钢的热处理工艺课程

,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,*,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,*,第一章钢的热处理工艺,热处理工艺：通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的技术操作；,制定基础： 热处理原理,种类：,普通热处理（退火、正火、淬火和回火）,表面热处理（表面淬火和化学热处理）,形变热处理,预备热处理，最终热处理,第一节 钢的退火与正火,毛坯生产,预备热处理,机械加工,最终热处理,机械精加工,预备热处理,:,退火,;,正火,最终热处理,:,淬火,;,回火,一般零件生产的工艺路线,:,（一）、钢的退火,、定义：钢加热到临界点,Ac1,以上或以下,，保温后,随炉慢冷,以获得,近于平衡状态的组织,的热处理工艺。,、目的：,消除铸锻焊件的内应力；,均匀成分、组织，细化晶粒；,改善钢的成型性、切削加工性；, 为淬火作组织上的准备；,、种类：,如图,2-1,退火,重结晶退火,完全退火,扩散退火,不完全退火,球化退火,低温退火,再结晶退火,去应力退火,按冷却方式分：等温退火和连续退火,按加热温度分：,图,2-1,（二）退火工艺：,1.,完全退火,完全退火：,将工件加热到,Ac,3,以上,3050,，保温足够的时间，经完全奥氏体化后，,随炉缓慢,冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。,（,1,）适用钢种,：,亚共析钢,（,W,c,=0,.30.6,%,）或,合金钢,的锻、铸、焊接件。,（,2,）目的：,细化晶粒、消除应力、均匀组织、降低硬度、便于切削加工。,低碳钢和过共析钢,不适合于完全退火,低碳钢：退火后硬度偏低，切削时易粘刀,过共析钢：加热至,Accm,以上奥氏体化后缓冷退火时，会析出网状渗碳体，组织为,P+,Fe,3,C,，硬度较高，使钢的强度、塑性、韧性大大降低。,（）工艺参数：,加热温度,：,30,50,，,原则,：得到单相的，又防止晶粒的粗大；,保温时间：,（与钢材成分、工件厚度、装炉量及方式有关,),在箱式炉中：,（单位为,min,）,K=1.5,2.0min/mm,，,D-,工件有效厚度,mm,。,对锻、轧材：,=(3,4)+(0.2,0.5)Q,(,单位为,hour , Q,为装炉量，单位为,t,）,冷却方式,：炉冷，或随炉冷至,500,以后出炉空冷；,（,4,）完全退火后的组织,：,性能,：硬度低，塑性好；,7,、等温退火：,将钢奥氏体化后，,快冷至,稍低于,r,的某一温度等温，使,奥氏体转变为珠光体类型,组织，转变结束后，空冷至室温。这种退火方法叫,- -,。,适用于：高碳钢、合金工具钢、,高合金钢,优点：可有效缩短退火时间；保证工件内外在同一温度转变，有利于钢件获得均匀的组织性能；生产中常用等温退火代替完全退火。,缺点：对,大截面,钢件和,大批量,炉料不适应,目的：,A,转变为,P,类组织，通常得到索氏体组织,等温退火的等温温度根据钢的成分和要求的硬度，由该种钢的,C,曲线确定。,、不完全退火：,亚共析,钢在,c,Ac,3,之间或过共析钢在,c,Accm,之间的两相区加热，保温，得到,不完全奥氏体,后，缓慢冷却以得到近于平衡组织的热处理工艺。,（）目的：,细化晶粒，均匀组织，降低硬度，减小内应力，改善切削加工性。,（）适用钢种：共析钢、过共析钢、亚共析钢中无大缺陷；,（）工艺参数：,加热温度：,C1,20,30,优点：加热温度低，易操作，节能、降耗，提高生产率。,4,、球化退火：,是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。,用途：,主要应用于共析钢、,过共析钢,和高碳合金工具钢。,目的：,降低硬度、均匀组织、改善切削加工性能，为淬火做准备。,工艺参数：,加热温度：,c1,20,30,；过高,-,过低,-,过共析钢,球化退火后的组织：,铁素体和球状渗碳体的混合物，,叫做球状珠光体或粒状珠光体，用,P,粒,表示,；,加热时间：一般为,2,4,小时,或按公式计算,冷却速度：,炉冷,或,Ar1,以下,20,长时间等温，,600 ,以后出炉空冷。