第三章 钢的热处理工艺.ppt

第三章钢的热处理工艺 热处理工艺 将工件放入一定的介质中加热 保温 冷却 通过改变组织来控制其性能的操作 制定基础 热处理原理种类 普通热处理 退火 正火 淬火和回火 表面热处理 表面淬火和化学热处理 形变热处理地位 钢的退火可作为 预备热处理和最终热处理 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 6 工艺参数 加热温度 20 30 原则 得到单相 又防止 晶粒粗大保温时间 在箱式炉中 单位 min K 1 5 2 0min mm D 工件有效厚度 mm 对锻 轧材 3 4 0 2 0 5 Q 单位 h Q为装如量 单位为t 冷却方式 炉冷 600 以后出炉空冷组织 性能 硬度低 塑性好 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 A转变为P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 10 工艺类型 普通球化退火 等温球化退火 循环球化退火注意 普通球化退火效果较差 等温球化退火效果较好 循环球化退火的效果最佳 但考虑生产成本 一般用等温球化退火 成本不高效果又好 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 保温时间 与钢种和偏析程度有关 30 60 min 25mm或 1 5 2 5 min mm按装炉量Q计算 小时 装炉量 吨 一般为 12 问题 一般扩散退火加热温度高 时间长 晶粒会粗大 扩散退火之后要进行一次完全退火或正火来进行细化晶粒 消除过热缺陷 周期长 能耗大 氧化脱碳严重 成本高故 有时可采用完全退火来代替 去应力退火定义 为消除铸锻焊件的内应力而进行的退火叫作去应力退火 目的 去应力 稳定尺寸 防止变形和开裂 工艺 加热温度 小于Ac1 500 650 铸件为500 550 焊件为500 600 大焊件用火焰或工频感应加热局部退火 保温时间 由工件的尺寸和装炉量决定 钢3min mm 铸铁6min mm 冷却 缓冷 以免产生新的应力 7 再结晶退火定义 将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上 使变形的晶粒转变为均匀细小的等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺过程 工艺 加热温度 T再 150 250 T再 与成分 变形度有关 纯铁 450 钢 650 700 保温时间 1 3h 冷却方式 空冷 中间退火或最终热处理 2钢的正火 正常化或常化 定义 将钢加热到 c3 或 cm 以上的某温度 完全 化后 保温 空冷以得到珠光体类型的组织 称为正火 目的 改善切削加工性能 消除热加工缺陷 普通结构件 要求不高 可以作为最终热处理来应用 适用钢种 碳钢 低 中合金钢 工艺参数 加热温度 c3 或 cm 30 50 对一些合金钢 c3 100 150 原则 晶粒不粗化的前提 加热时间 工件烧透 采用经验公式即可 与成分 原始组织 装炉量和加热设备 冷却 空冷 风冷 正火后的组织 含碳量 0 6 少量 含碳量在0 6 1 4 之间 正火的实质 奥氏体化加伪共析转变 正火与退火的比较 实质上 正火是退火的一个特例 共同点 扩散型相变 得到软韧组织不同点 工艺上 组织上 性能上 18 正火的应用改善钢的切削加工性 含碳低于0 25 的 HB140 190 消除过共析钢的网状碳化物 