钢的热处置原理和工艺.ppt

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,*,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,热处理,是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法。,热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工序。它担负着改善工件的,组织,和,性能,，充分发挥材料潜力，从而提高产品质量延长使用寿命的重要任务。,重要的机械零件必须经热处理才能获得良好的使用性能。,1,1.,钢的热处理原理及分类,一、,热处理原理,1.,定义,将钢在固态范围内，采用适当的方式进行,加热,、,保温,和,冷却，,以获得所需要的,组织,结构,与,性能,的工艺方法。,2,2.,工艺曲线,注明：,临界温度（,A,1,、A,3,、A,cm,）,3,3.,原理：,热处理,不改变,工件的形状和尺寸，,只改变,工件的内部组织和性能的一种非常重要的工艺方法。,根本原因：是由于铁具有同素异构转变特性，从而,使钢在,加热,和,冷却,过程中发生组织和结构上的变化，从而可以改善和提高获得所需要的使用性能。,4,二、热处理的分类,5,常见热处理车间,6,加热,冷却,保温,7,2.,钢在,加热,及,冷却,时的组织转变,一、,钢在,加热,时的组织转变,1.钢在,加热,和,冷却,时的相变温度,加热温度选择的理论依据,铁碳合金状态图,；,但实际转变温度（,相变温度）,比状态图上的,临界温度（,A,1,、A,3,、A,cm,）有一定的,滞后现象,，,采用代号表示。即：加热(,c),和冷却(,r),A,3,A,c,3,A,r,3,A,1,A,c,1,A,r,1,A,cm,A,ccm,A,rcm,8,钢在,加热,和,冷却,时的,临界温度,9,2.,奥氏体的形成,（以,共析钢,为例）,(1)奥氏体晶核的,形成,；,(2)奥氏体晶核的,长大,；,(3)残余渗碳体的,溶解,；,(4)奥氏体成分的,均匀化,。,（基本过程）,共析钢中奥氏体形成过程示意图,a),形核；,b),长大；,c),残余渗碳体溶解；,d),奥氏体均匀化,10,奥氏体形成示意图,4秒,6秒,8秒,15秒,11,对于亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程：,1.,亚,共析钢：,F,+P,F,+A A,2.,过,共析钢：,Fe,3,C,+P,Fe,3,C,+A A,12,3.,奥氏体,晶粒,的长大,晶粒,的长大主要是依靠较大,晶粒,吞并较小,晶粒和晶,界迁移的方式进行的。,晶粒,的吞并与长大过程,为了防止晶粒,长的粗大，严格控制,加热温度,和,保温时间。,13,4.,奥氏体晶粒大小的实际意义：,钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的组织也较细小，性能较好；反之，转变产物的组织则粗大，而且其性能也较差。,晶粒号的标准等级图,(100),14,二,、,钢在,冷却,时的组织转变,冷却方式：,等温冷却；连续冷却。,15,1,.奥氏体的等温转变,1）,定义,不稳定的,过冷,奥氏体,经过一段时间的等温保持，转变为稳定的新相的过程。,2）,转变产物,珠光体,（,粗,珠光体,、,索,氏体、,屈,氏体）,贝氏体,（,上,贝氏体、,下,贝氏体）,马氏体,（,低碳,马氏体,、,高碳,马氏体）,16,共析钢,等温冷却转变曲线图（,C,曲线或为,TTT,曲线）,表示：,过冷奥氏体的等温,转变,温度,转变,时间,转变,产物,的关系。,17,1）珠光体型转变区,（,A,1,550,）,高温,等温,转变,a）,形成温度范围,A,1,650,b）,组织,珠光体（,P）,粗片状,珠光体,片层间距,0.4,m,C）,性能,强度比较高，硬度适中,170,220HBW,有一定的塑性，具有较,好的,综合,力学性能。,珠光体组织 3800,18,a）,形成温度范围,650,600,b）,组织,索氏,体,（,S）,细片状,珠光体,片层间距,0.4,0.2,m,C）,性能,硬度为230,320HBW,综合,力学性能优于,粗,珠光体。,索氏体组织 8000,19,a）,形成温度范围,600,550,b）,组织,屈氏,体,（,T）,极细片状,珠光体,片层间距,0.2,m,C）,性能,硬度为330,400HBW,综合,力学性能优于索氏,体。,规律：,形成温度；片层间距,；硬度。