钢的热处理工艺.ppt

热处理分类,普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火化学热处理,预备热处理:退火;正火等；,最终热处理:淬火+回火等。,一般零件生产的工艺路线:,第十章钢的热处理工艺,一、退火Annealing,定义:把零件加温到适当温度（通常是在临界温度以上，有时在临界温度以下），保温一定时间，然后缓冷（炉冷、坑冷、灰冷），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。,10.1钢的退火和正火,退火目的总体：改善组织，提高性能。调整硬度。适合切削加工的硬度范围为170-250HBS。消除内应力（缓慢冷却）。细化晶粒。均匀成分。使前面加工过程中造成粗大、不均匀的组织细化和均匀化（相对而言），以提高性能。,退火种类,退火,重结晶退火,低温退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化退火,等温球化退火,定义：将工件加热到Ac3+2030，保温后缓慢冷却的退火工艺。完全退火又称为重结晶退火(recrystallizationannealing)，简称退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢。完全退火常作为某些工件的预先热处理，也可作为一些不重要工件的最终热处理工艺。完全退火要点：加热温度Ac3+2030，缓冷，适合亚共析钢。,完全退火(Fullyannealing),45钢锻造后与完全退火后机械性能,45钢完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高主要目的：改善组织与加工性能,晶粒细化的原因：完全退火相变重结晶过程,40钢退火前后金相组织,晶粒细化,完全退火工艺缺陷：周期长；变温转变组织大小不均。,等温退火：将亚共析钢加热到Ac3+2030，保温后快冷到Ar1以下某一温度等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，待相变完成后缓慢冷却或出炉空冷。等温退火转变过程较易控制，还可缩短工件在炉内的停留时间，更适合孕育期长的合金钢。等温退火是完全退火工艺的改进。,等温退火(IsothermalAnnealing),球化退火(SoftAnnealing),球化退火是使钢中碳化物（渗碳体）球状化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。操作：将工件加热到Ac1+2030温度，保温较长时间后缓冷，使二次渗碳体和珠光体中的渗碳体球状化，然后出炉空冷。球化退火主要用于过共析成分的碳钢及合金工具钢（如制造刃具、量具、模具的钢种）。,等温球化退火(IsothermalSoftAnnealing),等温球化退火：将钢加热到Ac1+2030，保温后快冷到Ar1以下某一温度等温保持，使二次渗碳体和珠光体中的渗碳体球状化，然后出炉空冷。,高速钢等温球化退火后得到细小颗粒状的碳化物。,球状珠光体,球化退火要点：加热温度：Ac+2030，Fe3C和P中Fe3C球化，适用于过共析钢。球化退火组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体（写作：F+球状Cm），这种组织也称为球状珠光体,用P球表示。,AC1+2030,ACm或AC3,AC1,t,T,球化退火是不完全退火的一种，加热Ac+2030时没有完全奥氏体化。,球化退火工艺关键：Fe3C形态控制球的大小控制,控制奥氏体化程度控制过冷奥氏体冷却转变的温度,加热温度略高于Ac的好处：保留较多的未溶碳化物或较大的碳浓度梯度（分布不均匀）。加热温度过高，Fe3C慢冷时网状析出。,T12钢球化退火后强度、硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割作用均匀、彻底，有利于切削加工性能。,T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较,球化退火的主要目的在于降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为以后淬火作好组织准备。,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。,渗碳体球化是自发的过程，需要较长的保温时间，奥氏体共析转变时温度下降要足够缓慢，以保证渗碳体完成自发球化过程。,共析钢短时间球化退火组织(化染)700,T10钢球化退火组织(化染)500,将工件加热到低于AC1的某一温度（一般为500600），保温后缓慢冷却。去应力退火又称为低温退火，这种退火主要用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后或在随后的切削加工过程中产生变形或开裂。,去应力退火(Stress-reliefannealing),再结晶退火（RecrystallizationAnnealing)将工件加热到TR（最低再结晶温度）以上某一温度（为缩短处理时间，通常加热到较高温度，一般为650700），保温后缓慢冷却。目的：消除加工硬化现象，恢复金属的塑性能力，以便进行继续的塑性加工。,扩散退火（ProliferationAnnealing)将工件加热至略低于固相线温度，长时间保温并缓慢冷却的退火工艺。扩散退火又称为均匀化退火，加热温度一般选在钢熔点以下100200，由于扩散退火温度很高，退火后晶粒粗大，一般再进行完全退火或正火处理，以细化晶粒。目的：消除偏析现象，使化学成分和组织均匀化。,退火工艺规范示意图（完全退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火）,工艺参数:,正火是将亚共析钢加热到Ac3+3050，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢加热到Accm+3050，保温适当的时间后空冷（在自由流动的空气中均匀冷却）的热处理工艺。正火比退火冷却速度大。