热处理工艺(2)

热处理原理、工艺及设备Principles,TechnologyandEquipmentsforHeatTreatment第二部分热处理工艺（2）TechnologyforHeatTreatment§8钢的淬火与回火§8钢的淬火与回火淬火:§8钢的淬火与回火淬火方法分类按加热温度不同完全淬火：加热温度高于Ac3，全部A化后冷却，适用于亚共析钢和共析钢；不完全淬火：加热温度高于Ac1，适用于过共析钢。按冷却方式不同单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定一、淬火温度的选择淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。1、确定淬火温度的一般依据钢的化学成分（主要是临界点Ac1、Ac3），是最主要的因素；工件的尺寸、形状与技术参数；A的晶粒长大倾向；采用的淬火介质与淬火方法。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定钢的淬火温度范围§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定2、碳钢的淬火温度亚共析钢亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30℃~50℃，原因：亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留先共析F，淬火后会出现软点，使硬度达不到要求；同时由于这种组织的不均匀性，还可能影响回火后的机械性能。但为了不致于引起A晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷，温度还不能过高，一般为Ac3以上30℃~50℃。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定过共析钢过共析钢的淬火温度一般为Ac1以上30℃~50℃，原因：过共析钢在淬火加热前都要经过球化处理（如果网状渗碳体存在，则应先正火予以消除，然后再加热淬火），故加热至Ac1以上时，其组织是A和一部分未溶的粒状碳化物（渗碳体）。淬火后，A转变为M，未溶碳化物被保留下来，这不但不会降低钢的硬度，反而对提高耐磨性有利。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定如果把过共析钢加热到Acm以上，从单相A状态淬火，结果不但无益，反而有害，原因：A中溶入C量增加使Ms点降低，淬火后残余A量增多，使钢的硬度下降；A的晶粒粗化，淬火后得到粗大M，增大脆性；钢的脱碳氧化严重，降低淬火钢的表面质量；增大淬火应力，从而增大工件变形与开裂倾向。3、合金钢淬火温度合金钢的淬火温度也根据其临界点确定，但考虑合金元素的作用，为了加速A化，一般选为Ac1或Ac3＋50℃~100℃.§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定4、确定淬火温度的其它考虑因素工件尺寸：小工件采用较低的淬火温度，大工件采用较高的淬火温度。工件形状：形状复杂、容易变形或开裂的工件，在保证性能要求的前提下尽量采用较低的淬火温度。淬火介质与淬火方法A晶粒长大倾向：对本质细晶粒钢，可采用较高的淬火温度。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定二、加热时间的确定加热时间由升温时间和保温时间组成。升温时间：由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间，并以此作为保温时间的开始。保温时间：指零件温度均匀化并完成奥氏体化过程所需要的时间。加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定保温时间的影响因素化学成分：含C量和合金元素增加都会使保温时间延长，原因：含C量和合金元素增加会降低钢的导热性，而且合金元素一般均阻碍C原子的扩散，其本身的扩散速度也比C小得多，显著延缓钢中的组织转变，故高碳钢比低碳钢、合金钢比碳素钢、高合金钢比低合金钢的保温时间要长些。工件的形状与尺寸：保温时间随工件厚度或直径的增大而延长，对形状复杂或尺寸较大的工件应进行预热。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定加热介质：在常用的加热介质中，以铅浴炉加热最快，盐浴炉次之，空气电阻炉最慢。装炉情况：工件在炉中的放置方法及排列情况对工件的受热条件有明显影响，从而影响到保温时间。实际装炉时应照顾到最大的装炉量、最短的加热时间以及工件最均匀的加热条件等几方面。炉温：提高炉温时缩短加热保温时间的有效措施之一。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定三、加热介质的选择采用不同的加热设备，与工件接触的介质也就不同。目前常用的加热介质有空气、气体燃烧产物、各种盐浴与可控气氛等。工件在淬火加热过程中，必须重视其氧化脱碳问题并应尽量减少或防止，故需要合理选择加热介质。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定1、液体介质液体加热介质中常用的是盐浴加热。其优点是与空气介质相比液体介质炉温容易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小且易于局部加热等。盐虽然是中性的，但使用不当仍会使工件产生脱碳或麻点（受腐蚀），故必须对盐浴进行脱氧处理。常用的脱氧剂有TiO2、SiO2（硅胶）、Na2B4O7（硼砂）、及硅钙铁等。§8.1淬火工艺参数及加热介质的选定2、流动粒子（流态化粒子）采用固体粒子（石墨、石英砂或刚玉等）作为加热介质，当通入一定流速的气流时，粒子就会呈悬浮状象流体一样地运动（在粒子堆表面呈沸腾状态，内部粒子则呈快速湍流运动），这种状态称为流化状态（或称粒子被流态化）。一般均通过电加热（内热或外热式）使流动粒子很快被加热到所需温度，靠它们来加热工件。流动粒子具有升温快、使用范围广等优点.§8.2淬火介质淬火冷却介质：为实现淬火目的所用的冷却介质。一、淬火的要求淬火过程是冷却非常快的过程。为了得到马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度Vk。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂，即达到理想淬火冷却方式。§8.2淬火介质理想淬火冷却曲线示意图§8.2淬火介质只要在“鼻尖”温度附近快冷，使冷却曲线躲过“鼻尖”，不碰上C曲线，就能得到马氏体。