钢的热处理——钢的淬火与回火.pptx

,#,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,第八章 钢的淬火与回火,本章重点,淬火工艺参数的选择原则；,钢的淬透性与淬硬性的概念及影响因素；,淬火常见缺陷,8-1,淬火的定义、目的及淬火的工艺参数,1,定义：,把,钢加热到临界温度（,A,c3,或,A,c1,）以上，保温一段时间后，再以大于临界冷却速度冷却，从而获得,M,（或,B,下,）组织的方法。,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。,3,淬火的工艺参数,3.1,加热温度,(1),化学成分,:,亚共析钢,:,Ac3+30-50,C,过共析钢,:,Ac1+30-50,C(A,cm,),亚共析碳钢为什么要加热到,Ac3,以上完全化后淬火呢？,若加热温度选在,Ac1,Ac3,之间，组织中有一部分铁素体存在，在随后的淬火冷却中，由于铁素体不发生变化而保留下来，它的存在是钢的淬火组织中存在软点，降低了淬火钢的硬度，同时它的存在还会影响钢的均匀性，影响机械性能，加热,Ac3,以上太高也不行，钢的氧化脱碳严重，另一方面晶粒粗大，淬火后粗大，钢的性能变坏。,过共析钢的淬火加热温度为什么选择在,Ac1,Ac3,之间？,首先过共析钢在淬火加热以前，都要经过球化处理，加热到,Ac1,Acm,之间时组织为和一部分未溶化的,e3C,，淬火后，,M,，,e3C,被保留下来，,e3C,硬度很高，它的存在，可以提高钢的硬度和耐磨性。,若,T A,cm,C%,增加,Ms,点下降,残,A,增多,;,粗大,M;,氧化脱碳严重,易变形开裂,增大淬火应力，增加了工件变形和开裂的倾向。,低合金钢,:A,c3,或,A,c1,+50-100,C,高合金钢,:,A,c3,或,A,c1,+300-400 C,W18Cr4V:1280 C,分级加热,W18Cr4V,T(C),600,800,1280,t,工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等,淬火加热后组织,M+Fe,3,C+A,残,Ac,1,+30,50,过共析钢,M+A,残,Ac,1,+30,50,共析钢,M+A,残,Ac,3,+30,50,亚共析钢,W,c,0.5%,M,Ac,3,+30,50,亚共析钢,W,c0.5%,最终组织,淬火温度,(),钢种,3.2,保温时间,保温,升温,热透,转变,与合金成分，尺寸、装炉量等因素有关,=,K,D,工 件 有 效 厚 度,(,尺寸最小部位,),装炉量有关系数,一般,K,=1,1.5,加热系数,与钢种,及加热介质有关,常用钢的加热系数,钢的种类,工件直径,mm,600,箱式炉中预热,750,850,盐浴炉中加,热或预热,800,900,箱式炉或井,式炉中加热,1100,1300,高温盐炉,中加热,碳钢,50,50,.,0.3,0.4,0.4,0.5,1.0,1.2,1.2,1.5,.,合金钢,50,50,.,0.45,0.5,0.5,0.55,1.2,1.5,1.5,1.8,.,高合金钢,.,0.35,0.40,0.3,0.35,.,.,有效厚度的确定,3.3,加热介质,空气、盐浴、可控气氛、真空等气氛条件,造成氧化与脱碳,氧化（,T570,C):,O,2,+2Fe 2FeO,CO,2,+Fe FeO+CO,H,2,O+Fe FeO+H,2,脱碳,O,2,:Fe,3,C+,O,2,3Fe+CO,2,C,A,+,O2,CO,2,CO,2,:,Fe,3,C,+CO,2,3Fe+2CO,C,A,+CO,2,2CO,H,2,O:Fe,3,C+H,2,O 3Fe+H,2,+CO,C,A,+H,2,O H,2,+CO,H,2,:Fe,3,C+2H,2,3Fe+CH,4,C,A,+2H,2,CH,4,8-2,淬火介质,淬火介质的要求（,P176,图,8,1,）,鼻点冷速大，,Ms,附近冷速小；,目的：获得,M,热应力 开裂,稳定，成本低,安全，无毒；不腐蚀工件,(1),理想介质冷却速度,高温,T,650,慢冷,可以减少热应力。,中温,650,400,快冷,避开,C,曲线的鼻尖,保证全部获得,M,。,低温,400,以下,，特别是,300,200,发生,M,转变时要求慢冷，,M,转变时的组织应力,(2),理想冷却速度示意图,时间,温度,2,常用淬火介质,根据工件淬火冷却过程中，淬火介质由否发生物态变化，把液态淬火介质分为两类的，即有物态变化的和无物态变化的。,有物态变化的,无物态变化的,水及各种水溶液,各种淬火油,各种气体,熔融金属、熔盐,固体,-,铜板、铁板、气,-,固流态床,有物态变化的（以水为例）冷却三阶段：蒸汽膜阶段 沸腾阶段 对流阶段,(1):,蒸汽膜阶段：,灼热钢件投入淬火介质中，一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。由于工件是不良导体，这阶段的冷却主要靠辐射传热，因此，冷却速度较慢。,（,2):,沸腾阶段：,进一步冷却时，工件表面温度降低，工件放出热量愈来愈少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，以致使液体在这些地方和工件直接接触，形成大量气泡溢出液体，由于介质的不断更新，带走大量热量，所以这阶段的冷却速度较快,（,3):,对流阶段：,当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。,对无物态变化的介质，淬火冷却主要靠对流散热，在工件温度较高时辐射散热也由很大比例，也存在传导散热。