金属材料与金属热处理工艺基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热处理,是指通过对工件的加热、保温和冷却，使金属或合金的组织结构发生变化，从而获得预期的性能(如机械性能、加工性能、物理性能和化学性能等),的操作工艺称为热处理。,工件热处理的目的是通过热处理这一重要手段，来,改变(或改善)工件内部组织结构，从而获得所需要的性能并提高工件的使用寿命。,B 金属热处理工艺基本知识,热处理工艺一般包括,加热、保温、冷却,三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。,加热,是热处理的重要工序之一。,增补章:,金属材料与金属热处理工艺基本知识,1. 金属热处理工艺基本知识,热处理过程中四个重要因素,: 在热处理时，因工件的大小不同，形状不同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过程中，要用不同的加热速度、最高的加热温度、保温时间和冷却速度。通常,把加热速度、最高加热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素，也称工艺参数,。正确地确定和保证实施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意的性能。 从数学的观点看，热处理的质量是温度和时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可用时间一温度为坐标表示出来，任何工件的热处理，都应包括：,1. 金属热处理工艺基本知识,图1,热处理规范示意图,（a）简单的热处理规范 （b)复杂的热处理规范,都应包括,四个重要因素:,(1)加热速度V； (2)最高加热温度T;,(3)保温时间h; (4)冷却速度V,t,.,1） 钢的退火与正火,2.,钢的热处理基本工艺及应用,退火与正火的目的, 调整硬度以便进行切削加工, 消除残余应力, 细化晶粒，改善组织, 为最终热处理做好组织上的准备,退火：,将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。,退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等，如图所示。,图3,箱式炉,图2,各种退火及正火的加热范围,完全退火,将亚共析钢加热到,A,c,3,+3050，保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。,目的：降低硬度，消除内应力。,等温退火,将亚共析钢加热到,A,c,3,+3050、过共析,钢加热到,A,c,1,+3050，,保温后快冷到Ar,1,以下,某一温度保温,，然后出,炉空冷。如图是高速钢,等温退火与普通退火的,比较,图3,高速钢等温退火与普通退火的比较,球化退火,将共析钢或过共析钢加热到,A,c,1,+2030，保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。,目的：,降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体，为后面的淬火作组织准备。,扩散退火,将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。,目的：,消除成份偏析。,去应力退火,将工件加热到,A,c1,以下某一温度，保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。,目的：,消除铸、锻、焊的内应力。,正火,是将钢加热到,A,c,3,或 A,c,cm,以上,3050，保温后空气中冷却的热处理工艺。,正火具有以下几方面的应用：, 含碳量0.25%经正火后硬度提高，改善了切削加工性能。, 消除过共析钢中的二次渗碳体。, 作为普通结构零件的最终热处理。,正火,的冷却速度稍快于退火，由C曲线可知，二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所示。,图3,正火与退火后组织的比较,2） 钢的淬火,淬火,是将钢加热到临界点以上，保温后以大于,V,k,的速度冷却的热处理工艺。,目的：,为了获得马氏体，提高钢的力学性能。,淬火温度,选择淬火温度的原则是,获得均匀细小的奥氏体。,如图所示，一般淬火温度,在临界点以上。,图4,碳钢的淬火温度范围,对,亚共析钢,，淬火温度为,A,c,3,+3050，淬火组织为马氏体，如图所示。,亚温淬火：,加热温度在,A,c,1,A,c,3,之间，淬火组织为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。,图6,马氏体加铁素体,图5,马氏体,图7,对,共析钢和过共析钢,淬火温度为,A,c,1,+3050，,组织为细马氏体加颗粒状,渗碳体和少量残余奥氏体，,如图所示。,对,合金钢,，一般淬火温度为临界点以上50100。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。,3) 淬火介质,为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度,V,k,，但往往会引起工件变形和开裂。,要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。,最常用的淬火介质是水和油。,图8,理想的淬火冷却曲线,水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示：,油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。,熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。,近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。,表1,4） 淬火方法,常用淬火方法如图所示。,图9 各种,淬火方法示意图,单液淬火法,将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等。,将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。,双液淬火法,分级淬火法,将加热的工件在,M,s,点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。,等温淬火,将加热工件在稍高于,M,s,点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。,5) 钢的淬透性,淬透性,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。,淬透性对钢力学性能的影响:,钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。