《机械工程材料与热加工工艺》第四章 ：钢的热处理

第四章钢的热处理 钢在加热时组织的转变钢在冷却时组织的转变钢的整体热处理工艺钢的表面热处理和化学热处理工艺热处理工艺的应用 概述 1 钢的热处理定义 将钢在固态下以适当的方式进行加热 保温和冷却 以获得所需组织和性能的工艺过程 2 热处理的主要目的 改善材料的使用 工艺性能 3 热处理的特点 在固态下 只改变工件的组织 不改变形状和尺寸 4 按目的 加热条件和特点不同热处理分为 热处理 整体热处理 表面热处理 表面淬火 退火 正火 淬火 回火 化学热处理 感应加热淬火 火焰加热淬火 渗碳 渗氮 碳氮共渗 第一节钢在加热时的组织转变 转变温度奥氏体的形成奥氏体晶粒的长大及其影响因素 一 转变温度 图4 2加热和冷却时Fe Fe3C相图上各相变点的位置 实际加热和冷却时的相变点 平衡时 A1A3Acm加热时 Ac1Ac3Accm冷却时 Ar1Ar3Arcm 加热工序的目的 得到奥氏体P F Fe3C A结构体心复杂面心含碳量0 770 02186 690 77 二 奥氏体的形成过程 以共析钢为例 可见 珠光体向奥氏体转变 是由成分相差悬殊 晶格截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程 因此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁 碳原子的扩散 1 奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核易于在F和Fe3C渗碳体相界面上形成 这是因为在两相的相界上原子排列不规则 空位和位错密度高 为形核提供了良好的条件 A形核 2 奥氏体晶核的长大奥氏体形核后逐渐长大 晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的转变和Fe3C的不断溶解来完成的 A向F和Fe3C两个方向长大 F向A转变和Fe3C溶解 3 残余渗碳体溶解在奥氏体形成过程中 铁素体比渗碳体先消失 因此奥氏体形成之后 还残存未溶渗碳体 这部分未溶的残余渗碳体将随着时间的延长 继续不断地溶入奥氏体 直至全部消失 残余Fe3C溶解 4 奥氏体均匀化渗碳体完全溶解后 开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 原先是渗碳体的地方碳浓度高 原先是铁素体的地方碳浓度低 必须继续保温 通过碳的扩散 使奥氏体成分均匀化 A A均匀化 亚共析钢和过共析钢的A形成过程与共析钢基本相似 不同之处在于亚共析钢和过共析钢需加热到Ac3或Accm以上 才能获得单一的奥氏体组织 这个过程称为完全奥氏体化 三 奥氏体晶粒的长大及其影响因素 1 奥氏体晶粒的长大 由于奥氏体在铁素体与渗碳体相界面上形核 形成的晶核多 因而刚完成珠光体向奥氏体的转变时奥氏体的晶粒是比较细小的 但是如果在形成奥氏体后继续升高温度 或者是在高温长时间保温 就会引起奥氏体晶粒长大 由于晶粒粗大 往往使钢的强韧性恶化 特别是冲击韧性将明显下降 韧脆转变温度相应升高 脆性倾向加大 因此 钢在加热时应严格控制加热规范 以获得细小而均匀的奥氏体晶粒 2 奥氏体晶粒度 晶粒度 晶粒大小的量度 晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示 奥氏体的晶粒度一般分为8级 l 4级为粗晶粒 5 8级为细晶粒 奥氏体实际晶粒度 是指钢在具体热处理或热加工条件下获得的奥氏体晶粒度 它的大小决定了钢件热处理或热加工后室温组织的晶粒大小 直接影响到钢件的力学性能 因此 在钢材验收 零件技术要求 热加工工艺评定 产品质量分析中所规定的 晶粒度检验 一般都是指依据GB T63941986检验钢的奥氏体实际晶粒度 1 合理选择并严格控制加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将随之长大 温度愈高 晶粒长大愈明显 在一定温度下 