,（）、球化退火工艺类型,）、普通球化退火 ）、等温球化退火 ）、循环球化退火,注意：普通球化退火效果较差，等温球化退火效果较好，而循环球化退火的效果最佳，但考虑到生产的成本，一般常用等温球化退火，成本不高，而效果又很好。,图,2-2,12,为什么将加热温度定于,Ac,1,Accm,？,过共析钢的室温平衡组织为：,P+Fe,3,C,，不仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，淬火时易变形、开裂；,加热温度为,Ac,1,以上,2030,，,在,A,中保留大量的未溶渗碳体质点,，,并造成,A,的碳浓度分布不均匀，,在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点为核心，或在,A,富碳区产生新的核心，均匀的形成颗粒状渗碳体；,球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。,共析钢球化退火组织,(,化染,) 700,T10,钢球化退火组织,(,化染,) 500,、扩散退火（均匀化退火）,定义：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。,（）目的：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素扩散均匀，改善或消除铸锭中的,枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承钢中的液析碳化物,，,均匀成分，均匀组织,（）适用钢种：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢铸件及铸锭,（）工艺参数：,加热温度：,Ac,3,（,A,c,cm,）,+150,300,碳钢,1100,1200 ,；,合金钢,1200,1300 ,。,保温时间：,与钢种和偏析程度有关，一般为（,30,60,）,min/25mm,，或（,1.5,2.5,）,min/mm,按装炉量,Q,计算：,.5,/,（小时）,装炉量（吨） 一般为,10,15,18,（）、问题：,一般扩散退火加热温度高，时间长，,晶粒会粗大,（不能作为淬火的预备组织），扩散退火,之后,要进行一次,完全退火或正火,来进行细化晶粒，消除过热缺陷。,高温扩散退火周期长、能耗大、氧化脱碳严重、成本高,故：尺寸不大的铸件或碳钢铸件，有时可采用完全退火来代替（偏析轻）。,、去应力退火和再结晶退火,（）去应力退火（低温退火）,一般是将工件随炉缓慢加热（,100150/h,）至,500650,（,Ac1,），保温一定时间后随炉缓冷,（,50100/h,）,至,200,出炉。,目的：消除铸件、锻件你、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力，稳定尺寸，防止变形和开裂；,工艺：,加热温度,：铸件为,500,550,，焊件为,500,600,（大焊件用火焰或工频感应加热局部退火）。,保温时间,：由工件的尺寸和装炉量决定。,钢,3min/mm,，铸铁,6min/mm,。,冷却,：缓冷，以免产生新的应力。,特点,：,在退火过程中没有相变,；残余应力主要是通过钢在,500650,保温后缓冷过程中消除的；,（）、再结晶退火,是将,冷变形后的金属,加热到再结晶温度以上，使变形的晶粒转变为均匀细小的等轴晶粒而,消除加工硬化,的热处理工艺过程。,加热温度：,T,再,150,250,T,再,：,成分、变形度、加热速度、保温时间有关。纯铁：,450,钢：,650,700,。,保温时间：,1-3h,。,冷却方式：空冷。,中间退火或最终热处理。,二、钢的正火（正常化或常化）,、定义：是指将钢加热到,c3,（或,Ccm,）以上约,30,50,，保温，,完全化后,，,从炉中取出,空冷,以得到,珠光体类型,组织的热处理工艺，称为正火。