热处理的方式详解.ppt

1 9钢的热处理 将钢在固态下进行不同方式的加热 保温和冷却 从而改变其内部组织 获得所需性能的工艺过程称为钢的热处理 纯粹利用钢材的原始性能来满足对零件日益趋高的使用要求常常是不经济的 有时甚至是不可能的 对同一种材料施以不同的热处理工艺获得截然不同的性能 可满足加工和使用要求 因此热处理的应用日益广泛 几乎80 的机械零件都要热处理 至于工具 刀具 量具 模具 和轴承则100 都要进行热处理 以延长零件的使用寿命 一 热处理的基本概念 1 目的 改善组织和性能 2 机理 固态相变 纯金属的同素异构转变 合金的晶体结构改变 及原子扩散 钢烧红后放入水中急冷会变硬 紫铜却不会 4 分类 3 工艺过程 加热 保温 冷却 普通热处理 整体热处理 表面热处理 化学热处理 形变热处理 5 过热和过冷 过热 加热时高于平衡转变温度才发生相变 过冷 冷却时低于平衡转变温度才发生相变 平衡转变温度 A1 A3 Acm 极缓慢加热 冷却时的相变温度线 钢加热到A1以上时P向A转变 二 钢加热时的组织转变 属于平衡转变 奥氏体化 奥氏体长大 1 奥氏体的形成过程 形核 长大 完全A化 加热至Ac3或Accm以上温度 F P Fe3CA 部分A化 仅加热至Ac1以上温度 PA 部分A化 部分A化 完全A化 Ac3线 Accm线 Ac1线 根据加热温度的不同 奥氏体化可分为 2 奥氏体的长大过程奥氏体形成后 如果继续加热或保温 在伴随残余渗碳体溶解和奥氏体均匀化的同时 奥氏体晶粒将开始长大 奥氏体晶粒的长大是大晶粒吞并小晶粒的过程 其结果是使晶界面积减小 从而降低了表面能 因此它是一个自发的过程 780 时A形成不到10S 碳化物溶解几百秒 A均匀化104S 奥氏体的晶粒度 起始晶粒度 刚刚完成奥氏体转变 晶界刚刚接触 时的A晶粒大小 实际晶粒度 在具体的热处理或热加工温度下实际获得的A晶粒大小 本质晶粒度 将钢加热到930 10 保温3 h 冷却后在放大100倍的显微镜下所测定的A晶粒大小 本质晶粒度反映了钢在一定条件下奥氏体晶粒长大的倾向性 其与起始晶粒度和实际晶粒度是完全不同的概念 912 以上 标准晶粒度5 8级的为本质细晶粒钢 标准晶粒度1 4级的为本质粗晶粒钢 Review 本质粗晶粒钢 奥氏体随温度的升高迅速长大的钢 如经锰硅脱氧的钢 沸腾钢等 本质细晶粒钢 奥氏体晶粒长大倾向小 加热到较高温度才显著长大的钢 如经铝脱氧的钢 镇静钢等 热处理生产中应严格控制加热温度 不能过热 常采用快速加热和短时间保温的方法来细化晶粒 因为适当提高加热速度有利于增大过热度 使A晶粒细化 则冷却后的组织也越细 材料的强度 塑性 韧性越好 适当的保温时间有利于A均匀化 但保温时间过长将使晶粒过份长大 形成粗晶 影响奥氏体晶粒度的因素热处理时的加热温度 加热速度 保温时间以及钢中的碳元素 合金元素的含量都会影响A的长大程度 从而影响实际晶粒度 加热温度越高 加热速度越慢 保温时间越长 实际晶粒度越粗 三 钢在非平衡冷却时的组织转变 过冷奥氏体 珠光体 贝氏体 马氏体 过冷奥氏体 在A1温度以下 未发生转变的 处于不稳定状态的奥氏体 贝氏体 含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布的微细渗碳体的混合物 代号B 马氏体 碳在 Fe中的过饱和固溶体 代号M 平衡冷却时组织F P Fe3C 1 钢的等温冷却转变曲线 TTT曲线或C曲线 550 600 650 Ms Mf 转变开始线 转变终了线 100 P S T 珠光体转变 B 贝氏体转变 马氏体转变 温度 时间 A 共析钢的TTT曲线 230 50 转变产物的组织与性能 1 珠光体型 P 转变 A1 550 A1 650 P 5 25HRC 片间距为0 6 0 7 m 500 650 600 细片状P 索氏体 S 片间距为0 2 0 4 m 1000 25 36HRC 600 550 极细片状P 屈氏体 T 片间距为 0 2 m 电镜 35 40HRC 层片间距越小 即从P S T 材料的强度 硬度 塑性 韧性越高 珠光体形貌像 索氏体形貌像 屈氏体形貌像 2 过冷奥氏体在550 