《金属工艺学基础》-《金属工艺学基础》-项目3

项目三钢的热处理任务３－１钢的热处理的认知任务３－２钢的普通热处理任务３－３钢的表面热处理任务３－４零件常见热处理缺陷分析及预防措施返回任务３－１钢的热处理的认知一、钢的热处理的基本概念钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。钢的热处理工艺曲线如图３.２所示。二、钢在加热和冷却时的组织转变金属或合金在加热和冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。Ｆｅ－Ｆｅ３Ｃ相图相变点Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是碳钢在极缓慢加热或冷却情况下测定的。下一页返回任务３－１钢的热处理的认知但在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的，因此，钢的实际相变点都会偏离平衡相变点，即：加热转变相变点在平衡相变点上，而冷却转变相变点在平衡相变点以下。随着加热和冷却速度的增加，相变点的偏离将逐渐增大。通常把实际加热温度标为Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ，实际冷却温度标为Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ，如图３.３所示。（一）钢在加热时的转变钢加热到Ａｃ１点以上时会发生珠光体向奥氏体的转变，加热到Ａｃ３和Ａｃｃｍ以上时，便全部转变为奥氏体，这种加热转变过程称为钢的奥氏体化。上一页下一页返回任务３－１钢的热处理的认知（二）钢在冷却时的组织转变冷却是热处理的重要工序，钢的常温性能与冷却后的组织直接有关。钢在不同的过冷度下转变为不同的组织，包括平衡组织和非平衡组织。热处理冷却方式通常有两种，即等温冷却和连续冷却，所谓等温转变是指将奥氏体化的钢件迅速冷却至Ａｒ１以下某一温度并保温，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却至室温；连续冷却则是将奥氏体化的钢件连续冷却至室温，并在连续冷却过程中发生组织转变，可采用水冷、油冷、炉冷和空冷，如图３.５所示。上一页返回任务３－２钢的普通热处理普通热处理是将工件整体进行加热、保温和冷却，以使其获得均匀的组织和性能的一种操作。它包括退火、正火、淬火和回火。一、钢的退火钢的退火是将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（一般随炉冷却）进行冷却的一种操作。其目的是消除钢的内应力、降低硬度、提高塑性、细化组织及均匀化学成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。根据的成分、组织状态和退火目的不同，退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火等。下一页返回任务３－２钢的普通热处理二、钢的正火将工件加热到Ａｃ３或Ａｃｃｍ以上３０℃～５０℃，保温后从炉中取出在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火与退火的区别是冷速快，组织细，强度和硬度有所提高。当钢件尺寸较小时，正火后组织为Ｓ，而退火后组织为Ｐ。钢的退火与正火工艺曲线如图３.９和图３.１０所示。正火的应用：①用于普通结构零件，作为最终热处理，细化晶粒以提高机械性能。②用于低、中碳钢，作为预先热处理，以得到合适的硬度，便于切削加工。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理③用于过共析钢，消除网状Ｆｅ３ＣⅡ，有利于球化退火的进行。三、钢的淬火１.淬火的目的淬火是指将钢件加热到Ａｃ３或Ａｃ１以上３０℃～５０℃，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度冷却（一般为油冷或水冷），从而得到马氏体的一种操作。淬火的目的是获得马氏体。但淬火必须与回火相配合，否则淬火后得到了高硬度、高强度，但韧性、塑性低，不能得到优良的综合机械性能。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理２.钢的淬火工艺淬火是一种复杂的热处理工艺，是决定产品质量的关键工序之一（淬火后要得到细小的马氏体组织，又不至于产生严重的变形和开裂），必须根据钢的成分和零件的大小、形状等，结合Ｃ曲线合理地确定淬火加热和冷却方法。３.钢的淬透性（１）淬透性和淬硬性的概念所谓淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层的能力。淬硬层一般规定为工件表面至半马氏体（马氏体量占５０％）之间的区域，它的深度叫淬硬层深度。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理不同的钢在同样的条件下淬硬层深度不同，说明不同的钢淬透性不同，淬硬层较深的钢淬透性较好。