特殊热处理——真空回火PPT课件

1、1概述概述 目的目的: :保持真空淬火的优势（产品不氧化、不脱碳、表面光亮、无氟水污染等）；保持真空淬火的优势（产品不氧化、不脱碳、表面光亮、无氟水污染等）； 降低脆性，降低脆性， 提高韧性；提高韧性； 对热处理后不再进行精加工并须进行多次高温回火的精密工具更应进行真空回火。对热处理后不再进行精加工并须进行多次高温回火的精密工具更应进行真空回火。第1页/共37页2淬火回火方法对材料性能影响淬火回火方法对材料性能影响淬火回火方法对高速钢性能的影响8mm130mm试样，1210真空淬火+560三次真空回火第2页/共37页3真空回火工艺真空回火工艺真空回火的两种工艺第3页/共37页4真空回火的光亮度

2、真空回火的光亮度a. 真空炉冷态下残留气体光谱分析，抽真空15minb.真空炉冷态下高真空时残留气体谱分析，连续抽真空4hN2N2O2O2N2N2H2OH2O第4页/共37页5冷、热态真空炉中的气氛冷、热态真空炉中的气氛 热态真空炉内残留气体的热态真空炉内残留气体的水蒸气谱峰尚在水蒸气谱峰尚在, , 而氧气而氧气谱峰消失谱峰消失, , 大部分转化成大部分转化成一氧化碳谱峰和二氧化碳一氧化碳谱峰和二氧化碳谱峰谱峰, , 该变化是借助于碳该变化是借助于碳氢物质的挥发和石墨类加氢物质的挥发和石墨类加热元件而完成的。热元件而完成的。 水蒸气的分子将连续地分水蒸气的分子将连续地分解成氢和氧解成氢和氧,

3、, 而氧和碳则而氧和碳则又结合成一氧化碳又结合成一氧化碳, , 氢则氢则被保留下来。被保留下来。热态真空炉内残留气体分析结果，炉温1070， 102 Pa第5页/共37页6真空回火气氛对光亮度的影响机理真空回火气氛对光亮度的影响机理 加热升温加热升温, ,真空炉中零件上附着的各类物质发真空炉中零件上附着的各类物质发生挥发生挥发, , 真空度迅速降低；真空度迅速降低； 升温时间的延长和温度的升高升温时间的延长和温度的升高, , 零件上挥发的零件上挥发的残留清洗剂和残留油脂的谱峰幅值降低残留清洗剂和残留油脂的谱峰幅值降低, , 而水而水蒸气的谱峰仍很高蒸气的谱峰仍很高. . 此状态一直要持续到约此

4、状态一直要持续到约650650左右。真空炉内残留气体为弱氧化性气左右。真空炉内残留气体为弱氧化性气氛。氛。 温度继续升高超过温度继续升高超过650650后后, , 真空炉内气氛的真空炉内气氛的性质急剧变化，至性质急剧变化，至16501650这一温度区间这一温度区间, , 炉炉内存在的是一氧化碳和氢气内存在的是一氧化碳和氢气, , 真空炉内的残留真空炉内的残留气体属弱还原性气氛。气体属弱还原性气氛。第6页/共37页7影响真空回火光亮度的主要原因影响真空回火光亮度的主要原因 因漏气或泵抽空能力不够因漏气或泵抽空能力不够, ,使真空炉形成有弱氧化性气氛使真空炉形成有弱氧化性气氛, ,引起氧化着色而损

5、坏了光亮度引起氧化着色而损坏了光亮度; ; 真空炉内真空度过高真空炉内真空度过高, ,使材质中含蒸气压高的元素挥发使材质中含蒸气压高的元素挥发, ,使零件表面成分挥发而损坏了光亮度。使零件表面成分挥发而损坏了光亮度。第7页/共37页8影响真空回火光亮度的因素影响真空回火光亮度的因素 材质含合金元素的种类和量材质含合金元素的种类和量 加热温度、压力、时间加热温度、压力、时间 加热或冷却时真空炉内的气氛加热或冷却时真空炉内的气氛 冷却用介质气或油中不纯物含量冷却用介质气或油中不纯物含量 冷却速度冷却速度第8页/共37页9影响真空回火光亮度的因素影响真空回火光亮度的因素第9页/共37页10提高真空回

