热处理工艺介绍.ppt

热处理基础 前言在机床制造中约60 70 的零件要经过热处理在汽车 拖拉机制造中 需要热处理的零件多达70 80 工模具及滚动轴承 则要100 进行热处理 热处理工艺中有三大基本要素 加热保温冷却热处理基本工艺方法退火正火淬火回火化学热处理 钢材简介 通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称 指所有的铁碳合金 碳素钢 简称碳钢 是含碳量大于0 0218 而小于2 11 的铁碳合金 合金钢是在碳钢的基础上 添加某些合金元素 用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金 按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢 简称碳钢 是含碳量大于0 0218 而小于2 11 的铁碳合金 低碳钢 C 0 25 中碳钢 C 0 25 0 60 高碳钢 C 0 6 合金钢是在碳钢的基础上 添加某些合金元素 用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金 低合金钢 合金元素总量10 渗碳钢的特点 渗碳钢的工作条件及对性能的要求渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件 如汽车 拖拉机上的变速齿轮 内燃机上的凸轮 活塞销等 要求表面硬 耐磨 而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击 通常尺寸小的 受力小的 采用低碳钢 而尺寸大的 受力大的则采用低碳合金钢 为什么渗碳钢一般都采用低碳钢 为了满足 外硬内韧 的要求 这类钢一般含碳量为0 1 0 25 经过滲碳后 零件的表面变为高碳的 而心部仍是低碳的 通过淬火 低温回火后使用 零件表面组织为回火马氏体 碳化物 少量残余奥氏体 硬度达HRC58 62 满足耐磨的要求 而心部的组织是低碳马氏体 保持较高的韧性 满足承受冲击载荷的要求 渗碳钢的热处理渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直接淬火 一次淬火或二次淬火 而后低温回火 碳素渗碳钢和低合金渗碳钢 经常采用直接淬火或一次淬火 而后低温回火 高合金滲碳钢则采用二次淬火和低温回火处理 经上述热处理后可获得高耐磨性渗层 心部有较高的强度和良好的韧性 适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件 如汽车 拖拉机的后桥和变速箱齿轮 离合器轴 伞齿轮和一些重要的轴类零件 渗碳钢按照淬透性的大小 可分为三类 低淬透性渗碳钢典型钢种为20Cr 这类钢水淬临界直径100mm 主要用于制造大截面 高载荷的重要耐磨件 如飞机 坦克中的曲轴 大模数齿轮等 合金元素在材料中的主要作用 C 是组成钢的基本元素 它可以提高钢材的强度和硬度 Cr 能够提高钢材的耐磨性和耐锈蚀性能和强度 提高钢材的淬透性 即淬硬深度 促进渗碳 Mn 提高钢的强度 硬度和耐磨性 提高钢材的淬透性 但含锰较高时 有较明显的回火脆性 有促进晶粒长大的作用 因其价格便宜 在我国钢材中具有极为广泛的应用 Ti 阻止奥氏体晶粒长大 细化晶粒 Mo 提高钢材淬透性 在增加淬硬层深度方面为各元素之首 可以防止钢材在高温加热时的晶粒长大 增加高温抗拉强度和提高蠕变强度 Ni 提高钢的冲击韧度和淬透性 尤其低温抗冲击性 提高钢材耐腐蚀性 它与Cr配合使用性能更好 Si 能提高钢的强度 疲劳极限 耐腐蚀性及抗氧化性 铁碳合金相图 铁碳合金相图 