钢的热处理.ppt

新平科培训 钢的热处理 热处理的原理 钢的加热和冷却 钢的热处理 钢的热处理 学习内容 一 热处理的目的通过热处理可以改变钢的内部组织结构 从而改善其工艺性能和使用性能 充分挖掘钢材的潜力 延长零件的使用寿命 提高产品质量 节约材料和能源 二 热处理的原理钢中组织转变的规律是热处理的理论基础 称为 热处理原理 1 纯金属的构造铁具有体心立方和面心立方两种晶格结构 温度发生变化时会发生晶格的改变 这种现象称为 同素异构转变 同素异构转变是可逆的 它是材料能否通过热处理来改变其力学新能的重要依据之一 第一节概述 体心立方晶格结构称为铁素体相 用 Fe或F表示 高温区铁素体相用 Fe表示 面心立方晶格结构称为奥氏体相 用 Fe或A表示 Fe 铁素体 T 纯铁的同素异构现象 Fe 高温铁素体 Fe 奥氏体 770 铁磁性 t s 1538 1394 912 液态区 2 合金的构造 合金是由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素构成的 具有金属特性的物质 如 碳钢和生铁就是由铁 Fe 和碳 C 的合金 黄铜是由铜 Cu 和锌 Zn 的合金 合金的构造比纯金属复杂得多 通常分类为 固溶体是在固态下 以一种金属元素的晶格为溶剂 其他元素的原子为溶质 在一定条件下 溶质原子溶入溶剂晶格中 构成的均匀固体 分为间隙固溶体和置换固溶体 譬如铁素体 化合物 是构成合金的元素相互化合而生成的新物质 譬如渗碳体 机械混合物是两种或两种以上的相 相互混合成的组织 它可以由纯金属 固溶体 金属化合物等晶体相互任意混合而成 机械混合物的性能 取决于构成混合物的组分的形状 大小 相对数量和分布状态 譬如珠光体 3 Fe Fe3C合金状态图 铁碳状态图是研究铁碳合金的组织与性能关系的工具 是不同含碳量的铁碳合金 在不同温度下的组织结构形态 铁碳状态图是长期生产实践和科学实验的结晶 对于了解钢铁材料的性能及使用 制定钢铁材料的热处理工艺有重要的指导意义 铁碳状态图 铁碳状态图各区域的组织 过共析钢 共析钢 共晶白口铁 亚共晶白口铁 过共晶白口铁 碳素钢 白口铸铁 亚共析钢 工业纯铁 铁碳合金的分类 铁素体 碳溶解在 Fe中形成的间隙固溶体常用符号 F含C量 0 0218 强度 硬度低 塑性 韧性好 4 钢平衡状态下的组织和性能 3 1铁碳合金中的组元和基本相 渗碳体 铁与碳组成的金属化合物常用符号 Fe3C含碳量 6 69 强度 硬度很高 脆性大 塑性和韧性极低 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物常用符合 P含碳量 0 77 珠光体综合力学性能较好 指将钢在固态下加热 保温 冷却 以改变钢的内部组织结构 从而获得需要的力学性能的一种工艺 三 热处理的定义 一 钢的热处理过程 t s 加热和保温的目的 改变原始组织 获得细小而均匀的奥氏体 为冷却后得到所需的组织和性能做好准备 冷却方式的不同 钢经热处理后的结果完全不同 第二节钢的加热与冷却 二 钢在加热时的组织转变 奥氏体A 碳溶解在 Fe中形成的间隙固溶体 有一定的强度和硬度 塑性也很好 由室温时的平衡组织转化为奥氏体 1 奥氏体的形成过程 1 奥氏体晶核形成2 奥氏体晶核长大3 残余渗碳体溶解4 奥氏体均匀化 钢在加热时的实际转变温度用Ac1 Ac3 Accm 奥氏体化刚结束时的晶粒大小 2 奥氏体晶粒度 奥氏体的晶粒的大小 决定了冷却后组织的晶粒大小 钢的晶粒越细 其机械性能越好 起始晶粒度 实际晶粒度 不同成分的钢 其奥氏体晶粒在加热时长大的倾向称做本质晶粒度 本质晶粒度 钢在加热时奥氏体晶粒的长大倾向 本质晶粒度1 4级为本质粗晶粒钢 5 8级本质细晶粒钢 凡需热处理的工件 一般应采用本质细晶粒钢 奥氏体晶粒度 加热速度 奥氏体晶粒越细 