《钢的热处理工艺》PPT课件.ppt

1 第十章钢的热处理工艺 本章目的 介绍钢的常用热处理工艺及其应用 本章重点 1 各类热处理 退火 正火 淬火与回火 工艺 组织 性能 应用的规律和特点 2 淬透性 淬硬性的概念与应用 2 热处理分类 普通热处理 退火 正火 淬火与回火表面热处理 表面淬火化学热处理形变热处理 控制轧制 10 1钢的退火与正火 一 钢的退火 钢的退火 将 组织偏离平衡状态的 钢加热到Ac1以上或以下温度 保温一定的时间 然后缓慢冷却 一般为炉冷至550 后空冷 以获得接近平衡状态组织的热处理工艺 一 退火的目的 1 细化晶粒 使热加工造成的粗大不均匀组织均匀化 细化 2 使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态组织 降低硬度 以利于切削加工 3 由于冷却速度缓慢 可消除内应力 防止淬火变形与开裂 4 为最终热处理 淬火 回火 做好组织上的准备 4 分类 1 高温退火 相变重结晶退火 T加热 AC1 2 低温退火T加热 AC1 完全退火不完全退火球化退火均匀化退火 二 退火种类及应用 又称重结晶退火 一般简称退火 它是把钢加热至Ac3以上30 50 Ac3 30 50 保温一定时间后缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 应用 完全退火主要用于亚共析钢铸 锻件及热轧型材 组织 退火后的组织为P F 目的 细化组织 HB 消除内应力 加热温度 T AC3 30 50 适用钢种 适用于亚共析钢优 缺点 工艺简单但生产周期较长 生产效率低 1 完全退火工艺 完全退火 等温退火 球化退火 扩散退火和去应力退火 7 晶粒细化的原因 完全退火 相变重结晶过程 40钢退火前后金相组织 晶粒细化 8 等温退火 一般是将钢件加热到Ac3 30 50 亚共析钢 或Ac1 30 50 过共析钢 保温后 在Ar1以下某一温度等温 使奥氏体转变为珠光体型组织 等温退火的目的与完全退火相同 与普通退火相比的优点 1 由于珠光体转变在恒温下完成 易于控制 并能获得均匀的预期组织 2 对于某些奥氏体比较稳定的合金钢 由于等温处理前后可较快冷却 常可大大缩短退火周期 图2给出了高速钢的等温退火与普通退火工艺 组织 P型组织 等温退火工艺 图2高速钢等温退火工艺路线 10 定义 为使钢中碳化物球状化 获得粒状珠光体的热处理工艺 目的 碳化物 Fe3C P中的Fe3C 球状化 细化晶粒 HB 利于切削加工 加热温度 T Ac1 30 50 适用钢种 适用于共析及过共析碳钢或合金钢 退火前的组织状态 细片状的P退火后组织 细小均匀的球状渗碳体分布在连续的铁素体基体上 球化退火工艺过程 11 将钢加热到略高于Acl的某一温度并保温较长时间 使钢中未溶碳化物 共析Fe3C与Fe3C 由片状变成球状 然后随炉缓冷或在略低于Ar1的一定温度等温 使A进行共析转变时 以未溶渗碳体粒子为核心形成球状Fe3C T8钢球化退火后的粒状珠光体 扩散退火 均匀化退火 定义 是将钢加热到略低于固相线的温度 长时间保温 10 20h 以消除成分偏析的热处理工艺 加热温度 略低于固相线温度 亚共析钢 T Ac3 150 300 过共析钢 T Accm 150 300 目的 为了消除晶内偏析 使成分均匀化实质 使合金元素的原子充分扩散 适用于 合金钢铸件和铸锭 后续处理 保温10 20小时退火后晶粒较粗大 一般还须进行完全退火或正火处理 14 15 去应力退火 又称低温退火 