钢的热处理工艺.ppt

金属材料及热处理 主讲教师 赵忠魁 回火转变可分为下列四种 1 马氏体转变 发生于100 350 2 残余奥氏体转变 发生于200 300 属于低温回火 得到回火马氏体 M 3 碳化物转变 发生于 400 属于中温回火 得到回火屈氏体 T 4 相回复再结晶 碳化物聚集长大 发生于400 550 属于高温回火 得到回火索氏体 S 1 马氏体中C原子偏聚 100 由于转变温度较低 Fe与合金元素原子难以扩散 C N溶质原子只能做短程偏聚 板条马氏体晶内存在大量位错 C N原子向位错线附近偏聚 降低弹性畸变能 片状马氏体由于C N原子向孪晶面 110 偏聚 形成厚度几个直径十几个排的富碳区 使弹性畸变能可能升高 一 马氏体的分解 1 板条状马氏体低碳 0 2 C 板条马氏体在100 200 回火 C原子仍偏聚在位错线附近处于稳定状态 不析出碳化物 高于200 时 析出碳化物 2 马氏体分解 80 250 回火温度超过80 马氏体开始分解 马氏体中C 降低 c轴减小 a轴变大 正方度c a降低 马氏体转变成回火马氏体 低碳马氏体由于Ms点较高 淬火冷却时往往析出 Fe3C碳化物称自回火 2 片状马氏体从马氏体析出与其共格的 FexC 马氏体分解转变为回火马氏体 1 碳化物析出从高碳马氏体析出与其共格的 FexC FexC为密排六方结构 X 2 3 FexC为亚稳相 温度升高可以继续转变 光学显微镜下看不见 FexC 易腐蚀成黑色 电子显微镜下可以观察到 FexC为长1000条状 空间形态为薄片状 此时马氏体点阵常数a增加 c减小 正方度c a降低 二 碳化物的析出 聚集和长大 2 碳化物转变 270 400 碳钢中马氏体过饱和的C几乎全部脱溶 但仍具有一定的正方度 形成两种比 FexC更加稳定的碳化物 一种是 Fe5C2 单斜晶系 一种是 Fe3C 正交晶系 具体形成过程可表示为 相 FexC 相 Fe5C2 FexC 相 Fe3C Fe5C2 FexC 相 Fe3C Fe5C2 相 Fe3C 3 碳化物析出与转变规律 1 是否出现 Fe5C2与钢的C 有关 C 增加有利于 Fe5C2产生 板条马氏体不易产生 Fe5C2 2 回火时碳化物析出的惯习面和位向关系与碳化物类型有关 中 低碳钢 Fe5C2的惯习面为 112 位向关系为 100 121 010 101 001 111 Fe3C的惯习面为 110 或 112 位向关系为 001 112 010 111 100 110 3 碳化物转变取决于回火温度 也和时间有关 随着回火时间的延长 转变温度可以降低 4 最终组织 回火屈氏体具有一定过饱和度的 相和与其无共格关系的 Fe3C碳化物混合组织 对于合金钢 回火过程中形成细小弥散的与 相共格的特殊碳化物 导致钢的硬度增加称为二次硬化 三 残余奥氏体转变 200 300 1 残余奥氏体与过冷奥氏体相比 两者都是C在 Fe中的固溶体 转变的动力学曲线很相似 物理状态不同 残余奥氏体在淬火过程中发生了高度塑性变形 存在很大的畸变 发生了机械稳定化和热稳定化 2 淬火高碳钢 残余奥氏体转变产物是 相和 FexC的混合组织 称回火马氏体或下贝氏体 此时 相的C 不仅与回火马氏体相近 而且与下贝氏体的C 相近 结构也相似 残余奥氏体分解可表示为 A残 M回或B下 相 FexC 残余奥氏体转变为马氏体或下贝氏体称为二次淬火 四 相回复再结晶及碳化物聚集长大 400 主要发生 相回复再结晶 同时碳化物聚集长大 1 相回复2 再结晶3 碳化物长大4 最终组织 1 相回复 相回复包括内应力消除和缺陷的减少或逐渐消失 1 三类内应力 第一类内应力 宏观的 存在于表面与心部之间 第二类内应力 晶粒间 第三类内应力 晶胞内 2 回复过程 板条马氏体的位错降低 剩下的位错将重新排列形成二维位错网络 多边化 这些位错网络把板条马氏体晶粒分割成亚晶粒 片状马氏体回火温度高于250 时孪晶开始消失 400 孪晶全部消失 前三个阶段受C扩散控制存在零件内回复就开始发生 注意 回复过程马氏体晶粒空间形态不变 板条状马氏体仍板条状 片状马氏体仍片状 2 再结晶回火温度高于600 发生再结晶 这一过程也是形核 亚晶界为核心 长大过程 板条马氏体形成位错密度很低的等轴 相取代板条 晶粒 再结晶片状马氏体回火温度高于400 孪晶全部消失 