加热速度越快 过热度越大 形核率越高 3 影响奥氏体晶粒大小的因素 加热温度和保温时间 加热温度越高或保温时间越长 奥氏体晶粒粗大 细化奥氏体的方法 高温 快速 短时加热 二者相比 加热温度影响更甚 碳与合金元素 含碳量增加 晶粒长大的倾向变大 碳以未溶渗碳体的形式存在 阻碍晶界移动 长大倾向减少 过共析钢在Ac1 Accm之间加热 可获得较为细小的晶粒 除锰等元素外 大多数合金元素都可不同程度地阻止奥氏体晶粒长大 Ti V Nb W Mo等 三 钢在冷却时的转变 1 过冷奥氏体的转变产物 过冷奥氏体 处于临界点A1以下的奥氏体 不稳定组织 随过冷度不同 过冷奥氏体将发生三种类型转变 马氏体转变 珠光体转变 贝氏体转变 过冷奥氏体 2 过冷奥氏体转变图 冷却 连续冷却 等温冷却 将钢以某种速度不停顿地冷却 使奥氏体在连续降温过程中转变 过冷奥氏体转变图 描述在这两种冷却方式下过冷奥氏体的转变量与转变时间之间的关系曲线图 该图是对钢材进行热处理的重要依据 将钢迅速冷却至临界点A1以下的某一温度 使奥氏体在该温度下转变 3 TTT C 曲线的建立 以共析碳钢为例 4 钢的等温冷却组织 珠光体 P 转变 转变条件 过冷奥氏体在A1 550 温度范围内转变为珠光体类型的组织 转变产物 铁素体与渗碳体片层相间的机械混合组织 分类 根据片层的厚薄不同 珠光体 P 索氏体 S 屈氏体 T 形成温度A1 650 形成温度为650 600 形成温度为600 550 片层较厚 片层较薄 片层极薄 贝氏体 B 转变 转变条件 转变产物 分类 上贝氏体 B上 下贝氏体 B下 形成温度550 350 形成温度为350 Ms 过冷奥氏体在550 Ms温度范围内 Fe3C与含碳过饱和铁素体的两相机械混合物 根据贝氏体的组织形态不同 共析钢为230 马氏体 M 转变 转变条件 转变产物 分类 温度区间低于Ms点 碳在 Fe中的过饱和间隙固溶体 马氏体的形态 过冷奥氏体在该温度下不能在恒温下转变 而是以极大的过冷度连续冷却 马氏体的性能 高硬度而脆 片状马氏体 针状马氏体 形成温度靠近Ms 形成温度靠近Mf 1 根据热处理工艺分类 第三节钢的热处理 一热处理分类 T 加热 保温 冷却 0 2 根据热处理在零件生产过程中的位置和作用分类 赋予工件所要求的使用性能的热处理 热处理 预备热处理 最终热处理 清除前道工序的缺陷 改善其工艺性能 确保后续加工顺利进行 二 钢的退火与正火 一般机械零件的加工工艺路线 毛坯 铸 锻 预备热处理 机加工 最终热处理 退火和正火主要用于 1 退火 定义 将钢加热至适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 通常为随炉冷却 从而获得接近平衡状态组织的热处理工艺 1 退火的目的 调整硬度以便进行切削加工 消除残余内应力 以防止钢件在淬火时产生变形或开裂 细化晶粒 改善组织 提高力学性能 为最终热处理作准备 适合于切削加工的硬度为170 250HB 2 退火工艺 常用的有完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火 去应力退火 再结晶退火等类型 加热温度规范 完全退火 将工件加热到Ac3 30 50 保温后缓冷的退火工艺 又称为普通退火或重结晶退火 完全 指钢的组织能通过重新形核 长大得以全部奥氏体化转变 通过重结晶细化晶粒 以改善毛坯件粗大 不均匀的原始组织 充分消除内应力 防止变形开裂 完全退火主要用于亚共析钢和中碳合金结构钢的铸 锻 焊坯件以及热轧型材的预备热处理 工艺周期长 为提高设备利用率 常用等温退火代之 将亚共析钢加热到Ac3 30 50 将共析钢 过共析钢加热Ac1 30 50 保温后快冷到Ar1以下的某一温度 并在此温度下停留 待相变完成后出炉空冷的退火工艺 等温退火 