不同材料的热处理

4机器零件用钢的热处理,河北工业大学教授武建bgdwjj,合金元素在钢中的作用,（1）合金元素的主要存在方式：F或碳化物固溶于铁素体（奥氏体）；溶入渗碳体、形成合金渗碳体；(Fe,Cr)3C形成新的碳化物(Fe,Cr)7C3,(Fe,Cr)23C6夹杂物：活泼元素与O，N，S等形成化合物，如AlN,TiO2,MnS单质：Cu，Pb较纯的金属相,非碳化物形成元素主要存在于固溶体中，如Si,Al,Cu,Ni,Co只要含碳量足够，强碳化物形成元素，主要以自己特殊的碳化物形式出现，如V,Zr,Nb,Ta其他碳化物形成元素介于二者之间，主要溶入渗碳体，部分溶入固溶体。当含量较高时（除Mn外）也会形成自己的碳化物,（2）影响相图,改变相图及临界点，S，E左移，4Cr13钢，3Cr2W8V钢都属于过共析钢扩大奥氏体区：C、N、Co、Ni、Mn、Cu缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al,（3）对基本相的影响,影响各相的存在范围（温度，成分），相的稳定性固溶强化增加碳化物数量提高碳化物的稳定性，合金渗碳体和特殊碳化物的稳定性均优于普通渗碳体,（4）对热处理的影响,合金元素可以影响碳扩散、碳化物和奥氏体的稳定性，从而影响奥氏体形成、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化碳化物形成元素W,Mo,Cr,V,Ti等降低奥氏体形成速度，Co，Ni提高速度阻碍奥氏体晶粒长大（Mn,P,B除外），尤其是强碳化物形成元素；,溶入奥氏体的合金元素提高淬透性（Co除外）；降低Ms，Mf(Co、Al除外),A碳化物形成元素含量较高时，还影响C曲线的形状（2个C）多种元素同时加入影响更大溶入奥氏体的合金元素提高回火稳定性，尤其是强碳化物形成元素。,机器零件用钢主要包括四类渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢此外，可以采用低合金高强度钢、易切削钢、非调质钢等。,4.1渗碳钢,(1)工作条件及性能要求渗碳钢主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受交变载荷，特别是冲击载荷的机器零件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。这类零件都要求表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，心部要有较高的强度和足够的韧性。,(2)渗碳钢的成分特点,1)低碳在0.100.25%之间，以保证心部有足够的塑性和韧性。2)加入提高淬透性的合金元素，常加入Cr（2.0%）、Ni（4.5%）、Mn（2.0%）及微量的B（0.005%）等，以提高热处理后心部的强度和韧性。3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的辅加元素：Ti（0.10%）、V（2.0%）、W（1.20%）、Mo（0.60%）等形成碳化物，抑制晶粒长大，提高渗碳层硬度,(3)热处理特点,锻造后正火渗碳后进行:一次(二次)淬火，或直接淬火，对重要零件,为减少A，可进行冷处理；最后进行:低温回火,(4)常用渗碳钢及用途,4.2调质钢,(1)工作条件和性能要求调质钢一般指经过调质处理后使用的碳素结构钢和合金结构钢。大多数调质钢属于中碳钢。调质钢具有高的强度和良好的塑性与韧性，常用于制造一些要求具有良好综合力学性能的重要零件，如汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如轴类件、齿轮、连杆、螺栓等。