,图10,淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布,淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低,淬透性的测定及其表示方法,测定钢的淬透性最常用的方法是,末端淬火法,。,将,25100mm的标准试样经奥氏体化后，对末端进行喷水冷却。如图所示。,图11,末端淬火法,按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线；,利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和淬透性 曲线图可找出其淬透性的大小。,淬透性的表示方法,淬透性值可用 表示。其中,J,表示末端淬透性，,d,表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。,钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径，即临界直径,D,0,表示。,淬透性的应用:,对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。,对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透性的钢制造。,在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。,6) 钢的回火,回火的目的,降低脆性，减少或消除内应力,获得工艺所要求的力学性能,稳定工件尺寸,对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工,淬火钢在回火时的转变,回火时的组织转变,淬火钢组织发生以下四阶段的变化：, 马氏体分解：主要发生在100200， 马氏体中的碳以碳化物（Fe,x,）的形式析出，析出的碳化物以极小片状分布在马氏体基体上，这种组织称为回火马氏体，用“,M,回,”表示。如图所示。,图12,回火马氏体,图14, 残余奥氏体分解 主要发生在200300，残余奥氏体分解 为碳化物和过饱和，但组织仍是回火马氏体。, 碳化物转变为Fe,3, 主要发生,在250400，此时回火马氏体转,变为在保持马氏体形态的铁素体基,体上分布着细粒状渗碳体的组织，,称为回火屈氏体，用“T,回,”表示。,图13, 渗碳体的聚集长大及相再结晶,主要发生在400以上,此时 形成颗,粒状渗碳体，铁素体由针片状转变,为多边形，这种组 织称为回火索氏,体，用“S,回,”表示。如图所示,。,回火过程中的性能变化,总的规律是：随回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。如图为硬度与回火温度的关系。,回火温度在200以下,钢的硬度不降低,对高碳钢，甚至略有升高。,回火温度在200300,高碳,钢的硬度再次升高,中、低碳钢,硬度缓慢降低。,回火温度300以上，钢的硬,度呈直线下降。,注意：回火屈氏体、回火索氏,体和球状珠光体与过冷奥氏体直,接分解得到的屈氏体、索氏体和珠光体的力学性能有 显著区别。,图15,回火的种类,中温回火（350500）,组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要 用于弹簧的处理。,高温回火（500650）,组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。,习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理,，简称“调质”。调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、齿轮等。,低温回火（150250）,组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬,度和耐磨性。用于工具、模,具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。,图16,淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为,“回火脆性”，,如图,回火脆性,在250350回火时出现的脆性称为低温回火脆性。一般不在此温度范围内进行回火。,高温回火脆性,在500650回火时出现的脆性称为高温回火脆性。主要发生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的结构钢中。,快冷可防止高温脆性，在钢中加入（约1%）o（约0.5%）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。,图17,淬火回火的工艺缺陷,硬度不足,是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢材淬透性低等原因造成的。可采用相应措施加以防治。,硬度不均匀,是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的。可通过正火后重新淬火来消除。,过热和过烧,过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则只能报废。,7) 钢的表面淬火,利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强 化零件表面的热处理方法。,表面淬火用材料含碳量为0.40.5%的中碳钢及铸铁。,预备热处理预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织。方法有调质和正火等。,表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体，,心部组织为回火索氏体(调质）或铁素体加索氏体（正火）。,感应加热表面淬火,感应加热的基本原理,感应加热表面淬火的装置如图。,交变磁场使工件内部感生出巨大的涡流,。,感应电流在工件表层密度最大，而心部密度为零，这种现象称为集肤效应,。,电流透入的深度与感应电流的频率有关,。,电流频率越高，感应电流透入深度越浅,。,图18,感应加热表面淬火的装置,高频感应加热,电流频率范围250300kHz，淬硬层深度为0.52.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。,中频感应加热,电流频率范围2500800kHz，淬硬层深度210mm，适用于较大的轴和大中模数齿轮。,工频感应加热,电流频率50Hz，淬硬层深度可达1015mm，适用 于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火。,感应加热表面淬火后的回火,一般只进行低温回火，回火温度一般不高于200。,感应加热的分类,加热温度高。,感应加热表面淬火后工件表层硬度高，脆性较低。,工件表面质量好。,生产效率高。,感应加热表面淬火的特点,特点及应用：,设备简单、成本低、灵活性大，但淬火质量较难控制。主要用于单件小批量生产件及大型零件的表面淬火。