等温退火可使工件在炉内的停留时间大大缩短 特别适合孕育期长的合金钢 特点 球化退火 使高碳钢中渗碳体球状化的退火工艺 出炉空冷 加热 稍高于Ac1的温度 充分保温 二次渗碳体球化 形成球化组织 加热温度规范 球化退火主要用于共析钢和过共析钢 应用 为后面的淬火作组织准备 在铁素体基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织 球化退火所得到的组织 注 若球化退火前钢中有严重的网状碳化物的存在 在球化退火前应先进行正火 来消除网状渗碳体 降低硬度 改善切削加工性能 球状珠光体 球化退火的目的 2 正火 将亚共析钢加热到Ac3 30 50 共析钢和过共析钢加热到Accm 30 50 保温后空冷的热处理工艺但一般地正火适合于亚共析钢 正火的应用 作为低 中碳结构钢的预备热处理 可获得合适硬度 改善切削加工性能 为淬火作组织准备 消除过共析钢中的网状二次渗碳体 为球化退火作组织准备 作为普通结构零件的最终热处理 正火与退火的主要区别 低 中碳的亚共析钢 正火和退火的目的相同 过共析钢 正火为了消除网状二次渗碳体 为球化退火作组织准备 正火冷却速度较大 珠光体组织细 强度和硬度也较高 冷却速度不同 1 冷却速度 2 目的 完全退火 等温退火 正火 低碳钢 正火 中碳钢 退火 正火 过共析钢 正火 球化退火 3 改善切削加工性能 完全退火 等温退火 正火 三钢的淬火与回火 将钢加热到临界点以上 保温后以大于Vk的速度冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 1 淬火 1 淬火温度 钢奥氏体化温度 淬火的主要工艺参数之一 获得均匀细小的奥氏体组织 以便淬火后获得细小马氏体 选择淬火温度的原则 1 亚共析钢的淬火 Ac3 30 50 淬火温度 若加热温度过高 出现粗大马氏体组织 导致淬火钢严重变形 若加热温度过低 淬火组织中出现铁素体 硬度不足 淬火组织 含碳量 0 5 马氏体 含碳量 0 5 马氏体 少量的残余奥氏体 45钢的正常淬火组织 2 共析钢和过共析钢的淬火 淬火温度 Ac1 30 50 共析钢淬火后的组织 马氏体 少量残余奥氏体 过共析钢淬火后的组织 细马氏体 颗粒状渗碳体 少量残余奥氏体 淬火前经过球化退火 分散分布的颗粒状渗碳体对钢的硬度和耐磨性有利 T12钢的淬火组织 400X 过共析钢若加热到Accm以上 会出现 奥氏体晶粒粗大 含碳量提高 淬火后的马氏体也粗大 残余奥氏体量增加 降低钢的硬度 耐磨性和韧性 增大变形和开裂的倾向 3 合金钢的淬火 大多数合金元素 Mn P除外 有阻碍奥氏体晶粒长大的作用 淬火温度在临界点以上50 100 提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中的充分溶解和均匀化 以获得较好的淬火效果 淬火加热时间的确定 淬火加热时间长短 加热时间 升温时间 保温时间 从工件装炉后上升到淬火温度所需时间 从达到淬火温度开始至完成奥氏体均匀化所需的时间 奥氏体均匀化 实际晶粒度大小 影响 2 淬火介质 控制钢件冷却速度保证淬火质量的重要媒介物质 获得马氏体 包括下贝氏体 组织 1 在650 以上保证过冷奥氏体不转变为珠光体型组织的前提下 应尽量减慢冷却速度以减少热应力作用 淬火的目的和实质 理想淬火介质的冷却速度 3 避开 鼻尖 后 又应缓慢冷却 因为此后发生马氏体转变时将产生较大的相变应力 注 较大的相变应力和热应力容易导致工件的变形和开裂 2 在C曲线 鼻尖 处应尽快冷却 以保证过冷奥氏体不在此处转变 常用的淬火冷却介质 水 1 经济的且冷却能力较强的淬火介质 优点 缺点 1 在C曲线鼻尖部位 650 500 范围内冷却能力不够强 2 在马氏体转变区 300 200 范围内冷却能力不够缓慢 2 