也就是说，在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。但是到目前为止，还找不到完全理想的淬火冷却介质。§8.2淬火介质二、淬火冷却介质的分类及冷却机理§8.2淬火介质§8.2淬火介质此§8.2淬火介质§8.2淬火介质§8.2淬火介质§8.2淬火介质§8.2淬火介质§8.2淬火介质温度§8.2淬火介质§8.2淬火介质§8.2淬火介质水：650~550℃和300~200℃范围内冷却能力较大，易造成零件变形和开裂。淬火用水温度一般控制在30℃以下，主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。矿物油：300~200℃范围内冷却能力低，有利于减少工件变形；但在650~550℃范围内冷却能力也低，不利于淬硬，油一般用于合金钢的淬火。盐浴：特点是沸点高，冷却能力介于水和油之间，可减少零件淬火时的变形，主要用于分级淬火和等温淬火，以处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。§8.2淬火介质五、新型淬火剂水玻璃淬火剂过饱和硝盐水溶液－3号淬火剂氯化锌－碱溶液合成淬火剂§8.3钢的淬透性(☆重点内容)一、基本概念1、钢的淬透性钢的淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力。不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）。例如：40CrNiMo比45钢的淬透性好。（Why？）§8.3钢的淬透性2、淬透层深度§8.3钢的淬透性淬透层深度从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反映钢的淬透性越好。半马氏体组织的确定硬度测试法：M中含非M组织不多时，硬度变化不大；非M组织量增至50%时，硬度陡然下降，曲线出现明显转折点。§8.3钢的淬透性§8.3钢的淬透性断口观察法：淬火试样的断口上，以马氏体为界，发生由脆性断裂向韧性断裂的变化，并且其酸蚀断面呈现明显的分界线。半马氏体组织的硬度主要与碳质量分数有关，而与合金元素质量分数关系不大.§8.3钢的淬透性二、淬透性测定方法1、末端淬火法（GB225-63）末端淬火法是目前应用得最广泛方法，简称端淬试验。§8.3钢的淬透性实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢，由于化学成分和晶粒度的差异，淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。根据GB225-63规定，钢的淬透性值用表示。其中J表示末端淬火的淬透性，d表示距水冷端的距离，HRC为该处的硬度。例如，淬透性值即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。dHRCJ542J§8.3钢的淬透性2、临界直径法把被测钢制成的不同直径的圆形棒按规定条件进行淬火，然后垂直轴线截断，沿直径方向测定硬度。显然，给定淬火条件下，淬火临界直径越大，即钢的淬透性越好。§8.3钢的淬透性淬透性、淬透层深度和淬硬性的区别淬透性是钢在淬火时形成马氏体的能力，是钢在规定条件下的一种工艺性能。淬透层深度是指实际工件在具体条件下淬火得到表面马氏体到半马氏体处的距离，它与钢的淬透性、工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力有关。淬透性好，工件截面尺寸小，淬火介质的冷却能力强，则淬透层深度越大。淬硬性指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量。§8.3钢的淬透性三、影响淬透性的因素钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。因此，凡影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。§8.3钢的淬透性§8.3钢的淬透性1、碳含量在碳钢中，碳含量影响钢的临界冷却速度。共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。???原因：亚共析钢含碳量越低，先共析铁素体量越多，提高了A分解时P的形核率，降低A稳定性，提高临界冷却速度，降低淬透性；过共析钢含碳量越高，先共析Fe3CⅡ越多，同样降低A稳定性，提高临界冷却速度，降低淬透性。§8.3钢的淬透性2、合金元素除Co和Al以外，其余合金元素溶于奥氏体后，使C曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。3、奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。§8.3钢的淬透性4、钢中未溶第二相钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。§8.3钢的淬透性四、淬透性曲线的应用可比较不同钢种的淬透性，方便选材。§8.3钢的淬透性淬透性不同的钢材经调质处理后，沿截面的组织和机械性能差别很大。40CrNiMo40Cr40钢全部回火S回火S回火SS＋F回火S回火SS＋F淬透性不同的钢调质后机械性能的比较§8.3钢的淬透性截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。§8.4淬火方法常用淬火方法预冷淬火§8.4淬火方法1、单介质淬火定义：将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。优点：操作简单，容易实现机械化，应用较广；缺点是水淬变形开裂倾向大，油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。适用性：单介质淬火适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。§8.4淬火方法2、双介质淬火定义：先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。关键工序：控制工件在第一种介质中的停留时间，或者说工件由第一种介质转入第二种介质时的温度。优点：既保证淬硬，又不出现较大变形和开裂。适用性：碳钢制造的中型零件和合金钢制造的较大尺寸零件。§8.4淬火方法3、分级淬火定义：将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。优点：分级