钢的热处理工艺.ppt

钢的热处理工艺 设计三室吴东江 内容提要 一 热处理的概念二 热处理工艺过程三 热处理工艺的分类四 钢的热处理工艺简介五 热处理工艺的发展前景 热处理的概念 1 热处理的定义是指将钢在固态下加热到预定的温度 保温一定的时间后 以一定的冷却速度冷却下来 通过改变钢的内部组织结构来改善钢的性能的操作 2 热处理原理 研究钢中组织转变的规律 3 热处理工艺 根据热处理原理制定的热处理时间 温度 介质等参数 实施热处理操作的过程 4 热处理的发展史 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中 热处理的作用逐渐为人们所认识 早在公元前770至前222年 中国人在生产实践中就已发现 铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化 白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺 公元前六世纪 钢铁兵器逐渐被采用 为了提高钢的硬度 淬火工艺遂得到迅速发展 中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟 其显微组织中都有马氏体存在 说明是经过淬火的 二十世纪以来 金属物理的发展和其他新技术的移植应用 使金属热处理工艺得到更大发展 一个显著的进展是1901 1925年 在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 30年代出现露点电位差计 使炉内气氛的碳势达到可控 以后又研究出用二氧化碳红外仪 氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法 60年代 热处理技术运用了等离子场的作用 发展了离子渗氮 渗碳工艺 激光 电子束技术的应用 又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法 5 热处理的特点与目的 特点 改变钢的内部组织结构 不改变外形 目的 改善性能 1 消除铸 锻 焊件等热加工艺缺陷 2 细化晶粒 3 消除偏析 均匀组织 4 降低内应力 5 改善钢的某些特殊性能 如耐磨性 耐蚀性 磁性及物理化学性能等 例 工具钢 工艺性能 使用性能 具体表现如下 热处理的工艺过程 热处理工艺一般包括加热 保温 冷却三个过程 有时只有加热和冷却两个过程 这些过程互相衔接 不可间断 加热是热处理的重要工序之一 金属热处理的加热方法很多 最早是采用木炭和煤作为热源 进而应用液体和气体燃料 电的应用使加热易于控制 且无环境污染 利用这些热源可以直接加热 也可以通过熔融的盐或金属 以至浮动粒子进行间接加热 金属加热时 工件暴露在空气中 常常发生氧化 脱碳 即钢铁零件表面碳含量降低 这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响 因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中 熔融盐中和真空中加热 也可用涂料或包装方法进行保护加热 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一 选择和控制加热温度 是保证热处理质量的主要问题 加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异 但一般都是加热到相变温度以上 以获得高温组织 另外转变需要一定的时间 因此当金属工件表面达到要求的加热温度时 还须在此温度保持一定时间 使内外温度一致 使显微组织转变完全 这段时间称为保温时间 采用高能密度加热和表面热处理时 加热速度极快 一般就没有保温时间 而化学热处理的保温时间往往较长 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤 冷却方法因工艺不同而不同 主要是控制冷却速度 一般退火的冷却速度最慢 正火的冷却速度较快 淬火的冷却速度更快 但还因钢种不同而有不同的要求 例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬 加热与冷却速度对临界点的影响 加热 冷却转变A1 A3 Acm 加热 冷却转变A1 A3 Acm 通常将加热时的实际临界温度标以 Ac1 Ac3 Accm 冷却时的实际临界温度标以 Ar1 Ar3 Arcm 加热 冷却速度越快 滞后现象越严重 钢的热处理工艺 一 名词解释金属具有不透明 金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小 富有延性和展性等特性的物质 金属内部原子具有规律性排列的固体 即晶体 合金由两种或两种以上金属或金属与非金属组成 具有金属特性的物质 相指金属或合金中化学成分相同 晶格结构相同 或原子聚集状态相同 并与其他部分之间有明确界面的独立均匀组成部分 固溶体固溶体是一个 或几个 组元的原子 化合物 溶入另一个组元的晶格中 而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体 