保温时间愈长 奥氏体晶粒也越粗大 2 合理选择原始组织随着钢中奥氏体含碳量的增加 奥氏体晶粒长大的倾向也增大 但当wc 1 2 时 奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体能阻碍晶粒的长大 故奥氏体实际晶粒度较小 3 加入一定量的合金元素若碳以未溶的碳化物形式存在 则它有阻碍晶粒长大的作用 锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素 3 奥氏体晶粒大小的控制 第二节钢在冷却时的转变 过冷奥氏体的等温冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变 在热处理生产中 常用的冷却方式 等温冷却和连续冷却 一 过冷奥氏体的等温冷却转变 一 过冷奥氏体等温转变图 C曲线 的建立现以金相硬度法测定共析钢过冷奥氏体等温转变为例 来说明等温转变图的建立过程 过冷奥氏体 在相变温度A1以下 未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体 过冷奥氏体的等温转变 指钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的某温度区间内等温时 过冷奥氏体所发生的转变 共析钢C曲线建立过程示意图 A1 二 共析碳钢C曲线的分析 稳定的奥氏体区 过冷奥氏体区 A向产物转变开始线 A向产物转变终止线 A 产物区 产物区 A1 550 高温转变区 扩散型转变 P转变区 550 230 中温转变区 半扩散型转变 贝氏体 B 转变区 230 50 低温转变区 非扩散型转变 马氏体 M 转变区 三 转变产物的组织和性能 A1 650 层片状珠光体 25HRC 1 珠光体型转变 高温转变 A1 550 650 600 细片状珠光体 索氏体S 25HRC 35HRC 600 550 极细片状珠光体 托氏体T 35HRC 42HRC 珠光体性能 珠光体片越细 HB b 且 k 珠光体形貌像 索氏体形貌像 托氏体形貌像 2 贝氏体型 B 转变 中温转变 550 MS 在550 MS温度范围内 因转变温度较低 原子的活动能力较弱 过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物 但铁素体中溶解的碳已超过正常的溶解度 转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体的混合物 称为贝氏体 B 根据组织形态和转变温度不同 贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种 550 350 羽毛状上贝氏体 B上 强度低 塑性 韧性差 硬度40 50HRC 它是通过奥氏体晶格改组为过饱和的铁素体 并在铁素体条间析出渗碳体而形成 上贝氏体组织金相图 350 Ms黑色针叶状下贝氏体 B下 强度 塑性 韧性均高于上贝氏体 硬度50 60HRC 与B上比较 B下具有良好的综合力学性能 在生产中常用等温淬火来获得B下组织 下贝氏体组织金相图 3 马氏体型 M 转变 Ms Mf 当奥氏体快速过冷至马氏体点 Ms 以下时则发生马氏体转变 与前两种转变不同 马氏体转变是在一定温度范围内 Ms Mf之间 连续冷却时完成的 马氏体转变在低温 Ms点以下 进行 由于过冷度很大 奥氏体向马氏体转变时难以进行铁 碳原子的扩展 只发生了 Fe向 Fe的晶格转变 固溶在奥氏体中的碳全部保留在 Fe晶格中 形成碳在 Fe中的过饱和固溶体 称其为马氏体 M 230 50 1 马氏体转变特点1 无扩散型转变铁 碳原子都不能进行扩散 铁原子沿奥氏体一定晶面 集体地作一定距离的移动 使面心立方晶格改组为体心立方晶格 碳原子原地不动 过饱和地留在新组成的晶胞中 过饱和碳使 Fe的晶格发生很大畸变 产生很强的固溶强化 2 转变时体积发生膨胀马氏体的比容比奥氏体的比容大 转变时体积要膨胀 引起淬火工件产生相变内应力 