,、,应用,：,改善切削加工性能,：,预备热处理,（含碳低于,0.25%,的,-HB140-190,）,低碳钢,消除热加工缺陷，为淬火做组织准备,：（中碳结构钢铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）,消除,过共析钢,中的,Fe3C,，有利于球化退火的进行,（抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）,提高普通结构件的机械性能：,作为最终热处理，代替调质处理，力学性能要求不高的,中低碳钢和中低合金钢件,、适用钢种：,碳钢，低、中合金钢；,、工艺参数：,加热温度：,c,3,（或,Ccm,）,30,50,一些合金钢，,c,3,100,150(20CrMnTi),；,原则：晶粒不粗化的前提；,加热时间：工件烧透，采用经验公式即可，,考虑成分、原始组织、装炉量和加热设备。,冷却：空冷、风冷、,、正火后的组织：,（,S),少量,(,W,c,0.6%),(,S,),(,W,c=0.6,1.4%),正火的实质：,奥氏体化加伪共析转变；,、正火与退火的比较：,实质上：正火是退火的一个特例；,共同点：；扩散型相变，得到软韧组织；,不同点：,工艺上：,冷却速度快些，转变温度低,组织上：,比退火组织细，,性能上：,钢的强度、硬度也较高,三、退火和正火的选取原则,（,1,）,0.25,的低碳钢，正火代替退火，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。,（,2,）,0.25,0.5,的中碳钢，也采用正火，硬度偏高，但因成本低,生产率高；,（,3,）,.5,.75%,的中高碳钢，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；,（,4,）,.75%,的高碳钢或工具钢，一般采用球化退火。若有网状二次渗碳体，先正火消除之。,（,5,）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。,工艺参数,:,第二节钢的淬火和回火,一、钢的淬火,、淬火,（,1,）定义：,将钢加热到临界点（,c,3,或,c,1,）以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。,目的：使奥氏体化的工件,获得尽量多的马氏体，提高钢的硬度、强度，,并配以不同温度的回火，以获得各种需要的性能。,工艺特点：关键：加热温度、冷速足够大；,带来的问题：内应力；,（,2,）淬火应力,热应力：工件加热或冷却时由于内外温差导致,热胀冷缩不一致,而产生的内应力。,将工件加热到,Ac,1,以下保温后快速冷却，其表面和心部温度及热应力。,影响因素,-,冷速、加热温度、截面尺寸、导热系数、线膨胀系数，热应力 。,图,2-3,（,2,）组织应力,工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起,内外比容的不同,变化，而产生的内应力。,奥氏体珠光体贝氏体马氏体，比容逐渐增大，体积膨胀。,与热应力正好相反。表面：拉压,影响因素：化学成分、冶金质量、钢件结构尺寸、导热性以及在马氏体温度范围的冷速和钢的淬透性等。,（,3,）实际工件的淬火应力,是组织应力和热应力的迭加，很复杂。,与钢中的碳和合金元素、工件尺寸、淬火介质、冷却方法有关；,A.,C%,高，马氏体的比容提高，组织应力提高； 但,C%,高，,Ms,点下降，,A,残，组织应力下降。总之，,含碳量越高，组织应力越大,。,B.,合金元素：,导热性下降，热、组应力均增加。奥氏体越稳定，组织应力越大。,C.,工件尺寸,大，心部不易得到,M,，热应力越,D.,淬火介质,：高温区冷却快，热应力大；,Ms,点下冷却快，组织应力大。,减小工件淬火应力的方法：温差减小。,、淬火加热温度：,原则：得到均匀细小的组织，以便冷却后得到均匀细小的马氏体组织；,亚共析钢：,c,3,30,50,共析钢、过共析钢：,c,1,30,50,合金钢,:,低合金钢：,c,1,或,c,3,+50,100 ,； 高合金钢：温度更高；,（合金元素的作用，淬火加热温度应相应的提高，以使合金元素的作用能充分地发挥出来）。,组织：,亚共析钢：,细小的板条马氏体,+,少量残余奥氏体；,过共析钢：,隐晶马氏体细小的碳化物,残余奥氏体。,原因：,若亚共析钢于,c,3,以下温度淬火，在淬火组织中将,出现铁素体，造成软点；,也不能超过,Ac,3,太多，否则晶粒粗大，淬火后,马氏体粗大。,若过共析钢于,cm,以上温度淬火，奥氏体的含碳量提高，,Ms,和,Mf,点降低，,残余奥氏体量增加，钢的硬度耐磨性降低,；同时，粗化，将会在淬火组织中出现,粗大,的片状高碳孪晶马氏体，增加钢的,脆,性。