6、火光亮度的方法提高真空回火光亮度的方法 提高工作真空度；提高工作真空度； 充充N N2 2中加入中加入1010 HH2 2，气氛成还原性；气氛成还原性； 减少真空炉隔热屏吸收和排放水气的影响；减少真空炉隔热屏吸收和排放水气的影响； 快速冷却，工件出炉温度低；快速冷却，工件出炉温度低； 提高温度均匀性。提高温度均匀性。第10页/共37页11真空回火脆性真空回火脆性 回火脆性：随着回火温度的提高，强度与硬度的降低，回火脆性：随着回火温度的提高，强度与硬度的降低， 钢的冲击韧度并不总是单调上升，在两个温度范围钢的冲击韧度并不总是单调上升，在两个温度范围内出现低谷，引起的脆性增加。内出现低谷，引起的脆

7、性增加。 第一类回火脆性：第一类回火脆性：200200350350出现的低温回火脆性；出现的低温回火脆性； 第二类回火脆性：第二类回火脆性：450450650650出现的高温回火脆性；出现的高温回火脆性；第11页/共37页12第一类回火脆性的主要特征第一类回火脆性的主要特征 不可逆型不可逆型 降低室温冲击韧度降低室温冲击韧度 增加冷脆转变温度增加冷脆转变温度 显微组织沿晶断裂或少数的穿晶断裂显微组织沿晶断裂或少数的穿晶断裂第12页/共37页13第一类真空回火脆性第一类真空回火脆性a. 37CrNi3回火时硬度与冲击韧性的变化b. 碳含量对CrMn钢（Cr1.4Mn1.1wt%)第一类回火脆性的

8、影响第13页/共37页14影响第一类回火脆性的因素影响第一类回火脆性的因素 化学成分化学成分 奥氏体晶粒的大小奥氏体晶粒的大小 残余奥氏体量的多少残余奥氏体量的多少第14页/共37页15化学成分对第一类回火脆性的影响化学成分对第一类回火脆性的影响q有害杂质元素q促进第一类回火脆性元素q减弱第一类回火脆性元素a. Mo对对SiMn钢钢 回火后冲击韧度的影响回火后冲击韧度的影响C0.36Si1.7Mn1.8%第15页/共37页16第一类回火脆性发生机理假设第一类回火脆性发生机理假设残余奥氏体转变理论碳化物簿壳理论晶界偏聚理论第16页/共37页17残余奥氏体转变理论残余奥氏体转变理论 根据：第一类回

9、火脆性出现的温度范围正好与碳钢回火时的残余奥氏体转变的温度范围相对应； 转变结果：将使塑性相奥氏体消失， 很好地解释Cr、Si等元素将第一类回火脆性推向高温以及残余奥氏体量增多能够促进第一类回火脆性等现象。 不足：对于有些钢来说，第一类回火脆性与残余奥氏体转变并不完全对应。故残余奥氏体转变理论不能解释各种钢的第一类回火脆性。第17页/共37页18碳化物簿壳理论 根据：经电镜观察，在出现第一类回火脆性时，沿晶界有碳化物薄壳形成，第一类回火脆性是由碳化物薄壳引起的。 很好的解释沿晶界形成脆性相能引起脆性沿晶断裂。 不足：理论初期未解释碳化物薄壳是怎样形成的。第18页/共37页19低、中碳钢碳化物的

10、薄壳的形成碳化物的薄壳的形成 低、中碳钢淬火后得到板条马氏体以及沿板条条界分布的碳含量高的薄壳状残余奥氏体。 低温回火：C0.2的马氏体则有可能在马氏体内部均匀弥散析出亚稳过渡碳化物。 当回火温度超过200： 在低碳马氏体中也有可能析出细针状碳化物。 与此同时，还将在板条马氏体条界形成-碳化物的核并长成条片状-碳化物。- 碳化物的形成既依靠残余奥氏体的分解，也依靠马氏体内已析出的弥散的亚稳过渡碳化物及细针状-碳化物的回溶。 这种条片状-碳化物即电镜下观察到的薄壳状碳化物。第19页/共37页20高碳钢碳化物薄壳的形成高碳钢碳化物薄壳的形成 对于在板条界有较多高碳残余奥氏体的钢料来说，残余奥氏体转

11、变理论与碳化物薄壳理论是一致的。 高碳马氏体200以下回火时已有亚稳过渡碳化物在片状马氏体内部弥散析出，回火温度高于200时：将在富碳孪晶界面析出条片状及-碳化物。与此同时，已经析出的-碳化物将回溶。分布在同一个孪晶界面上的条片状及-碳化物将连成碳化物片，故断裂易于沿这样的面发生，使钢料脆性增加。 回火温度进一步提高时，薄片状碳化物通过破裂、聚集、长大而成为颗粒状碳化物，故使脆性下降，冲击韧性升高。第20页/共37页21晶界偏聚理论 根据：俄歇(Auger)电子谱仪及离子探针得到证实奥氏体化时杂质元素P、Sn、Sb、As等将偏聚于晶界。杂质元素的偏聚引起晶界弱化而导致沿晶脆断； 很好的解释了第

