金属材料及热处理知识第4章.ppt

金属材料及热处理知识,姜敏凤 主编,第四章,钢的热处理,了解钢在加热和冷却时的组织转变特点，掌握钢的退火、正火、淬火和回火知识；熟悉钢的表面热处理、化学热处理；了解热处理新技术、金属的表面防护与装饰知识。,第四章 钢的热处理,目 录,第一节 概述 第二节 钢在加热和冷却时的组织转变 一、钢在加热与保温时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变 第三节 钢的退火和正火 一、退火 二、正火 三、退火、正火的选用 第四节 钢的淬火和回火 一、钢的淬火 二、钢的回火 第五节 钢的表面热处理 一、感应加热表面淬火 二、火焰加热表面淬火,第四章 钢的热处理,目 录,第四章 钢的热处理,第六节 钢的化学热处理 一、渗碳 二、渗氮（氮化） 三、碳氮共渗 四、氮碳共渗（软氮化） 第七节 热处理新技术 一、热处理技术发展方向 二、热处理新技术简介 第八节 金属表面防护与装饰 一、金属的表面防护 二、金属的表面装饰 复习思考题,第一节 概述,钢的热处理是将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。,(1)整体热处理 对工件整体进行穿透加热。 (2)表面热处理 仅对工件的表面进行的热处理工艺。 (3)化学热处理 改变工件表层的化学成分、组织和性能。,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,一、钢在加热与保温时的组织转变,1.奥氏体的形成过程,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,2.奥氏体的晶粒大小及影响因素,奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。,(1)奥氏体晶粒度 晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、 晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目 来表示。 GB/T 84931987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中 14级为粗晶粒；58级为细晶粒。 图4-4为部分晶粒度标准图片。,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,图4-4 标准奥氏体晶粒度等级,a)4级晶粒,b)5级晶粒,c)6级晶粒,d)7级晶粒,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,二、钢在冷却时的组织转变,在热处理工艺中，常用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。,1.等温冷却转变,钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点(Ar1或Ar3)线以下等温保持时，过冷奥氏体发生的转变称为等温转变。,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,(1)等温转变图的建立 钢的等温转变图是用实验方法建立的。,(2)等温转变图分析,(3)过冷奥氏体等温转变产物及性能 在Ms线以上，可发生珠光体型转 变和贝氏体型转变。,过冷奥氏体的等温转变产物及性能见表4-2，过冷奥氏体的等温转变温度越低，其转变组织越细小，强度、硬度也越高。,表4-2 共析钢等温转变产物及性能,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,(4)亚共析钢和过共析钢的等温转变图,第二节 钢在加热和冷却时的组织转变,2.连续冷却转变,图4-9 在等温转变曲线上估计连续冷却时的组织转变,(2)马氏体转变 过冷奥氏体在Ms线以下发生的转变称马氏体转变，马 氏体转变通常在连续冷却时进行。,(1)等温转变曲线在连续冷却转变中的应用,第三节 钢的退火和正火,1.完全退火,一、退火,将工件加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的是降低硬度，去除内应力，均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒，提高塑性，改善切削加工性能，为最终热处理做好组织准备。,将工件加热至完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。,3.球化退火,为了使钢中碳化物球状化而进行的退火,4.