钢的加热退火与正火.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,1,金属加热的物理过程,8.1,钢的加热,三种传热方式,传导,辐射,对流,依靠液态或气态加热介质的分子相对运动形成的热量传输,(600-700,以下,),通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现象,(,700,，无需介质,),加热介质与加热工件表面接触时，或受热工件表面与心部之间、受热部位与未受热部分之间发生的热量传输,2,金属加热,直接加热,间接加热,热源,电阻,电磁波,低能粒子,热源,介质,真空,固体,液体,气体,加热方式与加热介质,3,加热缓慢,抑制氧化,表面净化,脱气作用,蒸发现象,真空加热,截面温差小，应力、变形小；,充入惰性气体强制循环；预热升温,4,加热目的与要求,热处理的第一道工序一般都是把钢加热到临界点以上，目的是为了得到奥氏体组织。,加热的质量指标,奥氏体的碳浓度和合金浓度,变形开裂的程度,表面氧化、脱碳或增碳的程度,第二相的数量、大小和分布,奥氏体成分的均匀性,奥氏体的晶粒度,5,不同钢种、不同工件、不同的热处理工艺，对上述指标的要求是不同的。,淬火加热要求,例,1,：,成分尽可能均匀,晶粒尽可能细小,不允许表面氧化、脱碳或增碳,要严防变形，不允许开裂,奥氏体的碳浓度要适当；,合金浓度尽可能高,6,球化退火加热要求,例,2,：,成分不能太均匀，要保留大量的未溶的碳化物质点，并弥散分布在奥氏体中,晶粒不粗大,奥氏体的碳浓度和合金浓度要低,7,确定热处理加热规范的一般原则,加热的基本工艺参数,加热温度,加热速度,加热时间,正火：亚共析,A,C3,30,50,过共析,A,Ccm,30,50,退火：亚共析,A,C3,20,40,过共析,A,C1,20,30,淬火：亚共析,A,C3,30,50,过共析,A,C1,30,50,8,一般不限制加热速度,;,对合金含量高、大型铸、锻件有特别规定,.,实际生产中，还要考虑加热方式、热处理类型、钢的具体成分等因素的影响，对加热温度作必要调整,.,加热的基本工艺参数,加热温度,加热速度,加热时间,9,加热的基本工艺参数,加热温度加热速度,加热时间,升,透,保,工件加热到要求温度,(,实为零件表面温度,),所需要的时间,取决于热处理的工艺要求，如消除内应力、均匀化、溶解难溶碳化物等等,工件表面与心部都达到要求温度所需时间,10,厚件,的加热时间：可用传热学、有效元分析等进行估算；,薄件,的加热时间：主要靠经验数据，即用经验公式估算，这些数据在生产实践中已经被证明是可靠的。但又不是绝对的，需要依据具体情况进行调整。具体加热时间数据在讲到具体工艺时再做详细介绍。,薄件：,T,炉,400,，,d,300mm,T,炉,800,，,d,200mm,T,炉,1000,，,d,100mm,工件有厚件和薄件之分：,11,钢铁在加热时的缺陷及防止,对这些缺陷的检验和评级，可参见相关的国家标准和部颁标准。,造成这些缺陷的原因是多方面的，可能是设备、工艺、或操作不当等原因。,因此，在实际生产中应具体问题具体分析，以找出切实可行的解决办法。,常见的加热缺陷,氧化,脱碳,欠热,过热,过烧,12,在氧化性气氛（如空气、,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,等）中加热时，铁原子和合金原子会被氧化。,研究表明，钢在,560,以下加热时，表面氧化膜由两层构成：,Fe,2,O,3,|,Fe,3,O,4,|,基体,由于这种氧化膜结构致密，且与基体结合牢固，可使钢表面与氧化性气氛隔离，阻止钢表进一步氧化，此时可以不考虑防止氧化的问题。,氧化,内氧化,表面氧化,影响工件尺寸,影响工件性能,氧化,13,在,560,以上加热时，表面氧化膜结构发生了变化，此时的氧化膜由三层构成：,Fe,2,O,3,|,Fe,3,O,4,|,FeO,|,基体,。其厚度比为,1,10,100,，实际上主要由,FeO,组成。,FeO,是缺位固溶体，结构疏松，与基体结合不牢，易剥落，所以这种氧化膜不起防护作用，氧很容易穿过氧化膜向里氧化。,因而钢铁表面一旦生成,FeO,，就会使氧化速度大大增加，且温度越高，氧化越厉害。,14,在,800,950,下较长时间加热时，在介质中的,O,2,和,CO,2,除了进行表面氧化之外，还沿着奥氏体晶界向里扩散，从而发生钢的内氧化当钢中含有,Cr,、,Si,、,Ti,、,Al,等合金元素时，它们与氧的结合能力远远大于铁，因此优先被氧化，沿奥氏体晶界生成氧化物，使晶界附近合金浓度降低，奥氏体稳定性变小，淬火时便会沿晶界形成屈氏体。,加热介质中，,O,2,、,CO,2,和,H,2,O,等都会使钢氧化。,15,氧化对性能的影响,降低表面光洁度,烧损加大，零件尺寸变小,出现淬火软点,氧化的防止办法,可控气氛加热,盐浴加热,清除工件表面的水渍和锈斑,高温短时快速加热,真空加热,16,钢在脱碳性气氛中加热时，其表面层中的固溶碳与气氛中的,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,和,H,2,等发生化学反应，生成气体逸出钢外，导致脱碳：,脱碳最严重时，可使表面变成铁素体，淬火后硬度降低，疲劳强度下降。,脱碳,17,组织结构,全脱碳层：全部,晶粒,半脱碳层：表面,C%,平均,C%,对性能的影响,机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）,脱碳层具有残余拉应力，易出现淬火裂纹,表面脱碳后，内层的碳便向表面扩散，这样就使脱碳层逐渐加深。加热时间越长，脱碳层越深。,脱碳实质上也是氧化过程，当炉温在,700,850,下存在大量脱碳气氛时容易发生。因此，防氧化的措施同样适用于防止脱碳。,18,欠热,由于加热温度过低或加热时间过短，造成奥氏体化不完全的缺陷，称为欠热，也叫加热不足。,欠热,亚共析钢,淬火,过共析钢,淬火,正火,球化,退火,组织中会残存粗大的片状,P,组织中残存部分,F,碳浓度不够导致硬度不足，合金浓度不够导致淬硬层不深,不能完全消除网状组织或带状组织,19,造成欠热的原因,工艺不合理,操作不当,测温仪表指示偏高,过热,钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，导致钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。,后果是：塑性、韧性、强度降低；,变形加大；,还可能导致热处理裂纹、使工件报废。