,屈氏体组织,8000,20,2）贝氏体型转变区,（,550,M,s,）,中温,等温,转变,形成上贝氏体组织。,组织,组成,：,铁素体,+,渗碳体,组织特征：,铁素体,长成板条状大致平行分布,渗碳体,呈粒状或短杆状分布在铁素体板条之间。,21,a）,形成温度范围,550,350,b）,组织,上贝氏体,（,B,上,）,形态呈典型羽毛状,C）,性能,硬度为40,45HRC,强度低,，,塑性很差，,基本上没有使用价值,。,22,下贝氏体组织,组织,组成,：,铁素体+渗碳体,组织特征：,铁素体,长成针片状，互不平行，有一定角度，形成分枝；,渗碳体,呈粒状或细小短条状分布在铁素体片内。,23,a）,形成温度范围,350,Ms,b）,组织,下贝氏体,（,B,下,）,形态呈黑色针叶状,C）,性能,硬度可达45,55HRC,具有较高的强度及,良,好的塑性和韧性。,采用,等温淬火方法,可获得,B,下,，是各种复杂模具、量具、刀具热处理后的一种理想组织。,下贝氏体组织 630,24,2）马氏体型转变区,（,M,s,M,f,）,低温连续转变,定义,碳在,-Fe,中的过饱和固溶体,称为,马氏体,（,用,M,表示,）,分类,根据,碳含量不同分为：,低碳,马氏体,0.25%,C,a,b,c,a=bc,碳原子,25,低碳,马氏体,组织特征：,呈 一束一束相互平行的,细条状板条。,性能特点：,硬度可达,HRC,45,50，,具有较高的强度,及,良,好的韧性。,M,板条,M,板条束,低碳马氏体组织形态,26,高碳,马氏体,组织特征：,断面呈,针状,或,片状,性能特点：,硬度均在,HRC,60，,表现为硬度高而,脆性大。,27,马氏体的性能特点,1,、硬度高，且随,C%,的增加而增加；,2、,强度高，亦随,C%,的增加而增加。,28,马氏体转变特点,a）,过冷,A,转变为马氏体是一种,非扩散型,转变；,b）,马氏体转变是在,一定温度范围内,（,M,s,M,f,）,的,连续冷却过程中进行的；,c）,马氏体的,转变速度,极快，产生很大的内应力，转,变时发生体积膨胀；,d）,马氏体转变的不彻底性，仍有少量,未转变的,A,被保留下来，成为,残余奥氏体,（用,A,R,表示）。,29,e）,马氏体中溶入过多的,碳而使,-Fe,晶格发生畸变，,形成组织不稳定；,f）,过冷,A,转变为马氏体所需的最小冷却速度称为,临界冷却速度,（,用,c,表示）。,指出,：,每一种钢的,临界冷却速度,都不同。要想获得马氏体组织，必须使其,冷却速度,c,。,这种操作叫,淬火,。,获得马氏体是强化钢材的一种,重要组织,。,30,二、奥氏体的连续冷却转变,（,CCT,）,在实际热处理生产中，,过冷,奥氏体转变多数是,在连续冷却过程中进行,的，除了,等温转变,获得,贝氏体,组织；另外常采用,连续冷却,曲线（,CCT,）,与,等温转变,曲线（,TTT,）,叠加，,近似地分析,连续,冷却转变,的组织和性能。,Vc,M,M+P,P,共析碳钢,CCT,曲线,Ms,Mf,Vc,M,M+P,P,共析碳钢,CCT,曲线,共析碳钢,TTT,曲线,31,32,亚共析钢、共析钢、过共析钢,连续冷却转变曲线,比较,亚共析钢,共析钢,过共析钢,33,3.,钢的,热处理,工艺,机械零件的一般加工工艺顺序：,铸造或锻造,退火和,正火,机械,粗,加工,淬火+回火,（或表面,热处理）,机械,精,加工,其中：,退火和,正火,预备热处理,淬火+回火,最后热处理,34,一、退火,1.,定义：,将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。,35,2.,退火,分类：,；,a.,扩散退火：,A,c,3,+,20,0,300,b.,完全退火：,A,c,3,+,2050,c.,球化退火：,A,c,1,+,2030,d.,去应力退火：,A,c,1,；500650,36,3.,退火目的：,1）降低硬度，提高钢的塑性，以利于机械加工；,2）细化晶粒，均匀组织，为淬火工序做好准备；,3）,消除内应力,，防止工件变形和开裂；,4,）,消除或减轻偏析、带状组织。,37,4.,退火应用：,1）,扩散退火：,适宜,合金钢锭和大型铸钢件；,2,）完全退火：适宜亚共析钢，不适宜过共析钢；,3,）球化退火：适宜共析钢和过共析钢；,4,）低温退火：适宜,铸造、锻造或焊接及切削,加工后的高精度工件。,38,二、正火,1.,定义：,将钢加热到,A,c,3,以上,30,50,（亚共析钢）或,A,ccm,以上,30,50,（过共析钢），保温后在,空气中冷却,的一,种热处理工艺。