出现胞块组织 温度高于600 发生再结晶 3 碳化物长大温度高于400 碳化物已与 相脱离共格关系而聚集球化 细粒状弥散的碳化物迅速聚集长大并粗化 并对 相的再结晶有阻碍作用4 最终组织 回火索氏体组织回复和再结晶的 相与聚集长大的粒状碳化物 与 相无共格关系 的混合组织 五 淬火钢回火时力学性能变化按回火温度的不同 将回火分成 图1 46低碳马氏体回火力学性能的变化 1 低碳钢回火后的力学性能 2 高碳钢回火后的力学性能 1 硬度1 高碳钢 0 8 C 100 左右回火时硬度稍有上升 是由于C原子偏聚和共格 FexC析出造成的 2 200 300 回火时出现硬度平台是由于残余奥氏体转变 使硬度上升 和马氏体大量分解 使硬度下降 两个因素综合作用的结果 3 合金元素能够不同程度上阻碍回火硬度的降低 同时回火时 500 600 可以造成二次硬化 2 强度和塑性回火温度升高 强度不断下降 塑性不断上升 1 低温回火时 高碳钢片状马氏体塑性几乎为零 低碳钢具有良好的综合性能 2 300 450 回火时钢的弹性极限最高 回火屈氏体组织 3 合金元素加入与相同含碳量的碳钢对比 强度高 回火高于300 六 回火脆性钢在回火时 随回火温度升高 冲击韧性下降 脆化 的现象 称为回火脆性 1 第一类回火脆性 1 定义 250 400 回火时出现的回火脆性称第一类回火脆性 2 特点 1 断裂方式为沿晶断裂或穿晶断裂 2 与回火冷却速度无关 3 产生第一类回火脆性的工件在更高的温度回火 脆性消失 重新在其脆性温度区回火 也不产生回火脆性 这种特性称回火脆性的不可逆 3 产生机制 无定论 杂质偏聚理论 杂质元素P Sn As Sb等向原奥氏体晶界偏聚 合金元素Ni Cr Mn也在原奥氏体晶界偏聚并促进杂质元素的偏聚 处于韧性状态时没有发现上述杂质元素在原奥氏体晶界偏聚 杂质元素的偏聚引起强度降低 回火500 时 P在原奥氏体晶界显著偏聚 回火时间增加 P在原奥氏体晶界的偏聚量增加 超过500 时 P扩散离去 再次冷至500 时 P又偏聚在原奥氏体晶界 可逆性 该理论不能解释第二类回火脆性与冷却速度的关系 4 避免方法 1 降低杂质元素含量 减少合金元素Ni Cr Mn含量 2 加入合金元素Mo W等抑制杂质元素偏聚 3 细化晶粒 奥氏体晶粒粗大 单位体积晶界数量减少 杂质在晶界处含量相对增加 第二类回火脆性增大 4 回火快冷 对尺寸小的零件 形状不太复杂 5 采用形变热处理方法减少第二类回火脆性 6 亚共析钢采用亚温淬火使P溶入到 相中 减少其在奥氏体晶界的偏聚 第二章钢的热处理工艺 钢的热处理工艺通过加热 保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工技术 分类普通热处理 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 表面淬火 化学热处理 形变热处理 一 退火 什么是退火 将钢加热到相变温度Ac1以上或以下 保温以后缓慢冷却 一般随炉冷却 以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺 目的 均匀钢的化学成分及组织 细化晶粒 调整硬度 消除内应力和加工硬化 改善钢的成形和切削加工性能 为淬火做好组织准备 1 按加热温度分为临界温度以上或以下 临界温度以上 完全退火 扩散退火 不完全退火 球化退火 临界温度以下 再结晶退火 去应力退火 2 按冷却方式 等温退火 连续冷却退火 分类 加热温度范围 1 完全退火 概念将钢件或钢材加热到Ac3以上20 30 经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却 以获得近于平衡组织的热处理工艺 目的均匀组织 细化晶粒降低硬度 消除内应力改善钢的切削加工性能 适用钢材中碳钢 消除魏氏组织 晶粒粗大 带状组织等 实际生产中 600 出炉空冷 等温退火 将奥氏体化后的钢较快地冷却到稍低于Ar1温度等温 使奥氏体转变为珠光体 再空冷到室温的热处理工艺 缩短退火时间 适用于高碳钢 合金工具钢和高合金钢 1 概念 2 目的 3 适用钢种 2 不完全退火 概念 将钢加热到Ac1 Ac3 亚共析钢 或Ac1 Accm 过共析钢 之间的双相区 保温后缓慢冷却的热处理工艺 