《机械制造基础》 自考 课件 第5章 钢的热处理

第5章钢的热处理本章要点15.1钢的热处理及钢在加热时的转变5.2钢在冷却时的转变5.3钢的热处理工艺

5.4钢铁表面防护处理5.1钢的热处理及钢在加热时的转变机械制造基础第5章钢的热处理25.1.1概述是指将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却的工艺方法使钢的内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的工艺过程。1.钢的热处理2.热处理的分类根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同：（1）普通热处理。包括退火、正火、淬火和回火等。（2）表面热处理。包括感应淬火、火焰淬火、电接触淬火等。（3）化学热处理。包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。按照热处理在零件生产过程中所处的位置和作用不同：预备热处理。最终热处理。5.1钢的热处理及钢在加热时的转变机械制造基础第5章钢的热处理35.1.2钢在加热时的组织转变Fe-Fe3C相图是确定钢加热温度的理论基础。将钢缓慢加热，1）共析钢加热到超过A₁温度时，珠光体全部转变为奥氏体；2）亚共析钢加热温度超过A₁后，珠光体转变为奥氏体；继续加热到温度超过A₃后，铁素体也全部溶入奥氏体。3）过共析钢加热温度超过A₁后，珠光体转变为奥氏体；继续加热到温度超过Acm后，渗碳体也全部溶入奥氏体。A1、A3和Acm是碳钢在极其缓慢地加热或冷却时的转变温度，是平衡临界点。在实际生产中，不可能极其缓慢地加热和冷却，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。实际加热时各临界点分别用Ac1、Ac3和Accm表示，而实际冷却时各临界点位置分别用Ar1、Ar3和Arcm表示。1.加热温度的确定加热、冷却时钢的临界点5.1钢的热处理及钢在加热时的转变机械制造基础第5章钢的热处理45.1.2钢在加热时的组织转变将共析钢加热到Ac₁时，便发生珠光体向奥氏体的转变。奥氏体的形成过程分三个阶段：（1）奥氏体晶核形成及长大。在珠光体团界面（P/P）及铁素体渗碳体界面（F/Fe3C）形成奥氏体晶核，并逐步长大，形成奥氏体晶粒。（2）残留渗碳体的溶解。随着保温时间的延长，残余渗碳体不断溶入奥氏体，直至全部消失为止。2.奥氏体的形成共析钢中奥氏体形成过程示意图a）奥氏体晶核形成

b）奥氏体晶核长大c）残留渗碳体的溶解

d）奥氏体均匀化（3）奥氏体均匀化。当残余渗碳体完全溶解后，奥氏体中碳浓度仍是不均匀的，继续延长保温时间，通过碳原子的扩散获得均匀的奥氏体。5.1钢的热处理及钢在加热时的转变机械制造基础第5章钢的热处理55.1.2钢在加热时的组织转变奥氏体晶粒形成后，继续加热或恒温保持，它们将聚集长大，即由小晶粒合并为较粗大的晶粒。奥氏体晶粒大小，决定了其冷却后转变产物的晶粒大小和性能。因此，总是希望经加热能获得细小而均匀的奥氏体晶粒。一般来说，加热温度过高，保温时间过长，奥氏体晶粒就粗大。其中，加热温度的影响更为显著。所以，热处理总是根据材料的不同化学成分严格控制加热温度和保温时间。3.奥氏体晶粒的长大及其影响因素5.2钢在冷却时的转变机械制造基础第5章钢的热处理65.2.1冷却方式加热钢使其奥氏体化只是热处理的第一步，冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢在热处理后的组织与性能。45钢加热到840°C，经不同条件冷却后所获得的力学性能不同。1.热处理后的组织与性能45钢加热至840°C奥氏体化后，不同条件冷却后的力学性能表冷却方法Rm/MPaReL/MPaA（%）Z（%）硬度（HRC）随炉冷却53028032.549.315~18空气中冷却670~72034015~1845~5018~24油中冷却90062018~204840~50水中冷却11007207~812~1452~605.2钢在冷却时的转变机械制造基础第5章钢的热处理75.2.1冷却方式热处理常采用等温冷却（如等温淬火）和连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）两种冷却方式奥氏体等温冷却和连续冷却示意图1-等温冷却2-连续冷却等温冷却转变是指将加热到奥氏体状态的钢，快速冷却到低于A1的某一温度，并等温停留一段时间，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温，曲线1。连续冷却转变是将把加热到奥氏体状态的钢，以不同的冷却速度连续冷却到室温，曲线2。