去应力退火,将工件加热到500600，并保温一定时间，缓慢冷却至300200以下空冷，消除工件因塑性变形加工、切削加工或焊接造成的残余内应力及铸件内存在的残留应力进行的退火。,第三节 钢的退火和正火,2.等温退火,将工件加热至Ac3或Ac1以上的温度，保持适当时间后，以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的工艺。,三、退火、正火的选用,二、正火,将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。,正火与退火工艺的区别：正火的冷却速度稍快，得到的组织较细 小，强度和硬度较高；同时操作简便， 生产周期短，成本低。,第三节 钢的退火和正火,第四节 钢的淬火和回火,一、钢的淬火,1.淬火工艺,将工件加热奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。,图4-12 碳钢的淬火加热温度范围,(1)淬火加热参数的确定 淬火加热温度的选择应以Fe-Fe3C相图中钢的临界温度作为主要依据。,淬火加热速度和淬火加热保温时间也是淬火加热的两个重要参数。,第四节 钢的淬火和回火,(2)淬火介质 淬火介质是在淬火工艺中所采用的冷却介质。,常用的淬火介质有水、盐水、油、熔盐、空气等,图4-13 钢的理想淬火冷却速度,第四节 钢的淬火和回火,水和盐水的冷却能力最强，油的冷却能力较弱，空气最弱。,表4-4 几种淬火介质的冷却烈度H值,(3)淬火方法 现代淬火工艺方法有奥氏体化直接淬火，铸造淬火、锻 后淬火、形变淬火等。,1)单介质淬火 将奥氏体化的工件直接淬入单一淬火介质中连续冷却到室温的方法，称为单介质淬火，如图4-14中曲线1所示。,图4-14 常用淬火方法,第四节 钢的淬火和回火,2)双介质淬火(双液淬火) 将工件加热到奥氏体化后，先淬入一种冷却能力强的介质中，在即将发生马氏体转变之前立即淬入另一种冷却能力弱的介质中冷却的方法，如图4-14中曲线2所示。,3)马氏体分级淬火(分级淬火) 钢经奥氏体化后先淬入温度稍高或稍低于其Ms点的液态介质(盐浴或碱浴)中，保持适当时间，使钢件的表面与心部温差减小，再取出空冷获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火。如图4-14中的曲线3所示。,第四节 钢的淬火和回火,4)贝氏体等温淬火(等温淬火) 将工件加热到奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间(260400)，保持一定时间，使奥氏体转变为贝氏体组织的淬火工艺，称为贝氏体等温淬火，如图4-14中的曲线4所示。,2.钢的淬透性,3.淬火缺陷,(1)淬火变形和开裂,(2)硬度不足与软点,(3)过热和过烧,第四节 钢的淬火和回火,二、钢的回火,工件淬硬后再加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。,1.回火的目的,（1）减少或消除淬火应力,（2）满足使用性能要求,（3）稳定组织和尺寸,2.回火时的组织与性能的变化,（1）马氏体分解,（2）残留奥氏体分解,（3）渗碳体形成,（4）碳化物的聚集长大和相的再结晶,3.回火方法,（1）低温回火,（2）中温回火,（3）高温回火,第五节 钢的表面热处理,钢的表面热处理是指仅对钢件表面进行热处理，以改变表面层组织，满足使用性能要求的热处理工艺。,一、感应加热表面淬火,利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的工艺方法。,1.感应加热淬火的基本原理,图4-16 感应加热示意图,1工件 2感应器 3喷水套,第五节 钢的表面热处理,2.感应加热淬火的特点,1)感应加热淬火件晶粒细、硬度高。,2)加热速度快，加热时间很短。,3)热效率高，生产率高，生产环境好，易实现机械化、自动化。,4)淬硬层深度易于控制。,5)设备投资大，维修困难，不适合单件生产。,3.感应加热淬火的应用,感应加热淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢制作的齿轮、轴、销类零件；也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。,二、火焰加热表面淬火,应用可燃气体(如氧乙炔)燃烧产生的高温火焰对工件表面进行加热，并快速冷却的淬火工艺。,第五节 钢的表面热处理,第六节 钢的化学热处理,将工件放在具有一定活性介质的热处理炉中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。,化学热处理可以划分为：分解；吸收；扩散。