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机械工程材料 MaterialsForMechanicalEngineering 1 2 第4章钢的热处理 本章目录4 1热处理的概念与分类4 2钢在加热时的组织转变4 3钢在冷却时的组织转变4 4钢的退火与正火4 5钢的淬火与回火4 6钢的表面热处理4 7热处理的新技术 新工艺4 8热处理工艺路线安排与技术条件标注 4 1热处理的概念与分类 4 1 1热处理的概念热处理 是指将钢在固态下加热 保温和冷却 以改变钢的组织结构 获得所需要性能的一种工艺 为简明表示热处理的基本工艺过程 通常用温度 时间坐标绘出热处理工艺曲线 3 热处理是一种重要的加工工艺 在制造业被广泛应用 在机床制造中约60 70 的零件要经过热处理 汽车 拖拉机制造业中 70 80 模具 滚动轴承等100 需热处理 总之 重要零件都需适当热处理后才能使用 4 4 1 1热处理的概念 热处理特点 热处理区别于其他加工工艺如铸造 压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能 而不改变其形状 热处理适用范围 只适用于固态下发生相变的材料 不发生固态相变的材料不能用热处理强化 5 4 1 1热处理的概念 4 1 2热处理的分类 6 7 预备热处理与最终热处理预备热处理 为随后的加工 冷拔 冲压 切削 或后续热处理作准备的热处理 最终热处理 赋予工件所要求的使用性能的热处理 8 铁碳相图中PSK GS ES线分别用A1 A3 Acm表示 实际加热或冷却时存在着过冷或过热 故将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1 Ac3 Accm表示 冷却时转变温度用Ar1 Ar3 Arcm表示 4 1 3热处理中的滞后现象 4 2钢在加热时的组织转变 加热是热处理的第一道工序 加热分两种 一种是在A1以下加热 不发生相变 另一种是在临界点以上加热 以获得均匀的奥氏体 A 组织 称奥氏体化 钢坯加热 4 2 1A的形成过程奥氏体化也是形核和长大的过程 分为四步 现以共析钢为例说明 9 10 共析钢的奥氏体化过程 1 A晶核形成 在F与Fe3C相界形核 2 A晶核长大 向F和Fe3C长大 3 残余Fe3C溶解 F先消失 残余Fe3C不断溶解 4 A成分均匀化 使奥氏体成分趋于均匀 11 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同 但由于先析出F或Fe3C 的存在 要获得全部A组织 必须相应加热到Ac3或Accm以上 4 2 2影响奥氏体形成的因素 A的形核和长大需要通过原子扩散来实现 所以 影响A形核 长大和原子扩散的因素 都会影响A的形成过程 1 加热温度 温度提高 原子的扩散能力增强 转变时间缩短 但温度过高会使A粗大 材料的力学性能下降 2 碳含量 碳含量提高 Fe3C相对量提高 F和Fe3C相界面增加 有利于提高碳在A中的扩散 加速A的形核与长大 3 合金元素 除Co Ni Al外 多数合金元素都会降低A形成速度 推迟A化进程 4 原始组织 同成分的钢 原始组织弥散程度越大 晶粒越细 则相界面越多 越有利于A的形成 12 4 2 3奥氏体晶粒大小及其影响因素 A晶粒细小均匀 冷却后钢的组织则细小弥散 强度 塑性及韧性都较高 反之 晶粒粗大 性能变坏 特别是ak更差 起始晶粒度 奥氏体化刚结束时的晶粒大小 此时晶粒细小均匀 随着加热温度的提高和保温时间的增长 A晶粒会进一步长大 实际晶粒度 在给定温度下A的晶粒大小 本质晶粒度 加热时A晶粒的长大倾向性 常用的分为8级 1 4级为本质粗晶粒 5 8级为本质细晶粒 13 14 加热温度和保温时间 加热温度越高 保温时间越长 A晶粒越粗大 加热速度 速度越快 过热度越大 形核率越高 晶粒越细小 合金元素 阻碍A晶粒长大的元素有Ti V Nb Ta Zr W Mo Cr Al等碳化物和氮化物形成元素 促进奥氏体晶粒长大的元素有Mn P C N 原始组织 平衡状态的组织有利于获得细晶粒 A晶粒粗大 冷却后的组织也粗大 降低钢的常温力学性能 尤其是塑性 影响A晶粒长大的因素 15 4 3钢在冷却时的组织转变 冷却是热处理时最关键 更重要的工序 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体 A过是非稳定组织 迟早要发生转变 A过转变产物决定于转变温度 而转变温度又取决于冷却方式和冷却速度 生产中 常用的冷却方式有等温冷却和连续冷却两种 A过的等温冷却转变曲线 表示A过以不同速度冷却到临界点A1以下 在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线 因其形状又称C曲线 S曲线或TTT曲线 