钢的热处理工艺.ppt

1、钢的热处理工艺,王德宝,马钢技术中心检验技术研究所,第一部分 钢中各种组织和相,第三部分 钢的退火与正火,第四部分 钢的淬火与回火,第二部分 热处理原理概述,第五部分 其他类型热处理,内容概要,第一部分 钢中各种组织和相,1. 铁素体 强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性，性能和纯铁几 乎相同。 2. 珠光体 铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，即铁素 体和渗碳体机械混合物，性能其力学性能介于铁素体与渗碳体 之间，决定于珠光体片层间距。 3. 渗碳体 冷却转变时析出的Fe3C型碳化物。含碳量为6.69，其硬度很 高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极 大。形 态呈

2、片状、粒状、网状或板状 4.奥氏体 钢在高温下的组织，塑性好，强度较低，具有一定韧性，容易塑 性变形加工成型。,5.马氏体 碳溶于-Fe的过饱和的固溶体,它由奥氏体转变而来，特点是 硬度高，强度高，比容大，冲击韧性低。常用碳钢的淬火，就 是将材料中部分金相结构变成马氏体的过程,易产生淬火应力。 6. 屈氏体和索氏体 屈氏体和索氏体组织属于珠光体类型的组织，但其组 织比珠光体组织细，铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织组 成，具有良好的综合机械性能。 7. 贝氏体 钢在奥氏体化后被过冷到珠光体转变温度区间以下，马氏体 转变温度区间以上这一中温度区间转变而成的,由铁素体及其内 分布着弥散的碳化物所形

3、成的 亚稳组织 。可分为粒状贝氏体、 上贝氏体和下贝氏体。,第二部分 热处理原理概述,1. 热处理及其作用,热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一定的时间，然后以预定的方式冷却到室温的一种热加工工艺,由加热、保温和冷却三个基本环节组成的,热处理的作用： 改善材料工艺性能和使用性能，充分挖掘材料的潜力，延长零件的使用奉命。还可消除材料经铸造、锻造、焊接等热加工造成的各种缺陷、消除偏析、降低内应力等作用。 最终热处理： 在生产过程中，工件经切削加工等成形工艺而得到最终形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理称为最终热处理。 预备热处理： 热加工后，为随后的冷拔、冷冲压和切削加工或最

4、终热处理作好组织准备的热处理，同时消除先前加工所造成的某些缺陷，称为预备热处理。 毛坯（铸、煅）预先热处理切削加工最终热处理,2、实际加热、冷却条件下的临界温度 加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm； 冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。,3.钢在加热时的转变,钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。因此钢加热的主要目的是获得奥氏体组织。 钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变或奥氏体

5、化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。,4.钢在冷却时的转变,（1）等温冷却 是把加热到A状态的钢，快速冷却到 低于Ar1某一温度，等温一段时间， 使A发生转变，然后再冷却到室温。 （2）连续冷却 把加热到A状态的钢，以不同的冷却 速度（空冷，随炉冷，油冷，水冷） 连续冷却到室温。,4.1 等温转变（等温冷却）,等温转变,高温转变 又称珠光体型转变（A1550），由于奥氏体向珠光体转变温度不同，珠光体中铁素体及渗碳体片厚度不同，分为三种：珠光体、索氏体、屈氏体。

6、三者均属于珠光体型组织，三者并无本质差别，只是片层厚度不同。,中温转变 又称贝氏体转变（550MS），由于奥氏体向贝氏体转变温度不同，可分为上贝氏体和下贝氏体。,低温转变 又称马氏体转变，马氏体实质为碳在-Fe中的过饱和固溶体。属于非扩散行转变。,共析碳钢 TTT 曲线的分析,稳定的奥氏体区,过冷奥氏体区,A向产 物转变开始线,A向产物 转变终止线,A + 产 物 区,产物区,A1550;高温转变区; 扩散型转变;P 转变区。,550230;中温转变 区;半扩散型转变; 贝氏体( B ) 转变区;,230 - 50;低温转 变区;非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。,4.2 连续转变（

7、连续冷却）,在实际生产中，如一般的退火、正火、淬火等，过冷奥氏体的转变大多数在 连续冷却过程中完成的。,特点（1）奥氏体转变在一定的温度范围内进行的， 因此转变产物可能不完全一致。 （2）孕育期变长。 （3）等温转变图的上半部分，没有下半部分， 即连续冷却转变不形成单一贝氏体组织。 等温转变曲线是研究同一温度下组织的变化，而连续冷却转变曲线可以定性和定量显示出不同冷却速度下所获得的金相组织的变化。这对于制定大件的热处理工艺有着重要的作用，,退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的速度(炉冷）冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态组织的热处理工艺。,1.退火,第三部分 钢的退火与正火,

8、退火目的: 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。 均匀组织、细化晶粒，为最终热处理（淬火）作组织准备。 (4)对一些受力不大、性能要求不高的机器零件，可作为最终热处理,完全退火 2.等温退火 3.不完全退火 4.扩散退火 5.球化退火,退火工艺的分类:,（1）完全退火 AC3以上20-30 ，适用于亚共析钢。 其目的是 细化晶粒，在批量生产中使零件的原始组织均一。 消除内应力、降低硬度以改善切削加工性能。 过共析钢不适于完全退火！,不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是消除内应力和降低硬度，加热温度为Ac1+(

9、4060)，保温后缓慢冷却。,（2）不完全退火 不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1Ac3或Ac1Acm之间温度，达到不完全奥氏体化，即得到奥氏体加未溶碳化物或铁素体，随之缓慢冷却的退火工艺。,（3）等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温”的含义是，以较快的速度冷却到Ar1以下某一温度，保温一定时间使奥氏体转变为珠光体组织，然后空冷。即发生珠光体转变时是在Ar1以下珠光体转变区间的某一温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。,（4）球化退火 球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种

