第四讲淬火与回火剖析.ppt

1 第四章钢的淬火与回火 2 将钢加热到临界点以上 保温后以大于临界冷却速度 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 一 钢的淬火 定义 碳在 Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体 3 等温转变曲线 时间 温度 组织转变关系曲线 简称 TTT 线 Time Temperature Transform 按温度划分三个区 高温区 A1 550 珠光体型转变P中温区 550 Ms 贝氏体型转变B低温区 Ms 230 以下 马氏体型转变M 4 过冷A等温转变产物的组织与性能 550 600 650 A1 Ms P B M 1 珠光体型转变 产物P 由于冷却速度不等 得到的P层片厚薄不同 三种 A1 650 T小 P粒粗 160HBS 250HBS P 表示 P 650 600 T稍大 P粒较细 薄F与Fe3C S 表示 sarbite索氏体 25 35HRC S 600 550 T大 P粒很细 用T表示 troostite托氏体 35HRC 48HRC T 2 贝氏体型转变 Bbainite 727 奥氏体转变成过饱和铁素体和极细小的渗碳体的混合物 称 贝氏体 分B上 B下 B上硬脆无使用价值 B下力学性能较好 生产中常用 350 B上 B下 3 马氏体型转变 Mmartensite T极大 Fe C原子不能扩散 C全部溶于 Fe中 体积 产生应力 硬度很高 62HRC 65HRC 耐磨性好 面心立方 Fe 体心立方 Fe T M A M A 5 二 过冷A连续冷却转变 A1 550 Ms V1炉冷 V2空冷 V3油冷 V4水冷 P S T VK 1 连续冷却转变曲线 又称 CCT 曲线 ContinuousCoolingTransform VK 临界冷却速度 V1 P170 220HBS V2 S25HRC 35HRC V3 T M45HRC 55HRC V4 M A 55HRC 65HRC 2 马氏体的形态 性能 晶体结构 体心立方 体心正方 体积增大 形态 性能 片状M WC 1 HB高 ak差 板条状M WC 0 6 良好 较高ak 强韧性 6 淬火的目的 淬火温度 钢的化学成分工艺因素 获得马氏体组织 提高钢的性能 获得均匀细小的奥氏体组织 以便淬火后获得细小马氏体 选择淬火温度的原则 7 1 亚共析钢的淬火 Ac3 30 50 淬火温度 若加热温度过高 出现粗大马氏体组织 导致淬火钢严重变形 若加热温度过低 淬火组织中出现铁素体 硬度不足 钢的化学成分 8 在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火 亚温淬火组织为F M强硬度低 但塑韧性好 9 淬火组织 含碳量 0 5 马氏体 含碳量 0 5 马氏体 少量的残余奥氏体 10 2 共析钢淬火温度Ac1 30 50 淬火组织M A 11 3 过共析钢的淬火 淬火温度 Ac1 30 50 淬火后的组织 细马氏体 颗粒状渗碳体 少量残余奥氏体 分散分布的颗粒状渗碳体对钢的硬度和耐磨性有利 12 T12钢 含1 2 C 正常淬火组织 13 过共析钢加热到Accm以上 奥氏体晶粒粗大 含碳量提高 淬火后的马氏体也粗大 残余奥氏体量增加 降低钢的硬度 耐磨性和韧性 增大变形和开裂的倾向 4 合金钢的淬火 大多数合金元素 Mn P除外 有阻碍奥氏体晶粒长大的作用 淬火温度在临界点以上50 100 提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中的充分溶解和均匀化 以获得较好的淬火效果 14 如果将过共析钢的淬火加热温度提高到Acm以上 则会带来许多不良的后果 1 由于渗碳体全部溶入奥氏体中 使淬火后钢的耐磨性降低 2 加热温度高使奥氏体晶粒显著粗化 淬火后得到粗大马氏体 从而使形成显微裂纹的倾向性增大 3 由于渗碳体的完全溶解 使奥氏体中的碳含量显著增高 使Ms点降低 淬火后残余奥氏体量将大大增加 从而使钢的硬度降低 4 加热温度高会使钢氧化 脱碳加剧 也使淬火变形和开裂倾向增大 同时也缩短了炉子的使用寿命 15 1 工件尺寸大小和形状尺寸小的工件 淬火温度应适当降低 对于形状复杂 容易变形或开裂的工件 