目的是使钢的组织正常化，又称为常化处理。,二、正火Normalizing,工艺参数:,正火工艺规范,正火与退火态45钢机械性能,正火与退火的区别：正火加热温度较高；冷却速度较快；获得组织较细(索氏体)；强度、硬度与塑性、韧性较高；生产效率较高。,伪共析组织,定义：偏离共析成分的A过冷形成的珠光体组织，也称为伪珠光体。形成条件：图中红线阴影部分，钢较快速度冷却，可获得强度、硬度较好的伪共析组织。,正火可减少亚共析钢中铁素体含量、减少过共析钢中Fe3C量，Why？答：空气中快冷形成了伪珠光体组织。钢正火后的组织：w(c)0.9%）：正火(消除网状碳化物)球化退火。经济性因素正火周期短，耗能少，操作简便，在满足切削加工性能的条件下尽可能以正火代替退火。,表：退火和正火的热处理工艺,表：退火和正火的热处理工艺,一、钢的淬火Quenching,淬火是将钢件加热到相变温度以上，保温一定时间后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。,淬火是应用最广泛的热处理工艺之一。淬火目的是为了获得马氏体组织，提高钢件的性能。,必要条件：冷速Vk,10.2钢的淬火和回火,淬火的三项基本原则淬硬：目的是得到马氏体，马氏体硬度取决于马氏体中的碳含量。淬透：目的是使零件内部与表面组织均匀一致，这样零件沿整个截面性能才能均匀一致。冷速适当：只要k即可，目的是避免过大的冷却速度，以免产生较大的淬火应力。淬火应力过大会导致零件的变形与开裂，从而失去应有的性能和功能。,1、淬火温度,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。,亚共析钢淬火组织：W(c)0.5%时为M（+A）W(c)0.5%时为M+A,亚共析钢在Ac1Ac3之间的加热淬火称为亚温淬火。,亚温淬火的组织为F+M，由于自由F的存在，钢的强度、硬度降低，但塑性、韧性较好。,共析钢淬火温度为Ac1+30-50；淬火组织为M+A。,过共析钢淬火温度为:Ac1+30-50。淬火组织为:M+Fe3C颗粒+A。(一般预备组织为P球)优点：A中C%M脆性，残余A%淬火温度低M细小，淬火应力小。,过共析钢的淬火温度为Ac1+3050，Why？过共析钢淬火温度在Ac1以上Accm以下，好处有：组织中会保留少量二次渗碳体,有利于硬度和耐磨性;降低A中碳含量,板条M增多,降低M脆性;降低A中碳含量,减少残余A量；淬火温度低,M细小，力学性能好；淬火温度低，淬火应力小。若淬火温度达到Accm以上，没有二次渗碳体,硬度和耐磨性会降低;A中碳含量增加,针状M增多,M脆性增加;A中碳含量增加,残余A量增多；淬火温度高，M粗大，力学性能恶化；淬火温度高，淬火应力大。,淬火工艺规范,热处理后的组织:,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M+A残,Ac1+3050,共析钢,M+A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M（+A残）,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,2、淬火介质,理想的冷却曲线应在C曲线鼻尖处快冷，而在高温、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。淬火介质的要求：鼻尖处冷速大,MS附近冷速小；稳定，成本低；安全：无毒；不腐蚀工件。常用的淬火介质有水溶液（盐水）、水、油、熔盐、熔碱等。冷却速度：盐水水盐浴油。,理想淬火冷却介质,水的冷却能力强，C曲线鼻尖处理想，但低温冷却能力也太大，实用于形状简单的碳钢件。油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，常使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称为盐浴，冷却能力介于水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质。,3、常用的淬火方法,双液淬火法（Doublequenching）工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变，如水淬油冷，油淬空冷。优点是冷却理想，缺点是不易掌握，用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,单液淬火法（Single-stagequenching）加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。优点是操作简单，易实现自动化。缺点是水淬变形开裂倾向大，油淬冷却速度小，大件淬不硬。,分级淬火法（Stepquenching）先在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待工件内外温度均匀后（与介质温度相同）再取出缓冷。优点是减少内应力，用于小尺寸工件。,盐浴炉,将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中等温保持足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。等温淬火后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工件。,等温淬火法（Isothermalquenching）,等温淬火的B下,4、钢的淬透性,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。,淬透性的概念,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。淬透性表征钢在淬火时形成M的能力（或者说获得M的难易程度）。同样淬火条件下，淬硬层深度越大，钢的淬透性越好。,影响钢的淬透性的因素主要是临界冷却速度VK，VK越小，钢淬火时越容易得到M，淬透性越好，淬透层深度越大。,工件淬透层与冷却速度的关系,淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区的距离。