热处理工艺学.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,*,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,*,金属热处理工艺学,教 学 课 件,2007,年,9,月,金属热处理工艺学的主要内容,:,绪论,金属的加热,退火和正火,钢的淬火与回火,钢的表面淬火,金属的化学热处理,综合热处理工艺设计,金属热处理工艺学,一、热处理工艺的概念,通过加热、保温和冷却的方法使金属和合金内部组织结构发生变化，以获得工件使用性能所要求的组织结构，这种技术便称为热处理工艺。,以研究热处理工艺规律和工艺原理的学科称为主要内容的学科则是热处理工艺学。,绪 论,金属热处理工艺学,二、金属热处理工艺学的发展历程,绪 论,铁器时代（春秋时期）,汉代（有文字记载）,战国时期,(,淬火技术出现,),西汉出现化学热处理,今天,金属热处理工艺学,在国外,历史上出现热处理技术比我国要晚,.,但是在产业革命后,资本主义发展时期,却得到了迅速的发展,特别是在光学显微镜的出现,大大推动了热处理技术的发展,.,热处理才成为一门完整的学科,.,绪 论,金属热处理工艺学,三、热处理工艺的分类,普通热处理（淬火、退火、回火、正火）,化学热处理（渗碳、渗氮、氮碳共渗等）,表面热处理（表面淬火、,PVD,、,CVD,）,复合热处理（形变热处理等）,绪 论,金属热处理工艺学,四、热处理发展的战略及方向,可持续发展（,endurable development),产品质量持续提高,(enhancement of products qulity),节约能源,(energy saving),精确生产,(exact production),高效率,(efficient process technologies),简称为,5E,战略；,绪 论,金属热处理工艺学,热处理发展的方向可以概括为,8,个方面：少无污染、少无畸变、少无浪费（能源）、少无分散（质量）、少无氧化、少无脱碳、少无废品、少无人工，即为,8,个少无。,绪 论,金属热处理工艺学,五、学习本课程的任务和要求,任务：通过学习来掌握各种基本的热处理工艺原理及热处理工艺对金属合金组织与性能的影响规律，熟悉主要的热处理工艺，了解我国热处理技术的发展方向，为分析、制订热处理新工艺和探索发展新工艺打下基础。,绪 论,金属热处理工艺学,通过课程的学习应达到以下要求：,掌握钢铁热处理的基本工艺：,“,四火,”,、感应热处理、化学热处理的原理；,熟悉提高机械零件、工具等产品质量和寿命所采取的各种热处理方法及其强化规律和适用范围；,熟悉各种热处理后的组织形态及性能；,了解热处理新技术的发展领域及趋势；,绪 论,金属热处理工艺学,一、金属加热的物理过程及及其影响因素,1,、介质与工件表面的传热过程,对流传热：热量的传递靠发热体与工件之间流动进行；,实验证明,单位时间内加热介质传递给工件表面的热量有如下关系,:,金属的加热,金属热处理工艺学,影响对流给热系数的因素：,液体的运动的情况：静止和强迫流动。,液体的物理性质：流体的导热系数、比热和密度、粘度等；,工件的表面形状及其在炉内放置位置；,辐射传热：任何一种物体，只要其温度大于绝对零度，就能从表面发出辐射能（电磁波）。,金属的加热,金属热处理工艺学,传导传热：靠物质之间的相互碰撞。,需要说明的是：实际工件在传热过程中，三种传热方式同时存在，所不同的是有这种传热方式为主，有的场合以另一种传热方式为主。,金属的加热,金属热处理工艺学,二、,工件内部的热传到过程,工件内部传热主要以传导传热，工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心部存在温度梯度，发生传导传热,传热强度以比热流量表示,为热传导系数：表示材料具有单位温度梯度时所允许通过的流量密度。,金属的加热,金属热处理工艺学,影响,的因素：,钢的化学成分,:,合金元素及碳含量一般降低传热系 数。,组织状态：随钢中组织组成物，按,A,、,M,淬、,M,回、,P,顺序增大。,加热温度：热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系,金属的加热,金属热处理工艺学,热处理加热时间的确定,工件达到热处理规范所要求温度的时间,完成组织转变及其它热处理所要求的组织结构状态变化所需要的时间简单地说温度升高的时间和保温时间。确定加热时间一般有计算法和经验法。,影响热处理工件加热的因素：,加热方式的影响（随炉加热、预热加热、到温入炉加热和高温入炉加热）,金属的加热,金属热处理工艺学,加热介质和工件放置方式的影响。（气体、熔融性金属液体、流态化炉、真空炉）,工件的放置位置和本身的几何形状。,金属的加热,金属热处理工艺学,二、金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择,工件在不同介质中加热时，必定要和周围介质发生作用，即化学反应，最典型是氧化，脱碳。,氧化,:,材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化物层。其危害是不仅使工件表面便色，失去光泽，而且使机械性能变坏（如疲劳性能）因此要防止氧化。