应采用较低的淬火温度 2 淬火介质和淬火方法水淬要比油淬时的淬火温度低10 20 采用硝酸盐等温淬火或分级淬火时 由于热浴的冷却能力较低 应适当提高淬火温度 以保证工件能被淬硬 3 加热设备采用箱式或井式电炉的加热温度可以比盐浴炉高10 20 工艺因素 16 淬火加热时间的确定 淬火加热时间长短 加热时间 升温时间 保温时间 从工件装炉后上升到淬火温度所需时间 从达到淬火温度开始至完成奥氏体均匀化所需的时间 KD 生产中常用公式来确定保温时间 加热系数 与钢种及加热介质有关 K 装炉量有关的系数 K 1 1 5 D 工件有效厚度 一般指尺寸最小的部位 奥氏体均匀化 实际晶粒度大小 影响 17 18 影响保温时间的因素 1 钢的成分在实际生产中高碳钢比低碳钢 合金钢比碳素钢 高合金钢比低合金钢的保温时间要长一些 2 工件尺寸及装炉量工件尺寸越大 装炉量越多 则加热时间应越长 3 加热设备铅浴炉加热速度最快 盐浴炉次之 空气电阻炉最慢 当其它条件相同时 三者的加热时间之比约为1 3 1 2 1 4 炉温提高炉温可以缩短加热时间 5 装炉情况工件放置的间隔大 则加热快而均匀 工件放置间隔小甚至紧密放置 则相应的加热时间较长 19 淬火介质 控制钢件冷却速度保证淬火质量的重要媒介物质 1 在650 以上保证过冷奥氏体不转变为珠光体型组织的前提下 应尽量减慢冷却速度以减少热应力作用 理想淬火介质的冷却速度 20 3 避开 鼻尖 后 又应缓慢冷却 因为此后发生马氏体转变时将产生较大的相变应力 注 较大的相变应力和热应力容易导致工件的变形和开裂 2 在C曲线 鼻尖 处应尽快冷却 以保证过冷奥氏体不在此处转变 21 淬火介质分类 物态变化的淬火介质 水 水溶液 油类 工件的冷却主要依靠介质的汽化来进行 冷却过程 22 蒸汽膜阶段 工件的冷却速度较慢 大约不超过200 秒 此阶段结束时 工件表面的温度约为400 沸腾阶段 这时的冷却速度可高达700 秒 平均约450 秒 沸腾阶段持续到工件冷至水的沸点100 时为止 对流阶段 这个阶段冷却主要靠热传导和对流方式进行 冷速减慢 约为45 秒左右 工件在淬火介质中的冷却过程 23 物态不发生变化 或变化较小 的淬火介质 熔盐 熔碱以及气体等 辐射 对流和热传导 24 常用的淬火冷却介质 水 1 经济且冷却能力较强的淬火介质 优点 缺点 1 在C曲线鼻尖部位 650 500 范围内冷却能力不够强 2 在马氏体转变区 300 200 范围内冷却能力不够缓慢 2 对环境没有污染 适用范围 最常用的淬火介质 多用于形状简单或截面尺寸较大的碳钢件的淬火冷却 25 盐水 碱水 特点 明显提高水在高温区的冷却能力 主要用于形状简单 截面尺寸较大且变形要求不高的碳钢件的淬火冷却 在300 200 范围内的冷却能力仍较强 适用范围 在水中加入10 15 的NaCl NaOH等物质 26 适用范围 常用的淬火介质 多用于形状复杂的中 小合金钢件的淬火冷却 油 特点 1 低温区的冷却速度比水小得多 2 高温区的冷却速度也很小 27 碱浴和盐浴熔盐和熔碱的传热方式是依靠周围介质的传导和对流将工件的热量带走 在高温区 碱浴的冷却能力比油略大 硝盐浴的冷却能力比油略小 在低温区 碱浴与硝盐浴的冷却能力都比油低 广泛应用于变形要求严格的碳素工具钢 合金工具钢 球墨铸铁 合金铸铁等工件的分级淬火或等温淬火 28 其它新型淬火介质三硝水溶液 25 硝酸钠 20 亚硝酸钠 20 硝酸钾 35 水 高温区冷却能力小于盐水 低温区冷却能力接近于油 合成淬火剂 10 聚乙烯醇水溶液 0 2 防腐剂 苯甲酸纳 1 0 防锈剂 三乙醇胺 0 02 消泡剂 太古油 高温区冷速接近水 低温区冷速比水慢 氯化锌 碱光亮淬火剂 49 ZnCl2 49 NaOH 2 肥皂粉 再加300倍水稀释 高温区冷速接近盐水 低温区冷速比水小得多 29 淬火方法 单介质淬火 将奥氏体化后的工件迅速投入到一种淬火介质中冷却至室温的淬火方法 优点 易实现机械化 应用较广泛 缺点 2 油中淬火时大碳钢件不容易淬硬 硬度不足或不均匀 1 水中淬火变形开裂倾向大 适用范围碳钢一般用水作冷却介质 合金钢可用油作冷却介质 30 双介质淬火 将工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却 避免珠光体转变 