淬火缺陷与控制教学课件PPT热处理原理及工艺.ppt

热处理原理及工艺,（18-19）,3-5 淬火缺陷与控制 变形和开裂 过热与过烧 软点与硬度不足 氧化脱碳,变形和开裂是热处理常见缺陷 由淬火应力引起 淬火应力 材料s 工件畸变（变形） 淬火应力 材料b 淬火裂纹,以纯Cu，加热800，上下喷水冷却为例。 第一阶段： 外层受拉，心部受压应力。,一、淬火应力 1、热应力 冷却开始时：表层T低，心高，表面冷得快，收缩较大。 冷却后期，心T高低，表T变化小，心部收缩的多。 冷收缩不同时，产生应力,第二阶段：表压，心拉 T很低，s较高， 不再引起塑变。 应力分布被保留下来成为残余应力,热应力： 第一阶段：表拉，心压 应力值随而 s， 塑性变形 应力松弛，应力值降低,第一阶段,第二阶段,热应力型残余应力分布特点为：表层压应力，心部拉应力 热应力引起变形在初期：表拉、心压 零件心部受多向压应力作用失去原形，形状向球状方向发展，如圆柱体，高度减小，中部直径扩大，变成腰鼓形。,零件沿最大尺寸方向收缩，最小尺寸方向伸长,2、组织应力（transformation stress） （相变应力） AM，VMVA 体积膨胀 第一阶段:,第一阶段：表压、心拉， T高，s低，引起塑变形， 松驰应力。 第二阶段：表拉，心压。 T低，s高， 不易引起塑性变形，应力保留。 组织应力引起的残余应力状态为：表：拉应力，心：压应力。,零件沿最大尺寸方向伸长，最小尺寸方向收缩,热处理的残余应力是热应力，组织应力和附加应力在热处理过程中综合作用的结果。 变形检验：简单检验法红汞涂试样上，在平面上擦，可看出是凸、凹或不变形。,3.附加应力其他原因 如表/心组织不均 弹塑变形不一致,3、影响淬火应力的因素： （1）含C量 V高CMV低CM C% 组织应力 C，MsA残组织应力 综合效果：随C，热应力作用逐渐减弱，组织应力作用强表面压力值，拉应力值，拉应力位置越来越靠近表面淬裂倾向,（2）合金元素（Me）： 钢中加入Me后，热传导系数热应力，组织应力 多数Me 使Ms A残组织应力 热应力作用增强,（3）工件尺寸的影响 （a）完全淬透情况： 尺寸越大，截面温差大，尤其高温区温差影响大，热应力作用增强，热应力型（残余应力） 尺寸小，温差较小，热应力作用较小，应力特征为组织应力型。,（b）不完全淬透情况： 上述热应力和组织应力附加应力 附加应力 表层M，未淬硬部位为非M，表膨胀，表层受压，心拉，与热应力相似。 工件尺寸越大，淬硬层越薄，热应力特征越明显,（4）原始组织 同一T：VAVBVFVM， AB，组织应力较小 原始组织为P+Cm，Cm均匀分布，可减小淬火组织应力（球化退火） 若Cm呈网状分布，淬火后组织应力。,（5）热处理工艺 淬火介质冷却特性-影响残余应力状态 中高温区快冷，Ms区缓冷可获热应力型分布 Ms点附近冷速大，淬透，主要组织应力型为主 合理的入水方式，零件与淬火介质之间相对运动，可使零件均匀冷却降低淬火应力。 回火可使淬火应力大幅度下降，甚至消除。,二、淬火变形 （一）变形的基本规律 热应力作用 ，表拉心压引起变形 组织应力，表压心拉变形 比容差：工件各部分均匀胀大或缩小，如组织转变同时 VA、VM不同。,简单形状工件的热处理变形趋向,（二）变形的影响因素： 1、淬透性 高：变形复杂。两种应力协调变形 低：热应力型 2、Ms点 高 两应力可部分抵消 3、组织均匀性 C化物 膨胀系数小， F 膨胀系数大,4、加热速度 快，加热变形 5、淬火温度 加热T高，热应力引起变形大 6、冷速 大，温差大，变形大,通过变形趋势分析平板变形由何种应力引起？ (热应力 or 组织应力？),（三）减小变形的措施 1、合理选材，正确设计结构 2、正确锻造和进行预备热处理 3、采用合理的热处理工艺(温度、介质、方法),1）避免尖角与棱角,热处理零件结构的工艺性,2）避免截面厚薄悬殊，合理安排孔洞和键槽,3）采用封闭、对称结构,4）采用组合结构,（四）淬火变形的矫正 变形在不大可以校正，开裂报废。 