热处理原理与工艺

1影响对流换热系数的因素流体运动的情况：自然对流和强迫对流流体的性质：热导率、热容、密度、粘度工件的形状及在炉内的位置2影响热导率的因素碳元素、合金元素含量越多，热导率越小物相：奥氏体〈淬火马氏体〈回火马氏体〈珠光体温度：对于纯铁、碳钢，温度越高，热导率越小3随炉加热、到温入炉、高温入炉、高温入炉到温出炉、预热加热随炉加热：工件装入炉中后，随着炉子升温而加热，直至所需加热温度。到温入炉：先把炉子温度升高到工件要求的加热温度，再把工件放入炉内加热。高温入炉：先把炉子温度升高到高于工件要求的加热温度，再把工件放入炉内直至达到所需温度预热加热：工件先在已升温至较低温度的炉子中加热，到温后再转移至预定工件加热温度的炉中加热至工件所要求的温度。4铁加热时的氧化反应小于570°C加热时，氧化产物为四氧化三铁；大于570C加热时，氧化产物为氧化亚铁。5内氧化：氧沿晶界或其他通道向内扩散，与晶界附近的Si、Mo等元素结合成氧化物的现象。(原因：SiO2、MoO的分解压小于FeO的分解压，故Si、Mo先被氧化。)6脱碳：钢在加热时，钢中的碳与气氛作用，使钢表面失去一部分碳，含碳量降低的现象。碳势：表征炉气对钢表层增碳或脱碳的能力。纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面的含碳量。7炉气碳势测量方法(炉气中CO、H2、H2O、CO2、CH4、02有定量关系，CO、H2含量是恒定的，知道其余4中气体任一种含量即可知所有气体含量，从而可以得到碳势。)实际碳势曲线：直接测定不同温度时炉气成分及与之平衡的钢的含碳量。红外线CO2分析仪：测定炉气中CO2含量(CO2含量越高，碳势越低)露点仪：测定炉气中H20的含量(H2O含量越高，碳势越低)氧探头：测定炉气中氧含量(氧分压)(电势越高，碳势越高)8脱碳过程：①脱碳反应②碳由内部向表面扩散钢在不同炉气碳势中脱碳后的组织分析半脱碳层：脱碳层组织自表面至中心，由铁素体加珠光体组织过渡到珠光体，再至原始含碳量的缓冷组织，这种脱碳层为半脱碳层。全脱碳层：脱碳层组织自表面至中心，由单一铁素体区到铁素体加珠光体逐渐过渡到相当于钢原始含碳量缓冷组织，这种脱碳层为全脱碳层。9退火：将组织偏离平衡态的金属材料加热到适当温度，保持一段时间，随后缓慢冷却达到接近平衡组织的热处理工艺。正火：将钢加热到临界点AC3或ACcm以上适当温度，保温适当时间后，在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。淬火：将钢加热到临界点AC1或AC3以上某一温度随之以大于临界冷却速度冷却得到亚稳态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。回火：将钢加热到临界点AC1以下某一温度保温一段时间使淬火组织转变为稳定的回火组织，随后以适当方式冷却至室温的热处理工艺。10退火工艺扩散退火：将金属铸锭、铸件或锻坯，在略低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化目的的热处理工艺。完全退火：将钢件或钢材加热到Ac3点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。不完全退火：将钢件加热到Ac1和Ac3或Ac1和Accm之间，经保温并缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。球化退火：将钢加热到Ac3或Accm以下，Ac1附近，保温一段时间，使钢中碳化物球化或获得球状珠光体的退火工艺。①低于Ac1的球化退火②一次球化退火(先正火消除网状渗碳体)③往复球化退火软化退火：再结晶退火：经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。去应力退火：消除残余应力而不引起组织变化的退火工艺。11影响碳化物球化的因素化学成分(C扩散越快，球化速度越快)C含量越高，球化效果越好合金元素：无碳化物形成元素球化速度快，有碳化物形成元素球化速度慢。原始组织组织越细小，球化是速度越快(扩散距离短)退火温度与保温时间T，t越大，越易形成片状珠光体，不易球化冷却速度冷速快，不利于球化形变量形变量越大，球化效果好12双重正火：第一次正火在高于临界点Ac3以上150〜200°C加热，以扩散方法消除粗大组织，使成分均匀；第二次正火在普通条件下进行。