12、二类元素促进第一类回火脆性的发展（能够促进杂质元素在奥氏体晶界的偏聚）；第三类元素扼制第一类回火脆性的发展（能阻止杂质元素在奥氏体晶界的偏聚）的现象； 不足：偏聚是在奥氏体化时而不是在 200350之间回火时形成的，却仅仅使200350回火后的脆性增加。第21页/共37页22第一类回火脆性发生机理第一类回火脆性发生机理 将晶界偏聚理论与前述理论合并在一起考虑：杂质元素在奥氏体晶界的偏聚降低了晶界强度，而碳化物薄壳在板条马氏体条界及奥氏体晶界的形成又进一步降低了奥氏体晶界的强度，故使经200350回火后的断裂易于沿奥氏体晶界发生。如果断裂不是沿晶而是穿晶解理，则可以认为此时沿奥氏体晶界的偏聚不严

13、重且沿晶内某晶面有碳化物析出，如析出及-碳化物，故断裂将沿晶内碳化朝薄片发生。第22页/共37页23第一类回火脆性的防止第一类回火脆性的防止回火脆性对缺口韧度的影响淬火并在620回火的5140钢，夏氏V形缺口冲击吸收功随温度的变化，一些试样回火温度快冷，另一些炉冷，缓冷的钢造成回火脆性 降低钢中杂质元素的含量降低钢中杂质元素的含量 用用AlAl脱氧或加脱氧或加NbNb、V V、TiTi等元素细化奥氏体晶粒等元素细化奥氏体晶粒 加入加入MoMo、WW等减轻第一类等减轻第一类回火脆性的合金元素回火脆性的合金元素 加入加入CrCr、SiSi调整发生第一调整发生第一类回火脆性的温度范围类回火脆性的温度

14、范围 采用等温淬火代替淬火加采用等温淬火代替淬火加高温回火高温回火第23页/共37页24第二类回火脆性的主要特征第二类回火脆性的主要特征 缓冷脆化与等温脆化缓冷脆化与等温脆化 可逆型可逆型 以冲击韧度的下降及冷脆转化温度的升高来表示以冲击韧度的下降及冷脆转化温度的升高来表示 显微组织沿晶断裂显微组织沿晶断裂第24页/共37页25第二类回火脆性的表示第二类回火脆性的表示 冲击韧性冲击韧性 K K的下降的下降 回火脆性敏感系数回火脆性敏感系数 K K/ / K K脆脆 冷脆转化温度冷脆转化温度50%FATT50%FATT的升高的升高 回火脆度回火脆度FATTFATTFATTFATT 50%FATT

15、 50%FATT脆脆50%FATT50%FATT第25页/共37页26影响第二类回火脆性的因素影响第二类回火脆性的因素 化学成分化学成分 热处理工艺参数热处理工艺参数回火温度及时间回火温度及时间缓冷脆化与回火后冷速有缓冷脆化与回火后冷速有关关组织因素组织因素 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度回火温度及回火后冷速对30CrMnSi钢冲击韧度的影响第26页/共37页27化学成分对第二类回火脆的影响化学成分对第二类回火脆的影响 杂质元素：杂质元素：P P、SnSn、SbSb、AsAs、B B、S S等；等；钢中不含钢中不含NiNi、CrCr、MnMn、SiSi等合金元素时杂质元素的存在不会引起等合金元素时杂

16、质元素的存在不会引起第二类回火脆性，第二类回火脆性，杂质元素含量在杂质元素含量在1010-5-51010-4-4数量级（质量分数）的范围即可引起脆数量级（质量分数）的范围即可引起脆化，化，杂质元素的作用大小与钢料成分有关。杂质元素的作用大小与钢料成分有关。 促进第二类回火脆性的合金元素促进第二类回火脆性的合金元素NiNi、CrCr、MnMn、SiSi、C C等需与杂质元素同时作用等需与杂质元素同时作用杂质元素含量一定，此类合金元素含量越多，脆化愈严重。杂质元素含量一定，此类合金元素含量越多，脆化愈严重。单一合金元素作用脆化能力单一合金元素作用脆化能力MnCrNiMnCrNi两种或以上同时存在脆

