工艺技术_金属材料与加工工艺课件

主编 许媛 金属材料 与加工工艺 第六章钢的热处理 6 1热处理的基本原则 6 2钢的退火与正火 6 3钢的淬火 6 4钢的回火 6 5钢的表面淬火 6 6钢的化学热处理 6 7热处理的技术条件和结构工艺性 钢的热处理是指将钢在固态下进行加热 保温和冷却 以改变其内部组织 从而获得所需要性能的一种工艺方法 热处理的目的是显著提高钢的力学性能 发挥钢材的潜力 提高工件的使用性能和寿命 还可以作为消除毛坯 如铸件 锻件等 中缺陷 改善其工艺性能 为后续工序作组织准备 钢的热处理种类很多 根据加热和冷却方法不同 大致分类如下 6 1热处理基本原理 6 1 1钢在加热时的组织转变在Fe Fe3C相图中 共析钢加热超过PSK线 A1 时 其组织完全转变为奥氏体 亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线 A3 和ES线 Acm 以上才能全部转变为奥氏体 加热 冷却 时Fe Fe3C相图中各临界点的位置 1 奥氏体的形成 2 奥氏体晶粒的长大及影响因素 珠光体向奥氏体转变过程示意图 奥氏体晶粒长大倾向示意图 6 1 2钢在冷却时的组织转变 冷却过程是热处理的关键工序 它决定着钢热处理后的组织与性能 在实际生产中 钢的热处理工艺有两种冷却方式 如图6 5所示 一种是等温冷却 另一种是连续冷却 热处理工艺曲线示意图 等温冷却 将加热到奥氏体的钢迅速冷却到临界温度以下的某一温度保温 进行等温转变 然后再冷到室温 如等温退火 等温淬火等 连续冷却 将加热到奥氏体的钢 在温度连续下降的过程中发生组织转变 如水冷 空冷 炉冷等 1 过冷奥氏体等温转变曲线2 过冷奥氏体等温转变产物的组织及性能 6 1 3等温转变曲线在连续冷却转变中的应用 将连续冷却时的冷却速度线画在等温曲线图上 根据冷却速度线和等温曲线相交位置 大致可估计出产物可能得到的组织和性能 对制定热处理工艺有重要意义 图6 11为共析钢等温转变曲线图 参照此图能估计连续冷却转变的情况 6 2钢的退火与正火 常用热处理工艺可分为两类 预先热处理和最终热处理 预先热处理是消除坯料 半成品中的某些缺陷 为后续的冷加工和最终热处理作组织准备 最终热处理是使工件获得所要求的性能 6 2 1钢的退火 碳钢退火与正火加热温度与工艺示意图 6 2 2钢的正火 将钢材或钢件加热到Ac1或Accm以上30 50 保温一定的时间 出炉后在空气中冷却的热处理工艺称为正火 正火与退火的主要区别是 正火的冷却速度较快 过冷度较大 因此正火后所获得的组织比较细 强度和硬度比退火高一些 正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺 6 3钢的淬火 淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上 30 50 保温一定时间 然后以大于淬火临界冷却速度冷却 获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺 淬火的目的是为了得到马氏体组织 再经回火后 使工件获得良好的使用性能 以充分发挥材料的潜力 6 3 1钢的淬火工艺 1 淬火加热温度的选择 2 淬火冷却介质 6 3 2淬火方法 淬火方法的选择 主要以获得马氏体和减少内应力 减少工件的变形和开裂为依据 6 3 3钢的淬透性 2 淬透性的实际意义钢的淬透性在生产中有重要的实际意义 工件在整体淬火条件下 从表面至中心是否淬透 对其机械性能有重要影响 在拉伸 压缩 弯曲或剪切应力的作用下 工件尺寸较大的零件 例如齿轮类 轴类零件 希望整个截面都能被淬透 从而保证零件在整个截面上的机械性能均匀一致 此时应选用淬透性较高的钢种制造 淬透性不同的钢调质后力学性能的比较 6 4钢的回火 将淬火钢重新加热到Acl点以下的某一温度 保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火 一般淬火件必须经过回火才能使用 6 4 1回火的目的 6 4 2淬火钢在回火时组织的转变 钢经淬火后 获得马氏体与残余奥氏体是亚稳定相 在回火加热 保温中 都会向稳定的铁素体和渗碳体 或碳化物 的两相组织转变 根据碳钢回火时发生的过程和形成组织 一般回火分为四个转变 1 马氏体分解 