热处理的基本知识ppt课件

.,热处理基础知识培训,.,钢的热处理,1钢的热处理概述2钢在加热和冷却时的转变3钢的整体热处理工艺4钢的表面热处理工艺5热处理新技术简介,.,热处理的定义:,时间,温度,临界温度,热加,保温,冷却,3-1钢的热处理概述,.,热处理的主要目的:改变钢的性能。,热处理的应用范围:整个制造业。,热处理的分类,热处理,整体热处理,表面热处理,退火;正火;淬火;回火;,表面淬火,化学热处理,感应淬火,火焰淬火,渗碳;渗氮;碳氮共渗;,3-1钢的热处理概述,.,箱式电阻炉,3-1钢的热处理概述,.,台车式电阻炉,3-1钢的热处理概述,.,连续式热处理炉,3-1钢的热处理概述,.,钢的临界点：,平衡临界点：,加热临界点：,冷却临界点：,A1、A3、Acm,Ac1、Ac3、Accm,Ar1、Ar3、Arcm,3-1钢的热处理概述,.,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。,2钢在加热和冷却时的转变,1、奥氏体的形成(PA),一、钢在加热时的转变,.,奥氏体形核与晶核长大奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。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。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。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：,2钢在加热和冷却时的转变,.,奥氏体晶粒度的概念晶粒度：表示晶粒大小的尺度。钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。通常采用标准试验方法，即将钢加热到93010，保温38h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在14级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在58级，则称为本质细晶粒钢。,2、奥氏体晶粒的长大,2钢在加热和冷却时的转变,.,晶粒度的测定方法：93010保温38小时(100),本质粗,本质细,2钢在加热和冷却时的转变,.,晶粒度的控制Al脱氧(本质细)Si/Mn脱氧(本质粗),2钢在加热和冷却时的转变,.,3.影响奥氏体晶粒长大的因素,1.加热温度加热温度愈高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒也越粗大，热处理时必须规定合适的加热温度范围。2.保温时间随保温时间的延长，晶粒不断长大，但随保温时间的延长，晶粒长大速度越来越慢，且不会无限制地长大下去。,2钢在加热和冷却时的转变,.,影响奥氏体晶粒长大的因素,3.加热速度加热速度越快，奥氏体化的实际温度愈高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。4.冶炼和脱氧条件冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度下晶粒不易长大。,2钢在加热和冷却时的转变,.,影响奥氏体晶粒长大的因素,5.含碳量的影响(有临界值)随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。,2钢在加热和冷却时的转变,.,过冷奥氏体的两种冷却方式,把加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温。,把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温。,二、钢在冷却时的转变,2钢在加热和冷却时的转变,.,1、过冷奥氏体的等温转变,2钢在加热和冷却时的转变,共析钢的等温转变图,.,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,A1550;高温转变区;扩散型转变;P转变区.,550Ms(230);中温转变区;半扩散型转变;贝氏体(B)转变区.,MsMf(-50);低温转变区;非扩散型转变;马氏体(M)转变区.,2钢在加热和冷却时的转变,.,珠光体转变：扩散相变(A1550,AP（F+Fe3C）),1）在A1650形成的珠光体，因为过冷度小，片间距较大(0.4m)，在500以上的光学显微镜下，能分辨其片层状形态；即为粗珠光体，习惯上称为珠光体（P）。