钢的热处理工艺和化学处理

第三篇钢的热处理及金属的表面处理,1.热处理及其主要参数,热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。加热温度（T）、保时温间（t）、冷却速度(V冷)是热处理过程中的三个主要工艺参数。改变工艺参数就可以得到不同的性能，其原因是不同工艺参数下的热处理得到不同的组织，从而获得不同的性能。热处理工艺曲线示意图,热处理工艺曲线示意图,2.热处理的主要作用,改变工件的内部组织；改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求；改变工件表层的成分、组织、性能；热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷。,3.热处理的分类,4.表面处理,表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。表面处理工艺方法有很多，除了以上介绍的表面热处理工艺方法以外，还有喷丸处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面处理、发黑处理、发蓝处理等。,一、钢在加热时的组织转变（一）相变温度,第一节钢的热处理基本原理,（二）奥氏体的形成和晶粒长大,1、奥氏体的形成(1)A晶核的形成；(2)A晶粒的长大；(3)残余Fe3C溶解；(4)A均匀化阶段。,共析钢的奥氏体形成过程,2、影响A晶粒大小的因素,图3-4加热温度对晶粒度的影响,为得到好的机械性能，就要控制A晶粒的大小。（1）材质方面（2）工艺因素方面加热温度：如过高，A晶粒长大，一般刚好超过相变温度。保温时间：时间长，A晶粒长大。,二、钢在冷却时的组织转变,钢的热处理冷却有两种方式：等温冷却与连续冷却。,(一)等温冷却组织转变（以共析钢为例）,1.高温组织转变2.中温组织转变3.低温组织转变,珠光体3800倍,索氏体8000倍,屈氏体8000倍,珠光体型组织,电子显微照片5000倍,光学显微照片500倍,上贝氏体形态,光学显微照片500倍,下贝氏体形态,电子显微照片12000倍,板条马氏体,片状马氏体,马氏体形态与碳质量分数的关系,（二）共析钢的连续冷却组织转变,一、退火概念：将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600以下，再空冷至室温的热处理工艺称为退火。退火工艺方法：完全退火不完全退火扩散退火再结晶退火去应力退火,第二节钢的普通热处理,1.完全退火（亚共析钢）,完全退火是将钢件加热至Ac3以上2030，经过完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺，。作用和目的细化晶粒均匀组织消除内应力降低硬度改善钢的切削加工性,2.不完全退火（球化退火）（共析钢和过共析钢）,不完全退火是将钢加热至Ac1+（2040）之间，经过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。作用和目的使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。,3.扩散退火,扩散退火（又称均匀化退火）是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。作用和目的消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。,4.再结晶退火,再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保温适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。作用和目的就是要消除加工硬化，降低强度和硬度，使钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。,5.去应力退火,去应力退火为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。作用和目的减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余内应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。,二、正火,正火钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050,保温适当时间后,在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织亚共析钢为F+S共析钢为S过共析钢为S+Fe3CII,正火的目的：,正火的目的是使钢的组织正常化，亦称常化处理，一般用于以下方面：1.改善钢的切削加工性能；2.消除工件的热加工缺陷；3.消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火；4.代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率。,三、淬火,淬火就是把钢件加热到Ac3或Ac1以上温度，经过保温后速冷却至室温的热处理工艺。1.淬火的目的（两种方法）等温淬火：目的是获得下贝氏体普通淬火：目的是获得马氏体,2.淬火工艺,淬火质量取决于淬火的三个要素：加热温度保温时间冷却速度,1）加热温度,2）保温时间,保温的目的是使工件烧透，组织转变充分。保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。,3）冷却速度,为了获得马氏体组织，工件在淬火冷却介质中的冷却必须有足够快的冷却速度。实际冷却速度V必须大于该钢的临界淬火冷却速度VC。,3.常用的淬火方法,4.钢的淬硬性与淬透性,1）钢的淬硬性定义：是指钢能够淬硬的程度，也就是钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。它是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度。实际意义：当要求硬度高、耐磨性好时，应选用含碳量高的钢。影响因素：C%=0.8%以下，含C量增加，淬硬性提高；C%0.8%以后，没有明显提高。例：T1040Cr20CrMnTi,2）钢的淬透性,定义：是指钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的多少，以钢在一定淬火条件下得到马氏体深度来表示，深度越大，淬透性越好。实际意义：淬透性是合理选用钢材及制定热处理工艺的重要依据之一。影响因素：钢的淬透性主要与合金元素及其含量有关，合金元素（除钴、铝外）使“C”曲线右移，减小临界淬火冷却速度，提高钢的淬透性。例：20CrMnTi40CrT10,5.钢的主要淬火缺陷,1）硬度过低或硬度过高2)脆性过大3）过热与过烧4）变形与开裂,四、回火,回火是把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。