特种热处理

钢的特种热处理表面热处理真空热处理形变热处理钢的时效表面热处理：定义：不改变零件表面的化学成分，只是通过强化手段使零件表面获得高的硬度和耐磨性，而心部仍保持原有良好的韧性和塑性的热处理方法。分类：据加热方法的不同，分为感应加热表面热处理、火焰加热表面热处理、电接触加热表面热处理、激光热处理等。感应加热表面淬火（动画）：感应加热表面淬火：利用感应电流通过工件产生热效应，使工件表面局部加热，继而快速冷却，获得马氏体的热处理工艺。感应加热表面热处理原理：以电磁感应原理和集肤效应、近邻效应和环状效应为基础，加热速度快，不存在在一个温度下保温的过程。涡流：工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工件产生感应电流，该电流在工件内自成回路。集肤效应：工件上产生的感应电流在工件截面上分布不均匀，工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过的现象。离表面X处的涡流强度：I0-表面最大的涡流强度；x-到工件表面的距离；Δ-与工件材料物理性质有关的系数。xxeII0感应加热表面热处理的特点：加热速度快，热效率高；热处理质量高，由于加热时间短，无氧化和脱碳现象，同时心部温度低，淬火变形倾向小；便于实现机械化和自动化。感应加热表面淬火后的组织和性能：高频感应（常用电流频率为80～1000kHz）加热时钢的相变特点：临界温度（Ac1、Ac3）升高，转变在一个较宽的温度范围完成（图10-3）；奥氏体晶粒较细，淬火后便于得到隐针马氏体；奥氏体成分不均匀，组织中残存第二相。如，亚共析钢，淬硬层内易存在铁素体（高频感应淬火的常见缺陷），因此需进行适当的预先热处理（如调质处理），获得尽可能均匀的原始组织。时间温度钢在不同加热速度时的加热曲线1.缓慢加热时；2.感应加热时索氏体珠光体时间温度T8钢感应加热曲线钢的原始组织为索氏体时，索氏体组织的弥散度大，渗碳体的溶解扩散过程快。而在相同条件下，片状珠光体的组织相对粗大，相变时原子扩散的距离远，因此相变滞后。高频感应淬火后的组织：以45钢感应淬火后的组织为例：45钢高频感应淬火后的组织和硬度第一层，淬硬层，加热温度高于Ac3，淬火后的组织为M+A’；过渡层，加热温度为Ac1-Ac3，淬火后组织为M+A’+F；心部，温度低于Ac1，组织为P+F。45钢表面淬火后不同加热温度区的金相组织a)均匀马氏体（最表面）；b）富碳（白区）、低碳（黑区）马氏体混合组织区；c）马氏体+铁素体；d）马氏体+铁素体+珠光体；e）原始组织abcde过共析钢高频感应淬火后的组织：表层：M+A’+碳化物；过渡层：M+碳化物+少量屈氏体；心部：P+碳化物。高频感应淬火后零件的机械性能：硬度：表面硬度比普通淬火高2-3HRC钢的表面硬度与碳含量的关系可能的原因：1.高频表面淬火时零件表层产生压应力2.由于加热速度快、加热时间短、奥氏体晶粒无条件长大，造成表层的细晶粒结构。淬火组织为隐针马氏体；3.快速加热时所形成的奥氏体不均匀，具有大量马氏体形核位置；4.由于奥氏体成分的不均匀，淬火后马氏体中碳的分布不均匀，相当于无数高碳马氏体分布在低碳马氏体中---弥散强化作用导致了高硬度。高频感应淬火后零件的机械性能：疲劳强度：采用正确的表面淬火工艺，可以显著地提高零件的抗疲劳性能。如，40Cr钢，调质加表面淬火(淬硬层深度0.9mm)的疲劳极限为324N／mm2，而调质处理的仅为235N／mm2。如，25钢：25钢疲劳强度与淬硬层深度的关系零件经表层淬火后，表层得到了隐针（或细针）马氏体组织，实现了组织强化；存在最佳淬硬层深度（表面压应力状态，组织裂纹扩展）淬硬层深度过低，硬化效果差；淬硬层深度过大，表面过热；感应加热表面淬火钢的弯曲与扭转强度与淬硬层厚度的关系a）弯曲强度1-40Cr;2-40钢b)扭转强度60钢高频淬火与普通淬火试样耐磨性的比较高频感应淬火后零件的机械性能：耐磨性：感应淬火后，表层的马氏体组织极为细小，碳化物弥散度高，表面硬度高，同时表面处于压应力状态，这一综合结果导致表面耐磨性增高。