,2钢在加热和冷却时的转变,.,2）在650600形成片间距较小的珠光体(0.20.4m)，在光学显微镜8001500能分辨出其为铁素体薄层和碳化物（渗碳体）薄层交替重叠的复相组织称为细珠光体或索氏体，用字母S表示（以英国冶金学家HCSorby的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550,AP（F+Fe3C）),2钢在加热和冷却时的转变,.,3）在600550形成片层间距极小的珠光体(0.2m)，在光学显微镜下高倍放大已无法分辨出其内部构造，在电子显微镜下可观测到很薄的铁素体层和碳化物（渗碳体）层交替重叠的复相组织，称为极细珠光体或托氏体，用字母T表示（以法国金相学家LTroost的名字命名）。,珠光体转变：扩散相变(A1550,AP（F+Fe3C）),2钢在加热和冷却时的转变,.,珠光体转变：扩散相变(A1550,AP（F+Fe3C）),a)光学显微组织（500）b)电子显微组织（8000）图6-7珠光体组织,2钢在加热和冷却时的转变,.,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms,AB),上贝氏体：550350，过饱和片状F渗碳体下贝氏体：350Ms，过饱和针状F弥散-Fe2.4C,2钢在加热和冷却时的转变,.,贝氏体转变：半扩散相变（C）550Ms,AB),贝氏体的显微照片,上贝氏体：过饱和片状F渗碳体，性脆无实用价值下贝氏体：过饱和针状F弥散-Fe2.4C，综合性能好,2钢在加热和冷却时的转变,.,马氏体转变：非扩散相变，Ms以下,AM,马氏体_过饱和的固溶体,c/a1称为马氏体的正方度含碳量高，正方度大,2钢在加热和冷却时的转变,.,低碳(1.0%)马氏体：片状_硬而脆,2钢在加热和冷却时的转变,.,.,2、过冷奥氏体的连续冷却转变,只有P、M转变vk为临界冷却速度,2钢在加热和冷却时的转变,.,过冷奥氏体等温转变曲线在连续冷却中的应用,v1-炉冷APv2-空冷ASv3-油冷AT+Mv4-水冷AMA/vk-临界冷却速度vk,P,S,M,T,2钢在加热和冷却时的转变,.,一、钢的退火(降低硬度、消除应力，细化晶粒),完全退火：亚共析钢Ac3+3050，缓冷到600时空冷，得到F+P；等温退火：同完全退火，可节省时间；球化退火：过共析钢Ac1+2030，消除网状碳化物，使之成为球状；去应力退火：500-650炉冷至200后空冷，消除应力。,4钢的退火与正火,.,过共析钢的退火组织,4钢的退火与正火,.,钢的退火加热温度范围,4钢的退火与正火,S,G,P,退火过程视频,500650,.,二、钢的正火,正火目的：细化晶粒，提高强度低碳钢-提高硬度高碳钢消除网状渗碳体工艺过程：Ac3、Accm+3050,保温后空冷优点：周期短、能耗少【视频演示】,4钢的退火与正火,.,一、钢的淬火工艺,加热温度：Ac3、Ac1+3050保温碳钢：水冷，得细小M+A/合金钢：油或空冷，得M+Fe3C+A/,5钢的淬火,.,钢的理想淬火工艺,5钢的淬火,.,二、淬火方法,单液淬火：直冷，简单易操作双液淬火：先快后慢，降低应力分级淬火：快-恒-快，应力极低等温淬火：得到B下工模具、弹簧局部淬火：量具等的局部区域冷处理：-70-80，降低A残%，稳定尺寸,5钢的淬火,.,淬火工艺曲线,5钢的淬火,a)单液淬火b)双液淬火c)分级淬火d)等温淬火,.,局部淬火方法,5钢的淬火,.,三、钢的淬透性(钢在淬火时获得马氏体的能力),5钢的淬火,.,1.淬透性的概念(钢在淬火时获得马氏体的能力),5钢的淬火,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,.,合金元素使C曲线右移，降低vk，提高钢的淬透性。是影响淬透性的最主要因素。含碳量碳钢中的含碳量愈接近共析成分，其C曲线愈靠右。vk愈小，淬透性越好。奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，成分均匀化，从而减少珠光体的形核率，降低钢的vk，增大其淬透性。钢中未溶第二相碳化物、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vk增大，降低淬透性。