5.2钢在冷却时的转变机械制造基础第5章钢的热处理85.2.2过冷奥氏体的等温冷却转变在热处理生产中，奥氏体冷却时发生转变的温度通常都低于临界点。过冷奥氏体冷却后，会发生一定的组织转变，工程上常利用这些转变特性来改变材料的性能。过冷奥氏体转变产物特点、形成条件及力学性能表类型名称特点形成条件力学性能珠光体粗大片状珠光体铁素体及渗碳体片层在光学显微镜下清晰显现，片间距大于0.4μm转变温度较高（共析钢约700~650ºC）强度、硬度、塑性、韧性一般细珠光体（索氏体）在光学显微镜下片层难以分辨，片间距较小（0.4~0.2μm）转变温度较低（共析钢约650~600ºC）强度、硬度、塑性较粗大片状好极细珠光体（托氏体）片层在光学显微镜下不能分辨，片间距很小（<0.2μm）转变温度更低（共析钢约600~550ºC）强度、硬度、塑性较索氏体好贝氏体上贝氏体渗碳体分布在铁素体条间，使条间容易脆性断裂约在550~350ºC的温度区间等温形成脆性大，基本上无实用价值下贝氏体针状铁素体细小且无方向性，碳的过饱和程度大，渗碳体沉淀在针状铁素体内，弥散度大大约在350ºC左右等温形成具有较高的强度、硬度、塑性和韧性马氏体板条马氏体碳含量与奥氏体相同的过饱和α固溶体、体心立方结构平行的板条群由奥氏体晶界长入晶内，板条群间呈一定角度、板条宽约0.1~0.2μm奥氏体中wc<0.3%，Ms>300ºC。在每个板条内有高密度位错，亦称位错马氏体有较高的塑性和韧性片状马氏体凸透镜片状（针状、竹叶状），初生者较厚长，横跨奥氏体晶粒、次生者尺寸较小，在初生片与A晶界之间分布，片间互成一定夹角奥氏体中wc=1~1.4%，Ms=300~100ºC，奥氏体中wc=0.3%~1%时形成板条、片状混合马氏体晶格畸变大，淬火应力大，往往存在许多显微裂纹，塑性和韧性很差5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理95.3.1钢的普通热处理工艺将钢加热到略高于或略低于临界点（Ac1、Ac3）某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺，称为退火。退火的目的：细化晶粒，改善钢的力学性能，为最终热处理做好准备；降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能；去除或改善前一道工序造成的组织缺陷或内应力，防止工件的变形或开裂。根据钢的化学成分和退火的目的不同，退火方法可分为：（1）完全退火。又称为重结晶退火，是将亚共析钢工件加热到Ac3以上30~50°C，保温一定时间后随炉缓慢冷却至600°C以下，出炉空冷至室温的热处理工艺。适用于亚共析钢成分的钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。常作为一些不重要工件的最终热处理，或作为某些重要工件的预备热处理。1.退火整体热处理是对工件整体进行穿透加热的热处理工艺，包括退火、正火、淬火和回火等。5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理105.3.1钢的普通热处理工艺（2）球化退火。是将工件加热到Ac1以上30~50°C，保温一定时间后以不大于50°C/h的速度随炉冷却，最终获得的组织为球状珠光体（球状渗碳体分布在铁素体基体上）。主要用于共析钢或过共析钢及合金工具，其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能，同时获得球化组织，为淬火做好组织准备。（3）去应力退火。又称低温退火，是将钢件随炉缓慢加热（100~150°C/h）至500~650°C，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（100~150°C/h）至300~200°C以下，出炉空冷。由于加热温度低于Ac₁，所以在去应力退火过程中钢不发生组织转变，仅消除工件因塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力。主要用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉伸件及机械加工件等的残余内应力。1.退火5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理115.3.1钢的普通热处理工艺（4）等温退火。将钢件加热到Ac3以上30~50°C（亚共析钢）或Ac1以上20~40°C（共析钢和过共析钢），保持一定时间，使其奥氏体化和奥氏体均匀化。然后放入另一温度稍低的炉中，或者在原加热炉中使钢迅速随炉冷至稍低于Ar1的温度进行等温。在等温过程中奥氏体将根据所采用等温温度的高低而转变成所需的层片厚薄适宜的珠光体或球化体。