是将钢加热至低于Ac1的某一温度 一般是500 650 保温后随炉缓冷至低于300 200 出炉空冷的热处理工艺 目的 不发生相变 常用于消除铸 锻 焊及机加工后工件的残余应力 以稳定尺寸 减少变形 再结晶退火 用于消除冷变形加工产生的加工硬化现象 其工艺过程是将这类工件加热到再结晶温度以上150 250 保温后缓慢冷却 其目的是消除残余应力 改善组织 降低硬度和提高塑性 16 二 钢的正火 正火 正火是将钢加热到Ac3 对于亚共析钢 或Accm 对于过共析钢 点以上30 50 保温一定时间 完全奥氏体化后在自由流动的空气中冷却从而得到珠光体类组织的的热处理工艺 加热温度 亚共析钢 T Ac3 30 50 过共析钢 T Accm 30 50 18 正火的主要应用 一 1 作为预先热处理 可消除中碳结构钢铸 锻 焊等热加工产生的组织缺陷 如晶粒粗大 魏氏组织 带状组织等 细化晶粒 均匀化组织 消除内应力 为后序热处理作组织准备 对过共析钢正火可消除或抑制网状二次渗碳体的形成 为球化退火作组织准备 如 T12钢退火组织中的Fe3C 网 连续网 球化退火前必须先进行正火以消除Fe3C 网 得到片层状P然后再进行球化退火 19 正火的主要应用 二 2 改善切削加工性 一般来说 钢的硬度为170 230HB 组织中无大块铁素体时 切削加工性较好 对于低 中碳结构 正火可得到合适的硬度 改善切削加工性 3 作为最终热处理 正火可以细化晶粒 均匀化组织 减少亚共析钢中的铁素体含量 从而增加珠光体含量 而由于冷却较快 正火组织中珠光体片层较细 提高了钢的强度和硬度 因此 对于机械性能要求不高的普通结构钢零件 可以用正火作为最终热处理 20 C 0 75 球化退火C 0 9 有网状碳化物 正火 消网 球化退火1退火与正火 珠光体类型组织的应用2能用正火处则不用退火 正火可作为大件或不重要工件的最终热处理 而退火一般不作为最终热处理 退火与正火对比 10 2钢的淬火与回火 钢的淬火是将工件加热到Ac1以上一定温度 保温后以大于临界冷却速度 vK 快速冷却 以获得马氏体或下贝氏体组织为目的的热处理工艺 1 淬火的目的 淬火 回火 淬火的目在于提高材料的强度 硬度和耐磨性 与回火配合后可赋予工件最终的使用性能 1 提高强度 硬度和耐磨性 采用淬火 低回组织为M回 碳化物 用于各种工模具 2 提高弹性 采用淬火 中回 组织为T回火 用于各种弹簧 3 提高综合性能 采用淬火 高回 组织为S回火 用于各种轴类 一 钢的淬火 二 淬火温度的选择 图4钢的淬火温度范围 2 淬火温度的选择 亚共析钢 TA Ac3 30 50 T过高晶粒粗大 T过低欠热 有自由F硬度不足 过共析钢 TA Ac1 30 50 1 T过高 碳化物溶解 M片 易于变形和开裂 2 选择TA Ac1 30 50 温度加热保留部分未熔碳化物 以提高钢的硬度与耐磨性 同时由于降低了A中的C含量 使基体的C 使M条 b k 合金钢 奥氏体化温度可以适当升高 因为大多数合金元素都能阻碍A晶粒的长大 使A化温度升高 如 W18Cr4V钢 Ac1 860 880 TA 1280 晶粒度为9级 24 3 加热与保温时间 加热时间包括升温和保温两个阶段 通常以装炉后炉温达到淬火设定温度所需时间为升温时间 并以此作为保温时间的开始 保温时间则指工件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间 加热与保温时间的长短受钢的化学成分 工件形状和尺寸 加热炉类型等多种因素的影响 保证工件热透 