4 3 1过冷奥氏体等温冷却转变曲线 A1 16 取一批试样进行奥氏体化 将试样分组淬入低于A1点的不同温度的盐浴 隔一定时间取一试样淬入水中 测定每个试样的转变量 确定各温度下转变量与转变时间的关系 将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度 时间坐标中 并分别连线 17 C曲线的建立 以共析钢为例 18 A1线以上 A稳定存在区 A1 Ms之间及转变开始线以左区域为过冷奥氏体区 转变终了线以右及Mf以下为转变产物区 两线之间及Ms与Mf之间为转变区 左右两条C曲线分别为A过等温转变开始线和等温转变终了线 MS M 分别为A过向M转变的开始温度线和终止温度线 A1 MS两温度线将曲线图分割成上中下三区 稳定A区 A过等温转变区和M转变区 等温转变区又被两条C曲线划分为左中右三区 即A过区 A过转变区 A过和转变产物共存区 和转变产物区 C曲线的分析 以共析钢为例 19 20 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期 孕育期最小处称C曲线的 鼻尖 其温度为 550 孕育期越短 A过稳定性越小 在鼻尖以上 温度较高 相变驱动力小 在鼻尖以下 温度较低 扩散困难 A过稳定性较高 C曲线的分析 以共析钢为例 21 成分的影响 含碳量的影响 共析钢的A过最稳定 C曲线最靠右 Ms与Mf点随碳含量增加而下降 与共析钢相比 亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各多一条先共析相的析出线 影响C曲线的因素 Cr对C曲线的影响 合金元素的影响除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移 除Co和Al外 所有合金元素都使Ms与Mf 点降低 22 23 奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长 使A成分均匀 晶粒粗大 未溶碳化物减少 增加了A过的稳定性 使C曲线右移 使用C曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT Continuous Cooling Transformationdiagram 曲线 是通过测定不同冷速下A过的转变量获得的 4 3 4过冷奥氏体连续冷却转变 24 25 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区 在珠光体转变区之下多了一条转变中止线 当连续冷却曲线碰到转变中止线时 P转变中止 余下的A一直保持到Ms以下转变为M 共析钢的CCT曲线 图中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度 即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度 Vk 为TTT曲线的临界冷却速度 Vk 1 5Vk 26 4 3 2A过等温冷却转变的组织和性能 随过冷度不同 A过将发生珠光体 P 转变 贝氏体 B 转变和马氏体 M 转变三种类型的转变 现以共析钢为例说明 27 28 珠光体的组织形态及性能A过在A1 550 间将转变为P类型组织 是F与Fe3C片层相间的机械混合物 根据片层厚薄不同 又细分为珠光体 索氏体 和托氏体 珠光体转变 形成温度为A1 650 片层较厚 500倍光镜下可辨 珠光体 P 29 形成温度为650 600 片层较薄 800 1000倍光镜下可辨 索氏体 S 30 托氏体 T 形成温度为600 550 片层极薄 电镜下可辨 31 P T S三种组织无本质区别 只是形态上的粗细之分 片间距越小 钢的强度 硬度越高 而塑性和韧性略有改善 32 33 P转变也是形核和长大的过程 Fe3C晶核首先在A晶界上形成 在长大过程中 其两侧A的碳含量降低 促进了F的形核 珠光体转变是扩散型转变 珠光体转变过程 34 贝氏体的组织形态及性能A过在550 230 Ms 间将转变为贝氏体类型组织 贝氏体用符号B表示 根据组织形态不同 贝氏体又分为上贝氏体 B上 和下贝氏体 B下 贝氏体转变 35 形成温度为550 350 在光镜下呈羽毛状 在电镜下为不连续棒状的Fe3C分布于自A晶界向晶内平行生长的F条之间 B上强度与塑性都较低 无实用价值 上贝氏体 B上 形成温度为350 230 Ms 在光镜下呈竹叶状 在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内 并与F针长轴方向呈55 60 角 下贝氏体强度 硬度高 塑性 韧性好 2 下贝氏体 B下 36 37 发生贝氏体转变时 首先在A中的贫碳区形成F晶核 其含碳量介于A与平衡铁素体之间 