17、化作用加强两种或以上同时存在脆化作用加强 抑制第二类回火脆性的合金元素抑制第二类回火脆性的合金元素MoMo、WW、V V、TiTi加入量有最佳值加入量有最佳值稀土元素稀土元素LaLa、NbNb、PrPr等等第27页/共37页28MoMo含量对第二类回火脆性的影响含量对第二类回火脆性的影响Mo 含量对P0.026-C0.3-Ni3-Cr1钢（质量%）的 FATT的影响（500，1000h催化）第28页/共37页29回火温度及时间对第二类回火脆性的影响回火温度及时间对第二类回火脆性的影响 温度一定，随等温时间延温度一定，随等温时间延长，长， 50%FATT50%FATT升高，升高， FATTFAT

18、T增加。增加。 550550以下，脆化温度愈以下，脆化温度愈低，脆化速度愈慢，能达低，脆化速度愈慢，能达到的脆化程度越大。到的脆化程度越大。 550550以上，以上， 随等温温度随等温温度升高，升高，能达到的脆化程度能达到的脆化程度下降。下降。Cr3%-Mo钢的等温脆化动力学图第29页/共37页30过时效现象过时效现象Mo含量对等温脆化过程的影响等温脆化的等温时间进一步延长，有些钢的脆化程度反而减弱，出现过时效现象。不同Mo含量的某钢（C0.3-Si0.25-Mn1.0-Cr1.0-P0.03 %质量分数）1200水淬后500 回火；含Mo超过0.2%脆化达到一定程度不再变化，提高Mo含量可以

19、降低最大回火脆度，且随等温时间延长，已发生的脆化可能消失。第30页/共37页31第二类回火脆性发生机理假设第二类回火脆性发生机理假设 特征为晶界脆化,与温度、时间有关，脆化动力学具有C形曲线特征；与钢料化学成分密切有关；具有可逆性，原始组织为贝氏体与珠光体时也能发生脆化。 第二类回火脆性的脆化过程必然是一个受扩散控制的发生于晶界的, 能使晶界弱化的与马氏体及残余奥氏体无直接关系的可逆过程。 可逆过程的两种可能情况：即溶质原子在晶界的偏聚与消失以及脆性相沿晶界的析出与回溶。第31页/共37页32析出理论 最早提出的是碳化物、氧化物、磷化物等脆性相沿晶界析出的理论。 根据脆性相在Fe中的溶解度随温

20、度下降而减小(如FeFe3C状态图中的PQ线)。 在回火后的缓冷过程中脆性相沿晶界析出而引起脆化。温度升高时，脆性相重新回溶而使脆性消失。 很好地解释回火脆的可逆性，也可以解释脆化与原始组织无关的现象； 不足：不能解释等温脆化以及化学成分的影响，一直未能找到与脆化对应的脆性相。 后提出在回火后的冷却过程中碳化物是在相内的位错线上析出的。由于位错被微细的碳化物所钉扎，故使钢变脆。第32页/共37页33偏聚理论 根据俄歇电子谱仪以及离子探针等探测表面极薄层化学成分，证明沿原奥氏体晶界510 的薄层内确实偏聚了某些合金元素及杂质元素，且杂质元素的偏聚与第二类回火脆性有良好的对应关系。 平衡偏聚理论（

21、Mclean）回火时由于内吸附而使杂质原子偏聚于晶界，引起脆性。 不足：没有考虑合金元素的作用，仅仅含有杂质元素的碳钢没有第二类回火脆性。 无法解释为什么P含量低于溶解度时就能引起脆化。第33页/共37页34多元偏聚理论 二重偏聚理论 (capus)提出能促进第二类回火脆性的合金元素在奥氏体化时由于内吸附而偏聚于奥氏体晶界，之后在脆化温度回火时，由于合金元素与杂质原子的亲和力大，故将杂质原子吸引至晶界而引起脆化。 不足：Mo也是内表面活性物质，也应在奥氏体化时偏于晶界，且与杂质元素的亲和力也很大，为甚么Mo不仅不促进脆化，反而能扼制脆化。对此capus等曾作了解释。至今仍未能用实验方法证实合金元素在奥氏体化时的偏聚。 三元固溶体的平衡偏聚理论（Guttmann）提出铁、合金元素(Ni、Cr、Mn等)与杂质元素(P、Sn、Sb、As 等)形成三元固溶体时的平衡偏聚。 认为合