Ms之间发生的转变 贝氏体转变 1 贝氏体B 含碳略微过饱和的铁素体与弥散分布的微细渗碳体的混合物 3 根据转变温度的不同 B分为上B和下B 上贝氏体 在550 350 的转变产物 其形态为羽毛状 即铁素体呈板条束状 渗碳体弥散分布于板条的边界上 强度低 脆性大 无实用价值 下贝氏体 在350 Ms的转变产物 其形态为针叶状 即铁素体呈针叶片状 渗碳体弥散分布于叶片内 强度 硬度较高 韧性也好 实用价值大 550 350 B上 40 45HRC 350 230 B下 50 60HRC 2 马氏体转变是过冷奥氏体急冷至Ms Mf间发生的转变 即M只能是淬火处理的产物 马氏体转变 1 马氏体M 碳在 Fe中的过饱和固溶体 3 共析钢的Mf在 50 左右 所以一般在室温环境下的M转变不彻底 仍有少量A会残存下来 称为残余A 且Ms和 Mf随含碳量的增加而降低 故残余A的量也就随含碳量的增加而增多 转变特点 转变温度 230 50 在一个温度范围内连续冷却完成 转变速度极快 即瞬间形核与长大 无扩散转变 Fe C原子均不扩散 M与原A的成分相同 造成晶格畸变 转变不完全性 QM f T 4 根据含碳量不同 M分为板条M和片状M 板条M 即低碳M 碳的过饱和度较小 晶格的畸变不大 故硬度不很高 塑性 韧性较好 片状M 即高碳M 碳的过饱和度大 晶格畸变大 硬度很高 但内应力大 易造成显微裂纹 塑性 韧性极差 高碳钢极易淬硬 机械设备中需要高硬度 高耐磨的零件都选用高碳钢 但淬火后脆性大 易开裂 必须再回火才能投入使用 低碳钢是淬不硬的钢 机械设备中需要高硬度 高耐磨的零件不会选用低碳钢 低碳板条状马氏体 高碳片状马氏体 回火马氏体 A F A P A Fe3C A P 亚共析钢C曲线 共析钢C曲线 过共析钢C曲线 亚共析钢 过共析钢的TTT曲线与共析钢的基本相似 但两者在奥氏体向珠光体转变之前都有先析相 铁素体或二次渗碳体 出现 且曲线中鼻尖及Ms Mf的位置不同 课本P49 亚共析钢 碳量增加C曲线右移过共析钢 碳量增加C曲线左移所有的钢 碳量增加 Ms Mf下降 影响TTT曲线形状与位置的因素 2 奥氏体中含合金元素的影响 除Co Al 2 5 外 所有合金元素溶入奥氏体中 会引起 3 加热温度和保温时间的影响 加热温度越高 保温时间越长 碳化物溶解充分 奥氏体成分均匀 提高了过冷奥氏体的稳定性 从而使TTT曲线向右移 2 钢的连续冷却转变曲线 CCT曲线 在热处理生产中 奥氏体的转变大多是在连续冷却条件下进行的 所以CCT曲线对制定热处理工艺更加具有重要的指导意义 当采用不同的冷却速度V1 V2 V3和V4连续冷却时 可从图中分析出所获得的组织和性能 V临 获得M的临界冷却温度 M临界线 共析钢138 S P 少量M 碰到K线不再变P 3 TTT曲线与CCT曲线的差别及应用价值 差别 所有碳钢的TTT曲线上都有B转变区 而对CCT曲线而言 只有亚共析钢有B转变区 共析钢和过共析钢均无B转变区 也即当采用等温冷却方式进行热处理时 只要温度适当 任何碳钢都可获得韧性较好的B 而当采用连续冷却方式时 只有亚共析钢能获得B 且不是单一相的B 而是与F P 或S T 等许多组织混杂在一起的B 应用价值 热处理生产中 我们根据TTT曲线可准确分析出各种钢材在不同温度下的等温转变产物 从而推断出材料热处理后的性能变化 同样 也可根据CCT曲线准确分析不同速度的连续冷却方式下材料的转变产物和性能 反过来 也可以根据所需要的材料性能来确定等温转变的温度或连续冷却的方式 同时 由于同一钢种的TTT曲线与CCT曲线并没有本质的差别 因此 在缺少CCT曲线的情况下 往往就依据TTT曲线粗略地估计连续冷却时的转变产物与性能 四 常用的热处理工艺 1 退火 加热 保温 随炉缓冷 完全退火 种类适用对象加热温度目的 中高碳的亚共析钢和共析钢 AC3以上20 30 软化材料有利切削消除应力 球化退火 过共析钢 AC1以上20 30 去应力退火 铸 锻 焊件 500 650 消除残余内应力 再结晶退火 发生冷变形硬化的钢件 650 700 恢复材料塑性 实现平衡相变 等温退火 获球状P有利切削淬火前准备 奥氏体稳定的合金钢 AC1或AC3以上30 