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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,*,第四章 钢的热处理工艺,供应窄带钢行业热处理设备,1,Therefore,热处理是一种非常重要的,加工方法,，极大部分机械零件都必须经过热处理！,预备热处理,:,退火,;,正火,最终热处理,:,淬火,;,回火,毛坯生产,预备热处理,机械加工,最终热处理,机械精加工,一般机械钢零件生产的工艺路线,:,毛坯生产 机械加工 机械精加工 使用,2,教学内容,4.1,钢的退火与正火工艺,4.2,钢的淬火与回火,4.3,钢的表面热处理,4.4,钢的化学热处理,3,过冷奥氏体的连续冷却转变,CCT,曲线,C - continuous,C - cooling,T - transformation,知识回顾,Ps,：,AP,开始线,Pf,：,AP,终止线,K,：珠光体型转变终止线,Vk,：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）,M,最小冷速,Vk1,：下临界冷速完全,P,最大冷速,4,共析钢,TTT,曲线与,CCT,曲线的比较,（,1,）,CCT,位于,TTT,曲线右下方,AP,转变温度低一些，,t,长一些；,（,2,）,CCT,无,AB,转变,CCT,测定困难，常用,TTT,曲线定性分析。,5,4,1,钢的退火与正火工艺,将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后,缓慢冷却,的热处理工艺。,退火工艺曲线,一、退火,目的,:,消除应力,;,降低硬度；细化晶粒；均匀成分；为最终热处理作好组织准备。,6,1,完全退火,加热温度：,Ac3,以上,20-30,度,组 织：,P+F,目 的： 细化，均匀化粗大、,不均匀组织；,接近平衡组织,调整硬度切削性；,消除内应力。,应用范围：,亚共折钢，共析钢,，,不适用于过共析钢。,2,球化退火（不完全退火）,加热温度：,Ac1,以上,20-40,度,组 织： 球状,P,（,F+,球状,Cem,）,目 的： 使,Cem,球化,HRC,，韧性切削性；,为淬火作准备。,应用范围：,过共析钢，共析钢,7,8,9,加热温度：,1050-1150,，,10-20h,组 织：,P+F,或,P+Fe,3,C,II,目 的：消除,偏析,后 果：粗大晶粒,（应用完全退火消除）,4,再结晶退火,加热温度：,Ac1,以下,50-150,，,或,T,再,+30-50,目 的：消除,加工硬化,5,去应力退火,500-650,3,扩散退火（均匀化退火）,10,把钢零件加热到,临界温度以上,30,50,保温一定时间,然后,在空气中冷却,的,热处理工艺,。,二、正火 （空冷）,11,（,1,）,作最终热处理，普通结构钢零件,a.,细化,A,晶粒，组织均匀化,b.,减少亚共析钢中,F%P%,，细化组织强度，韧性，硬度,（,2,）,预先热处理,a.,消除魏氏组织，带状组织；细化组织为淬火、调质作准备,b.,使过共析钢中,Fe,3,C,II,使其不形成连续网状，为球化作准备,（,3,）,改善切削加工性能,（低碳钢）,临界温度：,Ac3,或,Accm+30-50,组织：,S+,（,F,或,Fe,3,C,）,应用及目的：,12,例：,45#,钢正火工艺曲线,保温时间,的经验公式,:=KD,(,单位为,min,式中,K,加热系数,一般,K=1.5-2.0m/min,若装炉量大则可延长保温时间,D,工件有效厚度,单位为,m),操作步骤如下：,入炉,保温,出炉,空冷,13,三、退火、正火的选择,工具钢正火,+,球化退火,结构钢正火,返修件退火,正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好。,1,切削加工,低碳钢正火,中高碳钢完全退火,高碳钢、合金工具钢,正火球化退火,2,作为最终热处理正火,3,为最终热处理提供良好的组织状态正火,4.,正火可替代完全退火以提高效率,14,4.2,钢的淬火与回火,加热到,A,C,3,、,A,C,1,相变温度,以上，保温，,快速冷却,M+A,一、淬火,15,1,淬火温度的决定,亚共析钢,Ac3+30-50,度,共析钢,Ac1+30-50,度,过共析钢,Ac1+30-50,度,A,、 保留一定的,CemHRC,，耐磨性,B,、,A,中,C%M,中,C%M,脆性,C,、,A,中,C%M,过饱和度残余,A,淬火温度过高,A,粗大,M,粗大力学性能，,淬火温度过高,A,粗大,M,粗大淬火应力变形，开裂,16,650,以上，慢，减小热应力,650-400,，快，避免跨越,C,曲线,400,以下，慢，减轻相变应力,理想淬火冷却曲线示意图,不同淬火方法示意图,2,淬火介质,保证 快速冷却,17,以,45#,钢为例的淬火工艺曲线：,入炉,保温,出炉,油冷,(,或水冷,),18,二、钢的淬透性,1,淬透性：,淬火条件下得到,M,组织的能力，取决于,V,K,（上临界冷却速度）,2,淬硬性：,钢在淬火后获得硬度的能力，取决于,M,中,C%,，,C%,淬硬性,19,3,影响淬透性的因素,V,K,，,C,曲线,C%,亚共析钢,C%,淬透性，,过共析钢,C%,淬透性,奥氏体化温度,Tt,淬透性,合金元素,除,Co%,以外，,C,曲线右移，淬透性,未溶第二相,淬透性,影响,C,曲线的因素,20,（,1,）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求；,选材的依据,（,2,）热处理工艺制定的依据；,（,3,）尺寸效应。,4,淬透性的应用,21,三、回火,a.,消除淬火应力，降低脆性；,b.,稳定工件尺寸，由于,M,，残余,A,不稳定；,c.,获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。