固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种 机械混合物由两种晶体结构而组成的合金组成物 虽然是两面种晶体 却是一种组成成分 具有独立的机械性能 铁素体碳在 Fe 体心立方结构的铁 中的间隙固溶体 奥氏体碳在 Fe 面心立方结构的铁 中的间隙固溶体 渗碳体碳和铁形成的稳定化合物 Fe3C 珠光体铁素体和渗碳体组成的机械混合物 Fe Fe3C含碳0 77 莱氏体渗碳体和奥氏体组成的机械混合物 含碳4 3 珠光体 铁素体和珠光体 奥氏体 合金相图 金属热处理工艺分类 金属热处理工艺大体可分为整体热处理 表面热处理和化学热处理三大类 根据加热介质 加热温度和冷却方法的不同 每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺 同一种金属采用不同的热处理工艺 可获得不同的组织 从而具有不同的性能 钢铁是工业上应用最广的金属 而且钢铁显微组织也最为复杂 因此钢铁热处理工艺种类繁多 整体热处理是对工件整体加热 然后以适当的速度冷却 获得需要的金相组织 以改变其整体力学性能的金属热处理工艺 钢铁整体热处理大致有退火 正火 淬火和回火四种基本工艺 整体热处理方法 1 退火操作方法 将钢件加热到Ac3 30 50度或Ac1 30 50度或Ac1以下的温度 可以查阅有关资料 后 一般随炉温缓慢冷却 目的 1 降低硬度 提高塑性 改善切削加工与压力加工性能 2 细化晶粒 改善力学性能 为下一步工序做准备 3 消除冷 热加工所产生的内应力 应用要点 1 适用于合金结构钢 碳素工具钢 合金工具钢 高速钢的锻件 焊接件以及供应状态不合格的原材料 2 一般在毛坯状态进行退火 视频 2 正火操作方法 将钢件加热到Ac3或Accm以上30 50度 保温后以稍大于退火的冷却速度冷却 目的 1 降低硬度 提高塑性 改善切削加工与压力加工性能 2 细化晶粒 改善力学性能 为下一步工序做准备 3 消除冷 热加工所产生的内应力 应用要点 正火通常作为锻件 焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序 对于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素结构钢及低合金钢件 也可作为最后热处理 对于一般中 高合金钢 空冷可导致完全或局部淬火 因此不能作为最后热处理工序 视频2 3 淬火操作方法 将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上 保温一段时间 然后在水 硝盐 油 或空气中快速冷却 目的 淬火一般是为了得到高硬度的马氏体组织 有时对某些高合金钢 如不锈钢 耐磨钢 淬火时 则是为了得到单一均匀的奥氏体组织 以提高耐磨性和耐蚀性 应用要点 1 一般用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢 2 淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力 但同时会造成很大的内应力 降低钢的塑性和冲击韧度 故要进行回火以得到较好的综合力学性能 视频3 4 回火操作方法 将淬火后的钢件重新加热到Ac1以下某一温度 经保温后 于空气或油 热水 水中冷却 目的 1 降低或消除淬火后的内应力 减少工件的变形和开裂 2 调整硬度 提高塑性和韧性 获得工作所要求的力学性能 3 稳定工件尺寸 应用要点 1 保持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火 在保持一定韧度的条件下提高钢的弹性和屈服强度时用中温回火 以保持高的冲击韧度和塑性为主 又有足够的强度时用高温回火 2 一般钢尽量避免在230 280度 不锈钢在400 450度之间回火 因为这时会产生一次回火脆性 视频 四把火 的比较 退火加热温度 C 800 840冷却方式炉冷HB 197 正火加热温度 C 840 870HB 226 淬火加热温度 C 820 850冷却方式盐水HRC61 回火后硬度 HRC 300 C47400 C39500 C29600 C22 1 布氏硬度 HB 2 洛氏硬度 HR 3维氏硬度 HV 5 调质操作方法 淬火后高温回火称调质 即将钢件加热到比淬火时高10 20度的温度 保温后进行淬火 然后在400 720度的温度下进行回火 目的 1 改善切削加工性能 提高加工表面光洁程度 2 减小淬火时的变形和开裂 3 获得良好的综合力学性能 应用要点 1 适用于淬透性较高的合金结构钢 合金工具钢和高速钢 2 不仅可以作为各种较为重要结构的最后热处理 而且还可以作为某些紧密零件 如丝杠等的预先热处理 以减小变形 6 时效操作方法 将钢件加热到80 200度 保温5 20小时或更长时间 然后随炉取出在空气中冷却 目的 1 稳定钢件淬火后的组织 减小存放或使用期间的变形 2 减轻淬火以及磨削加工后的内应力 稳定形状和尺寸 应用要点 1 适用于经淬火后的各钢种 2 常用于要求形状不再发生变化的紧密工件 如紧密丝杠 测量工具 床身机箱等 表面热处理 表面热处理是只加热工件表层 以改变其表层力学性能的金属热处理工艺 为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部 