对亚共析钢 可代替完全退火 对过共析钢 即为球化退火 3 球化退火 概念 钢随炉升温加热到Ac1 Accm以下的双相区 保温后缓慢冷却的热处理工艺 目的 让其中的碳化物球化 粒化 和消除网状的二次渗碳体 因此叫做球化退火 主要适用于共析或过共析的工模具钢 适用钢种 T10钢球化退火组织 化染 500 4 扩散退火 均匀化退火 概念 将工件加热到略低于固相线的温度 亚共析钢通常为1050 1150 长时间 一般10 20h 保温 然后随炉缓慢冷却到室温的热处理工艺 也叫均匀化退火 目的 均匀钢内部的化学成分 消除偏析 主要于铸造后的高合金钢 适用情况 5 去应力退火 概念 为了消除由于变形加工以及铸造 焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火 退火温度 不超过Ac1 一般500 650 6 再结晶退火 概念 把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间 使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶而消除加工硬化的热处理工艺 二 正火 概念 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 亚共析钢的加热温度为Ac3 30 50 过共析钢的加热温度为Accm 30 50 正火与退火的主要区别 冷却速度不同 正火冷却速度较大 得到的珠光体组织很细 因而强度和硬度也较高 应用 1 消除网状二次渗碳体 2 作为最终热处理 提高工件的力学性能 3 改善切削加工性能 4 消除热加工缺陷 三 退火和正火的选用 含碳量0 75钢 选用球化退火中碳钢 合金钢正火硬度高不易切削 选用完全退火在要求不高时 尽量选用正火 三 钢的淬火 概念 将亚共析钢加热到Ac3以上 共析钢与过共析钢加热到Ac1以上 低于Accm 的温度 保温后以大于临界冷却速度Vk的速度快速冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 目的 获得马氏体 提高钢的力学性能 选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织 过共析钢淬火温度 一般为Ac1以上30 50 图6 14是碳钢的淬火温度范围 1 淬火温度的确定 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 2 加热时间的确定 加热时间由升温时间和保温时间组成 由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间为升温时间 并以此作为保温时间的开始 保温时间是指零件烧透即完成奥氏体化过程所需要的时间 加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定 生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间 以保证工件质量 淬火要得到马氏体组织 同时又要避免产生变形和开裂 在 鼻尖 温度以上 在保证不出现珠光体类型组织的前提下 可以尽量缓冷 在 鼻尖 温度附近则必须快冷 以躲开 鼻尖 保证不产生非马氏体相变 在Ms点附近又可以缓冷 以减轻马氏体转变时的相变应力 常用的淬火冷却介质是水 盐或碱的水溶液和各种矿物油 植物油 3 淬火冷却介质的确定 原则 保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下 尽量减小淬火应力 减少工件变形和开裂倾向 4 淬火方法 1 单液淬火 概念将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法 特点操作简单 容易实现机械化 适用范围形状简单的碳钢和合金钢工件 2 双液淬火概念先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时 再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却 直至完成马氏体转变 3 