热压矫正- 压力下冷却或接近Ms时加压 A-塑 如：压淬 热点矫正中小轴 反击矫正 轴、杆 冷压矫正 - 冷态 压力机上。 适用于硬度不高或淬硬层较浅的工件 回火矫正回火中加压 薄片,扁嘴钢锤,压淬,校直,三、淬火开裂 （一）开裂原因：拉b 受压不易裂，b压3b拉 残余应力以组织应力形式分布易裂。 热处理时应避免裂纹发生，提高成品率。,（二）影响淬火裂纹形成的因素： 冶金因素（化学成份,原始组织，夹杂等） 结构因素（截面大小，形状，有否台阶） 工艺因素（加热规范，冷却，机加工质量，预先热处理）。 1、冶金因素： （1）冶金质量 气孔、疏松、砂眼、偏析、裂痕、白点、夹杂等缺陷裂纹源,（2）化学成分 含C量 C，板条M孪晶M，淬火显微裂纹淬火开裂倾向 C，热应力作用，组织应力，表拉，开裂倾向。 实践证明：Wc0.4%的钢，可以避免淬火裂纹,合金元素：作用复杂,（3）原始组织 球状P淬火前理想的组织状态: Cm 阻碍晶粒长大 片状P，越细，淬裂倾向大(应力+Cm片割裂作用) C化物分布均匀，淬裂 网状C化物，淬裂不允许 重复淬火易开裂,2、尺寸、结构（工件形状） 过大(淬不透)或过小（温差小），不易淬裂。 存在危险尺寸，距表层一定尺寸处，易产生裂纹 如：wc=0.3 0.55%，水淬时，淬裂危险直径：1015mm。,结构： 截面有变化，易裂。 尖角、棱角、凹槽局部冷速急剧变化。薄部先AM，厚部后AM，使薄区受拉，交界处产生应力集中易产生裂纹,3、工艺因素 加热T：高 ，易开裂 冷速： 650550，快冷，抑AP，热应力大 Ms附近，冷速小，减小温差，组织应力小，减小开裂倾向。 如：高速钢，“C”右，可油淬减小开裂倾向,等温淬火，分级淬火，双液淬火减小组织应力 预冷淬火减小热应力，而抵消组织应力少减少变形，不减少开裂倾向。,工件加热和淬火时的放置方式,（三）常见裂纹形式,1、纵向裂纹 零件表层附近，由 表面裂向心部 的深度较大的裂纹，平行轴向。 组织应力引起。 表层切向拉大 易纵裂的几种原因： 完全淬透工件易产生，组织应力大。 C%，纵裂倾向,危险截面尺寸范围（拉峰值），易纵裂。 轧制钢材中，夹杂、碳化物沿变形方向分布，易纵裂。 在Ms点以下尽量慢冷可有效避免,2、横向裂纹、弧形裂纹。 裂纹在轴作用下产生。 在淬硬未淬硬 中间区域产生， 由内外断裂。热应力引起 内应力分布：表压，离表面一定距离处，拉应力较大，且轴切。,特点： 1）横裂轴向，由内外断裂 大型轴类零件常发生。 一般在未淬透情况下形成，属于热应力引起。,（2）弧裂，形状突变处以弧形分布，热应力引起 主要产生于工件内部或零件棱角、截面突变，尖角凹槽处，应力集中引起。 一般也是在未淬透情况下，在淬硬-未淬硬 中间区域产生，由内外断裂。,预防措施： （1）零件设计尽量减小截面厚薄悬殊，突变设计合理； （2）淬火T不要过高，合适介质淬火，增加工件淬硬层深度。,3、网状裂纹（表面龟裂） 特征：表面裂纹， 深度较浅，0.011.5mm处。 裂纹任意方向，相互连接构成网状， 表面受两向拉应力，轴、切拉 高C钢表面脱C易网裂。 严格控制表面质量，尽量防止氧化脱C。,4、剥离裂纹 表层很窄区域内， 表面 轴、切压，径拉， 裂纹平行于零件表面。 如：合金渗C钢 外层：极细P+C化物 次表层：M+A残 心：细P+极细P 次表层M膨胀，使表 轴、切向压，径向拉,5、显微裂纹 第二类应力引起 原A晶界或M片交界 高碳工具钢或渗碳淬火件过热时易出现,四、其它淬火缺陷 1、氧化、脱C 2、过热、过烧。 过热：温度过高，晶粒粗大性能显著。 过烧：加热T接近固相线附近，晶界氧化和开始部分熔化现象。 过烧组织包括晶界局部熔化，显微空洞，高速钢过烧出现鱼骨状共晶莱氏体等。,3、软点与硬度不足 （1）加热T偏低，保温t不足， 原始P未完全A。 A成份不均匀，不完全M+A残软点 （2）淬火介质搅动不充分，或浸入方向不对，延迟工件某些部位蒸气膜破裂，该处冷速低，出现P软点。 水蒸气膜比盐水稳定，易产生软点。 工件表面不清洁，如铁锈，C黑等，软点。