钢的热处理及金属的表面处理.doc

27郑州航空工业管理学院 机械制造工程教案 第3章3.钢的表面热处理的种类,工艺过程,作用及应用.4.钢的热处理工艺选用.5.金属的表面防护处理.四,教学重点与难点1. 重点钢的常用热处理,作用及应用.*第三章 钢的热处理及金属的表面处理一、教学目的与要求1.了解热处理的基本原理。2.掌握常用热处理的主要工艺过程、作用与应用。3.了解机械零件常用的表面防护方法。二、教学课时数1. 理论教学 4学时2. 实验教学 2学时合 计 6学时三、教学内容1.钢的热处理的基本原理。2.钢的常规热处理的种类，工艺过程，作用及应用。3.钢的表面热处理的种类，工艺过程，作用及应用。4.钢的热处理工艺选用。5.金属的表面防护处理。四、教学重点与难点1. 重点钢的常用热处理，作用及应用。2.难点钢的热处理的基本原理。五、教学方式1. 多媒体授课2. 实验教学六、参考书籍1. 金属学与热处理，崔忠圻；，TG1 / C979，机械工业出版社，20002. 热处理手册，中国机械工程学会，TG15-62 / Z566=3:1，机械工业出版社，20063. 金属工艺学(上)，邓文英，TG / D328=4:1，高等教育出版社，2000第三章 钢的热处理及金属的表面处理概 述一、热处理1. 热处理概念 定义热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。 工艺过程 P36图3-1加热、保温、冷却。 三个主要工艺参数加热温度、保温时间、冷却速度。2. 热处理的主要作用 改变工件的内部组织例如，钢退火可以得到硬度较低的珠光体组织，而淬火可以得到高硬度的马氏体组织。 改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求例如，低碳钢太软不利于切削，正火处理。 改变工件表层的成分、组织、性能例如，汽车汽缸的激光表面淬火、低碳钢渗碳处理。.消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷例：细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织、性能更加均匀。3. 热处理的分类 P37图二、表面处理1. 定义表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。2.作用 耐腐蚀； 高硬度，耐磨损； 装饰作用，美观。3. 常用表面处理工艺方法 表面热处理工艺； 铝合金型材的氧化着色处理； 喷丸处理； 高密度太阳能表面处理； 离子注入表面处理； 黑处理； 发蓝处理等。第一节 钢的热处理基本原理问题1：纯铁的同素异构转变与本章内容有何联系？能够通过热处理改变钢的组织和性能的原因。问题2：为何要学习本节内容？正确理解和应用热处理工艺方法，掌握钢在加热和冷却过程中组织与性能的变化规律。一、钢在加热时的组织转变1. 相变温度 P37图3-22. 共析钢奥氏体化过程 P38图3-3F：体心立方，Wc=0-0.02%A：面心立方，Wc=0-2.11%Fe3C：斜方结构，Wc=6.69% 形核Fe3C与F的相界面上优先，Fe3C的转变滞后于F。 长大 P38图3-4FA（转变）Fe3CA（分解、溶入）成份、大小不均匀。 均匀化大小：大吃小；成份：扩散均匀。亚共析钢：F+PF+AA过共析钢：P+Fe3CA+Fe3CA3. 工艺参数 加热速度快：易导致开裂；慢：高温下时间长，意导致粗晶；原则：在不产生开裂的情况下，选用比较快的加热速度。 保温时间原则：心部到温度；组织转变充分。二、钢在冷却时的组织转变热处理的关键：冷却过程。冷却方式： P39图3-5过冷奥氏体（A过）：A1温度以下的尚未发生组织转变的奥氏体。1. 共析钢等温转变 P39图3-6 曲线建立A过转变开始时间：1-3%；A过转变终了时间：95-98%。不同温度，孕育期时间不同；孕育期越长，A过越稳定。 高温组织转变A1 650：P-珠光体;650600:S-索氏体,较细的片状珠光体;600550:T-屈氏体,极细的片状珠光体. 中温组织转变贝氏体（B）：铁素体与极细渗碳体组成的机械混合物。550350:B上-羽毛状，脆性较大；350240:B下-竹叶状，强度、硬度较高，塑性、韧性较好。 