钢的热处理工程材料.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,#,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,#,将钢件在一定的介质中加热到一定的温度并保温一定的时间，然后冷却，以期改变其整体或者表面组织，从而获得所需要的性能的一种热加工工艺。,钢的热处理,Heat Treatment of Steels,钢的热处理工艺示意图,温度,时间,加热,Heating,保温,Insulation Work,冷却,Cooling,保温时间,Holding Time,保温温度,Holding Temperature,A,1,A,3,A,cm,第一节概述,钢的热处理,：是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却措施，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺，即,“,加热,-,保温,-,冷却,”,三步,按工艺不同可将热处理分为如下几类：火焰加热,退火 表面淬火 感应加热,普通热处理 正火 表面热处理 渗,C,淬火 化学热处理 渗,N,回火,C,、,N,共渗,改善钢材性能的主要办法,1.,在钢中特意加入一些合金元素，即合金化,2.,钢的热处理,例：两个,T8,制件，在,780,保温，一个水冷,62HRC,另一个炉冷,200HB15HRC,。水冷马氏体，炉冷珠光体。,本章重点：,1.,钢加热和冷却时的组织转变,2.C,曲线,3.,各种热处理工艺的原则和应用,第二节 钢加热时的组织转变,由铁碳合金的相图可知，碳钢在缓慢加热或者冷却的过程中，经过,PSK,线、,GS,线、,ES,线时，组织都要发生变化，所以固态组织的临界点都可由这三条线确定。为了使用方便，常把,PSK,线称为,A,1,线，,GS,线称为,A,3,线，,ES,线称为,Acm,线。,为了区别，通常把,实际加热时,的各临界点用,Ac1,、,Ac3,、,Accm,表示；而,冷却,时的各临界点用,Ar1,、,Ar3,、,Arcm,表示。,A,B,C,D,E,F,G,H,J,N,K,P,P,S,Q,2.11,钢,铸铁,A,一、钢在加热时的转变,钢相图,A,B,E,G,H,J,NP,S,Q,L,A,+A,+L,+A,A+L,A+Fe,3,C,钢热处理相图,E,G,P,S,Q,A,F,A+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,P+Fe,3,C,钢的平衡组织,F,铁素体,Ferrite,、,P,珠光体,Pearlite,、,Fe,3,C,渗碳体,Cementite,F+P,P+Fe,3,C,E,G,P,S,Q,A,A+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,P+Fe,3,C,F,特征线,A,1,线,(PSK,线,),加热,Ac,1,冷却,Ar,1,A,3,线,(GS,线,),加热,Ac,3,冷却,Ar,3,A,cm,线,(SE,线,),加热,Ac,cm,冷却,Ar,cm,A,3,A,cm,A,1,一、转变温度,加热（冷却）时铁碳相图上各临界点的位置,临界温度,平衡时：,A,1,、,A,3,、,Acm,加热时：,Ac,1,、,Ac,3,、,Accm,冷却时：,Ar,1,、,Ar,3,、,Arcm,（一）共析钢的奥氏体的形成过程,形核,F,和,Fe,3,C,的界面最易于形核，通过同素异构转变,FA,和,Fe,3,C,的溶解来实现。,长大,一旦形核，,A,则向,F,和,Fe,3,C,方向长大，此过程同样通过同素异构转变,FA,和,Fe,3,C,的溶解来实现。,一、奥氏体的形成,残余碳化物溶解,由于同素异构转变,FA,的速度比和,Fe,3,C,向奥氏体中溶解的速度快，所以，同素异构转变完成后，还一部分碳化物（残余碳化物）尚未溶解，它会在随后的加热过程中继续向奥氏体中溶解。,奥氏体均匀化,残余碳化物溶解完毕后，奥氏体的成分是不均匀的，原来,F,处含碳量低，而原来,Fe,3,C,处含碳量高。只有经足够长的保温时间，才能通过,C,的扩散形成均匀的,A,等轴晶。,奥氏体的形成过程（以共析钢为例）,亚（过）共析钢的,A,化,P,A,后，先共析,F,或,Fe,3,C,溶解。