对环境没有污染 适用范围 最常用的淬火介质 多用于形状简单或截面尺寸较小的碳钢件的淬火冷却 适用范围 常用的淬火介质 多用于形状复杂的中 小合金钢件的淬火冷却 油 特点 1 低温区的冷却速度比水小得多 2 高温区的冷却速度也很小 盐水 碱水 特点 1 明显提高水在高温区的冷却能力 主要用于形状简单 截面尺寸较大且变形要求不高的碳钢件的淬火冷却 2 但在300 200 范围内的冷却能力仍较强 适用范围 在水中加入10 15 的NaCl NaOH等物质 除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移 3 淬火方法 单介质淬火 将奥氏体化后的工件迅速投入到一种淬火介质中冷却至室温的淬火方法 优点 易实现机械化 应用较广泛 缺点 2 油中淬火时大碳钢件不容易淬硬 硬度不足或不均匀 1 水中淬火变形开裂倾向大 A1 Ms 时间 温度 4 1 2 3 双介质淬火 将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却 避免珠光体转变 然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法 常用的水淬油冷或油淬空冷 获得了较理想的冷却条件 操作复杂 在第一种介质中的停留时间不易掌握 需要有实践经验 优点 缺点 适用范围 主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件 A1 Ms 时间 温度 4 1 2 3 分级淬火法 指将奥氏体化的工件淬入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保温 待工件表 心部温度接近盐浴温度时取出来空冷的淬火方法 优点 很好地消除淬火工件表心部的温差问题 有效地减少工件变形开裂倾向 适用范围 适于形状复杂 厚薄不均的工件淬火 但因其冷却能力有限 仅用于尺寸较小的工件 A1 Ms 时间 温度 4 1 2 3 优点 适用范围 等温淬火法 将加热工件在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间 获得下贝体组织后再空冷的淬火方法 1 零件强度高 塑性和韧性好 既有良好的综合力学性能 2 淬火应力小 变形小 用于形状复杂和要求较高的小零件 几种淬火方式比较 将淬火工件继续冷却到室温以下温度 70 80 保持一段时间 使其中的残余奥氏体继续转变为马氏体的工艺过程 A1 Ms 时间 温度 4 1 2 3 深冷处理 目的 降低钢中残余奥氏体量 以提高钢的硬度和耐磨性及工件的尺寸稳定性 适用范围 主要用于淬火后残余奥氏体量较多的合金钢或精密件 如 刃量具钢等 4 淬火工件易出现的问题及其预防 淬火后硬度不足或不均匀 产生原因 1 冷却速度不够或不均匀 导致未得到全部马氏体组织 2 加热或保温过程中工件表面被氧化脱碳 淬火后表面有非马氏体组织 3 亚共析钢加热温度低于Ac3或保温时间不够 淬火后有铁素体存在 解决措施 防止工件在加热过程中的氧化脱碳 采用合理的加热和冷却规范确保工艺的正确实施 工件变形及开裂 产生原因 淬火过程中的热应力和组织应力综合作用的结果 解决措施 1 工件设计合理 选材正确 2 合理选用预备热处理工艺 为淬火前作好组织准备 3 控制淬火加热温度和保温时间 防止晶粒粗大 4 采用适当的淬火冷却方法 5 淬火后及时回火 2 回火 指将淬火钢加热到A1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺 1 定义 2 性质 回火是作为最终热处理与淬火并用的 回火不足可以再适当追补一次 但若回火过度则将前功尽弃 必须重新淬火 3 目的 消除或减少淬火内应力 防止工件变形或开裂 获得工艺所要求的力学性能 