为球化退火作准备 抑制二次碳化物的析出 获得伪共析体 消除热加工缺陷 中碳结构钢铸 锻 轧件 焊接件的魏氏组织 粗大晶粒 带状组织 提高普通结构件的机械性能 退火和正火的选取原则 0 25 的低碳钢 采用正火 利于切削加工 防止游离三次渗碳体的析出 提高工件的冷变形性 0 25 0 5 的中碳钢 也采用正火 因成本低 5 75 的中高碳钢 一般采用完全退火 75 的高碳钢 一般采用球化退火 便于降低硬度 改善切削加工性 5 含碳量 合金元素高 奥氏体稳定高 缓冷得到马氏体和贝氏体 应高温回火 3钢的淬火定义 将钢加热到临界点 c3或 c1 以上的某温度 保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却以获得马氏体 或下贝氏体 组织的热处理工艺叫做淬火 目的 强硬化 工艺特点 关键 加热温度 冷速足够大 带来的问题 内应力 1 淬火应力1 热应力 工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力 将工件加热到Ac1以下保温后快冷 其表面和心部温度及热应力 影响因素 冷速 加热温度 截面尺寸 导热系数 线膨胀系数 2 组织应力工件在冷却过程中 由于内外温差造成组织转变不同时 引起内外比容的不同变化 而产生的内应力 奥氏体 珠光体 贝氏体 马氏体 比容逐渐增大 体积膨胀 与热应力正好相反 表面 压 拉影响因素 化学成分 冶金质量 钢件结构尺寸 导热性 冷速 淬透性等 3 实际工件的淬火应力组织应力和热应力的迭加 很复杂 与钢中的碳和合金元素 工件尺寸 淬火介质 冷却方法有关 C 高 马氏体的比容提高 组织应力提高 C 高 Ms点下降 组织应力下降 总之 含碳量越高 组织应力越大 合金元素 导热性下降 热 组应力均增加 奥氏体越稳定 组织应力越大 工件尺寸 大 心部不易得到M 热应力越大 淬火介质 高温区冷却快 热应力大 Ms点冷却快 组织应力大 减小工件淬火应力的方法 温差减小 2 淬火加热温度 原则 得到均匀细小的 组织 以便冷却后得到均匀细小的马氏体组织 亚共析钢 c3 30 50 共析 过共析钢 c1 30 50 合金钢 低合金钢 c1或 c3 50 100 高合金钢 温度更高 考虑合金元素的作用 淬火加热温度应相应提高 以使合金元素的作用充分发挥 亚共析钢组织 细小板条M 少量残余奥氏体 过共析钢组织 隐晶M 细小碳化物 残余奥氏体 淬火加热温度选取原因 若亚共析钢于 c3以下温度淬火 在淬火组织中将出现铁素体 造成软点 也不能超过Ac3太多 否则 晶粒粗大 若过共析钢于 cm以上温度淬火 奥氏体的含碳量提高 Ms和Mf点降低 将使残余奥氏体量增加 导致淬硬性的降低 同时 粗化 将会在淬火组织中出现粗大的片状高碳孪晶马氏体 增加钢的脆性 例 球状珠光体的T8钢分别在600 780 1000 淬火 26 4 淬火冷却介质对淬火介质的要求 冷速大于临界淬火速度 理想的冷速 无毒 无公害 价格便宜 性能稳定 慢650 快 慢400 图为理想淬火介质冷却曲线 3 淬火加热时间 原则 保证零件内外达到规定的温度 完成组织转变 常用冷却介质 表10 1所示 水 中 慢 低 快 使用温度 适用于 尺寸不大 形状简单的碳钢工件 盐水 碱水 中 快 低 快 使用温度 适用于 碳钢 低合金钢 油 中 慢 低 慢使用温度 适用于 合金钢 低温硝盐 50 KNO3 50 NaNO2 熔点 145 使用温度 160 500 适用于 油淬不硬 水淬开裂的碳钢 29 常用淬火方法单液淬火法 图 适用 形状简单 