,A,形核长大示意图,P,的实际组织,P,组织示意图,P,组织示意图放大,二、,影响,A,形成的因素,因素,Factors,A,形成温度,T,加热速度,W,H,钢中,C,的含量,原始组织,合金元素,结论：,加热温度越高和加热速度越快 转变快。,C%Fe,3,C,多，界面多，形核多 转变快。,合金元素会提高,A,化速度或降低,A,化速度。,原始组织的影响,P,片间距越小，界面越多，片状比粒状相界面多，形核多 转变快,三、奥氏体晶粒的长大及影响因素,1.,奥氏体的晶粒度（晶粒大小的尺度）,1,）起始晶粒度：当,P,刚刚完全转变为,A,时；,2,）实际晶粒度：在某一具体的加热条件下实际获得的奥氏体晶粒的大小；,3,）本质晶粒度：取决于钢的成分和冶炼条件。,2.,奥氏体晶粒大小对钢机械性能的影响：,奥氏体晶粒度越小，则热处理之后的钢的性能愈好。,（一）奥氏体晶粒大小,(1),定义,对钢的晶粒级别进行分级。,晶粒度对钢的性能的影响是直接的，所以在很多标准中规定晶粒度的等级。,A,的晶粒度基本概念,(2),晶粒度,Coarseness of Grain,晶粒大小用晶粒度表示，通常分级,1,4,粗晶钢,Scorched Steel,5,8,细晶钢,Fine-Grain Steel,8,超细晶钢,Ultra-fine Grain Steel,(3),晶粒度的数学表示方式,假定：放大倍数,100,每平方英寸内晶粒数目为,n,，,则：,1、奥氏体的实际,晶粒度,(1),定义,在具体加热条件下得到的奥氏体晶粒大小称为奥氏体实际晶粒大小或奥氏体实际晶粒度,(2),影响因素,加热温度越高,保温时间越长奥氏体的,实际晶粒度越大,过热,Overheat,E,G,P,S,Q,A,A+Fe,3,C,F+A,F,P,F+P,P+Fe,3,C,F,2、奥氏体的本质,晶粒度,(1),定义,本质晶粒度只表示钢在加热时奥氏体晶粒长大倾向的大小。并不表示奥氏体实际晶粒的大小。,钢在,93010,下保温,8,小时冷却后所测定的晶粒度为本质晶粒度。主要是检验钢本身长大倾向。,(2),本质细,晶粒钢,本质细晶粒钢一般具有阻碍奥氏体晶粒长大的元素如：,Nb,、,Ti,、,V,等，,主要是这些元素易于形成,AlN,、,Al,2,O,3,、,NbC,、,TiC,、,VC,等不易溶解的小粒子，阻碍奥氏体晶粒的长大。,(3)本质粗,晶粒钢,本质粗晶粒钢一般主要用Si,、,Mn脱氧，没有阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素，奥氏体晶粒的长大的很快。热处理一定不能过热。,2,、影响奥氏体晶粒长大的因素,1,）加热温度、速度和保温时间,加热温度，保温时间 晶粒尺寸,当加热温度确定，加热速度越快，过热度越大，晶粒越细小,2,）化学成分,C,：含碳量上升，奥氏体晶粒长的越大，但是超过一定的界限，反倒会减小。,合金元素,合金碳化物，,Fe3C%,晶粒尺寸,盐浴炉,可控气氛保护,真空热处理,四、加热时常见的缺陷,过热：,晶粒粗大，可以消除,(,完全退火或等温退火或正火,),过烧：,晶界局部熔化，无法消除,氧化,脱碳,第三节 钢在冷却时的转变,热处理工艺中，有两种冷却方式：等温冷却、连续冷却,等温转变,Isothermal Transformation,连续转变,Continuous Transformation,1),等温转变,将已化的钢迅速冷却到,A,1,点以下某,T,，,恒温转变,2),连续转变,将已化的钢连续冷却，使其在,r,1,以下,连续转变,一、过冷,A,的等温转变,在临界温度以下尚未发生转变的不稳定奥氏体称过冷奥氏体。,过冷奥氏体,（一）,C,曲线的测定,以共析钢为例，采用,金相法,测定。,制样：,把钢材制成,151.5mm,的圆片试样,（钻小孔，便于提取），分成若干组。,2.,奥氏体化：,取一组试样，在盐炉内加热使之,完全,A,化。,3.,等温：,将,A,化后的试样快速投入,A,1,以下某一温,度的浴炉中进行等温转变，并开始计时。,二、过冷奥氏体等温转变曲线图,(TTT,或,C,曲线,),4.,记时：,每隔一定时间取出一个试样，进行高温金相 组织观察。记录,开始转变时间,和,转变终了时间。,将其余各组试样，用上述方法分别测出不同等温条件下,A,转变开始和终了时间，最后将所有,转变开始时间点,和,终了时间点,标在,温度,时间,(,对数,),坐标上，并分别连接起来，即得,C,曲线,。