钢的热处理及表面处理.ppt

第一节概述第二节钢在加热时的组织转变第三节钢在冷却时的组织转变第四节钢的退火与正火第五节钢的淬火第六节钢的淬透性第七节钢的回火第八节钢的表面淬火第九节钢的化学热处理第十节热处理零件的结构工艺性第十一节钢铁的表面处理 第六章钢的热处理及表面处理 P81 第一节概述1 钢的热处理 P80 钢的热处理是指在固态下通过对钢进行不同的加热 保温 冷却来改变钢的组织结构 从而获得所需要性能的一种工艺 第一节概述2 钢的热处理分类 P80 根据工艺方法来分1 整体热处理 退火 正火 淬火 回火 2 表面热处理 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 激光加热表面淬火等 3 化学热处理 渗碳 渗氮 渗其它元素等 第一节概述2 钢的热处理分类 P80 根据热处理在零件加工中的作用分1 预先热处理 退火 正火 为机械零件切削加工前的一个中间工序 以改善切削加工性能及为后续作组织准备 2 最终热处理 淬火 回火 获得零件最终使用性能的热处理 第一节概述3 过热度和过冷度 P80 平衡态相变线A1 A3 Acm加热 过热度 Ac1 Ac3 Accm冷却 过冷度 Ar1 Ar3 Arcm 加热和冷却时相图上临界点位置 第二节钢在加热时的组织转变 P81 一 奥氏体的形成二 奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素 第二节钢在加热时的组织转变一 奥氏体的形成 P81 奥氏体化 若温度高于相变温度钢 在加热和保温阶段 将发生室温下的组织向A的转变 称为奥氏体化 第二节钢在加热时的组织转变一 奥氏体的形成 P81 共析钢加热到Ac1点相变温度P F Fe3C A 奥氏体形成的四个步骤 1 奥氏体晶核的形成 A晶核通常在珠光体中F和Fe3C相界处产生 2 奥氏体晶核长大 3 残余渗碳体的溶解 4 奥氏体的均匀化 第二节钢在加热时的组织转变一 奥氏体的形成 P81 亚共析钢 加热到Ac3以上 过共析钢 理论上应加热到Accm以上 但实际上低于Accm 因为加热到Accm以上 渗碳体会全部溶解 奥氏体晶粒也会迅速长大 组织粗化 脆性增加 加热和冷却时相图上临界点位置 二 奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素 P81 1 奥氏体晶粒度1 起始晶粒度 室温下各种原始组织刚刚转变为奥氏体时的晶粒度 2 实际晶粒度 钢在具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度的大小 分为10级 1级最粗 二 奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素 P82 3 本质晶粒度 表示奥氏体晶粒长大的倾向性 不表示晶粒的大小 本质粗晶粒钢 奥氏体晶粒度随着加热温度的升高不断地迅速长大 如图6 3 本质细晶粒钢 奥氏体晶粒度只有加热到较高温度才显著长大 二 奥氏体晶粒度和奥氏体晶粒长大及其影响因素 P82 3 奥氏体晶粒长大及影响因素1 加热温度和保温时间 加热温度越高 晶粒长大越快 奥氏体越粗大 保温时间延长 晶粒不断长大 但长大速度越来越慢 2 加热速度 加热速度越大 形核率越高 因而奥氏体的起始晶粒越小 而且晶粒来不及长大 3 碳及合金元素4 钢的原始组织 第三节钢在冷却时的组织转变 P82 过冷奥氏体 在共析温度 A1 以下存在的不稳定状态的奥氏体 以符号A冷表示 随着过冷度的不同 过冷奥氏体将发生三种类型转变 1 珠光体型转变 2 贝氏体型转变 3 马氏体型转变 一 珠光体型转变 高温转变 一 珠光体组织形态及性能 P83 过冷奥氏体在A1 550 温度范围内将转变成珠光体类型组织 该组织为铁素体与渗碳体层片相间的机械混合物 这类组织可细分为 一 珠光体型转变 高温转变 二 珠光体转变过程 P83 典型的扩散相变 1 碳原子和铁原子迁移 2 晶格重构 二 贝氏体型转变 中温转变 一 贝氏体组织形态和性能 P83 过冷奥氏体在550 Ms点温度范围内将转变成贝氏体类型组织 贝氏体用符号字母B表示 根据贝氏体的组织形态可分为上贝氏体 