,一、渗碳,渗碳是将工件放在具有活性碳原子的介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。目的是提高工件表层的含碳量，并形成一定含碳量梯度的渗碳层，经淬火、低温回火后提高工件表面的硬度、耐磨性，心部保持良好的韧性。,1.渗碳工艺,渗碳分成固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。,图4-17为气体渗碳工艺曲线示意图。,图4-17 气体渗碳工艺曲线,第六节 钢的化学热处理,2.渗碳用钢及渗碳技术参数,渗碳后一般要求表面碳的质量分数达到0.85%1.05%；工件的渗碳层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为0.52.5mm。,3.渗碳后的热处理,渗碳工件渗碳后必须经淬火和低温回火后才能满足使用性能的要求。,渗碳工艺主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的塑性和韧性的零件上，如汽车、工程机械上的凸轮轴、活塞销等。,二、渗氮(氮化),渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。,第六节 钢的化学热处理,1.渗氮工艺,图4-18 气体渗氮工艺曲线示意图,38CrMoAlA等含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。,2.渗氮的特点与应用,（1）渗氮后工件具有很高的表面硬度和耐磨性,（2）渗氮后具有良好的耐蚀性能,（3）渗氮件的变形很小,第六节 钢的化学热处理,渗氮特别适宜精密零件的最终热处理。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。,三、碳氮共渗,在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。常用的为气体碳氮共渗。碳氮共渗件需进行淬火、低温回火。,四、氮碳共渗(软氮化),在工件表层同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺，称为氮碳共渗，也称软氮化。氮碳共渗的温度一般为56010，保温时间一般为34h。,第六节 钢的化学热处理,第七节 热处理新技术,一、热处理技术发展方向,1.清洁热处理,2.精密热处理,3.节能热处理,4.少无氧化热处理,二、热处理新技术简介,1.可控气氛热处理,2.真空热处理,在热处理工艺过程中，热处理炉内的炉气成分(即工艺介质)可以有效控制的热处理。,在真空中进行加热，然后在常压下完成其他热处理工艺的一种热处理方法。,第八节 金属的表面防护与装饰,一、金属的表面防护,1.电镀、化学镀及热浸镀,（1）电镀 将金属零件作为阴极浸入含有欲镀金属的盐溶液中，通 入电流，在直流电场的作用下，金属盐溶液中的阳离子 在零件表面上沉积成为牢固的镀层的工艺。,（2）化学镀 利用适当的还原剂，使一定成分溶液中的金属离子在经 催化的金属表面上还原出金属镀层的一种化学方法。,（3）热浸镀 将金属零件浸入熔融的金属液体槽中，经一定时间取出 然后冷却后，使其表面形成耐蚀覆盖层的工艺。,（1）氧化处理 采用化学或电化学的处理方法，使零件表面形成一 层氧化膜，以提高零件的耐蚀性并改善其外观的工 艺方法。,（2）磷化处理 将钢铁零件放入磷酸盐溶液中，使零件表面获得一 层不溶于水、耐腐蚀的磷酸盐薄膜的工艺方法。,1)钢铁的氧化处理(发蓝或发黑),2)铝及铝合金的氧化处理,钢铁零件磷化处理的一般工艺流程为：化学脱脂热水洗冷水洗酸洗冷水洗磷化处理冷水洗去离子水洗干燥。,第八节 金属的表面防护与装饰,2.化学转化膜技术,通过化学或电化学的处理方法，使金属表面形成一层稳定的化合物膜，从而既有防腐作用又有装饰作用。,3.涂料涂装法,在金属表面涂覆一层物质，使金属与周围介质隔开，达到保护金属表面、防止腐蚀的目的。,二、金属的表面装饰,（1）表面抛光,（2）表面着色,（3）光亮装蚀镀,（4）美术装饰漆,第八节 金属的表面防护与装饰,1.什么叫热处理?热处理的目的是什么? 2.热处理工艺分哪几大类?分别包含哪些工艺方法? 3.通常一个热处理工艺分哪三个阶段? 4.何谓奥氏体化?奥氏体化经历哪几个基本过程? 5.奥氏体晶粒大小对钢热处理后的性能有何影响?如何获得细小均匀的奥氏体晶粒? 6.过冷奥氏体在不同温度下等温时其最终转变产物分别是什么?用什么符号表示?组织形态有何特征?性能如何? 7.过冷奥氏体的等温转变与连续冷却转变有何区别? 8.预备热处理与最终热处理的目的有何区别? 9.退火工艺常用的方法有哪些? 10.选择退火或正火工艺时应注意些什么? 11.什么是淬火?淬火的目的是什么? 12.什么是钢的淬