然后转入另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法 常用的水淬油冷或油粹空冷 获得了较理想的冷却条件 操作复杂 在第一种介质中的停留时间不易掌握 需要有实践经验 优点 缺点 适用范围 主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件 31 分级淬火法 指将奥氏体化的工件淬入稍高于Ms点的盐浴或碱浴中保温 待工件表 心部温度接近盐浴温度时取出来空冷的淬火方法 优点 很好地消除淬火工件表心部的温差问题 有效地减少工件变形开裂倾向 适用范围 适于形状复杂 厚薄不均的工件淬火 但因其冷却能力有限 仅用于尺寸较小的工件 32 优点 适用范围 等温淬火法 将加热工件在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间 获得下贝体组织后再空冷的淬火方法 1 零件强度高 塑性和韧性好 既有良好的综合力学性能 2 淬火应力小 变形小 用于形状复杂和要求较高的小零件 33 将淬火工件继续冷却到室温以下温度 70 80 保持一段时间 使其中的残余奥氏体继续转变为马氏体的工艺 深冷处理 目的 降低钢中残余奥氏体量 以提高钢的硬度和耐磨性及工件的尺寸稳定性 适用范围 主要用于淬火后残余奥氏体量较多的合金钢或精密件 如 刃量具钢等 34 局部淬火方法 35 二 钢的淬透性与淬硬性 表层与心部淬透性的差别半马氏体区合金元素对淬透性的影响淬透性与淬硬性的区别 淬透性是钢的主要热处理性能 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一 36 淬透性 是指钢在淬火时能够获得马氏体组织的倾向 即钢被淬透的能力 又称为可淬性 是钢种本身固有的属性 衡量指标 用标准试样在一定条件下淬火时所能达到的有效淬硬层深度来表示 淬硬层深度 指钢件表面至内部马氏体组织占50 处的距离 淬硬层深度越大 淬透性越高 淬硬层深度达到心部 工件被淬透 M量和硬度随深度的变化 37 在相同奥氏体化条件下 同种钢的淬透性是相同的 小件 大件 淬硬性 在正常淬火情况下获得马氏体组织所能达到的最高硬度 影响因素 主要取决于马氏体中的含碳量 而与合金元素关系不大 注 淬透性高的钢 其淬硬性不一定高 反之亦然 淬硬层深度 水淬 油淬 含碳量越高 淬硬性也高 38 淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响 有效淬硬层深度对工件力学性能影响很大 当工件淬透后 经回火可得到沿整个截面分布一致的组织 其力学性能分布也均匀一致 当未淬透时 工件心部的力学性能低于表面淬透层的性能 39 影响淬透性的因素 1 化学成分 影响淬透性的主要因素 亚共析钢过共析钢共析钢 含碳量 合金元素 除Co外的合金元素均使C曲线向右移 临界速度减小 淬透性增加 钢的淬透性越高 临界冷却速度越小 奥氏体越稳定 淬透性增高 淬透性在碳钢中最高 含碳量的增加 含碳量的增加 淬透性降低 临界冷却速度最小 40 2 淬火温度和保温时间 适当地提高钢的淬透性 注 采取这种方法 会引起晶粒粗大 故一般不采用 加热温度的升高 保温时间的延长 碳化物 氮化物及其它非金属夹杂物 可成为奥氏体分解的非自发核心 使A体不稳定 C曲线左移 vk增大 降低淬透性 3 钢中未溶第二相 41 1 断口检验法它是根据试样断口呈现的状态来评定钢的淬透性的 淬硬层晶粒细致 呈脆性断裂 未淬硬层晶粒粗大 呈塑性断裂 主要适用于碳素工具钢 淬透性的测定方法 2 U曲线法这种方法是将直径相同 钢种不同的圆柱试样 直径是长度的4倍 经奥氏体化后在相同冷却条件下淬火 然后从试样中部切开 在横截面上沿直径测出硬度分布曲线 呈U形 所以称为U曲线 42 3 用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却 中心被淬成半马氏体的最大直径 用D0表示 D0与介质有关 如45钢D0水 16mm D0油 8mm 只有冷却条件相同时 才能进行不同材料淬透性比较 如45钢D0油 8mm 40CrD0油 20mm 在相同冷却条件下 Do越大 钢的淬透性越好 43 部分常用钢材的临界淬透直径 44 4 顶端淬火法 端淬试验 45 近端面1 