稳定工件尺寸 回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定的组织 以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化 淬火后回火前的马氏体 淬火马氏体 残余奥氏体 自发 铁素体和渗碳体 工件尺寸和形状 改变 淬火钢不经回火一般不能直接使用 为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂 钢件经淬火后应及时回火 未经淬火的钢 回火是没有意义的 1 低温回火 发生在150 250 组织 M回 极细的 碳化物与低饱和度的 固溶体 4 回火的种类 根据回火的温度范围 目的 保留淬火后的高硬度 58 64HRC 耐磨性的同时 降低内应力 提高韧性 适用对象 主要用于各种工具 模具 轴承及表面淬火的工件 2 中温回火 发生在350 500 组织 T回 在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织 目的 得到高的弹性极限和屈服强度及一定的韧性 适用对象 主要用于处理热成形弹簧件 内应力消除大半 硬度为35 45HRC 3 高温回火 发生在500 650 组织 S回 在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织 目的 具有良好的强度 塑性及韧性的配合 即综合力学性能优良 适用对象 适用于各种重要结构零件的最终热处理 内应力完全消除 硬度为25 35HRC 淬火 高温回火简称调质处理 5 回火脆性 定义 淬火钢的韧性并不总是随回火温度上升而提高的 在某些温度范围内回火时 淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象 低温回火脆性 淬火钢在250 400 回火时出现的脆性 也称第一类回火脆性 几乎所有的钢都有这类回火脆性 目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性 一般都不在250 350 范围内进行回火 高温回火脆性 淬火钢在450 650 范围内回火后缓冷出现的脆性 又称第二类回火脆性 这类回火脆性主要发生在含Cr Ni Si Mn等合金元素的结构钢中 当淬火钢在上述温度长时间保温或缓慢冷却时发生明显的脆化现象 特点 回火后快冷 油冷 不产生脆性 而慢冷 空冷 则会产生脆性 3 钢的淬透性与淬硬性 1 淬透性 钢在淬火时获得淬硬层 马氏体层 的深度 是钢种本身固有的属性 衡量指标 用标准试样在一定条件下淬火时所能达到的有效淬硬层深度来表示 淬硬层深度 指钢件表面至内部马氏体组织占50 处的距离 淬硬层深度越大 淬透性越高 淬硬层深度达到心部 工件被淬透 热处理工艺中的两个重要概念 是选材和制定热处理工艺所要考虑的重要因素 在相同奥氏体化条件下 同种钢的淬透性是相同的 小件 大件 2 淬硬性 在正常淬火情况下获得马氏体组织所能达到的最高硬度 影响因素 主要取决于马氏体中的含碳量 而与合金元素关系不大 注 淬透性高的钢 其淬硬性不一定高 反之亦然 淬硬层深度 水淬 油淬 含碳量越高 淬硬性也高 淬透性 淬火条件下得到M组织的能力 取决于VK淬硬性 钢在淬火后获得硬度的能力 取决于M中C C 淬硬性 四钢的表面热处理 承受弯曲 扭转 摩擦或冲击的零件 表面具有高的强度 硬度 耐磨性和疲劳极限 心部具有足够的塑性和韧性 钢的表面热处理 表硬里韧 1 表面淬火 将钢件表层迅速加热到奥氏体化温度后急冷使表层形成马氏体组织而心部组织仍保持不变的热处理工艺 只改变组织性能而不改变钢的化学成分 1 表面淬火用钢 适用于中碳钢或中碳低合金钢 如 40 45钢 40Cr 40MnB及60Ti等低淬透性钢 