,氧化反应：对于铁来说，根据加热温度不同，常见的氧化反应也不同，,金属的加热,金属热处理工艺学,氧化物的组织形式：,（,1,）,Fe,3,O,4,:,磁性氧化铁，在,570,度以下形成，组织严密，一旦形成氧化速度较慢，如步枪枪支要氧化处理。,（,2,）,Fe,2,O,3:,当,T,570,度时，由于氧原子扩散加快，逐渐形成无磁性氧化铁。,（,3,）,FeO,：温度继续升高，,O,，,Fe,原子相对扩散，形成疏松,FeO,，氧化速度加剧。,金属的加热,脱碳现象：,金属热处理工艺学,当,当,工件将发生脱碳；,达到平衡，工件既不脱碳，也不增碳。,炉气的碳势及测定,炉气的碳势表示炉气对钢表面增碳或脱碳的能力。主要取决于炉气的成分，如在吸热式气氛中，影响碳势的主要气体是,CO,、,H2,、,CO2,、,H2O,、,CH4,，其中,CO,和,H2,的含量是固定的，其它气氛就存在一定关系：,而有些炉气中,CO,、,CO2,、,H2O,含量很小，此时炉气中存在：,金属热处理工艺学,此时，通过测量氧含量来测量炉气的碳势。,红外线,CO2,分析仪,露点仪（露点指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度）,氧探头（测量炉气中氧分压）,钢加热时的脱碳过程及脱碳层的组织特点：,钢在加热过程中将发生脱碳，其组织有两种类型：,一种是半脱碳层；,一种叫全脱碳层；,金属热处理工艺学,金属热处理工艺学,金属化学热处理,t,a,b,c,d,t1,t2,t3,tn,金属热处理工艺学,加热介质的选择及各自的特点,1,、真空加热,2,、保护气氛（吸热式气氛、放热式气氛）,3,、氨热分解气,4,、氮基保护气氛,5,、液滴式保护气氛,6,、其它加热介质,金属的加热,金属热处理工艺学,一、退火、正火的定义、目的和分类,退火：,将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。,退火目的：,目的在于均匀化学成分、达到改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力，并为零件最终热处理准备合适的内部组织。,退火和正火,金属热处理工艺学,退火和正火,金属热处理工艺学,退火工艺,:,按加热分为两类：一类是在临界温度,Ac1,（或,Ac3,）以上的退火，包括完全退火、不完全退火，扩散退火和球化退火，另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火，再结晶退火及去应力退火等。,正火：,将钢材或钢件加热到,Ac3,（或,Ac,cm,）以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺。,正火目的：目的在于获得一定的硬度，细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。,退火和正火,金属热处理工艺学,常用退火工艺方法,一：扩散退火：,1,：定义：,扩散退火又称均匀化退火。将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。偏析的主要表现：,（,1,）化学成分的不均匀性,.,（,2,）非金属夹杂物的不均匀性分布,.,（,3,）偏析区还形成大量显微及宏观的气泡，气孔。,退火和正火,金属热处理工艺学,偏析的危害：,由于偏析存在使大量铸、锻件成分及组织不均匀存在很大组织应力，它直接涉及到钢的热处理及其机械性能。,二：完全退火,1,：定义：将钢件或钢材加热到,AC,3,点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。,退火和正火,金属热处理工艺学,2,：目的：细化晶粒，降低硬度，改善削性能以及消除内力。因此，完全退火不宜太高，一般在,AC,3,点以上,20-30,适用于含碳的中碳钢。,三：不完全退火,1,：定义：将钢件加热至,AC,1,和,AC,3,（,AC,cm,）之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织。这种热处理工艺成为不完全退火。,四：球化退火,定义,:,将钢中的碳化物球状化，或获得,球状珠光体,的退火工艺称为球化退火。,退火和正火,金属热处理工艺学,1,：方案,1,低于,AC,1,点温度的球化退火。该种工艺方法是把退火钢材加热到略低于,AC,1,的温度，经长时间保温，使碳化物又片状变成球状的方法。,2,：方案,2,往复球化退火。这是一种周期退火，目的是加速球化过程。,3,：方案,3,一次球化退火法。此种退火工艺是目前生产上最常用 的球化退火工艺。实际上是一种不完全退火。,退火和正火,金属热处理工艺学,五：再结晶退火和消除应力退火,1,：定义：经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新转变维均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺，称为再结晶退火。,再结晶退火在高于再结晶温度进行。再结晶温度随着合金成分及冷塑性变形量而有所变化。