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第四章钢的热处理工艺供应窄带钢行业热处理设备毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般机械钢零件生产的工艺路线:Therefore,热处理是一种非常重要的加工方法，极大部分机械零件都必须经过热处理！教学内容4.1钢的退火与正火工艺4.2钢的淬火与回火4.3钢的表面热处理4.4钢的化学热处理过冷奥氏体的连续冷却转变－CCT曲线C---continuousC---coolingT---transformation知识回顾Ps：A→P开始线Pf：A→P终止线K：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速Vk’：下临界冷速→完全P最大冷速共析碳钢TTT曲线与CCT曲线的比较（1）CCT位于TTT曲线右下方A→P转变温度低一些，t长一些（2）CCT无A→B转变CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析C曲线的应用4．1钢的退火与正火工艺将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火工艺曲线一、退火目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。1．完全退火加热温度：Ac3以上20-30度组织：P+F目的：①细化，均匀化粗大、不均匀组织②接近平衡组织——调整硬度→切削性↑③消除内应力应用范围：亚共析钢，共析钢，不适用于过共析钢。2．球化退火（不完全退火）加热温度：Ac1以上20-40度组织：球状P（F+球状Cem）目的：①使Cem球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备应用范围：过共析钢，共析钢加热温度：1050-1150℃，10-20h,组织：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（应用完全退火消除）4．再结晶退火加热温度：Ac1以下50-150度，或T再+30-50度目的：消除加工硬化5．去应力退火500-650℃3．扩散退火（均匀化退火）把钢零件加热到临界温度以上30～50℃,保温一定时间,然后在空气中冷却的热处理工艺。二、正火（空冷）（1）作最终热处理，普通结构钢零件a.细化A晶粒，组织均匀化b.减少亚共析钢中F%→P%↑，细化组织→强度，韧性，硬度↑（2）预先热处理a.消除魏氏组织，带状组织；细化组织→为淬火、调质作准备b.使过共析钢中Fe3CII↓→使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能（低碳钢）临界温度：Ac3或Accm+30-50℃组织：S+（F或Fe3C）应用及目的：以45#钢为例的正火工艺曲线：保温时间的经验公式:τ=KD(单位为min,式中,K―加热系数,一般K=1.5-2.0m/min,若装炉量大则可延长保温时间,D―工件有效厚度,单位为m)操作步骤如下：入炉保温出炉空冷三、退火、正火的选择工具钢→正火+球化退火结构钢→正火返修件→退火正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好。1．切削加工低碳钢→正火中高碳钢→完全退火高碳钢、合金工具钢——正火＋球化退火2．作为最终热处理→正火3．为最终热处理提供良好的组织状态4.正火可替代完全退火以提高效率4.2钢的淬火与回火加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却→M+A′1．淬火温度的决定亚共析钢Ac3+30-50度共析钢Ac1+30-50度过共析钢Ac1+30-50度A、保留一定的Cem→HRC↑，耐磨性↑B、A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓C、A中C%↓→M过饱和度↓→残余A↓淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，淬火温度过高→A粗大→M粗大→淬火应力↑→变形，开裂↑一、淬火650℃以上，慢，减小热应力650-400℃，快，避免跨越C曲线400℃以下，慢，减轻相变应力理想淬火冷却曲线示意图不同淬火方法示意图2．淬火介质保证快速冷却以45#钢为例的淬火工艺曲线：入炉保温出炉油冷(或水冷)二、钢的淬透性1．淬透性：淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK（上临界冷却速度）2．淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，C%↑→淬硬性↑3．影响淬透性的因素——VK，C曲线C%亚共析钢C%↑→淬透性↑，过共析钢C%↑→淬透性↓奥氏体化温度T↑t↑→淬透性↑合金元素除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性未溶第二相↓淬透性影响C曲线的因素（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求；——选材的依据（2）热处理工艺制定的依据；（3）尺寸效应。4．淬透性的应用三、回火a.消除淬火应力，降低脆性；b.稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定；c.获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。1．回火目的（淬火组织的问题）定义:把淬火后的零件重新加温到A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。工艺参数及组织淬火+高温回火=调质处理2．钢在回火时的组织转变a.马氏体分解（200℃以下）：析出ε-Fe2.4C碳化物（亚稳定）回火组织：回火马氏体M’→过饱和α固溶体十亚稳定ε碳化物（极细的)作用：晶格畸变降低，淬火应力有所下降。b.残余A分解（200-300℃）：A→M’（或A→B下）组织：回火马氏体M’c.回火屈氏体T’形成（250-400℃）：ε→Fe3C;α→F－维持M’外形组织：回火屈氏体T’(F+Fe3C)d.碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（400℃）组织：回火索氏体S’—F（等轴晶）+Fe3C（粒）e.碳化物→Fe3C片→细粒状Fe3C。3．回火工艺－组织一性能关系（及应用）（1）低温回火（150-250℃）回火马氏体M’降低淬火应力，提高韧性，保证高硬度（HRC58-64）和耐磨性高碳的工具、模具、滚动轴承，渗碳与表面淬火的零件（2）中温回火（350-500℃）回火屈氏体T’高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为HRC35-45弹簧（3）高温回火（500-650℃）回火索氏体S′淬火＋高温回火——调质处理综合机械性能好(强度、韧性、塑性的配合)，硬度一般为HRC25-35承受交变载荷，连杆、轴、齿轮等重要结构件——最终热处理精密量具、模具——预先热处理回火马氏体组织金相图1、高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差2、低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好。