,例：球状珠光体的,T8,钢分别在,600 ,、,780 ,、,1000 ,淬火：,3,、 淬火冷却介质,1.,理想淬火冷却介质,时间,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-100,100,200,500,600,700,温度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,650,以上应缓冷，以降低淬火的热应力；,650400,应快冷，以通过过冷奥氏体最不稳定区；,400,以下缓冷，以减小马氏体转变时产生的组织应力；,（）常用的冷却介质：,如表,2-1,所示,水：中,-,慢，低,-,快。,使用温度：；,适用于：尺寸不大，形状简单的碳钢工件,盐水、碱水：中,-,快，低,-,快。,使用温度：；,适用于：碳钢、低合金钢；,油： 中,-,慢，低,-,慢,使用温度：；,适用于：合金钢；,低温硝盐：,50%KNO,3,+50%NaNO,2,;,熔点：,145,；使用温度：,160,5,00;,适用于：油淬不硬，水淬开裂的碳钢；,表,2-1,4,、 常用的淬火方法,单液淬火,双液淬火,分级淬火,等温淬火,时间,温度,Ms,A,1,由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理方面还应从淬火方法上去加以解决。,（）单液淬火法：,如图中所示,；,适用于：,形状简单的碳钢、合金钢,尺寸较大,-,水淬；尺寸小,-,油淬,优点：,简便、易于实现机械化；,缺点：,易变形、开裂；,预冷淬火法：预冷至临界点稍上再入淬火介质,（）双液淬火法（水淬油冷或水淬空冷）：先入强近,M,S,后入弱，直至完成,M,转变。图；,优点：,减少变形（组织应力小）；,缺点：,难以控制水中停留时间，,5,6mm/s,。,37,（）分级淬火法：如图中所示；,先淬入略高于,Ms,的,盐浴或碱浴炉,保温，工件内外温度均匀后，从浴炉取出空冷至室温，完成,M,转变。,优点：,减小内应力，减小变形、开裂；,缺点：,工件尺寸不能太大；,适用于：,尺寸较小，形状复杂的工件；,（,4,）等温淬火法：,将奥氏体化后的工件在,点以上某温度等温足够长时间，使之转变为,下贝氏体,组织，后空冷。,如图中所示；,等温温度：,；,等温时间：,根据曲线确定；,优点,(,与分级淬火相比）：,变形小（,T,等，比容），热应力组织应力小，减小变形和开裂，可不回火；,适用于：,尺寸小，薄厚不均，要求强度高、韧性好的工件；,（,5,）喷射淬火：喷射急速的水流。局部,图,2-5,不同的淬火方法,如图为一根较粗的,45,钢试棒，加热到,A,温度水淬，击断观察其断口：,表面：细瓷状组织；心部：纤维状组织；,表面：硬度高： 心部：硬度低；,表面：马氏体组织；心部：屈氏体组织；,从表面到心部马氏体逐渐减少；,5,、钢的淬透性：,淬透性概念：,指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体而不形成其他组织的能力,。,其大小用在一定条件下淬硬层深度来表示。,淬透层（淬硬层）：冷却速度大于临界淬火速度，淬成马氏体的部分；,（）淬透性：,如图所示,图,2-7,淬透层的确定：由表面到,（半马氏体）处的厚度；,（由钢的表面至内部马氏体组织占,50%,处（半马氏体区）的距离为淬硬层深度。）,影响淬硬层深度的因素：,、成分：,、介质的冷却能力：,、工件的尺寸：,注意：淬透性与淬透层深度的区别：,淬透性是钢的,固有属性,，钢的成分一定，则钢的淬透性就定了，不随冷却条件而改变。淬透层深度（工件表面到半马氏体区的距离）与具体条件有关；,影响淬透性的因素：,临界淬火速度,V,k:,是决定性的因素，,V,k,越小（,C,曲线越靠右），钢的淬透性就越好。,含碳量的影响,：,亚共析钢：,W,c,C,曲线右移,V,C,淬透性；,过共析钢：,W,c,C,曲线左移,V,C,淬透性；,合金元素的影响,：,除,Co,之外，大多数合金元素的加入使,C,曲线右移,V,C,淬透性,；,淬硬性：,钢淬火时，获得的的最高硬度,（钢淬火时的硬化能力）,。,取决于：马氏体中的,含碳量,；,注意：淬硬性与淬透性的区别。