以上，在保证不出 现珠光体类型组织的前提下，可以尽 量缓冷； 在 “鼻尖 ”温度附近则必须快冷， 以躲开 “鼻尖 ”，保证不产生非马氏体 相变； 在 Ms点附近又可以缓冷，以减轻 马氏体转变时的相变应力。 常用的淬火冷却介质是 水 、 盐 或 碱的水溶液 和 各种矿物 油 、 植物油 。 （ 3）淬火冷却介质的确定 原则 ： 保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减 小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。 时间 温度 Ms A1 单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火 （ 4）淬火方法 1）单液淬火 概念 将奥氏体状态的工件放入一种 淬火介质中一直冷却到室温的淬 火方法。 特点 操作简单，容易实现机械化 适用范围 形状简单的碳钢和合金钢工件 。 2）双液淬火 概念 先将奥氏体状态 的工件在 冷却能力强 的淬火 介质中冷却至 接近 Ms点温度时， 再立即转入 冷却能力 较弱 的淬火介质中冷 却，直至完成马氏体 转变。 3）分级淬火 概念 将奥氏体状态的工 件首先淬入 略高于钢的 Ms点的盐浴或碱浴炉中 保温，当工件内外温度 均匀后，再从浴炉中取 出空冷至室温，完成马 氏体转变。 4）等温淬火 将奥氏体化后的工 件在 稍高于 Ms温度 的盐 浴或碱浴中冷却并保温 足够时间，从而获得下 贝氏体组织的淬火方法 。 （ 5）钢的淬透性 1）淬透性的概念 指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力， 钢的淬透性大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深 度来表示。 通常采用从淬火工件表面到半马氏体区距离作为淬透层 深度。 2）影响淬透性的因素 主要因素是化学成分 除 Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。 奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都 会影响淬透性。 试验时，先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留 30 40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。 3）淬透性的测定及其表示方法 淬透性的测定方法很多，有 临界淬火直径法图 和 末端淬火法 。 应用得最广泛的是 “末端淬火法 ”，简称 端淬试验 a) 全淬透 b) 未淬透 未淬透钢淬透钢 四、钢的回火 什么是 回火 ？ 淬火后再将工件加热到 Ac1温度以下 某一温度，保温 后再冷却到室温的一种热处理工艺。 一般是紧接淬火以后的热处理工艺。 淬火后 回火目的 降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形； 减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸； 调整工件的内部组织和性能，以满足工件的 使用要求。 低温回火 150 250 特别适合刀具、量具、滚动轴承和高频表面淬火工件。大部分材 料是淬火高碳钢和高碳合金钢 中温回火 350 500 主要用于各种弹簧零件和热锻磨具。 高温回火 500 650 主要适用于中碳结构钢和低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆 、连杆螺栓、汽车半轴、机场主轴、齿轮等 淬火加高温回火又称调质处理 回火工艺 按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温 回火、高温回火。 按照回火温度和工件所要求的性能，一般将回火分为三类 五、钢的表面淬火 什么是 表面淬火 ？ 仅对钢的表面快速加热、冷却，把表面淬成马氏体 ，心部组织不变的热处理工艺。 注意：表面热处理不改变钢的成分。 按加热方式可分为 感应加热 火焰加热 电接触加热 电解加热 加热器通入电流，工 件表面在几秒钟之内迅速加 热到远高于 Ac3以上的温度 ，接着迅速冷却工件（例如 向加热了的工件喷水冷却） 表面，在零件表面获得一定 深度的硬化层。 1. 感应加热 感应线圈通以交流电时，就会在它的内部和周围产生与 交流频率相同的交变磁场。若把工件置于感应磁场中，则 其内部将产生感应电流并由于电阻的作用被加热。 感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零，这 种现象称为 集肤效应 。 电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关。如下 式所示： 通过频率的选用可以得 到不同工件所要求的淬硬层 深度。 电流频率越高，感 应电流透入深度越浅，加 热层也越薄。 第一类 高频感应加热淬火 常用电流频率： 80 1000kHz 淬硬层深度： 0.5 2.0mm 应用：适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。 第二类 中频感应加热淬火 常用电流频率： 2500 8000Hz 淬硬层深度： 2 10mm 应用：适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。 第三类 工频感应加热淬火 电流频率： 50赫兹 淬硬层深度：可达 10 15mm 应用：适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊 、火车车轮等的表面淬火。 感应加热表面淬火的分类 据电流频率的不同，可将感应加热表面淬火分为三类： 感应加热适用的材料 中碳钢和中碳低合金钢 ，如 45、 40Cr、 40MnB等。 这些钢经预先热处理（正火或调质处理）后再 表面淬火，心部有较高的综合机械性能，表面也有较 高的硬度和耐磨性。 铸铁也是适合于表面淬火的材料 感应加热表面淬火的特点 由于感应加热速度极快，过热度增大，使钢的临界点升高， 故感应加热淬火温度 (工件表面温度 )高于一般淬火温度。 