低温组织转变Ms（230）Mf（-50）：M-马氏体。 马氏体相变必须具备两个条件：过冷奥氏体必须以大于临界淬火冷却速度冷却；过冷奥氏体必须过冷到Ms温度以下。 马氏体定义碳溶入-Fe中所形成的一种过饱和间隙式固溶体。 马氏体性能特点高硬度和高强度，性能主要取决于马氏体中碳的过饱和程度。 马氏体的分类 P41图3-7 图3-8板条状马氏体/低碳马氏体：Wc0.6%，硬度（6065HRC）很高，但其塑性和韧性很差，脆性大；混合马氏体：0.2%Wc0.6%，板条马氏体和片状马氏体的混合组织。 残余奥氏体定义钢的淬火组织一般为：马氏体+残余奥氏体的混合组织。危害：降低钢件的强度、硬度和耐磨性；组织不稳定，引起工件变形、降低工件精度。 冷处理将淬火后的工件迅速置于接近或低于Mf的温度下，促使残余奥氏体转变成马氏体。2. 共析钢的连续冷却组织转变 连续冷却的冷却曲线 P41图3-9 转变组织冷却曲线进入哪个区域，即得到那个区域中的相应组织。 不发生贝氏体转变冷却速度快，冷却温度低，扩散困难。3. 亚共析钢、过共析钢的组织转变亚共析钢、过共析钢的“C”曲线以及在冷却过程中的组织转变与共析钢相似，只是“C”曲线的形状和位置存在一些差别。第二节 钢的普通热处理退火、正火、淬火和回火四类。一、退火 P42图3-10 图3-111. 定义将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600以下，再空冷至室温的热处理工艺称为退火。2. 完全退火 定义完全退火是将钢件加热至Ac3以上2030，经过完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的退火工艺。 目的细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。 应用用于亚共析钢（Wc=0.30.6%）,低碳钢和过共析钢不宜采用；包括合金钢的铸件、锻件、焊接件、热轧件。低碳钢：完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢：完全退火，缓慢冷却，渗碳体有充分的时间析出，大量的渗碳体在晶界上连成网状，使钢的硬度不均匀、塑性和韧性显著降低。3. 球化退火 P43图3-12 定义是将钢加热至Ac1+（2030）之间，经过长时间保温后缓慢冷却使高碳工具钢或高碳合金钢中的碳化物全变成球（粒）状的退火工艺。 目的将网状碳化物变成球（粒）状。 应用高碳工具钢或高碳合金钢。 注意正火+球化退火4. 扩散退火 定义扩散退火又称均匀化退火，是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的退火工艺。 目的消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。 应用扩散退火用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭。 注意粗晶、氧化、脱碳扩散退火后+完全退火/正火5. 再结晶退火 定义再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保温适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的退火工艺。 目的消除加工硬化，降低强度和硬度，提高塑性、韧性。 应用锻件、冲压件等变形工件。 经验公式T再0.4T熔 绝对温度钢的T再450 铝合金的T再100变形程度越大，再结晶温度越低。6. 去应力退火 目的减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余内应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。 工艺特点退火加热温度低、保温时间长，因而又称之为低温退火。二、正火 P42图3-10 图3-111. 定义正火是将钢加热到Ac1或Ac3以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体型组织（珠光体、索氏体或屈氏体）的热处理工艺。