50 SHANGHAIUNIVERSITY 注意 除等温退火外的几种退火均采用连续冷却 随炉冷却 方式 占用炉子时间长 而等温退火是将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度区等温保温 待完成珠光体转变后 即出炉空冷至室温 所以同样能达到软化材料 消除应力等目的 但时间可缩短一半 经济性好 且组织也较均匀 等温退火 完全退火 共析钢转变示意图 2 正火 加热 保温 空气中冷却 加热温度 亚共析钢 Ac3以上30 50 共析 过共析钢 Accm以上30 50 组织转变 加热时完全A化 冷却时S或T转变 目的 改善切削加工性能 低碳钢增硬度 防粘刀 中高碳钢降硬度 使切削省力 刀具磨损小 细化铸 锻 焊件的粗晶组织 改善性能 消除网状的二次渗碳体 退火和正火通常作为零件加工前的预备热处理 对一些不太重要的零件可用正火作为最终热处理 各种退火和正火的加热温度见下图 Accm Ac3 Ac1 球化退火 再结晶退火 去应力退火 650 500 700 正火 完全退火 各种退火和正火的工艺曲线见下图 正火 Ac3 Ac1 完全退火 球化退火 去应力退火 再结晶退火 时间 温度 等温退火 珠光体转变区 3 淬火 加热 保温 急冷 加热温度 亚共析钢 Ac3以上30 50 共析 过共析钢 Ac1以上30 50 目的 提高材料硬度和耐磨性 获得M 淬火介质 最常用的淬火介质是水和油 B或M转变 水或盐水溶液是经济且冷却能力较强的淬火介质 淬火用油主要是机油 变压器油 柴油等矿物油 熔融状态的盐也常用作淬火介质 称作盐浴 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 淬火方式 单液淬火 加热A化后的钢件放入水或油中连续冷却至室温的方法 水淬应力大 工件易变形 开裂 油淬冷却速度慢 碳钢油淬无法全部获得M 双液淬火 加热A化后的钢件先放入水中冷却至接近Ms后再放入油中冷却至室温 在油中缓慢实现M转变 淬火应力小 可防止工件变形和开裂 但水中停留的时间较难把握 用于形状复杂件防开裂 分级淬火 加热A化后的钢件先放在略高于Ms点的恒温盐浴或碱浴中保温一段时间 使内外均温 取出后在空气中冷至室温 碳钢 合金钢 分级淬火可有效减少热应力和组织应力 减低工件变形和开裂倾向 但盐浴或碱浴的冷却能力较小 故此方法只适用于截面尺寸小的工件 如薄壁零件的淬火 等温淬火 加热A化后的钢件先放在略高于Ms点的恒温盐浴或碱浴中保温较长时间 实现下B转变 取出后在空气中冷至室温 大大降低淬火应力 防止工件变形和开裂 通常用于形状复杂 精度要求较高 且需有较高强韧性的弹簧 螺栓 工具和模具等的淬火 冷处理 将淬火钢继续冷却到 70 80 使残余A全部转变为M 再经低温回火 可提高硬度 耐磨性 稳定尺寸 适用于一些高精度的工件 如精密量具 精密丝杠 精密轴承等 等温淬火 分级淬火 双液淬火 单液淬火 淬硬性和淬透性 淬硬性 淬火后M所能达到的硬度 与M的含碳量有关 碳量越高淬硬性越大 淬透性 淬火后工件表层所获得M的厚度 深度 淬透层的深度一般规定为由表面至半马氏体区 50 马氏体和50 分解产物 的深度 如果工件的中心在淬火后获得了50 以上的马氏体 则可被认为已淬透 淬透性取决于过冷A的稳定性 即C曲线的鼻尖位置和淬火临界冷却速度V临 V临越小 过冷A越稳定 钢的淬透性越好 淬透性的测定与表示a 末端淬火法 端淬法 将 25 100mm的标准试样加热至奥氏体化后对末端喷水冷却 如图所示 沿试样长度方向上按规定间隔取点 测出各点硬度 绘出硬度分布曲线 淬透性曲线 钢的淬透性用J HRC d 表示 J表示末端淬透性 d表示至末端的距离 HRC为该处测得的硬度值 例如J 35 10 15 表示距末端10 15mm处的硬度值HRC为35 b 临界淬透直径 钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中冷却后 心部能完全淬透的最大直径 即临界直径D0表示 显然 冷却介质的冷却能力越大 钢的临界淬透直径就越大 但在同一冷却介质中钢的临界淬透直径越大 则表示其淬透性越好 