钢的热处理new.ppt

材料科学与工程系,DEPARTMENT OF MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,钢的热处理new,9.1,概述,9.2,钢在加热时的转变,9.3,钢在冷却时的转变,9.4,钢的退火与正火,9.5,钢的淬火,9.6,钢的淬透性,9.7,钢的回火,9.8,钢的表面淬火,9.9,钢的化学热处理,2,9.4,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处理。,3,一、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,4,2,、退火工艺,退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。,完全退火,将工件加热到,Ac,3,+3050,保温后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢,.,5,等温退火,亚共析钢加热到,Ac,3,+3050,共析,、,过共析钢加热到,Ac,1,+3050,，保温后快冷到,Ar,1,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,6,球化退火,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,Ac,1,+30 50,保温后缓冷,或者加热后冷却到略低于,Ar,1,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。,7,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用,P,球,表示。,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,.,F,Fe,3,C,球状珠光体,8,二、正火,正火是将亚共析钢加热到,Ac,3,+30 50,，共析钢加热到,Ac,1,+3050,，过共析,钢加热到,Ac,cm,+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,。,50,钢正火组织,T12,钢正火组织,正火温度,9,2,、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,.,热处理与硬度关系,合适切削加工硬度范围,C,%,硬度,HV,HRC,淬火,正火,完全退火,球化退火,10,9.5,钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于,V,k,速,度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺,.,淬火目的是为获得马氏体组织，提高钢的性能,.,淬火是应用最广的热处理工艺之一。,真空淬火炉,11,一、,淬火温度,1,、碳钢,亚共析钢,淬火温度为,Ac,3,+3050,。,预备热处理组织为退火或正火组织。,12,亚共析钢淬火组织：,0.5%C,时为,M,0.5%C,时为,M+A,。,45,钢,(,含,0.45%C),正常淬火组织,65,钢,(0.60%C),淬火组织,13,在,Ac,1,Ac,3,之间的加热淬火称亚温淬火。,亚温淬火组织为,F+M,，强度、硬度低,但塑韧性好,.,35,钢,(,含,0.35%C),亚温淬火组织,14,共析钢,淬火温度为,Ac,1,+3050,；淬火组织为,M+A,。,15,过共析钢,淬火温度,:Ac,1,+3050.,温度高于,Ac,cm,，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。,T12,钢,(,含,1.2%C),正常淬火组织,淬火组织,:M+Fe,3,C,颗粒,+A,。,(,预备组织为,P,球,),16,2,、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,Ac,3,+50100,。,共析钢、过共析钢淬火温度为,Ac,1,+50100,。,钢坯加热,17,二、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,理想淬火曲线示意图,Ms,M,f,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。,18,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,.,19,三、,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。,各种淬火方法示意图,1,单液淬火法,2,双液淬火法,3,分级淬火法,4,等温淬火法,20,2,、,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,.,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。,21,3,、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,22,4,、,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。,23,9.6,钢的淬透性,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。,24,一、淬透性的概念,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。,淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力,.,M,量和硬度随深度的变化,淬硬层深度,25,度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺.,介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,成本低，但质量不易控制。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。,经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.,3、利用淬透性可控制淬硬层深度。,含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。,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。,由于表面存在压应力。,4 钢的退火与正火,采用低温回火，温度不高于200。,钢经淬火后应立即进行回火。,如水淬油冷，油淬空冷.,100回火时，钢的组织无变化。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,含碳量过高,心部韧性下降;,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。,二、,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。,26,三、影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速度,V,k,，,V,k,越小，淬透性越高。,V,k,取决于,C,曲线的位置，,C,曲线越靠右，,V,k,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。,27,示，,J,表示末端淬透性，,d,表示半马氏体区到水冷端的距离，,HRC,为半马氏体区的硬度。