为产生再结晶所需的最小变形量称为临界变形量钢的临界变形量为,6,10,。再结晶温度随变形量增加而降低，到一定值时不再变化。,退火和正火,金属热处理工艺学,纯金属的再结晶温度：铁为,450,，铜为,270,，铝为,100,。一般钢材再结晶退火温度常取,650,700,，铜合金为,600,700,，铝合金为,350,400,。,2,：定义：为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余应力,(,但不引起组织的变化,),而进行的退火，称为去应力退火。,退火工艺的比较,退火和正火,金属热处理工艺学,正火：,将钢材或钢件加热到,Ac3,（或,Accm,）以上适当温度，保温适当时间后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺。,正火目的：目的在于获得一定的硬度，细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。,正火时应考虑如下问题：,1,低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。,2,中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式。,3,过共析钢正火，一般是为了消除网状碳化物，故加热时必须保证碳化物全部溶入奥氏体中。,退火和正火,金属热处理工艺学,4,双重正火。有些锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织，一次正火不能达到细化组织的目的，为此采用二次正火，始可获得良好结果,2.4,退火、正火后钢的组织和性能,退火和正火所得到的均是珠光体型组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。,在生产上对退火、正火工艺的选用，根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选择：,（,1,）含,0,25,C,以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。,（,2,）对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。,退火和正火,金属热处理工艺学,（,3,）对含碳,0,25,0.50,的钢，一般采用正火。,（,4,）对含碳,0,50,0,75,的钢，一般采用完全退火。,（,5,）含碳,0,75,1,0,的钢，有的用来制造弹簧，有的用来制造刀具。前者采用完全退火作预备热处理，后者则采用球化退火。,（,6,）含碳大于,1,，,0,的钢用于制造工具，均采用球化退火作预备热处理。,2.5,退火、正火缺陷,退火和正火,金属热处理工艺学,1,过烧,2,黑脆,3,粗大魏氏组织,4,反常组织,5,网状组织,6,球化不均匀,7,：硬度过高,退火和正火,金属热处理工艺学,3.1,淬火的定义、目的，淬火的必要条件,1:,定义,:,把钢加热到临界点,Ac1,，或,Ac3,以上，保温并随之以大于临界冷却速度,(Vc),冷却，以得到介稳状的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火,2:,目的,:,(1):,提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；,(2):,结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；,(3):,此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3:,淬火的必要条件：,（,1,）是加热温度必须高于临界点以上,(,即亚共析钢,Ac3,，过共析钢,Ac1),，以获得奥氏体组织。,（,2,）冷却速度必须大于临界冷却速度，而淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体。,3.2,淬火介质,一：淬火介质的冷却作用：,1,：淬火介质：淬火介质，即为实现淬火目的用的冷却介质。,2,：淬火介质要求：,（,1,）：具有冷却能力,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,（,2,）：适用钢种范围宽，淬火变形开裂倾向小，使用过程中不变质，不腐蚀工件，不粘接工件，不易燃，无公害，来源广泛。,3,：淬火介质分类,即由物态变化的和无物态变化的。,4:,钢件冷却过程分为,三个阶段,:,蒸汽膜阶段,沸腾阶段,对流阶段,钢的淬火和回火,Vc,Ms,金属热处理工艺学,二：淬火介质的冷却特性的测定：,淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度,H.,规定静止水的淬火烈度,H,1,，其它淬火介质的淬火烈度由与静止水的冷却能力比较而得。,三：常用淬火介质及其冷却特性：,1:,水：,水是最常用的淬火介质，不仅来源丰富，而且具有良好的物理和化学性能。