第3章钢的热处理工艺与实践.ppt
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1、第3章 钢的热处理工艺与实践,熟练掌握钢的普通热处理工艺特点及应用;掌握钢的化学热处理; 了解钢的表面热处理; 熟悉各种常用热处理工艺,加深对热处理原理的理解,热处理的分类,热处理,普 通 热处理,表 面 热处理,退火;正火; 淬火;回火;,表面淬火,化 学 热处理,感应加 热淬火,火焰加 热淬火,渗碳; 渗氮; 碳氮共渗;,钢的普通热处理工艺,预备热处理 : 退火 ; 正火,最终热处理 : 淬火 ; 回火,一般零件生产的工艺路线:,3.1 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为:毛坯(铸、锻)预,备热处理机加工最终热处理。 退火与正火主要用于预备热处理,只有当工件性能要求不高时才作为最终热
2、处理。,一、退火,将钢加热至适当温度保温,然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺叫做退火。 1、退火目的,调整硬度,便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 消除内应力,防止加工中变形。 细化晶粒,为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2. 种类,退火,重结晶 退 火,低温 退火,完全退火,扩散退火,球化退火,再结晶退火,去应力退火,普通退火,等温退火,普通球化 退 火,等温球化 退 火,3.1.1 第一类退火,进行第一类退火的目的,可以是:使钢的成分均匀化;进行再结晶,降低硬度;消除残余应力等。 进行第一类退火的加热温度,可能高于相变温度(A1和A3临界点),也可能低于相变温度,这要
3、取决于进行退火的目的。 第一类退火中包括:均匀化退火(扩散退火);再结晶退火;高温回火;消除残余应力退火。,1. 均匀化退火(扩散退火) 为了降低树枝偏析,晶内偏析,合金钢铸锭要进行扩散退火。偏析(成分的不均匀性)的存在,钢锭在压力加工时,有可能产生脆性断裂,性能的各向异性,产生层状断口,白点(细小裂纹)等缺陷。 扩散退火的加热温度是11001200,扩散退火将得到粗大的晶粒,要在随后钢锭的压力加工中或随后的热处理过程中再消除这种缺陷。,2 再结晶退火 先将迸行过冷塑性变形的钢加热到高于再结晶开始温度,在这个温度下保温,随后冷却,这种处理过程称为“再结晶退火”。再结晶退火经常用于冷变形工序之间
4、,是为了消除冷作硬化的一种中间工序。,3.为了降低硬度的高温回火(高温软化) 高温回火通常指的是淬火后的一道工序,它不是退火。 在冶金厂,为了降低硬度,轧制型材要迸行650700 的高温回火。 对高合金钢来说,实际上不存在珠光体,高温回火是唯一能够降低其硬度的热处理方法。,4 消除残余应力退火 消除应力退火用于铸件,焊接件,切削加工后的零件等,在进行前一道工序的过程中,在零件中由于不均匀的冷却,不均匀的塑性变形等产生了残余应力。,3.1.2第二类退火工艺 1.完全退火,将工件加热到Ac3+3050保温后缓冷的退火工艺,主要用于亚共析钢 .,2. 等温退火 亚共析钢加热到Ac3+3050, 共析
5、、过共析钢加热到Ac1+3050,保温后快冷到Ar1以下的某一温度下停留,待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间,更适合于孕育期长的合金钢.,高速钢等温退火与普通退火的比较,3.球化退火(不完全退火) 球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,它是将工件加热到Ac1+ 30-50 保温后缓冷,或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下保温,使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。主要用于共析、过共析钢。,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织,称球状珠光体, 用P球表示。,球状珠光体,对于有网状二次渗碳体的过共析钢,球化退火前应先进行正火,以消除网状.,3.1.3正火 正
6、火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50,共析钢加热到Ac1+3050,过共析钢 加热到Accm+30 50保温 后空冷的工艺。 正火比退火冷却速度大。 1、正火后的组织: 0.6%C时,组织为F+S; 0.6%C时,组织为S 。,正火温度,正火,2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%),目的与退火的相同。 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。, 普通件最终热处理。 要改善切削性能,低碳钢用正火,中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火.,3.2 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上,保温后以大于Vk速,度冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺. 淬火是应用最广的热处理工
7、艺之一。 淬火目的是为获得马氏体组织,提高钢的性能.,真空淬火炉,3.2.1淬火温度,1、碳钢 亚共析钢,淬火温度为Ac3+30-50。 预备热处理组织为退火或正火组织。,亚共析钢淬火组织: 0.5%C时为M 0.5%C时为M+A。,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为F+M,强硬度低,但塑韧性好., 共析钢 淬火温度为Ac1+30-50;淬火组织为M+A。, 过共析钢 淬火温度: Ac1+30-50. 温度高于Accm,则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨性下降,脆性、变形开裂倾向增加。 淬火组织: M+Fe3C颗粒+A。(预备组织