,例如：,T10,钢和,20CrMnTi,钢,高碳工具钢的淬硬性很好，但淬透性很低，而低碳合金钢的淬硬性不高，但淬透性却很好。,图,2-8,钢中半马氏体的硬度主要取决于含碳量，,如图所示,；,（）淬透性的测定方法,临界淬火直径法（,GB227-63),：,指钢在某种淬火介质中能完全淬透（心部马氏体的体积分数为,50%,或,90%,、,95%,）的最大直径（,Dc,）,Dc,越大，钢的淬透性越好。条件是淬火介质相同。,Dc,油,Dc,水,-,，但并非同种钢的淬透性变化了。,该方法概念直观，但测定起来耗费大量的时间和精力。,意义：,选择钢种、热处理工艺、淬火介质。,、末端淬火法（,GB225-63,）：,奥氏体化后，迅速放入实验装置。水温,20-30,，水柱高为,655mm,，两侧各磨去,0.2-0.5mm,，隔,1.5mm,一个点测硬度。,图,2-9,图,2-10,51,根据淬透性曲线，通常用,J,（,HRC/,）表示钢的淬透性，例如,:J(40/6),表示在淬透性带上距末端,6mm,处的硬度为,HRC40,，显然，,J(40/6,）比,J(35/6),的淬透性要好。,钢的淬透性对机械性能的影响：,如图,淬透的钢回火后性能由表面到心部都一致；,没淬透的钢，回火到与同一硬度时，,表、心组织不同，性能不同,，心部的强度和韧性低；,选材时应注意：受力、尺寸、形状、变形、开裂,-,淬透性。,52,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,未淬透钢,淬透钢,二、钢的回火,将淬火钢加热到,以下的某温度，使其转变为稳定的回火组织，并以适当的方式（空冷）冷却到室温的热处理工艺过程,称为回火。,低温回火,回火类型中温回火,高温回火,回火的目的,：,消除脆性，降低淬火应力；,调整淬火钢的力学性能；,稳定零件的形状、尺寸；,回火时组织转变：以共析钢为例分析；,淬火后的组织为,M+A,；它们都不稳定，有自发转变为铁素体和渗碳体的倾向，淬火钢在回火时就是这种转变；,我们根据淬火钢在回火时的体积变化来研究回火时的相变。（马氏体分解时，钢的体积减小；残余奥氏体转变时，钢的体积增大；）,1,。碳化物的析出,当回火温度,T,100,时，钢的体积不变，所以淬火钢中没有明显的转变发生，只是马氏体中发生碳原子的偏聚；,1,、,低温回火,（,100250,） 回火,M (,过饱和,F +,薄片状,Fe2.4C ) + A,钢的体积减小；所以马氏体开始分解；,【M,分解,】,M,分解固溶在,M,中的过饱和的碳原子脱溶析出,碳化物，并与,M,保持共格联系；（,碳化物：晶体结构为正交晶系，分子式：,Fe2.4C,；它不是平衡相，而是向渗碳体过渡相）此时由于温度较低，,M,中的碳原子并未完全析出，仍含有过饱和的碳原子，我们将这种转变叫做回火的第一次转变，或回火的第一阶段；,单相过饱和的,固溶体,+,与母相共格联系的,碳化物叫做回火马氏体，用,M,表示,淬火应力，脆性，保持淬火后的高硬度,(,一般,5664HRC,）,),用于高,C,钢、合金钢制造的工具轴承零件等，以及表面淬火及渗碳淬火的零件等。,固溶体仍保持针状特征；回火马氏体形貌仍维持原马氏体形貌，只是易受腐蚀，颜色较暗,回火马氏体组织金相图,、中温回火：,【,残余奥氏体转变,】,【,碳化物转变,】,回火温度：,350,500,回火组织：,回火屈氏体,用,T,表示,F,（针状）,+Fe,3,C,（无共格联系的细粒状）,性能特点：,在具有一定韧性的同时，兼有,高的弹性,和屈服极限；硬度为,HRC3550;,适用于：,各类高碳钢、合金钢的弹性零件，如各种弹簧、或弹性卡头等,、高温回火：,【,碳化物的聚集长大,】,【 ,固溶体回复与再结晶,】,回火温度：,500,650,回火组织：,回火索氏体,用,S,表示（多边形,F+,聚集长大的颗粒状碳化物（粗粒状）,性能特点：综合机械性能优良,适用于：各种轴类、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮的热处理；,调质处理,：淬火高温回火；,60,、工艺参数：,回火时间：,1,2,；,如图,2-11,所示；,回火冷却：空冷（对于存在高温回脆的工件：空冷水冷或油冷低温回火）,回火温度：要求的硬度越高，回火温,度越低；,高合金钢：,600-680,软化退火。