内部组织充分转变的前提下 尽量缩短加热与保温时间 4 淬火冷却介质 图5理想冷却速度 理想冷却速度 1 在Ac1 650 之间慢冷 以 热应力2 在650 400 之间快冷 以避开 鼻尖 防发生非M相变3 在400 以下慢冷 以 组织应力 常用淬火介质介绍 1 自来水 30 以下 冷却特性 在650 400 冷却能力较小 在Ms附近点冷速极快 淬硬能力较强 应用 自来水主要用于形状简单 截面较大的碳钢零件淬火 且组织应力较大 优点 经济 便宜 易于实现自动化 2 盐水 10 15 NaCl 或NaOH Na2CO3 水溶液 30 冷却特性 在650 500 时冷速是自来水的10倍 但在200 300 时冷速仍然很快 应用 用于水淬不透的形状简单的碳素钢 结论 碳素钢一般采用水冷或盐水冷却 3 油 20 机油 40 80 冷却特性 600 550 及200 时冷却速度低于水 缺点 淬硬能力低 易于老化 油适用于合金钢淬火 因合金钢的C曲线靠右 vc较小 三 常用淬火方式 三 常用淬火方式 三 常用淬火方式 三 常用淬火方式 4 盐浴和碱浴 盐浴和碱浴 由溶融的NaNO3 KNO3 KOH NaOH KCl NaCl BaCl2等组成 主要用作等温淬火 分级淬火的冷却介质 28 5 常用淬火方式 单液淬火 指在一种淬火介质中冷却到底的工艺 优点 单液淬火法操作简单 易实现机械化 应用较广 缺点 单液淬火组织应力 热应力都较大 淬火变形较大 水淬变形开裂倾向大 油淬冷却能力低 大件淬不硬 双液淬火 将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却 避免珠光体转变 当工件冷至300 左右时 再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却发生马氏体转变 目的 在650 Ms之间快冷 使v v 在Ms以下慢冷以 组织应力 碳钢 先水淬后油冷 合金钢 先油后空气优点 淬火应力小 减少了变形和开裂的可能性 缺点 在水中停留的时间不易控制 对操作技术要求较高 分级淬火 30 分级淬火 先将奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms点的盐浴 或碱浴 中 保温适当的时间 待工件内外都达到介质温度 在奥氏体转变前取出空冷完成马氏体转变 分级淬火是在空冷中发生Ms相变的 内应力小 等温淬火 指在B温度区域等温 发生下B转变 内应力 变形小 图6不同淬火法示意图1 单液淬火2 双液淬火3 分级淬火4 等温淬火 不同淬火方法产生的内应力大小为 单液淬火应力 双液淬火 分级淬火 等温淬火 应力最小 钢的淬透性 钢淬透性 指钢在同一热处理条件下所测得的淬透层深度的能力 或淬火时形成马氏体的能力 淬透层深度 表层 100 M 至半M层 50 M 的深度 淬透层深度 越大 钢的淬透性越好 淬透性与淬透层深度关系 在尺寸 形状均相同的条件下 淬透性大的钢 淬透层深度越深 钢的淬透性主要取决于钢的临界淬火速度大小 与工件尺寸 淬火介质无关 钢的临界淬火速度越小 C曲线越靠右 钢的淬透性越好 因此凡能提高过冷A稳定性 使C曲线右移 从而降低临界冷却速度的因素 都能提高钢的淬透性 1 碳含量在正常加热条件下 亚共析钢的C曲线随碳含量的增加向右移 临界冷却速度降低 淬透性增大 过共析钢的C曲线随碳含量的增加向左移 临界冷却速度增大 淬透性降低 2 合金元素除钴以外 大多数合金元素溶入奥氏体后均使C曲线向右移 