淬硬性是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得的马氏体组织所能达到的最高硬度。钢的淬硬性主要取决于马氏体的含碳量，即取决于淬火前奥氏体的含碳量。淬透性好，淬硬性不一定好；同样，淬硬性好，淬透性亦不一定好。（２）影响淬透性的因素①化学成分。Ｃ曲线距纵坐标越远，淬火的临界冷却速度越小，则钢的淬透性越好。对于碳钢，钢中含碳量越接近共析成分，其Ｃ曲线越靠右，临界冷却速度越小，则淬透性越好，即亚共析钢的淬透性随含碳量增加而增大，过共析钢的淬透性随含碳量增加而减小。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理除Ｃｏ和Ａｌ以外的大多数合金元素都使Ｃ曲线右移，使钢的淬透性增加，因此合金钢的淬透性比碳钢好。②奥氏体化的条件。奥氏体化温度越高，保温时间越长，所形成的奥氏体晶粒也就越粗大，使晶界面积减少，这样就会降低过冷奥氏体转变的形核率，不利于奥氏体的分解，使其稳定性增大，淬透性增加。（３）淬透性的应用淬透性是机械零件设计时选择材料和制定热处理工艺的重要依据。钢材淬透性不同的，淬火后得到的淬硬层深度不同，所以沿截面的组织和机械性能差别很大。机械制造中截面较大或形状较复杂的重要零件，以及应力状态较复杂的螺栓、连杆等零件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性较好的钢材。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理受弯曲和扭转力的轴类零件，截面上的应力分布不均匀，其外层受力较大，芯部受力较小，可考虑选用淬透性较低的、淬硬层较浅（如为直径的１／３～１／２）的钢材。有些工件（如焊接件）不能选用淬透性高的钢件，否则容易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊缝变形和开裂。四、钢的回火１.钢的回火及回火的目的工件淬火后通常获得马氏体加残余奥氏体组织，这种组织不稳定，存在很大的内应力，因此必须回火。回火是指将淬火钢重新加热到Ａ１点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理回火的目的是降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，使组织趋于稳定并获得所需要的性能。２.淬火钢在回火时组织和性能的变化淬火钢在回火过程中，随着加热温度的提高，原子活动能力增大，其组织相应发生以下四个阶段性的转变：①第一阶段（室温～２５０℃）：马氏体开始分解。在这一温度范围内回火时，由淬火马氏体中析出薄片状细小的碳化物，使马氏体中碳的过饱和度降低。通常把这种马氏体和细小碳化物的组织称为回火马氏体［图３.１３（ａ）］。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理②第二阶段（２３０℃～２８０℃）：残余奥氏体分解。在马氏体分解的同时，降低了残余奥氏体的压力，使其转变为下贝氏体。此阶段转变后的组织是下贝氏体和回火马氏体，也称为回火马氏体。③第三阶段（２６０℃～３６０℃）：马氏体分解完成和渗碳体的形成。这一阶段马氏体继续分解，直到过饱和的碳原子几乎全部由固溶体内析出。与此同时，细小碳化物转变成极细的稳定的渗碳体。此阶段后的回火组织为尚未结晶的针状铁素体和细球状渗碳体的混合组织，称为回火托氏体［图３.１３（ｂ）］。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理④第四阶段（４００℃以上）：α固溶体的恢复与再结晶和渗碳体的聚集长大。回火温度超过４００℃时，具有平衡浓度的α相开始恢复，５００℃以上时发生再结晶，从针叶状转变为多边形的粒状，在这一恢复再结晶的过程中，粒状渗碳体聚集长大成球状，即在５００℃以上（５００℃～６５０℃）得到粒状铁素体和球状渗碳体的混合组织，称为回火索氏体［图３.１３（ｃ）］。３.回火的方法及应用钢的回火按回火温度范围可分为以下三种：上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理（１）低温回火低温回火的温度范围为１５０℃～２５０℃。回火后的组织为回火马氏体。内应力和脆性有所降低，但保持了马氏体的高硬度和高耐磨性。低温回火主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工具、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的零件。（２）中温回火中温回火的温度范围为３５０℃～５００℃，回火后的组织为回火托氏体，具有一定的韧性和较高的弹性极限及屈服强度。中温回火主要应用于各类弹簧和模具等。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理（３）高温回火高温回火的温度范围为５００℃～６５０℃，回火后的组织为回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。