严重时导致工件变形和开裂 3 M形成速度很快 瞬间完成形核 长大奥氏体冷却到Ms点以下后 无孕育期 瞬时转变为马氏体 每个马氏体片形成的时间极短 大约只需10 7s 4 转变是在一定温度范围内 Ms Mf 连续冷却过程中进行的随着温度下降 过冷奥氏体不断转变为马氏体 如果冷却在中途中停止 则奥氏体向马氏体转变也停止 5 马氏体转变是不彻底的总要残留少量奥氏体 残余奥氏体的含量与Ms Mf的位置有关 奥氏体中的碳含量越高 则Ms Mf越低 残余A含量越高 只在碳质量分数少于0 6 时 残余奥氏体可忽略 A残的存在不仅降低淬火钢的硬度和耐磨化 而且在工件长期使用过程中 由于A残会继续变成M 使工件尺寸发生变化 2 马氏体的组织形态 板条状和片状 1 板条状马氏体组织 低碳马氏体 0 2 C 30 50HRC 9 17 低碳板条状马氏体组织金相图 2 片状马氏体组织 高碳马氏体 1 C 60 65HRC 1 高碳片状马氏体组织金相图 3 马氏体的性能 主要取决于马氏体中的碳浓度 低碳板条状M不仅具有较好的强度和硬度 而且还具有较好的塑形和韧性 高碳片状M的强度很高 但塑形和韧性很差 四 影响C曲线的因素 1 奥氏体中含碳量的影响 亚共析钢的C曲线 P F S F T B M A残 过共析钢的C曲线 P Fe3C S Fe3C T B M A残 与共析钢C曲线比较 1 亚共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置往右移 过共析钢的等温转变图随着含碳量的增加C曲线位置往左移 故在碳钢中以共析钢等温转变图的鼻尖离温度坐标最远 其孕育期最长 过冷奥氏体也最稳定2 亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体 在转变为珠光体类型组织之前 分别先有铁素体和渗碳体析出 这样 在亚共析钢等温转变图上多一条先共析铁素体析出线 在过共析钢等温转变图上多一条先共析渗碳体析出线 3 随着含碳量的增加 Ms Mf线下降 因而残余奥氏体量随着奥氏体含碳量的增加而增多 2 合金元素的影响除Co Al 2 5 外 所有合金元素溶入奥氏体中 会引起 3 加热温度和保温时间的影响加热温度越高 保温时间越长 碳化物溶解充分 奥氏体成分均匀 同时晶粒也越大 晶界面积则减少 这样 会降低过冷奥氏体转变的形核率 提高了过冷奥氏体的稳定性 从而使C曲线向右移 Pf P转变终了线 Ps P转变开始线 A P K P转变中止线 Ms Mf 二 过冷奥氏体的连续冷却转变1 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 CCT曲线 共析碳钢C曲线与CCT曲线的比较 稳定的奥氏体区 时间 s A1 Ms Mf 1 同一成分的钢的CCT曲线位于C曲线右下方 要获得同样的组织 连续冷却转变比等温转变的温度要低些 孕育期要长些 2 连续冷却转变时 共析钢不发生贝氏体转变 3 连续冷却时 转变时在一个温度范围内进行的 转变产物的类型可能不只一种 有时是几种类型组织的混合 2 C曲线在连续冷却转变中的应用 V1 炉冷 A P 170 220HBS V2 空冷 A S 25 35HRc V3 油冷 A T M 45 55HRc V4 水冷 A M A 55 65HRc Vk 临界冷却速度估计Vk 1 5Vk 第三节钢的退火与正火 预备热处理 退火 正火 最终热处理 淬火 回火 典型零件的制造过程 铸 锻 预备热处理 粗加工 最终热处理 精加工 预备热处理目的 消除前道工序的缺陷 为后续工序作组织准备最终热处理目的 满足使用性能要求 1 退火 将钢加热到适当温度 临界温度以上30 50 保温一定时间 然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺 2 目的 为最终热处理作好组织准备1 降低硬度 提高塑性 改善加工性能 2 细化晶粒 消除组织缺陷 3 消除残余内应力 一 钢的退火 3 分类根据钢的成分和处理目的的不同 可分为 