,一、回火的定义与目的： 1、 定义 最后工序 组织变化,3-6 回火,温度,时间,回火时组织变化,马氏体,回火马氏体,碳化物的析出 残余奥氏体的分解 铁素体的回复和再结晶,回火索氏体,回火托氏体,2、目的： （1）消除大部分淬火时产生的残余内应力，改善材料的塑性、韧性。 （2）获得良好的综合力学性能。 （3）稳定组织。 （4）M时效钢，高C高合金钢回火的目的可获得弥散硬化效应（时效硬化，二次硬化）。,回火时力学性能变化 随回火温度升高 硬度下降 塑性、韧性上升。 屈服强度先升后降，最高值在200左右出现； 弹性极限先升后降，最高值在350左右出现；,回火抗力,二、回火温度的确定（温度的选择与应用）,（1）低温回火（150250） 回火组织：回火马氏体,碳过饱和度降低的马氏体 + 析出碳化物,力学性能： 残余应力消除 高硬度、高强度 较低塑性和韧性,低温回火主要适用范围 高碳钢制造的各类工模具、机械零件 如锉刀 T12 160180回火， 64HRC 稳定性要求很高的工件可810h保温代替深冷处理 渗C及CN共渗淬火后的零件 低合金超高强度钢 30CrMnSiNi2A 250300 ,量 具,刃 具,（2）中温回火（350500） 回火组织：回火托氏体：铁素体 + 极细粒状渗碳体 力学性能：较高的屈服强度,高的弹性极限，较好的塑性和韧性。,适用：wc=0.60.9%碳素弹簧钢(T取下限)和wc=0.450.75%的合金弹簧钢(T取上限),回火托氏体,（3）高温回火（500650） 回火组织：回火索氏体：铁素体+细粒状渗碳体 力学性能:高的塑性、韧性,较低屈服强度和硬度,回火索氏体,适用： 主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢制造的各种机械结构零部件 结构钢淬火+高温回火，以获得综合机械性能为目的，称为调质处理,如发动机曲轴、连杆、螺栓，机床主轴等要求综合机械性能零件。 40Cr,40Cr钢制造连杆螺栓热处理工艺,圆锥齿轮,柴油机凸轮轴,高C高合金钢（如高速钢、高铬钢）的回火T的高达500600，在这个T区间里将发生二次硬化作用。 M回,高合金渗C钢18Cr2Ni4WA，20Cr2Ni4A等渗C后淬火前也进行600680的高温回火 原因： 1. A残多 2. 使渗C层中C化物部分析出并球化，降低硬度，便于切削加工，,三、回火时间的确定 t回=t透烧+t组织转变及消应力 消应力t至少30min ，一般 t回1小时 t根据工件截面厚度而定，一般每25mm厚保温12h，回火T高时，可适当缩短。 四、冷却： 回火冷却方式一般为空冷。 但对回火脆性敏感的钢，在高温回火后需要油冷或水冷。,五、回火注意事项 （1）淬火硬化的工件都必须进行回火； （2）淬火后，工件冷到用手可以触模时就可以进行回火； （3）淬火后的工件当天回火; （4）高C高合金钢应冷透后再回火，以A残。 （5）避免回火脆性区范围内回火.,六、回火缺陷 1、硬度不合格 2、回火后变形 3、回火脆性 4、网状裂纹,W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,铸造 锻造 球化退火 机加工 淬火+三次570回火 磨削加工,车刀,典型零件的热处理工艺,W18Cr4V钢的铸态组织,W18Cr4V铸态组织 420 ,铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。,锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依 靠反复多次锻打来击碎。,W18Cr4V锻造组织 210 ,球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工, 为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织 : S + 粒状 Cm,W18Cr4V球化退火组织 420 ,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火