退火与正火工艺ppt课件

2 1 3钢的普通热处理热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热 保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺 热处理的特点 不改变工件的形状和尺 提高工件的使用性能和使用寿命 而且还可以改善工件的加工工艺性能 热处理按目的与作用不同 分为以下三类 热处理方法很多 其工艺都由加热 保温和冷却三个阶段组成 可以用 温度 时间 为坐标的曲线来表示 称为热处理工艺曲线 1 钢的退火与正火 一 钢的退火退火是将工件加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 一般随炉冷却 的热处理工艺 退火目的 降低钢的硬度 以利于切削加工 提高塑形和韧性 以利于冷变形加工 改善钢的性能或为以后的热处理做好组织准备 细化晶粒 消除钢中的残余内应力 防止变形和开裂 一 钢的退火1 完全退火将工件完全奥氏体化后缓慢冷却 获得接近平衡组织的退火 加热温度 AC3以上20 40 目的 降低钢件的硬度 细化晶粒 消除应力 为最终的热处理做组织准备 主要用于钢的铸件 锻件 热轧型材 焊接件的退火 一般较长 因为完全退火时加热温度超过Ac3不多 相变进行得较慢 特别是粗大铁素体或碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀过程 均需要较长时间 保温时间 加热速度 常用结构钢 弹簧钢及热作模具钢钢锭 加热速度100 200 h 常用结构钢 弹簧钢及热作模具钢钢锭 保温时间 冷却速度 缓慢 以保证奥氏体在Ar1点以下不大的过冷度情况下进行珠光体转变 以免硬度过高 Q 装炉量 完全退火不能用于过共析钢 因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体 使钢的机械性能变坏 完全退火主要用于亚共析钢的铸件 锻件 热轧件 有时也用于焊件 注意 45钢锻件完全退火操作 应用范围 合金钢的铸件 锻件 热轧型材 焊件等 一 钢的退火2 等温退火工件加热到高于AC3 或AC1 的温度 保持 适当的时间 较快地冷却到珠光体转变区间的适当温度并等温保持 使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火 目的 与完全退火相同 但时间相对于完全退火要短 用等温退火代替完全退火有利于缩短生产时间 应用范围 中碳钢 经渗碳处理的低合金钢及冲压件等 3 球化退火 使钢中碳化物呈球状化 以降低硬度 改善切削加工性能 并为以后的淬火做好组织准备 将过共析钢工件加热到Ac1以上 20 30 保温后 以极慢的冷速通过A1 使珠光体P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状的热处理工艺称为球化退火 定义 目的 球化退火中的珠光体变化 过共析钢的球化退火 T12钢球化退火组织F Fe3C 为了便于球化过程的进行 对于网状严重的过共析钢 应在球化退火之前进行一次正火 以消除网状渗碳体 注意 5 去应力退火 为了去除由于形变加工 锻造 焊接等所所引起的及铸件内存在的残余应力 但不引起组织的变化 而进行的退火 称为去应力退火 定义 退火温度 退火温度范围很宽 由于材料成分 加工方法 内应力大小及分布的不同 以及去除程度的不同 去应力退火的加热温度范围很宽 钢500 650 铸件500 550 焊件500 600 去应力退火后 应缓慢冷却 以免产生新的应力 一般在A1以下进行 组织并未发生变化 在缓慢冷却的过程中 工件各部分均匀冷却和收缩 消除了铸件 锻件 焊接件 热轧件 冷拉件等的残余内应力 避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂 去应力退火工艺曲线及其特点 常用退火工艺制度小结 2 钢的正火 将钢加热到AC3以上温度并保温 出炉空冷至室温的热处理工艺 由于正火比退火加热温度略高 冷却速度大 故珠光体的分散度大 先共析铁素体的数量少 因而正火后强度 硬度较高 正火 1 作为预备热处理工艺 为下续热处理工艺提供适宜的组织状态 2 作为最终热处理工艺 提供合适的机械性能 3 用来消除某些处理缺陷 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理 亚共析钢采用正火来调整硬度 改善切削加工性能 过共析钢的正火可消除网状碳化物 