完全退火 球化退火 等温退火 扩散退火 去应力退火 1 完全退火定义 将钢加热Ac3以上30 50 C 完全奥氏体后 保温一定时间随炉缓冷 组织 细小而均匀的平衡组织 铁素体 珠光体 目的 细化晶粒 消除内应力 降低硬度 以利于切削加工 适用范围 亚共析钢型材 2 球化退火定义 将钢加热到Ac1以上20 40 C 保温后随炉缓冷至600 C 出炉空冷 使钢中碳化物呈球状的工艺方法 组织 球状珠光体 渗碳体呈球形的细小颗粒 弥散分布在铁素体基体中 目的 降低硬度 提高塑性 改善切削加工性能 并为淬火作准备 适用范围 主要用于过共析钢 合金工具钢 完全退火和球化退火操作 等温退火定义 将钢加热到Ac3 Ac1 20 50 保温后在Ar1以下等温后空冷 目的 省时 组织均匀 4 去应力退火定义 将钢加热到Ac1以下 一般约为500 650 C 保温后随炉缓冷至200 300 C出炉空冷 又称低温退火 目的 消除铸件 锻件和焊接件的内应力 没有发生组织变化 适用范围 用于所有的钢 均匀化退火 扩散退火 定义 将钢加热到Ac3以上150 250 C 长时间保温10 12h后随炉缓冷 目的 使钢中的化学成分和组织均匀化适用范围 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件 锻坯 扩散退火后必须再进行一次完全退火或正火来消除过热缺陷 以细化组织 二 钢的正火 1 正火 将钢件加热到Ac3或Accm线以上30 50 C 保温适当的时间后 在空气中冷却 2 目的及应用 1 对力学性能要求不高的结构零件 可用正火最为最终热处理 以提高其强度 硬度和韧性 2 对低碳钢 可用正火作为预备热处理 可提高硬度和强度 改善切削加工性 3 对中碳钢 S F 可用正火作为预备热处理 4 对高碳钢 S 正火可抑制渗碳体网的形成 可为球化退火作准备 正火工艺演示 碳钢的各种退火 正火加热温度范围 工艺曲线 正火与退火的区别 正火的冷却速度较快 得到的组织比较细小 强度和硬度也稍高一些 1 从切削加工性考虑 低 中碳结构钢以正火作为预备热处理较为合适 高碳结构钢 如轴承钢 和工具钢则以退火 球化退火 为好 对于合金钢 由于含有合金元素 钢的硬度有所提高 所以在大多数情况下 中碳以上的合金钢常选用退火 三 正火比退火的选用 2 从使用性能考虑如果对钢件的性能要求不太高 可采用正火作为最终热处理 但如果零件尺寸较大或形状较复杂 正火有可能使零件产生较大的残余应力或变形 开裂 这时应选择退火 对力学性能要求较高 必须进行淬火十回火最终热处理的零件 从减少变形和开裂的倾向性来说 预备热处理应选用退火 3 从经济上考虑正火比退火生产周期短 且操作简便 故在可能条件下 特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火 第四节钢的淬火与回火 淬火 将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度 保持一定时间后 快速 Vk 冷却的热处理工艺 回火 将淬火后钢件再加热到A1以下的某一温度 保温一定时间后 然后冷却到室温的热处理工艺 淬火与回火是不可分割的综合程序 一 淬火 目的 为了获得马氏体 或贝氏体 组织 提高钢的硬度 强度和耐磨性 1 淬火加热工艺参数 淬火加热温度和淬火后组织 M Fe3C A残 Ac1 30 50 过共析钢 M A残 Ac1 30 50 共析钢 M A残 Ac3 30 50 亚共析钢Wc 0 5 M Ac3 30 50 亚共析钢Wc 0 5 2 淬火冷却工艺 1 理想淬火冷却速度 理想冷却速度 慢 快 慢 2 常用的淬火冷却介质 l 水水是目前应用最广泛的淬火冷却介质 水在300 200 范围内的冷却速度也很大 常使淬火钢件变形开裂 常用作碳钢的淬火 含5 10 的盐 NaCl 水溶液 在650 550 时的冷却能力比水提高近一倍 因此 用食盐水溶液淬火的钢件 容易得到高而均匀的硬度和光洁的表面 但是 食盐水溶液在300 200 