由于感应加热速度快，奥氏体晶粒不易长大，淬火后获得非 常细小的隐晶马氏体组织，使工件表层硬度比普通淬火高 2HRC 3HRC，耐磨性也有较大提高。 表面淬火后，淬硬层中马氏体的比体积较原始组织大，因此 表层存在很大的残余压应力，能显著提高零件的弯曲、抗扭疲 劳强度。小尺寸零件可提高 2 3 倍，大尺寸零件可提高 20% 30%。 由于感应加热速度快、时间短，故淬火后无氧化 、脱碳现象，且工件变形也很小，易于实现机械 化与自动化。 2 火焰加热表面淬火 火焰加热淬火是火焰加热温度很高（约 3000 以 上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的 位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。 用乙炔 氧或煤 气 氧等火焰直接加热 工件表面，然后立即喷 水冷却，以获得表面硬 化效果的淬火方法。 特点 概念 3其它类型的表面淬火 （ 1）电接触加热表面淬火 利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流 时产生的电阻热，将工件表面迅速加热到淬火温 度，当电极移开，借工件本身来加热部分的热传 导来淬火冷却的热处理工艺称为电接触加热表面 淬火。 （ 2）激光热处理 激光热处理开始于七十年代，它是将激光 器发射出的激光对准处理工件进行扫描加热，一 般加热以后空气中冷却。 六、化学热处理 化学热处理 是将钢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面，改变其 化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术 要求的热处理过程。 常用的化学热处理有 渗碳 、 渗氮 （俗称氮化）、 碳氮共渗 （俗称氰化和软氮化）等。还有 渗硫、 渗硼、渗铝、渗钒、渗铬 等。 发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处 理。 化学热处理过程包括 分解、吸收、扩散 三个基本 过程。 1 渗碳 渗碳 就是将低碳钢放入高碳介质中加热、保温， 以获得高碳表层的化学热处理工艺。 渗碳的 主要目的 是提高零件表层的含碳量，以便 大大提高表层硬度，增强零件的抗磨损能力，同 时保持心部的良好韧性。 与表面淬火相比，渗碳主要用于那些对表面有较 高耐磨性要求，并承受较大冲击载荷的零件。 渗碳用钢为低碳钢及低碳合金钢，如 20、 20Cr、 20CrMnTi、 20CrMnMo、 18Cr2Ni4W等。含碳 量提高，将降低工件心部的韧性。 （ 1）渗碳方法 根据使用时渗碳剂的不同状态，渗碳方法可 以分为 气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳 三种，常 用的是前两种，尤其是气体渗碳。 a）气体渗碳 是将工件置于密封的气体渗碳炉内，加热到 900 以上（一般 900 950 ），使钢奥氏体 化，向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯 、甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入渗碳气氛通 过在钢的表面上发生反应，形成活性碳原子。反 应如下： 钢的气体渗碳 图 5-29 气体渗碳炉 b）固体渗碳 是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖 子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至 900 950 ，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳 层。 固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与 15% 20%的碳酸盐（ BaCO3或 Na2CO3）的混合物。 木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐起催 化作用，反应如下： 钢的固体渗碳 零件 渗碳剂 试棒盖泥封 渗碳箱 图 5-30 钢的固体渗碳炉 （ 2）渗碳工艺及组织 渗碳处理的工艺参数是渗碳温度和渗碳时间 。 由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度 必须高于 Ac3温度。加热温度越高，则渗碳速度越 快，渗碳层越厚，生产率也越高。但为了避免奥 氏体晶粒过分长大，所以渗碳温度不能太高，通 常为 900 950 。 在温度一定的情况下，渗碳时间取决于渗碳 层的厚度。 下表是不同渗碳温度下，不同渗碳时间的渗层厚 度。 （ 3）渗碳后的热处理 渗碳工艺的加热温度高，时间较长，还需淬火才 能达到硬度要求，所以 钢渗碳以后必须进行热处 理才能达到预期目的 。如汽车、机车、矿山机械 、起重机械等用的大量传动齿轮都采用渗碳热处 理工艺提高其耐磨损性能。 渗碳件的热处理方法有三种，如图 6-21所示。 （ a）预冷直接淬火法 （ b）预冷一次淬火法 （ c）预冷二次淬火法 2 渗氮 （氮化） 渗氮工艺又叫氮化。它的主要目的是提高零件表 层含氮量以增强表面硬度和耐磨性、提高疲劳强 度和抗蚀性。 （ 1）氮化工艺 a）气体氮化。 b）离子氮化。 与气体氮化相比，离子氮化的特点是处理周期短 ，仅为气体氮化的 1/3 1/4（例如 38CrMoAl钢， 氮化层深度若达到 0.35 0.7mm，气体氮化一般 需 70小时，而离子氮化仅需 15 20小时），零件 的表面不易形成连续的白色脆性层。 （ 2）氮化后的组织和性能 氮化后零件表面硬度比渗碳的还高，耐磨损性能 很好，同时渗层一般处于压应力，疲劳强度高，但脆 性较大。氮化层还具有一定的抗蚀性能。氮化后零件 变形很小，通常毋需再加工，也不必再热处理强化。 适合于要求处理精度高、冲击载荷小、抗磨损能力强 的零件，如一些精密零件、精密齿轮都可用氮化工艺 处理。 （ 3）快速深层氮化新工艺 近年来发展出来一种快速深层氮化的新工艺，它 是利用离子氮化的轰击效应和快速扩散的作用提高氮 化速度。它采用周期性