钢的热处理课件.ppt

第3章 钢的热处理,一、概述,二、钢在加热时的组织,三、钢在冷却时的组织,四、钢的退火与正火,五、钢的淬火,六、钢的回火,七、钢的表面热处理,八、热处理工艺的应用,热处理的概念 将固态金属采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织与性能的工艺。,热处理的目的（1）提高钢的力学性能；（2）改善钢的工艺性能。,热处理的理论依据：铁碳合金相图,概述,热处理分类,整体热处理：退火、正火、淬火、回火,表面热处理,表面淬火,化学热处理,感应加热,火焰加热,电接触加热,激光加热,渗碳,渗氮,碳氮共渗,渗金属等,热处理工艺曲线,热处理的基本过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，其工艺过程用温度-时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线。,一、钢在加热时的组织转变,1.加热、冷却的临界点,钢在加热和冷却时的相变点,热处理时将钢加热到一定温度，使其组织全部或部分转变为奥氏体的过程称为奥氏体化。下面以共析钢为例说明钢的奥氏体化过程。,2.奥氏体的形成过程,共析钢奥氏体的形成过程示意图,3.奥氏体晶粒的长大及其控制,晶粒度是晶粒大小的尺度。一般认为，1-4级为粗晶粒度，5-8级为细晶粒度，8级以上为超细晶粒度。,奥氏体晶粒度,起始晶粒度实际晶粒度本质晶粒度,为避免加热时奥氏体晶粒的粗化，必须制订合理的热处理工艺规范，严格控制加热温度、保温时间、加热速度和原始组织。,奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。,奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响,奥氏体晶粒大小的控制,二、钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体：高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变而处于不稳定状态的奥氏体。,冷却方式,1.共析钢奥氏体等温转变曲线的建立,2.共析钢过冷奥氏体等温转变的产物,高温转变产物Fe、C的扩散性相变（727550）,珠光体P,索氏体S,托氏体T，又称屈氏体,Fe、C的扩散性相变,中温转变产物半扩散相变(550230),550350形成上贝氏体，组织为过饱和片状F渗碳体，呈羽毛状，性脆无实用价值。350230形成下贝氏体，组织为过饱和针状F弥散碳化物，呈黑色针状，综合性能好。,上贝氏体B上,下贝氏体B下,低温转变产物非扩散相变（Ms点以下）,马氏体M就是碳在-Fe中的过饱和固溶体，其组织形态有两种：板条状M：含C低，硬度、强度较高，且塑性、韧性也较好；针片状M：含C高，硬而脆。钢中含碳量越高，淬火组织中针片状M就越多，板条状M就越少。,板条状,针片状,3.亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线,亚共析钢,过共析钢,4.奥氏体等温转变曲线的应用,用等温转变曲线作为依据来分析连续冷却转变过程，估计连续冷却时转变产物。,Vk临界冷却速度：转变为马氏体和少量残余奥氏体的最小冷却速度，其大小与C曲线位置有关。,影响C曲线的主要因素是奥氏体的成分和奥氏体化条件。含碳量的影响 共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C曲线左移。合金元素的影响 除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移。奥氏体化条件的影响 奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。,作业：1、什么叫钢的热处理？2、热处理工艺一般分为哪两类，各自包括那些内容？3、分别写出钢在平衡条件下的固态相变点、加热时实际的相变点、冷却时实际的相变点。4、写出过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。5、什么叫马氏体？其组织形态分为哪两类，各自的力学性能如何？6、解释：临界冷却速度vk,将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。,三、整体热处理,概念,1.退火,降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理做准备。消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。,目的,根据钢的成分和退火目的不同，可分为完全退火、球化退火、再结晶退火、低温退火和扩散退火等。,方法,应用：主要用于亚共析成分的碳钢及合金钢的锻件、铸件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件。,目的：细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力。,组织：铁素体+珠光体,加热温度：Ac3以上3050,完全退火,应用：主要用于共析碳钢、过共析碳钢和合金工具钢。,目的：消除应力，使钢的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性，并为以后的热处理工序作好组织准备。