,四、,淬透性的测定及其表示方法,1,、淬透性的测定常用末端淬火法,2,、淬透性的表示方法,用淬透性曲线表示,即用 表,28,用临界淬透直径表示,临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用,D,0,表示。,D,0,与介质有关，如,45,钢,D,0,水,=16mm,，,D,0,油,=8mm,。,只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如,45,钢,D,0,油,=8mm,，,40Cr D,0,油,=20mm,。,马氏体,马氏体,索氏体,29,五、,淬透性的应用,1,、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。,下图为预测,50mm,直径,40MnB,钢轴淬火后断面的硬度分布,.,30,2,、利用淬透性曲线进行选材。如要求厚,60mm,汽车转向节淬火后表面硬度超过,HRC50,，,3/4,半径处为,HRC45,。可按下图箭头所示程序进行选材分析,.,31,3,、利用淬透性可控制淬硬层深度。,对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。如螺栓,、,连杆,、,模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透,(,淬硬层深度一般为半径的,1/21/3),，如轴类、齿轮等。,淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。,高强螺栓,柴油机连杆,齿轮,32,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,),A,1,M,S,M,f,时间,温度,淬火,P,P,均匀,A,细,A,？,？,？,9.7,钢的回火,回火是指将淬火钢加热到,A,1,以下的某温度保温后冷却的工艺。,一、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,34,3,、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,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。,35,二、,钢在回火时的转变,淬火钢回火时的组织转变主要发生在加热阶段。随加热温度升高，淬火钢的组织发生四个阶段变化。,网带式回火电炉,36,回火时组织转变,1,、马氏体的分解,100,回火时，钢的组织无变化。,100-200,加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出,-,碳化物,(,-Fe,X,C),，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体，用,M,回,表示。,透射电镜下的回火马氏体形貌,37,回火马氏体,在光镜下,M,回,为黑色，,A,为白色。,0.2%C,时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。,2,、,残余奥氏体分解,200-300,时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms,上升，,A,分解,为,-,碳化物和过饱和铁素体，即,M,回,。,38,应力大量消除，,M,回,转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状,Fe,3,C,组织，称回火托氏体，用,T,回,表示,.,3,、,-,碳化物转变为,Fe,3,C,发生于,250-400,，此时，,-,碳化物溶解于,F,中，并从铁素体中析出,Fe,3,C,。,到,350,，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分，内,回火托氏体,39,4,、,Fe,3,C,聚集长大和铁素体多边形化,400,以上，,Fe,3,C,开始聚集长大。,450,以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状,Fe,3,C,的组织称回火索氏体，用,S,回,表示。,光镜下,回火索氏体,电镜下,40,淬火钢硬度随回火温度的变化,40,钢力学性能与回火温度的关系,回火时的性能变化,回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,41,200,以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。,200-300,，由于高碳钢中,A,转变为,M,回,硬度再次升高。,大于,300,由于,Fe,3,C,粗化，马氏体转变为铁素体,硬度直线下降。,42,三、回火脆性,淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。,在某些温度范围内回火时，会出现冲击韧性下降的现象，称回火脆性。,43,1,、第一类回火脆性,又称不可逆回火脆性。是指淬火钢在,250-350,回火时出现的脆性。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。,回火时应避开这一温度范围。,44,2,、第二类回火脆性,又称可逆回火脆性。是指含,Cr,、,Ni,、,Si,、,Mn,的淬火钢在,500-650,范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现，是可逆的,.,防止办法：,回火后快冷。,加入合金元素,W(,约,1%),、,Mo(,约,0.5%),。该法更适用于大截面的零部件。,45,四、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,.,广泛用于各种结构件如轴,、,齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。,适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。,应用,获得良好的综合力学性能,即在保持较高的强度同时,具有良好的塑性和韧性。,提高,e,及,s,，同时使工件具有一定韧性。,在保留高硬度、高耐磨性的同时,降低内应力,。,回火目的,S,回,T,回,M,回,回火组织,500-650,350-500,150-250,回火温度,高温回火,中温回火,低温回火,适用于,弹簧热处理,46,轴的热处理,47,9.8,钢的表面淬火,表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,火焰加热,感应加热,48,表面淬火目的：,使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限,;,心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。,适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,轴的感应加热表面淬火,49,1,、表面淬火用材料,0.4-0.5%C,的中碳钢。,含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。,含碳量过高,心部韧性下降,;,铸铁 提高其表面耐磨性,.,机床导轨,表面淬火齿轮,50,2,、预备热处理,工艺：,对于结构钢为调质或正火。,前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。,目的,:,为表面淬火作组织准备；,获得最终心部组织。