2 残余奥氏体的转变 3 碳化物的转变 4 渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶 6 4 3回火种类与应用 根据对工件力学性能要求不同 按其回火温度范围 可将回火分为三种 低温回火 中温回火 高温回火 钢的硬度随回火温度的变化 中碳钢力学性能与回火温度的关系图 6 5钢的表面淬火 表面淬火是通过快速加热使钢表层奥氏体化 而不等热量传至中心 立即进行淬火冷却 仅使表面层获得硬而耐磨的马氏体组织 而心部仍保持原来塑性 韧性较好的退火 正火或调质状态的组织 表面淬火不改变零件表面化学成分 只是通过表面快速加热淬火 改变表面层的组织来达到强化表面的目的 6 5 1感应加热表面淬火 感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应 使表面加热并进行快速冷却的淬火工艺 1 基本原理2 感应加热表面热处理的特点 感应加热表面淬火示意图 6 5 2火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火是以高温火焰作为加热源的一种表面淬火方法 常用火焰为乙炔 氧火焰 最高温度为3200 或煤气一氧火焰 最高温度为2400 高温火焰将钢件表面迅速加热到淬火温度 随即喷水快冷使表面淬硬 火焰加热表面淬硬层通常为2 8mm 火焰加热表面热处理示意图 6 5 3电接触加热表面淬火 电接触加热的原理如图6 20所示 当工业电流经调压器降压后 电流通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路 利用滚轮与工件之间的高接触电阻实现快速加热 滚轮移去后 由于基体金属吸热 表面自激冷淬火 6 5 4激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是上世纪70年代发展起来的一种新型的高能密度的表面强化方法 这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面 使工件表面迅速加热到钢的临界点以上 而当激光束离开工件表面时 由于基体金属的大量吸热 使表面获得急速冷却而自淬火 故无需冷却介质 6 6钢的化学热处理 化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中加热和保温 使介质中一种或几种活性原子渗入工件表面 以改变表面层的化学成分和组织 使表面层具有不同于心部性能的一种热处理工艺 6 6 1钢的渗碳 将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表层的化学热处理工艺 称为渗碳 渗碳的目的是提高工件表面的硬度和耐磨性 同时保持心部的良好韧性 1 渗碳方法渗碳方法有 气体渗碳 固体渗碳 液体渗碳 2 渗碳后的组织 气体渗碳装置示意图 6 6 2钢的氮化 氮化是在一定温度 一般在Ac1以下 使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 也称渗氮 氮化的目的是提高工件表面的硬度 耐磨性 疲劳强度及耐蚀性 氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件 如镗床主轴 精密传动齿轮 在循环载荷下要求高疲劳强度的零件 如高速柴油机曲轴 以及要求变形很小和具有一定抗热 耐蚀能力的耐磨件 如阀门 发动机气缸以及热作模具等 6 6 3钢的碳氮共渗与氮碳共渗 1 气体碳氮共渗 2 气体氮碳共渗 软氮化 6 7热处理的技术条件和结构工艺性 6 7 1热处理技术条件的标注热处理零件在图纸上应注明热处理的技术条件 其内容包括最终热处理方法及热处理应达到的力学性能指标等 标定的硬度值允许有一个波动范围 一般布氏硬度波动范围在30 40个单位 洛氏硬度波动范围在5个单位左右 6 7 2热处理零件的结构工艺性 热处理零件的结构工艺性 是指在设计热处理零件 特别是淬火件时 一方面要满足热处理零件的使用性能要求 另一方面应考虑热处理工艺对零件结构的要求 不然会使热处理操作困难 增加淬火变形 开裂 使零件报废 因此设计人员需考虑热处理零件的结构工艺性 尽量考虑以下原则 1 避免尖角 2 避免厚薄悬殊的截面