,组织：球化珠光体（球粒状渗碳体+铁素体）。,加热温度：Ac1以上2030,球化退火,应用：主要用于经冷塑性加工，如冷轧、冷冲、冷拔而发生加工硬化的钢件。,目的：消除加工硬化，恢复塑性。,加热温度：再结晶温度以上（一般为650700,再结晶退火,目的：消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力。,加热温度：Ac1以下某一温度（一般为500650）,去应力退火,应用：主要用于质量要求高的合金钢铸锭和铸件。均匀化退火后，钢件晶粒粗大，应进行完全退火或正火。,目的：消除钢中化学成分偏析和组织不均匀的现象。,工艺方法：将工件加热到高温（10501150），并长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺。,均匀化退火,应用：作为对力学性能要求不高零件的最终热处理；改善低碳钢的可切削性；作为中碳钢的预备热处理。,目的：细化晶粒，消除过共析钢中的网状渗碳体，提高硬度，改善切削加工性能。,概念：将钢加热到Ac3或Accm以上3050，保温一定时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺方法。,2.正火,正火与退火的区别？,正火和退火的区别,3.正火与退火的选用,从切削加工性考虑,从使用性能上考虑,从经济性上考虑,（2）从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能。但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。,（3）从经济上考虑 正火比退火的生产周期短，耗能少，操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑正火。,（1）从切削加工性上考虑一般金属的硬度在HB170230范围内，切削性能较好。高则过硬，难加工，刀具磨损快；低则切屑不易断，刀具发热和磨损，加工后零件表面粗糙度大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢、工具钢和中碳以上合金钢则以退火为宜。,将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温一定时间，然后以适当速度冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。,概 念,为了获得马氏体或贝氏体组织，再经回火，使钢得到所需要的组织、性能。,目 的,3.淬火,亚共析钢：一般为Ac3以上3050 共析钢、过共析钢：一般为Ac1以上3050,1、淬火工艺,加热温度,淬火的加热时间包括加热升温和保温两部分。加热时间长短与加热介质、加热速度、钢的种类、工件形状和尺寸、装炉方式及装炉量有关。,加热时间,钢淬火后要得到马氏体组织的首要条件是：淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度k。常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次增强。,冷却介质,冷处理,等温淬火法,分级淬火法,双液淬火法,单液淬火法,2淬火方法,淬火方法示意图,3.钢的淬透性与淬硬性,钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。主要受钢中的碳含量和合金元素的影响。钢材淬透性好与差，常用淬硬深度来表示。淬硬深度越大，淬透性越好。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为550HV）处的垂直距离。,钢的淬透性,钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体组织所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。,钢的淬硬性,淬火变形和开裂,硬度不足与软点,由于淬火工艺不当，常会产生下列缺陷,4.常见的淬火缺陷及预防,淬火后及时回火。,采用正确的浸入淬火介质的方式。,采用合理的热处理工艺。,合理地锻造与预先热处理。,合理选择钢材与正确设计零件结构。,为了控制与减小变形，防止开裂，可采用如下措施：,2.淬火钢的回火转变,3.回火的种类及应用,1.回火的概念及其目的,4、钢的回火,将淬火后获得马氏体组织的钢重新加热到AC1以下的某一温度，经保温后缓慢冷却到室温的热处理工艺。是紧接淬火之后的热处理工序。,概念,1.回火的概念及其目的,消除或减少工件中的内应力，降低脆性，防止变形和开裂,调整工件组织，使工件获得所需性能,稳定工件的组织和尺寸，保证精度,目的,2.淬火钢的回火转变,渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶,渗碳体的形成,残余奥氏体的分解,马氏体的分解,3、回火转变的组织与性能,回火马氏体：粒状极细碳化物Fe2.4C+针叶状低过饱和固溶体。高的硬度和耐磨性，而塑性、韧性较差。,回火托氏体：铁素体和细粒状渗碳体的机械混合物。具有高的屈服极限和弹性。,回火索氏体：铁素体和较粗大粒状渗碳体的机械混合物。具有良好的综合力学性能。,高温回火,中温回火,低温回火,4.回火的种类及应用,目的：保持淬火钢的高硬度（一般为5665HRC）和高耐磨性，减少淬火内应力、降低钢的脆性，提高钢的塑性、韧性。