铁碳合金中的基本相铁碳合金相图实际上是Fe Fe3C相图 铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C 铁存在着同素异晶转变 即在固态下有不同的结构 不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体 Fe Fe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体 由于 Fe和 Fe晶格中的孔隙特点不同 因而两者的溶碳能力也不同 1 铁素体碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体2 奥氏体碳溶于 Fe中形成的间隙固溶体3 渗碳体铁和碳形成的化合物 材料检验 鉴定钢材的冶金质量 通常采用化学分析 低倍 或称宏观 分析 高倍分析 断口分析等四个方面 1 化学分析 分析钢材化学成分 即各元素含量 2 低倍 8倍 分析 检查钢材疏松 组织不致密性 缩孔残余 偏析 气泡 发纹 裂纹 夹杂 白点 3 高倍 400倍 分析 检查钢材带状组织 液析 非金属夹杂 4 断口分析 分为脆性断口 淬火断口 韧性断口 调质断口 钢的预备热处理 正火 锻打后的毛坯以及直接下料的棒料带有锻造 轧制的组织缺陷 硬度也不符合机械加工的要求 因此必须通过正火来改变这些缺陷 正火是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 正火 退火 的目的 1 降低硬度 便于切削加工 2 提高钢的塑性和韧性 以便于冷变形加工 3 消除锻件的组织缺陷 4 细化晶粒 改善组织 为最终热处理做准备 5 消除应力 防止畸变和开裂 正火工艺简介 正火工艺的特点加热温度一般在AC3以上保温时间足够长根据毛坯的大小和炉子的加热能力来制订保温时间冷却速度一般较慢可根据零件的硬度要求制订冷却速度 一般是风冷 几种钢材常见的正火温度20CrMnTi H 的加热温度为960 左右 20CrMoH 8620H的加热温度为940 左右 正火检验 组织检验 金相组织应是细片状珠光体 不允许出现粒状贝氏体 规定1 3级属合格 带状检验 根据带状组织的形态分级 不允许出现连续的带状组织 3级以下属合格 硬度检验 采用布氏硬度计检验 我公司采用的是 10mm直径的钢球 用3000公斤力 在10秒中保持时间内压入毛坯表面 然后检查压痕直径的检验办法 表示方法HB10 3000 10207 钢的化学热处理 渗碳 简述 基本概念渗碳就是将钢置于富碳介质中加热 保温足够长的时间 使活性碳原子渗入工件表层 提高表层碳浓度的过程 渗碳后经过淬火与低温回火 可以改善表层及心部组织 提高表面硬度及耐磨性 增加钢的疲劳强度 对渗碳 淬火 的技术要求 表面碳浓度 通常0 85 1 05 渗碳层深度 根据工件的尺寸 工作条件和渗碳钢的化学成分等决定 碳浓度梯度 含碳量沿渗层下降的状况 渗层组织及状态 马氏体的粗细 碳化物的大小 形状 数量和分布 残余奥氏体的数量 零件表面的物理 化学和力学性能 硬度 强度 韧性等 渗碳根据介质的状态分为固体渗碳 液体渗碳和气体渗碳三种 目前广泛应用的是气体渗碳 气体渗碳原理 气体渗碳原理将低碳钢或低碳合金钢工件置于具有足够碳势的渗碳气氛中 将它加热到奥氏体状态并保温 这样在其表面和心部之间就形成一个碳浓度梯度层 随后的淬火就使工件表面形成了高碳的马氏体组织 它坚硬耐磨 而心部是低碳的马氏体组织 具有良好的韧性和抗冲击性能 气体渗碳是碳从气相向固相的传递过程 活性碳原子从气氛中传递到工件表面 经吸附 吸收和扩散而渗入工件的表面 碳势碳势是指在给定温度下 工件 奥氏体状态 