铁碳合金材料和钢的热处理PPT课件.ppt

铁碳合金材料和钢的热处理 2 课程大纲 选材的原则铁碳合金材料铁碳合金相图钢的热处理 3 选材的原则使用性 材料的选择应保证汽车的安全性和质量可靠性 经济性 成本控制不仅是利润多少的问题 更关系到企业的市场竞争地位 若企业的全部成本低于竞争对手则能保持竞争优势 相反的话 则影响企业的生存和发展 工艺性 要求材料适合加工 工艺性差的材料有以下缺点 工装 加工成本高 生产过程浪费 半成品存在缺陷 质量难以保证 选材的原则 材料在汽车上的应用汽车工业中 从概念设计 生产制造到维修保养 始终贯穿着工程材料学的应用 在众多工程材料中 铁碳合金材料与汽车关系最为紧密 约占70 4 铁碳合金铁碳合金是指以铁 碳为组元的二元合金 包括钢和铁 组元 组成合金的最基本的独立的单元 组元可以是金属元素 非金属元素或稳定的化合物 分类 1 工业纯铁 wc2 11 铁碳合金材料 5 铁碳合金的分类1 工业纯铁 wc 0 04 白色 材料延展性好 抗拉强度低 很高的磁感性 很低的磁抗性 当磁场变化时 矫顽力小 用途 多数用于电子信息控制设备 如电磁继电器的铁芯 能保证触点通断的可靠性 铁碳合金材料 6 2 铸铁 wc 2 11 分为白口铸铁 灰口铸铁和球墨铸铁 白口铸铁 断口白色 硬而脆 加工性差 是炼钢的原料 灰口铸铁 断口灰色 碳以片状石墨存在 铸造 切削性和耐磨性好 用于机床底座 支柱等 球墨铸铁 碳以球状石墨存在 铸造 切削性和耐磨性好 除塑性韧性稍低外 其他性能接近钢 兼备铸铁和钢的优点 用于汽车的零部件有齿轮 变速箱外壳 制动钳等 铁碳合金材料 7 3 碳钢 按含碳量分 低碳钢wc0 04 0 25 中碳钢wc0 25 0 6 高碳钢wc0 6 2 11 按合金含量分 碳素钢和合金钢合金钢是在碳素钢基础上加入一定量的合金元素得到的 使钢有更高的强度 塑性 韧性和焊接性 铁碳合金材料 8 按P S含量分 普通碳素钢和优质碳素钢 1 普通碳素钢 P S含量均少于0 05 Q195 Q275系列 大部分用于结构件 少部分用于机械零件 常用的有Q235 旧牌号为A3 标准号GB T11253 1989 韧性良好 有一定的强度和伸长率 铸造 冲压和焊接性良好 可用作心部强度要求不高的渗碳件或氰化零件 用于制作如钢筋 铆钉 轴 连杆 螺栓 螺母 气缸 齿轮 支架 机架及焊接件等 铁碳合金材料 9 2 优质碳素钢 P S含量均少于0 04 08 85系列 15Mn 70Mn系列含锰钢和DC系列钢 45 钢 强度较高 有一定的塑性和韧性 切削性能良好 淬透性较差 调质后可得到很好的综合力学性能 焊接性较差 一般淬火及回火后使用 用于制造较高强度的机械运动零件 如空压机 泵活塞 重型机械的轴 齿轮 齿条 销等 65Mn 具有高强度和高硬度 弹性良好 淬透性较好 是一种高锰弹簧钢 退火后的切削性尚好 冷作变形塑性差 焊接性不好 一般不适于作焊接构件 通常在淬火 中温回火状态下应用 经淬水及低温回火或调质 表面淬火处理 用于制造受摩擦 高弹性 高强度的机械零件 如收割机的铲刀 切碎机切刀 机床主轴 机床丝杠 轴承套圈 经淬火 中温回火处理后 用于制造中负荷的板弹簧 厚度5mm 15mm 螺旋弹簧 离合器弹簧 制动弹簧 气门弹簧等 铁碳合金材料 10 汽车用钢 按钢板强度升高依次排列 冷连轧低碳钢板 烘烤硬化钢 双相高强度钢 冷连轧低碳钢板DC01一般用 用于简单的成形件 如车门玻璃内密封条安装板 DC03冲压用 用于较复杂的零件 如发动机罩内板 左 右后轮罩内板 顶盖前横梁和一般结构的加强板 铁碳合金材料 11 DC04深冲用 用于深冲压的零件 如左 右后减振器安装板 DC05特深冲用 BUFD特深冲用 宝钢标准Q BQB408 2003 冲压用冷连轧碳素钢板 抗拉强度250MPa 断后伸长率为42 48 用于侧围外板 后轮罩外板 车门内板等 DC06超深冲用 用于后组合灯固定板 铁碳合金材料 12 烘烤硬化钢在钢中保留一定量的固溶碳 氮原子 