为过饱和铁素体 贝氏体转变过程 38 贝氏体转变也是形核和长大的过程 当转变温度较高 550 350 时 条片状F从A晶界向晶内平行生长 随F条伸长和变宽 其碳原子向条间A富集 最后在F条间析出Fe3C短棒 A消失 形成B上 上贝氏体转变过程 贝氏体转变属半扩散型转变 即只有碳原子扩散而铁原子不扩散 晶格类型改变是通过切变实现的 当转变温度较低 350 230 时 F在晶界或晶内某些晶面上长成针状 由于碳原子扩散能力低 其迁移不能逾越F片的范围 C在F的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出 下贝氏体转变 39 40 马氏体是碳在 Fe中的过饱和固溶体称 用M表示 当奥氏体过冷到230 Ms 以下将转变为马氏体类型组织 马氏体转变是强化钢的重要途径之一 马氏体组织 马氏体转变 41 马氏体具有体心正方晶格 a b c 轴比c a称马氏体的正方度 C 越高 正方度越大 正方畸变越严重 当 0 25 C时 c a 1 此时马氏体为体心立方晶格 马氏体的晶体结构 42 马氏体的形态分板条和针状两类 板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织 每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列 在电镜下 板条内的亚结构主要是高密度的位错 1012 cm2 又称位错马氏体 马氏体的形态 43 立体形态为双凸透镜形的片状 显微组织为针状 在电镜下 亚结构主要是孪晶 又称孪晶马氏体 针状马氏体 44 高硬度是马氏体性能的主要特点 马氏体的硬度主要取决于其碳含量 含碳量增加 其硬度增加 当碳含量大于0 6 时 其硬度趋于平缓 合金元素对马氏体硬度的影响不大 马氏体的性能 45 马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化 此外 马氏体转变产生的组织细化也有强化作用 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构形式 针状马氏体脆性大 板条马氏体 位错型 的塑性和韧性较好 马氏体转变也是形核和长大过程 其主要特点是 1 无扩散性 2 降温转变 3 高速转变 4 体积膨胀 5 不完全转变 即使冷却到Mf点 也不可能获得100 的马氏体 总有部分A未能转变而残留下来 称残余奥氏体 用A 或Ar表示 当含碳量达0 6 后 A 量才显著 马氏体转变的特点 46 47 过冷奥氏体转变产物 共析钢 48 4 4钢的退火与正火 机械零件的一般加工工艺为 毛坯 铸 锻 预备热处理 机加工 最终热处理 退火与正火主要用于预备热处理 只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理 4 4 1钢的退火 将钢加热至适当温度保温 然后缓慢冷却 炉冷 的热处理工艺叫做退火 退火目的 降低硬度 提高塑性 改善切削加工性能或后续冷变性能 适合加工的硬度为170 250HB 消除组织缺陷 细化晶粒 均匀组织 提高力学性能 为最终热处理作准备 消除内应力 稳定工件尺寸 减少变形开裂倾向 真空退火炉 49 50 退火的种类很多 常用的有完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火 去应力退火 再结晶退火 1 完全退火 将工件加热到Ac3 30 50 保温后缓冷的退火工艺 主要用于亚共析钢 退火工艺 51 亚共析钢加热到Ac3 30 50 共析 过共析钢加热到Ac1 30 50 保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留 待相变完成后出炉空冷 等温退火可缩短工件在炉内停留时间 更适合于孕育期长的合金钢 高速钢退火工艺 2 等温退火 52 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺 它是将工件加热到Ac1 30 50 保温后缓冷 或者加热后冷却到略低于Ar1的温度下保温 使P中的渗碳体球化后出炉空冷 主要用于共析 过共析钢 如刀具 量具 模具及轴承钢等 3 球化退火 球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体 称球状珠光体 用P球表示 对于有网状二次渗碳体的过共析钢 球化退火前应先进行正火 以消除网状 53 碳素工具钢的几种球化退火工艺 图a 一次加热球化退火 钢在Ac1以上20 30 保温后极缓冷却 以保证碳化物充分球化 600 时出炉空冷 图b 等温球化退火 生产上应用较多 将钢加热到Ac1 20 30 保温4h后 再快冷至Ar1以下20 左右等温3 6h 以使碳化物达到充分球化的效果 图c 往复球化退火 