,共析碳钢过冷奥氏体等温转变曲线图建立,T,t,t,2,t,n,t,1,A,体等温转变曲线（,C,曲线）的建立,过冷,A:T S T,珠光体,P,，,3800,索氏体,S 8000,屈氏体,T 8000,在A,1,560恒温下，过冷A发生P转变，产物为层片状P组织。不同转变温度下层片大小及距离不同，据此可将P转变产物分为：,珠光体P：A,1,650,索氏体S：650600,屈,氏体T：600550,P、S、T无本质区别，只有形态上的粗细之分，P较粗、S较细、T更细。P、S、T通称P型组织，组织越细，强度、硬度越高，塑、韧性越好。,过冷奥氏体高温转变产物的形成温度和性能,组织名称,表示符号,形成温度范围,/,硬度,片间距,/nm,能分辨片层的放大倍数,珠光体,P,A,1,650,170200HB,150450,5 00,索氏体,S,650600,2535HRC,80150,1000,屈氏体,T,600550,3540HRC,3080,2000,可见：珠光体的片层间距越小，硬度越高，同样强度也高,韧性,也随片层间距变化。,同一成分的钢，组织为片状珠光体时硬度和强度比粒状珠光体的高，但塑性、韧性低，为改善工具钢的切削性能，常用球化退火来得到,粒状珠光体,组织，降低钢的硬度。,2,、贝氏体转变,上贝氏体：,550,350,，呈羽毛状,小片状,Fe3C,分布在,F,体条间。强度和韧性差。,下贝氏体：,350,Ms,点，呈针状,韧性高，综合力学性能好。,中温转变：,550,Ms,点,转变特点：半扩散型，铁原子不扩散，碳原子有一定的扩散能力。,转变产物：贝氏体，即,Fe,3,C,分布在含碳过饱和的铁素体上的两相混合物。,上贝氏体的形成过程,光学显微照片,1300,电子显微照片,5000,45,钢，,B,上,+B,下,，,400,上贝氏体中的,Fe,3,C,分布于铁素体条之间，分割了基体的连续性，易脆断，故上贝氏体的强度和韧性较低,首先在奥氏体的贫碳区或晶界上形成铁素体晶核，然后向奥氏体晶粒内长大，随后在铁素体片间析出渗碳体。,下贝氏体的形成,F,针内定向分布着细小,Fe,2.4,C,颗粒,电子显微照片,12000,T8,钢，,B,下，黑色针状,光学显微照片,400,下贝氏体的性能和上贝氏体相比较，不仅具有较高的硬度和耐磨性，而且下贝氏体的强度、韧性和塑性均高于上贝氏体。,等温转变温度,/,图,3-16,共析纲的力学性能与等温转变温度的关系,生产中常采用等温淬火来获得下贝氏体组织。,k,3,、马氏体转变,转变特点：,1,）无扩散型转变,Fe,和,C,原子都不进行扩散，,M,是体心正方的,C,过饱和的,F,，固溶强化显著。,2,）降温形成,连续冷却完成。,3,）瞬时性,M,的形成速度很快，温度越低，则转变量越多。,4,）转变的不完全性,M,转变总要残留少量,A,，,A,中的,C%,越多，则,M,S,、,M,f,越低，残余,A,含量越多。,A,R,的量主要取决于,M,S,和,M,F,点的位置。5,）,M,形成时体积膨胀（由体心立方晶格变成面心立方晶格）,造成很大内应力。马氏体含碳量越大，体积变化也越大，所以高碳钢淬火时容易变形和开裂。,马氏体,(M),：,C,在,Fe,中的过饱和固溶体。,Ms,和,Mf,点随着奥氏体中的含碳量的增加而降低，残余奥氏体量随着含碳量的增加而增多。,马氏体的组织类型,C%1.0%,时，为针片状,M,。,Fe-1.8C,，冷至,-100,Fe-1.8C,，冷至,-60,板条,M,平行的细板条束组成,针状,M,（凸透镜状）,针片状和板条状马氏体性能比较,C%M,硬度，针状,M,硬度高，塑韧性差。板条,M,强度高，塑韧性较好,三、影响,C,曲线的因素,1,）含碳量,(,奥氏体的含碳量,),共析碳钢最靠右，其过冷奥氏体最稳定；亚共析碳钢随着含碳量的增加而右移；过共析钢随含碳量的增加而左移。,2,）合金元素,除,Co,外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使,C,曲线右移，形状也可能会发生改变。,3,）加热温度和保温时间,随温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大，晶界减少（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使,C,曲线右移。