其有以下特点：,（,1,）水温对冷却特性影响很大，随着水温的升高，水的冷却特性降低，特别是蒸汽膜阶段延长，特性温度降低；,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,（,2,）：水的冷却速度快，特别是在,40,100,度温度范围内的冷却速度特别快；,（,3,）：循环水的冷却能力大于静止水的，特别是蒸汽膜阶段的冷却能力提高的更多。,2,：盐水及碱水,水中溶入盐、碱等物质减少了蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段变短，特性温度提高，从而加快了冷却速度。食盐水溶液的冷却能力在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提高，随温度提高，冷却能力降低。碱水溶液作淬火介质时它能和已氧化的工件表面发生反应，淬火后工件表面呈银白色，具有良好的外观，但这种溶液对工件和设备腐蚀较大，淬火时有刺激性气味，因此未能广泛应用。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3,：油,目前工业上主要采用的是矿物油，它是从天然石油中提炼出来的。油的特性温度较水高，在,500,350,度左右处于沸腾阶段，冷却速度最快，其下就比较慢。,4,：有机物质的水溶液及乳化液,前已提到水是来源丰富、价格低廉、性能稳定的淬火介质。如果水中加入一些可改变其冷却能力的物质，并能满足使用要求，则是一种理想的淬火介质。例如美国应用,15,聚乙烯醇，,0,4,抗粘附剂，,0,4,防泡剂的淬火介质。其他国家也应用类似的淬火介质。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3.3,钢的淬透性,一,:,定义：,钢的淬透性,指钢材被淬透的能力，或者说钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得马氏体的能力的特性。应该注意，钢的淬透性与可硬性两个概念的区别。,淬透性系指淬火时获得马氏体难易程度。它主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关，或者说与钢的临界淬火冷却速度有关，可硬性指淬成马氏体可能得到的硬度，因此它主要和钢中含碳量有关。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,二：淬透性影响因素,1,：钢的化学成分；,2,：奥氏体晶粒度；,3,：奥氏体化温度；,4,：第二相及其分布；,三：淬透性的实验测定方法,有两种方法，,一种是临界直径法，另一种是端淬法。,临界直径法的原理：一组由被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定淬火条件（加热温度，冷却介质）进行淬火，然后在中间部位垂直于轴线截断，经磨光，制成粗晶试样后，沿着直径方向测定表面到心部的硬度分布曲线。,理想临界直径的概念：在淬火烈度为无限大（）的假想的淬火介质中淬火时的临界直径。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,端淬法的原理：将试样按规定的奥氏体条件（应无氧化、脱碳及增碳）加热后迅速取出，放入试验装置中喷水冷却，冷却完毕后，沿试样的轴线方向两侧各磨去,0.4mm,，然后自离水冷端,1.5mm,处开始测定硬度，绘出硬度与水冷端距离的关系曲线，这曲线即所谓的端淬曲线。,三、淬透性在选择材料和制订热处理工艺时的应用,如果测定出不同直径钢棒在不同淬火烈度的淬火介质中冷却时的速度，就可以根据钢的端淬曲线来选择和设计钢材及制订热处理工艺。,(,见,P49),钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3.4,淬火应力、变形及开裂,一、淬火时工件的内应力,工件在淬火介质中迅速冷却时，由于工件具有一定尺寸，热传导系数也为一定值，因此在冷却过程中工件内沿截面将产生一定温度梯度，表面温度低，心部温度高，表面和心部存在着温度差。在工件冷却过程中还伴随着两种物理现象：,一是热膨胀，随着温度下降，工件线长度将收缩；,一个是当温度下降到马氏体转变点时发生奥氏体向马氏体转变，这将使比容增大。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,因此，在淬火冷却过程中可能产生两种内应力，即：,1,）：热应力,工件在加热,(,或冷却,),时，由于不同部位的温度差异，导致热胀,(,或冷缩,),的不一致所引起的应力称为热应力；,2,）：组织应力,由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。,根据内应力的存在时间特性还可分：,1,）：瞬时应力,在冷却过程中某一时刻所产生的内应力叫瞬时应力；,2,）：残余应力,冷却终了，残余于工件内部的应力。,1,：热应力变化规律：,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,AC1,表面,心部,表面,心部,时间,温度,+,-,金属热处理工艺学,a,）：淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力表面为压应力，心部为拉应力。