当转变完成后，即可从炉中取出空冷。对某些奥氏体比较稳定的合金钢，采用等温退火可大大缩短退火周期。退火零件的加工工艺路线：1）毛坯生产→退火→切削加工。2）毛坯生产→退火→切削加工→中间退火→切削加工。1.退火5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理125.3.1钢的普通热处理工艺将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（共析钢和过共析钢）以上30~50°C，保温后从炉中取出空冷的一种热处理工艺。正火比退火的冷却速度要快些，得到的工件组织细一些，可获得珠光体组织，力学性能高于退火处理的工件。正火的目的：细化晶粒，均匀组织，改善钢的力学性能；消除铸件、锻件和焊接件的内应力；调整硬度，以改善切削加工性能。正火工艺可用于普通结构零件的最终热处理及重要零件的预备热处理，也可用于改善低碳钢的切削加工性能。低碳钢退火状态的硬度低，切削时易“黏刀”，零件的表面质量也较差，经正火后，可适当提高其硬度，改善切削加工性能。正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度快，有引起变形开裂的危险，则采用退火为宜。正火零件的加工工艺路线：1）毛坯生产→正火→切削加工。2）毛坯生产→正火→切削加工→退火→切削加工。2.正火5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理135.3.1钢的普通热处理工艺将钢件加热到Ac1（或Ac3）以上30~50°C，保温后快速冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。其主要目的是获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。淬火是强化钢材最重要的工艺方法，淬火质量取决于淬火三要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。（1）淬火冷却介质。工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质。常用的淬火冷却介质有矿物油、水、盐浴、碱浴等，其冷却能力依次增加。其中水和油是应用最广的淬火冷却介质。（2）淬火方法。生产上常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火，整体淬火的加工工艺路线：锻造→退火或正火→粗加工、半精加工→淬火+回火→精加工。3.淬火5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理145.3.1钢的普通热处理工艺回火是将钢重新加热到Ac₁以下某一温度，保温后在空气或油中冷却到室温的热处理工艺。一般淬火件（除等温淬火）必须经过回火才能使用。根据不同的回火温度，分为低温回火、中温回火和高温回火三种。（1）低温回火（250°C以下）。低温回火得到回火马氏体组织，保持了淬火钢高的硬度（58~64HRC）和耐磨性，内应力有所降低，故韧性有所提高。低温回火主要用于高碳钢及合金工具钢制造的刀具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。（2）中温回火（250~500°C）。中温回火得到回火托氏体组织，使工件获得高的弹性极限、屈服强度和一定的韧性，硬度可达35~50HRC，主要用于弹性件及热锻模等。（3）高温回火（650°C以上）。高温回火得到回火索氏体组织，具有良好的综合力学性能（足够的强度与高韧性的配合），硬度可达25~40HBW。生产上常把淬火加高温回火的复合热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变载荷下工作的轴类、连杆、螺栓、齿轮等零件。4.回火因为调质处理后，钢的组织是回火索氏体，其中渗碳体呈粒状，而正火后的组织为细片状珠光体，其中的渗碳体为片状，因此重要的结构零件应进行调质处理。5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理155.3.2钢的表面热处理工艺表面淬火是一种不改变表层化学成分，而只改变表层组织的局部热处理方法。它是利用快速加热使钢件表层迅速达到淬火温度，不等热量传到心部就立即淬火冷却，从而使表层获得马氏体组织，心部仍为原始组织。（1）感应淬火。利用电磁感应原理，在工件表面产生涡流，使工件表面快速加热而实现表面淬火的工艺方法。基本原理：把工件放入空心铜管绕成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，产生交变磁场；工件表面产生频率相同、方向相反的感应电流（涡流）。