高频感应淬火后零件的机械性能：多冲抗力：以强度为主，又需一定塑性配合的韧性特性。它常在小能量多次冲击载荷的服役条件下破坏的。T8钢的淬硬层深度与断裂周次的关系与疲劳强度一样，随淬硬层深度的增加而提高。当层深达到一定值时，多冲抗力最大；层深继续增加，多冲抗力反而降低。高频淬火工艺的制定原则确定工艺参数的依据:含碳量、原始组织含碳量：决定高频淬火钢硬度的主要因素。过高，淬火后开裂倾向大；过低，硬度不够。在满足硬度的条件下钢的含碳量应偏低些，通常为0.40～0.50%的中碳钢或球墨铸铁。原始组织：要求晶粒均匀细小，晶粒度最好在6级以上—高频感应淬火前应对零件进行正火或调质处理。避免粗颗粒碳化物的球化物组织和退火时所得的大块F组织。淬火后造成软点或硬度不均。高频淬火工艺参数：加热温度、加热速度、淬硬层厚度。加热温度：直接影响原始组织向A转变的速度零件所采用的材质（每种钢都有最佳加热规范。）原始组织的粗细（原始组织粗大，淬火温度应较高）加热速度（提高加热速度，淬火温度应相应提高）零件尺寸（尺寸较大的零件应采用较高的淬火温度）判断依据：金相定温法，以淬硬层的显微组织作为评定淬火温度是否合适的依据如，淬硬层中得到中针或粗针马氏体—淬火温度过高；不完全淬火组织或不均匀的马氏体—淬火温度过低（图10-9）。一般高频加热淬火温度可比同材料的普通加热淬火温度高30～200℃。加热速度：加热速度提高，相变点温度升高；每一种加热速度下，都有一最佳的加热温度范围，硬度大最大值；增加加热速度时，最佳加热温度范围移向高温，且最佳温度范围变宽。（P279图10-8）淬硬层厚度：确保零件再允许的磨损深度内有足够高的硬度和耐磨性。淬硬层厚度，指由表面至半马氏体区的厚度高频感应淬火的加热方式：同时加热淬火法：定义：对工件需淬硬的表面一次加热到淬火温度，并通过感应器的喷射孔喷射冷却剂到工件加热表面使之淬火的方法适用范围：工件淬硬面积小于设备允许的最大加热面积高频感应淬火的加热方式：连续加热淬火法：定义：边加热边淬火的方法。即：对工件需淬火部位中的一部分加热，通过感应器与工件之间的相对运动，把已加热部位逐渐移到冷却位置冷却；再把待加热部位移至感应器中加热、冷却，如此连续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。适用范围：工件淬硬面积大，设备功率不足。高频感应淬火的冷却方式：喷射冷却法（水冷）当感应加热终了时把工件置于喷射器之中，向工件喷射淬火介质进行淬火冷却。其冷却速度可以通过调节液体压力、温度及喷射时间来控制。浸液冷却法（油冷）即当工件加热终了时，浸入淬火介质中进行冷却。适用于合金钢。埋油淬火法对细、薄工件或合金钢齿轮，为减少变形、开裂，可将感应器与工件同时放入油槽中加热，断电后冷却。常用的淬火介质有水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液，乳化液和油。高频感应淬火件的热处理：预处理：正火或调质淬火后热处理：低温回火（保证淬硬层高硬度的同时，降低组织脆性，消除淬火应力）高频感应淬火后的回火—低温回火：回火方式：炉内回火、自行回火、感应回火。炉内回火：回火温度一般为150～180℃；自行回火：淬火后尚未完全冷却，利用在工件内残留的热量进行回火；感应回火：零件在通过淬火感应器及喷水冷却后，需通过回火感应器进行回火加热。激光热处理：定义：利用激光加热金属材料表面实现表面热处理的工艺。激光加热时，激光束的能量集中（P283图10-12），激光束轰击的区域短时间内被奥氏体化；由于被加热的区域占试样的体积非常小，热量很快被传导散失掉，因此，具有淬火的等同功效。激光加热是利用激光束由点到线，由线到面地以扫描方式来实现表面淬火时最主要的是控制表面温度和加热深度，因而用激光扫描加热时关键是控制扫描速度和功率密度。