,影响淬透性的因素(vK),5钢的淬火,.,影响淬透性的因素(vK),5钢的淬火,.,2.淬透性的测定(末端淬火法及临界直径测定法),5钢的淬火,末端淬火法:用标准尺寸的端淬试样(25100mm)，经奥氏体化后，对其端面喷水冷却。冷却后沿轴线方向测出硬度-距水冷端距离的关系曲线，即淬透性曲线。根据淬透性曲线可以对不同钢种的淬透性大小进行比较、推算出钢的临界淬火直径，确定钢件截面上的硬度分布情况等。,.,末端淬透性:J_末端淬透性，d_至末端距离，HRC_该处测得的硬度,5钢的淬火,.,2.淬透性的测定(临界直径测定法及端淬试验法),5钢的淬火,临界直径测定法:钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径称为临界直径，以D0表示。临界直径测定法就是制作一系列直径不同的圆棒，淬火后分别测定各试样截面上沿直径分布的硬度U曲线，从中找出中心恰为半马氏体组织的圆棒，该圆棒直径即为临界直径。临界直径越大，表明钢的淬透性越高。,.,5钢的淬火,部分常用钢材的临界淬透直径,.,5钢的淬火,3.淬透性的应用：,受力情况：轴向拉压、弯曲与扭转重要与否：重要的轴、齿轮、连杆弹簧：要求大的屈强比(s/b)阶梯轴：可初车后淬火焊接件：不宜选择淬透性高的钢材,.,5钢的淬火,淬透性的应用：,.,5钢的淬火,淬透性的应用：,.,钢经过淬火后必须回火！,回火目的：消除应力，防止工件开裂回火工艺：Ac1以下保温后缓冷,6钢的回火,.,一、淬火钢的回火转变,马氏体分解（100350）回火M(低过饱和-Fe2.4C)Fig6-35残余奥氏体的分解（200300）B下碳化物的转变（250400）-Fe2.4C转变为Fe3C渗碳体的聚集长大和相再结晶（400）成为粒状Fe3C，600后粗化,6钢的回火,.,回火钢的组织和性能转变,6钢的回火,.,二、回火的分类及应用,低温回火（150250）回火M(低过饱和F针-Fe2.4C)保证高硬度，用于工模具等HRC5862中温回火（350500）回火屈氏体，F针Fe3C极细粒状HRC3545，用于各种弹性元件高温回火（500650）回火索氏体，F多边形Fe3C细粒状HRC2535淬火+高温回火调质【视频演示】,6钢的回火,.,二、回火的分类及应用,6钢的回火,不同含碳量碳钢的回火温度与硬度的关系,.,一种淬火方式：形变强化+热处理强化,分类：,7钢的形变热处理,.,1、低温形变热处理,Ar1以下（500600）变形量6090%抗拉强度可达3300MPa超高强度钢的热处理飞机起落架、模具、冲头、板簧,7钢的形变热处理,.,2、高温形变热处理,Ac1以上变形强化程度有限强度提高，韧塑性大大提高锻件、曲轴、连杆、叶片、弹簧,7钢的形变热处理,.,概述,有需求：如汽车、拖拉机上的传动齿轮，其表面硬度要求为5862HRC，而心部硬度则要求为3338HRC；精密镗床主轴，要求其与滑动轴承配合的表面硬度不低于900HV，而心部硬度为248286HBS。成本低：方法简单：通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现表硬、心韧,8钢的表面淬火,.,一、感应加热表面淬火,600/f1/2式中：为电流透入的深度，mm；f为电流频率，Hz【集肤效应】,8钢的表面淬火,硬度分布,.,感应加热表面淬火的分类,高频701000KHz，常用200300KHz，淬硬深度为0.52mm。中小模数齿轮、轴类零件等。中频50010000Hz，常用25008000Hz，淬硬深度210mm，直径较大的轴类和较大模数的齿轮等。工频50Hz，淬硬深度达1015mm。直径大于300mm的轧辊及轴类零件等。超音频2040KHz，(音频20KHz)，淬硬深度在2mm以上，适用于模数为36的齿轮及链轮、花键轴、凸轮等。,8钢的表面淬火,.,感应加热表面淬火的特点,淬火温度高：(Ac3+80150)表面硬、脆性低：高23HRC，低的脆性。疲劳强度高：表面产生体积膨胀而形成压应力。表面质量好、变形小：不易氧化、脱碳，变形小。生产过程易于控制：适用于大批量生产。不足：设备较贵、复杂零件的感应器不易制造。,8钢的表面淬火,.,二、火焰加热表面淬火,常用氧-乙炔火焰对零件表面进行加热常用材料为中碳钢和中碳合金钢，如35、45、40Cr、65Mn等；还可用于灰铸铁、合金铸铁等铸铁件。淬硬深度一般为26mm。主要适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具及零件等。