第4章热处理与表面工程技术.ppt

1、第4章 热处理与表面工程技术 第一节 钢的热处理 钢的热处理（Heat Treatment）是指将钢在固态下加热到一定的温度，保温一段时间，并以适当的速度冷却至室温，以改变钢的内部组织，从而得到所需性能的工艺方法。 表3-1是45钢热处理前后的性能对比。 热处理过程一般包括加热、保温、冷却几个阶段。当工件加热和冷却时，实际相变往往偏离Fe-Fe3C状态图中的相变温度，而是在一定过热和过冷的情况下进行，如Ar1、Ar3、Arcm等,如图3-1所示。,第三章 热处理与表面工程技术,一、钢在加热和冷却时的组织转变 （一）钢在加热时的组织转变 下面以共析钢为例讨论钢在加热过程中奥氏体的形成过程，如图3

2、-2所示。,第一节 钢的热处理,(二)钢在冷却时的组织转变 钢的热处理工艺有两种冷却方式。 1连续冷却 连续冷却就是使加热到奥氏体的钢，在温度连续下降的过程中发生组织转变。 2等温冷却 等温冷却就是使加热到奥氏体的钢，先以较快的冷却速度冷至A1线以下一定的温度，这时奥氏体尚未转变，但成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温状态下发生组织转变。转变完成后再冷却到室温。 共析钢的奥氏体等温转变曲线，如图3-3所示。,第一节 钢的热处理,共析钢过冷奥氏体等温转变的产物大致可分为三个类型: (1)高温转变产物 过冷到A1-650之间后转变得到的组织为珠光体;过冷到650-600之间后转变得到的组织

3、为索氏体，又称细珠光体;过冷到600-550之间后转变得到的组织为托氏体，又叫极细珠光体。 (2)中温转变产物 如果将过冷到550-350之间后转变而得到的组织叫上贝氏体，过冷到350-230之间后转变而得到的则为下贝氏体。 (3)低温转变产物 共析钢奥氏体过冷到230（Ms）时，开始转变为马氏体，随着温度下降，马氏体逐渐增多，过冷奥氏体不断减少，直至-50(Mf)时，过冷奥氏体才转变完了。,第一节 钢的热处理,二、钢的热处理工艺 钢件最常用的热处理工艺为退火、正火、淬火、回火及表面热处理。 (一)钢的退火(annealing)和正火(normalizing)各种退火、正火方法的加热温度范围如

4、图3-4所示。 1.退火 退火是将钢材或钢件加热到适当温度，保温一定时间，随后缓慢冷却以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。 完全退火 将钢材或钢件加热至AC3以上20-30，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。,第一节 钢的热处理,球化退火 球化退火是不完全退火的一种。将过共析钢加热到AC1 +（1020），保温一定时间后缓慢冷却，使过共析钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。 均匀化退火 均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。 去应力退火 又称低温退火。即将钢加热至低

5、于AC1的某一温度 (一般为500-600)，经保温后缓慢冷却。 再结晶退火 把这类钢加热到再结晶温度以上150-250，即650-750，保温后空冷。,第一节 钢的热处理,2. 正火 正火是将钢加热到AC3(或Accm )以上30-50，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。,第一节 钢的热处理,（二）淬火(quenching)与回火(tempering) 1淬火 将钢加热到AC3(亚共析钢)或AC1（过共析钢）以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫淬火。 常用的淬火方法有下列几种: (1)单介质淬火 将加热到奥氏体状态的工件，在温度低于工件

6、材料的上马氏体点 (Ms点)的一种淬火介质中连续冷却下来以形成马氏体的淬火方法 (如图3-5中曲线l所示)。 (2)双介质淬火 先将加热到奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度，再立即转人冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变 (见图3-5曲线2)。,第一节 钢的热处理,(3)喷液淬火 它是向工件喷射急速水流的淬火方法。 (4)分级淬火 将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变 (见图3-5曲线3)。 (5)等温淬火 钢材或钢件加热奥氏体化，随之快冷到贝氏体转变温度区间(260-