范围内的冷却能力仍然很大 仍有可能使淬火钢件产生变形和开裂 常用于形状简单的低 中碳钢工件的淬火 2 油各种矿物油 也是一种应用很广泛的淬火介质 油在300 2000C温度范围内 冷却速度远小于水 但油在650 550 温度范围内的冷却速度却比水小很多 因此 生产上用油作淬火介质 只适用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢淬火 不适用于碳钢的淬火 3 盐浴主要用于贝氏体等温淬火 马氏体分级淬火 其特点是沸点高 冷却能力介于水与油之间 常用于处理形状复杂 尺寸较小和变形要求严格的工件 3 常用的淬火方法 为了保证获得所需淬火组织 又要防止变形和开裂 必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决 通常的淬火方法包括 单液淬火双液淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火局部淬火 1 单液淬火将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温 优点 操作简单 容易实现自动化缺点 易产生淬火缺陷 水中淬火易产生变形和裂纹 油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象 应用 碳钢一般用水作冷却介质 合金钢可用油作冷却介质 2 双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却 然后在接近Ms点温度 钢的组织还未开始转变时迅速取出 马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火 称为双介质淬火 优点 内应力小 变形及开裂小 缺点 操作困难 不易掌握应用 先水淬后油冷 适用于形状复杂的高碳钢 如丝锥 先油淬后空冷 适用于尺寸较大的合金钢 3 马氏体分级淬火 定义 将加热的工件先放入温度为Ms点 150 2600C 附近的盐或碱浴中 稍加停留 等工件整体温度趋于均匀时 再取出空冷以获得马氏体 优点 有效减小内应力 防止变形与开裂缺点 对于碳钢零件 淬火后会出现非马氏体组织应用 尺寸小 形状复杂工件 4 贝氏体等温淬火 定义 将加热的工件先放入稍高于Ms点温度 260 4000C 的盐或碱浴中 保温足够时间 使其发生下贝氏转变后出炉空冷 优点 内应力小 工件不易变形与开裂 具有良好的综合力学性能 应用 用于形状复杂 尺寸要求精确 并且硬度和韧性都要求较高的工件如 各种模具 成型刃具 弹簧等 淬火工艺演示 5 局部淬火定义 仅对钢件需要硬化的局部进行加热淬火的工艺 优点 既保证了钢件局部的高硬度 又避免其他部分产生变形或开裂 4 冷处理定义 钢件淬火冷却到室温后 继续在0 以下的介质中冷却的热处理工艺 称为冷处理 或深冷处理 目的 是使残余奥氏体在继续冷却时转变为马氏体 即尽量减少钢中残余奥氏体量而增多马氏体量 提高钢的硬度和耐磨性 避免随后因奥氏体转变而引起钢件尺寸形状的改变 从而提高钢件尺寸的稳定性 应用 只用于如精密量具 模具 精密轴承等尺寸稳定性要求很高的钢件 3 热处理工艺结构分析 淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 1 淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 2 淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 3 二 钢的回火 1 目的 消除淬火应力 稳定工件尺寸 获得需要的组织 调整力学性能 2 回火转变与组织 1 回火第一阶段 低于200 马氏体分解M 过饱和 相 碳化物 回火马氏体 组织保持M特征 内应力降低 硬度变化不大 2 回火第二阶段 200 300 残余奥氏体分解A B下 同时马氏体继续分解 内应力进一步降低 硬度变化不大 3 回火第三阶段 300 400 