回火屈氏体组织金相图屈服强度与弹性极限高42CrMo╳40045钢╳400回火索氏体组织金相图综合机械性能好（见下页）正火与调质处理的比较：45钢σb(MN/m2)δ(%)ak(kJ/m2)HB组织正火700-80012-20500-800163-220细片S+F调质750-85020-25800-1200210-250细粒S’淬火+高温回火→调质处理200度以下，HRC不变。200-300度，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度,有一定的升高。300度，HRC降低。1、韧性：400度开始升高，600度最高。2、弹性极限：在300-400度最高。3、塑性：在600-650度最高。4、高碳回火马氏体：强度、硬度高、塑性、韧性差6、低碳回火马氏体：高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好。7、回火屈氏体：屈服强度与弹性极限高8、回火索氏体：综合机械性能。（4）回火温度与机械性能的关系4．合金元素对回火转变的影响a.提高回火稳定性回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。b.增大回火脆性（见下页）回火脆性：指随回火温度升高时，在250~400℃和450-650℃两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。c.产生二次硬化（见下后页）（1）低温回火脆性（250-400℃）碳化物片沿M晶界析出避免在此温度回火（3）高温回火脆性（450-650℃）P等元素在原A晶界偏聚，慢冷时Cr、Ni等促进偏聚Mo等抑制偏聚减少P等杂质元素，添加Mo等合金元素二次硬化效应：一些Mo、W、V含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约400℃）后反而开始增大，并在另一更高温度（550℃）达到峰值。如图钼钢合金回火类型回火温度组织性能及应用组织形态低温回火150~250回火M（M′）保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过饱和a-Fe+e碳化物中温回火350-500回火屈氏体（T′）硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑，用于弹性元件保留马氏体针形F+细粒Fe3C高温回火500-650回火索氏体（S′）强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。多边形F+粒状Fe3C5．回火工艺及其应用记注：淬火+高温回火→调质处理应用很多以45#钢为例的调质工艺曲线：淬火+高温回火→调质处理4.3钢的表面热处理表面淬火：不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部热处理方法。一、感应加热表面淬火1．原理交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热2．分类a.高频200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中频2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸较大的工件c.低频50Hz淬硬深度10-15mm大型工件d.超音频30-40KHz3．钢种中碳钢和中碳低合金钢a.加热速度快几秒——几十秒b.加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度↑，脆性↓c.残余压应力→提高寿命d.不易氧化、脱碳、变形小e.工艺易控制，设备成本高4．特点锻造→退火式正火→粗加工→调度→精加工→表面淬火→低温回火→（粗磨→时效→精磨）5．工艺路线4.4钢的化学热处理一、渗碳：AC3以上；900~950℃，低碳钢1．目的及应用提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性2．钢种低碳钢，低碳合金钢3．加工工艺路线锻造→正火→切削加工→渗碳→淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）→低温回火→喷丸→磨削（1）直接淬火（如图a、b曲线）奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火（如图c曲线）心部要求高AC3以上表面要求高，AC1以上30-500℃（3）二次淬火（如图d曲线）第一次，改变心部组织AC3以上30-500℃第二次，细化表面组织AC1以上30-500℃4．渗碳工艺-组织-性能关系加热温度，保温时间→渗碳层厚度A3钢多元共渗渗层X40042rMo钢多元共渗组织X400二、氮化（含Al,Cr,Mo，V的钢）它系指在一定温度（一般在AC1）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的耐蚀性能，且因氮化温度低、变形小，因此在工艺中的应用也非常广泛。常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗（软氮化）等。气体氮化是将工件放在密封的炉内加热，并通入氮气。渗碳的加热温度低（小于Ac1温度，钢的组织处于铁素体状态），因此工件变形小、氧化脱碳少。气体氮化的原理：氨气在300℃以上是便可以受热分解出活性氮原子，即：2NH3→3H2+2[N]活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和化合物。气体氮化的温度：如果渗氮的目的是为了获得高的硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，则氮化温度为500－570℃，，氮化时间为30－50h。如果渗氮的目的是单纯提高零件的抗腐蚀性能，则氮化温度宜为590－720℃，。气体氮化的工艺路线：锻造→退火→机械粗加工→调质→半精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨说明：为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理；为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。氮化作为最后工序钢的氮化层显微组织400X钢的氮化层显微组织B-AlB-Al共晶组织（菊花状）B-Al-W共晶组织（三角形）B-Al亚共晶组织（树枝状）作业术语：退火正火回火淬火淬透性淬硬性回火脆性二次硬化回火稳定性调质表面热处理化学热处理简答题：1、退火有哪些种类？并简述各自的工艺特点与应用范围。2、正火有哪些应用。3、对不同的钢，在淬火温度确定与冷却介质选择时应注意些什么？4、影响淬透性的因素有哪些？5、钢回火的目的是什么？钢在回火时会发生哪些组织转变？6、不同的回火工艺可得到不同的回火组织，简述钢回火温度-组织-性能的关系与应用。7、简述表面热处理和化学热处理的特点与应用。一般要求