可加速球化过程 提高球化质量 54 4 不完全退火 不完全退火 将钢加热至Ac1 Ac3 亚共析钢 或Ac1 Accm 过共析钢 之间 经保温后缓慢冷却以获得接近于平衡组织的热处理工艺 加热到两相区温度 仅使A发生重结晶 基本上不改变先共析F或Fe3C的形态及分布 应用 如果亚共析钢原始组织中的F已均匀细小 只是P片间距小 硬度偏高 内应力较大 那么只要在Ac1以上 Ac3以下温度进行不完全退火即可 硬度 消除内应力 特点 加热温度较低 时间较短 经济节能 过共析钢的球化退火属于不完全退火 55 5 去应力退火 低温退火 去应力退火 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 主要用于消除铸件 锻件 焊件及热轧件的内应力 消除精密零件在切削加工时产生的内应力 使这些零件在加工和使用中不易变形 钢的去应力退火加热温度较宽 一般在500 650 之间 铸铁件去应力退火温度 500 550 超过550 容易造成P的石墨化 焊接件的退火温度一般为500 600 对切削加工量大 形状复杂而性能要求严格的刀具 模具等 淬火前常进行600 700 2 4h的去应力退火 56 6 再结晶退火 再结晶退火 是将经过冷变形后的金属 如冷拔 冷拉及冷冲压件 加热到再结晶温度以上100 200 一般为650 700 适当保温后缓慢冷却的处理工艺 目的 使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒 以消除冷变形强化和残余应力 提高塑性 改善切削性能及压延成型性能 再结晶过程中无晶体结构变化 但有组织的变化 57 7 扩散退火 均匀化退火 扩散退火 将钢锭 铸件或锻坯加热到固相线以下100 200 的高温下长时间 10 15h 保温 然后缓冷 目的 消除铸锭或铸件中的枝晶偏析及区域偏析 使成分和组织均匀化 加热温度 碳钢1100 1200 合金钢1200 1300 保温时间 与偏析程度及钢种有关 常按最大有效截面厚度计算 每25mm保温30 60min 或按每mm厚度保温1 5 2 5min 说明 因加热温度高 保温时间长 扩散退火后钢的晶粒粗大 需用完全退火或正火细化晶粒 提高钢件性能 58 59 正火 亚共析钢加热到Ac3 30 50 共析钢加热到Ac1 30 50 过共析钢加热到Accm 30 50 保温后空冷的工艺 正火比退火冷却速度大 正火后的组织 0 6 C时 组织为F S 0 6 C时 组织为S 正火温度 4 4 2钢的正火 正火的目的和应用 1 重要零件的预备热处理 如半轴 凸轮轴等 为改善切削加工性能进行正火处理 可得到适宜的硬度 又能细化晶粒 消除内应力 消除魏氏组织和带状组织 为最终热处理提供合适的组织形态 2 普通零件的最终热处理 为某些受力较小 性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性能 正火可细化晶粒 均匀组织 对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件 用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂 60 正火的目的和应用 3 工具钢 轴承钢等 用正火可消除过网状碳化物 以利于为球化退火 同时细化晶粒 为淬火作组织准备 正火加热温度通常在Ac3 或Accm 以上30 50 高于一般退火的温度 对于含有V Ti Nb等碳化物形成元素的合金钢 可更高温Ac3 100 150 加热 为消除过共析钢的网状碳化物 可酌情 加热温度 让碳化物充分溶解 正火冷却方式最常用的是空冷 大件也可采用吹风 喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度 61 4 4 3退火和正火的选择 正火含碳量Wc 0 25 的低碳钢和低碳合金钢 为改善切削加工性能和零件形状简单时 一般采用正火 因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体 从而提高冲压件的冷变形性能 用正火可以提高钢的硬度 改善低碳钢的切削加工性能 在没有其他热处理工序时 用正火可以细化晶粒 提高低碳钢强度 Wc 0 25 0 5 的中碳钢也可以用正火代替退火 虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高 但尚能进行切削加工 而且正火成本低 生产率高 62 退火和正火的选择 退火Wc 0 5 0 75 的的中高碳钢 为改善切削加工性能和零件形状复杂时 一般采用全退火 降低硬度 改善切削加工性 Wc 0 75 以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理 如有一次渗碳体存在 