细化晶粒 双重正火 正火的应用 退火 正火后钢的组织和性能 加热时钢的组织转变 1 奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化 以共析钢的奥氏体形成过程为例 3 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后 仍有部分剩余渗碳体未溶解 随着时间的延长 这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去 直至全部消失 1 奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成 2 奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后 依靠铁 碳原子的扩散 使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的 4 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时 奥氏体的成分是不均匀的 只有延长保温时间 通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体 亚共析钢的加热过程 过共析钢的加热过程 各种退火和正火工艺示意图 由于退火 主要指完全退火 与正火在组织上有着差异 因而性能也有所不同 表4 1正火与退火的40Cr钢的机械性能 正火与退火相比较 正火的强度与韧性较高 塑性基本相同 但对于过共析钢 完全退火的钢中因为有网状渗碳体的存在 其硬度 韧性均低于正火的 而球化退火的钢 因其所得组织是球状P 故其综合性能优于正火的 由表可得出结论 退火与正火的选用 C 0 25 的低碳钢 正火代替退火 C 0 25 0 5 的中碳钢 也可正火代替退火 C 0 5 0 75 的中高碳钢 用完全退火 C 0 5 的高碳钢或工具钢 用球化退火 如有网状二次渗碳体 则应先正火消除 生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种 冷 热的使用热加工工艺 零件的使用性能及经济综合考虑 2 5退火 正火缺陷 碳素 低合金工具钢在退火后虽硬度很低 但脆性却很大 断口呈灰黑色 故称 黑脆 主要原因是退火温度过高 保温时间过长 冷却缓慢 珠光体转变按Fe C进行即碳石墨化 发生黑脆的工具不能返修 退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常组织 造成缺陷 常见的如下 1 过烧 由于加热温度过高 晶界被氧化 甚至晶界局部溶解 使工件报废 2 黑脆 3 粗大魏氏组织 主要是由于加热温度过高 魏氏组织不仅晶粒粗大 而且由于铁素体针片形成的脆面 使金属的韧性急剧下降 4 反常组织 亚 过共析钢在Ar1附近冷却缓慢 结果在亚共析钢中形成非共析渗碳体 再过共析钢中形成游离的铁素体或渗碳体 5 网状组织 由于加热温度过高 冷却速度过慢引起的 网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能 特别是网状渗碳体 一般重新正火可消除 6 球化不均匀 由于退火前没有消除网状渗碳体 在球化退火时聚集而成 可通过正火和一次球化退火消除 7 硬度过高 退火时加热温度过高 冷却速度过快 使硬度高于规定的范围 重新退火即可 a b 图4 8反常组织a 0 5 C 加热温度为850 b 1 2 C 加热温度为970 粗大的渗碳体 渗碳体网很宽 淬火是指将将钢加热到临界点以上 保温后以大于Vk的速度冷却 使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺 因此 淬火的目的就是为了获得马氏体 提高钢的力学性能 淬火是钢的最重要的强化方法 也是应用最广的热处理工艺之一 钢的淬火和回火 淬火温度 淬火温度即钢奥氏体化温度 是淬火的主要工艺参数之一 碳钢的淬火温度可利用合金相图来选择 如下图所示 对于亚共析钢 淬火温度为Ac3 30 50 当含碳量不高于0 5 时 淬火后组织为马氏体 当含碳量大于0 5 时 淬火后组织为马氏体与少量残余奥氏体 亚共析钢在Ac1 Ac3之间加热淬火后的组织为马氏体加铁素体 由于组织中有自由铁素体存在 使钢的强度和硬度降低 但可改善韧性 这种淬火称为亚温淬火 如处理得当 亚温淬火也可作为一种强韧化处理方法 对于共析钢和过共析钢 淬火温度为Ac1 30 50 