Transcript 第十章
金属学与热处理 第十章 钢的热处理工艺 大多数机器零件在制造过程中都安排有一个预先 的热处理工序，其工艺路线一般如下： 毛坯（铸、煅）—预先热处理—切削加工—最终 热处理 第一节 钢的退火与正火 1.退火 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。 退火目的: ⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 ⑵ 消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。 ⑶ 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 退火工艺的分类: （1）完全退火 ：AC3以上20-30 OC，适用于亚共析钢。 其目的是细化晶粒、消除内应力、降低硬度以改善切削加 工性能。 低碳钢和过共析钢不适于完全退火！！为什么？？ （2）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， 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。 （3）不完全退火 不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1～Ac3或Ac1～Acm 之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火 工艺。 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+(40～60)℃，保温后缓慢冷却。 （4）球化退火 球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其目的是降低 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20～ 30℃。 （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 150～300℃），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500～650℃，经一段时 间保温后随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。 主要用来消除因变形加工及铸造、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 正火的加热温度为Ac3或Accm以上30～50℃，保温以后的冷 却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却速度大， 故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。 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。 正火的目的 ⑴ 对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。 ⑵ 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退 火作组织准备。 ⑶ 普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火， 中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火. 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 3、c =0.5% 0.75%的钢采用完全退火 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。 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。 第二节 钢的淬火与回火 一、淬火 将钢加热到Ac1或Ac3以上，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。 1.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 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 淬火应力包括热应力和组织应力 淬火应力跟淬火加热温度、淬火冷却介质和冷却方式有关 。 2.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30～50℃；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～ 50℃。 过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃???? 3.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。 4.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。 在一种冷却剂中淬火的方法称单液淬火； 而在两种冷却剂中淬火的方法称为双液淬火。 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。 5.钢的淬透性 淬透性定义: 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.如何表示???。 淬透区和未淬透区: 半马氏体区: 淬透性和淬硬性的区别: 淬透性可用“末端淬火法”测定。 钢 的 淬 透 性 用 JHRC-d 表 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 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150～250℃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350～500℃之间，回火后的组织为回火托氏体。 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500～650℃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。 低温回火 中温回火 高温回火 回火温度 150-250℃ 350-500℃ 500-650℃ 回火组织 M回 T回 S回 在保留高硬度、 提高 及 ， 获得良好的综合力学 e s 回火目的 高耐磨性的同 同时使工件 性能，即在保持较高 时，降低内应 具有一定韧 的强度同时，具有良 力。 性。 好的塑性和韧性。 应用 适用于各种高 碳钢、渗碳件 及表面淬火件。 广泛用于各种结构件 如轴、齿轮等热处理。 适用于 也可作为要求较高精 弹簧热处理 密件、量具等预备热 处理。 三.淬火加热缺陷及防止 1.过热 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 2.过烧 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 3.氧化 4.脱碳 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 钢的表面热处理 （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. 感应加热是利用电磁感应原理。 感应加热表面淬火的特点： ①淬火温度高于一般淬火温度。 ②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2～3HRC。 ③表层存在很大的残余压应力。 ④无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。 ⑤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 170～200℃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：①化学介质的分解；②活性原子 被钢件表面吸收和溶解；③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 后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和 抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。 （1）渗碳方法 渗碳方法有气体 渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目 前广泛应用的是气体渗碳法。 （2）渗碳后的组织 常 用 于 渗 碳 的 钢 为 低 碳 钢 和 低 碳 合 金 钢 ， 如 20 、 20Cr 、 20CrMnTi、12CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过 共析组织（珠光体+碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织 （珠光体+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。 （3）渗碳后的热处理 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。 2．钢的渗氮 渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件 表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、 疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有气体渗 氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。生产中应用较多 的是气体渗氮。 与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理， 所以工件变形小。 为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工 件进行调质处理。 3．钢的碳氮共渗 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热 处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳 与渗氮零件之间。 （三）钢的形变热处理 形变热处理是把塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺 紧密结合起来的一种热处理方法。 由于它可以使钢同时受到形变强化和相变强化，因此 可以大大提高钢的综合力学性能，另外，它还能大大简化 钢件生产流程，节省能源，因而受到愈来愈广泛的重视， 提高钢的强韧性的重要手段之一。 高温形变热处理 是把钢加热至奥氏体化，保温一段时间，在该温 度下进行塑性变形，随后淬火处理，获得马氏体 组织。 根据性能要求，高温形变热处理在淬火后，还需要进行回 火。高温形变热处理的塑性变形是在奥氏体再结晶温度以 上的范围内进行的，因而强化程度（一般在10％～30％之 间）不如低温形变热处理大。 高温形变热处理的应用？？ 碳钢、低合金结构钢及机械加工量不大的锻件或轧材。 低温形变热处理 低温形变热处理的应用？？ 可用于结构钢、弹簧钢、轴承钢及工具钢