,2.,正火的目的和应用,是使钢的组织正常化，亦称常化处理；,一般应用于以下方面：,1,）作为最终热处理,要求不高的普通结构件；,2,）作为预先热处理,含碳量高的过共析钢；,3）改善切削加工性能,低、中碳合金结构钢。,39,正火的作用与退火相似，,与退火,不同之处,是：,正火是在空气中冷却，冷却速度快，所获得的组织更细。,b.,正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。,c.,不占用设备；生产率高。,40,三、淬 火,1.,定义：,将钢加热到,A,c,3,以上,30,50,（亚共析钢）或,Ac,1,以上,30,50,（过共析钢），保温后在淬火介质中快速冷却以获得,马氏体,组织,（,M）,的一种热处理工艺,。,41,钢的,淬透性,与,淬硬性,区别：,淬透性,在规定的条件下，钢接受淬火,时获得马氏体组织深度的能力,。,淬硬性,钢淬火后能够达到的最高硬度，,它主要决定于马氏体中的含碳量。,指出：,淬透性,好的钢,淬硬性,不一定高。,42,2,淬火介质,：,淬火时为了得到足够的冷却速度，以保证奥氏体向马氏体转变，又不致由于冷却速度过大而引起内应力增大，造成零件变形和开裂。,常用的淬火冷却介质：,水、盐水、油、硝盐浴和空气等。,43,3,淬火方法选择,根据钢材成分及对组织、性能,和工件尺寸精度的要求，在保证技术,要求规定的前提下，应选择简便而经,济的淬火冷却方法。,44,4.钢的,淬火缺陷,1）氧化与脱碳,2）过热与过烧,3）变形与开裂,4）,硬度不足,5）淬火软点,45,四、回火,回火是紧接,淬火,之后进行的，通常也是零件进行热处理的,最后一道,工序。,目的是消除和减小内应力、稳定组织、调整性能，获得较好的强度和韧性。,因为，淬火钢的组织主要由马氏体和少量残余奥氏体组成(有时还有未溶碳化物)，存在很大内应力，,如不及时消除，将会引起工件的变形、甚至开裂。淬火组织很不稳定，有向稳定组织转变的趋势，而且组织脆性大，韧性低，一般,不能直接使用,。,46,1.,定义：,将钢加热到,A,c,1,以下某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种热处理工艺。,2.,目的：,1）降低内应力，防止工件变形、开裂；,2）调整性能（提高淬火钢的塑性和韧性）,满足生产需要；,3）稳定组织，防止尺寸变化；,4）降低硬度，便于切削加工。,回火,往往是零件生产中的最后一道工序，决定钢件最后的性能。,47,3.,回火时的组织转变,1）,马氏体分解（,80200,）,转变产物：,回火,M,+,残余,A,2）,残余奥氏体分解（,200 300,）,转变产物：,回火,M,3）,渗碳体形成（,300,400,）,转变产物：,回火,T,4）,渗碳体聚集长大（,400,）,转变产物：,回火,S,48,4.,回火后的组织和应力变化,49,5.,回火时的分类及应用,1）,低温,回火：,150,250，56,64,HRC，,获得高的,硬度和,耐磨性；,2）,中温,回火：,350,500，35,50,HRC,，,获得高的,弹性极限；,3）,高温,回火：,550,650，20,35,HRC,，,获得良好的,综合性能。,生产上,：淬火+,高温回火,称作,调质,处理,50,4.,钢的表面,热处理,在机械设备中，有许多零件，如：齿轮、花键轴、活塞销等，要求,表面,具有高的硬度和耐磨性而,心部,却要求一定的强度和足够的韧性。在这种情况下，要达到上述要求，如果仅从材料方面去解决是很困难的。,如：选用,高碳钢，,淬火后,表面,硬度虽然很高，但,心部,韧性不足；如：采用,低碳钢,，虽然,心部,韧性好，但,表面,硬度和耐磨性低。这就需要对零件进行表面热处理，以达到强化表面的目的，即：所谓,外硬内韧,的性能要求。,51,表面热处理分为两类：,一类是,只改变,工件表面组织而,不改变,表面化学成分的热处理，称为,表面淬火,。,另一类是,既改变,表面化学成分,又改变,表面组织的热处理，称为,化学热处理,。,52,一、表面淬火,1.,定义,是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火前状态的一种局部淬火方法。,2.,方法（,快速加热）,火焰,加热、,感应,加热、,电接触,加热、,激光,加热等,表面淬火方法。,目前生产上最常用是：,火焰加热,表面淬火；,感应加热,表面淬火。,3.,目的,获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持良好的韧性。