,b,）：淬火冷却时产生的热应力系由于冷却过程中截面温度差造成的，冷却速度越快，界面温度愈大，则产生的热应力愈大，在相同冷却介质条件下，工件加热温度愈高，尺寸愈大，钢材热传导系数愈小，工件内温差愈大，热应力愈大。,2,：组织应力的变化规律：,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,Ms,表面,心部,表面,心部,时间,温度,+,-,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,a,）：在心部完全淬透的情况下，组织应力使工件最终应力表现为：表面呈现拉应力，心部呈现压应力。,b,）：组织应力的大小与钢在马氏体相变温度范围有关，截面上温度愈大，组织应力增加，相变时体积膨胀量愈大，则组织应力就愈大，钢的淬透性愈好，零件尺寸愈大，则淬火后组织应力愈大。,3,：淬火应力影响因素,a,）含碳量的影响：随含碳量增加，热应力作用逐渐减弱，组织应力逐渐增强。,b,）合金元素的影响：钢中加入合金元素，其热传导系数下降，导致热应力和组织应力增加。凡增加钢淬透性的合金元素，在工件没有完全淬透的情况下，有增加组织应力的作用。,金属热处理工艺学,c,）,:,工件尺寸的影响：,1,）在完全淬透的情况下，随着工件直径的增加，淬火的残余应力将由组织应力型转化为热应力型。,2,）在不完全淬透的情况下，所产生的应力特性与热应力相类似的。,d,）,:,淬火介质与冷却的影响：淬火介质在不同工件冷却温度区间是不相同的，因此也影响淬火内应力分布，在,Ms,点以上冷却时快，,Ms,点以下冷却慢，为热应力型，反之为组织应力型。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,二：淬火时工件的变形,:,1:,淬火时工件的变形有两类，一类是翘曲变形，一是体积变形。,2,；引起各种变形的原因,（,1),；淬火组织前后变化引起：工件在淬火前组织一般为珠光体组织，而淬火后为马氏体组织。由于组织的比容不同，引起体积变化，产生变形。,（,2,）：热应力引起变形：热应力引起的变形发生在钢件屈服强度低，塑性较高，而表面冷却快，内外温差最大的高温区。,（,3,）,:,组织应力引起变形：产生于早期组织应力最大时刻。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,三：淬火裂缝：,1:,纵向裂缝：沿着工件轴向方向由表面裂向心部的深度较大的裂缝。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,2:,横向裂缝；常发生于大型轴类零件上。,3:,表面裂缝：这是分布在工件表面的深度较小的裂缝。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3.5,确定淬火工艺规范的原则,淬火加热方式,加热温度,保温时间,冷却介质及冷却方式,确定工件淬火规范的依据是工件图纸及技术要求，所用材料牌号，相变点及过冷奥氏体等温或连续冷却转变曲线，端淬曲线，加工工艺路线及淬火前的原始组织等。只有充分掌握这些原始材料，才能正确地确定淬火工艺规范。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,四：淬火方法及其应用：,1,、单液淬火法,2,、中断淬火法,3,、喷射淬火法,4,、分级淬火法,5,、等温淬火法,钢的淬火和回火,A1,Ms,T,t,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3.6,钢的回火,当钢全淬成马氏体再加热回火时，随着回火温度升高，按其内部组织结构变化，分四个阶段进行：,1,）马氏体的分解；,2,）残余奥氏体的转变；,3,）碳化物的转变；,4,）,e,相状态的变化及碳化物的聚集长大,二次硬化：当钢中含有较多的碳化物形成元素时，在回火第四阶段温度区,(,约为,500,550),形成合金渗碳体或者特殊碳化物。这些碳化物的析出，将使硬度再次提高，称为二次硬化形象。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,回火目的：减少或消除淬火应力，提高韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。,一、碳钢的回火特性,淬火钢回火后的力学性能，常以硬度来衡量。把温度和时间对的综合影响因素归纳为,M,表征回火的程度。,二、回火工艺的制订,1,回火温度的选择和确定,(1),低温回火,(,指温度低于,250,的回火,),低温回火一般用于以下几种情况：,(a),工、量具的回火；,(b),精密量具和高精度配合的结构零件,(c),低碳马氏体的低温回火；,(d),渗碳钢淬火回火。,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,(2),中温回火,(350,500),主要用于处理弹簧钢。