金属材料热处理

第4章金属材料热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。4.1退火与正火4.1.1.退火退火是将钢加热到一定温度，保温后炉冷，使之获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。在机械制造中，退火与正火通常用作为预备热处理。赋予毛坯良好的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能上的准备。退火的目的是：（1）降低硬度，改善切削加工件。（2）消除残余应力。（3）细化晶粒，消除组织缺陷。（1）完全退火加热到Ac3以上30～50℃保温后，炉冷至500℃以下再空冷的处理工艺。主要用于亚共析钢和中、低碳合金钢。组织为F+P。（2）球化退火加热到Ac1以上20～30℃保温后，炉冷至500℃以下再空冷的处理工艺。球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。获得粒状珠光体。（3）扩散退火加热在Ac3或Accm以上150～300℃，长时间保温。扩散退火后需要再进行完全退火或正火。（4）去应力退火是将工件加热至500～650℃保温后随炉缓慢冷却。用于铸件、焊件等。4.1.2.正火加热温度为Ac3或Accm以上30～50℃，保温后空冷。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。正火的应用：①提高低碳钢(低合金钢)硬度，改善切削加工性能。②消除过共析钢的网状碳化物。③某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，可作为最终热处理。退火与正火工艺规范比较4.2钢的淬火将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。4·2·1淬火加热温度和加热时间应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上30～50℃；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上30～50℃。加热时间与加热温度、加热速度、成分、零件形状和尺寸、装炉方式等有关。4·2·3淬火冷却方法通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。4·2·2淬火冷却介质常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。4.3钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。4.3.1感应加热表面淬火感应加热是利用电磁感应原理。高频100~500kHz0.5~2.0mm中频2.5~8kHz2~10mm工频50Hz10~15mm特点：加热速度快、时间短、氧化脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，表面层具有较大的残余压应力，可提高疲劳强度。4.3.2火焰加热表面淬火利用乙炔-氧或其他气体火焰加热。淬硬层为2~8mm。4.4钢的回火将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。4·4·1回火目的（1）消除或降低应力，防止变形或开裂。（2）调整性能（硬度）（3）稳定组织，稳定形状和尺寸，保证精度。4.4.2回火组织转变及性能变化1.钢在回火时的组织转变(1)马氏体的分解（200℃以下）100℃以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和α固溶体中析出弥散的ε碳化物。一定饱和度的α固溶体和弥散分布的ε碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体。(2)残余奥氏体分解(200～300℃)在200～300℃之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的α固溶体和ε碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。(3)渗碳体的形成(250~400℃)在300～400℃范围内回火，ε碳化物将向渗碳体转变。由饱和针状的α固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体。(4)渗碳体的聚集长大(400℃以上)回火温度升高到400℃以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的α相和小颗粒粒状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体。2.回火后的组织和性能(1)回火马氏体(250℃以下)(2)回火托氏体(350~500℃)(3)回火索氏体(500~650℃)1.低温回火在150～250℃之间。获得回火马氏体（还有其他组织），使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。用于高硬度和高耐磨性的工件，如工具、滚动轴承等。2.中温回火在350～500℃之间，组织为回火托氏体。具有高的弹性极限，用于各种弹簧件。3.高温回火在500～650℃之间，得到回火索氏体。具有高的综合力学性能。用于制作轴、连杆、螺栓及齿轮等重要零件。4.4.3回火工艺及应用钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降的现象。⑴在250～400℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性；为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。⑵在450～650℃温度范围内回火后缓冷时出现的脆性称为高温回火脆性，也叫第二类回火脆性。防止和减弱第二类回火脆性的主要措施:合金钢回火后快速冷却;在钢中加Mo、W等合金元素;4.4.4回火脆性4.5钢的淬透性4.5.1钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。淬硬层深度是从淬硬的工件表面量变至规定的硬度值处的垂直距离。dHRCJ淬透性的影响因素：①碳含量共析钢淬透性最好。②合金元素除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，提高钢的淬透性。③奥氏体化温度提高奥氏体化温度，增加其淬透性。④钢中未溶第二相降低淬透性。淬透性可用“末端淬火法”测定。其表示法：d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离,HRC为该处的硬度值。4.5.2淬透性的测定方法生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。(1)动载和交变载荷下(2)弹簧类零件(3)轴类零件(4)工具类零件4.5.1淬透性与选材的关系4.6固溶处理与时效强化固溶处理:图中N-M间的合金α+βαα’时效强化:在室温下放置或低温加热时，α’α+脱溶相造成强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。时效需满足的条件:对合金元素具有一定的溶解度；固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。Wc为4%的Al-Cu合金的时效曲线加热水冷4.7钢的化学热处理化学热处理：钢件活性介质中保温原子渗入工件表面改变表层化学成分和组织改进表面性能。基本过程：①化学介质的分解；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。4.7.1钢的渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是获得表面高硬度、耐磨性，心部良好韧性的配合。1.渗碳方法渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。渗碳温度930℃左右，表层碳量控制在1%左右。2.渗碳后的组织渗后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织、共析组织、亚共析组织的过渡区，直至心部的原始组织。3.渗碳后的热处理渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。热处理后的组织：表层回火马氏体+碳化物+Ar；心部取决淬透性4.7.3钢的碳氮共渗碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。4.7.2钢的渗氮渗氮是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。生产中应用较多的是气体渗氮。进入下一节4.8热处理零件的结构工艺性和技术条件标注4.8.1热处理零件的结构工艺性(1)力求避免尖角、棱角(2)截面厚薄尽量均匀(3)形状尽量对称和封闭(4)采用组合结构5×××□热处理技术条件的标注附加分类工艺代号加工方法工艺名称工艺类型热处理基础分类工艺代号4.8.2热处理技术条件的标注表4.6热处理工艺分类及代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5整体热处理1退火1加热炉感应12正火2淬火3淬火和回火4调质5稳定化处理6火焰3固溶热处理;水韧处理7固溶处理和时效8续表4.6热处理工艺分类及代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5表面热处理2表面淬火和回火1电阻激光45物理气相沉积2化学气相沉积3等离子体2气相沉积4续表4.6热处理工艺分类及代号工艺名称代号工艺类型代号工艺名称代号加热方法代号热处理5化学热处理3渗碳1电子束等离子体67碳氮共渗2渗氮3氮碳共渗4渗其他非金属5渗金属6其他8多元共渗7熔渗8热处理技术条件标注举例45钢Ⅱ轴45钢摇杆表面淬火标注实例4.9热处理技术新进展4.9.1形变热处理1.高温形变热处理2.低温形变热处理4.9.2超细化热处理4..9.3真空热处理1.真空退火2.真空淬火3.真空渗碳4.9.4离子轰击热处理4.9.5激光热处理4.9.6电子束热处理4.9.7计算机辅助热处理生产避免厚薄悬殊采用对称结构采用封闭结构