碳化物转变过饱和 相 碳化物 针状F 细Fe3C 回火托氏体 内应力基本消除 钢的强度 硬度下降 而塑性 韧性有所提高 4 回火第四阶段 400 渗碳体长大和 相再结晶针状F 细Fe3C 块状F 粒状Fe3C 回火索氏体 淬火应力全部消除 硬度明显降低 组织转变 300 400 M 过饱和 相 碳化物 针状F 细Fe3C 块状F 粒状Fe3C 回火M 回火T 回火S 3 回火过程中力学性能变化 随回火温度的升高 强度 硬度降低 随回火温度的升高 塑性提高 弹性极限在300 4000C达最大 在250 3500C出现回火脆性 1 低温回火 150 250 C组织 M回 过饱和 相 碳化物 硬度为58 64HRC 目的 保持淬火钢的高硬度和高耐磨性 降低淬火应力 减少钢的脆性 应用 刃具 量具 模具 滚动轴承 渗碳淬火件和表面淬火 4 回火的种类与应用 按回火温度的不同 回火可分以下三种 回火马氏体组织金相图 2 中温回火 250 500 C组织 T回 F针 Fe3C粒 硬度为35 50HRC 目的 获得高的弹性极限 屈服点和较好的韧性 又称弹性处理 应用 弹性零件及热锻模具等 3 高温回火 500 650 C组织 S回 F块 Fe3C球 硬度为25 35HRC目的 获得良好的综合力学性能 应用 广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件 如连杆 主轴 齿轮 重力螺钉等 淬火后高温回火也称为调质热处理 中碳钢 0 4 0 6 C 亦称为调质钢 回火的种类及应用 5 调质和时效 1 调质处理 淬火 高温回火 调质处理如 45钢调质与正火性能比较 正火 S Fe3C为片状调质 回火S Fe3C为粒状 综合机械性能好同一钢种调质后的硬度与正火相当 但塑性 韧性更好调质处理 一般作为最终热处理 但也可以作为表面淬火和化学热处理的预备热处理 2 时效处理某些精密零件 精密量具 精密轴承等 常采用100 150 加热 保温10 50h的时效处理 钢件经过时效处理后 其组织和性能基本不变 只是消除残余应力 使钢件组织和尺寸更加稳定 以保证钢件在长期使用和保存过程中不失去工作精度 弹簧的加工过程 第五节钢的淬透性与淬硬度 一 钢的淬透性 指在规定条件下 决定钢材淬硬深度和硬度分布的特征 用规定条件下淬硬层深度表示 淬硬层深度 表面到半M组织的距离 淬硬层深 淬透性好 1 影响淬透性的因素 钢的临界冷却速度Vc越低 即C曲线右移 钢的淬透性越好 1 钢的化学成分1 含碳量对淬透性的影响在亚共析钢中 Wc C曲线右移 淬透性 在过共析钢中 Wc C曲线左移 淬透性 2 合金元素对淬透性的影响一般说来 除钴 CO 和铝 wAI 25 以外的合金元素 使等温转变图右移 临界冷却速度减小 从而使钢的淬透性提高 2 奥氏体化的条件提高奥氏体化温度 延长保温时间 都有助于增大过冷奥氏体的稳定性 使等温转变图右移 临界冷却速度减小 从而提高钢的淬透性 2 淬透性的实际意义 是进行设计选材的重要依据 淬透性好的钢 经淬火回火后 截面上组织均匀一致 综合力学性能好 淬透性的应用大截面 形状复杂 受动载荷的零件 应选淬透性好的钢 如连杆 螺栓 锻模等受弯曲 扭转应力及表面耐磨的零件 其表面受力很大 心部受力较小 不要求全部淬透 应选淬透性中等的钢 如轴 二 钢的淬硬性 淬硬性 是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度 影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量 低碳钢淬火的最高硬度值低 淬硬性差高碳钢淬火的最高硬度值高 淬硬性好 淬透性取决于Vk或C曲线位置 实际淬硬层深度与工件形状 大小 冷却介质有关 淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度 主要取决于马氏体的含碳量 淬透性好的钢其淬硬性不一定高 5 淬硬性与淬透性之间的区别 如 淬硬性与淬透性之间的关系 