,应用：各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳件,低温回火,组织：回火马氏体,温度：150250,应用：各种弹性元件及热锻模等。,目的：获得高的弹性极限和屈服强度、高的屈强比（sb），适当的塑性、韧性和硬度（4050HRC）。,组织：回火托氏体,温度：350500,中温回火,应用：重要的受力结构件，特别是在交变载荷下工作的连杆、连杆螺栓、齿轮、轴类零件等。,目的：获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为2040HRC。,组织：回火索氏体,温度:500650,高温回火,调质处理：淬火高温回火,区别：组织和性能不同。,调质与正火的区别及选用：,45钢经调质和正火后的力学性能比较,对于要求综合性能高的重要结构零件，应采用调质处理。,在满足使用要求的前提下，尽量采用正火处理,调质与正火的选用,作业：1、名词解释：退火、正火、淬火、回火2、写出完全退火、球化退火、去应力退火、均匀化退火各自的加热温度、目的、应用。3、正火的用途。4、什么是冷处理？其目的是什么？5、名词解释：淬透性6、简述回火的分类和应用。,四、钢的表面热处理,1.钢的表面淬火,概念：仅对工件表层进行淬火的工艺。,目的：使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部仍保持原来的组织和性能，具有足够的强度和韧性。,分类：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。,火焰加热表面淬火,原理:应用氧乙炔（或其它可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火。,特点：设备简单,成本低，操作灵活方便；但生产效率低，淬火质量较难控制。适于单件、小批量及大型零件的生产。,火焰淬火方法,感应加热表面淬火,原理:利用感应电流通过工件所产生的集肤效应，使工件表面迅速加热并快速冷却的淬火工艺。,特点：加热速度快，淬火质量好，工件变形小，不易氧化及脱碳，淬火层容易控制；易实现机械化和自动化，生产率高；设备投资大，维修调整较难；不适于复杂形状零件和单件、小批量生产。,种类 1)高频感应加热：主要用于中小型轴，套零件，小模数齿轮 2)中频感应加热：主要用于尺寸较大轴类，大、中模数齿轮 3)工频感应加热：主要用于大型（300mm）零件，如轧辊、火车车轮,特点 1)感应淬火零件变形小，组织细，硬度高，表面质量好；2)生产率高，节能，成本低，易机械化、自动化，大批量流水生产；3)设备昂贵，维修、调整较困难，不适用复杂零件及单件生产。,应用 主要用于Wc=0.4%-0.5%的中碳结构钢，也可用于工具钢。,激光加热表面淬火,原理:用激光扫描工件表面，用红外线将工件表面迅速加热到钢的临界点以上，随着激光束的离开，工件表面的热量迅速向周围散开，可自行冷却淬火。,应用:适用于其它表面淬火难于做到的复杂形状的工件，如拐角、盲孔、深孔等。,2.钢的化学热处理,概念：将工件放在特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层成份、组织和性能的热处理工艺。,目的：使工件表面与心部具有不同的机械性能或特殊的物理、化学性能。,分类：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属。,钢的渗碳,目的：为了使低碳的钢件表面获得高碳浓度，在经淬火和回火处理后，提高钢件的表面硬度、耐磨性及疲劳强度，而心部仍保持足够的韧性和塑性。,应用：主要用于同时受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、凸轮、轴类等。,渗碳方法：气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳。,渗碳原理,气体渗碳,设备：井式渗碳炉,渗碳剂：易于分解和气化的液体（如煤油、丙酮等）,渗碳温度：900-950,渗碳层深度：一般0.5-2.5mm,渗碳后表层的Wc：一般可达0.85%-1.05%,适用钢种：Wc=0.15%-0.20%的低碳钢或合金渗碳钢。,渗碳层组织：由表及心部依次为过共析层、共析层、亚共析层和心部原始组织。,热处理：渗碳后必须淬火和低温回火，使表层获得回火高碳马氏体，具有高的硬度和耐磨性；心部仍保持原有的低碳钢的成分和组织，有高的塑性和韧性。,应用：主要用于承受较大冲击载荷和严重磨损条件下工作的零件。,渗碳工序,钢的渗氮,应用：生产周期长，一般要用合金钢，成本高，渗氮层薄而脆，不宜承受集中重载荷，主要用于耐磨性和精度要求高的精密零件、承受交变载荷的重要零件及较高温度下工作的耐磨零件。,目的：提高工件的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性和疲劳强度。,分类：气体渗氮、离子渗氮。,碳氮共渗,把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化。根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。,其他化学处理方法,渗铝。渗铬。,作业：1、简述表面淬火的概念、目的及方法。2、简述渗碳的概念、目的及方法。3、简述氮化的目的及应用。,