,回火索氏体,50,钢正火组织,(F+S),51,3,、表面淬火后的回火,采用低温回火，温度不高于,200,。,感应加热表面淬火,4,、,表面淬火,+,低温回火后的组织,表层组织为,M,回,；,心部组织为,S,回,(,调质,),或,F+S(,正火,).,回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性,.,52,5,、表面淬火常用加热方法,感应加热,:,利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法,.,53,感应加热分为：,高频感应加热,频率为,250-300KHz,淬硬层深度,0.5-2mm.,感应加热表面淬火齿轮的截面图,54,中频感应加热,频率为,2500-8000 Hz,，淬硬层深度,2-10mm,。,中频感应加热表面淬火的机车凸轮轴,Induction Hardening,55,工频感应加热,频率为,50Hz,，,淬硬层深度,1015mm,感应穿透加热,各种感应器,56,获得良好的综合力学性能,即在保持较高的强度同时,具有良好的塑性和韧性。,5、表面淬火常用加热方法,淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.,提高e及s，同时使工件具有一定韧性。,氮化件表面硬度高(HV1000-2000)，耐磨性高。,常用钢号为38CrMoAl。,介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。,加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.,6%C时，组织为S。,应力大量消除，M回 转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体，用T回表示.,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。,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。,35%C)亚温淬火组织,2%C 时，不析出碳化物。,火焰加热,:,利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。,激光热处理,:,利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,激光表面热处理,火焰加热表面淬火,火焰加热表面淬火示意图,57,9.9,钢的化学热处理,化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使,介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进而改变其性能的热处理工艺。,58,与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。,化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。,根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。,可控气氛渗碳炉,渗碳回火炉,59,一、,化学热处理的基本过程,1,、,介质,(,渗剂,),的分解,:,分解的同时释放出活性原子。,如：渗碳,CH,4,2H,2,+C,氮化,2NH,3,3H,2,+2N,2,、,工件表面的吸收,:,活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。,3,、原子向内部扩散。,氮化扩散层,60,二、,钢的渗碳,是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1,、渗碳目的,提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。,2,、渗碳用钢,为含,0.1-0.25%C,的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,井式渗碳炉,61,气体渗碳法示意图,3,、渗碳方法,气体渗碳法,将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳,.,渗剂为气体,(,煤气、液化气等,),或有机液体,(,煤油、甲醇等,),。,优点,:,质量好,效率高；,缺点,:,渗层成分与深度不易控制。,62,固体渗碳法,将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳,.,渗剂为木炭。,优点：操作简单；,缺点：渗速慢，劳动条件差。,真空渗碳法,将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳,.,优点,:,表面质量好,渗碳速度快,.,真空渗碳炉,63,4,、渗碳温度：为,900-950,。,渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）：,一般为。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以,0.85-1.05,为最好。,渗碳缓冷后组织：表层为,P+,网状,Fe,3,C,;,心部为,F+P;,中间为过渡区。,64,5,、渗碳后的热处理,淬火,+,低温回火,回火温度为,160-180.,淬火方法有,:,预冷淬火法,渗碳后预冷到略高于,Ar,1,温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,经渗碳的机车从动齿轮,65,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。,二次淬火法：,即渗碳缓冷后第一次加热为心部,Ac,3,+30-50,，细化心部；第二次加热为,Ac,1,+30-50,，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,66,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到,Ac,1,+30-50,淬火,+,低温回火。此时组织为：,表层：,M,回,+,颗粒状碳化物,+A(,少量,),心部：,M,回,+F,（淬透时）或,F+S,（未淬透时）,渗碳淬火后的表层组织,M+F,67,渗碳,68,渗碳,69,三、,钢的氮化,井式气体氮化炉,为含,Cr,、,Mo,、,Al,、,Ti,、,V,的中碳钢。,常用钢号为,38CrMoAl,。,2,、氮化温度为,500-570,氮化层厚度不超过,0.6-0.7 mm,。,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。,1,、氮化用钢,70,3,、常用氮化方法,气体氮化法与,离子氮化法,.,气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。,离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,71,4,、氮化的特点及应用,氮化件表面硬度高,(HV1000-2000),，耐磨性高。,疲劳强度高,.,由于表面存在压应力。,氮化层组织,38CrMoAl,氮化层硬度,72,工件变形小,.,因氮化温度低，氮化后不需热处理,.,耐蚀性好,.,因表层形成的氮化物化学稳定性高,.,氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。,用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,缝纫机用氮化件,经氮化的机车曲轴,73,谢谢观看！,