第八讲_钢的热处理工艺.ppt

教学重点：普通热处理工艺的加热温度、组织转变、目的和应用,教学难点：淬火和回火,教学方法：多媒体授课 启发式教学,授课班级： 模具1002,授课时间：2011、10,教学目的：1、掌握钢的退火和正火 2、掌握钢的淬火和回火,钢的热处理 之钢的普通热处理,复习,1、共析钢过冷奥氏体等温转变产物是什么？各有什么特征？,钢的普通热处理工艺,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,一.钢的退火(annealing of steel),一)定义: 把零件加温到临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 随炉冷却。,二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三) 种类,退火,重结晶 退 火,低温 退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,完全退火,加热到ac3以上2030 ，保温，缓冷至600以下，再炉冷，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。,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2030保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳,扩散退火(均匀化退火),将钢加热到略低于固相线温度（1050-1150），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。,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600650 ，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。,四) 工艺参数:,四) 工艺参数:,五) 热处理后的组织 : 原始组织,共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700 ,t10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 ,二.钢的正火( normalizing of steel ),一)定义: 把零件加温到ac3临界温度以上 3050,保温一段时间,然后 在空气中冷却。,二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。,三) 工艺参数:,四) 工艺参数:,四)热处理后的组织:s (wc=0.61.4%) s+f (wc0.6%),五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的fe3c。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。,三.钢的淬火 ( quenching of steel ),一)定义: 把零件加温到ac3 或 ac1以上 30 50,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。,二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。,三) 工艺参数:,钢在淬火时组织和性能的变化,钢在淬火时的冷却速度钢的临界冷却速度 则： a 被冷却到ms线（ms240）以 下得到m。 在钢的淬火冷却过程中，自ms点开始，随温度的下降，m的转变量越来越多，但当温度再降低时，m就不会增加。说明在极大的过冷度下，原子不能扩散，a便无法以扩散的形式转变，只能以“无扩散”形式的方法转变为 过饱和的固溶体。,因为fe的含碳量呈饱和状态，从而使原来的体心立方晶格被撑长，变成了歪曲的体心立方晶格。 晶格的变形部位从体心立方晶格承受力低的空间塞，出现了自我硬化，增加了变形的抗力，变成具有高的硬度，同时，也引起了内应力的增加。,则：过冷速度越大，m就越多； 硬度越大，内应力就越大 从上述原理看： 钢的淬火会出现残余的a。,钢的淬火工艺,淬火是各种热处理中最复杂的一种工艺 原因： 1. 冷却速度快，容易造成变形及开裂； 2. 冷却速度慢，达不到硬度； 3. 零件的复杂造成变形及开裂。,淬火工艺的三要素,加热温度 目的：获得细及均匀的m。 各种钢的淬火温度主要依靠其组织和类型及临界点； 亚共析钢，适宜的淬火温度一般ac3以上3050； 过共析钢，适宜的淬火温度一般ac1以上3050； 合金钢，可以参照上述的加热温度，除少数的合金元素，如mn等，大多数的合金元素可以使晶粒细化，如稍微加温，可以获得中等的a,但可使合金元素充分溶解和均匀，达到均匀组织的合金钢,五)淬火加热时间 ( ) 的选择:, = k d,淬火加热中的氧化和脱碳,一般的加热炉，与钢加热接触的介质是空气，在加热过程中，钢件与介质相互作用，在钢的表面产生氧化皮的现象，其化学反应： 2fec 2feo feco2 feoco2 feh2o fech4,钢的脱碳就是钢件表面层中的 碳粉被烧掉的现象，主要反应式： 2fer（c）o 2fe2co； fer（c）co2 fe2co ； fer（c）2h2 fech4 ； 氧化和脱碳主要是介质中有co2 和 o2 以及水蒸气等的情况出现。 清洁；去氧化皮；涂保护剂； 加入脱氧剂；使用保护气氛等,六） 淬火冷却介质,淬火要求是得到m,要得到较多的m,要求冷却速度要快，在临界速度下加快冷却速度，则易使钢变形与开裂。 根据碳钢的a等温曲线： 要淬火得到m,其实并不需要整个冷却过程都要快速冷却，关键在于c曲线的拐弯部分（即在650550）的范围需要快速冷却，在淬火温度到650以及400以下时，并不需要快速冷却，特别是在300200时，尤其不应冷却太快，避免开裂。,水它在650550范围内的冷却速度很大（约600/s），但在300200时的冷却速度仍然很快（270/s），所以有变形的可能； 通常的方法是在水中加入盐或碱，但只能增加它在650550范围内的冷却速度而不能减弱300200时的冷却速度。