钢板在交货状态下具有较低的屈服强度 冲压成型后 进行涂漆烘烤时屈服强度可以提高30 50MPa 可以提高汽车外板的抗凹陷性 同时又具有良好的成型性能 广泛应用于汽车车门外板 发动机盖板等外覆盖件上 铁碳合金材料 13 双相高强度钢采用特定的化学成分和生产工艺在钢的铁素体基体上弥散分布一定量的马氏体 形成以铁素体加马氏体为主的组织 具有屈强比低 应变强化指数高和良好的碰撞性能 可以在减轻重量的同时提高安全性 用于汽车防撞结构和加强件 如B280 440DP用于散热器下横梁 前柱上 下加强板 前地板上横梁 门槛加强板和连接板等受力件 铁碳合金材料 14 热处理 前面介绍了一些常见的材料 不同材料有不同的特性 没有一种材料能同时具备各方面的优点 因此需要用其长 避其短 热处理能消除毛坯缺陷 改善后续加工的工艺性 还能显著提高合金的力学性能 对于高碳钢零件 需要通过热处理降低硬度 改善切削性能 对于既要承受摩擦 又要承受冲击负荷的零件 需要选择韧性材料 同时对其进行表面处理 热处理是将铁碳合金在固态下加热 保温 冷却以改变其组织 从而获得所需性能 热处理的重要依据是铁碳相图 根据加热和冷却方法的不同 把热处理分为整体热处理 表面热处理 化学热处理 热处理技术 15 Fe C合金相图 铁碳合金的相图热处理工艺的重要依据是铁碳相图 相 是合金系统中具有相同化学成分的并与合金系统中其它部分独立的晶体结构 它包括固溶体和金属化合物 铁碳合金相图是研究铁碳合金的工具 反映铁碳合金在不同成分和温度下的组成相和相平衡关系 是应用最为广泛的二元合金相图 16 Fe C合金相图 1 铁素体 F 碳溶于 Fe形成的间隙固溶体 性能 强度和硬度低 塑性和韧性好 2 奥氏体 A 碳溶于 Fe形成的间隙固溶体 高温组织 在大于727 时存在 性能 塑性好 强度和硬度高于F 在锻造 轧制时常要加热到A 可提高塑性 易于加工 3 渗碳体 Fe3C 铁与碳形成的金属化合物 性能 硬度高 脆性大 是铁碳合金的主要强化相 4 珠光体 P 铁素体F与渗碳体Fe3C组成的机械混合物 性能 力学性能介于上述两者之间 5 莱氏体 Ld 奥氏体A与渗碳体Fe3C组成的机械混合物 性能 硬度高 塑性差 17 Fe C合金相图 特性线ACD 液相线 液相冷却至此开始析出固相 固相加热至此全部转化为液相 AECF 固相线 液态合金至此线全部结晶为固相 固相加热至此开始转化 ECF 共晶线 共晶成分含碳量4 3 凡wC 2 11 的铁碳合金冷却至此 均会发生共晶反应 结晶出莱氏体Ld A与Fe3C混合物 GS A开始析出F的转变线 加热时F全部溶入A 又称A3线 ES A开始析出Fe3C的转变线 又称Acm线 PSK 共析线 共析成分含碳量0 77 凡wC 0 0218 的铁碳合金至此 其中的奥氏体A均会生共析反应 产生珠光体P 又称A1线 18 Fe C合金相图 特性点A点 纯铁熔点1538 D点 渗碳体熔点1227 C点 共晶点1148 S点 共析点727 19 Fe C合金相图 共析钢的结晶过程示意图 20 Fe C合金相图 亚共析钢和过共析钢的结晶过程示意图 21 Fe C合金相图 22 钢的整体热处理对工件整体进行穿透加热的热处理工艺 包括退火 正火 淬火和回火等 退火钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度 经过保温后缓慢冷却的热处理方法 退火的目的 是为了消除组织缺陷 改善组织使成分均匀化以及细化晶粒 减少残余应力 同时可降低硬度 提高塑性和韧性 改善切削加工性能 退火为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力 为后续工序作好准备 故退火是属于半成品热处理 又称预先热处理 钢的热处理技术 23 正火钢的正火是将钢加热到临界温度Ac3 或Accm 以上30 50 保温适当的时间后 在静止的空气中冷却的热处理方法 它能消除过共析钢的网状渗碳体 细化片状的珠光体组织 提高综合力学性能 