共析钢淬火后的组织为马氏体和少量残余奥氏体 过共析钢由于淬火前经过球化退火 因而淬火后组织为细马氏体加颗粒状的渗碳体和少量残余奥氏体 如下图所示 分散分布的颗粒状渗碳体对提高钢的硬度和耐磨性有利 如果将过共析钢加热到Accm以上 则由于奥氏体晶粒粗大 含碳量提高 使淬火后马氏体晶粒也粗大 且残余奥氏体量增多 这将使钢的硬度 耐磨性下降 脆性和变形开裂倾向增加 对于合金钢 由于大多数合金元素 Mn P除外 有阻碍奥氏体晶粒长大的作用 因而淬火温度比碳钢高 一般为临界点以上50 100 常用的淬火介质是水和油 水是经济的且冷却能力较强的淬火介质 水的缺点是在650 550 范围内的冷却能力不够强 而在300 200 范围内冷却能力又太大 因此生产上主要用于形状简单 截面较大的碳钢件的淬火 油在低温区冷却能力较理想 但在高温区冷却能力太低 因此主要用于合金钢和小尺寸的碳钢件的淬火 大尺寸碳钢件油淬时 由于冷却不足 会出现珠光体型分解 熔融的碱和盐也常用作淬火介质 称为盐浴或碱浴 这类介质只适用于形状复杂及变形要求严格的小型件的分级淬火和等温淬火 淬火方法 采用适当的淬火方法可以弥补冷却介质的不足 常用的淬火方法如图所示 1 单介质淬火方法 将加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法 如水淬和油淬都属于这种方法 该方法操作简单 易实现机械化 应用较广 2 双介质淬火 是指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 常用的方法是水淬油冷或油淬空冷 其优点是冷却比较理想 缺点是第一种介质中停留时间不易控制 需要有实践经验 该方法主要用于形状复杂的碳钢工件及大型合金钢工件 3 分级淬火 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 分级淬火可以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 4 等温淬火 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 经等温淬火的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 钢的淬透性 钢在淬火时获得淬硬层深度的能力称为钢的淬透性 其高低用规定条件下的淬硬层深度来表示 淬硬层深度是指工件表面到半马氏体的深度 淬透性与淬硬性不同 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的尺寸 冷却介质有关 工件尺寸小 冷却能力强 淬硬层深 工件尺寸小 介质冷却能力强 淬硬层深 而淬透性与工件尺寸 冷却介质无关 它只用于不同材料之间的比较 是在尺寸 冷却介质相同时 用不同材料的淬硬层深度进行比较的 淬透性的应用 力学性能是机械设计中选材的主要依据 而钢的淬透性又直接影响其热处理后的力学性能 因此 在选材时 必须对钢的淬透性有充分的了解 回火 回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后在油活着空气中冷却的热处理工艺 回火的目的 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 稳定工件尺寸 淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织 有自发向平衡组织铁素体加渗碳体转变的倾向 回火可使马氏体和残余奥氏体转变为平衡或接近平衡的组织 防止使用时变形 对于某些高淬透性的钢 空冷即可淬火 如采用退火则软化周期太长 则采用回火软化即能降低硬度 又能缩短软化周期 对于未经淬火的钢 回火是没有意义的 而淬火钢不经回火一般也不能直接使用 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 回火的种类 根据钢的回火温度范围 可将回火分为3类 1 低温回火2 中温回火3 高温回火 1 低温回火 回火温度为150 250 低温回火时发生如下变化 得到M回组织 低温回火的目的是在保留淬火后高硬度 高耐磨性的同时 降低内应力 提高韧性 主要用于处理各种工具 模具 轴承及经渗碳和表面淬火的工件 2 中温回火 回火温度为350 500 中温回火时发生如下变化 得到T回组织 即为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 