,补救措施：过热的工件一般可再在较低温度加热，重新使奥氏体晶粒细化。,20,造成过热的原因,操作不当,工艺不合理,测温不准或者控温失灵,过烧,是加热温度太高,而达到固相线温度,，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。,后果是：处理的工件很脆如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废。,造成原因：主要是设备失灵，或者操作不当；火焰炉加热时局部温度过高也会造成过烧。,21,8.2,钢的退火,将金属加热到一定温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。,降低硬度，提高塑性；,细化晶粒，消除组织缺陷；,消除内应力；,为淬火作好组织准备。,退火应用非常广泛：在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削,(,粗,),加工之前，用以消除前一道工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。,退火的目的,22,退火,重结晶退火,再结晶退火,去应力退火,退火过程中有相变发生,无相变但有再结晶过程,扩散退火,完全退火,不完全退火,球化退火,等温退火,只有回复过程,再结晶退火,去氢退火,去应力退火,23,扩散退火,(,均匀化退火,),概念：,把合金钢铸锭或铸件加热到,A,c3,150,300(,一般碳钢,1100,1200,，合金钢,1150,1250),，保温十几几十,h(,一般以,25mm,截面厚度,1h,计算,),后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。,目的：,消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。,24,适用范围：,主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件,注意事项：,高温扩散退火生产周期长，能量消耗大，工件氧化、脱碳严重，成本很高；,尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒、消除铸造应力；,由于加热温度高、时间长，会引起,A,晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。,25,概念：,将亚共析钢,(0.3,0.6,C),加热到,A,c3,+(30,50),，完全,A,化后保温缓冷,(,随炉、埋入砂、石灰中,),，以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。,完全退火,目的：,细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。,26,完全退火采用随炉缓冷，可以保证先共析,F,的析出和过冷,A,在,A,r1,以下较大温度范围内转变为,P,。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至,600,左右即可出炉空冷。,保温时间,：不仅要使工件烧透，而且要保证全部奥氏体均匀化，达到完全重结晶。,保温时间,：与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关，一般以,25mm,截面厚度,1h,计算。,工艺,适用范围,中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等,27,低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火；,注意事项,完全退火消除粗大晶粒及魏氏组织过程示意图,完全退火后硬度偏低，不利于切削加工,加热至,Accm,以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。,28,对于亚共析钢，原始组织细小时，可用不完全退火代替完全退火，消除内应力。,不完全退火,将钢不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺,工艺：,亚共析：,A,C1,A,C3,过共析：,A,C1,A,Ccm,用途：,主要用于过共析钢，改善珠光体组织，降低硬度，消除内应力；,29,低温球化：,A,C1,10,30,几十一百小时,缓冷球化：,A,C1,10,20,等温球化：,A,C1,10,20,A,r1,20,30,炉冷至,500,600,空冷,球化退火,使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺,工艺：,片,P,在退火时向粒,P,转变过程示意图,30,适用范围：,主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等,降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。,目的：,31,过共析钢中存在网状二次渗碳体,硬度高，难以切削加工,增大钢的脆性,容易产生淬火变形及开裂,32,冷却速度和等温温度影响碳化物球化效果,冷却速度过快或等温温度太低,形成碳化物颗粒太细，聚集作用小，易形成片状碳化物，从而使硬度偏高。,形成碳化物颗粒较粗大，聚集作用强烈，易形成粗细不等的粒状碳化物，使硬度偏低。,冷却速度过慢或等温温度过高,33,定义：工件加热到高于,A,C3,(A,C1,),温度，保温适当时间，较快冷却到珠光体转变某一温度保持，转变为珠光体型组织的退火工艺,工艺：,亚共析：,A,C3,过共析：,A,C1,A,ccm,等温温度：,A,r1,30,40,用途：,目的同于完全、不完全退火,优点在于工艺周期短，截面组织比较均匀,适合于大件及合金钢的退火,等温退火,34,工艺,温度选择在氢溶解度小、扩散系数大的区域（,C,曲线鼻尖处）,去氢退火,T,氢的扩散系数,溶解度,在奥氏体等温分解过程中长期保温，以使钢中固溶氢脱溶的退火工艺,应用,一般用于大截面锻、轧件，利用余热在,A,1,以下较高温度长时间保温,35,工艺：,T,K,150,250,；,钢：,600,700,；,铝合金：,350,400,再结晶退火,经冷变形后金属，加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除加工硬化和残余应力的退火工艺,36,钢和焊接件：,500,600,；,铸铁：,500,550,，超过,550,易造成,P,石墨化,去应力退火,为去除塑性变形加工、焊接等造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。