,图,2-11,三、淬火加热的缺陷,、过热：,加热温度过高、保温时间过长，造成,A,晶粒粗大的缺陷；,危害：淬火裂纹；体粗大；,补救办法：延长回火时间（轻）；退火后重新加热淬火（严重）,、过烧：,加热温度过高造成的局部晶界熔化现象。设备失灵,只能报废：,、氧化：,工件表面与,O,2,、,H,2,O,、,CO,2,等反应生成氧化铁，使金属铁被损失掉；加热温度小于,570,，,Fe,3,O,4,致密；大于,570,，,FeO,松散。,危害：尺寸、性能不均、光洁度,防止办法：低温短时加热；盐浴加热、保护气氛加热或刷涂料；,、脱碳：,工件表面的碳参与反应而烧损；,C,-Fe,+O,2,=CO,2,，,C,-Fe,+CO,2,=2CO,C,-Fe,+H,2,O=CO+H,2,，,C,-Fe,+2H,2,=CH,4,危害：硬度、耐磨性、疲劳性。,防止办法：改变炉内气氛（碳势）；保护加热或刷涂料。,第三节其它类型的热处理,一、钢的形变热处理,是将塑性变形和热处理有机的结合在一起的一种复合热处理工艺,优点：强 、塑、韧、节能,分类： 高温形变热处理,低温形变热处理,1,、高温形变热处理,如图所示：,=20,40%,性能：强度高，塑性、低温韧性都提高；,适用于：普通碳钢、,低合金钢。,强韧化原因：,形变（位错）,+,淬火,薄壳状的,A,包围的板条马氏体组织。,图,2-12,67,、低温形变热处理：,适用于：合金钢。,性能：,提高抗拉强度和疲劳强度,强化原因：晶粒、亚晶细化、位错增加，,K,析出细小、,Ms,点降低，孪晶,M,减少,塑性、韧性提高。,缺点：工艺难。,用途：弹簧钢、轴承钢,图,2-13,案例一：,某减速器齿轮，要求齿面耐磨，心部要求良好的综合机械性能，材料选用,45,钢；,请制定该零件的热处理工艺，并编写该零件加工的简明工艺路线（零件选用锻造毛坯）,第十章 钢的热处理原理与工艺,某减速器动画,二、钢的表面淬火,第十章 钢的热处理原理与工艺,钢的表面淬火,加热,工件表面,淬火温度,表面淬火,化学热处理,1.,钢的表面淬火,：,1.1,概念,：,快冷,工件表面获得,M,1.2,目的,：,表硬心韧,；,将工件表面快速加热到淬火温度，迅速冷却后，使工件表面层获得淬火组织的热处理方法。,71,钢的表面淬火,第十章 钢的热处理原理与工艺,表面淬火的种类：,感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电解液加热表面淬火、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火等；,感应加热表面淬火示意图,激光加热表面淬火示意图,、感应加热表面淬火概念,是利用电磁感应现象，在工件表面产生密度很高感生电流，使工件表面迅速被加热的一种淬火方法。,集肤效应,一般电流的频率越高，加热深度就越小，加热速度越快。,图,2-14,、感应加热表面淬火的种类,（）、高频加热表面淬火,电流频率：,80,1000KHz,，,硬化层深度：,0.5,mm,；,适用于：中小模数齿轮、小轴,（）、中频加热表面淬火,电流频率：,2500,8000Hz,；,硬化层深度：,3,6mm,；,适用于：曲轴、凸轮轴、大模数齿轮、钢轨,（）、工频加热表面淬火,电流频率：,50Hz,；硬化层深度；,10,15mm,；,适用于：大直径钢材、大工件。,73,感应加热表面淬火视频,钢的表面淬火,第十章 钢的热处理原理与工艺,、感应加热表面淬火的特点,（,1,）加热速度快，,A,转变温度范围扩大，转变所需时间缩短；,（,2,）感应加热时间极短，,A,不宜长大，因此淬火后表面形成隐晶马氏体，比普通淬火的硬度、耐磨性高,（,3,）淬火后表层产生大的残余压应力，疲劳寿命提高；,（,4,）加热速度快，无保温，不易产生氧化和脱碳，心部未加热，变形小；,（,5,）生产率高，易于实现自动化生产。,（,6,）设备费用高，不适用于单件生产。,、工艺：,淬火加热温度：,A,C3,（,150,200,）,不保温：,冷却：喷水；,低温回火：,150,180,，降应力。,、预处理：,对于心部性能要求高的零件,:,调质处理,;,对于心部性能要求不高的零件,:,正火处理；,适用于：中碳钢、中碳合金结构钢；,第十章 钢的热处理原理与工艺,概念：,工件,放入,某种化学介质中,加热保温,改变表层的化学成分,原子扩散,热处理,表硬心韧,将工件放入某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素的原子扩散到表层中，以改变表层的,化学成分和组织,，从而使其表层具有与心部不同的特殊性能的一种操作。