回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限 并具有一定的韧性 硬度一般为35HRC 45HRC 主要用于各类弹簧的处理 3 高温回火 回火温度为500 650 高温回火时发生如下变化 得到S回组织 即为在多边性铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织 回火索氏体具有良好的综合力学性能 即在保持较高强度的同时 具有良好的塑性和韧性 硬度一般为25HRC 35HRC 心部 硬度低 韧性高 在生产中 有很多零件是在磨擦 冲击和交变载荷作用下工作 要求表面和心部具有不同的性能 一般是表面硬度高 有较高的耐磨性和疲劳强度 而心部要求有较好的塑性和韧性 表面 硬度高 耐磨 2 1 4 钢的表面淬火 表面和心部性能要求不同的零件实例 例如齿轮工作时表面接触应力大 摩擦严重 要求表层高硬度 而齿轮心部通过轴传递动力 冲击力 即心部要求较高的塑性和韧性 而低碳钢可满足心部要求 表面要求不能满足 高碳钢可满足表面要求 心部要求不能满足 在这种情况下 单从材料选择入手或采用普通热处理方法 都不能满足其要求 解决这一问题的方法就是钢的表面淬火 表面热处理 和化学热处理 表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺 其中以表面淬火最为常用 表面淬火不改变零件表层的化学成分 只改变表层的组织 并且心部仍保留原来退火 正火或调质状态的组织 其目的是使工件表层具有高硬度 耐磨性 而心部具有足够的强度和韧性 表面淬火后 一般需进行低温回火 以减少淬火应力和降低脆性 工业上常用的表面淬火方法有感应淬火和火焰淬火 感应加热表面淬火感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应 使工件表层 局部或整体加热 并快速冷却的淬火工艺 见下图所示 当感应线圈中通以交流电时 产生交变磁场 在工件中便产生相同频率的感应电流 由于工件本身具有电阻 因而集中于工件表面的电流可使表层迅速加热到淬火温度 而工件的心部温度仍接近室温 感应加热后 采用水 乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火 合金钢浸油 淬火后进行180 200 低温回火 以降低淬火应力 并保持高硬度和高耐磨性 感应电流透入工件表层的深度主要取决于交流电频率的高低 频率越高 淬硬层深度越小 由于电源频率不同感应加热表面淬火分高频淬火 中频淬火和工频淬火 此外还有20世纪60年代后发展起来的超音频感应加热 它的频率为30 40kHZ 适用硬化层略深于高频且要求硬化层沿表面均匀分布的零件 例如中 小模数齿轮 链轮 轴 机床导轨等 生产中常用的电流频率与淬硬层深度的关系如下表所示 感应加热表面淬火种类及应用 感应加热速度极快 时间很短仅为几秒钟 加热淬火有如下特点 表面性能好 硬度比普通淬火高2HRC 3HRC 疲劳强度较高 一般工件可提高20 30 工件表面质量高 不易氧化脱碳 淬火变形小 淬硬层深度易于控制 操作易于实现机械化 自动化 生产率高 感应加热淬火零件的加工工艺路线为 下料 锻造 调质或正火 切削加工 感应加热淬火 低温回火 精加工 检验 火焰表面淬火火焰表面淬火是应用氧 乙炔 或其它可燃气体 火焰 对零件表面加热 然后快速冷却的淬火 火焰表面淬火其淬硬层深度一般为2 6mm 火焰加热表面淬火设备简单 成本低 使用方便灵活 但生产效率低 淬火质量较难控制 适用于单件 小批量生产或用于中碳钢 中碳低合金钢制造的大型工件 如大齿轮 轴等零件的表面淬火 3 电接触加热表面淬火电接触表面淬火可显著提高工件表面的耐磨性和抗擦伤能力 设备及工艺简单易行 硬化层薄 一般为0 15 0 35mm 适用于表面形状简单的零件 目前广泛用于机床导轨 汽缸套等表面淬火 4 激光加热表面淬火这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面 使工件表面迅速加热到钢的临界点以上 而当激光束离开工件表面时 由于基体金属的大量吸热 使表面获得急速冷却而自淬火 故无需冷却介质 特点如下 激光淬火硬化层深度与宽度一般为 深度 0 75mm 宽度小于1 2mm 激光淬火后表层可获得极细马氏体组织 硬度高且耐磨性好 激光淬火能对形状复杂 特别是某些部位用其它表面淬火方法极难处理的 如拐角 沟槽 盲孔底部或深孔 工件 七 