,油（矿物油）在300200时的冷却速度比较慢，但在650550范围内的冷却能力不够，只能用于一些合金钢，而且价格贵，易燃，不易清洁。 近年来，初步试验成功硝盐水及水玻璃两种溶液，其冷却能力介于水与油之间，但仍要进一步研究。,理想淬火冷却介质,2.常用的淬火冷却介质,七) 常用的淬火方法,钢的淬火方法,由于淬火的冷却介质不能完全满足淬火质量的要求； 所以，要使用工艺的方法加以解决。,1. 单液淬火法,将加热的工件放进一种淬火介质中冷却到室温的操作方法。 特点：操作简单，淬火时出现工件表面与心部的温差太大，内应力大；用水冷工件易变形；用油冷，工件的硬度可能达不到要求。 适用于形状简单的工件。,2.双液淬火法,将加热的工件放进水中冷却到ms点时从水中取出立即放在油中（空气中）冷却到室温的操作方法。 特点：可以在650550的温度中获得快的冷却速度，而在300200获得稍慢的冷却速度； 但是，必须恰到好处；也没有改变表面与心部的温差大的问题。,3.分级淬火法,为了改变工件在淬火时表面与心部温差的问题所采取的一种措施。 方法是首先把加热工件放在温度稍高于ms点的盐浴（或碱）中，稍加停留,使工件各部分温度浴盐浴的温度基本一致时取出空冷。 特点：可以对形状复杂的工件进行处理，对防止裂纹有效； 冷却速度不大，适用于小工件。,4.等温淬火法,方法是首先把加热工件放在温度稍高于ms点的盐浴（或碱）中，等温保温（保温足够的时间）,使工件在保温过程中产生下b转变后取出空冷。 特点：1. 由于得到下b，所以，对于形状复 杂，而且要求高硬度和高冲击韧性 的 工件、模具有利； 2. 适应处理尺寸较小的零件,4.冷处理法,将淬火钢冷却到室温后继续冷却到7080的淬火方法。 特点：可以使残余的a转变为m.使工件的尺寸稳定；硬度和耐磨性提高,三)工艺参数:,四)热处理后的组织 :,m+fe3c+a残,ac1+3050,过共析钢,m + a残,ac1+3050,共析钢,m + a残,ac3+3050,亚共析钢 wc0.5%,m,ac3+3050,亚共析钢 wc0.5%,八) 钢的淬硬性 ( hardening of steel ),1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。,2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。,九) 钢的淬透性 ( hardenability of steel ),1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。,2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度vk 的大小, vk 越 大,钢的淬透性越小。,钢的淬透性,钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬（透）层深度的能力，它是钢材本身固有的特性。 当淬火时，工件由于表面冷却快，心部冷却慢，所以淬火后，表面与心部可能得到不同的组织。 冷却快 m； 冷却速度小于临界速度的m+t, 甚至f、ffe3c,显然：工件若要从表面到内得到单一的m，钢的心部的冷却速度要大于临界淬火的冷却速度。 为方便起见，需要测量，规定淬透层深度是由零件的表层到半m区（50m50非m）的距离。 1. 淬透性与淬硬性的区别 淬透性:是指钢接受淬火的能力； 淬硬性:是指钢在淬火后能够获得的最高 硬度；,如： 高碳钢：其淬硬性很高，但淬透性很 低； 低碳钢：其淬硬性不高，但淬透性很 高； 2. 淬透性对钢性能的影响 淬透性低的钢材其心部的0.2和 ah较低；淬透性高的钢材，其机械 性能沿截面均匀分布；,未淬透的钢从表面 心部的回火组 织为s,故0.2和ah下降； 淬透的钢回火后从表面到心部为均一的回火s, ffe3c呈球状分布，所以性能比较一致。 大多数的重要零件都希望淬透，例如： 承受拉力和压力的零件（锻模、螺栓等） 承受弹性变形的零件（弹簧等）,但对仅需要表面耐磨，工作中受冲击的零件，则可选用淬透性比较低的钢材。,3. 在设计中如何考虑钢的淬透性,（1）根据工件的工作条件确定对钢淬透性的要求 例：对车刀、钻头等工具，往往要磨刀后继续使用，就需要从表到里均要硬和耐磨全部淬硬； 对于轴，承受弯曲、扭转应力，应力集中在外层，所以心部不需要那么高的硬度，淬透层为半径的1/21/3就足够。,3. 在进行强度设计时，查手册时，注意各 种钢的数据用多大的试样测量； 4.对碳钢，设计尺寸较大的工件时，用碳 钢的调质处理还不如用正火更经济。 如：45钢调质后b 0.61mpa 正火后b 0.60mpa 5.在安排工艺路线时，也应考虑淬透性， 应粗车后再淬火。,工件淬硬层与冷却速度的关系,3.淬硬性与淬透性之间的关系:,4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,四.钢的回火 ( tempering of steel ),一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 a1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。,二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。,淬火钢在回火时的组织转变,淬火钢在回火时，发生体积变化，m发生转变时表现出体积要缩少，残余a转变时，体积会增大，因此根据淬火钢在回火过程中的体积变化，分为四个阶段：,1. m分解 （100200）,淬火m是含c量饱和的固溶体，在100200时，不断析出极细小的c化物，易极薄的小片分布在m的基体上，使固溶体含c量下降，m的正方度c/a也下降，残余内应力则下降。,2.残余a分解（200300）,在这个阶段，残余a分解为饱和的固溶体和化合物的机械混合体（一般认为是回火m或b下），与此同时，m继续分解出片状碳化物，使c/a进一步下降，残余内应力进一步降低。,回火马氏体组织金相图,3.碳化物的转变，回火屈氏体的形 成（350450）,到350时，m分解结束，相转变为f，淬火应力基本消除，m分解出的极薄碳化物转变为稳定，c/a接近于1， 固溶体的碳含量接近正常。转变稳定的fe3c以细颗粒状分布在f的基体上（回火屈氏体）。 钢的塑性和韧性提高。,回火屈氏体组织