分级淬火概念将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温 当工件内外温度均匀后 再从浴炉中取出空冷至室温 完成马氏体转变 4 等温淬火将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 5 钢的淬透性 1 淬透性的概念 指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力 钢的淬透性大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度来表示 通常采用从淬火工件表面到半马氏体区距离作为淬透层深度 2 影响淬透性的因素 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 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 试验时 先将标准试样加热至奥氏体化温度 停留30 40min 然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却 3 淬透性的测定及其表示方法 淬透性的测定方法很多 有临界淬火直径法图和末端淬火法 应用得最广泛的是 末端淬火法 简称端淬试验 a 全淬透b 未淬透 四 钢的回火 什么是回火 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 一般是紧接淬火以后的热处理工艺 淬火后回火目的 降低或消除内应力 以防止工件开裂和变形 减少或消除残余奥氏体 以稳定工件尺寸 调整工件的内部组织和性能 以满足工件的使用要求 低温回火150 250 特别适合刀具 量具 滚动轴承和高频表面淬火工件 大部分材料是淬火高碳钢和高碳合金钢 中温回火350 500 主要用于各种弹簧零件和热锻磨具 高温回火500 650 主要适用于中碳结构钢和低合金结构钢 用来制作曲轴 连杆 连杆螺栓 汽车半轴 机场主轴 齿轮等 淬火加高温回火又称调质处理 回火工艺 按照回火后性能要求 淬火以后的回火有低温回火 中温回火 高温回火 按照回火温度和工件所要求的性能 一般将回火分为三类 五 钢的表面淬火 什么是表面淬火 仅对钢的表面快速加热 冷却 把表面淬成马氏体 心部组织不变的热处理工艺 注意 表面热处理不改变钢的成分 按加热方式可分为 感应加热 火焰加热 电接触加热 激光加热 加热器通入电流 工件表面在几秒钟之内迅速加热到远高于Ac3以上的温度 接着迅速冷却工件 例如向加热了的工件喷水冷却 表面 在零件表面获得一定深度的硬化层 1 感应加热感应线圈通以交流电时 就会在它的内部和周围产生与交流频率相同的交变磁场 若把工件置于感应磁场中 则其内部将产生感应电流并由于电阻的作用被加热 感应电流在工件表层密度最大 而心部几乎为零 这种现象称为集肤效应 电流透入工件表层的深度主要与电流频率有关 如下式所示 通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度 电流频率越高 感应电流透入深度越浅 加热层也越薄 第一类高频感应加热淬火常用电流频率 80 1000kHz淬硬层深度 0 5 2 0mm应用 适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等 第二类中频感应加热淬火常用电流频率 2500 8000Hz淬硬层深度 2 10mm应用 适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等 第三类工频感应加热淬火电流频率 50赫兹淬硬层深度 可达10 15mm应用 适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊 火车车轮等的表面淬火 感应加热表面淬火的分类 据电流频率的不同 可将感应加热表面淬火分为三类 感应加热适用的材料 中碳钢和中碳低合金钢 如45 40Cr 40MnB等 这些钢经预先热处理 正火或调质处理 后再表面淬火 心部有较高的综合机械性能 表面也有较高的硬度和耐磨性 铸铁也是适合于表面淬火的材料 感应加热表面淬火的特点 由于感应加热速度极快 过热度增大 使钢的临界点升高 