10、组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。球化退火的目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。获得粒状珠光体。球化退火的加热温度一般为Ac1以上2030。,（5）均匀化退火（扩散退火） 目的: 消除化学成分不均匀现象 扩散退火的特点:加热温度高（一般在Ac3或Accm以上150300），保温时间长（10h以上）。因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火处理。,（6）去应力退火 一般是将工件随炉缓慢加热至500650，低于Ac1温度，整个过程不发生相变，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300200以下出炉。 主要用来消除因变形加工及铸造

11、、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。,（7）再结晶退火 冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处理工艺称为再结晶退火。 其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。一般钢材的再结晶退火温度为650-700。,2.正火 将钢加热到Ac3(或ACcm)以上3050，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热 处理工艺称为正火。由于正火将钢加热到完全奥氏体化状态，使钢中原始组织的缺陷基本消除，然后再控制以适当的冷却速度，所以故珠光体的片层间距较小，正火得到以索氏体为主的组织。 正火与退火两者的目的基本相

12、同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢组织比较细，它的强度、硬度比退火钢高。,正火的应用,1、改善低碳钢的切削加工性能； 2、消除中碳钢的热加工缺陷； 3、消除过共析钢的网状碳化物，便于 球化退火； 4、提高普通结构件的力学性能。,3、退火和正火的选用,退火或正火工艺的选择应当根据钢种，冷、热加工工艺，零件的使用性能和经济性综合考虑,1、C% 0.25%低碳钢通常采用正火替代退火,2、c =0.25% 0.5%的中碳钢也可用正火 代替退火,4、c =0.75%以上的高碳钢或工具钢一般采 用球化退火作为预备热处理。若有网状 二次渗碳体存在，则应进行正火消除。,3、c =0.5% 0.75%的钢

13、采用完全退火,随着钢中碳和合金元素增加，过冷奥氏体稳定性增加，因此，正火后硬度高，不利于切削加工，应采用完全退火。 对于合金元素特别高的钢，应采用高温回火来消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。,另外，从使用性能的角度，若零件的受力不大，性能要求不高，不必进行淬火或回火，正火（最终热处理）即可提高钢的力学性能。,从经济性原则考虑，正火的生产周期短，操作简单，工艺成本低，在满足使用和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。,第四部分 钢的淬火与回火,1、淬火 大部分机器零件的最终热处理都是淬火和回火，因为只有通过淬火和随后的回火 ，才能使零件具备它们必要的使用性能。将钢加热到Ac1或Ac3以上

14、，保温一定时间，然后快速（大于临界冷却速度）冷却以获得马氏体（下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。 目的 是使过冷奥氏体进行马氏体(或下贝氏体)型转变，得到马氏体或下贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，获得所需的力学性能。,2.淬火应力,淬火后工件的形状，尺寸都会发生变化，有的甚至产生淬火裂纹-淬火应力，包括组织应力和热应力。 当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂,3.淬火加热温度 淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上3050；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以

15、上3050。,4.淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。,5.淬火方法 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。,单液淬火： 在一种冷却剂中淬火的方法； 双液淬火： 在两种冷却剂中淬火的方法。 分级淬火： 将工件从淬火温度直接冷却到M点以上某一温 度，经适当时间的保温，然后取出空冷或油冷， 以获得马氏体。 等温淬

16、火： 是将工件自加热炉中取出，在淬火需要温度的盐 浴或油浴中淬火，并使其等温转变为所需要的组 织。,6.钢的淬透性,钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）来表示。,淬透性定义:,淬透性和淬硬性的区别:,淬硬性：指钢在理想条件下淬火得到马氏体后所能达到的最 高硬度，它取决于马氏体中碳的含量。,淬透性： 指钢在淬火时获得淬硬深度(马氏体）的能力， 是钢本身固有的属性。淬透性采用淬硬深度来表 示： 淬硬深度：从淬硬的工件表面至50%马氏体组织的垂直距 离定为淬硬深度。淬透性越好，淬火获得的淬硬 深度越大。,钢的淬透性用JHRC-d 表

17、示，其中d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（mm）,HRC为该处的硬度值。,J 表示末端淬透性,淬透性可用“末端淬火法”测定。-GB227,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。,二、回火 将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。 淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的

18、强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。,1.低温回火 低温回火的温度范围在150250之间。回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。 2.中温回火 回火温度范围为350500之间，回火后的组织为回火屈氏体。中温回火后具有高的弹性极限，所以主要用于各种弹簧件。,3.高温回火 回火温度范围为500650之间，得到回火索氏体组织。高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学性能。一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。适用于中碳结

19、构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。,三.淬火加热缺陷及防止,1.过热,2.过烧,3.氧化,4.脱碳,由于加热温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷,淬火加热温度太高造成奥氏体晶界出现局部熔化或发生氧化的现象,淬火加热时工件与周围的氧等发生的化学反应,淬火加热时，钢中的碳与空气中的氧等发生反应生成含碳气体逸出,第五部分 其他类型热处理,钢的表面热处理,化学热处理,形变热处理,（一）钢的表面淬火 表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。（火焰表面淬火）,感应加热是利用电磁感应原

20、理。 感应加热表面淬火的特点： 淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，表层硬度比普通淬火高23HRC。 表层存在很大的残余压应力。 无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。 易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170200低温回火。,（二）钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。基本过程：化学介质的分解；活性原子被钢件表面吸收和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。,1钢的渗碳 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