第十章钢的热处理工艺.ppt
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1、第十章 钢的热处理工艺,根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同,钢的热处理工艺可分为普通热处理(退火、正火、淬火和回火)、表面热处理(表面淬火和化学热处理)及形变热处理等。,第一节 钢的退火与正火,一、退火目的及工艺 退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度,保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织,细化晶粒,调整硬度,消除内应力和加工硬化,改善钢的成形及切削加工性能,并为淬火做好组织准备。 退火的加热温度范围如右图。,(一)完全退火,完全退火是将钢件或钢材加热至Ac3以上2030,保温足够长的时间,使组织完全奥氏体化后缓慢冷却,以获得近
2、于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢(wc0.3 0.6),其目的是细化晶粒,均匀组织,消除内应力,降低硬度和改善钢的切削加工性。 如果将奥氏体化后的钢较快地冷至稍低于Ar1温度等温,使奥氏体转变为珠光体,再空冷至室温,则可大大缩短退火时间,这种退火方法叫做等温退火。,(二)不完全退火,不完全退火是将钢加热至Ac1 Ac3(亚共析钢)或Ac1 Acm(过共析钢)之间,经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。,(三)球化退火,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。,(四)均匀化退火,均匀化退火又称扩散退火,它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时
3、间保温,然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀不均匀现象的热处理工艺。 其目的是消除铸锭或追铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析,使成分和组织均匀化。 为使各元素在奥氏体中充分扩散,均匀化退火加热温度很高,通常为Ac3或Acm以上150 300 。,(五)去应力退火和再结晶退火,为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件中的残留内应力,以提高尺寸稳定性,防止工件变形和开裂,在精加工或淬火之前将工件加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺称为去应力退火。 钢的去应力退火加热温度较宽,但不超过Ac1点,一般在500 650 之间。,再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以
4、上保持适当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒,同时消除加工硬化和残留内应力的热处理工艺。经过再结晶退火,钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。,二、正火目的及工艺,正火是将钢加热到Ac3(或Acm)以上适当温度,保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。 正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。当钢中碳含量wc为0.6 1.4时,正火组织中不出现先共析相,只有伪共析体或索氏体。碳含量wc小于0.6的钢,正火后除了伪共析体外,还有少量铁素体。 正火处理的加热温度通常在Ac3或Acm以上30 50 ,高于一般退火的温度。,(1)普通件最终热处理。 (2)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加
5、工性 (3)作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理 (4)对于过共析钢,用于消除网状二次渗碳体,为球化退火作组织准备。 (5)特定情况下代替淬火、回火处理。,第二节 钢的淬火与回火,一、钢的淬火 将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度,保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫做淬火。 淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体,然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。,(一)淬火应力 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化,有时甚至要产生淬火裂纹。工件变形或开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的。 淬火内应力主要有热应力和组织应力
6、两种。工件最终变形或开裂是这两种应力综合作用之结果。,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叫做热应力。 将零件加热到Ac1以下温度保温后快速冷却(无组织转变),其心部和表面温度及热应力变化如右图。 工件在冷却过程中,由于内外温差造成组织转变不同时,引起内外比体积的不同变化而产生的内应力叫做组织应力。,(二)淬火加热温度 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则,以便淬火后获得细小的马氏体组织。 淬火温度主要根据钢的临界点确定,亚共析钢通常加热至Ac3以上3050;共析钢、过共析钢加热至Ac1以上3050。,(1)渗碳体完全溶于A,使其碳含量增加,Ms降低,淬
7、火后参与奥氏体量增加,降低淬火钢的硬度和耐磨性 (2)A晶粒粗化,M粗大,裂纹增多,脆性增加 (3)钢的氧化脱碳严重,降低表面质量 (4)淬火应力大,增加变形和开裂的倾向,(三)淬火加热时间 加热时间:淬火加热升温与保温所需的时间 加热时间的经验公式:t=D,(四)淬火冷却介质 1、理想的淬火冷却速度 不需要在整个过程都快冷,关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近快冷,上部和下部为了减小热应力而应该缓慢冷却,特别是在Ms以下冷速更应该缓慢。 但是目前尚未找到理想 的淬火介质,2、常用淬火冷却介质 (1)水 冷却特性不理想 原因:需要快冷的高温范围内冷速很小,而需要慢冷的温度范围内冷速很快;
8、水温越高,冷却能力越小。 (2)食盐水溶液 高温范围内冷速很快,易获得高而均匀的硬度,但在低温范围内冷速依然很快,使淬火工件的相变应力增大;对工件有一定的腐蚀作用。 (3)苛性钠水溶液 在高温范围内冷速比食盐水还快,在低温范围内冷速稍低,但是其腐蚀性很大,应用受限。,(4)油 高温低温冷速都很慢,只能用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢的淬火。,淬火方法,1、单液淬火法 加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。 操作简单,易实现自动化。,2、预冷淬火法 加热工件先从炉中取出空冷预冷至一定温度,然后再投入淬火介质中冷却的淬火方法。 预冷可使淬火内应力减小,从而减小变形与开裂,且不降低工件的硬度
9、与淬硬深度。,3、双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷却,躲过鼻尖后,再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷,油淬空冷。 理想冷却的方法。关键是要准确控制由第一种介质向第二种介质转入时的温度。,4、分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中停留适当时间,待内外温度均匀后再取出空冷发生马氏体转变的方法。 分级淬火法通过在Ms附近保温,消除工件内外温差,使淬火热应力减到最小,并在随后空冷时,可在工件截面上几乎同时形成马氏体组织,减小淬火的相变应力,保证工件较小的变形与防止开裂。 缺点:盐浴或碱浴冷却能力较小,容易使过冷奥氏体稳定性较小的钢,在分级过程中形成珠光体,此法只适
10、用于截面尺寸不大、形状较复杂的工件。,5、等温淬火法 将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间,使其发生贝氏体转变后空冷,从而获得下贝氏体组织的淬火方法。 优点:淬火内应力很小,不容易发生变形与开裂,经等温淬火零件具有良好的综合力学性能,强度、硬度、韧性和耐磨性都很高。 适用于形状复杂及要求较高的小型件。,6、局部淬火法 有些工件由于工作条件,只要求局部高硬度,可对工件需要硬化的部位进行加热淬火,这种工艺称为局部淬火。,(五)钢的淬透性 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力,其大小以钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。 在同样的淬火条件下,淬透性好的钢,其
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