1、回火的目的消除内应力；稳定工件组织；调整组织、性能。,2、回火的种类,低温回火（150250）回火组织：亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(回火M)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。应用：用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,中温回火（350500）,回火组织：回火屈氏体，是极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。目的：是提高弹性和韧性，并保持一定的硬度(一般为35HRC45HRC)。应用：用于各种弹簧、锻模、压铸模等工件的热处理。,高温回火（500650）,回火组织：回火索氏体，是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。目的：使具有一定强度和硬度，又有较高的冲击韧性，也就是具有良好的综合机械性能。应用：用于受力大而复杂的零件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。淬火后高温回火这一综合热处理工艺称为调质处理。,3、回火工艺参数,回火温度和回火时间,4、钢在回火时主要缺陷,硬度过低硬度过高、脆性过大,一、钢的表面淬火1、表面淬火表面淬火是利用快速加热的方法，使钢件表层迅速奥氏体化，当热量尚未传至心部时，将其迅速冷却。2、种类感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火等,第三节钢的表面热处理,3、应用材料、组织性能表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。调质处理+表面淬火+低温回火，表层得到回火马氏体，硬而耐磨；心部为回火索氏体，强而韧。用于齿轮、轴类等零件的表面硬化，提高耐磨性。,4、感应加热表面淬火,（1）原理过程,感应加热表面淬火示意图,感应加热表面淬火,（2）种类高频淬火；中频淬火；工频淬火（3）特点优点：a、高质高效；缺点：b、投入较大；c、专用感应加热圈，中间形状和零件形状相似；d、灵活性差；e、零件尺寸较大、数量较小的不适合。（4）应用较大批量，零件数量较多，形状规则简单中小尺寸件）。,9SiCr高频淬火M针+K+A4%硝酸酒精溶液,P球状,CrWMn高频淬火M针+K+A4%硝酸酒精溶液,其他加热淬火方法:,火焰加热表面淬火电接触加热表面淬火激光加热淬火,40Cr激光淬火M+AM+K+FP+F4%硝酸酒精溶液,激光淬火区,未淬火区,热影响区,T10A激光淬火M粗大+AM针+KP球4%硝酸酒精溶液,激光淬火区,未淬火区,热影响区,二、化学热处理,1、化学热处理化学热处理是将工件放入一定的化学介质中，经过加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被工件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。2、种类渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属（如渗铝、渗铬）等。,3、常用方法,3-1渗碳渗碳是把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产生并渗入工件表层的化学热处理方法。,井式气体渗碳电阻炉结构示意图1-风扇2-废气出口3-炉盖4-砂封5-电阻元件6-耐热罐7-工件8-炉体9-渗剂入口,2）适用材料、组织性能,渗碳用钢一般为低碳钢。表面渗碳整体淬火+回火表层为高碳回火马氏体，硬而耐磨；内部为低碳回火马氏体，较好的强韧性。,3）特点（与表面淬火相比）,优点：更硬更耐磨；缺点：效率低、费用高，并且易变形。,4）应用,一般应用于受力较大、表面摩擦较大的低碳钢件。如齿轮、轴类、链条、套筒等。,(5).渗碳工艺,渗碳材料、C碳钢或低合金钢渗碳方法气体、液体、固体、真空渗碳(a)、气体渗碳设备井式渗碳炉渗碳气氛煤气、液化石油气；煤油、丙酮加热温度90010加热时间3-7h渗层深度0.4-1.6mm表面碳浓度:0.85-1.05%C,(b).固体渗碳设备箱式电阻炉渗碳气氛木炭+碳酸钠加热温度93010加热时间3-7h渗层深度0.4-1.6mm表面碳浓度:0.85-1.05%渗后不能直接淬火适合小件和单件,(c)真空渗碳比气体渗碳节约时间2/3.(6).渗碳后热处理预冷直接淬火缓冷一次淬火缓冷二次淬火,共析（P）,渗碳后的组织：缓冷：P+KPP+F心部淬火：K+M针+AM针+AM针+M板条M板条,20CrMnTi渗碳淬火+低回4%硝酸酒精溶液K+M针+AM针+AM针+M板条M板条,3-2渗氮（氮化）,渗氮：向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度的富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮（氮化）。1）设备过程2）适用材料、组织性能氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢。氮化用钢调制处理表面渗氮表层：氮化物质，HRC70以上，硬度更高，耐磨性更好，耐热，耐腐蚀，抗疲劳性都好。内部：中碳合金回火索氏体，具有更高的强度，更好的韧性。,3）特点（和渗C相比）,优点：表层性能更优良，变形小；缺点：效率低，费用高，渗层浅，钢种受限。,4）应用,在高温腐蚀性介质中工作，受力大，表面摩擦大的重要精密件，如航空齿轮。,(5)钢的渗氮工艺,目的:提高硬度耐磨性疲劳性能抗咬合性渗氮用钢:38CrMoAl渗氮方法:气体离子(a).气体渗氮加热温度500-570保温时间20-70h渗层深度0.2-0.5mm深层硬度1000-1200Hv,（b）.离子渗氮温度480-540气氛:氨气、氮气和氢气混合气压力：133-1333Pa1大气压=101300Pa电压：500V电极：工件-阴极容器-阳极渗氮时间：1/3-1/4气体渗氮时间特点：无脆性白亮层,40Cr渗氮空冷+心部原始组织（S回）4%硝酸酒精溶液,45,40Cr,S回,3-3碳氮共渗（氰化）,碳氮共渗是同时向工件表面渗入活性碳原子和活性氮原子的一种化学热处理工艺，因早期只使用剧毒的氰盐（NaCN或KCN）作为介质，故又名为氰化。根据氰化温度的不同，气体氰化又分为高温氰化(900950)、中温氰化(800870)和低温氰化(500600)三种工艺方法。,钢的碳氮共渗工艺,（1）、中温气体碳氮共渗渗剂：煤油和氨气温度：820-880时间：4-5h渗层厚度：0、6-0、7mm（2）、中温气体碳氮共渗渗剂：尿素温度：570时间：1-3h渗层厚度：0、01-0、02mm,3-4渗硼(1)、方法：固体渗硼、气体渗硼、电解盐浴渗硼(2)、渗硼后的组织碳钢、低合金钢的渗硼组织形态，一般呈针状或舌状插入基体，它是由FeB和Fe2B所组成。渗硼层下有一增碳区，其厚度往往比渗硼层大若干倍，称为扩散层。(3)、渗硼后的性能高的表面硬度和耐磨性，好的抗蚀性能。,渗硼缓冷