缺点是加热不均，易造成工件表面过热，淬火质量不稳定。,8钢的表面淬火,.,火焰加热表面淬火示意图,8钢的表面淬火,.,三、激光加热表面淬火,能量密度104108W/cm2淬硬深度0.30.5mm形状复杂、盲孔等均可,8钢的表面淬火,.,概述（1）,化学热处理：将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其表面化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的主要特点是：表层不仅有组织的变化，而且有成分的变化，故性能改变的幅度大。其主要作用是强化和保护金属表面。,9钢的化学热处理,.,概述（2）,化学热处理的基本过程为：加热将工件加热到一定温度使之有利于吸收渗入元素活性原子；分解由化合物分解或离子转变而得到渗入元素活性原子；吸收活性原子被吸附并溶入工件表面形成固溶体或化合物；扩散渗入原子在一定温度下，由表层向内部扩散形成一定深度的扩散层。,9钢的化学热处理,.,概述（3）,化学热处理方法：渗碳、碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳性质；渗氮、渗硼、渗铬使工件表面特别硬，可显著提高耐磨性和耐蚀性；渗铝可提高耐热抗氧化性；渗硫可提高减摩性；渗硅可提高耐酸性等。最常用：渗碳、渗氮和碳氮共渗及氮碳共渗。,9钢的化学热处理,.,一、钢的渗碳,将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。目的是使低碳(wc=0.100.25%)钢件表面得到高碳(wc=1.01.2%)，经适当的热处理(淬火+低温回火)后获得表面高硬度、高耐磨性；而心部仍保持一定强度及较高的塑性、韧性，适用于同时受磨损和较大冲击载荷的低碳、低合金钢零件，如齿轮、活塞销、套筒及要求很高的喷油嘴偶件等。,9钢的化学热处理,.,钢的渗碳原理示意图,9钢的化学热处理,.,1、气体渗碳（1）,方法：滴注式渗碳介质：苯、醇、煤油等液体工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950(常用930)，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙酮等有机液体，在高温下分解成CO、CO2、H2及CH4等气体组成的渗碳气氛，在高温下与工件接触时便在工件表面进行下列反应，生成活性碳原子。,9钢的化学热处理,.,1、气体渗碳（2）,生成活性碳原子：2COC+CO2CH4C+2H2CO+H2C+H2O随后活性碳原子被钢表面吸收而溶入奥氏体中，并向内部扩散而形成一定深度的渗碳层。气体渗碳的优点是：生产率高，劳动条件好，渗碳过程容易控制，容易实现机械化、自动化，适用于大批量生产。,9钢的化学热处理,.,2、固体渗碳,渗碳工艺：工件+渗碳剂密封装入渗碳箱中，加热至900950保温。固体渗碳剂：碳粉和碳酸盐(BaCO3或Na2CO3)的混合物。化学反应：C+O22COBaCO3或Na2CO3BaO（或Na2O）+CO2CO2+C2CO2COC+CO2,9钢的化学热处理,.,3、渗碳层的组织及热处理,表面的含碳量最高：wc=1.0%左右，由表及里，含碳量逐渐降低，直至原始含碳量。组织由表及里为：(P+Fe3C)(P)(P+F)(F+P)渗碳层的深度：碳钢从表面到过渡区亚共析组织一半处的深度为渗碳层的深度；合金钢从表面到过渡区亚共析组织终止处的深度作为渗碳层的深度。,9钢的化学热处理,.,渗碳层的组织,9钢的化学热处理,过共析组织(P+Fe3C),共析组织(P),过渡区亚共析组织(P+F),原始亚共析组织(F+P),.,渗碳层的热处理（1）,9钢的化学热处理,直接淬火法预冷至850880后直接淬入油中或水中，180200进行低温回火。预冷目的：减少淬火变形及开裂，使表层析出碳化物，降低奥氏体的含碳量，从而降低淬火后的残余奥氏体量，提高表层硬度。特点：操作简单、成本低，生产率高，但在高温下长期保温，奥氏体晶粒易长大，影响淬火后工件的性能，故只适用于渗碳件的心部和表层都不过热的情况下；此外预冷过程中，二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，对工件淬火后的性能不利。用途：大批量生产的汽车、拖拉机齿轮常用此法。