使用的热源须具有高的能量密度 即在单位面积的工件上给予较大的热能 使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温 表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理 常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰 感应电流 激光和电子束等 1 火焰加热表面淬火操作方法 用氧 乙炔混合气体燃烧的火焰 喷射到钢件表面上 快速加热 当达到淬火温度后立即喷水冷却 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部仍保持韧性状态 应用要点 1 多用于中碳钢制件 一般淬透层深度为2 6mm 2 适用于单件或小批量生产的大型工件和需要局部淬火的工件 2 感应加热表面淬火操作方法 将钢件放入感应器中 使钢件表层产生感应电流 在极短的时间内加热到淬火温度 然后喷水冷却 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部保持韧性状态 应用要点 1 多用于中碳钢和中堂合金结构钢制件 2 由于肌肤效应 高频感应淬火淬透层一般为1 2mm 中频淬火一般为3 5mm 高频淬火一般大于10mm 化学热处理 化学热处理是通过改变工件表层化学成分 组织和性能的金属热处理工艺 化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分 化学热处理是将工件放在含碳 氮或其它合金元素的介质 气体 液体 固体 中加热 保温较长时间 从而使工件表层渗入碳 氮 硼和铬等元素 渗入元素后 有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火 化学热处理的主要方法有渗碳 渗氮 渗金属 1 渗碳操作方法 将钢件放入渗碳介质中 加热至900 950度并保温 使钢件便面获得一定浓度和深度的渗碳层 目的 提高钢件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 心部仍然保持韧性状态 应用要点 1 用于含碳量为0 15 0 25 的低碳钢和低合金钢制件 一般渗碳层深度为0 5 2 5mm 2 渗碳后必须进行淬火 使表面得到马氏体 才能实现渗碳的目的 2 氮化操作方法 利用在500 600度时氨气分解出来的活性氮原子 使钢件表面被氮饱和 形成氮化层 目的 提高钢件表面的硬度 耐磨性 疲劳强度以及抗蚀能力 应用要点 多用于含有铝 铬 钼等合金元素的中碳合金结构钢 以及碳钢和铸铁 一般氮化层深度为0 025 0 8mm 3 氮碳共渗操作方法 向钢件表面同时渗碳和渗氮 目的 提高钢件表面的硬度 耐磨性 疲劳强度以及抗蚀能力 应用要点 1 多用于低碳钢 低合金结构钢以及工具钢制件 一般氮化层深0 02 3mm 2 氮化后还要淬火和低温回火 钢的的热处理工艺简介 退火 钢的退火定义 钢加热到临界点Ac1以上或以下 保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的工艺 目的 消除铸锻焊件的内应力 均匀成分 组织 细化晶粒 消除内应力和加工硬化 改善钢的成型性 切削加工性 为淬火作组织上的准备 种类 按加热温度分如图 重结晶退火 完全退火扩散退火不完全退火球化退火 低温退火 再结晶退火去应力退火 按冷却方式分 等温退火和连续退火 退火工艺 完全退火定义 将钢加热到 c3以上一定温度 获得完全的 均匀的奥氏体后缓冷 得到近于平衡组织的热处理工艺过程称为完全退火 目的 消除组织缺陷 细化晶粒 均匀组织 消除内应力 降低硬度 改善切削加工性 适用钢种 0 3 0 6 C的亚共析钢 主要缺陷 锻件和焊接件的魏氏组织 晶粒粗大 带状组织 低碳钢和过共析钢不适用 等温退火 定义 将钢奥氏体化后 根据硬度要求快冷到低于 r 的某一温度 等温停留到转变完成 再空冷 适用 中碳 0 25 0 6 C 合金钢优点 缩短了工艺周期 保证工件内外在同一温度转变 缺点 大件 大批量不适目的 奥氏体转变为珠光体工艺参数 等温温度 等温时间 冷却 亚共析钢的不完全退火 定义 将钢加热到 c 以上30 50 保温 得到不完全奥氏体后 缓冷得到近于平衡组织的热处理工艺 目的 细化晶粒 均匀组织 降低硬度 减小内应力 改善切削加工性适用钢种 亚共析钢中无大缺陷工艺参数 加热温度 C1 20 30 加热时间 冷却同上 优点是节能 节时 球化退火定义 将钢中的碳化物转化为球状或粒状的一种不完全退火工艺过程目的 降低硬度 均匀组织 改善切削加工性 为淬火作准备 适用钢种 共析钢 过共析钢 合金工具钢 工艺参数 球化前要消除网状碳化物 加热温度 20 30 加热时间 一般为2 4小时或按公式计算冷却速度 炉冷或Ar1以下20 长时间等温 600 以后出炉空冷 扩散退火 均匀化退火 定义 将钢锭或锻件加热到稍低于固相线以下某温度长时间保温 然后缓冷以消除化学成分的不均匀现象 称为扩散退火 目的 均匀成分 均匀组织适用钢种 中 高合金钢工艺参数 加热温度 Ac3 Acm 150 300 碳钢1100 1200 合金钢1200 1300 保