,四、过冷奥氏体的连续冷却转变,P,s,AP,开始线,P,f,AP,终止线,K P,型转变终止线,Vk,上临界冷却速度,M,S,A M,开始温度,M,f,A M,终止温度,连续冷却转变的特点：,1,、,K,线是珠光体型转变的中途停止线，即碰到,K,线的时候，过冷奥氏体就不再发生珠光体转变，而是一直保持到,Ms,点下，直接变成马氏体。,2,、连续冷却曲线没有下半部分，说明共析钢在连续冷却转变的时候，没有贝氏体型的转变。,3,、与过冷奥氏体连续冷却转变曲线鼻尖相切的冷却速度，是保证奥氏体在连续冷却转变中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度，称为临界冷却速度。,目前的生产技术，使得连续冷却转变曲线较难被测出，所以常用,C,曲线定性地近似地来分析连续冷却转变。,V1,相当于随炉冷却的速度，根据它和曲线相交的可以估计出奥氏体将转变为珠光体；,V2,、,V3,相当于在空气中冷却的速度，根据它和曲线相交的可以估计出，它将转变为索氏体；,V4,相当于在油中淬火时的冷却速度，将有一部分奥氏体先转变为屈氏体，剩余的奥氏体冷却到,Ms,点以下变成马氏体；,V5,相当于在水中淬火时的冷却速度，它不与,C,曲线相交，直接转变为马氏体。,在生产中常把热处理分为预先热处理和最终热处理。,为了消除前道工序所造成的缺陷，或为了后续的切削加工和最终热处理做好准备的热处理，称为预先热处理；,为使工件满足使用条件下的性能要求的热处理，称为最终热处理。,第四节 钢的退火与正火,一、退火和正火的目的,降低或提高硬度，便于进行切削加工。,消除残余应力。,细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能。,为最终热处理作好组织准备。,二、退火工艺及其应用,1,、完全退火和等温退火,（,1,）,将亚共析钢加热到,Ac3,以上,30-50,，保温一段时间，随炉冷却到,600,以下，再出炉空冷，得到铁素体和珠光体。,其目的是细化晶粒、消除内应力、降低硬度、提高塑性，为随后的切削加工和淬火做好组织准备。,（,2,）在对应于,C,曲线上的珠光体形成温度使奥氏体等温转变，可以大大缩短退火时间。,2,、球化退火,把过共析钢加热到,Ac1,以上,20-30,，在保温过程中是片状渗碳体变成细小的点状渗碳体。,3,、去应力退火（低温退火）,用于消除残余内应力,4,、扩散退火（用于合金钢铸锭和铸件）,用于消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化，又称为均匀化退火。,退火：将钢加热到预定温度，保温一段时间后缓慢冷却（通常是随炉冷却），获得接近平衡组织的热处理工艺。,加热、保温后，缓冷,(,炉冷,),近平衡组织,P,（,+F,或,Fe,3,C,球,）,完全退火（亚共析钢）,加热温度,Ac,3,+30,50,缓冷,F+P,目的：细化晶粒，均匀化组织，降低硬度 切削性,等温退火（亚共析钢）,等温转变,F+P,，再缓冷,球化退火（共析、过共析钢）,在,Ac,+20,40,保温，使,Fe,3,C,球化，再缓冷 球状,P,（,F+,球状,F,3,C,）,目的：硬度,切削性,韧性,扩散退火,加热至略低于固相线,目的：使成分、组织均匀,再结晶退火,加热温度,T,再,+100,200,目的：消除加工硬化,去应力退火,加热温度,Ac,1,，一般为,500,650,目的：消除冷热加工后的内应力,三、正火工艺及其应用,应用：,1),钢的最终热处理,细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中,P%,（,S%,）,强度、韧性、硬度,2),预先热处理,淬火、球化退火前改善组织。,3),增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度,Ac,3,(Accm),+30,50,，,空冷,S,过共析钢正火加热温度必须高于,Accm,。其目的是消除网状渗碳体。,加热、保温后，空冷,S,（,+F,或,Fe,3,C,粒,）,第五节 钢的淬火,将钢加热到临界点之上，保温一段时间，再以大于临界冷却速度进行快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺。,一、淬火的目的,获得马氏体组织，和回火配合使用。