淬透性的应用淬火时 工件表面和心部的冷却速度是不同的 表面的冷却速度最大 愈到中心冷却速度愈小 淬透性低的钢 当其截面尺寸较大时心部就淬不透 因此表层与心部组织不同 性能也差异较大 因此设计和制造零件时 在选材和制定热处理工艺时必须充分考虑淬透性的作用 a 对于截面尺寸较大 形状较复杂的重要零件以及要求力学性能均匀的零件 应选用高淬透性的钢制造 b 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 c 受交变应力和振动的弹簧 应选用淬透性高的钢材 以免工作时产生塑性变形而失效 d 焊接件不宜选用淬透性高的钢材 否则容易在焊缝热影响区内出现淬火组织 造成焊件变形和裂纹 4 回火 淬火件重新加热 保温 空冷 目的 消除淬火应力 减小材料脆性 稳定组织和工件尺寸 回火后的性能变化 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 200 以下回火 钢的硬度基本不降低 高碳钢的硬度甚至略有升高 200 300 回火 高碳钢的硬度再次升高 中 低碳钢硬度缓慢降低 300 以上回火 钢的硬度呈直线下降 回火的种类 低温回火 种类加热温度组织性能及用途 较高硬度和耐磨性 用于刀具 工具 量具 模具等 150 250 中温回火 350 500 回火T 较高弹性 适中的硬度和一定的韧性 用于弹簧等各种弹性元件及扳手 手锤等工具 高温回火 500 700 回火S 强 硬 塑 韧等综合力学性能优良 用于轴 齿轮等重要的受力和传动零件 5 表面热处理和化学热处理 表面热处理 表面淬火 表面非晶化或重熔微冷 火焰加热表面淬火 单件小批或大件 感应加热表面淬火 激光加热表面淬火 大批量生产 复杂形状工件 表面淬火适用于中 高碳量的钢 低碳淬不硬 感应加热时 电流频率越高 淬硬层深度越小 表面淬火后需进行低温回火 以减少淬火应力 降低材料脆性 化学热处理 表面渗碳 氮 硼 铝 铬等 渗碳 淬火 低温回火 在富碳介质中将低碳的工件加热至900 950 的奥氏体状态下 获得高碳的表层 并经淬火和低温回火后 形成具有高硬度 高耐磨性及高疲劳强度的碳化物表层 而心部仍保持足够的塑性和韧性 主要用于低碳钢 低碳合金钢耐磨件的热处理 渗氮 在富氮介质中 将含有Cr Mo Al等元素的合金钢工件加热至550 570 的铁素体状态 经适当保温后获得高硬度 高耐磨性及抗疲劳 抗蚀性好的合金氮化物表层 与渗碳比 不需淬火和回火 变形小 但需专用钢 气体渗氮一般以提高金属的耐磨性为主要目的 因此需要获得高的表面硬度 它适用于38CrMoAl等渗氮钢 渗氮后工件表面硬度可达HV850 1200 渗氮温度低 工件畸变小 可用于精度要求高 又有耐磨要求的零件 如镗床镗杆和主轴 磨床主轴 气缸套筒等 但由于渗氮层较薄 不适于承受重载的耐磨零件 离子渗氮又称辉光渗氮 是利用辉光放电原理进行的 离子渗氮的特点是 可适当缩短渗氮周期 渗氮层脆性小 可节约能源和氨的消耗量 对不需要渗氮的部分可屏蔽起来 实现局部渗氮 离子轰击有净化表面作用 能去除工件表面钝化膜 可使不锈钢 耐热钢工件直接渗氮 渗层厚度和组织可以控制 离子渗氮发展迅速 已用于机床丝杆 齿轮 模具等工件 碳氮共渗 淬火 低温回火 在820 880 温度下 同时向工件表层渗入碳 氮并以渗碳为主的化学热处理方法 中温气体碳氮共渗 与渗碳比 效率高 表面硬度高 变形小 但渗层薄 主要用于形状复杂 精度要求高且表面耐磨层不需太厚的低 中碳钢和低 中碳合金钢工件 氮碳共渗 又称软氮化 在500 570 的温度下 同时向工件表层渗入碳 氮并以渗氮为主的化学热处理方法 低温气体碳氮共渗 软氮化后的渗层硬度不很高 但脆性小 变形小 且不受钢种限制 如高速钢刀具 模具经软氮化后寿命大大提高 高钢的耐磨性和抗咬合性 提高钢的硬度 耐磨性和疲劳强度 此外 向工件表面渗铬 渗硼等不但能获得高硬度 还能提高抗氧化性和耐腐蚀性 渗硫能减低表面摩擦系数 提高抗咬合性能 总之 化学热处理的应用越来越广泛 但随之而来的环境保护问题也越来越引起人们的关注 6 形变热处理将形变强化与淬火相结合 7 其他热处理磨削淬火 曲轴