钢的化学热处理简介化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温 使一种或几种元素渗入它的表层 以改变其化学成分 组织和性能的热处理工艺 其特点是既改变工件表面层的组织 又改变化学成分 它可比表面淬火获得更高的硬度 耐磨性和疲劳强度 并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性 各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的 1 分解 由介质中分解出渗入元素的活性原子 2 吸收 工件表面对活性原子进行吸收 吸收的方式有两种 即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成固溶体 或与钢中的某种元素形成化合物 3 扩散 已被工件表面吸收的原子 在一定温度下 由表面往里迁移 形成一定厚度的扩散层 化学热处理的种类很多 最常用的是渗碳 氮化 碳氮共渗 渗硼 渗铬 渗铝等 工件渗碳后必须进行淬火和低温回火 最终表层为细小片状的回火高碳马氏体及少量的渗碳体 这样表面可获得高的硬度 60 64HRC 耐磨性及疲劳强度 而心部组织取决于钢的淬透性 一般低碳钢心部组织为铁素体和珠光体 硬度为110 150HBS 低合金钢 20CrMnTi钢 通常心部组织为回火低碳马氏体和少量铁素体 硬度为35 45HRC 具有较高的强韧性和塑性 气体渗碳的渗碳层质量高 渗碳过程易于控制 生产率高 劳动条件好 易于实现机械化和自动化 适于成批或大量生产 主要用于受磨损和较大冲击载荷的零件 如齿轮 活塞销 凸轮 轴类等 钢的渗氮 氮化 渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺 又称氮化 渗氮能使零件获得比渗碳更高的表面硬度 耐磨性以及提高其耐腐蚀性和疲劳强度 气体氮化目前应用最广的是气体渗氮 气体渗氮是将工件置于通有氨气 NH3 的密闭炉内 加热到500 560 氨分解产生的活性氮离子 N 被工件表面吸收 并逐渐向心部扩散 从而形成渗氮层 渗氮层的深度一般为0 1 0 6mm 渗氮最常用的钢是38CrMoAl 渗氮前应进行调质处理 因渗氮后表面形成一层坚硬的氮化物 渗氮层硬度高达1000 1200HV 耐磨性好 渗氮温度低 工件变形小 渗氮层存在压应力 耐疲劳性好 渗氮层致密 耐蚀性较好 所以 渗氮主要用于耐磨性和精度要求高的精密零件 承受交变载荷的重要零件及较高温度下工作的耐磨零件 如精密丝杠 镗床主轴 汽轮机阀门 高精度传动齿轮 高速柴油机曲轴等 但渗氮生产周期长 成本高 渗氮层薄而脆 因而不宜承受集中重载荷 钢的碳氮共渗分气体碳氮共渗和气体氮碳共渗 气体碳氮共渗在一定温度下同时将碳 氮渗入工件表层奥氏体中 并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗 由于共渗温度 850 880 较高 它是以渗碳为主的碳氮共渗过程 因此处理后要进行淬火和低温回火 共渗深度一般为0 3 0 8mm 气体碳氮共渗所用的钢大多为低碳钢或中碳钢和合金钢 气体碳氮共渗与渗碳相比 处理温度低且便于直接淬火 因而变形小 共渗速度快 时间短 生产率高 耐磨性高 钢的碳氮共渗分气体碳氮共渗和气体氮碳共渗气体碳氮共渗在一定温度下同时将碳 氮渗入工件表层奥氏体中 并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗 由于共渗温度 850 880 较高 它是以渗碳为主的碳氮共渗过程 因此处理后要进行淬火和低温回火 共渗深度一般为0 3 0 8mm 气体碳氮共渗所用的钢大多为低碳钢或中碳钢和合金钢 气体碳氮共渗与渗碳相比 处理温度低且便于直接淬火 因而变形小 共渗速度快 时间短 生产率高 耐磨性高 气体氮碳共渗工件表面渗入氮和碳 并以渗氮为主的化学热处理 称为氮碳共渗 常用的共渗温度为560 570 由于共渗温度较低 共渗1 3h 渗层可达0 03 0 02mm 又称低温碳氮共渗 与气体氮化相比 渗层硬度较低 故又称软氮化 2 1 5 热处理新技术简介近年来 随着热处理新工艺 新设备 新技术的不断创新以及计算机的应用 使热处理生产的机械化 自动化水平不断提高 其产品的质量和性能不断改进 目前 热处理技术一方面是对常规热处理方法进行工艺改进 另一方面是在新能源 新工艺方面的突破 从而达到既节约能源 提高经济效益 减少或防止环境污染 又能获得优异的性能 1 真空热处理在真空环境 低于一个大气压 中进行的热处理称为真空热处理 主要有