13扩散退火与高温正火差别14退火、正火后的组织和性能差别15退火、正火选择原则<0.20%高温正火得到良好的切削性能0.20%〜0.25%正火消除锻造缺陷提高切削加工性能0.25%〜0.5%正火：0.25%〜0.35%正火切削性能最佳；0.35%〜0.5%正火效率高，成本低0.5%〜0.75%完全退火：合适硬度，适于切削加工0.75%〜0.1%弹簧钢：完全退火；刃具钢：球化退火>0.1%工具钢：球化退火预处理合金钢：高温回火降低硬度，改善切削性能16退火、正火缺陷过烧：温度过高引起的晶界氧化、熔化。黑脆：退火温度过高、保温时间过长、冷却缓慢引起的渗碳体石墨化。重新奥氏体化消除。粗大魏氏组织(针状先共析相与片状珠光体混合物，脆)：温度过高导致奥氏体粗大，而后形成的魏氏组织。完全退火、双重正火消除。（4） 反常组织（先共析铁素体周围有粗大渗碳体或先共析渗碳体周围有粗大铁素体）：在Ar1附近冷速过慢或长期保温。重新退火消除。（5） 网状组织：加热温度过高，冷速过慢。重新正火消除。（6） 球化不均匀：球化退火前没有消除网状渗碳体，导致其聚集。正火+一次球化退火消除。（7） 硬度过高：加热温度过高，冷速过快。重新退火消除。17钢在淬火介质冷却3个阶段（1） 蒸气膜阶段：冷却速度缓慢（2） 沸腾阶段：冷却速度快（3） 对流阶段：冷却速度逐渐降低18淬火烈度：表征淬火介质的冷却能力。淬火介质特性温度：蒸气膜开始破裂的温度。19淬透性：淬火时获得马氏体的难易程度。可硬性：淬成马氏体可能得到的硬度。影响淬透性的因素（1） 化学成分：对于过共析钢，在Accm以下加热，含碳量小于1%，含碳量越高，淬透性越低；含碳量大于1%时，含碳量越高，淬透性越好。在Accm或Ac3以上加热，含碳量越高，淬透性越好。除Ti、Zr、Co外，所有合金元素提高淬透性。（2） 奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒尺寸越大，过冷奥氏体稳定性提高，淬透性越好。（3） 奥氏体化温度：奥氏体化温度越高，晶粒长大，碳化物溶解，过冷奥氏体稳定性越高，淬透性越好。（4） 第二相的存在和分布：弥散均匀分布的第二相提高过冷奥氏体稳定性，淬透性好。影响淬火应力的因素（1） 含碳量：含碳量增加，热应力减弱，组织应力增强，表面压应力减小，拉应力位置越靠近表面。（2） 合金元素：热应力、组织应力均增加。（3） 工件尺寸的影响：完全淬透时，随工件直径增大，淬火应力由组织应力型转变为热应力型。未完全淬透时，淬火应力为热应力型，工件直径越大，淬硬层越薄，热应力特征越明显。（4） 淬火介质和冷却方式的影响。过冷奥氏体不稳定区冷却速度快，马氏体转变区冷却速度慢，为热应力型，反之为组织应力型。20二次硬化：由于钢中含有较多碳化物形成元素，在500〜650°C回火时形成合金碳化物导致硬度不降低反而升高的现象称为二次硬化。21亚温淬火：亚共析钢在Ac1〜Ac3之间的温度加热淬火称为亚温淬火。等温淬火：（1） 预冷等温淬火：工件加热奥氏体化后，先在温度较低的盐浴中冷却，然后转入等温淬火浴槽中进行下贝氏体转变，再取出空冷。（2） 预淬等温淬火：工件加热奥氏体化后，先淬入温度低于Ms点热浴获得大于10%马氏体，然后转入等温淬火槽中进行下贝氏体转变，再取出空冷。（3） 分级等温淬火：工件加热奥氏体化后，现在中温区进行一次（或两次）分级冷却，然后转入等温淬火槽中进行下贝氏体转变，再取出空冷。22回火脆性：在某些温度区间回火时随回火温度升高，钢韧性反而下降的现象。第一类回火脆性：淬火钢在250〜350C回火时出现的脆性。第二类回火脆性：淬火钢在500〜650°C回火后缓冷时出现的脆性。23淬火缺陷淬火变形、开裂：淬火不均匀引起的扭曲变形，淬火前后组织变化引起的体积变化，热应力、组织应力引起的形状变化，内应力大于断裂强度引起的纵向裂缝和横向裂缝。氧化、脱碳、表面腐蚀及过烧硬度不足：淬火温度过低、保温时间不足，工具钢淬火温度过高引起的淬后残余奥氏体过多，表面脱碳等。硬度不均匀：淬火前原始组织不均匀、渗碳件表面碳浓度不均匀等。组织缺陷：粗大马氏体、游离铁素体等。回火缺陷硬度过低、过高、不均匀：回火温度过低、过高、炉温不均匀。回火变形：回火应力松弛导致变形。多次校直多次加热，压具回火消除回火脆性：第一类回火脆性，重新加热淬火，另选温度回火消除。第二类回火脆性，重新加热回火，然后加速回火后冷却速度消除。24表面淬火：被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。25钢在非平衡加热时的相变特点在一定的加热速度范围内，临界点随着加热速度的增加而提高。奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大。提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒。快速加热对过冷奥氏体转变及马氏体的回火有明显影响。26感应加热表面淬火：利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，随后快速冷却，获得马氏体组织的工艺。火焰加热表面淬火：用一种火焰在一个工件表面若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺。27电流透入深度：表面涡流强度降至表面初始涡流强度的1/e处的深度。冷态电流透入深度：20C时的电流透入深度。热态电流透入深度：800C时的电流透入深度。28透入式加热：当零件加热时，电流透入深度大于淬硬层深度。传导式加热：当零件加热时，电流透入深度小于淬硬层深度。29自回火：当淬火后未完全冷却，利用在工件内残留的热量进行回火。30化学热处理：金属制件放在一定的化学介质中，使其表面与化学介质相互作用，吸收其中某些化学元素的原子并通过加热，使该原子自表面向内部扩散的过程。反应扩散：由溶解度较低的固溶体转变为浓度更好的化合物，这种扩散称为反应扩散。31钢的渗碳：钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面碳含量和一定碳浓度梯度的工艺。32滴注式渗剂选择原则较大的产气量、碳氧比大于1、碳当量小、气氛中CO和H2成分稳定、价格低廉资源丰富。33真空渗碳优点真空加热的表面净化作用使表面活化，缩短渗碳时间。渗碳表面质量好，渗碳层均匀，无过渗危险。直接用天然气作渗碳剂，无需气体发生炉。作业条件好。(真空淬火后需180〜200°C低温回火)34渗碳后直接淬火优缺点优点：减少加热、冷却次数，简化操作，减少变形和氧化脱碳。缺点：由于渗碳时在较高渗碳温度停留较长时间，导致奥氏体晶粒粗大。35不同钢渗碳后热处理选择本质细晶粒钢：直接淬火本质粗晶粒钢：一次加热淬火高合金钢：3次高温回火后一次加热淬火。35两次淬火：第一次淬火温度在Ac3以上，第二次淬火温度在渗碳层成分的Ac1以上。目的：细化渗碳层中的马氏体晶粒，获得隐晶马氏体、残余奥氏体及均匀分布的细粒状碳化物的渗层组织。36二次淬火：高合金钢在回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体的现象。37渗碳缺陷黑色组织：氧向钢晶界扩散，形成氧化物——“内氧化，或氧化区合金元素的贫化淬透性降低，出现费马氏体。降低氧含量，喷丸处理。反常组织：奥氏体均匀化后采用较快淬火冷却速度。粗大网状碳化物：渗碳温度过高，时间过长，扩散温度过低。高于Accm的高温淬火或正火。渗碳层深度不均匀表层贫碳或脱碳：炉气碳势过低，或氧化脱碳。喷丸处理表面腐蚀及氧化。38渗氮：向金属表面渗入氮元素的工艺。39氮势：表征气氛渗氮能力的度量，定义为r 上—3[Ph]240渗碳工艺方法强化渗氮等温渗碳：渗氮温度不变，氨分解率先小后大，退氮更大。优点：渗碳温度低，变形小，硬度高。缺点：渗氮时间长，生产率低。两段渗氮：渗氮温度先低后高，氨分解率先小后大，退氮更大。三段渗氮：渗氮温度先低后高再低，氨分解率先小后大再小。抗腐蚀渗氮：工件表面获得致密的化学稳定性高的8相层。41渗氮缺陷变形：渗氮前残存内应力渗后松弛导致变形，装炉不当等。渗氮前去应力，装炉恰当。脆性和渗氮层剥落：表层氮浓度过大，渗氮前表面脱碳、过热导致渗后形成粗大针状碳化物。预防氧化、脱碳、过热，降低渗层氮含量。深层硬度不足及软点：表面氮浓度过低，渗氮温度过高氮化物粗大，渗氮时间不足渗层过浅导致硬度不足，渗氮表面有异物导致软点。抗腐蚀渗氮后的质量检验42碳氮共渗：在钢表面同时渗入碳和氮的化学热处理工艺。43碳氮共渗特点(1)共渗温度不同，共渗层中碳氮含量不同。氮含量随共渗温度提高而降低，碳含量则先增加后降低。（2） 碳氮共渗时碳氮元素相互对钢中溶解度及扩散深度有影响。氮扩大Y相区，可在更低温度渗碳;氮渗入浓度过高表面形成碳氮化合物相阻碍碳的扩散。碳降低氮在a、£相中扩散系数，故碳阻碍氮扩散。（3） 碳氮共渗过程中碳对氮的吸附有影响。共渗第二阶段，碳的继续渗入使表面脱氮。44固溶处理：第二相在基体中固溶度随温度的降低而下降的合金，将其加热到第二相全部或最大限度的固溶到基体中，保温一段时间，然后以大于第二相在固溶体中析出或分解