尺寸较大的工件 优点 简便 易于实现机械化 缺点 易变形 开裂 预冷淬火法双液淬火法 水淬油冷 图 优点 减少变形 缺点 难以控制 分级淬火法 冷却介质为低温盐浴 碱浴 图 适用 尺寸较小 形状复杂的工件 优点 减小内应力 减小变形 开裂 缺点 工件尺寸不能太大 等温淬火法 在 点以上一定温度等温一定时间 获得下贝氏体的操作 图 等温温度 等温时间 根据 曲线确定 优点 变形小 不开裂 可不回火 适用 尺寸小 薄厚不均 要求强度高 韧性好的工件 钢的淬透性 如图 1 淬透性概念 钢在淬火时获得马氏体的能力大小 一般用在一定的条件下淬火获得的淬透层深度来表示 淬透层 淬硬层 冷却速度大于临界淬火速度 淬成马氏体的部分 淬透层的确定 由表面到 半马氏体 处的厚度 原因如图钢中半马氏体的硬度主要取决于含碳量 如图影响淬硬层深度的因素 成分 介质的冷却能力 工件尺寸 2 影响淬透性的因素 过冷奥氏体的稳定性 注意 淬透性与淬透层深度的区别 淬透性是钢的固有属性 钢的成分一定 则钢的淬透性就定了 淬透层深度 工件表面到半马氏体区的距离 与具体条件有关 注意 淬硬性与淬透性的区别 淬硬性 钢淬火时 获得的 的最高硬度 钢淬火时的硬化能力 取决于M中的含碳量 3 淬透性的测定方法临界淬火直径法 是指钢在某种淬火介质中能完全淬透 心部马氏体的体积分数为50 或90 95 的最大直径 Dc Dc越大 钢的淬透性越好 条件是淬火介质相同 Dc油 Dc水 但 概念直观 但测定费时费力 意义 选择钢种 热处理工艺 淬火介质 末端淬火法奥氏体化后 迅速放入实验装置 水温20 30 水柱高为65 5mm 两侧各磨去0 2 0 5mm 隔1 5mm 38 39 根据淬透性曲线 通常用J HRC 表示钢的淬透性 例如 40 6 表示在淬透性带上距末端6 处的硬度为HRC40 钢的淬透性对机械性能的影响 淬透的钢回火后性能由表面到心部都一致 没淬透的钢 回火到与 同一硬度时 表心组织不同 性能不同 心部的强度和韧性低 选材时应注意 淬透性 变形 开裂 4钢的回火定义 将淬火钢加热到 以下某温度 使其转变为稳定的回火组织 并以适当的方式 空冷 冷却到室温的热处理工艺过程称为回火 类型 低温回火 中温回火 高温回火 低温回火 回火温度 150 250 的回火 回火组织 回火马氏体性能特点 保持马氏体的高硬度和高耐磨性 适当的提高了韧性 适用 刃具 量具 滚动轴承 渗碳件及高频表面淬火的工件 特点 较高的硬度和强度 中温回火 回火温度 回火组织 回火屈氏体性能特点 高的弹性极限适用 弹性元件的热处理 43 高温回火 回火温度 500 6 0 回火组织 回火索氏体性能特点 综合机械性能优良适用 各种轴类 连杆 连杆螺栓 汽车半轴 机床主轴及齿轮的热处理 调质处理 淬火 高温回火 工艺参数 回火时间 如图 所示 回火冷却 空冷 对于存在高温回脆的工件 空冷 水冷 油冷 低温回火 回火温度 所要求的硬度越高 回火温度越低 高合金钢在600 680 软化退火 三 淬火加热的缺陷 过热 概念 加热温度过高 保温时间过长 造成的粗大的晶粒组织 危害 淬火裂纹 体粗大 补救办法 延长回火时间 轻 退火后重新加热淬火 严重 过烧 概念 加热温度过高造成 的局部晶界熔化现象 危害 设备失灵 只能报废 氧化 概念 工件表面与O2 H2O CO2等反应生成了氧化铁 使金属铁被损失掉 加热温度 570 Fe3O4致密 570 FeO松散 危害 尺寸 性能不均 光洁度防止 低温短时加热 盐浴加热 保护气氛加热或刷涂料 脱碳 概念 工件表面的碳参与反应而烧损 C Fe O2 CO2 C