则应先进行正火消除之 63 4 5钢的淬火与回火 淬火是将钢加热到临界点以上 保温后以适当的方式冷却 使A转变为M或B下组织的热处理工艺 淬火是应用最广的热处理工艺之一 淬火目的 获得M或B组织 提高钢的性能 真空淬火炉 64 1 淬火加热温度的选择 碳钢 亚共析钢 淬火温度为Ac3 30 50 预备热处理组织为退火或正火组织 65 66 0 5 C时为M 0 5 C时为M A 亚共析钢淬火组织 在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火 亚温淬火组织为F M 强度 硬度低 但塑韧性好 67 共析钢淬火温度为Ac1 30 50 淬火组织为M A 68 淬火温度 Ac1 30 50 温度高于Accm 则A晶粒粗大且含碳量高 淬火后M晶粒粗大 A 量增多 使钢硬度 耐磨性下降 脆性 变形开裂倾向增加 淬火组织 M Fe3C颗粒 A 预备组织为P球 T12钢 1 2 C 正常淬火组织 过共析钢 69 合金钢由于多数合金元素 Mn P除外 对A晶粒长大有阻碍作用 因而合金钢淬火温度比碳钢高 亚共析钢淬火温度为Ac3 50 100 共析钢 过共析钢淬火温度为Ac1 50 100 70 2 淬火加热时间 工件升温和保温所需的时间计算在一起 统称为加热时间 影响因素 钢的成分 原始组织 工件形状尺寸 加热介质 炉温 装炉方式及装炉量等 生产中多采用下列经验公式来计算加热时间 KD式中 加热时间 min 加热系数 min mm K 装炉修正系数 D 工件有效厚度 mm 若操作不当 会产生过热 过烧或表面氧化 脱碳等缺陷 71 2 淬火加热时间 过热 A粗大 淬火后M粗大 工件强韧性降低 易脆断 易淬火裂纹 过热组织纠正 进行一次细化晶粒的退火或正火 然后再按工艺规程进行淬火 过烧 加热温度过高 使A晶界发生氧化或出现局部熔化 过烧件只得报废 氧化和脱碳 氧化使工件尺寸减小 表面粗糙度 并影响淬火冷速 表面脱碳使工件表面含碳量 导致工件表面硬度 耐磨性及疲劳强度降低 72 73 3 淬火介质 理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷 而在Ms附近尽量缓冷 以达到既获得马氏体组织 又减小内应力的目的 但目前还没有找到理想的淬火介质 常用淬火介质是水和油 水 冷却能力强 但低温却能力太大 只用于形状简单的碳钢件 74 油 在低温区冷却能力较理想 但高温区冷却能力太小 适应于合金钢和小尺寸的碳钢件 熔盐作为淬火介质称盐浴 冷却能力在水和油之间 用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火 聚乙烯醇等聚合物水溶液 硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质 3 淬火介质 75 4 淬火方法 采用不同的淬火方法可弥补介质的不足 1 单介质淬火加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法 操作简单 易实现自动化 碳钢水淬 合金钢油淬 76 2 双介质淬火工件先在冷却能力强的介质中冷却 躲过鼻尖后 再在冷却能力较弱介质中发生M转变的方法 如水淬油冷 油淬空冷 优点是冷却理想 能够减小应力 变形和开裂倾向 缺点是不易掌握与控制 用于形状复杂的高碳钢零件和大尺寸合金钢零件 77 3 分级淬火在稍高于Ms的盐浴或碱浴中淬火冷却一定时间 待内外温度均匀后再取出缓冷 可减少内应力 用于小尺寸工件 比双介质淬火易控制 盐浴炉 78 4 等温淬火将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间 从而获得下贝氏体组织的淬火方法 经等温淬火零件具有良好的综合力学性能 淬火应力小 适用于形状复杂及要求较高的小型件 钢的淬硬性和淬透性是热处理工艺中的两个重要概念 是选材和制订热处理工艺时要考虑的重要因素 钢的淬硬性 钢在正常淬火时所能达到的最高硬度值 表明钢的淬硬能力 钢的淬硬性主要决定于钢 准确地说是淬火M 中的含碳量 而与合金元素的关系不大 钢中的碳含量增加 钢的淬硬性提高 合金元素仅使淬火钢硬度略有提高 5 钢的淬硬性与淬透性 79 80 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示 淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区 50 M 50 P 的深度 淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度 即硬化能力 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸 冷却介质有关 工件尺寸小 