故感应加热淬火温度 工件表面温度 高于一般淬火温度 由于感应加热速度快 奥氏体晶粒不易长大 淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织 使工件表层硬度比普通淬火高2HRC 3HRC 耐磨性也有较大提高 表面淬火后 淬硬层中马氏体的比体积较原始组织大 因此表层存在很大的残余压应力 能显著提高零件的弯曲 抗扭疲劳强度 小尺寸零件可提高2 3倍 大尺寸零件可提高20 30 由于感应加热速度快 时间短 故淬火后无氧化 脱碳现象 且工件变形也很小 易于实现机械化与自动化 2 火焰加热表面淬火 火焰加热淬火是火焰加热温度很高 约3000 以上 能将工件迅速加热到淬火温度 通过调节烧嘴的位置和移动速度 可以获得不同厚度的淬硬层 用乙炔 氧或煤气 氧等火焰直接加热工件表面 然后立即喷水冷却 以获得表面硬化效果的淬火方法 特点 概念 3 其它类型的表面淬火 1 电接触加热表面淬火利用触头和工件间的接触电阻在通以大电流时产生的电阻热 将工件表面迅速加热到淬火温度 当电极移开 借工件本身来加热部分的热传导来淬火冷却的热处理工艺称为电接触加热表面淬火 2 激光热处理激光热处理开始于七十年代 它是将激光器发射出的激光对准处理工件进行扫描加热 一般加热以后空气中冷却 六 化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温 使一种或几种元素渗入它的表面 改变其化学成分和组织 达到改进表面性能 满足技术要求的热处理过程 常用的化学热处理有渗碳 渗氮 俗称氮化 碳氮共渗 俗称氰化和软氮化 等 还有渗硫 渗硼 渗铝 渗钒 渗铬等 发兰 磷化可以归为表面处理 不属于化学热处理 化学热处理过程包括分解 吸收 扩散三个基本过程 1 渗碳 渗碳就是将低碳钢放入高碳介质中加热 保温 以获得高碳表层的化学热处理工艺 渗碳的主要目的是提高零件表层的含碳量 以便大大提高表层硬度 增强零件的抗磨损能力 同时保持心部的良好韧性 与表面淬火相比 渗碳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 渗碳用钢为低碳钢及低碳合金钢 如20 20Cr 20CrMnTi 20CrMnMo 18Cr2Ni4W等 含碳量提高 将降低工件心部的韧性 1 渗碳方法根据使用时渗碳剂的不同状态 渗碳方法可以分为气体渗碳 固体渗碳和液体渗碳三种 常用的是前两种 尤其是气体渗碳 a 气体渗碳是将工件置于密封的气体渗碳炉内 加热到900 以上 一般900 950 使钢奥氏体化 向炉内滴入易分解的有机液体 如煤油 苯 甲醇 醋酸乙酯等 或直接通入渗碳气氛通过在钢的表面上发生反应 形成活性碳原子 反应如下 钢的气体渗碳 图5 29气体渗碳炉 b 固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中 用盖子和耐火泥封好 然后放在炉中加热至900 950 保温足够长时间 得到一定厚度的渗碳层 固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15 20 的碳酸盐 BaCO3或Na2CO3 的混合物 木炭提供渗碳所需要的活性炭原子 碳酸盐起催化作用 反应如下 钢的固体渗碳 图5 30钢的固体渗碳炉 2 渗碳工艺及组织渗碳处理的工艺参数是渗碳温度和渗碳时间 由于奥氏体的溶碳能力较大 因此渗碳温度必须高于Ac3温度 加热温度越高 则渗碳速度越快 渗碳层越厚 生产率也越高 但为了避免奥氏体晶粒过分长大 所以渗碳温度不能太高 通常为900 950 在温度一定的情况下 渗碳时间取决于渗碳层的厚度 下表是不同渗碳温度下 不同渗碳时间的渗层厚度 3 渗碳后的热处理渗碳工艺的加热温度高 时间较长 还需淬火才能达到硬度要求 所以钢渗碳以后必须进行热处理才能达到预期目的 如汽车 机车 矿山机械 起重机械等用的大量传动齿轮都采用渗碳热处理工艺提高其耐磨损性能 渗碳件的热处理方法有三种 如图6 21所示 a 预冷直接淬火法 b 预冷一次淬火法 c 预冷二次淬火法 2 渗氮 氮化 主要目的 提高零件表层含氮量以增强表面硬度和耐磨性 提高疲劳强度和抗蚀性 氮化工艺 气体氮化离子氮化 包括 与气体氮化相比 离子氮化的特点是处