与完全退火相比：二者的加热温度相同；正火冷却速度较快，转变温度较低；钢材正火组织较退火组织细小，强度、硬度较高。2. 目的： 改善钢的切削加工性能低碳钢易“粘刀”正火处理提高硬度至140190HB 消除工件的热加工缺陷钢件在铸造、锻造、热轧、焊接等热加工过程中容易产生粗大晶粒、内应力等缺陷，通过正火处理可以消除这些缺陷，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。 消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火 代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合机械性能，可以代替调质处理，作为最终热处理。三、淬火1. 定义淬火就是把钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上温度，经过保温后迅速冷却至室温的热处理工艺。2. 淬火的目的等温淬火：获得下贝氏体；普通淬火：获得马氏体。3. 淬火工艺参数 淬火加热温度 P45图3-13亚共析钢：Ac3+30-50Ac3，F+AF+P，硬度不均匀；过高，A粗大M粗大，脆，易变形甚至产生淬火裂纹或开裂。共析钢与过共析钢：Ac1+30-50。A+Fe3CP+Fe3C，Fe3C的存在不降低硬度，且阻止A长大，得到较细小的M；过高，全部转变成粗大A，淬火得到的M也粗大，且淬火时工件易变形甚至产生淬火裂纹或开裂。 淬火保温时间使工件烧透，组织转变充分；根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定；生产上通常根据经验公式来确定。 淬火冷却速度V过小：不能保证淬透性：小于Vc不能获得马氏体组织；V过大：淬火应力大，易产生变形、开裂；即在保证淬透性的情况下，尽量选择冷却能力弱的淬火介质。常用淬火介质：水、化学溶剂、植物油、矿物油。4. 淬火工艺 P46图3-14 单液淬火法（普通淬火法）优点：操作简单，应用较广泛；缺点：水淬淬火应力大，工件变形开裂倾向大；油淬淬透深度小。 双液淬火法优点：既可保证得到马氏体组织，又可减少淬火应力及产生变形、开裂的倾向；缺点：操作复杂，对工人技术水平要求高。 分级淬火法优点：可大大减小淬火应力，避免工件变形开裂，多用于淬透性大的合金钢，形状复杂、尺寸小的工件；缺点：增加成本，易粘盐。 等温淬火法目的是得到下贝氏体组织，多用于形状复杂，既要求有较高的硬度，又要求有较好的韧性的刀具、模具、弹簧等一些重要工件。等温淬火不易使工件变形开裂，而且下贝氏体在室温下能够稳定存在，所以一般不需要回火即可使用，但生产周期长。 比较单液淬火法工件的淬火应力要大于双液淬火法；分级淬火法与等温淬火法比较，在等温过程中，分级淬火法不发生组织转变，只是减少工件内外部的温度差，因而减少淬火应力，等温淬火法发生组织转变获得下贝氏体；另一方面，淬火产物不同，分级淬火法获得马氏体组织，等温淬火法获得下贝氏体。5. 钢的淬硬性与淬透性 钢的淬硬性钢的淬硬性是指钢能够淬硬的程度，也就是钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。它是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度。淬硬性主要取决于钢的含碳量。 钢的淬透性钢的淬透性是指钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的多少，以钢在一定淬火条件下得到马氏体深度来表示，深度越大，淬透性越好。钢的淬透性主要与合金元素及其含量有关，合金元素（除钴、铝外）使“C”曲线右移，减小临界淬火冷却速度，提高钢的淬透性。测定：临界淬火直径法、末端淬火法。 关系6. 钢的主要淬火缺陷 硬度过低或硬度不均主要原因可能是:淬火加热温度过低或保温时间过短；淬火冷却速度低或冷却不均匀；淬火加热时产生了较严重的氧化和脱碳。脆性过大主要原因可能是淬火加热温度过高或保温时间过长。 过热或过烧过热：晶粒过分长大缺陷，可通过正火消除。过烧：晶界氧化或局部熔化，工件报废。 变形与开裂四、回火1. 