5mm处得硬度值可代表钢的淬硬性 曲线拐点处得硬度值可代表半马氏体组织的硬度值 该点离末端的距离可代表淬透层深度 通过淬透性曲线可知道某钢种在多大冷速下可获得全马氏体组织 半马氏体组织 以及在各种冷速下可以达到的硬度值 46 淬透性带 由于钢的成分的波动及其它因素的影响 每一种钢的淬透性曲线并非为一条线 而往往是一条带 称为淬透性带 47 示 J表示末端淬透性 d表示半马氏体区到水冷端的距离 HRC为半马氏体区的硬度 淬透性的表示方法 即用表 48 淬透性的应用 1 根据淬硬层深度选择材料 大截面零件 承受动载的重要零件 承受拉力和压力的许多重要零件 螺栓 拉杆 锻模 锤杆等 要求表面和心部力学性能一致 故应选择淬透性高的材料 心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件 承受弯曲或扭转的轴类 可选用淬透性低的钢 获得1 2 1 4淬硬层深度即可 焊接件 承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模等 不能或不宜选择淬透性大的材料 49 首先要做出端淬试样离末端距离与截面各部位相同冷速时的对应关系曲线 端淬试样的尺寸和冷却条件有严格的规定 所以试样各点的冷却速度是固定的 一般常用700 时的冷却速度为代表 如果用各种不同直径的圆钢棒在水中或油中冷却 测出其截面各部位在700 时的冷却速度 就可以和端淬试样各点的冷却速度相对应 绘制出其关系曲线 先从手册上查出零件所用钢材的淬透性曲线和其半马氏体区的硬度值 由硬度值查淬透性曲线确定出离末端距离 由此距离查上述关系曲线 查出标记为 中心 的曲线对应的纵坐标就是该钢材的临界淬透直径 2 推算钢的临界淬透直径 50 51 绘制淬火后零件截面硬度分布曲线 已知零件直径 水淬 由直径 冷速关系曲线查出对应表面 3 4半径 1 2半径 中心处的离末端距离 由该距离查淬透性曲线上对应各处的硬度值 根据这些硬度值就可以绘制出零件截面上的硬度分布曲线 52 三淬火工件易出现的问题及其预防 1淬火后硬度不足或不均匀 产生原因 1 冷却速度不够或不均匀 导致未得到全部马氏体组织 2 加热或保温过程中工件表面被氧化脱碳 淬火后表面有非马氏体组织 3 亚共析钢加热温度低于Ac3或保温时间不够 淬火后有铁素体存在 解决措施 防止工件在加热过程中的氧化脱碳 采用合理的加热和冷却规范确保工艺的正确实施 53 2淬火变形 产生原因 1 淬火热应力 2 淬火组织应力 淬火冷却时 由于工件表层和心部胀缩的不同时性而造成的内应力 淬火冷却时 由于工件表层和心部的温差导致马氏体转变的不同时性而造成的内应力 变化规律 冷却前期 表层受拉 心部受压 冷却后期 表层受压 心部受拉 变化规律 冷却前期 表层受压 心部受拉 冷却后期 表层受拉 心部受压 54 3 淬火变形的一般规律热应力引起的淬火变形表现为 使工件沿最大尺寸方向收缩 沿最小尺寸方向胀大 即力图使工件的棱角变圆 平面凸起 变得趋于球状 组织应力引起的淬火变形表现为 工件沿最大尺寸方向伸长 沿最小尺寸方向收缩 力图使工件棱角突出 平面内凹 其外形好像一个承受外压的真空容器一样 组织转变引起的体积变化表现为 工件的体积在各个方向上作均匀的胀大或缩小 对于带孔的工件 不仅外径胀大 内径也胀大 55 56 4 影响淬火变形的因素Ms点的影响 Ms点的降低将使组织应力所引起的变形减小 而热应力对变形的作用则相应增大 淬透性的影响 淬透性好的钢 组织应力对淬火变形的影响较大 反之 淬透性差的钢 热应力对淬火变形的影响大 化学成分的影响 钢中的含碳量越低 热应力的作用就越大 反之 碳含量越高 组织应力的作用便越大 大部分合金元素都有利于减小淬火变形 原始组织的影响 工件原始组织为球状珠光体的变形比片状珠光体小 57 工件尺寸及形状的影响 截面尺寸越大 在相同情况下其淬硬层越浅 热应力对变形的作用越大 反之 若工件截面越小 则组织应力对变形的作用大 工件形状对称 截面厚薄均匀 则其变形也就较均匀 但是如果工件形状不对称且截面厚薄差异较大 往往会造成很严重的变形 热处理工艺的影响 提高淬火加热温度会导致变形增大 冷却速度越大 淬火内应力越大 淬火变形也就越大 因此在可能的情况下应采取冷却能力较小的淬火介质 或者是通过改变冷却方法 如采用分级淬火 等温淬火等 以减小淬火变形 58 