B上 和下贝氏体 B下 二 贝氏体型转变 中温转变 一 贝氏体组织形态和性能 P85 贝氏体的力学性能1 550 350 上贝氏体B上 羽毛状 40 45HRC 脆性较大 基本上无实用价值 2 350 Ms 下贝氏体B下 黑色竹叶状 45 55HRC 优良的综合力学性能 常用 二 贝氏体型转变 中温转变 二 贝氏体转变过程 P85 半扩散型转变 只发生碳原子扩散 大质量的铁原子基本不扩散 贝氏体转变过程参考书本P85图6 7和图6 8 三 马氏体型转变 低温转变 一 马氏体组织形态和性能 P85 当奥氏体以极大的冷却速度过冷至Ms点以下 对于共析钢为230 以下 时 将转变成马氏体类型组织 获得马氏体是钢件强化的重要基础 一 马氏体组织形态和性能1 马氏体的晶体结构 P85 马氏体M是碳在 Fe中的过饱和固溶体 马氏体转变时 奥氏体中的C全部保留在马氏体中 体心正方晶格 a b c c a 正方度 M中碳的质量分数越高 其正方度越大 晶格畸变越严重 M的硬度也就越高 一 马氏体组织形态和性能2 马氏体的组织形态 P86 钢中马氏体组织形态主要有两种类型 1 板条状马氏体 也称位错马氏体 2 针片状马氏体 也称孪晶马氏体 参考图6 10 Wc1 针片状马氏体 一 马氏体组织形态和性能3 马氏体的性能 P87 主要特点 高硬度高强度 马氏体强化的主要原因是过饱和碳原子引起的晶格畸变 即固溶强化 板条状马氏体塑性韧性较好 高碳片状马氏体的塑性韧性都较差 在保证足够的强度和硬度的情况下 尽可能获得较多的板条状马氏体 二 马氏体转变特点 P87 1 无扩散性 马氏体转变是非扩散性转变 因而转变过程中没有成分变化 M的含碳量和原来A的相同 2 切变共格和表面浮凸现象 由于原子不能进行扩散 因而晶格转变只能以切变的机制进行 3 变温形成 M只有在不断降低温度的条件下 转变才能继续进行 二 马氏体转变特点 P88 4 高速长大 马氏体生长速度极快 片间相撞容易在马氏体片内产生显微裂纹 5 转变不完全 残余奥氏体A残 MS点越高 M越多 A残越少 Ms和Mf点的温度与冷却速度无关 主要取决于含碳量与合金元素的含量 如图6 17 由于转变温度不同 过冷奥氏体将按不同机理转变成不同的组织 P B M 转变类型主要取决于转变温度 但转变量和速度又与时间密切相关 过冷奥氏体转变曲线 表示温度 时间 和转变量三者之间的关系曲线 四 过冷奥氏体转变曲线 P88 过冷奥氏体等温转变曲线又叫C曲线 也称为TTT曲线 冷却方式 1 等温冷却2 连续冷却 一 过冷奥氏体等温转变曲线 P89 温度 时间 1 2 1为连续冷却2为等温冷却 一 过冷奥氏体等温转变曲线1 等温转变曲线的建立 P89 图6 18共析碳钢C曲线的建立 等温转变曲线可以用金相法 膨胀法 电阻法和热分析法等多种方法建立 一 过冷奥氏体等温转变曲线2 共析钢C曲线分析 P89 为珠光体转变区 为贝氏体转变区 为马氏体转变区 孕育期 转变开始线与纵坐标轴之间的距离 鼻尖 孕育期最短处 过冷奥氏体最不稳定 550 图6 19共析钢C曲线 PST B上B下 M 一 过冷奥氏体等温转变曲线3 影响C曲线的因素 P89 1 含碳量的影响 如图6 19 1 在正常加热条件下 Wc0 77 时 含碳量增加 C曲线左移 所以 共析钢的过冷奥氏体最稳定 2 亚共析钢 先析出F 过共析钢 先析出渗碳体 一 过冷奥氏体等温转变曲线3 影响C曲线的因素 P90 2 合金元素的影响 如图6 20 除钴以外 所有的合金元素溶入奥氏体后 都增大过冷奥氏体A的稳定性 使C曲线右移 碳化物含量较多时 对曲线的形状也有影响 一 过冷奥氏体等温转变曲线3 影响C曲线的因素 P90 3 加热温度和保温时间的影响 随着加热温度的提高和保温时间的延长 这使奥氏体的成分更加均匀 晶粒粗大 这些都提高过冷奥氏体的稳定性 使C曲线右移 二 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 P90 在实际生产中 过冷奥氏体大多是在连续冷却时转变的 这就需要测定和利用过冷奥氏体连续转变曲线 过冷却奥氏体连续转变曲线又叫CCT曲线 二 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 