,二、淬火的一般工艺,1.,淬火温度的选择：由其化学成分决定,亚共析钢：,Ac3,线上,30-50,共析钢和过共析钢：,A1,线上,30-50,对于过共析钢，加热温度过高反倒是有害的，温度过高会使得残余奥氏体增多、奥氏体晶粒粗大、增加淬火应力。,2.,保温时间的确定：由经验公式推算,3.,淬火冷却介质,关键要求在,C,曲线的鼻尖处快速冷却。,理想的淬火冷却速度：,在冷却速度大于临界冷却速度时才能获得要求的马氏体组织。,并不要求全程都快速冷却，,关键要求在,C,曲线的鼻尖处（,650-550,）快速冷却，,而在稍低于,A1,点和稍高于,Ms,点处，为减少热应力，其冷却速度应该缓慢。特别在,Ms,点以下冷却速度更应该缓慢。,3.,淬火冷却介质,2,、常用的冷却介质：,（,1,）水：冷却特性很不理想，但是应用最广；,（,2,）盐或碱的水溶液：其冷却能力大约为水的十倍；对工件有锈蚀作用；,（,3,）油：在高低温区冷却速度都小于水，水玻璃,-,碱（或盐）水溶液、过饱和硝盐水溶液等等，在高温区冷却速度大，在低温区冷却速度低。,三、常用的淬火方法,1.,单液淬火（,a,）,2.,双液淬火（,b,）,碳钢先水淬后油淬，合金钢先油淬后空冷。,3.,分级淬火c,）,在,Ms,点附近保温，消除内应力。,4.,等温淬火（,d,）,5.,局部淬火,四、淬火缺陷及防止方法,1,、氧化与脱碳：,2,、变形与开裂：,热应力使工件趋向球形，组织应力使尖角趋向突出。,淬火引起的变形,组织应力,热应力,五、钢的淬透性,1.,淬透性与淬硬性,钢的淬透性：,钢在淬火时能够获得马氏体的能力。,淬透层深度：,从工件表面到半,M,体层的深度。,钢的淬硬性,：,钢在淬火后所能达到的最高硬度。取决于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性越好。,注意：,淬透性好的钢其淬硬性不一定高。,2,、影响淬透性的因素,1,）含碳量,亚共析钢，含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，曲线右移，淬透性提高,过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，曲线左移，淬透性降低,(,未溶渗碳体促进奥氏体分解,),2,）合金元素,除,Co,外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使曲线右移，形状也可能会发生改变，使淬透性提高,3,）加热温度和保温时间,随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过冷奥氏体的稳定性，使曲线右移，提高了钢的淬透性,4,）钢中未溶第二相,未溶第二相越多，作为结晶核心，使,A,体不稳定，,C,曲线左移，淬透性下降,3.,淬透性的测定,4,、淬透性与机械性能的关系：,淬透性好的钢，其机械性能沿截面是均匀分布的，淬透性差的钢，其机械性能沿截面是不均匀的，愈靠近心部机械性能愈低，特别是韧性。但是在选材时不能一味地挑选淬透性好的材料，而要根据具体的受力情况决定。,第六节 钢的回火,1,概念,将淬火后的钢加热到,A1,以下某一温度，保温后冷却下来的一种热处理工艺。,2.,目的,（,1,）稳定工件组织、性能和尺寸。,（,2,）减小或消除残余应力，防止工件的塑性变形和开裂。,（,3,）调整工件的强度、硬度，提高韧性，以满足不同工件的性能要求。,3,淬火钢在回火时的组织转变,（,1,）马氏体分解,(100,200),这一阶段转变完成后,钢的组织由有一定过饱和程度的,固溶体和与其有共格关系的,碳化物所组成，这种组织称为,回火马氏体（,M,回,）,。马氏体转变为回火马氏体。,硬度并不降低，但是淬火内应力有所减小。,（,2,）残余奥氏体转变,(200,300),（,3,）马氏体分解完成和碳化物的转变,（,300,400,）,钢中的残余奥氏体也发生分解，转变为回火马氏体或下贝氏体。,这一阶段转变完成后,钢的组织由针状,F,体和极细小粒状的渗碳体组成，这种组织称为,回火屈氏体（,T,回,）,。,（,4,）,F,体的回复、再结晶和碳化物的聚集,长大 （,400,）,这一阶段转变完成后,钢的组织由等轴的,F,体和细小的粒状渗碳体组成，称为,回火索氏体（,S,回,）。