这种感应电流在工件中分布是不均匀的，表面电流密度最大，而中心电流密度几乎为零；电流频率越高，电流密度极大的表层越薄。由于工件表面具有电阻，集中于工件表面的电流可使工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍接近于室温，随后立即喷水快速冷却，使工件表面淬硬。1.钢的表面淬火表面热处理是对工件表层进行快速加热和冷却，改变表层组织和性能的热处理工艺，包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触加热表面淬火和激光加热表面淬火等5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理165.3.2钢的表面热处理工艺主要用于中碳钢和中碳合金钢（如45钢、40Cr、40MnB等），也可用于工具钢和合金工具钢等。通常，表面淬火前应先进行正火或调质处理，以保证对工件心部性能的要求。感应淬火后，为了降低淬火应力，保持高的硬度和耐磨性，要进行低温回火（180~200°C）。对于形状简单、大量生产的工件可利用其淬火余热进行自热回火（亦称自回火）。感应淬火的基本原理如图所示1.钢的表面淬火感应淬火原理图5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理175.3.2钢的表面热处理工艺（2）火焰淬火。利用乙炔-氧或其他可燃气体火焰（温度约3000°C以上），将工件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却的热处理工艺。火焰淬火的淬硬层深度一般为2~8mm。具有设备简单，淬火速度快，变形小等优点，适用于单件或小批量生产的大型零件和需要局部淬火的工具或零件，如大型轴、齿轮、轨道和车轮等。由于零件表面有不同程度的过热，淬火质量控制较难，因而使用上有一定的局限性。1.钢的表面淬火火焰淬火示意图5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理185.3.2钢的表面热处理工艺将工件置于适当的活性介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的类别，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。化学热处理的主要目的：除提高钢件表面硬度、耐磨性以及疲劳极限外，也用于提高零件的耐蚀性、抗氧化性，以代替昂贵的合金钢。（1）渗碳。将工件放在渗碳性介质中，使其表面层渗入碳原子的一种化学热处理工艺称为渗碳。渗碳钢都是碳的质量分数为0.10%~0.25%的低碳钢和低碳合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、20SiMnVB等。渗碳层深度一般都为0.5~2.5mm。渗碳热处理适用于表面要求高硬度、高耐磨性，而心部要求高韧性的零件，如齿轮、轴类、活塞销、凸轮等。根据渗剂的不同，渗碳方法可分为固体渗碳、气体渗碳和液体渗碳三种。2.钢的化学热处理5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理195.3.2钢的表面热处理工艺（2）渗氮。向钢件表面渗入氮原子，形成含氮硬化层的化学热处理过程。渗氮目的是提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及热硬性。渗氮适用于耐磨性和精度都要求较高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件。常用的渗氮钢有35CrMo、38CrMoAl、38CrNiW等，常用的零件有精密机床主轴、镗床镗杆、精密丝杠、发动机的气缸、排气阀、高精度传动齿轮等。渗氮有气体渗氮、离子渗氮等工艺方法。加工工艺路线：毛坯锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加工→渗氮。（3）碳氮共渗/氮碳共渗。碳氮共渗/氮碳共渗是向钢的表面同时渗入碳和氮的过程，以渗碳为主的称为碳氮共渗，以渗氮为主的称为氮碳共渗。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体氮碳共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。2.钢的化学热处理5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理205.3.2钢的表面热处理工艺中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度。