定义回火是把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。钢淬火后得到马氏体与残余奥氏体的混合组织，这种组织及其性能是不稳定的，所以针对钢的基体的淬火，淬火之后必须回火，以稳定组织与性能。钢的表面淬火只是对钢件表层进行淬火，是个例外，表面淬火之后可以进行回火，也可以不进行回火。2. 回火的目的 消除内应力 稳定工件组织马氏体+残余奥氏体：不稳定的组织 调整组织、性能3. 淬火钢在回火时组织与性能的变化第一阶段（室温至250）：在这一温度范围内回火，淬火马氏体分解，过饱和的碳原子析出，形成碳化物FeC，马氏体中碳的过饱和程度降低。回火组织称为回火马氏体。第二阶段（230280）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和固溶体与碳化物。回火组织亦称为回火马氏体。第三阶段（260360）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，过饱和固溶体中的碳继续析出而转变为铁素体；回火马氏体中的FeC转变为稳定的粒状渗碳体。此阶段回火后的组织为铁素体与极细渗碳体的机械混合物，称为回火屈氏体。第四阶段（400以上）：在400以上回火，碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大。这种适当聚集长大后的粒状碳化物与铁素体的机械混合物称为回火索氏体。回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。4. 回火工艺及其应用 低温回火：150250回火马氏体：由成分不均匀的过饱和固溶体与高度弥散分布的碳化物FeC所组成。基本保持了淬火钢的高硬度和耐磨性，常用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承以及表面淬火件和渗碳淬火件等工件的热处理。低温回火后的工件硬度一般在60HRC以上。 中温回火：350500回火屈氏体：是极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。弹性和韧性好，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧、锻模、压铸模等工件的热处理。中温回火后的工件硬度一般为3545HRC。 高温回火：500650回火索氏体：是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。具有良好的综合机械性能，硬度一般为2833HRC。调质处理：淬火+高温回火5. 钢件在回火时的主要缺陷 硬度过低 主要原因是回火温度过高或保温时间过长等。 硬度过高、脆性过大 回火温度过低或保温时间过短；在脆性温度范围内回火或冷却方式不当等。第三节 钢的表面热处理1. 问题：齿轮、传动轴等如何解决？表面：摩擦条件下工作，要求高硬度、高耐磨性；心部：承受较大力矩、冲击，要求高强度、高韧性。2. 表面热处理方法分类表面淬火与化学热处理。一、表面淬火按加热方式分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。生产中感应加热表面淬火较常用。1. 原理 P50图3-15集肤效应=5.03104工件材料一定，、一定； f值越大则值越小。2. 分类类别电流频率淬硬层深应用高频淬火200300kHz12mm小型轴、齿轮中频淬火25008000Hz210mm中型轴、齿轮工频淬火50Hz1020mm大型轴、齿轮3. 特点 加热快，氧化、脱碳、变形小； 冷速快，A残少，M多，硬度高； 容易实现机械化，淬火机床； 工件形状受限制，圆截面的轴、齿轮等； 可以不进行回火。4. 应用材料Wc：0.4-0.5%Wc过高，淬硬层脆性大，降低心部塑性、韧性，开裂倾向大；Wc过低，表面硬度、耐磨性低，心部强度低。二、化学热处理1. 概念 化学热处理 加工基本过程 分解 外扩散 吸附 内扩散 常用工艺渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。 作用提高工件表层的硬度、耐磨性和疲劳强度；提高工件表层的耐蚀性及抗氧化性等。