,回火 索氏体,回火屈氏体,回火马氏体,4,、淬火钢在回火时的性能变化,40,钢的冲击韧度与回火温度的关系,5,回火种类、组织、性能及应用,（,1,）低温回火,(150,250),组织：,M,回,性能特点：,部分降低了钢中残余应力和脆性，,而保持钢在淬火后所得到的高强度、硬度和耐,磨性，,58,65HRC,应用：,要求硬度高耐磨性好的工具、量具、滚,动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。,（,2,）中温回火,(350,500),组织：,T,回,性能特点：,内应力基本消除，具有高的弹性极限和一定的韧性。,应用：,要求弹性极好的弹簧零件、发条及热锻模具，,35,45HRC,（,3,）高温回火,(500,650),调质处理：,淬火与高温回火相结合的工艺,组织S,回,性能特点：,内应力基本消除，强度和硬度降,低，塑性和韧性提高，具有较高的综合力学,性能，,25,35HRC,应用：,要求综合力学性能好的中碳结构钢和,低合金结构钢制造的各种重要的结构零件，,特别是在多种载荷下工作的连杆、螺栓以及,轴类等。,6.,回火脆性,概念：,淬火钢在某些温度范围内回火时脆性显,著增大的现象,高温回火脆性：,450,650,，第二类，可逆,低温回火脆性：,250,400,，第一类，不可逆,例题,1,共析钢加热到相变点以上，用图示的冷却曲线冷却，,各应得到什么组织？各属于何种热处理方法？,例题,2,T12,钢加热到,Ac,1,以上，用图示的各种方法,冷却，分析其所得到的组织。,第七节 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。（只改变表层组织而不改变化学成分）,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。,1,、表面淬火用材料,0.4-0.5%C,的中碳钢。,铸铁,提高其表面耐磨性。,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。,3,、最终热处理,采用表面淬火低温回火，温度不高于,200,。,回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。,4,、组织,表层组织为,M,回,；心部组织为,S,回,(,调质,),或,F+S(,正火,),。,一、火焰加热表面淬火,加热源：氧乙炔或氧煤气的混合气体,特 点：,操作简单，无需特殊设备,淬硬层一般为,2-6mm,淬火质量不易稳定,适于单件或小批量生产,二、感应加热表面淬火,高频淬火,工艺,水或聚乙烯醇水溶液冷却（油易燃）；,160-200,低温回火，提高韧性，降低淬火残余应力。,自身回火淬火法,利用电流的表面效应来实现的。,高频淬火优缺点：加热速度快；加热时间短，组织细小而均匀有一定的残余压应力，提高疲劳极限；工件表面不易氧化和脱碳；生产效率高。,设备昂贵、维修调试困难，形状复杂的工件的感应器不易制造。,第八节 钢的化学热处理,将钢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它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理的基本过程,:,分解吸收扩散,化学热处理的作用：,1,、强化表面，提高工件的某些机械性能；,2,、保护工件表面，提高物理化学性能；,化学热处理的种类：,1,、扩散元素是非金属元素，能与铁形成间隙固溶体，增加表面硬度和耐磨性；,2,、扩散元素是金属元素，能与铁形成置换固溶体，改善物理化学性能。,一、钢的渗碳,渗碳通常是指向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的含碳量。其目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳钢良好的塑性、韧性。,渗碳用钢：合金渗碳钢含碳量,0.15,0.25,之间。,例,15,、,20,、,20Cr,、,20CrMnTi,、,20SiMnVB,等,1,渗碳方法,（,1,）固体渗碳,依所用渗碳剂的不同，钢的渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。,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。