调质钢是结构钢中用量较大的钢种。,(2)成分特点,1)中碳含碳量介于0.27-0.50%之间。碳量过低时不易淬硬，过高则韧性偏低。2)主加合金元素有Cr（2%）、Ni（4.5%）、Mn（2%）、Si（2%）、B（60用途：木工工具、板锉、刨刀等形状简单、低负荷工具,低合金钢,1成分:9CrSi、9Mn2V、CrWMn等钢。Cr、Mn、Si提高淬透性；W、Cr细化晶粒。2热处理：球化退火淬火+低温回火3组织及性能：M合金粒状碳化物A硬度为HRC604.用途：丝锥、板牙、钻头等形状较复杂工具,高速钢,1成分特点：C=0.71.65，M总102合金元素作用：Cr：提高淬透性(固溶态)、Cr7C3加热到980时全部溶入A中。W、Mo、V：提高红硬性（固溶态）、W2C、V2C、VC等1100开始溶解。,高速钢的热处理特点,铸态组织中碳化物很多，需要反复锻造；预先热处理：退火、调质高速钢淬火时需高温加热，提高红硬性；高速钢回火时，需要多次回火可进行多种化学热处理。如OCSNB共渗后，性能优异（表2.7.5),高速钢的预先热处理（207）,预先热处理一般为球化退火，可以采用普通球化、等温球化和循环球化工艺循环球化一方面可以缩短加热时间，提高效率，节约能源；而且可以细化组织（奥氏体和碳化物），提高淬火后高速钢的强度、硬度和韧性；可以消除过热组织，并减小热处理变形,W18Cr4V钢TTT曲线,W18Cr4V高速钢热处理工艺路线,高速钢的工艺路线：,锻造球化退火）（打碎碳化物）（球状P利机加工）预热（两次）淬火（减小热应力）（1280分级淬火）防止变形与开裂提高硬度和韧性回火550570三次（提高强度、硬度和塑性）,高速钢在常规二次硬化温度回火以前，增加一次320380C低温回火，可以提高强度和韧性。因为在320380C回火时，一方面析出一些、M3C碳化物，使MC、M2C型碳化物在二次硬化温度更加均匀、充分析出外，另外部分残余奥氏体生成下贝氏体回火前进行深冷处理如何？,7.2量具热处理,量具主要要求高硬度（56HRC）和高耐磨性；高的组织和尺寸稳定性。量具没有专用钢，复杂形状的量具应采用淬火变形较小的钢，如CrWMn；要求耐蚀性较高的可以采用4Cr13不锈钢热处理工艺与一般高碳钢相似，为了保持高的组织和尺寸稳定性，可以进行深冷处理和稳定化处理（低温长时间加热长时间低温回火）。,7.3.1冷作模具热处理,冷作模具工作温度不超过200-300,主要损坏形式是磨损，也常出现断裂和变形等。含碳量多在1.0%以上，有时高达2.0%以上，一方面与合金元素形成碳化物，另一方面获得高碳马氏体，以保证钢的高硬度和高耐磨性。加入Cr、Mo、W、V等合金元素,形成难熔碳化物，提高耐磨性，Cr还显著提高钢的淬透性。,热处理特点,冷作模具钢的预先热处理是球化退火，最终热处理一般是淬火、低温回火。对于二次硬化的高碳高铬钢（如Cr12型钢），有时需高温回火，以产生二次硬化，适用于在400-450温度下受强烈磨损的模具。,7.3.2热作模具热处理,工作时型腔表面温度可达600以上。在工作中,热作模具承受较大的冲击载荷和塑变摩擦，强烈的冷热循环所引起的不均匀热应力以及高温氧化，使模具常出现龟裂、塌陷、磨损等失效现象。热作模具钢要求高的热硬性和高温耐磨性，高的抗氧化能力、高的热强性和足够的韧性。由于热作模具的体积比较大，还要求有较高的淬透性和导热性。,热作模具成分特点,1)中碳含碳量一般为0.3-0.6%，在保证钢具有高硬度（35-52HRC）、高强度的同时还有高韧性、高的热疲劳抗力。2)加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等元素，Cr是提高淬透性的主要元素，同时和Ni提高回火稳定性。