,1,回火目的,（,淬火组织的问题,）,定义,:,把淬火后的零件重新加温到,A1,线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。,22,工艺参数及组织,淬火,+,高温回火,=,调质处理,23,2,钢在回火时的组织转变,a.,马氏体分解（,200,以下）,：,析出,-Fe,2.4,C,碳化物（亚稳定）,回火组织：回火马氏体,M,过饱和,固溶体十亚稳定,碳化物（极细的,),作用：晶格畸变降低，淬火应力有所下降。,b.,残余,A,分解（,200-300,）,：,AM,（或,AB,下,）,组织：回火马氏体,M,c.,回火屈氏体,T,形成（,250-400 ,）,：,Fe,3,C;,F,维持,M,外形,组织：回火屈氏体,T(F+ Fe,3,C),d.,碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（,400,）,组织：回火索氏体,SF,（等轴晶）,+ Fe,3,C,（粒）,e.,碳化物,Fe,3,C,片细粒状,Fe,3,C,。,24,3,回火工艺组织一性能关系（及应用）,（,1,）,低温回火（,150-250,）,回火马氏体,M,降低淬火应力，提高韧性，保证高硬度（,HRC58-64,）和耐磨性,高碳的工具、模具、滚动轴承，渗碳与表面淬火的零件,（,2,）,中温回火（,350-500,）,回火屈氏体,T,高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为,HRC35-45,弹簧,（,3,）,高温回火（,500-650,）,回火索氏体,S,淬火高温回火,调质处理,综合机械性能好,(,强度、韧性、塑性的配合,),，,硬度一般为,HRC25-35,承受交变载荷，连杆、轴、齿轮等重要结构件,最终热处理,精密量具、模具,预先热处理,25,回火马氏体组织金相图,1,、高碳回火马氏体：,强度、硬度高、塑性、韧性差,2,、低碳回火马氏体：,高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好。,26,回火屈氏体组织金相图,屈服强度与弹性极限高,27,42CrMo 400,45,钢 ,400,回火索氏体组织金相图,综合机械性能好（,见下页,）,28,正火与,调质处理,的比较：,45,钢,b,(MN/m,2,) (%) a,k,(kJ/m,2,) HB,组织,正火,700-800 12-20 500-800 163-220,细片,S+F,调质,750-850 20-25 800-1200 210-250,细粒,S,淬火,+,高温回火调质处理,29,200,度以下，,HRC,不变。,200-300,度，,M,分解，残余,A,转变为马氏体，硬度降低不大，,高碳钢硬度,有一定的升高。,300,度，,HRC,降低。,1,、韧 性：,400,度开始升高，,600,度最高。,2,、弹性极限：,在,300-400,度最高。,3,、塑 性：,在,600-650,度最高。,4,、高碳回火马氏体：,强度、硬度高、塑性、韧性差,6,、低碳回火马氏体：,高的强度与韧性，硬度、耐磨,性也较好。,7,、回火屈氏体：,屈服强度与弹性极限高,8,、回火索氏体：,综合机械性能。,（,4,）,回火温度与机械性能的关系,30,31,4,合金元素对回火转变的影响,提高回火稳定性,回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。,b.,增大,回火脆性（见下页）,回火脆性：指随回火温度升高时，在,250400,和,450-650 ,两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。,c.,产生,二次硬化（见下后页）,32,（,1,）,低温回火脆性,（,250-400,）,碳化物片沿,M,晶界析出,避免在此温度回火,（,3,）,高温回火脆性,（,450-650,）,P,等元素在原,A,晶界偏聚，慢冷时,Cr,、,Ni,等促进偏聚,Mo,等抑制偏聚,减少,P,等杂质元素，,添加,Mo,等合金元素,33,二次硬化效应,：一些,Mo,、,W,、,V,含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约,400,）后反而开始增大，并在另一更高温度（,550,）达到峰值。,如图钼钢合金,34,回火类型,回火温度,组织,性能及应用,组织形态,低温回火,150250,回火,M,（,M,）,保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件,过饱和,a-Fe+e,碳化物,中温回火,350-500,回火屈氏体,（,T,）,硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度，用于弹性元件,保留马氏体针形,F+,细粒,Fe,3,C,高温回火,500-650,回火索氏体（,S,）,强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。,多边形,F+,粒状,Fe,3,C,5,回火工艺及其应用,记注：淬火,+,高温回火调质处理,应用很多,35,以,45#,钢为例的,调质,工艺曲线：,淬火,+,高温回火调质处理,36,4.3,钢的表面热处理,表面淬火： 不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部,热处理方法。