,53,1）火焰加热表面淬火,应用氧-乙炔火焰对,零件,表面进行快速加热并随后快速冷却的工艺。,特点,：,不需要特殊设备，,淬火质量不够稳定；,适合单件或小批量生产。,54,2）感应加热表面淬火,利用感应电流通过工件所产生的热效应，使得工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。,特点,：,加热速度冷却快，,淬火质量好；,适合大批量生产。,55,3）感应加热表面,淬火电流频率,与,淬硬层的关系：,指出：,频率越高,淬硬层深度,越浅；,生产上根据零件技术要求，通过调整频率获,得需要使用性能。,56,二、化学热处理,1）,定义,将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素,渗入工件的表,层,以改变,其化学成分,、,组织和性能的热处理工艺称为,化学热处理,。,2）,目的,与其它热处理相比，能更有效地改变,零件,表,层的,使用性能。,3）,分类,根据,渗入,元素不同可分为：,渗,C,、,渗,N、C-N,共渗、渗,B,以及渗金属（,Cr、Al、Zn）,等。,57,1.化学热处理的原理,基本过程：,1）,分解,首先在气氛中产生活性原子；,2）,吸收,工件表面吸收活性原子；,3）,扩散,表面吸收活性原子产生浓度差，向中,心迁移，经过一段时间后，形成一定厚,度的,扩散层（,渗,层）。,58,2.钢的,渗碳,方法,：固体渗碳、气体渗碳、液体（盐浴）渗碳,59,渗,C,过程,：,将零件加热到930，开始滴,入,渗碳剂,（煤油、丙酮、甲醇），经,分解后,开始向低碳,钢的表面渗,入,碳原子，随着时间的延长，使表,层的含,C,量可达1.0%，成为高碳钢；然后经表,面淬火和低温回火后，使得零件的表面硬度可,达5664,HRC,，而心部仍然是保持低碳钢，得到,一种所谓,外硬内韧,的使用性能。,60,渗碳后的组织,61,3.钢的,渗,氮,在,A,1,温度以下，使活性,氮,原子渗入工件表面的一种化学热处理工艺，称为渗氮。,目的,：提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、耐蚀性和疲劳强度。,方法,通入氨,气（,NH,3,）,介质。,1,）,气体渗,氮：,加热（,500600,）,分解出,N,原子；,2,）,离子,渗,氮：,高压形成辉光放电,分解出,N,离子。,62,渗氮专用钢,：,通常是指含有,Cr、Mo、Al,等合金元素的钢。,例如：,38,CrMoAl,就是一种典型的渗氮用钢。,因为这些合金元素与氮元素形成非常稳定的,氮化物,。,获得的氮化层薄而致密，一般为,0.1 0.6,mm。,钢件氮化后,具有很高硬度，,1000,HV,以上（相当,于,6972,HRC），,并且当加热至,600 650,使用时,仍能保持高硬度，即：具有高的,耐磨性,和,红硬性,。,63,38,CrMoAl,氮化工艺,渗氮工件的,工艺路线：,锻造 退火 机械粗加工 调质 机械细加工 去应力退火 粗磨,渗氮 精,磨或研磨。,64,38,CrMoAl,氮化后组织形态及性能,表层组织：白亮层+针状氮化物,表层,厚度：一般为,0.10.6mm,表层硬度：在,1000,HV,以上（相当于,6972,HRC）,表层性能：高的,耐磨性,和,红硬性,65,4,.,碳-氮共渗,碳-氮共渗就是同时向零件表面渗入,碳,和,氮,的化学热处理工艺，也称为,氰化,。,一般采用,高温,（,820 870,）,或,低温,（,570,）,两种,气体碳-氮共渗,。,高温,碳-氮共渗以渗碳为主，获得高碳低氮表层；,低温,碳-氮共渗以渗氮为主，实质为,软氮化,。,66,碳-氮共渗后的机械性能及应用：,(1),共渗及淬火后,得到的是含,碳、,氮马氏体,+细小,碳-氮化合物，,耐磨性,比渗碳更好。,(2),共渗层具有比渗碳层更高的压应力,因而,疲劳强,度,更高,耐蚀性,也较好。,(3),高温碳-氮共渗,常用于汽车和机床上的齿轮、蜗,杆和轴类等零件。,(4),软氮化,常用于处理模具、量具和高速钢刀具。,67,钢的热处理新技术,为了进一步提高零件机械性能和表面质量,节约能源，降低成本，提高经济效益,以及减少或防止环境污染等,发展了许多热处理新技术、新工艺。,1.形变热处理,塑性变形+,热处理；,2.亚温热处理,加热温度在两相区：,A,C1,A,C3；,3.,激光,热处理,高能量密度快速,加热,和快速,冷却,；,4.保护气氛热处理,通入,N,气,和,Ar,气加热；,5.,真空热处理,真空中,（,0.0133,1.33,Pa）,加热,。,68,