半马氏体：50%M+50%P),淬透性与淬硬层深度的关系,同一材料的淬硬层深度与实际工件尺寸、冷却介质等因素有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬火获得的淬硬层深度大。淬透性是材料的一种物理属性，同一材料的淬透性是相同的，只是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。淬透性只用于在相同条件下不同材料之间的比较。在尺寸、冷却介质相同的情况下，以淬火获得的淬硬层深度大小来比较。,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，钢淬火时越容易得到M，淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小.如图所示:Vk2Vk1,凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。,碳含量共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右，淬透性最好。亚共析钢随含碳量的增加，C曲线右移，提高钢的淬透性。过共析钢随含碳量的增加，C曲线左移，降低钢的淬透性。合金元素除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，提高钢的淬透性。奥氏体化条件奥氏体化温度高、保温时间长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高钢的淬透性。未溶第二相作为非自发形核的核心，促进过冷奥氏体的分解，使C曲线左移，降低淬透性。,影响淬透性的因素,淬透性曲线的测定末端淬火法（端淬试验）,25100,临界淬火直径：钢在某种淬火介质中能完全淬透的最大直径(Dk)。,淬透性曲线,淬硬性的概念,淬硬性是钢在淬火时形成的M所能达到的最高硬度。淬硬性表征钢淬火时的硬化能力，即在正常淬火情况下，钢以超过临界冷却速度的速度冷却，得到所能达到的最高硬度值。淬火所能达到的最高硬度值越高，淬硬性越好。,影响钢淬硬性的因素最高硬度值主要取决于马氏体的含碳量。,淬硬性与淬透性之间的关系:,淬透性的应用,钢的淬透性是机械设计中选材时应予考虑的重要因素之一。大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力和压力的重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤杆等），要求表面和心部力学性能一致，故应选用淬透性高的材料。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1/21/4淬硬层深度即可。,(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,二、淬火钢的回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置、使用过程中易变形或开裂。钢件淬火后应立即进行回火。,回火的目的减少或消除淬火内应力。淬火钢存在内应力，容易产生变形或开裂。稳定组织和尺寸。淬火M和A都是非平衡态组织，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状态的组织，防止使用时变形或开裂。获得要求的力学性能。淬火得到的M一般硬度高，脆性大，回火可根据需要调整硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用要求。,淬火钢回火时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的变化。,1、钢回火时组织转变马氏体的分解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，这种组织称为回火马氏体，用M回表示。,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-碳化物和过饱和的铁素体，组织仍然为M回。,回火马氏体,在光镜下M回为黑色，A为白色。,加热到250-400，此时，-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350，马氏体内碳含量降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除，M回转变为回火屈氏体，用T回表示。这种组织是在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状的Fe3C。,回火屈氏体的形成,回火索氏体的形成,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状。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称为回火索氏体，用S回表示。,回火索氏体,2、钢回火时的性能变化回火时力学性能变化总的趋势为：随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,3、回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随回火温度升高而提高。在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性明显下降的现象，称回火脆性。,第一类回火脆性淬火钢在250350回火时出现的脆性，称为第一类回火脆性。,这种回火脆性是不可逆的，又称为不可逆回火脆性。只要在此温度范围内回火就会出现。目前尚无有效的办法消除，回火时应避开这一温度范围。,第二类回火脆性淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性，称为第二类回火脆性。回火后快冷，抑制杂质元素在晶界偏聚，可防止发生第二类回火脆性，是可逆的，所以又称为可逆回火脆性。