第六节钢的表面热处理 表面淬火化学热处理 工艺的核心 使零件具有 表硬里韧 的力学性能 一 钢的表面淬火 定义 通过快速加热 使工件表层进行淬火的工艺 工艺特征 通过快速加热至淬火温度 使钢的表层奥氏体化 然后急冷以大于Vc的速度冷却 使表层形成马氏体组织 而心部仍保持不变 表面淬火加工的方法 感应加热 高 中 工频 火焰加热 电接触加热法等 一 感应加热表面淬火 1 感应加热的基本原理感应圈通入交流电 形成涡流 集肤效应 表层得A 水冷得M电流频率越高 集肤效应越强烈 加热层越薄 2 感应加热表面淬火的分类l 高频感应加热表面淬火 常用频率为200 300kHz 淬硬层深度一般为0 5 2 5mm 主要用于要求淬硬层较浅的中小型钢件 如小模数齿轮 中小型轴等 的表面淬火 2 中频感应加热表面淬火 常用频率为2 5 8kHz 淬硬层深度一般为2 8mm 它主要用于淬硬层要求较深的钢件 如直径较大的轴类和中等模数的齿轮 大模数齿轮单齿等 的表面淬火 3 工频感应加热表面淬火常用频率为50Hz 淬硬层深度可达10 15mm 它主要用于要求深淬硬层的大直径钢件 如轧辊 火车车轮等 的表面淬火 3 感应加热表面淬火的特点 加热速度极快 温度高 时间短 表层得极细马氏体 硬度 耐磨性 韧性较好 表层存在残余压应力 疲劳强度较高 工件不易氧化脱碳 变形小 易实现机械化 自动化 设备价贵 维修调整困难 4 感应加热表面淬火用钢 中碳钢 低合金中碳钢 40 45 40Cr 5 感应淬火零件的一般工艺路线 锻造 正火 机加工 调质 半精加工 感应淬火 低温回火 磨削加工 二 火焰加热表面淬火 1 火焰加热表面淬火的基本方法 2 火焰加热表面淬火的特点 操作简便 设备简单 成本低 灵活性大 加热温度不易控制 淬火质量不稳定 主要用于单件 小批量生产的大型零件 二 钢的化学热处理 1 定义 将零件置于一定的化学介质中 通过加热 保温 使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层 以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺 2 化学热处理的种类 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗铝 渗硫 渗硅 渗铬等 3 化学热处理的基本过程 2 吸收 活性原子被零件表面吸收和溶解 3 扩散 活性原子由零件表面向内部扩散 形成一定的扩散层 一 钢的渗碳 1 定义 向钢的表面渗入碳原子的过程 2 目的 使钢件表面具有高的硬度 耐磨性及疲劳强度 而心部具有一定的强度和较高的韧性的零件 3 用钢 Wc 0 1 0 25 低碳钢和低碳合金钢 常用的钢种 15 20 20Cr 20Mn2 20CrMnTi 18Cr2Ni4WA等 4 方法 固体 气体 液体渗碳 气体渗碳法示意图 固体渗碳法示意图 零件渗碳的操作过程 5 工艺 加热温度 900 930 渗碳时间 气体渗碳按 0 20 0 25 mm h的速度估算 固体渗碳按 0 10 0 15 mm h的速度估算 6 渗碳后的组织 20钢渗碳缓冷组织580 表层珠光体 网状渗碳体 中层珠光体 内层铁素体 珠光体 渗碳零件工艺路线 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火 精加工生产中常用三种方法1 直接淬火法2 一次淬火法3 二次淬火法 7 渗碳后的热处理工艺 8 表面淬火与渗碳组织 性能比较 第六节热处理工艺的应用 一 热处理的技术条件的标注 设计者根据零件的性能要求 在图纸上标明材料的牌号 并相应的热处理条件 作为热处理操作及检验的依据 一般来讲 在图纸上用硬度作为热处理条件 如调质220HBS 250HBS 淬火 回火58HRC 62HRC 渗碳零件还标注渗碳层深度 淬火 回火后的硬度和渗碳部位等 表面淬火应标注淬硬部位 预备热处理 退火 正火 调质 最终热处理 淬火 回火 表面热处理 二 热处理工序位置的确定 1 退火 正火工序位置 