2. 渗碳 P51图3-16 定义 原理2COCO2+C CH42H2+CCO+H2H2O+C Na2CO3Na2O+CO2CO2+C2COCO2+C 工艺参数温度：900-950；层深：0.2-2.0；硬度：58-62HRC；表面Wc：0.85-1.0%；组织：过共析、共析、亚共析组织；后续处理：淬火+低温回火；材料：低碳钢0.1-0.25%；目的：表面硬、耐磨，心部韧性好； 分类 气体渗碳渗碳介质为煤气、天然气等气体介质；煤油、丙酮、丙烷、丁烷。易于控制，质量、劳动条件好，常用。 固体渗碳渗碳介质常用块状木炭加1020%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3等）。质量、劳动条件较差，生产率低，应用较少。 液体渗碳在熔盐中进行渗碳，渗碳速度快不容易控制，而且工件表面粘盐，清理困难，所以液体渗碳应用也较少。3. 渗氮（氮化） 定义目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及红硬性。 分类有气体氮化、离子氮化等工艺方法，其中气体氮化应用最广泛。 工艺参数：常用氮化介质：2NH33H2+2N氮化层组织：光亮层（高硬度、高弥散度的稳定的合金氮化物AlN、MoN、CrN等）-过渡层-基体。层深：一般小于1.0；硬度：69-73HRC；氮化前调质处理，氮化后不需要后续处理。材料：中碳，0.25-0.6%，通常是含有Al、Cr、Mo等元素，如38CrMoAl、35CrMo、40Cr等；应用：磨床主轴、高耐磨性模具等要求精密、硬、耐磨。 优缺点温度低，变形小； 硬度、耐磨性、疲劳强度较高；耐蚀性、热硬性好； 渗层薄且脆；时间长，效率低。4. 碳氮共渗（氰化）高温氰化：900950，以渗碳为主，低温氰化：500600，即软氮化，中温氰化：800870，兼顾渗碳和渗氮。第四节 钢的热处理工艺选用简单零件的工艺路线：下料毛坯成形预先热处理粗加工最终热处理精加工零件一、预先热处理1. 定义预先热处理是在零件制造加工过程中，为改善其加工工艺性或有目的的改善其组织状况而进行的热处理。为粗加工作组织、性能准备。2. 工艺 退火降低硬度，主要用于中碳钢。 正火提高硬度，主要用于低碳钢。 调质提高综合机械性能，或为表面淬火或易变形精密零件的整体淬火作组织准备。3. 安排安排在粗加工、精加工之间。二、最终热处理1. 定义最终热处理是为保证零件使用性能而进行的热处理。作用：保证零件使用性能。2. 工艺 淬火提高硬度、强度。 回火稳定组织、性能。 表面热处理作用：提高表面硬度、耐磨性、装饰、减摩等三、几种典型零件热处理工艺安排1. 要求硬度高、耐磨性好的工件（刃具钢、量具钢、冷模钢、轴承钢）：下料锻造正火球化退火粗加工淬火低温回火精加工2. 要求弹性好和足够韧性的工件（弹簧钢、热模钢）：下料锻造退火粗加工淬火中温回火精加工3. 要求综合机械性能好的工件（调质钢）：下料锻造正火（或退火）粗加工调质处理（淬火+高温回火）精加工4. 要求表面硬度高、心部综合机械性能好的工件（调质件）：（1） 下料锻造正火（或退火）粗加工调质处理（淬火+高温回火）表面淬火低温回火精加工（2） 下料锻造正火（或退火）粗加工调质处理（淬火+高温回火）氮化精加工5. 要求表面硬度高、心部韧性好的工件（渗碳钢）：下料锻造正火粗加工渗碳淬火低温回火精加工第五节 金属的表面处理一、表面处理表面处理是指采用某种工艺方法，在金属材料或金属零件表面生成或覆盖上一层物质（金属、非金属或氧化物）的加工工艺方法，又称为表面防护。二、表面处理的主要作用1. 防腐蚀刷防锈漆、渗铬、发蓝、发黑处理等。2. 提高表面机械性能（硬度、耐磨性等）渗碳、氮化、渗硼、渗硫等。3. 调整表面尺寸热喷镀或激光熔覆等，工件重复利用。4. 起装饰作用，使工件表面美观铝型材氧化着色处理等。三、表面处理工艺1. 镀金属法 电镀 热喷镀 热浸镀2. 包覆金属法3. 化学转化膜法 钢件发蓝（氧化）处理 将光亮的钢件浸入140150的发蓝液（一般用NaOH和NaNO2的水溶液）中，经过处理6090min，在钢件表面生成一层0.53.0m厚的蓝黑色Fe3O4薄膜，称为发蓝处理。 钢件发黑（磷化）处理 将光亮的钢件放入加热的磷化液中，