第4章 金属材料钢热处理

第四章金属材料热处理改善金属材料的性能的途径1.合金化适当添加合金元素，可显著提高钢的强度，硬度和韧性，并使其具有耐蚀耐热等特性。2.热处理即金属通过不同的加热、保温和冷却方式，使其内部组织结构发生变化，以达到所要求的目的3.细晶强化即通过增加过冷度和变质处理细化晶粒，使金属的强度，硬度，塑性和韧性得到提高4.冷变形强化即对金属进行冷塑性变形，改善其组织结构，使其强度和硬度提高，塑性和韧性降低概述1.热处理(heattreatment）的定义:将钢在固态下进行加热，保温和冷却，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。时间温度临界温度热加保温冷却2.热处理的主要目的:1）使冶金原材料和机械制造中经铸造、锻压焊接生产的毛坯或半成品消除这些工艺过程中产生的缺陷，并可（改善工艺性能）。2）另一方面，提高钢件的机械性能以达到（最终的使用要求）。3.热处理的应用范围:整个制造业。例如，机床制造中60％～70％的零件都需要热处理，汽车、拖拉机制造中70％～80％的零件需要热处理。各类工具（刃具、模具、量具）和滚动轴承100％需要热处理。4.热处理的分类热处理整体热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面热处理化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;接触电阻加热淬火4.1钢的退火与正火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:为达到工件加工工艺（冷拔、冲压、切削和最终热处理的要求而需要的预备组织和性能所进行的热处理。退火;正火最终热处理:为获得工件在使用条件下要求的组织和性能所进行的热处理。淬火;回火一般零件生产的工艺路线:MechanicaldrivelineengineclutchtransmissionUniversaljointDriveaxleFinaldrivedifferentialPropellershaftHalfaxle钢的正火和退火的应用范围：•各类铸、锻、焊生产的毛坯件或半成品的预备热处理。•对某些性能要求不高的一般机械零件的最终热处理。钢的正火和退火的目的：•消除冶金及热加工过程中产生的某些缺陷。•改善组织和工艺性能，为以后的机械加工及最终热处理做好组织和性能准备。4.1.1退火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后随炉冷却而使钢获得稳定的组织的过程。二)目的:消除应力：稳定尺寸，减少变形和开裂倾向;降低硬度：改善切削加工性;细化晶粒：消除缺陷，改善组织以提高钢的机械性能;均匀成分。为以后的机械加工和最终热处理作好组织准备。三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火等温退火真空退火炉（1）完全退火1、定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随炉缓慢冷却到500ºC~600ºC以下，出炉空冷至室温的工艺过程。2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。3、适用范围：亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时候也用于焊接结构件。4、特点：冷却工艺时间长，生产率低。需说明的是普通退火不能用于过共析钢。（共析钢退火后得到的片状珠光体和网状渗碳体硬度高不易切削。）1、定义：将钢加热到Ac1以上20~40ºC,保温后快速冷却至A1以下20ºC左右，保温一段时间随炉缓冷至600ºC左右，出炉空冷最终获得球状珠光体的工艺过程。2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能，为淬火做准备。3、适用范围：主要用于共析和过共析钢及合金工具钢、轴承钢。4、特点：工艺周期长，生产率低。（2）球化退火（不完全退火）球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体,用P球表示。球状珠光体对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火使网状的二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球粒化，降低硬度，改善切削性能。（3）等温退火1、定义：将钢加热，保温后，以快冷至珠光体转变的温度范围内，作等温停留到奥氏体全部转化为珠光体，然后出炉空冷。2、目的：获得均匀的组织和性能。3、适用范围：亚共析、过共析碳钢，合金钢的铸件、锻件。4、特点：生产周期短，生产效率高。（4）去应力退火（低温退火）1、定义：将钢缓慢加热到Ac1以下温度，一般为500--650ºC,保温后随炉缓冷至200--300ºC以下出炉空冷。2、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。3、适用范围：铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。•需说明的是加热温度低于Ac1，钢不发生相变。（没有发生组织变化）（5）均匀化退火（扩散退火）1、定义：将铸锭或铸件，锻坯加热到Ac3以上150～250ºC（即1050～1150ºC）,保温10～15h后随炉缓冷至室温。2、目的：减少铸件、锻件和焊接件的成分偏析和组织不均匀性。3、适用范围：质量要求高的合金钢铸锭、铸件和锻坯等。4、特点：时间长。需说明的是由于均匀化退火时间长，温度高使钢的晶粒粗大，应再进行完全退火或正火来细化晶粒。四)工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50完全退火Ac1+20～40球化退火500～600去应力退火Ac3+150～250扩散退火（五）退火加热温度范围图(六)热处理后的组织共析钢球化退火组织(化染)700T10钢球化退火组织(化染)5004.1.2正火一)定义:把零件加温到Ac3或Acm线以上30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却至室温的工艺过程。二)目的:1）对低碳钢或低碳合金钢，正火可细化晶粒，提高硬度，改善其切削加工性（适宜的切削加工硬度为170～230HBS）；2）对中碳钢，正火可提高硬度和强度，作为最终热处理；3）对高碳钢，可为球化退火作准备。为最终热处理作好组织准备。