与炉内气氛达到动态平衡时 工件表面的实际含碳量 此时碳势是炉气氛渗碳能力的表征 它的高低反映了炉气氛供碳能力的大小和渗碳能力的强弱 通常碳势通过钢箔定碳法进行测量 将含碳量约0 05 0 12 的钢箔在炉内渗碳一段时间 达到穿透渗碳后取出称其重量 再用以下公式计算 碳势Cp W2 W1 W2X100 CoW2 钢箔渗碳后的重量W1 钢箔渗碳前的重量Co 钢箔的原始含碳量 渗碳剂介绍 1 井式气体渗碳炉所用介质是煤油 煤油是分子中含有11 17个碳原子的多种烃类的混合物 850 以下裂解不充分 低分子烃较多 易产生碳黑和结焦 由于成分不固定 不能作为自动控制的介质使用 2 多用炉渗碳介质是甲醇 CH3OH 醋酸乙酯 CH3COOC2H5 丙酮 CH3COCH3 甲醇作为稀释剂 醋酸乙酯或丙酮作为渗碳剂 以甲醇 醋酸乙酯介绍 甲醇的分解CH3OHCO 2H2醋酸乙酯的分解CH3COOC2H52 C 4H2 2CO以丙酮 空气介绍丙酮的分解CH3COCH32 C 3H2 CO渗碳反应方程式2COCO2 C CH42H2 C 气体渗碳的基本过程 气体渗碳可分为五个基本过程1 渗碳介质的分解渗碳介质在高温下进行分解反应 析出活性碳原子以保证炉内气氛具有一定的碳势 例如醋酸乙酯的热分解反应 CH3COOC2H5 2 C 2CO 4H2式中 C 表示是活性碳原子 它是以原子状态存在的碳 只有它才会被钢件表面吸收 但它们又极不稳定 当未被钢件吸收时 就会形成稳定的分子状态的碳 即碳黑 热处理炉之所以需要烧碳黑原因就在于此 2 气体向钢件表面的对流炉内气氛中的渗碳成分 如CO CH4等 不断流向钢件表面 经过吸收活性碳原子后剩下的脱碳性气体 包括CO2 H2O等 应及时离开钢件表面 为此应不断添加渗碳剂并要求有足够的流速或足够的换气次数 炉内应设置循环风扇 保证气体向钢件表面的对流 渗碳的基本过程 3 活性碳原子向钢件表面迁移4 钢件表面吸收碳首先要求钢件表面洁净 另外要控制渗碳剂的分解和钢件表面对碳的吸收两个阶段 使之在速度上恰当配合 一方面如果分解速度小于吸收速度就会减缓渗碳速度 另一方面钢件表面对渗碳剂的分解有催化作用 若分解速度大于吸收速度则容易在钢件上沉积碳黑 5 渗入原子的扩散钢件表面吸收活性碳原子后 其表面渗入的碳原子的浓度大大提高 表面与里层之间产生了浓度差 在高温下 碳原子沿着浓度梯度下降的方向作定向移动 从而形成一定厚度的渗层 碳原子扩散的驱动力是钢件表面与心部之间的浓度差 渗碳温度的选择 由于碳在铁素体中的溶解度极小 约为0 025 而在奥氏体中溶解度却很大 最高为2 0 所以渗碳必须在AC3以上的温度 使钢件在奥氏体状态下进行 渗碳温度越高 碳的扩散速度越快有利于快速渗碳提高生产效率 但渗碳温度过高以后设备的使用寿命会降低 并使钢的晶粒粗大和表层的含碳量过高 以至于生成碳化物等缺陷 因此渗碳温度的范围一般在850 950 对于大模数渗碳层要求深的零件渗碳温度取上限 对于小模数渗碳层要求浅 热处理变形要求高的零件渗碳温度取下限 渗碳的方法 1 一段渗碳法在渗碳和扩散阶段使炉内的碳势始终控制在等于零件预定要求的表面碳浓度 这种方法操作简单但生产周期长 2 分段渗碳法使零件在高碳势下渗碳 在低碳势下扩散 在强渗阶段采用强渗碳剂使炉内碳势远超过预定的表层碳浓度 在此高碳势下让钢的表面强烈增碳 造成很高的碳浓度梯度增加碳原子的扩散速度 从而加速渗碳过程的进行 渗碳阶段结束时钢的表层具有超出预定的碳含量 低的渗层深度和高的碳浓度梯度 在扩散阶段把炉内碳势控制设定在预定的表层碳浓度 此时炉内碳势对钢的表层碳浓度而言是脱碳气氛 因此表层碳原子一方面由表面向内扩散 由于碳浓度梯度大扩散速率高 另一方面是离开表面脱溶入渗碳气氛中 