钢的热处理基本工艺及应用.ppt

5.4钢的热处理基本工艺及应用一、钢的退火与正火,1．退火与正火的目的①调整硬度以便进行切削加工②消除残余应力③细化晶粒，改善组织④为最终热处理做好组织上的准备,2．退火,退火将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火等，如图所示。,1）完全退火,将亚共析钢加热到Ac330～50℃，保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。目的降低硬度，消除内应力。2）等温退火将亚共析钢加热到Ac330～50℃、过共析钢加热到Ac130～50℃，保温后快冷到Ar1以下某一温度保温，然后出炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的比较,3）球化退火,将共析钢或过共析钢加热到Ac120～30℃，保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。目的降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体（如图所示），为后面的淬火作组织准备。,4）扩散退火将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。目的消除成份偏析。,5）去应力退火,将工件加热到Ac1以下某一温度，保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。目的消除铸、锻、焊的内应力。3．正火正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后空气中冷却的热处理工艺。,正火具有以下几方面的应用,①含碳量≤0.25经正火后硬度提高，改善了切削加工性能。②消除过共析钢中的二次渗碳体。③作为普通结构零件的最终热处理。正火的冷却速度稍快于退火，由C曲线可知，二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所示。,二、钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺。目的为了获得马氏体，提高钢的力学性能。1．淬火温度选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。如图所示，一般淬火温度在临界点以上。,①对亚共析钢，淬火温度为Ac330～50℃，淬火组织为马氏体，如图所示。,亚温淬火加热温度在Ac1～Ac3之间，淬火组织为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。,②对共析钢和过共析钢，淬火温度为Ac130～50℃，组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体，如图所示。,③对合金钢，一般淬火温度为临界点以上50～100℃。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。,2．淬火介质,①为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。②要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。,③最常用的淬火介质是水和油。,⑤油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。⑥熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。⑦近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。,④水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示,3．淬火方法,常用淬火方法如图所示。,1）单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等。,2）双液淬火法将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。,3）分级淬火法,将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。,4）等温淬火,将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。,4．钢的淬透性,1）淬透性,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。,2）淬透性对钢力学性能的影响钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。,①淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布,②淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低,3）淬透性的测定及其表示方法,①淬透性的测定方法测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。A将φ25100mm的标准试样经奥氏体化后，对末端进行喷水冷却。如图所示。,B按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线；,C利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和淬透性曲线图可找出其淬透性的大小。,②淬透性的表示方法,淬透性值可用表示。其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。,钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径，即临界直径D0表示。,4）淬透性的应用①对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。②对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透性的钢制造。③在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。,三、钢的回火,1．回火的目的①降低脆性，减少或消除内应力②获得工艺所要求的力学性能③稳定工件尺寸④对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工,2．淬火钢在回火时的转变1）回火时的组织转变淬火钢组织发生以下四阶段的变化,①马氏体分解主要发生在100～200℃，马氏体中的碳以ε碳化物（FexＣ）的形式析出，析出的碳化物以极小片状分布在马氏体基体上，这种组织称为回火马氏体，用“M回”表示。如图所示。,②残余奥氏体分解主要发生在200～300℃，残余奥氏体分解为ε碳化物和过饱和α，但组织仍是回火马氏体。,③ε碳化物转变为Fe3Ｃ主要发生在250～400℃，此时回火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织，称为回火屈氏体，用“T回”表示。如图所示。,④渗碳体的聚集长大及α相再结晶主要发生在400℃以上,此时形成颗粒状渗碳体，铁素体由针片状转变为多边形，这种组织称为回火索氏体，用“S回”表示。如图所示。,2）回火过程中的性能变化,总的规律是随回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升。如图为硬度与回火温度的关系。,①回火温度在200℃以下,钢的硬度不降低,对高碳钢，甚至略有升高。②回火温度在200～300℃,高碳钢的硬度再次升高,中、低碳钢硬度缓慢降低。③回火温度300℃以上，钢的硬度呈直线下降。④注意回火屈氏体、回火索氏体和球状珠光体与过冷奥氏体直接分解得到的屈氏体、索氏体和珠光体的力学性能有显著区别。,3．回火的种类,2）中温回火（350～500℃）组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要用于弹簧的处理。3）高温回火（500～650℃）组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理，简称“调质”。调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、齿轮等。,1）低温回火（150～250℃）组织为回火马氏体，能降低内应力和脆性，并保持高硬度和耐磨性。用于工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火的工件。,4．回火脆性,淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为“回火脆性”，如图所示。,1）低温回火脆性在250～350℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性。一般不在此温度范围内进行回火。2）高温回火脆性在500～650℃回火时出现的脆性称为高温回火脆性。主要发生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的结构钢中。3）快冷可防止高温脆性，在钢中加入Ｗ（约1）、Ｍo（约0.5）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。,5．淬火回火的工艺缺陷,1）硬度不足是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢材淬透性低等原因造成的。可采用相应措施加以防治。2）硬度不均匀是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的。可通过正火后重新淬火来消除。3）过热和过烧过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则只能报废。,四、钢的表面淬火,1．概述利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强化零件表面的热处理方法。①表面淬火用材料含碳量为0.4～0.5的中碳钢及铸铁。②预备热处理预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部组织。方法有调质和正火等。③表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体（调质）或铁素体加索氏体（正火）。,2．感应加热表面淬火,1）感应加热的基本原理感应加热表面淬火的装置如图所示。,①交变磁场使工件内部感生出巨大的涡流②感应电流在工件表层密度最大，而心部密度为零，这种现象称为集肤效应③电流透入的深度与感应电流的频率有关④电流频率越高，感应电流透入深度越浅,2）感应加热的分类,①高频感应加热电流频率范围250～300kHz，淬硬层深度为0.5～2.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。②中频感应加热电流频率范围2500～800kHz，淬硬层深度2～10mm，适用于较大的轴和大中模数齿轮。③工频感应加热电流频率50Hz，淬硬层深度可达10～15mm，适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车车轮的表面淬火。3）感应加热表面淬火后的回火一般只进行低温回火，回火温度一般不高于200℃。,4）感应加热表面淬火的特点,①加热温度高。②感应加热表面淬火后工件表层硬度高，脆性较低。③工件表面质量好。④生产效率高。,3．其他表面淬火方法简介1）火焰加热表面淬火火焰加热淬火如图所示。其淬硬层深度一般为2～8mm。,特点及应用设备简单、成本低、灵活性大，但淬火质量较难控制。主要用于单件小批量生产件及大型零件的表面淬火。,2）电接触加热表面淬火,电接触加热的原理如图所示。,特点及应用工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄。形状复杂的工件不宜采用。,“钢的热处理基本工艺及应用”部分结束请转入“其它热处理方法简介”,