,一、感应加热表面淬火,1,原理,交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应,表面加热,2,分类,a.,高频,200-300KHz,，淬硬深度,0.5-2mm,小工件,b.,中频,2500-8000Hz,淬硬深度,2-5mm,尺寸较大的工件,c.,低,频,50Hz,淬硬深度,10-15mm,大型工件,d.,超音频,30-40KHz,3,钢种,中碳钢和中碳低合金钢,37,加热速度快 几秒,几十秒,b.,加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性,c.,残余压应力提高寿命,d.,不易氧化、脱碳、变形小,e.,工艺易控制，设备成本高,4,特点,锻造退火式正火粗加工调度精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）,5,工艺路线,38,4.4,钢的化学热处理,一、渗碳 ：,A,C3,以上；,900950 ,， 低碳钢,1,目的及应用,提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度,和良好的塑性和韧性,2,钢种,低碳钢，低碳合金钢,3,加工工艺路线,锻造正火切削加工渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）低温回火喷丸磨削,39,（,1,）直接淬火 （如图,a,、,b,曲线）,奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余,A,多，耐磨性低，变形大。,只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。,（,2,）一次淬火,（如图,c,曲线）,心部要求高,A,C3,以上,表面要求高，,A,C1,以上,30-500 ,（,3,）二次淬火,（如图,d,曲线）,第一次，改变心部组织,A,C3,以上,30-500 ,第二次，细化表面组织,A,C1,以上,30-500 ,4,渗碳工艺,-,组织,-,性能关系,加热温度，保温时间渗碳层厚度,40,A3,钢多元共渗渗层,X400,42rMo,钢多元共渗组织,X400,41,二、氮化,（含,Al, Cr, Mo,，,V,的钢）,它系指在一定温度（一般在,A,C1,）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的耐蚀性能，且因氮化温度低、变形小，因此在工艺中的应用也非常广泛。常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗（软氮化）等。,气体氮化是将工件放在密封的炉内加热，并通入氮气。渗碳的加热温度低（小于,Ac1,温度，钢的组织处于铁素体状态），因此工件变形小、氧化脱碳少。,气体氮化的原理：,氨气在,300,以上是便可以受热分解出活性氮原子，,即：,2NH,3,3H,2,+2N,活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和化合物。,42,气体氮化的温度：,如果渗氮的目的是为了获得高的硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，则氮化温度为,500,570,，氮化时间为,30,50h,。,如果渗氮的目的是单纯提高零件的抗腐蚀性能，则氮化温度宜为,590,720 ,，。,气体氮化的工艺路线：,锻造退火机械粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨,说明：,为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理；,为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。,氮化作为最后工序,43,钢的氮化层显微组织,400X,钢的氮化层显微组织,44,B-Al,B-Al,共晶组织（菊花状）,B-Al-W,共晶组织（三角形）,B-Al,亚共晶组织（树枝状）,45,作业,术语：,退火 正火 回火 淬火 淬透性 淬硬性 回火脆性,二次硬化 回火稳定性 调质 表面热处理 化学热处理,简答题：,1,、退火有哪些种类？并简述各自的工艺特点与应用范围。,2,、正火有哪些应用。,3,、对不同的钢，在淬火温度确定与冷却介质选择时应注意些什么？,4,、影响淬透性的因素有哪些？,5,、钢回火的目的是什么？钢在回火时会发生哪些组织转变？,6,、不同的回火工艺可得到不同的回火组织，简述钢回火温度,-,组织,-,性能的关系与应用。,7,、简述表面热处理和化学热处理的特点与应用。,46,一般要求,1.,钢在加热和冷却时组织转变的机理；,2.,各种热处理的具体工艺过程；,3.,钢在加热和冷却过程中产生的缺陷,.,47,1.,钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；,2.,本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；,3.,共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。,C,曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。,4.,非共析钢,C,曲线与共析钢,C,典线的差别及影响,C,典线的因素；,5.,奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响；,6.,各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和适用的钢种，零件的范围。,重点掌握,48,
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