降低临界冷却速度 提高钢的淬透性 3 加热条件提高加热温度或延长保温时间一方面可使更多的合金元素溶入奥氏体 同时使奥氏体晶粒长大 成分均匀化 从而减少了形核率 二者都能稳定过冷奥氏体 使C曲线向右移 提高钢的淬透性 4 钢中未溶第二相未溶入奥氏体的碳化物 氮化物及其它非金属夹杂物 由于能促进奥氏体转变产物的形核 减少过冷奥氏体的稳定性 使淬透性降低 影响淬透性的因素 34 钢的淬硬性 钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性 钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量 也就是淬火前奥氏体中碳含量 碳含量越高 淬硬性越好 淬硬性与钢的淬透性是两个不同的概念 35 钢的回火 定义 回火是将淬火钢加热到Acl以下某一温度 经保温适当时间后冷却到室温的热处理工艺 回火目的 淬火得到的淬火马氏体组织很脆 存在较大的内应力 容易产生变形和开裂 淬火马氏体和残余奥氏体都是亚稳定组织 在适当条件下有可能分解 导致零件形状 尺寸和使用性能的变化 为获得要求的强度硬度 塑性和韧性 因此淬火钢一般不直接使用 必须进行回火 36 二 回火的分类和应用 根据回火温度和对淬火钢力学性能的要求 一般将回火分为三类 回火组织 回火马氏高碳钢 淬火片状M 回火M 片状过饱和 碳化物 共格 但低碳钢 板条M 只有C的偏聚性能 保持高强硬度 微裂纹焊合 内应力和脆性 韧性略 应用 处理各种切削刀具 冷作模具 量具 滚动轴承 表面淬火件及渗碳件等 1 低温回火 150 250 回火组织 回火托氏体 T回 金相形态 Fe3C呈微细粒状弥散分布在F基体上 性能 基体已回复 内应力 弹性极限高 较高的强硬度与良好韧性 应用 各种弹簧 如 60Si2Mn 65Mn 60 65 85钢 2 中温回火 350 500 调质处理 淬火 高温回火组织 回火索氏体 S回 金相形态 在F基体上均匀分布细粒状Fe3C 性能 内应力基本消除 强度与韧性最佳配合 综合机械性能高应用 应用于各种重要的机器结构件 特别是受交变载荷的零件 如各种轴类 连杆 齿轮 螺栓等 如 40Cr 45 40CrNiMo钢等 45钢调质处理得到回火索氏体 Fe3C呈细粒状分布在F基体上 45钢正火得到索氏体 Fe3C呈细片状分布在F基体上 两者性能截然不同 其组织 性能比较如下表 3 高温回火 500 650 回火索氏体组织 45钢 f20 40mm 调质和正火组织及机械性能比较 由此表可以看出 45钢调质处理比正火后的综合机械性能好 不仅强度高 塑性 韧性也较好 40 三 淬火钢在回火时性能的变化 一般情况 淬火钢在回火时随着回火温度的升高 钢的硬度不断下降 塑性 韧性不断升高 回火2h后硬度不再变化 一般回火1 5h 2h 图14淬火钢随回火温度的升高硬度变化 图15淬火钢随回火时间硬度的变化 41 四 回火脆性 图16钢的冲击韧性回火随回火温度的变化 回火脆性 回火脆性 淬火钢在某一回火温度范围内 随着回火温度的升高 钢的冲击韧性下降的现象称为回火脆性 两个温度区间 250 400 C 450 650 C 42 淬火 回火时常见的工艺缺陷 1 氧化和脱碳2 变形与开裂变形方式 体积变化 弯曲翘曲 产生原因 加热或冷却中热胀冷缩 组织转变不同步 内应力种类 热应力 组织应力改进方法 分级淬火 等温淬火 43 3 硬度不足与软点4 过热与过烧过热是指晶粒过分长大 致使零件力学性能明显降低的现象 过烧是指组织中沿晶界产生了氧化或熔化的现象 