8、为P球),T12钢(含1.2%C)正常淬火组织,2、合金钢 由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用,因而合金钢淬火温度比碳钢高。 亚共析钢淬火温度为Ac3+ 50100。 共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50100。,钢坯加热,M+ Fe3CII +A残,Ac1+3050,过共析钢,M + A残,Ac1+3050,共析钢,M + A残,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢 Wc0.5%,过共析钢 M + Fe3CII + A ,硬度大。 A中C% M 脆性 ,残余A% 淬火温度低 M细小,淬火应力小。,热处理后的组织,总加热时间等于热透
9、到最终温度的时间加上在这个温度下等温的时间。 在实践中,经常使用经验数据,电炉加热时,亚共析钢工件的截面或壁厚每1mm采用4575秒,而在盐炉加热则采用1520秒。,3.2.2 钢奥氏体化的加热时间,3.2.3淬火介质,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷,而在Ms附近尽量缓冷,以达到既获得马氏体组织,又减小,内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。 常用淬火介质是水和油. 水的冷却能力强,但低温却能力太大,只使用于形状简单的碳钢件。,冷却速度: 盐水 水 盐浴 油,油在低温区冷却能力较理想,但高温区冷却能力太小,使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。 熔盐作为淬火介质称盐浴,冷却能力在水和油之
10、间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.,常用的淬火冷却介质,3.2.4 钢的淬透性与淬硬性,网带式淬火炉,淬透性是钢的主要热处理性能。 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,1.淬透性的概念( Hardenability of steel ),M量和硬度随深度的变化,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。,淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)的深度。,2.影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk, Vk越小,淬透性越高。 Vk取决于C曲线的位置,C 曲线越靠右,Vk
11、越小。,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素.即除Co 外,凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高;奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度,即硬化能力.,2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。,3. 钢的淬硬性 ( Hardening of steel ),工件淬硬层与冷却速度的关系,4.淬透性与淬硬层深度的关系,同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强,淬硬层深。 淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较,是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。,5.淬硬
12、性与淬透性之间的关系,钢经淬火时,由于工件表面和心部不能均匀的冷却所产生的内应力称为“热应力” 由于工件整体内发生马氏体转变所引起的体积增大和不均匀性而引起的内应力称为“组织应力”。,3.2.5 淬火内应力,如果内应力的大小大于金属本身的强度,并且在金属的塑性比较低的情况下,内应力就不能以塑性变形的形式减小,这就要引起裂纹的形成,在表面上的拉应力更加危险,因为拉应力能够形成裂纹,并降低钢的疲劳极限,拉应力主要是由组织应力产生的,因此,就需要尽量减小这种拉应力。淬火温度愈高,所产生的拉应力就愈大,在马氏体转变的温度范围内,冷却速度愈快,所产生的拉应力也愈大。这样,为了减小组织应力,希望在马氏体转
13、变的温度范围内慢冷,和淬火的加热温度不能过高。因此,在淬火的实际操作中就采取了一些具体的措施。,3.2.6 淬火方法 1.单液淬火 所谓单液淬火,即在一种冷却剂中冷却到室温(图3.6)。这种淬火方法适用于碳钢和合金钢制造的几何形状简单的零件。碳钢可用水作为淬火介质,尺寸较小的碳钢零件和合金钢零件则用油作为淬火介质。 对一些几何形状复杂的零件,为了减小变形,避免裂纹的产生,就得采用其它的淬火操作方法。,3.2.6淬火方法,采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。 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、双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷
14、,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. 优点是冷却理想,缺点是不易掌握。用于形状,复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3、分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火,待内外温度均匀后再取出缓冷。,可减少内应力,用于小尺寸工件。,盐浴炉,4、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,从而获得下贝氏体组织的淬火方法。 经等温淬火零件具有良好的综合力学性能,淬火应力小. 适用于形状复杂及要求较高的小型件。,5.局部淬火法 为了避免工件其它部分产生变形或开裂,即可用局部淬火 6.冷处理 把淬火冷却得到室温以下(如-7080)的热处理。,
15、不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,?,?,?,3.3 钢的回火,回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。 回火的目的 1、减少或消除淬火内应力, 防止变形或开裂.,2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高,脆性大,回火可调整硬度、韧性。,螺杆表面的淬火裂纹,3、稳定尺寸。淬火M和A都是非平衡组织,有自发向平衡组织转变的倾向。回火可使M与A转变为平衡或接近平衡的组织,防止使用时变形。 4、对于某些高淬透性的钢,空冷即可淬火,如采用
16、,回火软化既能降低硬度,又能缩短软化周期。 未经淬火的钢回火无意义,而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,3.3.1、回火种类,根据钢的回火温度范围,可将回火分为三类。, 淬火加高温回火的热处理称作调质处理,简称调质.,钢经淬火之后得到马氏体组织,具有最高硬度。由于钢的硬度主要取决于钢中的含碳量,而合金元素对钢的硬度影响不大。不同含碳量的碳钢经淬火后,所得到的最高硬度见图3.7 。,3.3.2 钢的回火曲线,图3.7各种碳钢的回火曲线 1-15;2-20;3-25;4-35;5-40;6-45;7-50;8-60;9-T7、T8;10-T9、T11、T13,含
17、碳量0.15%的15号钢,通常不作为淬火钢使用,但在20世纪的60年代前后,开始采用薄截面尺寸的15号钢小零件进行淬火。淬火温度通常采用900,盐水或碱性水溶液中冷却,淬火后最高硬度可达到38HRC。含碳量0.45的45号钢淬火后最高硬度可达到55HRC。含碳量0.60%的60号钢淬火后的最高硬度可达到60HRC以上。含碳量大于0.60以上的碳钢,淬火后由于残余奥氏体的存在,其宏观硬度是马氏体硬度和残余奥氏体硬度的平均值。马氏体中的含碳量愈高,其硬度值也就愈大。残余奥氏体是软相,淬火后钢中残余奥氏体愈多,其硬度值要愈低。,回火温度与硬度呈反比关系,其基本规律是随着回火温度的升高。硬度要降低,那
18、么,在回火温度和硬度的坐标中就可以得到我们所说的“回火曲线”。每一种钢都有一条自己所固有的回火曲线。从回火曲线中能够比较更客观地反映出每一种钢的变化规律,并把这种规律很方便地运用到回火的实践中,这就要在找出它们之间变化规律的同时,还要找出他们之间的变化特点。,这种过程的第一个特点是温度与硬度的变化中,两者之间所得到的结果往往偏差很大,(高硬度的零件,每次测量的硬度值能较接近,低硬度时,就可能偏差较大)。 这是由于钢的含碳量本身就存在一个含碳量范围,另外,在回火的过程中,炉膛温度的准确性,补偿导线,热电偶和温度测量仪表的准确性,这些因素都直接影响到热处理的结果。硬度计的准确性,测量硬度的操作者本
19、身的素质,这些都要直接影响到所测定硬度值的正确性。出现偏差是正常的,它并不影响到回火过程中温度与硬度直接变化规律的客观存在。如果我们把回火曲线用一条折线的形式来表示,就是为了对回火过程中不可避免的误差所引起的硬度值偏差的一种补偿。为了叙述方便起见,把几种有代表性的钢的回火曲线(折线)表示在图3.8中。,图3.8不同淬火钢的回火曲线 1-40;2-40Cr;3-4Cr13,从回火曲线中可以看出,不管是碳钢,还是合金钢,在一条回火曲线上都存在着两个不同转变速度的阶段,即低温阶段与高温阶段。由低温阶段到高温阶段的开始温度不同,它取决于钢的化学成分。对碳钢来说,这个开始转变温度在250左右,对合金钢来
20、说,这个开始转变温度与合金元素的含量有关,随着合金元素含量的增多,开始转变温度就推移到更高的温度,所以各种合金钢的开始转变温度并不相同。,从回火曲线中还可以看到这样一个特点,即高碳钢和一些合金钢(含碳化物形成元素的钢),在由低温转变阶段到高温转变阶段之间出现硬度升高(二次硬度)使残余奥氏体转变为马氏体。出现二次硬度的温度也和钢的化学成分有关。对碳钢来说在100左右,对1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13等高鉻钢在400450的范围内,对W18Cr4V高速钢来说在560回火时出现硬度的最高值。 低温回火阶段,硬度降低不多(45HRC),高温回火阶段,则随着回火温度的升高,硬度急剧
21、地按直线(可以看成是一条近似的实际直线)下降。,如果能够总结出一个最简单的计算方法,使进行回火的实际操作者便于掌握,对热处理的生产是有用的。 通过多种钢回火曲线的建立,可以总结出这样一个近似的回火温度的计算公式: 即 T回C-K*HRC 式中,T回所要计算的回火温度 C常数,每一种钢的常数是一定的,它取决于钢的化学成分 K系数,其具体含义是每下降1HRC需要升高几的温度 HRC零件所要求的硬度范围,取其中间值 在建立回火曲线的基础上,可以求出各种钢的常数C。各种碳钢的常数C如表3-1所示。,表3-1 碳钢相应常数表,从表3.1可以看出,常数C与钢中的含碳量有关,随着钢中含碳量的增多,常数C的数
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