P90 过冷奥氏体连续转变曲线 CCT曲线 与TTT曲线的区别 1 连续冷却曲线靠右一些 2 连续冷却曲线只有C曲线的上半部分 而没有下半部分 也就是说而没有贝氏体转变 二 过冷奥氏体连续冷却转变曲线 P90 临界冷却速度 获得马氏体的最小冷却速度 vk是CCT曲线的临界冷却速度 vk 是TTT曲线的临界冷却速度 vk 1 5vk 凡是使C曲线右移的因素都会减小临界冷却速度 过冷奥氏体等温转变曲线的实际应用 P91 生产上常用C曲线来分析钢在连续冷却条件下的组织 如图 1 炉冷V1 珠光体P 2 空冷V2 索氏体S 3 油冷V3 托氏体T 马氏体M 4 水冷V4 马氏体M 残余奥氏体A残 第四节钢的退火与正火一 退火和正火的主要目的 P91 1 调整硬度以便切削加工 170HBS 250HBS 2 消除残余应力 防止变形 开裂 3 细化晶粒 改善组织 提高力学性能 4 为最终热处理作组织准备 二 退火 P91 将金属加热到适当的温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 炉冷 的热处理工艺 退火根据钢的成分和工艺目的不同 可分为完全退火 等温退火 球化退火 均匀化退火 去应力退火等 二 退火 P91 1 完全退火 重结晶退火 普通退火 将钢完全奥氏体化 随之缓慢冷却 获得接近平衡组织的退火工艺 主要用于亚共析钢的铸件 锻件 热轧型材和焊接件 加热温度Ac3 30 50 温度 时间 Ac3 30 50 Ac3 完全退火工艺曲线图 使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺 主要用于过共析钢 目的在于降低硬度 改善切削加工性能 并为后续的淬火做组织准备 得到的组织 粒状P F基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织 加热温度Ac1 20 40 二 退火2 球化退火 不完全退火 P91 加热到高于Ac3 或Ac1 温度 保持适当时间后 较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织 然后在空气中冷却的退火工艺 对于亚共析钢可代替完全退火 对于过共析钢可代替球化退火 二 退火3 等温退火 P92 时间 温度 空冷 等温退火工艺图 将铸件加热到略低于固相线温度 一般低于100 长时间保温 然后缓冷的热处理工艺 主要用于消除某些具有化学成分偏析的铸钢件及铸锭 加热温度Ac3 150 200 二 退火4 均匀化退火 扩散退火 P92 二 退火5 去应力退火 无相变退火 P92 将工件加热到Ac1以下 100 200 保温后随炉冷却到160 以下出炉空冷 主要用于消除内应力 稳定尺寸 防止变形与开裂 加热温度通常为500 650 三 正火 P92 正火是将钢加热到Ac3 或Accm 以上 30 50 保温适当的时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺 正火组织为索氏体 正火与退火的主要区别 1 冷却速度不同 2 正火后的组织比较细 比退火强度 硬度有所提高 而且生产周期短 操作简单 过共析钢正火后可消除网状碳化物 低碳钢正火后可显著改善切削加工性能 正火是一种优先采用的预先热处理工艺 各种退火和正火加热温度比较 P92 1 均匀化退火Ac3 150 200 2 正火Ac3或Accm 30 50 3 完全退火Ac3 20 50 4 球化退火Ac1 20 40 5 去应力退火500 650 图6 24 第五节钢的淬火 P93 淬火 将钢加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度 保持一定时间 然后以大于vk的速度冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 淬火的主要目的 获得马氏体或下贝氏体 为以后获得各种力学性能的回火组织作准备 一 淬火温度的选择 P93 1 亚共析钢Ac3 30 50 要完全奥氏体化 2 过共析钢Ac1 30 50 是部分奥氏体化 