,(3),高温回火,(500),(a),调质处理,即淬火加高温回火，以获得回火索氏体组织；,(b),二次硬化型钢的回火；,(c),高合金渗碳钢的回火,；,2,回火时间的确定,3,回火后的冷却,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,3.7,淬火新工艺的发展与应用,一、循环快速加热淬火,;,二、高温淬火,;,三、高碳钢低温、快速、短时加热淬火,;,四、亚共析钢的亚温淬火,;,五、等温淬火的发展,;,1,预冷等温淬火,;,2,预淬等温淬火,;,3,分级等温淬火,;,钢的淬火和回火,3.8,淬火、回火缺陷及其预防、补救,一、淬火缺陷及其预防、补救,1,淬火变形、开裂,钢件淬火时最常见的缺陷有淬火变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足或不均匀，表面腐蚀、过烧、过热及其它按质量检查标准规定金相组织不合格等,2,氧化、脱碳、表面腐蚀及过烧,3,硬度不足,4.,硬度不均匀,5,组织缺陷,二、回火缺陷及其预防、补救,1,、常见的回火缺陷有硬度过高或过低，硬度不均匀，以及回火产生变形及脆性等,2,、回火后工件发生变形，常由于回火前工件内应力不平衡，回火时应力松弛或产生应力重分布所致,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,钢的淬火和回火,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,金属热处理工艺学,4.1,表面淬火的目的、分类及应用,表面淬火是指被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。因此，从加热角度考虑，表面淬火仅是在工件表面有限深度范围内加热到相变点以上。,一、表面淬火的目的,在工件表面一定深度范围内获得马氏体组织，而其心部仍保持着表面淬火前的组织状态,(,调质或正火状态,),，以获得表面层硬而耐磨，心部又有足够塑性、韧性的工件。,二、表面淬火的分类,钢的表面淬火,激光加热表面淬火,电子束加热表面淬火,电解液加热表面淬火,电接触加热表面淬火,火焰淬火,感应加热表面淬火,4.2,表面淬火工艺原理,钢在非平衡加热时有如下特点：,1,在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高。,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,金属热处理工艺学,2,奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大,3,提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒,4,快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响,二、表面淬火的组织与性能,1,表面淬火的金相组织,例如,:,原始组织为退火状态的共析钢,.,钢的表面淬火,金属热处理工艺学,M,M+P,P,Ac1f,Ac1s,离表面的距离,温 度,钢的表面淬火,原始状态是共析钢,Fe3C,金属热处理工艺学,而对,45#,钢来讲,:,M,M+F,M+F+P,F+P,温度,离表面的距离,AC3,AC1s,Ac1f,钢的表面淬火,Fe3C,金属热处理工艺学,原始组织为,调质状态的,45#,钢表面,淬火后沿截,面硬度,:,图中硬度的降低主要是因为其温度高于原调质回火温度而又低于临界点，发生了进一步的回火现象。,Ac3,Ac1,回火温度,钢的表面淬火,金属热处理工艺学,2,表面淬火后的性能,表面硬度,:,奥氏体成分的均匀性、奥氏体晶粒及亚结构细,化有关；,耐磨性,:,奥氏体晶粒细化、奥氏体成分的不均匀，表面硬度较高及表面压应力等因素有关；,疲劳强度,:,除了本身强调高外，主要原因是在工件表面形成较大的压应力；另外还可降低疲劳试验时的缺口敏感性。,3,、表面淬火硬化层深度及分布对工件承载能力的影响,表面硬化层与工件负载时应力分布的匹配：,钢的表面淬火,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,中心,应力或强度,3,传动轴截面的切应力分布图,表面强化与工件承载应力匹配示意图,X,Y,Z,金属热处理工艺学,表面硬化层深度与残余应力的关系,钢的表面淬火,中心,表面,热应力,组织应力,合应力,+,-,-,-,+,+,试验研究表明：在工件直径一定的情况下，随着硬化层深度的增厚，表面残余压应力先增大，达到一定值后，若再继续增厚硬化层深度，表面残余压应力反而减小。残余应力还与沿淬火层深度的硬度分布有关，即与马氏体层的深度、过渡区的宽度及工件截面尺寸之间的比例有关。,4.3,表面淬火方法,一、感应加热表面淬火,定义：感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件产生的热效应，使工件表面局部加热，继之快速冷却，以获得马氏体组织的工艺。,分类：高频淬火，中频淬火，和高频脉冲淬火即微感应淬火三类。,1,：感应加热基本原理：,当工件放在通有交变电流的感应圈中，在交变电流所产生的交变磁场作用下将产生感应电动势。