3淬火裂纹1 常见的淬火裂纹类型纵向裂纹 横向裂纹 网状裂纹 应力集中裂纹 显微裂纹等 图2 16常见淬火裂纹示意图 59 4减少淬火变形和防止淬火开裂的措施 1 工件设计合理 选材正确 2 合理选用预备热处理工艺 为淬火前作好组织准备 3 控制淬火加热温度和保温时间 防止晶粒粗大 4 采用适当的淬火冷却方法 5 淬火后及时回火 2 影响淬火开裂的因素热处理工艺不当原材料缺陷工件结构设计或选材不当 60 四 回火 指将淬火钢加热到A1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺 1 定义 2 性质 回火是作为最终热处理与淬火并用的 回火不足可再适当追补一次 但若回火过度则将前功尽弃 必须重新淬火 3 目的 消除或减少淬火内应力 防止工件变形或开裂 获得工艺所要求的力学性能 61 稳定工件尺寸 回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定的组织 以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化 淬火马氏体 残余奥氏体 自发 铁素体和渗碳体 工件尺寸和形状 改变 淬火钢不经回火一般不能直接使用 为避免淬火件在放置过程中发生变形或开裂 钢件经淬火后应及时回火 未经淬火的钢 回火是没有意义的 62 4 淬火钢回火时的组织和性能的变化 1 马氏体开始分解 100 200 以 碳化物 Fe C 马氏体 析出 马氏体的过饱和度降低 内应力部分消除 M回 极细的 碳化物与低饱和度的 固溶体 2 残余奥氏体的分解 200 300 残余奥氏体 下贝氏体 转变结束 300 M回 下贝氏体量少 63 4 回火索氏体终结 500 650 S回 Fe3C发生聚集长大 由针片状转为多变形 铁素体发生多边形化 淬火内应力完全消除 3 回火托氏体的形成 300 500 过饱和 固溶体 铁素体 Fe C Fe3C 内应力大部分消失 T回 铁素体基体与大量弥散分布的极细颗粒状渗碳体的混合组织 铁素体基体上分布着较大颗粒状渗碳体 64 1 低温回火 发生在150 250 组织 M回 极细的 碳化物与低饱和度的 固溶体 5 回火的种类 目的 保留淬火后的高硬度 58 64HRC 耐磨性的同时 降低内应力 提高韧性 适用对象 主要用于各种工具 模具 轴承及表面淬火的工件 65 2 中温回火 发生在350 500 组织 T回 在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织 目的 得到高的弹性极限和屈服强度及一定的韧性 适用对象 主要用于处理热成形弹簧件 内应力消除大半 硬度为35 45HRC 66 3 高温回火 发生在500 650 组织 S回 在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织 目的 具有良好的强度 塑性及韧性的配合 即综合力学性能优良 适用对象 适用于各种重要结构零件的最终热处理 内应力完全消除 硬度为25 35HRC 淬火 高温回火简称调质处理 67 6回火时的性能变化回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高 钢的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 68 200 以下 由于马氏体中碳化物的弥散析出 钢的硬度并不下降 高碳钢硬度甚至略有提高 200 300 由于高碳钢中A 转变为M回 硬度再次升高 大于300 由于Fe3C粗化 马氏体转变为铁素体 硬度直线下降 69 7回火脆性 定义 淬火钢的韧性并不总是随回火温度上升而提高的 在某些温度范围内回火时 淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象 低温回火脆性 淬火钢在250 400 回火时出现的脆性 也称第一类回火脆性 马氏体分解在其晶界上析出渗碳体 降低晶界断裂强度 裂纹沿晶界形成与扩展 脆性断裂 几乎所有的钢都有这类回火脆性 目前尚无有效办法完全消除这类回火脆性 一般都不在250 350 范围内进行回火 70 高温回火脆性 淬火钢在450 650 范围内回火后缓冷出现的脆性 又称第二类回火脆性