7、400)保持等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺 (见图3-5曲线4)。,第一节 钢的热处理,2回火 回火是将淬火后的钢加热到A1以下温度，保温一段时间，然后置于空气或水等介质中冷却的热处理工艺。 (1)低温回火 低温回火温度约为l50-250，回火组织为回火马氏体。 (2)中温回火 中温回火温度一般在350-500之间，回火的组织为回火托氏体。 (3)高温回火与调质处理 高温回火温度约为500-650，回火组织为回火索氏体。,第一节 钢的热处理,三、其它热处理 1.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的热处理方法。 (1)感应加热表面淬火法

8、(2)火焰加热表面淬火 2.化学热处理 将金属工件放人一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺叫做化学热处理。 根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 3.形变热处理 形变热处理是将塑性变形和热处理工艺有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。,第一节 钢的热处理,第二节 金属间化合物材料的热处理 Fe3Al金属间化合物是一种新金属材料 。 由Fe-Al合金相图知(见图3-6) ，对于含2530（at）Al的Fe-Al合金，高温时为无序相，随着温度降低，在750950温度范围可转变为B2相，在550温度左右可再次转变为

9、D03相(见图3-7) 。由于Fe3Al合金在不同温度结构不同，有序程度各异，材料的性能与可加工性将会发生大的变化。 表3-2、表3-3 与图3-8为Fe3Al合金淬火处理前后试验所得数据。由上述结果可知： 1.试样在900以下淬火热处理后，硬度下降明显，说明淬火处理对Fe3Al结构有明显控制作用。与钢材淬火热处理效果刚好相反。 2.与硬度表现出的特点相似，淬火后材料抗压强度明显下降。,第二节 金属间化合物材料的热处理,第三节 非金属材料热处理 一、玻璃的热处理 1.玻璃的退火 玻璃的退火工艺一般包括加热、均热、慢冷和快冷四个阶段，如图3-9 所示。 2.玻璃的晶化退火 是将非晶态的原始玻璃经

10、过适当的退火后产生部分结晶态组织的热处理工艺。图3-10和表3-4分别是主晶相为四硅酸氟云母晶体的玻璃陶瓷晶化温度与晶化率和材料力学性能的影响 。 3.玻璃的淬火 玻璃的淬火又称物理钢化，是指将玻璃制品加热至转变温度Tg以上50-60，然后在冷却介质中急速均匀冷却的过程。,第三节 非金属材料热处理,二、陶瓷的热处理 1.陶瓷材料的退火 图3-11是氧化锆增韧莫来石（ZTM）复相陶瓷在氮气中退火工艺与力学性能的关系；表3-5为ZTM陶瓷退火前后晶间玻璃相和弯曲强度对比。 2.陶瓷材料的化学热处理,第三节 非金属材料热处理,第四节 表面工程技术 一、表面工程技术分类 二、表面工程技术简介 （一）热

11、喷涂 热喷涂技术是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，使金属、合金、金属陶瓷、氧化物、碳化物、塑料以及它们的复合材料等喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，通过高速气流使其雾化，然后喷射、沉积到经过预处理的工件表面，从而形成附着牢固的表面层的加工方法。图3-12为热喷涂原理示意图。,第四节 表面工程技术,1.热喷涂具有以下特点: (1)取材范围广,几乎所有的工程材料都可以作为喷涂材料。 (2)几乎所有固体材料都可以作为基体进行喷涂。 (3)工艺灵活, 施工范围小到10mm的内孔，大到铁塔、桥梁。 (4)喷涂层厚度可调范围大,从几十微米到几毫米，而且表面光滑，加工量少。 (5)工件受热程

12、度可以控制，热喷涂时工件受热程度可控制在30200之间，保证不改变基体的金相组织，工件不会发生畸变。 (6)比电镀生产率高。 可赋予普通材料以特殊的表面性能，可使材料满足耐磨、耐蚀、抗高温氧化、隔热等性能要求，达到节约贵重材料，提高产品质量，满足多种工程和尖端技术的需求。,第四节 表面工程技术,2.热喷涂工艺原理 喷涂层是由无数变形粒子互相交错呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构，如图3-13所示。 3.热喷涂材料 热喷涂材料的材质可分为金属及其合金、陶瓷、金属化合物、某些有机塑料、玻璃、复合材料等（见表3-6）。 4.几种不同热源的热喷涂方法 火焰喷涂 火焰喷涂的基本原理是通过乙炔、氧气喷嘴出口