,（,2,）常用淬火介质,水：,V,max,:500780,C/s,300400,C,鼻温：,150 C/s,；,Ms,：,450 C/s,优点：冷却能力强，成本低,缺点：,M,转变温区冷速过大，变形大,冷却能力对水温，不溶夹杂敏感,应用：小尺寸、形状简单碳钢件,油：,V,max,:100250,C/s,400500,C,鼻温：,60,70 C/s,；,Ms,：,50 C/s,优点：,M,转变温区冷速小，不易变形 缺点：鼻温区冷速小，淬不透,应用：合金钢件,盐水与碱水,10,NaCl,水溶液,15,NaOH,水溶液,5,NaCO3,水溶液,作用：使蒸汽膜提前破碎，但腐蚀,新淬火介质（表,8-4)Page 180,水基；油基,光亮处理（表,8-3,）,Page 178,常用的淬火冷却介质,名 称,最大冷却速度时,平均冷却速度,/,(,s,-1,),所在温度,/,冷却速度,/(,s,-1,),650,550,300,200,20,静止水,340,775,135,450,40,静止水,285,545,110,410,60,静止水,220,275,80,185,10%,NaCl,溶液,580,2000,1900,1000,10%NaOH,溶液,560,2830,2750,775,2010,号机油,430,230,60,65,8010,号机油,430,230,70,55,20,3,号,锭子油,500,120,100,50,8-3,钢的淬透性,1,概念：,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,M,的能力的特性。,用钢在一定条件下淬火获得淬透层深度表示其大小。,淬透层深度：,由工件表面,半马氏体点,(50%M),的深度,工件淬硬层与冷却速度的关系,未淬透钢,淬透钢,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,2,淬透性影响因素,与影响,C,曲线的因素一致,（,1,）钢的化学成分：,C,含量及合金元素,（,2,）奥氏体晶粒度：,奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。,（,3,）奥氏体化温度：,提高奥氏体化温度，提高淬透性。,（,4,）第二相及其分布,:,奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。,实际淬透层深度,：淬透性、工件大小、淬火介质,3,淬透性与淬硬性,淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成,M,可能得 到的最高硬度表示。,取决于,M,中的,C%.,淬透性：钢的临界冷却速度合金元素。,淬透性,淬硬性,钢 种,小,低,碳素结构钢,(20),小,高,碳素工具钢,(T12A),大,低,低碳合金结构钢,(20Cr2Ni4A),大,高,高碳高合金工具钢,(W18Cr4V),淬硬性与淬透性之间的区别,:,淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别,同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。,淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了取决于钢的淬透性，还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。,两个不同的概念,淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。,钢的淬透性的应用,钢的淬透性是机械设计中选材时应予考虑的重要因素之一。,大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力和压力的许多重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤杆等），要求表面和心部力学性能一致，故应选择淬透性高的材料；,心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件（承受弯曲或扭转的轴类），可选用淬透性低的钢，获得,1/21/4,淬硬层深度即可；,焊接件、承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模等，不能或不宜选择淬透性大的材料。,（一）临界直径法,生产中也常用,临界淬火直径,表示钢的淬透性,。,临界淬火直径,圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用,D,o,表示。,在相同冷却条件下，,D,o,越大，钢的淬透性越好。,4,淬透性的实验测定方法,油淬,水淬,M,非,M,（,2,）,顶端淬火法,端淬法,该法为乔迈奈等于,1938,年建议采用的，因而国外常称为“,Jominy,端淬法,端淬曲线、端淬曲线带,各种钢的淬透性曲线可以参考,合金钢手册,顶端淬火法,25100,，,1.5,3.0,4.5,6.0,7.5,9.0,10.5,12.0,13.5,15.0,0,10,20,30,40,50,60,70,距端面距离,/mm,HRC,40Cr,45,8-4,淬火方法,1,单液淬火：尺寸小、形状简单碳钢件、合金钢件。,2,双液淬火（水淬油冷）尺寸较大碳钢件。,3,分级淬火：稍高于,Ms,，盐浴；小尺寸模具、变形小精密件。,4,等温淬火：淬火热应力、组织应力小，变形小；形状复杂、尺寸精密件。,5,冷处理,减小残,A,，提高硬度；稳定尺寸；,8-4,淬火方法,单液淬火,双液淬火,分级淬火,等温淬火,时间,温度,Ms,A,1,单液淬火,将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。,优点：操作简单，容易实现自动化,缺点：易产生淬火缺陷，,水中淬火易产生变形和,裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。