Ni还增加钢的韧性，并可与Cr、Mo一起提高钢的耐热疲劳性能。3)加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。,热处理特点,热作模具钢的预先热处理一般是完全退火或球化退火。最终热处理根据其用途有所不同。回火温度根据模具的工作条件及性能要求而定，热锻模一般为淬火后模面中温回火、模尾高温回火；压铸模是淬火后在略高于二次硬化峰值的温度下多次回火，以保证热硬性。,5CrMnMo复合渗,B-N复合渗，降低了渗层的脆性，提高了强度、塑性和韧性（222）然后900淬火，回火，与常规处理相比，寿命提高46倍。,压铸模热处理,3Cr2W8V采用高温调质，然后较低温度加热、等温淬火，可以提高压铸模寿命23倍。然后，再经过气体氮碳共渗，耐磨性是淬火回火状态的6.46倍。（226）,8表面处理,表面处理方法很多，如发蓝磷化热喷涂电镀热浸镀高能粒子处理气相沉积喷丸和滚压,8.1钢铁氧化,在一定介质中处理，使金属表面生成致密的氧化物覆盖层。包括蒸气发蓝、碱性发蓝和酸性氧化等。碱性发蓝:在NaOH、NaNO2溶液中,一段时间后金属表面形成0.51.5m厚的蓝色氧化膜。常用蒸气发蓝：加热时，通水蒸汽。酸性氧化：酸性介质中形成氧化膜。,碱性发蓝工艺,流程：准备、去油、酸洗、发蓝、皂化、浸油、检验碱洗去油；酸洗除锈发蓝：碱液中煮3060min.然后热水洗皂化：将氧化铁膜内的Fe转化为硬脂酸铁（不吸水），呈钝化状态，提高抗腐蚀能力。浸油：皂化后的工件在105115热油中浸泡1-3min.蒸发去水，形成油膜，使工件增加光泽、美观，提高耐蚀能力。,8.2钢铁磷化处理,把钢铁制品放入磷酸盐为主的溶液中浸泡,在金属表面即可形成一层磷酸盐薄膜,这种过程叫做磷化处理。磷化膜难溶、致密、厚度约为150微米,用于大气腐蚀防护。可以提高对涂料的附着力，而且这种膜润滑性好,绝缘性也好,能耐3001200伏高压,缺点是膜的强度低,脆,硬度小。磷化基本不影响基体的性能，但是对于高强度钢，磷化后进行去氢处理(130200,1-4h),8.3热喷涂技术,将丝状或粉状材料放入喷枪中,借助高压空气或保护气氛,将用火焰或电弧熔化了的金属喷到被保护件上,形成均匀的覆盖层。常以铝、锌、锡、铅、不锈钢、Ni-A1、Ni3Al等作为保护金属喷料。可制备陶瓷涂层。施工方便，适用于大型零件。涂层气孔较多，结合力较小。,热喷涂方法,火焰喷涂：丝、粉末，金属、非金属电弧喷涂：金属线材。用于Zn,Al,不锈钢等涂层，修复、防腐、强化等离子喷涂：金属或陶瓷粉末爆炸喷涂：速度高超音速喷涂：速度高,8.4电镀,待镀金属作阴极,接通电源,镀液中金属离子在阴极(金属件)表面还原析出形成保护层。电镀层优点镀层均匀、表面光洁、牢固。镀层厚度可控制;消耗金属少;无需加热升温。但相对来说，成本较高，主要用于小件。电镀是广泛应用的方法。可以制备各种金属及某些合金镀层，如铬、镍、金、银、铜、锡、铅、锌、钴、镉、锡青铜、黄铜等。,热浸镀,用低熔点液态金属浸渍金属件,以在其表面形成一层覆盖层的方法叫做热浸(热镀、液镀)。用于制备低熔点金属镀层，如A1、Zn、Sn、Pb等镀层。效率高、但是能耗高、金属浪费大。,化学镀,化学镀是通过置换反应或氧化-还原反应,将盐溶液中的金属离子析出在被保护的金属件上,以施行保护作用。如化学镀铜。优点：不需要外电源、镀层厚度均匀、致密性良好。缺点：结合力稍差，预处理要求严格。只能制备阴极型覆盖层。,8.5高能粒子束,改变表面成分、组织，如激光淬火，表面熔敷离子注入，电子束，与激光类似,淬火,表面合金化,8.6气相沉积,将含有沉积元素的气体输送到工件表面,在工件表面形成沉积层.耐磨、耐蚀、耐热、润滑等涂层按照