高温回火广泛应用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构零件，如轴、连杆、螺栓等。４.回火脆性钢在某一温度范围内回火时，其冲击韧度比较低温度回火时反而显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。在２５０℃～３５０℃温度范围内出现的回火脆性称为第一类回火脆性。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理这类回火脆性无论是在碳钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加热到此温度范围内回火，都无法避免，故又称“不可逆回火脆性”。防止的办法常常是避免在此温度范围内回火。在５００℃～６００℃温度范围内出现的回火脆性称为第二类回火脆性，部分合金钢易产生这类回火脆性。这类回火脆性如果在回火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完全消除，因此这类回火脆性又称为“可逆回火脆性”。上一页下一页返回任务３－２钢的普通热处理五、钢的调质处理在生产上通常将淬火与高温回火相结合的热处理称为“调质处理”。调质处理在机械工业中得到广泛应用，主要用于承受交变载荷作用下的重要结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类等。应当指出，工件回火后的硬度主要与回火温度和回火时间有关，而与回火后的冷却速度关系不大。因此，在实际生产中，工件出炉后通常采用空冷。调质处理可作为最终热处理，但由于调质处理后钢的硬度不高，便于切削加工，并能得到较好的表面质量，故也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。上一页返回任务３－３钢的表面热处理一些在弯曲、扭转、冲击载荷、摩擦条件区工作的齿轮等机器零件，它们要求具有表面硬、耐磨，而芯部韧性好，能抗冲击的特性，仅从选材方面考虑是很难达到此要求的。如用高碳钢，虽然硬度高，但芯部韧性不足；若用低碳钢，虽然芯部韧性好，但表面硬度低，不耐磨，所以工业上广泛采用表面热处理来满足上述要求。一、钢的表面淬火仅对工件表层进行淬火的工艺，称为表面淬火。它是利用快速加热使钢件表面奥氏体化，而中心尚处于较低温度即迅速予以冷却，表层被淬硬为马氏体，而中心仍保持原来的退火、正火或调质状态的组织。下一页返回任务３－３钢的表面热处理表面淬火一般适用于中碳钢（ｗＣ＝０.４％～０.５％）和中碳低合金钢（４０Ｃｒ、４０ＭｎＢ等），也可用于高碳工具钢、低合金工具钢（如Ｔ８、９Ｍｎ２Ｖ、ＧＣｒ１５等）以及球墨铸铁等。目前应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。二、钢的化学热处理化学热处理是指将工件置于活性介质中加热和保温，使介质中活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构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、氮化、碳氮共渗等。上一页返回任务３－４零件常见热处理缺陷分析及预防措施

一、氧化和脱碳当加热介质是空气或熔盐时，钢表层的铁和碳与加热介质中的氧气、二氧化碳和水蒸气等在高温下发生化学反应，形成铁和碳的氧化物，这种现象称为氧化。与此同时，工件表层的碳由于被氧化而从钢件表面逸出，因而降低了表层含碳量，这种现象称为脱碳。氧化会降低零件尺寸精度和表面光泽度，影响淬火质量；脱碳会使表面硬度、耐磨性降低，同时使疲劳强度大为降低。过分氧化、脱碳会使零件报废。为防止氧化和脱碳，可采用以下措施：①隔绝加热的工件，不与炉气接触，为了控制炉气中氧化性气体的含量，通入保护性气体使炉内为中性气氛。下一页返回任务３－４零件常见热处理缺陷分析及预防措施

②在工件表面敷防氧化涂料，如硼砂、石墨粉、玻璃粉、耐火黏土等。③高级合金钢及精密零件在真空中采用无氧化加热。二、过热和过烧由于加热温度过高或保温时间过长，导致晶粒显著粗化的现象，称为过热。过热的结果是淬火后得到粗针马氏体，脆性增加，疲劳强度降低。对于过热不严重的工件，碳素结构钢及合金结构钢一般应经一次正火或退火后再次加热重新淬火。对于高碳钢和合金工具钢，则应通过退火、正火多次处理，然后按正确的淬火工艺重新淬火。上一页下一页返回任务３－４零件常见热处理缺陷分析及预防措施

如果钢的加热温度远远超过了正常的加热温度，以致沿晶界出现熔化和氧化的现象，称为过烧。钢的过烧组织晶粒极为粗大，在晶界上有氧化物网络，力学性能急剧恶化，此种缺陷已无法挽救，应绝对避免。三、硬度不足及软点当淬火温度过低，保温时间过短，淬火冷却速度不够或回火温度过高，以及加热后表面脱碳时都会造成零件硬度不足。淬火局部地区氧化皮未爆开，零件淬火冷却剂使用方式不对，局部脱碳以及淬火后在冷却剂内相对运动不够等，都会在零部件表面产生许多未被淬硬的小区域，这些小区域叫软点。上一页下一页返回任务３－４零件常见热处理缺陷分析及