介质冷却能力强 淬硬层深 淬透性与工件尺寸 冷却介质无关 它只用于不同材料之间的比较 是通过尺寸 冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的 81 影响淬透性的因素 钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk Vk越小 淬透性越高 Vk取决于C曲线的位置 C曲线越靠右 Vk越小 故 凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素 即除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高 奥氏体化温度高 保温时间长也使钢的淬透性提高 82 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 83 用淬透性曲线表示 84 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 用临界淬透直径表示 对于截面承载均匀的重要件 要全部淬透 如螺栓 连杆 模具等 对于承受弯曲 扭转的零件可不必淬透 淬硬层深度一般为半径的1 2 1 3 如轴类 齿轮等 淬硬层深度与工件尺寸有关 设计时应注意尺寸效应 利用淬透性可控制淬硬层深度 85 4 5 2钢的回火 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺 1 回火的目的 1 减少或消除淬火内应力 防止变形或开裂 2 获得所需的力学性能 淬火钢硬度高 脆性大 回火可调整硬度 韧性 螺杆表面的淬火裂纹 86 87 3 稳定尺寸 淬火M和A 都是非平衡组织 有自发向平衡组织转变的倾向 回火可使M与A 转变为平衡或接近平衡的组织 防止使用时变形 4 对于某些高淬透性的钢 空冷即可淬火 如采用回火软化既能降低硬度 又能缩短软化周期 88 2 钢在回火时的转变 淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段 随加热温度升高 淬火钢的组织发生四个阶段变化 1 马氏体的分解 100 回火时 钢的组织无变化 100 200 加热时 马氏体将发生分解 从马氏体中析出 碳化物 FeXC 使马氏体过饱和度降低 析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上 这种组织称回火马氏体 用M回表示 在光镜下M回为黑色 A 为白色 0 2 C时 不析出碳化物 只发生碳在位错附近的偏聚 89 回火马氏体 2 残余奥氏体分解200 300 时 由于马氏体分解 奥氏体所受的压力下降 Ms上升 A 分解为 碳化物和过饱和铁素体 即M回 3 Fe3C的形成250 400 时 碳化物溶解于F中 并从F中析出Fe3C 到350 时 马氏体中的碳含量降到铁素体的平衡成分 内应力大量消除 M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织 称回火托氏体 用T回表示 回火托氏体 90 91 4 Fe3C聚集长大和铁素体多边形化400 以上 Fe3C开始聚集长大 450 以上铁素体发生多边形化 由针片状变为多边形 这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体 用S回表示 回火索氏体 92 回火时的力学性能变化 总的趋势是随着回火温度提高 钢的强度 硬度下降 塑性 韧性提高 3 回火的种类与应用 根据钢的回火温度范围 可将回火分为三类 淬火加高温回火的热处理称作调质处理 简称调质 93 4 回火稳定性 淬火钢在回火过程中抵抗强度 硬度下降的能力称回火稳定性 钢的回火稳定性高 表明在相同温度下回火的强度 硬度高 反之 为获得相同的强度 硬度 可采用较高的回火温度 从而使其韧性提高 提高回火稳定性的决定因素是钢中的合金元素 其中 以Si Cr Mo等作用较显著 另外 一些含有Mo W V Cr等元素较多的钢 随回火温度的提高 硬度并不简单下降 而在某一较高回火温度 硬度反而显著升高 这一现象称二次硬化 94 5 回火脆性 在某些温度范围内回火时 会出现冲击韧性下降的现象 称回火脆性 第一类回火脆性又称不可逆回火脆性 是指淬火钢在250 350 回火时出现的脆性 第一类回火脆性是不可逆的 只要在此温度范围内回火就会出现脆性 目前尚无有效消除办法 95 第二类回火脆性 又称可逆回火脆性 是指淬火钢在500 650 范围内回火后缓冷时出现的脆性 回火后快冷不出现 是可逆的 防止办法 回火后快冷 加入合金元素W 约1 Mo 约0 5 该法更适用于大截面的零部件 96 6 淬火缺陷及其措施 变形和开裂 由淬火应力造成 淬火内应力形成的原因不同可分热应力与组织应力两种 