03第三讲 钢的热处理.ppt

钢的热处理的基本原理,钢的热处理是将固态钢加热到适当温度，经过保温，然后按选定的速度进行冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。,根据加热和冷却的方法不同，热处理可分为很多种,热处理,,普通热处理,表面热处理,,退火,正火,淬火,回火,,表面淬火,化学热处理,,火焰加热,感应加热,,渗碳,氮化,氰化,一个钢件成为成品要经过各种冷热加工，中间还需穿插热处理。热处理工艺往往包括若干道加热、保温和冷却的工序。图示为拖拉机变速箱齿轮（20crMnTi钢）的整个热处理工艺曲线,1、钢在加热与保温时的组织转变,加热是热处理的第一道工序。大多数热处理工艺首先要将钢加热到临界点（即组织转变点）以上，目的是获得奥氏体A。,奥氏体的形成过程有三个阶段（以共析钢为例）,奥氏体晶粒度大小对材料力学性能将产生较大影响。奥氏体晶粒度越小，冷却后就会得到细晶粒组织，材料的力学性能就越好。,奥氏体温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大程度越明显；随着钢中奥氏体的含碳量的增加，奥氏体晶粒长大程度越明显，（WC1.2时可阻止奥氏体晶粒长大）；某些元素如Nb（铌）Ti（钛）V（钒）Zr（锆），可阻止奥氏体晶粒长大。,2、钢在冷却时的组织转变,热处理实际生产中，如淬火、正火等操作的冷却方式，属于连续冷却；而等温退火、等温淬火等操作的冷却方式，属于等温冷却。冷却方式和冷却速度的不同对奥氏体在冷却时的转变有很大影响。,（1）奥氏体等温冷却转变曲线,奥氏体等温冷却转变曲线图的建立，是把共析钢制成同样尺寸的若干组薄片试样。把同一组的试样放到炉中加热，使其转变为奥氏体，然后迅速把它们放到A1线以下某一温度的盐浴炉中，保持恒温，每隔一定的时间间隔取出一个放在显微镜下观察它们的组织变化，从中找出A体在该温度下转变的开始和终了时间。然后再用另一组，在另一过冷温度下试验,A体区,过冷A体区,等温转变开始线,转变区,等温转变终了线,转变产物区,,,,727℃∼650℃珠光体（P）25HRC,650℃∼600℃索氏体（S）25∼35HRC,600℃∼500℃屈氏体（T）35∼45HRC,500℃∼230℃贝氏体（B）40∼55HRC,230℃以下马氏体（M）达65HRC,珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体都是奥氏体中铁和碳进行扩散的结果；,马氏体的形成是由于奥氏体以更大的冷却速度过冷到很低温度时，奥氏体晶格中的碳原子来不及进行扩散，形不成Fe3C。而奥氏体的γ–Fe形态（面心立方晶格）仍然转变为铁素体的α-Fe（体心立方晶格），碳原子被强制地固溶在α-Fe中，形成过饱和固溶体，致使晶格严重畸变，硬度极高。,铁原子产生位移,碳原子占据的位置,C曲线对制定热处理工艺有重要的指导意义，因此每种成分的钢都有自己的C曲线。,（2）奥氏体连续冷却转变,在实际生产中，奥氏体的转变，大多数是在连续冷却的过程中进行的。连续冷却转变曲线的测定比较困难，故在生产实践中常以等温冷却作为依据去分析连续冷却曲线的过程。所以通常将两种冷却方法叠合在一起研究。,（以共析钢为例）,五、钢的热处理工艺,1、退火,将钢件加热到A3（对亚共析钢）或A1（对过共析钢）线以上某一温度范围，保温一段时间后，在炉中（或埋入砂中及石灰中）以V1的速度缓冷至500℃以下再置于空气中冷至平衡组织的方法。（P体）,退火目的,降低硬度,消除应力,细化晶粒,改善组织,（1）完全退火,主要用于亚共析钢的锻件和铸件或焊接件，一般常作为一些不重要件的最终处理或某些重要件的预处理。主要作用为细化晶粒、提高性能、消除铸锻应力,（2）球化退火,主要用于过共析的碳钢及合金钢，如刃具、量具、模具以及轴承钢。主要作用为降低硬度、改善切削性。,2、正火,将钢件加热到A3（对亚共析钢）或ACm（对过共析钢）线以上某一温度范围，保温一段时间后，从炉中取出置于空气中,以V2的速度冷至平衡组织的方法。