,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,电流透入深度随着工件材料的电阻率的增加而增加，随工件材料的导磁率及电流频率的增加而减小。导磁率及电流频率的增加而减小。,(2),感应加热的物理过程：,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,涡 流 强 度,温 度,冷态,过渡态,热态,在磁性消失层中，由于磁导率和加热层中的功率激烈下降，因此，电流强度就大大降低，使得最大的电流密度推向磁性未消失层和磁性消失层的交界处。,透入式加热较传导式加热有如下特点：,(a),表面的温度超过,A2,点以后，最大密度的涡流移向内层，表层加热速度开始变慢，不易过热，而传导式加热随着加热时间的延长，表面继续加热容易过热；,(b),加热迅速快，热损失小，热效率高；,(c),热量分布较陡，淬火后过渡层较窄，使表面压应力提高。,2,感应加热表面淬火工艺,(1),根据零件尺寸及硬化层深度的要求，合理选择设备。,(a),设备频率的选择；,(b),比功率的选择,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,指感应加热时工件单位表面积上所吸收的电功率。（在频率一定时，比功率愈大，加热速度愈快；当比功率一定时，频率愈高，电流进入愈浅，加热速度愈 快）,(2),淬火加热温度和方式的选择；,(3),冷却方式和冷却介质的选择；,(4),回火工艺；,3,感应器简介,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,二、火焰加热表面淬火,1,：定义：,用一种火焰在一个工件表面上若干尺寸范围内加热，使其奥氏体化并淬火的工艺称为火焰表面淬火。火焰淬火必须供给表面的热量大于自表面传给心部及散失的热量，以便达到所谓,“,蓄热效应,”,，才有可能实现表面淬火。,2,：特点：,火焰加热表面淬火的优点是：,(1),设备简单、使用方便、成本低；,(2),不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用；,(3),淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形也小。,其缺点是：,(1,）：表面容易过热；（,2),较难得到小于,2mm,的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上；,(3),所采用的混合气体有爆炸危险。,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,三、其它表面淬火法,1,电解液加热表面淬火,2,电接触加热表面淬火,3,激光和电子束加热表面淬火,金属热处理工艺学,钢的表面淬火,激光是一种亮度极高，单色性和方向性极强的光源。其特点：,(a),加热速度快，淬火不用冷却剂。,(b),可以进行局部的选择性淬火。,(c),几乎没有变形。,概念,金属工件放在一定在化学介质中，使其表面与介质相互作用，吸收其中某些化学元素的原子（或离子）并通过加热，使该原子自表面向内部扩散的过程。,分类,根据渗入不同元素在金属中的作用，金属表面渗入不同元素后，可以获得不同的性能，因此，常以渗入不同的元素来命名；,如：渗碳、渗氮、渗硼、渗铬、渗铝等；,金属热处理工艺学,金属化学热处理,5.1,化学热处理基本原理,金属热处理工艺学,金属化学热处理,渗剂,加热分解,单质原子,扩散到工件表面,由工件表面向心部扩散,从上可以看出，分解、吸收和扩散是化学热处理的基本过程。,分解反应、置换反应、还原反应,吸附,化学吸附和物理吸附（与工件的表面活性有关）,金属热处理工艺学,金属化学热处理,扩散,纯扩散,反应扩散,渗入元素原子在母相金属中形成固溶体，在扩散过程中不发生相变或化合物的形成和分解。,在扩散过程中有新相出现的扩散称为反应扩散。,上坡扩散和下坡扩散,当向钢中渗入渗铬、钒、钨、钛等强碳化物形成元素时，碳元素将从内层向外层扩散；当渗入,Si,、,Al,等非碳化物形成元素，碳将发生重新分布。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,C%,C%,金属热处理工艺学,金属化学热处理,化学热处理过程中的控制因素：,被渗元素渗入很快，表面浓度很快达到界面反应平衡浓度；,（渗层与扩散时间的关系和渗层与温度的关系）,工件表面不能马上达到平衡浓度；,反应扩散时新相的长大速度取决于渗入元素在新相中的扩散和与其毗邻相中的扩散速度。,设在扩散过程中，渗层有两个相区存在，设渗剂一定、扩散温度一定的情况下，表面渗入元素的浓度为与渗剂平衡浓度，且为定值：,C,0,。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,温度,%,C,0,C1,C2,表面,心部,B,A,渗层的形成和界面移动示意图,加速化学热处理的方法,物理催渗法,1,、高温化学热处理；,2,、高压或负压化学热处理；,3,、高频化学热处理；,4,、采用弹性振荡加速；,化学催渗法,1,、卤化物催渗法；,2,、提高渗剂活性的催渗方法；,金属热处理工艺学,金属化学热处理,5.2,钢的渗碳,一、渗碳的目的、分类及应用,1:,定义：,钢在渗碳就是钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。