若加热温度过高或保温时间过长 将引起零件过热或过烧现象 零件一且产生过烧即成为废品 一 钢的表面淬火 工业中如齿轮 凸轮 曲轴等对性能的要求为 表面高硬度 高强度及好的耐磨性 而心部高韧性 对这类零件需要进行表面热处理 表面淬火 通过快速加热 并立即淬火冷却 只强化表面 而心部组织未变的热处理工艺 只表层奥氏体化 一 感应加热表面淬火原理 在感应圈内通一交变电流 于是在感应圈内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场 在工件中便产生感生电流 由电能转变成热能 使工件表面快速加热然后淬火 10 3其他类型热处理 集肤效应 感应加热时 感生电流集中在工件表面的一种效应 感生电流的频率 f 越大集肤效应越强 电流透入深度越浅 淬透层越浅 淬透层越浅 感应加热的频率选择 1 淬透层深度 0 5 3mm时选高频加热f 200 350kHz 2 淬透层深度 2 10mm时 选中频加热f 2000 8000Hz3 淬透层深度 8 15mm时 选工频加热f 50Hz 图10工件感应加热示意图 感应加热淬火的特点 加热速度极快 使Ac3 短时获得高温 从而使 T 达到细化晶粒的目的 由于晶粒细小 得到隐晶M 强化了组织 2 较高的表面残余压应力 可提高工件的疲劳强度 3 氧化和脱碳少 而且由于心部未被加热 淬火变形小 4 加热温度和淬硬层厚度易于控制 便于实现机械化和自动化 47 3 感应加热表面淬火前 后的热处理 淬火前一般要进行预先热处理 为表面淬火作组织准备 并可获得最终的心部组织 当心部性能要求不高时 一般采用正火 而重要零件如齿轮等 一般采用调质作为预先热处理 淬火后零件要进行低温回火 180 200 以减小淬火应力 回火后组织 表层为回火马氏体 心部仍为预先热处理组织 感应加热表面淬火零件的典型加工工艺路线为锻造 正火或退火 粗机加工 调质 精机加工 感应加热表面淬火 低温回火 精磨 二 钢的化学热处理 1 化学热处理概述对于某些齿轮类零件 如汽车变速箱齿轮 内燃机凸轮等在工作中承受强烈的摩擦磨损 和较大的交变载荷 冲击载荷 要求表面高硬度 高耐磨和高的接触疲劳强度 一定的韧性 心部具有高的韧性和足够高的强度 对这类材料需要进行表面化学热处理 将工件置于一定的介质中加热和保温 使介质中的活性原子渗入工件表层 改变表面层的化学成分及显微组织 从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺 钢的渗碳 气体渗碳 渗碳用钢 渗碳件一般采用低碳钢或低碳合金钢制造 如20 20Cr 20CrMnTi 20CrMo等 渗碳温度 900 950 渗碳时间为 依要求的渗层厚度而定 渗碳目的 使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性 而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性 主要用于 表面将受严重磨损 并在较大冲击载荷 交变载荷 较大的接触应力条件下工作的零件 如齿轮 活塞 轴类等 50 渗碳原理 在井式渗碳炉中滴入煤油 煤油在高温下裂解渗碳介质 甲烷气体 CH4 和CO气体及氢气 该气体在钢的表面分解出活性碳原子 C 在较高温度进入钢的表面 CH4 C H2CO C CO2CO C H2O 渗层组织 渗碳后缓慢冷却 从内层到外层组织 为 原始组织 亚共析层 共析层 过共析层 图11低碳钢缓冷后的显微组织 