三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四)正火的加热温度范围图五）退火和正火的选用1、从切削加工性考虑中、低碳结构钢以正火作为预备热处理，而高碳结构钢（轴承钢）和工具钢则以完全退火为好。过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。2、从使用性能考虑对钢件的性能要求不高时，采用正火作为最终热处理；零件尺寸较大或形状复杂，应选择退火；对钢件的性能要求较高时，采用淬火＋回火作为最终热处理。3、从经济性考虑正火的生产周期比退火短，因此，在可能的条件下应优先选择正火。六）正火与退火区别加热温度不同正火冷却速度较快，得到的珠光体晶粒较细，其硬度和强度较退火的高；其塑性低于退火。正火操作简便，生产周期短，成本较低。热处理与硬度关系合适切削加工硬度•作业：正火和退火的的区别是什么？生产中如何选择正火和退火？下列情况该用退火还是正火？简述原因。1）20钢齿轮锻件2）45号钢小轴轧材毛坯3）T12钢锉刀锻件4）45钢钳口铁锻件钢的淬火一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)获得马氏体或贝氏体的工艺方法。二)目的:为了获得马氏体组织或下贝氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。4.2钢的淬火1)淬火加热温度参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢4.2.1淬火加热温度和加热时间◆为了防止奥氏体晶粒的粗化，一般淬火温度不宜太高，因此只允许超过临界温度30～50℃•⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。(??)预备热处理组织为退火或正火组织。•亚共析钢淬火组织：•0.5%C时为M•0.5%C时为M+A’。65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)正常淬火组织•在Ac1~Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。35钢（含0.35%C）亚温淬火组织亚温淬火组织为F+M，强硬度低，但塑韧性好.•⑵共析钢•淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织:M+Fe3C颗粒+A’。(预备热处理组织为P球)T12钢（含1.2%C）正常淬火组织⑶过共析钢淬火温度:Ac1+30-50℃.(??)2)淬火加热时间(τ)的选择:τ=αKD工件有效厚度(尺寸最小部位)？装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关（1）理想淬火冷却速度（？？）时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf4.2.2淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050（2）常用的淬火冷却介质4.2.3常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种冷却剂中连续冷却至室温的淬火工艺。优点：操作简单，容易实现自动化。缺点:水中淬火变形与开裂倾向大，油中淬火冷却速度小，淬透直径小。（2）双液淬火：将钢件奥氏体化后，先放入一种冷却能力强的介质（盐浴或碱浴中），再把零件迅速移到冷却能力较弱的介质（矿物油）中继续冷却到室温的淬火工艺。优点：克服单液淬火的不足，还可防止变形与开裂。缺点：温度不容易控制。（3）分级淬火（热浴法）：将钢件加热奥氏体化后，浸入温度稍高Ms点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当时间（2～5min）然后取出空冷以获得马氏体组织的淬火工艺。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂；操作简单。缺点：盐浴或碱浴的冷却能力小，只适于形状复杂、尺寸小的工件。（4）等温淬火：将钢件加热奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间等温，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺。优点：淬火内应力小，不易发生变形和开裂，韧性好。缺点：适用于形状复杂，且要求具有较高硬度和强韧性的工具，如模具，成型刀具和弹簧等工件。（5）局部淬火法：仅对钢件需要硬化的局部进行加热淬火的工艺。优点：保证钢件的局部的高硬度，又避免其他部分产生变形和开裂。例如：卡规的卡头就采用的此方法。5）冷处理（深冷处理）1.定义：钢件淬火冷却至室温后，继续在0℃以下的介质冷却的热处理工艺。2.目的：减少钢中的残余奥氏体的量使马氏体量增多，提高钢的硬度和耐磨性，进而提高钢件尺寸的稳定性。3.常用的冷却介质：干冰和酒精的混合剂。4.特点：成本高。只适用精密量具，模具，精密轴承等尺寸稳定性要求高的钢件。4.3钢的表面淬火（一）定义:是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部热处理工艺。（二）工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍为韧性较高的原始组织（退火或正火或调质处理的组织）。（三）表面淬火的分类根据加热方法不同：火焰加热表面淬火感应加热表面淬火激光加热表面淬火电接触加热表面淬火盐浴快速加热表面淬火1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理（?）:利用电磁感应、集肤效应、涡流和电阻热等电磁原理，使工件表层快速加热，并快速冷却的热处理工艺。2）感应加热表面淬火的分类种类频率范围淬硬层深度(mm)应用举例高频感应加热200～300KHz0.5～2.5中、小型轴、销、套等圆柱形零件、小模数齿轮等中频感应加热2.5～8KHz3～10尺寸较大的轴类，大、中模数齿轮工频感应加热50Hz10～20大型零件(φ＞300mm)，如轧辊、火车轮的表面淬火、棒料穿透加热等3）感应加热表面淬火的工艺特点•加热时间短，奥氏体晶粒细小，淬火后表层能获得细小针状马氏体，使钢件表层硬度高脆性低。•感应加热时，钢的加热速度大，在几秒或十几秒的时间使奥氏体温度升高，而且加热温度也高Ac3+80～150℃。•感应加热表面淬火零件不易氧化及脱碳，工件变形小;•淬火层深度容易