Fe CO2 2COC Fe H2O CO H2 C Fe 2H2 CH4危害 硬度 耐磨性 疲劳性 防止 改变炉内气氛 碳势 保护加热或刷涂料 49 5其它类型的热处理一 钢的形变热处理定义 将塑性变形和热处理有机的结合在一起的一种复合热处理工艺优点 强 塑 韧 节能分类 高温形变热处理 低温形变热处理 1 高温形变热处理性能 强度高 塑性 低温韧性都提高适用 普通碳钢 低合金钢强韧化原因 低温形变热处理适用 合金钢性能 提高抗拉强度和疲劳强度强化原因 晶粒 亚晶细化 K细小 孪晶减少 缺点 工艺难 二 钢的表面淬火概念 将工件表面快速加热到淬火温度 迅速冷却后 使工件表面层获得淬火组织的热处理方法 目的 表硬心韧 种类 感应加热表面淬火火焰加热表面淬火电解液加热表面淬火电接触加热表面淬火激光加热表面淬火 感应加热表面淬火概念 利用电磁感应现象 在工件表面产生密度很高感生电流 使工件表面迅速被加热的一种淬火方法 一般 电流的频率越高 加热深度就越小 加热速度越快 54 种类 高频加热表面淬火电流频率 80 1000KHz 硬化层深度 0 5 mm 适用 中小模数齿轮 小轴 中频加热表面淬火电流频率 2500 8000Hz 硬化层深度 3 6mm 适用 曲轴 凸轮轴 大模数齿轮 钢轨 工频加热表面淬火电流频率 50Hz 硬化层深度 10 15mm适用 大直径钢材 大工件 特点 加热速度快 工件表面形成隐晶马氏体 压应力 有利于疲劳寿命的提高 硬度 耐磨性比普通淬火的耐磨性高 不易产生氧化和脱碳 变形小 生产率高 易于实现自动化生产 6 设备费用高 工艺 淬火加热温度 AC3 150 200 不保温冷却 喷水 低温回火 150 180 降应力 预处理 对于心部性能要求高的零件 调质处理 对于心部性能要求不高的零件 正火处理 适用 中碳钢 中碳合金结构钢 三 钢的化学热处理 定义 将工件放入某种化学介质中 通过加热 保温和冷却使介质中的某些元素的原子扩散到表层中 以改变表层的化学成分和组织 从而使其表层具有与心部不同的特殊性能的一种操作 优点 可获得表硬心韧的性能 分类 根据渗入元素的不同 可分为渗碳 渗氮 碳氮共渗等 基本操作 将工件加热到一定温度 从而有利于吸收渗入元素的 活性原子 由化合物分解或离子转变而得到渗入元素的 活性原子 例如 渗碳CO CH4分解出 C 渗氮氨气分解出 N 活性原子被吸附 并溶入工件表面 形成固溶体 在活性原子的浓度很高时 还可以形成化合物 渗入原子在一定温度下 由表层向内扩散 形成一定的扩散层 1 钢的渗碳 定义 向钢的表面层渗入碳原子的过程 目的 使工件在热处理后表面具有高硬度和高耐磨性 而心部仍保持一定的强度和较高的塑性和韧性 分类 气体渗碳法 固体渗碳法 液体渗碳法 适用 低碳钢 1 1气体渗碳法 将工件置于密封的加热炉中 通入气体渗碳剂 如 滴入煤油 通入甲烷 丙烷等 在900 950 加热 保温 使钢件表面层增碳的过程 1 1 1气相反应 CH4 C 2H2 2CO C CO2 CO H2 C H2O 活性碳原子溶入高温奥氏体中 而后向钢的内部扩散 实现渗碳 1 1 2工艺参数 加热温度 Ac3以上50 80 即900 950 T 渗碳速度 渗碳层 但温度过高 会使钢件中的晶粒长大 使钢变脆 保温时间 所需的渗碳层 渗碳时间 1 1 3渗碳后的组织 低碳钢渗碳后缓冷 表面层 P Fe3C 渗碳后表层的最佳含碳量为 0 85 1 05 心部 F P 心部为原材料的含碳量 01 0 25 中间为过渡层 越靠近表面铁素体越少 如图 1 1 4渗碳后的热处理 渗碳后应进行适当的热