13、处产生的火焰，将线材（棒材）或粉末材料加热熔化，借助压缩空气使其雾化成微细颗粒，喷向经预先处理的粗糙工件表面使之形成涂层（图3-14）。,第四节 表面工程技术,电弧喷涂 电弧喷涂的基本原理是将两根被喷涂的金属丝作自耗性电极，连续送进的两根金属丝分别与直流的正负极相连接。在金属丝端部短接的瞬间，由于高电流密度，使两根金属丝间产生电弧，将两根金属丝端部同时熔化，在电源作用下，维持电弧稳定燃烧；在电弧发射点的背后由喷嘴喷射出的高速压缩空气使熔化的金属脱离金属丝并雾化成微粒，在高速气流作用下喷射到基材表面而形成涂层，如图3-15 所示。 等离子喷涂 等离子喷涂法是利用等离子焰的热能将引入的喷涂粉末加热

14、到熔融或半熔融状态，并在高速等离子焰的作用下，高速撞击工件表面，并沉积在经过粗糙处理的工件表面形成很薄的涂层。涂层与母材的结合主要是机械结合，工作原理如图3-16所示。,第四节 表面工程技术,（二）、电镀与化学镀 1电镀 电镀是一种用电化学方法在镀件表面上沉积所需形态的金属覆层工艺。电镀的基本原理如图3-17所示。 2.化学镀 化学镀是指在没有外电流通过的情况下，利用化学方法使溶液中的金属离子还原为金属并沉积在基体表面，形成镀层的一种表面加工方法。 （三）、电刷镀 电刷镀的原理见图318。,第四节 表面工程技术,（四）、热浸镀 将工件浸在熔融的液态金属中，在工件表面发生一系列物理和化学反应，取

15、出冷却后表面形成所需的金属镀层。 1热浸镀工艺 熔剂法工艺流程为：预镀件碱洗水洗酸洗水洗熔剂处理热浸镀镀后处理成品 保护气体还原法 2热浸镀层的种类 常用的镀层金属是低熔点金属及其合金，如锡、锌、铝、铅、A1Sn、Al-Si、PbSn。,第四节 表面工程技术,（五）、涂料与涂装简介 用有机涂料通过一定方法涂覆于材料或制件表面，形成涂膜的全部工艺过程，称为涂装。 1.涂料的性能评价 涂料的性能评价包括:涂料的作业性，涂膜的形成性、附着性、防蚀性、耐久性、可修补性、经济性、环境保护性等。 2.涂料的主要组成及分类 涂料主要由成膜物质、颜料、溶剂和助剂四部分组成。 3.涂装工艺方法 涂装工艺的一般工

16、序是：涂前表面预处理- 涂布- 干燥固化。 （六）、高能束技术,第四节 表面工程技术,本章学习指南 本章重点是钢材的热处理，热处理的目的是改变钢的内部组织，从而得到所需工件的性能。需要注意的是不仅钢材可以热处理，不同金属材料、非金属材料都可以进行热处理。热处理后材料的组织不同，所获得的性能也不同。由于热处理只是通过加热、保温和适当的冷却完成，所以热处理是改善材料性能既经济、又简便的工艺方法。 了解材料热处理后的组织变化，需要学习材料学基础知识。掌握热处理工艺知识会对后续材料的成形与加工提供方便。建议读者认真学习掌握热处理原理，了解各种热处理工艺的特点、用途，比较其异同，并在后续章节中加以利用。 与热处理工艺相比，表面工程技术所涉及的内容更宽，用途更广泛。学习表面工程技术的关键是了解经表面预处理后，基体材料的表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理是如何实现的，以及怎样才能改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分和组织结构，以获得所需要表面性能。 表面工程技术与热处理技术是相互交叉、相互渗透的，可以将表