,工艺：,将工件缓慢加热到,A,c1,以下,100,200,保温一定时间,(1,3h),后，随炉缓冷至,200,，再出炉冷却。,37,消除铸、锻、焊件、冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。,去应力退火后应注意缓冷，防止产生附加应力，对于大截面零件尤为重要,注意事项：,适用范围和目的：,38,名称,目的,工艺制度,组织,应用,完全,退火,细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性,加热到,A,C3,20,50,，炉冷至,550,左右空冷,F,P,亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件,球化,退火,降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备,加热到,A,C1,20,40,，然后缓冷,片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状,共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等,扩散,退火,改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化,加热到,T,m,-100,200,，先缓冷，后空冷,粗大组织（组织严重过烧）,合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件,再结晶,退火,消除加工硬化，提高塑性,加热到再结晶温度，再空冷,变形晶粒变成细小的等轴晶,冷变形加工的制品,去应力,退火,消除残余应力，提高尺寸稳定性,加热到,500,650,缓冷至,200,空冷,无变化,铸、锻、焊、冷压件及机加工件,常用退火工艺制度小结,39,8.3,钢的正火,共析钢,S,、亚共析钢,F+S,、过共析钢,Fe,3,C,S,概念,将钢件加热到,A,c3,(,或,A,ccm,),以上,30,50,，保温适当时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。,目的,细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。,组织,40,保温时间：和完全退火相同，应以工件透烧为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。,冷却方式：最常用的是空冷；对于大件也可采用吹风、喷雾、调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度。,正火工艺,加热温度：在,A,c3,(,或,A,ccm,),以上,30,50,，,含,V,、,Ti,、,Nb,强碳化物元素的钢：,100,150,。,41,中碳结构钢的铸、锻、轧件以及焊接件，在加热加工后易出现晶粒粗大等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。,应用范围,调整硬度、改善钢的切削加工性能,碳的含量低于,0.25,的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，使硬度提高，从而改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。,细化晶粒、均匀组织、消除热加工缺陷,42,一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件，采用正火处理达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。,消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火,过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果，需要先通过正火处理消除网状碳化物，然后再进行球化退火。,提高普通结构零件的机械性能,43,正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大，发生的是伪共析转变；,正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。,8.4,退火和正火的选择,从实质上来看，正火是退火的一种特殊形式。,退火：是将工件加热到适当温度，保持一定时间后缓慢冷却的热处理工艺。,正火：是将钢件加热到适当温度，保温适当时间后在静止空气中冷却的热处理工艺。,退火与正火的主要区别,44,正火的冷却速度比退火稍快，,较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；,用正火可以提高钢的硬度，改善低碳钢的切削加工性能；,在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。,退火与正火的选择,含碳量,0.25,的低碳钢，常采用正火代替退火,45,虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高,含碳量在,0.25,0.5,之间的中碳钢也可用正火代替退火,因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。,含碳量在,0.5,0.75,之间的钢一般采用完全退火,46,47,含碳量,0.75,的高碳钢或工具钢，一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除。,正火只适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适应于高合金钢,对于某些不太重要的工件，可在正火状态使用，因为正火得到的索氏体组织具有较好的机械性能。,在满足性能的前提下，尽可能用正火代替退火（经济性角度考虑）。,48,井式炉,井式炉示意图,49,氮化炉,渗碳炉,箱式炉,