热应力是在加热和冷却过程中 零件内外加热和冷却速度不同造成各处温度不一致 致使热胀冷缩的程度不同而产生的 组织应力是在加热和冷却过程中 零件内部组织 比容不同 转变发生的时间不同而产生的 它与工件的冷却速度有关 硬度不足 硬度不均匀 过热与过烧 返回 4 6钢的表面热处理 4 6 1钢的表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下 利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法 表面淬火目的 使表面具有高的硬度 耐磨性和疲劳极限 心部在保持一定的强度 硬度的条件下 具有足够的塑性和韧性 即表硬里韧 适用于承受弯曲 扭转 摩擦和冲击的零件 98 99 0 4 0 5 C的中碳钢 含碳量过低 则表面硬度 耐磨性下降 含碳量过高 心部韧性下降 铸铁提高其表面耐磨性 1 表面淬火用材料 工艺 对于结构钢为调质或正火 前者性能高 用于要求高的重要件 后者用于要求不高的普通件 目的 为表面淬火作组织准备 获得最终心部组织 100 2 预备热处理 感应加热表面淬火 采用低温回火 温度不高于200 回火目的 降低内应力 保留淬火高硬度 耐磨性 表面淬火 低温回火后的显微组织表层组织为M回 心部组织为S回 调质处理 或F S 正火 101 3 表面淬火后的回火 102 感应加热 利用交变电流在工件表面感应巨大涡流 使工件表面迅速加热的方法 感应加热表面淬火示意图 4 表面淬火常用加热方法 高频感应加热 频率为250 300kHz 淬硬层深度0 5 2mm 103 中频感应加热 频率为2500 8000Hz 淬硬层深度2 10mm 104 工频感应加热 频率为50Hz 淬硬层深度10 15mm 105 106 火焰加热 利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法 成本低 但质量不易控制 激光热处理 利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法 效率高 质量好 4 电接触加热表面淬火 机床导轨的电接触加热表面淬火自冷法示意图 4 6 2钢的化学热处理 化学热处理 是将工件置于特定介质中加热保温 使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织 进而改变其性能的热处理工艺 108 109 与表面淬火相比 化学热处理不仅改变钢的表层组织 还改变其化学成分 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一 根据渗入的元素不同 化学热处理可分为渗碳 氮化 多元共渗 渗其他元素等 1 化学热处理的基本过程 介质 渗剂 的分解 分解的同时释放出活性原子 如 渗碳CH4 2H2 C 氮化2NH3 3H2 2 N 工件表面的吸收 活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物 原子的扩散 原子向内部扩散 氮化扩散层 110 2 钢的渗碳 渗碳 是指向钢的表面渗入碳原子的过程 渗碳目的 提高工件表面硬度 耐磨性及疲劳强度 同时保持心部良好的韧性 渗碳用钢 为含碳0 1 0 25 的低碳钢 碳含量高 则心部韧性低 经渗碳的机车从动齿轮 111 气体渗碳法示意图 渗碳方法气体渗碳法 将工件放入密封炉内 在高温渗碳气氛中渗碳 渗剂为气体 煤气 液化气等 或有机液体 煤油 甲醇等 优点是质量好 效率高 缺点是渗层成分与深度不易控制 112 113 固体渗碳法 将工件埋入渗剂中 装箱密封后在高温下加热渗碳 渗剂为木炭 优点是操作简单 缺点 渗速慢 劳动条件差 真空渗碳法 将工件放入真空渗碳炉中 抽真空后通入渗碳气体加热渗碳 优点是表面质量好 渗碳速度快 真空渗碳炉 低碳钢渗碳缓冷后的组织 渗碳温度为900 950 渗碳层厚度 由表面到过度层一半处的厚度 一般为0 5 2mm 渗碳层表面的碳含量一般以0 85 1 05为最好 渗碳缓冷后组织 表层为P 网状Fe3C 心部为F P 中间为过渡区 114 115 渗碳后的热处理一般为淬火 低温回火 回火温度为160 180 淬火方法有以下几种 预冷淬火法 渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火 渗碳后的热处理示意图 116 一次淬火法 即渗碳缓冷后重新加热淬火 二次淬火法 即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3 30 50 细化心部 第二次加热为Ac1 30 50 细化表层 渗碳后的热处理示意图 117 常用方法是渗碳缓冷后 重新加热到Ac1 30 50 淬火 低温回火 此时组织为 表层 M回 