,三、钢的化学热处理、化学热处理的概念,钢的化学热处理,第十章 钢的热处理原理与工艺,根据渗入元素的不同，可分为：,渗碳、渗氮、碳氮共渗,等；,化学热处理的种类：,钢的渗碳：,气体渗碳法,、固体渗碳法、液体渗碳法；,井式渗碳炉外观,渗碳中的工件,化学热处理的基本操作：,将工件加热到一定温度，从而有利于,吸收,渗入元素的,“,活性原子,”,；,由化合物分解或离子转变而得到渗入元素的,“,活性原子,”,；例如：渗碳,-CO,、,CH,4,分解出,C,；渗氮,-,氨气分解出,N,。,活性原子被吸附，并溶入工件表面，形成,固溶体,，在活性原子的浓度很高时，还可以形成,化合物,；,渗入原子在一定温度下，由表层向内,扩散,，形成一定的扩散层；,1,、钢的渗碳：适用于低碳钢；,定义：向钢的表面层渗入,碳原子,的过程。,目的：使工件在热处理后表面具有,高硬度和高耐磨性,，而心部仍保持一定的强度和较高的塑性和韧性；,分类：气体渗碳法、固体渗碳法、液体渗碳法；,气体渗碳法：将工件置于密封的加热炉中，通入气体渗碳剂（如：滴入煤油、通入甲烷、丙烷等），在,900-950,加热，保温、使钢件表面层增碳的过程；,（,1,） 气相反应：,CH,4,C+2H,2,；,2COC+CO,2,；,CO+H,2,C+H,2,O,；,活性碳原子溶入高温奥氏体中，而后向钢的内部扩散，实现渗碳；,（,2,） 工艺参数：,加热温度：,Ac,3,以上,50,80,，即,900,950,，,T,渗碳速度渗碳层；,温度过高，会使钢件中的晶粒长大，钢变脆；,保温时间：所需的渗碳层渗碳时间；,（,3,） 渗碳后的组织,:,低碳钢渗碳后,缓冷,：,表面层：,P+Fe,3,C,；（渗碳后表层的最佳含碳量为：,0.85,1.05%,）,心部,:,F+P,（心部为原材料的含碳量：,0.1,0.25%,）,中间过渡层：,越靠近表面铁素体越少；,如图所示；,（,4,） 渗碳后的热处理,:,渗碳后应进行适当的热处理，以获得表硬心韧的性能，一般为,淬火,+,低温回火,，,具体做法有,:,直接淬火法、,一次淬火法、二次淬火法；,图,2-15,直接淬火法：,渗碳,预冷,到略高于,Ac,3,（,850,880,）立即淬火低温回火（,180,200,）,热处理以后的组织：表层：,针状回火马氏体,+,渗碳体,+,少量残余奥氏体,，硬度为,58,64HRC,；心部：,F+P,（普通低碳钢，如：,15,、,20,钢；硬度为,10,15HRC,；）或,低碳,M+F,少,（低碳合金钢）。,图,2-16,2,、钢的渗氮（钢的氮化）,定义：,向钢的表面渗入氮原子的过程。,目的：,使钢件获得比渗碳更高的表面硬度（可高达,950-1200HV,）、耐磨性、疲劳强度、红硬性以及抗咬合性和抗蚀性。,分类：,气体氮化、液体氮化、离子氮化等；,气体氮化,定义：利用,氨气,作为渗氮介质在（,500,570,）加热分解出活性氮原子，被工件的表面吸收，并向内部扩散形成氮化层的过程。,固溶体、氮化物,。,氮化处理的特点：,在氮化之前一般进行,调质处理,，得到回火索氏体组织，所以氮化后，工件的,心部往往有良好的综合机械性能,。（渗氮往往是最后一道工序）。,钢在氮化后无需进行淬火就具有很高的表层硬度及耐磨性，这是因为表层形成了一层,坚硬的氮化物,所致。,氮化后，显著提高钢的抗疲劳强度，因为氮化层内有较大的,残余压应力,；,处理温度低，工件,变形小,；,氮化层具有较高的,抗腐蚀能力,，这是因为氮化层内有致密的氮化物所致；,缺点：时间长，几十小时。,氮与许多合金元素都能形成氮化物，如：,CrN,、,Mo,2,N,、,AlN,等，这些弥散的合金氮化物具有较高的硬度和耐磨性，同时具有高的抗蚀性。因此渗氮工艺在,Cr-Mo-Al,钢中得到了广泛的应用，如，最常用的渗氮钢为,38CrMoAl,、,35CrMo,、,18CrNiW,等,综上所述：,渗氮在机械工业中得到了广泛的应用，特别适用于许多精密零件的最终热处理，例如：磨床主轴、镗床镗杆等；,3,、碳氮共渗,氰化（用的较少）：自学；,思考题,1,、解释下列名词：,退火、正火、淬火、回火；,淬火临界冷却速度、淬透性、淬硬性；,2,、将,20,钢与,60,钢同时加热到,860,，并保温相同的时间，问哪种钢奥氏体晶粒粗大些？