,图20,图19,火焰加热表面淬火,电接触加热的原理如图。,电接触加热表面淬火,特点及应用：,工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄。形状复杂的工件不宜采用。,图21,8) 模具钢,用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。根据性质和使用条件的不同，,可分为,冷作模具钢和热作模具钢,两大类。,(1)冷作模具钢,冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。,工作条件和性能要求,处于工作状态的冷作模具承受着强烈的冲击载荷和摩擦、很大的压力和弯曲力的作用，主要的失效破坏形式包括磨损、变形和开裂等，因此冷作模具钢要求具有较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度。,(1)冷作模具钢,工作条件和性能要求,(续),截面尺寸较大的模具还要求具有较高的淬透性，高精度模具则要求热处理变形小。,化学成分,为保证获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢碳的质量分数较高，大多超过1oC，有的甚至高达20C。,铬是冷作模具钢中的主要合金元素，能提高淬透性，形成Cr7C3。或(Cr，Fe)7C3。等碳化物，能明显提高钢的耐磨性。锰可以提高淬透性和强度，钨、钼、钒等与碳形成细小弥散的碳化物，除了进一步提高淬透性、耐磨性、细化晶粒外，还能提高回火稳定性、强度和韧性。,(1)冷作模具钢,热处理特点,冷作模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性能要求，以便能正常工作，现以,Crl2MoV,冷作模具专用钢制造冲孔落料模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。冲孔落料模的凸、凹模均要求硬度在5860HRC之内，要求具有较高的耐磨性、强度和韧性，较小的淬火变形。为此，设计其生产工艺路线如下：,锻造一退火一机加工+淬火+回火+精磨或电火花加工一成品,Crl2MoV,钢的组织与性能与高速钢相类似，合金元素含量较高，锻后空冷易出现马氏体组织，一般锻后都采用缓冷。钢中有莱氏体组织，可以通过锻造使其,破碎，并均匀分布。锻后退火工艺与高速钢的等温退火工艺相似，退火后硬度小于255HBS，可进行机械加工。,Crl2MoV,钢用淬火十回火工艺，淬火温度较低，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体+残余奥氏体+合金碳化物，硬度为5860HRC。如果要求模具具有较高的红硬性，能够在400450条件下工作，则要进行“二次硬化法”处理，将淬火加热温度提高到11001150，此时由于钢中出现了大量的残余奥氏体，硬度仅为4250HRC，但是随后在510520C高温下三次回火，析出了细小弥散的合金碳化物及残余奥氏体转变为马氏体，产生“二次硬化”现象，硬度回升到6062HRC，红硬性也较好，但是淬火加热温度较高，组织粗化会导致强度和韧性下降。,常用冷作模具钢,对于几何形状比较简单、截面尺寸和工作负荷不太大的模具可用高级优质碳素工具钢,T8A、T10A、T12A,和低合金刃具钢,9SiCr、9Mn2V、CrWMn,等，它们耐磨性较好，淬火变形不太大。对于形状复杂、尺寸和负荷较大的模具多用,Crl2,型钢如,Crl2、Crl2MoV,钢或,W18Cr4V,等，它们淬透性、耐磨性和强度较高，淬火变形较小。,（2） 热作模具钢,热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模、高速锻模等。,（2） 热作模具钢,工作条件和性能要求,热作模具钢在工作时经常接触炽热的金属，型腔表面温度高达400600。金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷作用下，与型腔作相对运动时，会产生强烈的磨损。工作过程中还要反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，模具工作面出现热疲劳“龟裂纹”。因此，为使热作模具正常工作，要求模具用钢在较高的工作温度下具有良好的强韧性，较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性和尺寸稳定性。,化学成分,热作模具钢碳的质量分数一般保持在(0.3一0.6)C之间，以获得所需的强度、硬度、耐磨性和韧,性，碳含量过高，会导致韧性和导热性下降；碳含量过低，强度、硬度、耐磨性难以保证。铬能提高淬透性和回火稳定性；镍除与铬共存时可提高淬透性外，还能提高综合力学性能；锰能提高淬透性和强度，但是有使韧性下降的趋势；钼、钨、钒等能产生二次硬化，提高红硬性、回火稳定性、抗热疲劳性、细化晶粒，钼和钨还能防止第二类回火脆性。,热处理特点,热作模具钢热处理的目的主要是提高红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能，最终热处理一般为淬火斗高温(或中温)回火，以获得均匀的回火索氏体(或回火托氏体)。现以5CrMnMo钢制造板牙热锻模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。,板牙热锻模要求硬度为351387HBS，抗拉强度大于12001400MPa，冲击值大于3256J，同时还要满足对热作模具淬透性、抗热疲劳性等的要求。其生产工艺路线如下：,锻造一退火一粗加工一成型加工+淬火+回火+精加工(修型、抛光),由于钢在轧制时会出现纤维组织，导致各向异性，所以要予以锻造消除。锻后要缓冷，防止应力过大产生裂纹，采用780800保温45h退火，消除锻造应力，改善切削性能，为最终热处理作组织上的准备。,5CrMnMo,钢制热锻模淬火+回火的工艺为降低热应力，大型模具需在500左右预热，为防止模具淬火开裂，一般先由炉内取出空冷至750780预冷，,然后再淬人油中，油冷至150200C(大致为油只冒青烟而不着火的温度)取出立即回火，避免冷至室温再回火导致开裂。回火消除了应力，获得回火索氏体(或回火托氏体)组织，以得到所需的性能。,常用热作模具钢,制造中、小型热锻模(有效厚度小于400mm)一般选用,5CrMnMo,钢，制造大型热锻模,(有效厚度大于100mm),多选用5CrNiMo钢，它的淬火加热温度比,5CrMnMo,钢高10C左右，淬透性和红硬性优于,5CrMnMo,钢。,热挤压模冲击载荷较小，但模具与热态金属常时间接触，对热强性和红硬性要求较高，常选用,3Cr2W8V,或,4Cr5W2VSi,钢，淬火后多次回火产生二次硬化，组织与高速钢类似。,压铸模钢的选用与成型金属种类有关，压铸熔点为400450,的锌合金，一般选用低合金钢,30CrMnSi,或,40Cr,等；压铸熔点为850920,的铜合金，可选用,3Cr2W8,V钢。,思考题与习题,1,、,什么是热处理?工件为什么要热处理? 2,、,工件热处理后能发挥哪些效果?,3,、,工件热处理过程中包括哪四个重要因素?,4 、钢淬火后回火的种类及温度控制范围？,