,应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。,双液淬火,将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近,Ms,点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。,优点：内应力小，变形及开裂小。,缺点：操作困难，不易掌握,应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。,马氏体分级淬火：,定义：将加热的工件先放入温度为,Ms,点附近的盐或碱浴,中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再,取出空冷以获得马氏体。,优点：有效减小内应力，防止变形与开裂,缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织,应用：,尺寸小，形状复杂工件,贝氏体等温淬火：,定义：将加热的工件先放入稍高于,Ms,点温度的盐或碱浴,中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉,空冷。,优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的综合力学性能。,应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件,如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等,8-5,钢的回火工艺,1,回火工艺参数的选择,回火温度的选择：,（,1,）零件使用性能,硬度回火温度,（,2,）应力消除：,T500C,1h,T200C,23h,回火后冷却方式：,回火脆性钢水、油冷,(,第二类回火脆性）,高合金钢的多次回火,2,回火种类,回火温度,，内应力；,强硬度，塑韧性。,（,1,）低温回火,(150-250C),组织：回火,M,（淬火,M),高碳钢：,淬火片状,M,回火,M,(,片状过饱和,碳化物，共格）,性能：保持高强硬度；微裂纹焊合；,内应力和脆性；韧性略。,低碳钢：,板条,M,C,的偏聚,应用：工、模、量具钢；低碳马氏体钢,渗碳和碳氮共渗,（,2,）中温回火,(350-500C),避免第一类回火脆性,组织：回火,屈氏体（屈氏体,),条、针状（未再结晶，平衡,C,）,相,弥散分布细粒状,相,性能：基体已回复；内应力；,弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性,应用：弹簧钢、热锻模。（,0.6,0.9%),（,3,）高温回火,(550-680C),组织：回火,索氏体,等轴状（再结晶）,相均匀分布粒状,（球化）,相,性能：内应力基本消除，强度与韧性最佳配合；,综合机械性能高,应用,:,重要结构件，轴、齿轮，二次硬化高合金 钢,调质处理：淬火高温回火（可作为预备热处理）,注意：,预防和避免第二类回火脆性。,8-5,钢的淬、回火缺陷,1,种类：,变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、,软点、过热、过烧。,过热：晶粒粗大,重结晶消除,过烧：晶界熔化或氧化,2,变形与淬火应力,变形方式：体积变化、弯曲翘曲。,产生原因：加热或冷却过程中热胀冷缩、,组织转变不同步内应力,种类：热应力、组织应力,高温段变形；低温段开裂,内应力,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；,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。,热应力变化规律：,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。,组织应力的变化规律：,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。,淬火应力影响因素,淬火热应力,加热冷却中工件内外层温度差,工件的冷却速度、钢的热导性、,淬火加热温度、冷却介质的冷却能力、,工件尺寸,应力,具体因素：,化学成分及原始组织、工件形状尺寸、热处 理工艺。,（,P199,）,分级淬火、等温淬火,3,淬火缺陷及其预防、补救,（,a,）变形和开裂；,（,b,）氧化、脱碳、表面腐蚀及过烧；,（,c,）硬度不足；,（,d,）硬度不均匀；,（,e,）组织缺陷。,4,回火缺陷及其预防、补救,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,8-6,淬火工艺的新发展,1,奥氏体晶粒的超细化处理；,2,碳化物的超细化处理；,3,控制马氏体、贝氏体组织形态及其组成的 淬火；,4,保留适当数量塑性相的淬火；,5,钢的形变热处理；,6,真空淬火,第八章 习题,1,如果钢在淬火时冷却速度是可以任意控制的，那么它的理想冷却曲线应该怎样？为什么？在淬火工艺中必须重点考虑哪两方面的问题？,2,常用的淬火方法有哪些？工艺曲线怎样表示？各适用什么情况？,3,何为钢的淬透性和淬硬性？影响因素各是什么？淬透性好的钢淬硬性是否一定高？何时考虑淬透性，何时考虑淬硬性？,4,试述钢的回火分类。举例说明各类回火有何应用？调质与正火产物在组织、性能上的差异和原因？,5,钢淬火时发生变形和开裂的原因是什么？何为热应力和组织应力？解释为什么分级淬火和等温淬火可以减小变形和开裂？,6,有一,45,钢制造的齿轮，要求表面耐磨，其工艺流程为：,锻造,热处理,1,切削加工（成型）,热处理,2,成品，,试问热处理,1,、,2,各采取什么样的热处理工艺？说明原因？,