,3,、将,5mm,的,T8,钢加热到,760,并保温足够的时间，问采用什么样的冷却工艺可得到如下组织：,P,、,S,、,T,、,B,上、,B,下、,T+M,、,M+,少量,A,；,在,C,曲线上描出工艺曲线示意图；,4,、何谓球化退火，为什么过共析钢必须采用球化退火而不采用完全退火？,5,、确定下列退火工艺，并指出退火的目的和退火后的组织：,经冷轧后的,15,钢钢板，要求降低硬度；,ZG35,的铸造齿轮；,锻造过热的,60,钢锻坯；,具有片状渗碳体的,T12,钢坯；,6,、一批,45,钢试样（,尺寸,1510mm,），因其组织、晶粒大小不均匀，需采用退火处理，采用以下几种退火工艺：,缓慢加热到,700,，保温足够时间，随炉冷却至室温；,缓慢加热到,840,，保温足够时间，随炉冷却至室温；,缓慢加热到,1100,，保温足够时间，随炉冷却至室温；,问：上述三种工艺各得到什么组织？若要得到大小均匀的细小晶粒，选何种工艺最合适？,7,、淬火的目的是什么？亚共析钢和过共析钢淬火加热温度应怎么选择？试从获得的组织和性能等方面加以说明？,8,、说明,45,钢试样（,10mm,）经下列温度加热、保温并在水中冷却到室温组织：,700,、,760,、,840,、,1100,；,9,、有两个含碳量为,1.2%,的碳钢薄试样，分别加热到,780,和,860,并保温相同时间，使之达到平衡状态，然后以大于临界冷却速度的速度冷却至室温，试问：,哪个温度淬火后马氏体晶粒较粗大？,哪个温度淬火后马氏体含碳量较多？,哪个温度淬火后残余奥氏体较多？,哪个温度淬火后未溶碳化物较少？,你认为哪个温度淬火合适，为什么？,10,、指出下列工件的淬火及回火温度，并说明其回火后获得的组织和大致硬度？,45,钢小轴（要求综合机械性能）,60,钢弹簧,T12,锉刀,11,、淬透性与淬硬性有何区别和联系？,12,、回火的目的是什么，常用的回火操作有哪几种，指出各种回火操作得到的组织、性能及其应用范围？,13,、甲、已两厂生产同一零件，材料均选用,45,钢，硬度要求,HB220250,。甲厂采用正火，乙厂采用调质处理，都达到了要求。试分析甲厂和乙厂产品的组织和性能的差别？,14,、拟用,T10,制造形状简单的车刀，工艺路线为：,锻造,热处理,机加工,热处理,磨加工；,试问试写出各热处理的名称并指出各热处理工序的作用？,制订最终热处理的工艺规范（温度、冷却介质）？,指出最终热处理后的组织和大致硬度？,15,、选择下列零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线（各零件均选用锻造毛坯，并钢材具有足够的淬透性）,某机床变速箱齿轮，要求齿面耐磨，心部的强度和韧性要求不高，材料选用,45,钢；,某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴颈部分要求耐磨（,HRC5055,），材料选用,45,钢；,镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求很高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用,38CrMoAl,；,16,、某型号柴油机的凸轮轴，要求凸轮表面有高的硬度（,HRC,50,），而心部具有良好的韧性（,A,K,40J,），原采用,45,钢调质处理再在凸轮表面进行高频淬火，最后低温回火，现因工厂库存的,45,钢已用完，只剩,15,钢，拟用,15,钢代替，试说明：,原,45,钢各热处理工序的作用？,改用,15,钢后，仍按原热处理工序进行能否满足性能要求，为什么？,改用,15,钢后，为达到性能的要求，在心部强度足够的前提下应采用何种热处理工艺？,17.,指出下列工件正火的主要作用及正火后的组织。（,1,）,20CrMnTi,制造传动齿轮 （,2,）,T12,钢制造铣刀,18.,用,45,钢制造主轴，其加工工艺的路线为：下料,锻造,退火,粗加工,调质处理试问：（,1,）调质处理的作用。（,2,）调质处理加热温度范围。,19.,氮化处理与渗碳处理相比有哪些特点。,20,热处理的目是什么？有哪些基本类型？,