所用的钢大多为低碳钢、中碳钢或合金钢，如20CrMnTi。主要用于汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件。低温气体氮碳共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。碳钢、合金钢、铸铁及粉末冶金材料均可进行低温气体氮碳共渗处理。主要应用于模具、量具、刃具以及耐磨、承受弯曲疲劳的结构件。碳氮共渗/氮碳共渗具有时间短、生产率高、表面硬度高、变形小等优点，但共渗层较薄。2.钢的化学热处理5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理215.3.3热处理新技术可控气氛热处理是指在成分可控的炉气中进行的热处理。其目的是：防止工件加热时产生氧化、脱碳等现象，提高工件表面质量；有效地进行渗碳、碳氮共渗等化学热处理；对脱碳的工件施行复碳等；通过建立气体渗碳数学模型和计算机碳势优化控制以及碳势动态控制，在气体渗碳中实现渗层浓度分布的优化控制、层深的精确控制和生产率的提高，取得重大效益。1.可控气氛热处理2.真空热处理在真空度低于1×105Pa（通常是10-3~10-1Pa）环境中加热的热处理工艺称为真空热处理，主要包括真空淬火、真空退火、真空回火等。真空热处理的优点是：可大大减少工件的氧化和脱碳；升温速度慢，工件截面温差小，热处理变形小；表面氧化物、油污在真空加热时分解，被真空泵排出，使得工件表面光洁美观，提高了工件的疲劳强度、耐磨性和韧性；工艺操作条件好，易实现机械化和自动化，节约能源，减少污染。真空热处理的缺点是设备较复杂，价格昂贵。目前真空热处理主要用于工、模具和精密零件的热处理。5.3钢的热处理工艺机械制造基础第5章钢的热处理225.3.3热处理新技术可形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合起来，获得形变强化和相变强化综合效果的复合工艺。此工艺能获得单一强化方法所不能得到的优异性能（强韧性），此外还能简化工艺，节约能源、设备，减少工件氧化和脱碳，提高经济效益和产品质量。形变热处理方式很多，有低温形变热处理、高温形变热处理、等温形变热处理、形变化学热处理等。以低温形变热处理为例，将工件加热至奥氏体状态，保温一定时间后，迅速冷至Ar₁至Ms点之间的某一温度进行形变，然后立即淬火、回火。力。它主要用于强度要求极高的工件，如高速钢刀具、模具、轴承、飞机起落架及重要弹簧等。3.形变热处理4.激光热处理激光热处理是利用高能量密度的激光束扫描照射工件表面，以极快的加热速度迅速加热至相变温度以上，停止照射后，依靠工件自身传导散热迅速冷却表层而进行自行淬火。激光热处理加热速度快，加热区域准确集中，不需淬火冷却介质而能自行淬火。采用激光热处理后工件表面光洁，变形极小，表面组织晶粒细小，硬度和耐磨性好，还能对复杂形状工件及微孔、沟槽、不通孔等部位进行淬火热处理。5.4钢铁表面防护处理机械制造基础第5章钢的热处理23电镀是利用电解池原理在机械制品上沉积出附着良好的但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的耐蚀性（镀层金属多采用耐腐蚀的金属），增加硬度，防止磨耗，提高导电性、光滑性、耐热性，以及使表面美观。常用的有镀铜、镀镍、镀金、镀钯镍、镀锡铅、镀银、镀铬等。1.钢铁的电镀电镀是利用电解池原理在机械制品上沉积出附着良好的但性能和基体材料不同的金属覆层的技术。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。2.钢铁的化学镀又称无电解镀或者自催化镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。化学镀具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。由于化学镀废液排放少，对环境污染小，成为一种环保型的表面处理工艺。化学镀技术已在电子、阀门制造、机械、石油化工、汽车、航空航天等工业中得到广泛的应用。5.4钢铁表面防护处理机械制造基础第5章钢的热处理24钢铁零件表面氧化处理，也称发蓝。经氧化处理形成的氧化膜结构致密、色泽美观、结合牢固，广泛应用于光学仪器、军用物品、标准件以及一些不适于刷油漆、电镀的精密器件上，是金属材料防腐的有效方法之一。通常钢铁零件的氧化处理有化学方法和电化学方法。化学方法又分为碱性发蓝、酸性发蓝和蒸汽发蓝等。还可以按温度高低将氧化工艺分为高温发蓝、常温发蓝等。3.氧化处理（发蓝）将工件浸入磷酸盐溶液中，使工件表面获得一层不溶于水的磷酸盐薄膜的工艺称为