防止办法：回火后快冷。加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。,4、回火种类,根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。,.,汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类零件。,各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等,应用,获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。,提高e及s，同时使工件具有一定韧性,保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力,回火目的,S回,T回,M回,回火组织,500-650,350-500,150-250,回火温度,高温回火,中温回火,低温回火,适用于各种弹簧的热处理,HRC5864,硬度,HRC3550,HBS200330,低温回火（150250）,组织：回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A残。性能：内应力和脆性；韧性略，保持淬火后的高硬度。应用：工、模具钢；低碳马氏体钢。,中温回火（350500）,组织：回火屈氏体。条、针状(未再结晶，平衡C)相+弥散分布细粒状相碳化物。性能：基体已回复；内应力；弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性。,应用：弹簧钢、热锻模。（0.60.9%）,高温回火（500650）,组织：回火索氏体。等轴状(再结晶)相+均匀分布粒状相碳化物。性能：内应力基本消除，强度与韧性最佳配合；强度、塑性和韧性都较好综合机械性能高。应用：重要结构件，轴、齿轮,调质处理：淬火+高温回火。,回火马氏体金相图,回火屈氏体金相图,回火索氏体金相图,几种组织形态的比较,回火M400,回火T7500,回火S7500,M低倍,T1000,S1000,5、钢的淬火、回火缺陷,种类：变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、软点、过热、过烧。过热：晶粒粗大重结晶过烧：晶界熔化或氧化,变形与淬火应力,变形方式：体积变化、弯曲翘曲。产生原因：加热或冷却中热胀冷缩、组织转变不同步内应力种类：热应力、组织应力改进方法分级淬火、等温淬火,表面硬度高，耐磨性好，以保证其精度；心部要具有足够的塑性和韧性，以防止断裂。,动载和摩擦条件下工作的机械零件，性能要求:,10.3钢的表面热处理TheSurfaceHeatTreatmentofSteels,通过选材和普通热处理是无法满足上述要求的。,如选用高碳钢进行淬火+低温回火，表面硬度高，耐磨性好，但心部韧性差；如选用中碳钢进行调质处理，心部塑性和韧性好，但表面硬度不够，耐磨性差。,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，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。,表面淬火的目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。工艺的核心是使零件具有“表硬内韧”的力学性能。,表面淬火用材料0.4-0.5%C的中碳钢或中碳低合金钢。如40、45、40Cr、40MnB等。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。,预备热处理工艺：对于结构钢，预备热处理为调质或正火。调质性能较高，用于要求高的重要件，正火用于要求不高的普通件。目的:为表面淬火作组织准备；获得最终的心部组织。,表面淬火后的组织表层组织为M；心部组织为S回(调质)或S（+F）(正火)。表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200。回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。表面淬火+低温回火后的组织表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或S（+F）(正火)。,生产特点优点：1、淬火件的质量好;2、工件变形小;3、不易氧化及脱碳;4、淬火层容易控制;5、生产率高。缺点：设备投资大，不适于复杂形状零件和小批量生产。,表面淬火常用加热方法感应加热:利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，由于集肤效应，使工件表面迅速加热的方法。,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。,激光表面热处理,激光表面热处理,10.4钢的化学热处理TheChemicalHeatTreatmentofSteels,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，进而改变性能的热处理工艺。,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内韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、渗硼、渗铬、渗铝、多元共渗等。,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CH42H2+C氮化2NH33H2+2N工件表面的吸收:活性原子在工件表面被吸收、溶解或与钢中某些元素形成化合物。原子向内部扩散。溶入的原子在浓度梯度作用下由表及里扩散，形成一定的扩散层。,一、渗碳,（1）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。,（2）渗碳用钢w(c)=0.1-0.25%的低碳钢或低碳合金钢。碳含量高则心部韧性会降低。,渗碳是指向钢件的表面渗入碳原子的过程。,（3）