激光热处理的优点：处理过程极快（淬硬层组织：超细M、碳化物及高位错密度的A—超高硬度）；无接触加热，不会引起表面污损；加热区域小，几乎没有热处理变形；可实现局部的选择性淬火（拐角、狭窄的沟槽、齿条、齿轮、深孔、盲孔表面的局部淬火）；易于实现自动化，可节约能量、改善劳动条件。由于激光加热是一种光辐射加热，因而工件表面吸收热量除与光的强度有关外，还和工件表面黑度有关。一般工件表面光洁度很高，反射率很大，吸收率几乎为零。为了提高吸收率，通常都要对工件表面进行黑化处理，即在欲加热部位涂上一层对光束有高吸收能力的薄膜涂料。常用涂料有：石墨、金属氧化物、磷酸锰等，但以磷酸锰为最好。电子束加热的表面淬火：定义：利用细聚焦、高能密度的电子束加热金属材料表面，实现表面热处理的工艺。特点：设备功率大；效率高；表面不需预先黑化，但需要真空环境；真空热处理：定义：将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行的热处理。真空度：真空状态下，负压的程度。真空的分类：据真空度的大小，分为四类，低真空：（10-10-2）×133.3Pa；中真空：（10-3-10-4）×133.3Pa；高真空：（10-5-10-7）×133.3Pa；超高真空：10-8×133.3Pa。真空热处理的优点：高质量：零件表面无氧化、不脱碳、变形小；提高机械性能，延长使用寿命：其中塑、韧性的提高明显，是由于真空热处理的脱气作用所致；低能耗：采用绝热性能好及热容量小的隔热材料，使得炉子蓄热和散热损失都很小，热效率较高减少污染、无公害：真空电加热，不存在炉气，也没有燃烧的废气，所以对大气无污染高成本。真空热处理的特异效果和伴生现象：表面保护作用；表面净化作用：防止氧化的同时，会使已氧化的物质分解；脱脂作用：机加时带入的油污，受热后分解为氧、水蒸气和二氧化碳等；脱气作用：金属中的气体向表面扩散、气体从金属表面逸出、气体从真空炉中排出。元素的脱出（蒸发）现象：蒸汽压高的合金元素从工件表面蒸发掉，造成材料性能的降低；同时，可能会发生真空蒸镀，影响真空热处理的质量。真空加热油淬引起钢件渗碳：如，对30CrMnSiA和30CrMnSiNi2A钢在真空度为10-2×133.3Pa、加热温度为900℃的情况下油淬，发现有渗碳现象。真空热处理的应用：真空热处理工艺真空退火真空淬火真空气体淬火真空油淬火合金钢的真空热处理真空化学热处理真空渗碳真空离子渗碳真空碳氮共渗真空渗碳：将零件放入特制的真空渗碳炉中，先抽真空，然后升温至渗碳温度，再通入一定量的渗碳气体进行渗碳的一种热处理工艺。真空渗碳的特点：渗碳时间显著缩短；渗碳质量好；作业条件好。形变热处理定义：将压力加工与热处理操作相结合，起到形变强化与相变强化的综合作用。一种既可以提高强度、又可以改善塑性和韧性的有效工艺。塑性变形中，合金内部缺陷（以位错为主）增加，且晶体缺陷分布发生改变；若有相变，则相变与缺陷相互影响，不是简单的形变强化与相变强化的叠加，也不是任何变形与热处理的简单组合；形变热处理与常规热处理相比，具有高密度位错和亚结构（亚晶）实质：亚结构强化形变热处理适用范围：冶金厂生产的钢材中供用户直接使用而不需要再机械加工的板、管、丝、带、棒材、小型型材等。分类：按形变与相变过程的相互顺序，分为相变前形变、相变中形变、相变后形变按形变温度，分为高温形变、低温形变按相变类型，分为珠光体形变、贝氏体形变、马氏体形变、时效复合形变热处理，即形变热处理、化学热处理及表面淬火相结合的热处理工艺相变前形变的形变热处理高温形变热处理、低温形变热处理高温形变热处理包括高温形变淬火、高温形变正火和高温形变等温淬火。加热温度：Ac3以上形变温度：Ar3以上或Ar1-Ar3之间形变冷却方式：快冷得到马氏体再回火-高温形变淬火空冷或水冷至550℃，再空冷得到铁素体+珠光体或贝氏体—高温形变正火（控轧控冷）贝氏体区等温，获得贝氏体组织-高温