在毛坯生产 铸造 锻造 焊接 之后 便于毛坯切削加工 其加工工艺路线如下 毛坯生产 铸造 锻造 焊接 退火 或正火 切削加工 调质工序位置 主要提高综合力学性能 粗加工之后 半精加工或精加工之前 下料 锻造 正火 退火 粗加工 调质 精加工 淬火工序位置 1 整体淬火件加工工艺路线如下 下料 锻造 正火 或退火 粗加工 半精加工 淬火 中温 或低温 回火 磨削加工 2 表面淬火件加工工艺路线如下 下料 锻造 正火 或退火 粗加工 调质 半精加工 表面淬火 低温回火 磨削加工 渗碳工序 目的大大提高表面硬度 耐磨性 特别是受冲击件 渗碳件加工路线一般为 下料 锻造 正火 粗加工 半精加工 渗碳 淬火 低温回火 磨削 1 轴类零件 1 工作条件及工作要求 1 承受载荷传递动力 综合力学性能好 2 交变弯曲应力 扭转应力 疲劳强度高 3 冲击 震动 有时过载 足够的韧性 4 高速旋转 较大摩擦 较高硬度 耐磨性 刚度好 三 典型零件的热处理分析 该轴选用45钢的锻件毛坯 热处理技术条件如下 整体调质后硬度为220 250HBS 内锥孔和外锥体硬度为45 48HRC 花键齿廓部分硬度为48 53HRC 生产过程中 主轴的加工工艺路线为 备料 锻造 热处理1 机械粗加工 热处理2 机械半精加工 锥孔及外锥体的热处理3 粗磨 外圆 锥孔 外锥体 铣花键 花键热处理4 精磨 外圆 锥孔 外锥体 备料 锻造 热处理1 机械粗加工 热处理2 机械半精加工 锥孔及外锥体的热处理3 粗磨 外圆 锥孔 外锥体 铣花键 花键热处理4 精磨 外圆 锥孔 外锥体 备料 锻造 正火 机械粗加工 调质 机械半精加工 锥孔及外锥体的局部淬火 低温回火 粗磨 外圆 锥孔 外锥体 铣花键 花键淬火 低温回火 精磨 外圆 锥孔 外锥体 2 齿轮 1 工作条件 1 整体受冲击力 2 齿面受接触压力 3 齿根弯曲力 4 表面磨损 2 工作要求 1 表面有足够的硬度 耐磨性 2 心部有足够的强度 韧性 3 弯曲疲劳强度要高 该齿轮选用20CrMnTi的锻件毛坯 热处理技术条件如下 齿面渗碳层深度 0 8 1 3mm齿面硬度为58 62HRC心部硬度为33 48HRC生产过程中 齿轮加工工艺路线如下 备料 锻造 热处理1 机械加工 热处理2 热处理3 热处理4 校正花键孔 磨齿 备料 锻造 热处理1 机械加工 热处理2 热处理3 热处理4 校正花键孔 磨齿 备料 锻造 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 喷丸 校正花键孔 磨齿 3 压板压板的作用是在机床或夹具上夹紧工件 因此 要求有较高强度 硬度和一定的弹性 工艺路线 下料一锻造一热处理1一机加工一热处理2 下料一锻造一正火一机加工一淬火 中温回火 工艺路线 下料 锻造 热处理1 机加工 工作部分热处理2 下料 锻造 球化退火 机加工 工作部分淬火 低温回火 一 判断题1 过冷奥氏体和残余奥氏体都是碳溶于r Fe中形成的间隙固溶体 2 任何成分的钢加热到A1以上时 都要发生珠光体向奥氏体的转变 3 奥氏体化温度越高 保温时间越长 奥氏体晶粒越细 4 过冷奥氏体 是指在相变温度A1以下未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体 5 共析钢的过冷奥氏体在A1以下各个温度的等温转变要经过一段孕育期 6 在5500C处的过冷奥氏体最稳定 7 在生产中用等温淬火可获得下贝氏体组织 8 固溶在奥氏体中的碳全部保留在a Fe晶格中形成碳在a Fe晶格中的过饱和固溶体 称为马氏体 9 亚共析钢 过共析钢和共析钢的奥氏体等温转变C曲线是位置相同的 10 当奥氏体向马氏体转变时 体积要增大 11 完全退火可用于过共析钢 降低硬度 便于切削加工 12 球化退火主要用于亚共析钢 13 去应力退火过程中钢的组织在不断变化 14 退火与正火的主要区别是保温时间的长短 15 淬透性好的钢 淬火后硬度一定很高 16 通常将淬火后的高温回火称为调质处理 17 表面淬火后 钢的表面层成分和组织