渗碳件表层的碳浓度一般控制在1 0 左右 因此渗碳件缓冷后外层为过共析组织P Fe3C 心部为原始低碳亚共析组织F P 中间为过渡组织 一般规定 从表层到过渡层的一半处的深度为渗层厚度 渗碳温度越高 时间越长 则得到的渗层深度越厚 52 渗碳后的热处理 常用的淬火方法 1 直接淬火法 渗碳后零件出炉直接进入冷却介质淬火 优点 工艺简单 经济 生产率高 缺点 零件在渗碳时经过长期高温加热 奥氏体晶粒容易长大 淬火后马氏体粗大 残余奥氏体较多 另外淬火变形较大 适用 一般只用于本质细晶粒的合金渗碳钢或耐磨性要求比较低和承载能力低的工件 为了减少变形 渗碳后工件预冷到略高于心部Ar3的温度后再淬火 53 2 一次淬火法 一次淬火法是将工件渗碳后空冷到室温 正火 然后再重新加热淬火 对心部组织性能要求较高的合金渗碳钢工件 淬火加热温度略高于心部的Ac3 目的是使心部晶粒细化 并得到低碳马氏体组织 对于承载不大而表面性能要求较高的工件 加热温度应选用Ac1以上30 50 使表层晶粒细化 而心部组织变化不大 54 3 二次淬火法 二次淬火法 工件渗碳后首先正火 然后再重新加热淬火 第一次淬火加热到Ac3以上30 50 细化心部组织 第二次淬火加热到Ac1以上30 50 使表面层获得细马氏体和均匀分布的粒状渗碳体组织 二次淬火法工艺复杂 生产周期长 成本高 变形大 二次淬火法适用于表面要求高耐磨性 心部要求良好韧性的零件 55 渗碳淬火后热处理及工艺路线 渗碳淬火后要在150 200 进行低温回火 以消除淬火应力 提高韧性 渗碳零件的典型工艺路线一般为 锻造 正火 机加工 渗碳 淬火 低温回火 精磨渗碳层一般按工件轮廓分布 不需渗碳的部位 可镀铜防渗 56 渗碳钢淬火 回火后的性能 1 渗碳件表面为过共析钢 淬火 低温回火后表层组织为回火马氏体 粒状碳化物和少量残余奥氏体混合组织 硬度可达58 64HRC 而心部组织为低碳回火马氏体 淬透时 硬度为30 45HRC 或索氏体或屈氏体 铁素体混合组织 未淬透时 硬度为138 185HB 因此渗碳淬火工件表面硬度高 具有良好的耐磨性 心部具有很好的塑性和韧性 2 表层形成高碳马氏体时 体积膨胀较大 结果在表面层形成残余压应力 因而提高了工件的疲劳强度 钢的氮化 钢的氮化是对于一些微变形 硬度要求极高 65 70HRC 的零件采用渗氮处理 氮化钢为中碳钢 中碳合金钢 一般都采用能形成稳定氮化物的中碳合金钢 如38CrMoAl 38CrWVAl等 Al Cr Mo W V等合金元素与N结合形成的氮化物能起到弥散强化作用 使氮化层达到很高的硬度 45钢 40Cr钢 38CrMoAl钢制零件进行气体氮化的典型工艺路线为 锻造 退火 粗加工 调质 精加工 去应力退火 粗磨 氮化 精磨 时效 研磨 渗氮温度为500 570 渗氮时间长 最长可超过72小时 58 钢的碳氮共渗 1 中温气体碳氮共渗 生产中常用的共渗温度一般在820 880 范围内 将钢件置于密封炉内 通入煤油或渗碳气体和氨气 高温下分解形成活性 C 和 N 被工件表面吸收并向内层扩散 保温时间随要求的渗层厚度 0 2 1 0mm 改变 渗层的氮浓度在0 2 0 3 范围 碳浓度在0 8 1 0 范围 59 钢的碳氮共渗 2 低温气体碳氮共渗 共渗温度在520 570 之间 时间一般为1 3h 渗层厚度为0 01 0 02mm 常用介质为尿素 在500 以上尿素发生分解 NH2 2CO CO 2H2 2 N 和2CO CO2 2 C 低温气体碳氮共渗以氮化为主 又称为气体软氮化