对大型或形状复杂的零件淬火有开裂危险时 或者要求不高的零件 可用正火代替退火作为最终热处理使用 淬火 固溶强化 晶格畸变使晶体变形的抗力增大 材料的强度硬度增加 钢的淬火是将钢加热到Ac1或Ac3温度以上 保温一段时间 然后很快放入淬火剂中 使以大于临界冷却速度的速度急速冷却 获得以马氏体 晶格畸变的 Fe 为主的热处理方法 淬火能增加钢的硬度和耐磨性 是强化钢材最重要的方法 但同时降低其塑性 淬火中常用的淬火剂有 水 油 碱水和盐类溶液等 淬透性 淬硬层深度的特性 对形状复杂 要求变形小的工件 用淬透性高的钢能防止开裂和变形 但有时又需要材料的淬透性小一些 如零件在表面淬火 焊接时 钢的热处理技术 24 回火 钢的回火将淬火后的钢重新加热到临界点 Ac1 以下的某一温度 保温一段时间后冷却到室温 称为回火 它能消除淬火产生的内应力 马氏体中过饱和的碳原子以碳化物形势析出 内应力大大降低 回火的目的 可使淬火或正火所得到的不稳定组织转变成稳定组织 适当降低了硬度及强度 但提高了塑性和韧性 减少或消除了残余应力 低温回火 150 250 得到回火马氏体组织 硬度58 64HRC 用于要求硬而耐磨的零件 如刀具 量具和轴承 用高碳钢制造 中温回火 350 500 得到回火托氏体组织 硬度35 45HRC 用于各种弹簧和受小能量 多次冲击载荷的零件 高温回火 500 650 得到回火索氏体组织 硬度200 330HBS 铁素体基体在高温回火得到充分回复和再结晶 能使强度和塑性得到最佳配合 广泛用于车辆 机床的重要结构件 特别是受冲击 交变载荷作用的齿轮 连杆和机床主轴 钢的热处理技术 25 钢的热处理技术 调质处理 淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理 高温回火是指在500 650 之间进行回火 调质可以使钢的性能 材质得到很大程度的调整 其强度 塑性和韧性都较好 具有良好的综合机械性能 回火后的组织为索氏体组织 与正火处理相比较 调质处理可在硬度 抗拉强度相同的条件下 提高钢的屈服强度 其塑性和韧性的提高尤甚 调质处理适用于较大动载荷 尤其是复合应力 拉伸 压缩 弯曲 扭转 冲击 疲劳 下工作的工件 常用的调质处理钢材有 35 40 45 50 40Cr等钢材 26 生产中许多零件的表面需要耐磨 而心部要求不高 此时只需要强化零件表面 解决问题的途径有两个 1 表面热处理 2 化学热处理 钢的表面热处理对钢的表层进行热处理改变组织和性能 常用的为表面淬火加回火 表面淬火处理 钢件表面淬火通常是指整体热处理 退火 正火或调质等 后将表面层加热到临界点以上的温度并急剧冷却的工艺方法 表面淬火后 常需低温回火以降低应力并部分恢复表面的塑性 表面淬火对提高钢件的耐磨损性以及抗疲劳性能方面极为有效 表面层的加热方法众多 有感应加热 火焰加热等 感应加热 它是表面淬火最理想的一种加热方式 由于邻近效应和集肤效应的影响 感应加热时只是工件中靠近外表皮的一层直接发热 内部发热很少 有效淬硬深度0 2 10mm 钢的热处理技术 27 钢的化学热处理将工件置于含活性元素的介质中加热到一定温度 保温一定时间 使该元素渗入工件表面 从而改变表面组织和性能 化学热处理的主要方法有渗碳 渗氮 渗金属 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 钢的热处理技术 28 钢的渗碳在富碳介质中把低碳钢或低碳合金钢 含碳量0 15 0 2 表面加热到相变温度以上 保温一段时间 从而使碳渗入 提高工件耐磨性和疲劳强度 渗碳深度通常为0 5 2mm 渗碳后必须进行淬火加低温回火 才能有效发挥渗碳层的作用 如汽车变速器齿轮采用20CrMnTi低碳合金钢 渗碳层深0 8 1 2mm 经淬火 低温回火后 获得的表面硬度为HRC58 64 心部硬度为HRC29 45 钢的热处理技术 29 钢的渗氮在含有活性氮的介质中 使工件表面渗入氮元素 以提高工件的硬度 耐磨性 疲劳强度等化学热处理工艺 称为抗磨