（S体）,正火目的,降低硬度,消除应力,细化晶粒,改善组织,正火与退火的目的基本相同，但正火处理的时间较快，所以得到的珠光体型的组织更细，力学性能有所提高。另外，不占用设备，效率提高。,3、淬火,将钢件加热到A3（对亚共析钢）或A1（对过共析钢）线以上某一温度范围，保温一段时间后，在水中以V4的速度，或在油中以V3的速度急剧冷却，以获得马氏体或贝氏体的方法。（M体或B体）,淬火目的,对含碳量较低的亚共析组织的一般结构件，可提高强度，并与韧性合理匹配。,对含碳量较高的过共析组织的工具钢或耐磨零件，可提高其硬度和耐磨性。,4、回火,把淬火后的工件重新加热到A1（727℃）线以下，保温一段时间后，再以适当的冷却速度冷至室温的方法。,回火目的,降低脆性，消除内应力,零件未及时回火发生的开裂,获得所需要的力学性能,稳定工件尺寸,钢在回火时马氏体内部不断析出细小碳化物，随着回火温度的提高，α-Fe中碳的过饱和程度逐渐下降，内应力逐渐降低，硬度也相应减小。,（1）低温回火回火温度为150250℃。,回火后仍有较高的硬度（55∼62HRC），但应力和脆性有所降低。用于要求高硬度及耐磨的各类高碳钢的工具、模具、轴承等。,（2）中温回火回火温度为350500℃。,回火后的硬度（35∼45HRC），有较高的弹性极限和屈服点，用于各类弹簧、以及刀杆和轴套等。,（3）高温回火回火温度为500650℃。,回火后的硬度为（23∼35HRC），钢件可得到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。由于这种处理方法用途重要而广泛，所以工厂里习惯将“淬火加高温回火”的热处理方法称为“调质”。广泛用于各种重要的结构零件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类等。,六、钢的表面热处理,有些零件不但受冲击载荷而且在高磨损下工作，如飞机和汽车的传动齿轮、内燃机的凸轮轴、内燃机曲轴、机床主轴等。对这种零件的要求是“外层要硬、心部要韧”，为了满足这种要求，工业上常采用表面热处理。,1、表面淬火,（1）火焰加热表面淬火,喷嘴,喷水管,工件,淬硬层,（2）感应加热表面淬火,工件,感应圈,喷水套,淬硬层,45钢齿轮采用高、中频感应表面淬火后的淬硬层分布,典型高精度45钢齿轮的加工和热处理过程,锻造,,正火,,切齿,,调质,,感应加热表面淬火,,低温回火,,磨削精加工,,成品,2、化学热处理,为了使工件表面获得某些特殊的力学性能，仅采用表面淬火是很难实现的，甚至是不可能的，这时可采用化学热处理。,热处理是将钢件放在某种化学介质中，通过加热、保温、冷却，使介质中的某些元素渗入钢件表面，改变表面层的化学成分，从而使其表面具有与心部不同的特殊性能。,（1）渗碳,渗碳是向钢的表面渗入碳原子的过程。即把工件放入渗碳气氛中，经900950℃加热、保温，使钢件表面层增碳，若再经淬火后，表面获得耐磨的高硬度的马氏体，而心部仍保持较好的韧性。,加入煤气液化气丙烷煤油甲苯甲醇,（2）渗氮（氮化处理）,氮化是向钢的表面渗入氮原子的过程。即把工件放入渗氮气氛中，经500∼560℃加热分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成耐磨、耐高温、高硬度（热硬性好）的氮化层，而心部仍保持较好的韧性。,气体渗氮法,2NH3→3H22[N],课后小结,四、钢的热处理原理,1.钢的加热组织转变,P→A,2.钢的冷却组织转变,A等温冷却,A连续冷却,五、钢的一般热处理工艺,1.退火,加热至A3和A1线以上→保温→炉冷（P）目的降硬度、除应力、细晶粒、改组织,2.正火,加热至A3和Acm线以上→保温→空冷（S）目的降硬度、除应力、细晶粒、改组织,3.淬火,加热至A3和A1线以上→保温→水冷或油冷（M或B）目的增硬度、抗磨损（对工具和耐磨件），匹配强塑关系（对一般结构件）注低碳钢无法淬火,4.回火,把淬火后的工件重加热至A1线以下→保温→以适当温度冷却至室温低回150250℃中回350500℃高回500650℃（调质）目的降脆性、除应力、提性能、稳尺寸,五、钢的表面热处理工艺,1.表面淬火,目的内韧外硬,2.化学热处理,目的内韧外硬（热硬性）,