,（,2,）气体渗碳,工艺方法：将工件放入密封的加热炉中，加热到临界温度以上（通常为,900930,）按一定流量滴入液体渗碳剂（如煤油、苯、甲醇、丙酮等），有机液体在,高温下，通过下列反应：,CH,4,C+2H,2,2CO C+CO,2,CO+H,2,C+H,2,O,从而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向钢的内部扩散而进行渗碳。,优点,:,质量好,效率高；,缺点,:,渗层成分与深度不易控制。,2.,气体渗碳,工艺操作,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。,3,渗碳后的成分、组织和厚度,渗碳缓冷后组织如图所示。即由工件表面到心部依次为：过共析组织（,Fe3C,+P,）共析组织（,P,）亚共析组织（,P+F,）的过渡层心部原始组织（,F+P,少量,）。表面,28HRC,4,渗碳后的热处理,1,）直接淬火法,:,即渗碳后预冷到略高于,Ar,1,温度直接淬火。,淬火,+150,200,低温回火，表面硬度,58,62HRC,图,3-43,直接淬火工艺示意图,180-200,渗碳,900-930,回火,温度,/,时间,淬火,A,1,2,）一次淬火法：,即渗碳缓冷后重新加热淬火。,3,）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。,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。,渗碳淬火低温回火后的组织：,表层组织：,M回,粒状碳化物少量,A,R,硬度为,58,62HRC,心部组织,：,低碳钢,P,类,+F,硬度为,10,15HRC,低碳合金钢 低碳,M,回,F,硬度为,35,45HRC,具有较高强度和足够高的韧性,一般渗碳件的加工工艺路线为：,锻造正火机加工渗碳淬火低温回火精磨,二、钢的渗氮,1.,气体,渗氮,氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，,提高疲劳强度和抗蚀性。,渗氮在钢的临界温度以下进行，加热温度为,550,2NH,3,（氨）,3H,2,+2N,渗入钢中,氮化零件的工艺路线如下：,锻造退火粗加工调质精加工除应力粗磨氮化精磨或研磨,氮化温度低，一般为,500,600,。工件变形小。,氮化具有很高的硬度（,1000HV,1100HV,），在,600,650,下保持不下降，所以具有很高的耐磨性和热强性。耐蚀性好。,疲劳强度大大提高。,氮化工艺复杂，时间长,(20,50,小时,),，成本高。,用于耐磨性和精度都要求较高的零件，或要求抗热、抗蚀的耐磨件，,例如发动机汽缸、排气阀、精密机床丝杠、镗床主轴、气轮机阀门、阀杆等。,值得注意的是,:N,2,在普通渗氮温度下不能分解出活性氮原子，因此不能作为渗碳的渗剂。,工艺特点,：,应用：,氮碳共渗，以渗氮为主，因渗层硬度提高不多，故称为软氮化。,氮碳共渗温度为,520,580,。尿素在,500,以上发生热分解：,（,NH,2,）,2,COCO+2H,2,+2N,2CO=CO,2,+2C,2.,软氮化（氰化）,工艺特点：,时间短，通常只需,1,2,小时。,不需专用的渗氮钢。,渗层的脆性较小，不易发生剥落。,3.,离子氮化,利用稀薄空气的辉光放电现象进行，氮化速度快，无污染。,4,、碳氮共渗,碳氮共渗，以渗碳为主。共渗温度为,820,860,。,工艺过程：碳氮共渗 淬火 低温回火,20CrMnTi,钢的汽车变速箱齿轮热处理工艺曲线,表面：高碳回火马氏体,+,残余奥氏体,+,碳化物,中心：铁素体,+,索氏体,+,低碳回火马氏体,磨齿,正火工艺,渗碳工艺,第八节 表面处理新技术,一、热喷涂技术,将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为热喷涂。利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。