颗粒状碳化物 A 少量 心部 M回 F 淬透时 3 钢的氮化 氮化是指向钢的表面渗入N原子的过程 氮化用钢 为含Cr Mo Al Ti V的中碳合金钢 常用钢号为38CrMoAl 氮化温度为500 570 氮化层厚度不超过0 6 0 7mm 118 常用氮化方法 有气体氮化法与离子氮化法 气体氮化法 与气体渗碳类似 渗剂为氨 离子氮化法 在电场作用下 使电离的N离子高速冲击工件 阴极 与气体氮化比 氮化时间短 氮化层脆性小 119 离子渗氮设备 井式气体氮化炉 120 氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高 1000 2000HV 耐磨性高 疲劳强度高 由于表面存在压应力 121 工件变形小 因氮化温度低 氮化后不需热处理 耐蚀性好 因表层形成的氮化物化学稳定性高 氮化的缺点 工艺复杂 成本高 氮化层薄 用于耐磨性 精度要求高的零件及耐热 耐磨及耐蚀件 如仪表的小轴 轻载齿轮及重要的曲轴等 4 7热处理的新技术 新工艺 随着电子显微技术的发展和测试技术的不断完善 在研究材料的组织结构和第二相的形态 大小 数量及分布对力学性能的影响等方面 都取得了很大进展 全方位离子注入与沉积设备 122 4 7 1可控气氛热处理 可控气氛热处理 是指炉气成分可控的热处理 是实现无氧化加热的最主要措施 1 控制炉内的炉气成分 可为某种热处理过程提供元素的来源 金属零件和炉气通过界面反应 其表面可以获得或失去某种元素 2 可对加热过程的零件提供保护 如可使零件不被氧化 脱碳或增碳 保证零件表面耐磨 抗疲劳 3 缩短生产周期 节能 省时 可减少零件热处理后的机加工余量及表面的清理工作 气氛种类 吸热式气氛 放热式气氛 滴注式气氛 123 4 7 2真空热处理 是在1 33 0 0133Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的热处理工艺 真空热处理具有无氧化 无脱碳 无元素贫化的特点 可实现光亮热处理 能使零件脱脂 脱气 避免表面污染和氢脆 同时可实现控制加热和冷却 减少热处理变形 提高材料性能 还具有便于自动化 柔性化和清洁热处理等优点 1 可以减少工件变形 在真空中加热时 升温速度缓慢 工件内外温度均匀 处理时变形较小 2 可以减少和防止工件氧化 脱碳 124 3 可以净化工件表面 在真空中加热时 工件表面的氧化物 油污发生分解并被真空泵排出 可得表面光亮的工件 不仅美观 而且提高工件耐磨性 疲劳强度 4 脱气作用 溶解在金属中的气体 会不断逸出并由真空泵排出 有利于改善钢的韧性 提高工件的使用寿命 真空热处理应用 几乎全部热处理工艺均可以进行真空热处理 如退火 淬火 回火 渗碳 氮化 渗金属等 而且淬火介质也由最初仅能气淬 发展到现在的油淬 水淬 硝盐浴淬火等 125 4 7 3形变热处理 形变热处理 又称机械处理 是一种把塑性变形与热处理有机结合起来的一种复合强韧化处理新工艺 广义上来说 凡是将零件的成型工序与组织改善有效结合起来的工艺都叫形变热处理 形变热处理的强化机理 A塑性变形使位错密度升高 因动态回复形成稳定的亚结构 淬火后获得细小M 板条M数量增加 板条内位错密度升高 使M强化 A形变后位错密度增加 为碳氮化物弥散析出提供了条件 获得弥散强化效果 弥散析出的碳氮化物阻止A长大 转变后的M板条更加细化 产生细晶强化 此二种情形都能使钢在强化的同时得到韧化 126 相变前形变的高温形变热处理和中温形变热处理 形变热处理工艺示意图高温形变热处理是在A稳定区进行塑性变形 然后立即淬火和回火 与普通淬火相比 强度 塑性高 韧性好 而且质量稳定 工艺简单 还可减少工件的氧化 脱碳和变形 适于形状简单的零件或工具的热处理 如连杆 曲轴 刀具和模具等 127 4 7 4激光热处理 激光加热表面淬火是利用高功率密度的激光器扫描工件表面 将其迅速加热到钢的相变点以上 然后依靠零件本身的传热来实现快速冷却淬火的表面热处理工艺 特点如下 1 加热和冷却速度大 2 硬度高 3 变形小 4 表层显微组织细小 5 表面参与压应力大 6 不需要淬火冷却介质 7 能精确控制硬化层深度 128 4 7 5强韧化处理 凡是可以同时改善钢件强度和韧性的热处理 总称为强韧化处理 主要有以下三种 1 获得板条马氏体的处理 除选用含碳低的钢种外 碳钢还可以下途径获得板条M 高温淬火 是指高于常规淬火加热温度的淬火 中碳钢若用比正常淬火温度 Ac3 30 50 更高的温度加热 可使A成分更均匀 达到钢的平均含碳量而不出现高碳区 从而得到板条状M 或使板条状M的数量增多 获得良好的综合性能 129 4 7 5强韧化处理 高碳钢低温 快速 短时加热淬火 高碳低合金钢的淬火加热温度一般仅稍高于Ac1点 碳化物的溶解 A的均匀化 靠延长时间来达到 如采用快速 短时加热 A中含碳量低 有利于获得板条M 同时 加热温度低