3 合金钢的淬火温度允许比碳素钢高 一般为临界点以上 50 100 三 淬火介质 P93 理想的淬火冷却速度 如图6 26所示 在C曲线 鼻尖 附近快冷 而在Ms点附近应尽量慢冷 目前常用的冷却介质有 油 水 盐水等 其冷却能力依此增加 新型水溶性淬火介质 如表6 2所示 三 常用淬火方法 P96 1 单液淬火2 双液淬火3 马氏体分级淬火4 贝氏体等温淬火 第六节钢的淬透性一 淬透性的基本概念 P96 钢的淬透性 是指在规定的条件下 钢在淬火时能够获得淬硬层深度的能力 淬透性是钢的一种热处理工艺性能 与冷却速度无关 淬透性也叫可淬性 它取决于钢的淬火临界冷却速度 Vk 的大小 第六节钢的淬透性二 淬透性对钢力学性能的影响 P97 淬透性对钢的力学性能有很大影响 淬透的工件 表里性能均匀一致 未淬透时 表里性能存在差异 淬透的工件经调质后由表及里都是回火索氏体 而未淬透的工件心部是片状索氏体和铁素体 尤其是韧性 ak 相差特别大 不同的零件对淬透性要求不一样 如弹簧要求淬透 而齿轮即不要求淬透 第六节钢的淬透性三 影响淬透性的因素 P97 影响钢的淬透性的决定性因素是临界冷却速度 vk 临界冷却速度越小 淬透性越大 影响因素有 1 含碳量共析点附近淬透性最好 远离S点差 2 合金元素除Co外 几乎所有的合金元素都降低钢的临界冷却速度 即提高钢的淬透性 3 奥氏体化温度越高 保温时间越长 钢的淬透性增大 第六节钢的淬透性四 淬透性的测定和表示方法 P98 未端淬火法GB225 88钢的淬透性表示方法临界淬透直径Dc 它是指心部得到全部M或50 M的最大直径 30 35 10 J 第六节钢的淬透性五 淬透性与淬硬层深度的关系 P98 在相同的条件下 钢的淬透性越高 淬硬层深度就越大 工件的淬硬层深度除取决于钢的淬透性外 还受淬火介质和工件尺寸等外部因素的影响 第六节钢的淬透性六 淬硬性与淬透性 P99 淬硬性是指钢在正常淬火条件下 所能达到的最高硬度 是钢的一种工艺性能 奥氏体中固溶的碳越多 淬硬性就越高 与合元素没有多大关系 而淬透性与合金元素就有很大的关系 淬硬性高的钢 其淬透性不一定高 第六节钢的淬透性七 淬透性在生产中的应用 P99 对承受动载荷的一些重要零件要选用能全部淬透的钢 如发动机连杆 弹簧等 当零件表里性能可以不一致时 不要求淬透 选用淬透性适宜的钢即可 如齿轮 焊接件不可选用淬透性高的钢 否则就容易在焊缝附近出现淬火组织 造成变形和裂纹 对于淬透性好的钢 可以采用冷却速度缓慢的淬火介质 这对于复杂工件十分有利 第七节钢的回火 P99 淬火获得的马氏体组织脆性很大 一般须经回火以改善其性能才能使用 回火是指将淬火后的钢再加热到不超过Ac1的温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理工艺 一 回火的目的 P100 1 降低脆性 消除或减小内应力 防止工件变形或开裂 2 获得工件所要求的力学性能 3 稳定工件尺寸 M A残F Fe3C 或碳化物 4 改善切削加工性能 二 淬火钢在回火时的转变 P100 1 100 碳原子向位错线附近或间隙位置聚集 伴有硬度升高现象 2 100 250 马氏体分解 M回M 回M 碳化物 为过饱和固溶体 碳化物与母相共格 其分子式为Fe2 4C 这个转变称为回火第一阶段 性能变化 高硬度 但应力和脆性大大消除 二 淬火钢在回火时的转变 P100 3 200 300 残余奥氏体分解 A残回马 性能变化 有A残的分解 硬度没有明显降低 这次转变称为回火第二阶段 4 250 400 碳化物类型变化 回M回T 回T称为回火托氏体 组织为保持原M形态的F和粒状的Fe3C 碳化物粒状的Fe3C 这种转变称为第三阶段 性能变化 硬度下降 韧性增加 具有良好的弹性极限和抗疲劳性能 应力全部消除 二 淬火钢在回火时的转变 P100 5 400 700 相回复与再结晶 渗碳体球化和粗化 回T回S 回S称为回火索氏体 组织为等轴F 粒状Fe3C2 这个阶段称回火第四阶段 性能变化 硬度进一步下降 韧性提高 具有良好的综合力学性能 650 Fe3C2颗粒长大 组织称为回P 性能变化 硬度强度显著降低 韧性塑性提高 1 低温回火 150 250 回火M 58 