含碳量过高 降低心部韧性 含碳量过低 影响钢的表面硬度和耐磨性 铸铁 灰铸铁 球墨铸铁 制件也可用表面淬火 提高耐磨性 2 表面淬火后的回火及组织 低温回火回火温度不高于200 保留表面淬火后的高硬度和高耐磨性 回火目的 降低内应力 淬火后的回火 回火后的组织 表面组织为回火马氏体 心部组织为回火索氏体 回火后的硬度 表面硬度可取55 58HRC 心部组织可取40 55HRC 预备热处理 不重要的零件表面淬火前可用正火处理 较重要的零件要先调质处理以得到回火索氏体组织 3 表面淬火常用的加热方法 感应加热表面淬火 感应加热表面淬火 感应加热淬火的特点 1 加热速度快 工件不易脱碳 变形小2 获得的马氏体组织极细 硬度高 脆性小 疲劳强度好3 加热层深度一控制 可实现自动化批量生产 感应加热淬火的缺点 设备较贵 形状复杂零件的处理比较困难 火焰加热表面淬火 特点 1 操作简单 不需特殊设备2 淬硬层一般为2 6mm3 淬火质量不易稳定4 适于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件 2 化学热处理 将钢件置于一定的化学介质中加热 保温 使介质中一种或几种元素的原子渗入工件表层 以改变钢件表层化学成分和组织且又能有更高强韧性的热处理工艺 1 化学热处理的特点 a 通过改变表面成分 使工件表层组织与性能皆发生变化 b 有效地提高钢件表面硬度 耐磨性及抗疲劳性能 其工序地位均属于最终热处理 既改变组织性能又改变钢的化学成分 3 化学热处理的种类 渗碳渗氮 化学热处理 注 上述三个过程同时发生并相互制约 加热温度越高 整个过程越快 渗层越深 但过高会使奥氏体晶粒粗化 使钢的性能变差 根据渗入的元素不同分 2 化学热处理的基本过程 化学介质的分解 释放 待渗元素的活性原子 钢件表面吸收和溶解 原子向内部扩散 控制保温时间 控制扩散层深度 1 渗碳 将低碳钢放入高碳介质中 在900 950 加热保温 使活性碳原子渗入钢的表面以获得高碳表层的化学热处理工艺 渗碳的主要目的 提高工件表面的硬度 耐磨性和疲劳强度 同时保持心部的良好韧性 渗碳用钢 渗碳钢含碳量一般为0 1 0 3 常用的渗碳钢有20 20Cr 20CrMnTi 12CrNi3 20MnVB等 渗碳的用途 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 如齿轮 轴类 链条 摩擦片等 渗碳方法 气体渗碳 气体渗碳法是将工件放人密封的渗碳炉内 使工件在高温 900 950 的渗碳气氛中进行渗碳 气体渗碳法的优点 生产效率高 渗层质量好 劳动强度低 便于直接淬火 碳量及渗层深度不易精确控制 电力消耗大等 气体渗碳法的缺点 渗碳方法 根据所用渗碳介质的工作状态 气体渗碳 固体渗碳 液体渗碳 常用的是气体渗碳法 渗碳后的热处理 渗碳层的成分 组织和厚度 低碳钢工件渗碳后 其表面含碳量可达过共析钢的成分 由表向里碳浓度逐渐降低 直至钢的原始含碳量 钢件 渗碳 淬火 低温回火 使用 回火温度一般为160 180 渗碳钢缓冷后的组织 表层组织 珠光体加网状二次渗碳体 心部组织 铁素体加珠光体 中间为过渡区 一般规定 从表面到过渡层一半处的厚度为渗碳层的厚度 表面耐磨性差 疲劳抗力小 渗层变脆 易剥落 渗碳层的厚度应根据工件的工作条件及具体尺寸来确定 含碳量过低 含碳量过高 渗碳件的技术要求 表面含碳量 回火后为58 64HRC 渗碳层表面的含碳量以0 85 1 05 为最好 渗层太薄 引起表层疲劳剥落 渗层太厚 耐冲击载荷的能力降低 对于机器零件通常为0 5 2mm 0 85 1 05 表面硬度 渗碳层的厚度 一般由零件尺寸及工作条件而定 对不同零件 可参考以下值 轴类件 0 1 0 2 R R为轴半径 齿轮 0 1 0 3 m m为模数 薄片件 0 2 0