,热喷涂方法,火焰喷涂,电弧喷涂,等离子喷涂,热喷涂的特点及应用,工艺灵活：热喷涂的对象小到,10mm,的内孔,大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂,基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合金及塑料、陶瓷等,涂层可控,:,从几十,m,到几,mm,生产效率高,工件变形小：基体材料温度不超过,250(,冷工艺,),二、气相沉积技术,气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。,根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术可分为,物理气相沉积,(PVD),和化学气相沉积,(CVD),两大类。,1,、物理气相沉积（,PVD,）,物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，使材料汽化成原子、分子或电离成离子，并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄膜的技术。,物理沉积技术主要包括,真空蒸镀、溅射镀、离子镀,三种基本方法。,真空蒸镀,是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。,溅射镀,是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。,离子镀,是在真空下利用气体放电技术，将蒸发的原子部分电离成离子，与同时产生的大量高能中性粒子一起沉积到工件表面成膜的方法。,物理气相沉积具有适用的基体材料和膜层材料广泛；工艺简单、省材料、无污染；获得的膜层膜基附着力强、膜层厚度均匀、致密、针孔少等优点。,广泛用于机械、航空航天、电子、光学和轻工业等,离子镀产品,领域制备耐磨、耐蚀、耐热、导电、绝缘、光学、磁性、压电、滑润、超导等薄膜。,2,、化学气相沉积,(CVD),化学气相沉积是指在一定温度下，混合气体与基体表面相互作用而在基体表面形成金属或化合物薄膜的方法。,例如，气态的,TiCl4,与,N2,和,H2,在受热钢的表面反应生成,TiN,，并沉积在钢的表面形成耐磨抗蚀的沉积层。,化学气相沉积膜层具有良好的耐磨性、耐蚀性、耐热性及电学、光学等特殊性能，已被广泛用于机械制造、航空航天、交通运输、煤化工等工业领域。,三、三束表面改性技术,三束表面改性技术是指将激光束、电子束和离子束,(,合称,“,三束,”,),等具有高能量密度的能源,(,一般大于,10,3,W/cm,2,),施加到材料表面，使之发生物理、化学变化，以获得特殊表面性能的技术。,由于这些束流具有极高的能量密度，可对材料表面进行快速加热和快速冷却，使表层的结构和成分发生大幅度改变（如形成微晶、纳米晶、非晶、亚稳成分固溶体和化合物等），从而获得所需要的特殊性能。,束流技术还具有能量利用率高、工件变形小、生产效率高等特点。,1,、激光束表面改性技术,激光束能量密度高,(10,6,W/cm,2,),，可在短时间内将工件表面快速加热或融化,而心部温度基本不变,;,当激光辐射停止后，由于散热速度快，又会产生,“,自激冷,”,。,激光表面改性技术主要应用于以下几方面,:,激光表面淬火（激光相变硬化）,激光表面合金化,电子束表面改性技术是以在电场中高速移动的电子作为载能体,电子束的能量密度最高可达,10,9,W/cm,2,。,除所使用的热源不同外，电子束表面改性技术与激光束表面改性技术的原理和工艺基本类似。,凡激光束可进行的处理，电子束也都可进行。,2,、电子束表面改性技术,3,、离子注入表面改性技术,离子注入是指在真空下，将注入元素离子在几万至几十万电子伏特电场作用下高速注入材料表面，使材料表面层的物理、化学和机械性能发生变化的方法。,通过离子注入可提高材料的耐磨性、耐蚀性、抗疲劳性、抗氧化性及电、光等特性。,目前离子注入在微电子技术、生物工程、宇航及医疗等高技术领域获得了比较广泛的应用，尤其在工具和模具制造工业的应用效果突出。,四、其他的表面处理方法,表面处理的目的,1,、表面处理：,（,1,）铝及铝合金的电化学氧化,（,2,）铝及铝合金的化学氧化,（,3,）钢铁的氧化和磷化处理,（,4,）铜及铜合金的化学氧化,2,、金属材料的表面装饰,3,、表面精整加工,4,、层压塑料薄膜,5,、热浸镀层,练习,分析,45,钢得到下列组织的热处理工艺,1,、,粗片状珠光体,+,铁素体；,2,、,细片状珠光体,+,少量铁素体；,3,、细小的球状索氏体；,4,、表面是回火马氏体，心部是回火索氏体,