64HRC 降低残余应力和脆性 保持钢在淬火后得到的高硬和高耐磨性 应用 高碳工模具 量具 滚动轴承等 2 中温回火 350 500 回火T 35 45HRC 获得高屈服强度 弹性极限和较高的韧性 应用 弹簧 模具等 3 高温回火 500 650 回火S 20 35HRC 得到强度 塑性 韧性较好的综合力学性能 调质处理淬火加高温回火得到回火S的热处理工艺 应用 各种重要的结构零件 如连杆 曲轴 等 三 回火的种类及应用 P101 淬火加回火工艺曲线图 温度 时间 550 450 200 低温回火中温回火高温回火 调质处理 Ac3 40 淬火阶段 回火阶段 四 回火脆性 P101 淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象 第一类回火脆性 低温回火脆性 200 350 不可逆 所有淬火钢都存在 生产上常避开此区间回火 第二类回火脆性 高温回火脆性 450 650 可逆 仅存在于含Cr Ni Mn等钢中 回火后快冷或加入Mo元素可避免 第八节钢的表面淬火 P101 表面淬火的目的 使零件表面获得高硬度和高耐磨性 而心部仍保持原来良好的韧性和塑性 表面淬火不改变表面化学成分 只改变其表面组织 含碳量在0 4 0 5 的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火 一 感应加热基本原理 采用电磁感应方法使零件表面迅速加热 然后迅速喷水冷却的热处理操作 二 感应加热的频率1 高频200 300KHz 淬硬深度0 5 2 5mm小件 2 中频2500 8000Hz 淬硬深度2 10mm尺寸较大的工件 3 工频50Hz 淬硬深度10 20mm大型工件 一 感应表面淬火 P102 20 f 二 其它表面加热淬火方法 P103 火焰加热表面淬火 乙炔氧化焰直接喷射工件表面 使其快速加热 当达到淬火温度时立即喷水冷却 以获得表面硬化效果的表面淬火工艺 电接触加热表面淬火 采用低电压 大电流 通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路 靠接触电阻热实现快速加热 滚轮移去后即进行自激冷淬火 激光表面淬火 利用激光对工件表面进行强化处理 用高能量激光作热源快速加热钢件表面 并自行冷却使其淬火 特别适合局部淬火 第九节钢的化学热处理 P104 化学热处理是将金属或合金工件置于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 化学热处理可分为 渗碳 渗氮 碳氮共渗 渗硼 渗洛和渗铝等 渗入法的化学热处理过程 都可分为三个互相衔接的阶段 即分解 吸收和扩散 一 钢的渗碳 P104 渗碳 是将钢件在渗碳介质中加热并保温 使碳原子渗入表层的化学热处理工艺 目的 提高工件表面强度 耐磨性和疲劳强度 同时保持心部的良好韧性 应用 合金渗碳钢 Wc 0 1 0 25 钢的渗碳方法 P105 一 气体渗碳法 将工件放入密封的渗碳炉内 通入渗碳气体 在900 950 加热 保温 使活性碳进入钢件表面 二 固体渗碳法 是将工件埋在固体渗碳剂中 装箱密封 然后放入加热炉内加热到900 950 保温一定时间后出炉 三 真空渗碳法 是把零件放入特制的真空炉中 先抽真空使之达到一定真空度 然后将炉温升至渗碳温度 再通入一定量的渗碳气体进行渗碳 渗碳零件的工艺路线 下料锻造正火机械加工渗碳淬火 低温回火精加工 磨削等 第十节热处理零件的结构工艺性 P108 所谓热处理零件的结构工艺性就是设计人员设计的零件要符合热处理工艺的要求 设计时要注意以下几点 1 避免厚薄悬殊的截面 图6 40 2 避免尖角和棱角 图6 41 3 采用对称结构 图6 42 4 采取封闭结构 图6 43 5 采取组合结构 图6 44 第十一节钢铁的表面处理 P110 钢铁的表面处理是指对成品的钢铁件表面进行的涂镀处理 不改变原零件表面的化学成分 而是在零件原表面上增加一层或多层涂层 涂层成为零件的新表面 从而达到零件表面改性的目的 常用的钢铁表面处理方法有化学镀 电镀等 作业 P113 第4 5 6 8 65 T12 11 完全退火 球化退火 调质处理 12 45 T12