这是机器制造中应用最广泛的一种化学热处理工艺。,2:,目的：,渗碳的目的是使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,3,：分类：,根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为,a,）固体渗碳法、,b),液体渗碳法及,c),气体渗碳法三种。,4,、适用范围,渗碳主要用于承受磨损、交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件，如：轴、活塞销、齿轮、凸轮轴等。用于,0.1%,0.3%C,的低碳钢和低碳合金钢。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,二：滴注式可控气氛渗碳与吸热式气氛气体渗碳工艺原理,1,：滴注式可控气氛渗碳原理：滴注式可控气氛渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生得气体碳势较低，另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种气体的滴入比例，可使零件表面的含碳量控制在要求的范围内。,2,：吸热式渗碳气氛渗碳：用吸热式气氛进行渗碳时，往往用吸热式气氛加富化气的混合气进行渗碳。其碳势控制靠调节富化气的添加量来控制,.,金属热处理工艺学,金属化学热处理,三、渗碳工艺的选择,渗剂耗量,温度和时间,金属热处理工艺学,金属化学热处理,排气期,强渗期,扩散期,出炉,三：渗碳后的热处理：,直接淬火；,一次加热淬火；,两次加热淬火；,不论采用哪种淬火方法，渗碳件的最终淬火后要经,180,220,度的低温回火。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,优点：减少加热冷却的次数，简化操作，减少变形和氧化脱碳。缺点：由于渗碳时在较高的温度长期保温，晶粒易于长大。,时间长，成本高，增加氧化脱碳及变形等缺陷。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,一次加热淬火,直接淬火,900-930,二次加热淬火,渗 碳,金属热处理工艺学,金属化学热处理,四：真空渗碳：,真空渗碳和普通渗碳相比具有以下优点：,1,）：渗碳时间显著缩短。,2,）渗碳表面质量好，渗碳层均匀，没有过度渗碳的危险。,3,）能直接使用天然气作渗碳剂，不需要气体发生炉。,4,）作业条件好，如排除了烟，热对环境的污染。,五：渗碳后的组织和性能,1:,渗碳层的组织,在正常情况下，渗碳层在淬火后组织从表面到心部依次为：,金属热处理工艺学,金属化学热处理,马氏体和残余奥氏体加碳化物马氏体加残余奥氏体马氏体心部组织。,心部组织在完全淬火情况下为低碳马氏体；淬火温度较低的为马氏体加游离铁素体；在淬透性较差的钢中，心部为屈氏体或索氏体加铁素体。,六、渗层的性能,渗层的性能的好坏取决于渗层的浓度，渗层硬度梯度，渗层中残余奥氏体的含量，碳化物数量及大小，分布形态等。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,六：渗碳缺陷及控制,:,1:,黑色组织：,2,反常组织,3,，粗大网状碳化物组织,4,渗碳层深度不均匀,5,表层贫碳或脱碳,6,表面腐蚀和氧化,金属热处理工艺学,金属化学热处理,5.3,金属的渗氮,向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，通常也称为氮化。,钢渗氮可以获得比渗碳更高的表面硬度和耐磨性，渗氮后的表面硬度可以高达,HV950,1200(,相当于,HRC65,72),，而且到,600,仍可维持相当高的硬度,;,渗氮还可获得比渗碳更高的弯曲疲劳强度,由于渗氮温度较低,(500,一,570,之间,),，故变形很小渗氮也可以提高工件的抗腐蚀性能,但是渗氮工艺过程较长，渗层也较薄，不能承受太大的接触应力。,金属热处理工艺学,金属化学热处理,F-N,相图,钢的渗氮过程,金属热处理工艺学,金属化学热处理,氮势,：,当反应达到平衡时,:,那么有,:,金属热处理工艺学,金属化学热处理,1,纯铁渗氮层的组织和性能,纯铁渗氮层的组织结构应该根据,Fe,N,状态图及扩散条件来进行分析,在,520,渗氮时，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为,相,相,相渗层组织自表面至中心变成,相。,600,渗氮时，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为,相,相,相缓冷时渗层组织自表面至中心变成,相。若快冷,:,金属热处理工艺学,金属化学热处理,2,合金元素对渗氮层组织和性能的影响,(1),溶解于铁素体并改变氮在,相中的溶解度,(2),与基体铁构成铁和合金元素的氮化物,(Fe,，,M)3N,、,(Fe,，,M)4N,等。,(3),形成合金元素氮化物,三：渗碳钢及其发展,历史最久