扩散的结果是表层碳浓度降低 渗碳层增加以及碳浓度梯度的降低 扩散期的长短取决于零件的渗碳层要求 渗碳后零件表层含碳量的分布 零件经过渗碳后由表及里一般分三层过共析层 含碳量0 9 1 2 共析层 含碳量0 7 0 9 亚共析层 含碳量小于0 7 对钢件渗碳层的主要技术要求 渗层的表面含碳量 渗碳层深度 两项指标决定碳的浓度梯度 渗碳淬火 回火后的表面硬度 对重要的渗碳零件必须检测表面及心部的金相组织 包括碳化物 马氏体 残余奥氏体以及心部铁素体的级别 渗碳层浓度梯度越大 在淬火后过渡区内的残余拉应力越高 在交变载荷作用下往往使裂纹早期形成而使零件早期断裂或渗层剥落 平缓的碳浓度分布则可以提高零件的弯曲强度和弯曲疲劳强度 一般规定过渡区为渗层总深度的1 2 1 3或规定共析层 过共析层的厚度为总渗层深度的50 75 渗碳工艺 以下就是典型的渗碳工艺 温度 排气 强烈渗碳 扩散 时间 h 渗碳 渗碳温度 920 940 降温 保温温度 840 860 保温 淬火 出炉温度860 880 缓冷 零件的淬火 淬火的概念将钢加热到高温奥氏体状态 保温一段时间后快速冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 淬火的目的1 提高钢的硬度及耐磨性2 提高钢的综合机械性能3 使钢获得一定的物理化学性能淬火是钢的最重要的热处理工艺 也是热处理中应用最广的工艺之一 淬火温度的选择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 淬火温度过高 会因为奥氏体晶粒粗大而得到粗大的马氏体组织 使钢的机械性能恶化 特别是使塑性和韧性降低 淬火温度低于Ac3 淬火组织中会保留未溶铁素体 使钢的强度硬度下降 零件的淬火 冷却过程的三个阶段1 蒸气膜冷却阶段当被加热的工件浸入淬火介质后 立即在其表面形成一层蒸气膜 它起着隔热层的作用 导热率很低 工件的热量主要通过蒸气膜的辐射和传导作用来传递 因此工件在该阶段冷却比较慢 2 沸腾冷却阶段当淬火工件散出的热量不足以维持形成蒸气膜所需要的热量时 蒸气膜开始破裂即进入沸腾冷却阶段 此时工件与淬火介质直接接触 淬火介质在工件表面产生强烈沸腾 工件的热量被介质汽化所吸收 散热速度加快 冷却速度很快达到最大值 工件表面温度迅速下降 而后液体沸腾逐渐减弱直到工件表面温度低于液体沸点时 沸腾阶段即结束 3 对流冷却阶段当淬火工件的表面温度低于介质沸点时 进入对流冷却阶段 此时工件与介质之间的散热是以对流传导方式进行 介质本身由于温度差而产生自然对流及介质与工件之间的温差产生的热传导将工件的热量带走 这一阶段的冷却速度通常要求比较缓慢 有利于淬火工件获得较小的应力 零件的淬火 淬火过程是冷却非常快的过程 淬火的目的是得到马氏体组织 同时又要避免产生变形和开裂 淬透性与淬硬性钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层 也称为淬透层 深度的能力 其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示 影响淬透性的因素影响淬透性的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 另外 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 钢的淬硬性表示淬火后钢能达到的最高硬度值 不涉及淬硬层深度 淬硬性决定于钢的含碳量 零件的回火 回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺回火是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 淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态 不能直接使用 必须即时回火 否则工件会有变形开裂的危险 淬火后回火的目的1 降低或消除内应力 以防止工件开裂和变形 2 减少或消除残余奥氏体 以稳定工件尺寸 3 使淬火组织转变为稳定的组织 调整工件的内部组织和性能 以满足工件的使用要求 渗碳淬火后的检验 表面硬度 用洛氏硬度计或标准锉刀检查齿顶及其它外表面 心部硬度 用洛氏硬度计检查轮齿内部 齿根圆及齿中心线交叉点 有效硬化层深 用维氏硬度计 亦称显微硬度计 1kg载荷 沿节圆表面向内测至550HV 相当于洛氏硬度HRC52 5 处作为有效硬化层深度 渗碳层深度 将试样抛光后 用4 硝酸酒精溶液腐蚀后 用显微镜放大100倍检查 试样必顺是缓冷态 淬火态要先退火 金相组织 将淬火态的试样 用4 硝酸酒精溶液腐蚀后 放大400倍检测马氏体 M 残余奥氏体 A 碳化物 K 有标准图片参照 渗碳零件的常见缺陷 1 渗碳层中出现网状或大块碳化物产生原因 渗碳时零件长期处于高碳势下或渗碳后零件冷却速度太慢 后果 增加了零件表面的脆性 使渗碳层容易剥落 降低零件的使用寿命 容易使零件表面在淬火或磨削加工中产生裂纹 2 过热产生原因 渗碳时过热或渗碳后淬火加热时过热 将使钢的晶粒过分长大而增加脆性 渗碳时过热还使表层含碳量大大增加 以至于碳化物数量也增加 并可能呈现大片状 后果 零件容易在晶界处产生裂纹 降低零件的使用寿命 3 表面脱碳产生原因 渗碳后期渗碳碳势过低 渗碳后冷却及淬火加热时保护不良 后果 降低了表面硬度 耐磨性和接触疲劳强度4 表面含碳量过低产生原因 渗碳过程中炉内碳势低 渗碳温度低 渗碳时间短 渗碳炉漏气 零件表面沉积碳黑 装炉量太多等 后果 降低了表面硬度 耐磨性和接触疲劳强度 渗碳零件的常用缺陷 5 心部铁素体过多产生原因 淬火温度低或加热时间不足 后果 降低零件的强度及韧性6 渗碳层深度不够产生原因 渗碳温度低 渗碳时间短 渗碳炉漏气 零件表面沉积碳黑 装炉量太多等 7 渗碳层深度过深产生原因 渗碳过程中炉内碳势高 渗碳温度偏高 渗碳时间过长等 8 渗碳层不均匀产生原因 零件表面不干净或积碳 炉温不均匀 炉内气氛循环不良或漏气 原材料带状组织严重 9 黑色网状组织产生原因 渗碳介质中的氧向钢内扩散 在奥氏体晶界形成铬 锰 钛 硅等的氧化物 使合金元素贫化 局部淬透性下降 淬火冷却时形成非马氏体网状组织 后果 降低零件的耐磨性 疲劳强度和接触疲劳强度 零件的校正 校正工作的意义和目的校正工作是工件热处理工艺过程中重要的工序之一 各种机械零件 以及刀 夹 量 模等工具在热处理过程中 特别是淬火 由于热应力和组织应力等的作用 将产生不同程度的变形 由于热处理后工件产生较大的变形 对于一些比较精密的工件来说 有可能不符合图纸的技术要求 为了达到工件图纸的技术要求 除热处理时选择先进合理的工艺 如加热时间 温度 冷却介质 增加预热 采用分级或等温淬火等 外 还必须用校直的方法来挽救和弥补形状和尺寸上的变形 零件的淬火应力 淬火过程是冷却非常快的过程 在此过程中工件必然会产生内应力 淬火内应力是淬火工件产生变形和开裂的根本原因 淬火过程中所引起的应力有热应力和组织应力两种 他们的成因和作用是不同的 热应力的概念 工件在加热和冷却过程中必然伴随有热胀冷缩现象 当工件表面和心部温度变化不同时 造成热胀冷缩不均 便产生内应力 这种由热胀冷缩不一致而产生的应力称为热应力 在淬火冷却过程中 热应力的变化规律是 冷却前期 表面受拉 心部受压 冷却后期 表面受压 心部收拉 冷却终了的残余应力状态