,.,渗碳层的热处理（2）,9钢的化学热处理,一次淬火法：工件经渗碳空冷后，再重新加热至淬火温度（如830860）进行淬火，然后在180200回火。这种方法在工件重新加热时奥氏体晶粒得到细化，使钢的性能得到提高。用途适用于比较重要的零件，如高速柴油机齿轮等。,.,渗碳层的热处理（3）,9钢的化学热处理,二次淬火法渗碳空冷后，先加热到Ac3以上(一般为850900)油淬，使心部组织细化，消除表层网状渗碳体；然后再加热到Ac1以上(一般为750800)油淬，最后在180200进行回火。二次淬火法使工件表层和心部组织被细化，从而获得较好的力学性能。但工艺复杂，成本高；工件经反复加热冷却后易产生变形和开裂。所以只适用于少数对性能要求特别高的工件。,.,渗碳工件的一般工艺路线,9钢的化学热处理,锻造（问题）正火（目的）机械加工【可否与渗碳工艺倒置】渗碳（组织）淬火+低温回火精加工,.,渗碳工件的最终组织,9钢的化学热处理,淬火+低温回火：针状回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体硬度为5864HRC，而心部则随钢的淬透性而定。对于低碳钢如15、20钢，其心部组织为铁素体+珠光体，硬度相当于1015HRC；对于低碳合金钢如20CrMnTi，心部组织为回火低碳马氏体+铁素体，硬度为3545HRC。,.,渗碳工件的实际应用,9钢的化学热处理,设计技术条件：渗碳层深度、表面硬度、心部硬度及不允许渗碳的部位等，不允许渗碳的部位：可采用镀铜的方法来防止渗碳或多留加工余量。,.,二、钢的氮化（渗氮）,9钢的化学热处理,渗氮一般在Ac1温度以下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。目的提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳性质、耐蚀性及热硬性。分类气体渗氮和离子渗氮。,.,1、气体氮化（1）,9钢的化学热处理,气体渗氮在气体介质中进行渗氮的工艺称为气体渗氮。工艺过程在渗氮炉内通入氨气，在380以上氨分解出活性氮原子:2NH33H2+2N活性氮原子被工件表面吸收并溶入表面，在保温过程中向里扩散，形成渗氮层。,.,1、气体氮化（2）,9钢的化学热处理,工艺特点：温度低：500600常用550570，远低于渗碳温度。由于氮在铁素体中有一定的溶解能力，无需加热到高温。时间长：2050h，氮化层厚度为0.40.6mm。需调质预处理：改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织，保证较高的强度和韧性。,.,1、气体氮化（3）,9钢的化学热处理,渗氮件的性能表面强化和表面保护高硬度、高耐磨性合金氮化物层，10001100HV，而且在600650下保持不下降；疲劳极限高渗氮层的体积增大产生残余压应力，疲劳极限提高达15%35%；高的耐蚀性能致密的耐蚀的氮化物，使工件在水、过热的蒸气和碱性溶液中都很稳定；变形很小这是由于渗氮温度低。,.,1、气体氮化（4）,9钢的化学热处理,应用：交变载荷下工作并要求耐磨的重要结构零件，如高速传动的精密齿轮、高速柴油机曲轴、高精度机床主轴及在高温下工作的耐热、耐蚀、耐磨零件如齿轮套、阀门、排气阀等。技术要求：需选用含与N亲合力大的Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的合金钢，如38CrMoAlA、35CrAlA、38CrMo等。,.,1、气体氮化（5）,9钢的化学热处理,技术要求：应注明氮化层深度、表面硬度、氮化部位、心部硬度等，对于零件上不需渗氮的部位镀锡或镀铜保护，或增加加工余量、氮化后去除。工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工去应力粗磨氮化精磨或研磨,.,2、离子渗氮（1）,9钢的化学热处理,离子渗氮：在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件(阴极)和阳极之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺称为离子渗氮。,离子渗氮工艺过程,.,2、离子渗氮（2）,9钢的化学热处理,工艺过程：真空度10-110-2Torr(1Torr=1mmHg=133.3Pa)的离子渗氮炉中，通入NH3，工件，炉壁，400750V，氨气被电离成氨和氢的正离子和电子，阴极工件表面形