第3章-钢的热处理

第三章钢的热处理（一）基本要求：1.理解钢的热处理原理，即成份——组织——性能、组织——性能之间的关系；2.掌握钢的热处理工艺方法；3.了解金属材料热处理新技术发展情况。（二）教学内容：1.钢的热处理原理，在加热时的转变、钢在冷却时的组织转变规律；2.钢的普通热处理及钢的表面热处理方法：退火、正火、淬火、回火、淬硬性、淬透性、表面和化学处理；3.金属材料热处理新技术发展情况。难点：热处理工艺原理；重点：热处理工艺方法的应用。钢的热处理是把固态下的钢，通过加热、保温和冷却，使其组织、结构发生变化，获得所需性能的工艺方法。热处理可以是中间工序，也可以是最综工序。热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火、正火、淬火、回火时效、冷处理等表面淬火化学热处理火焰加热感应加热激光热处理等渗碳渗氮碳氮共渗形变热处理真空热处理其他3.1钢的热处理实际加热或冷却时存在着过冷或过热现象，因此将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。3.1.1钢的热处理原理1.奥氏体的形成过程奥氏体化是形核、长大和成分均匀化的过程，分为四步。现以共析钢为例说明：第一步奥氏体晶核形成：首先在F与Fe3C相界形核。第二步奥氏体晶核长大：A晶核通过碳原子的扩散向F和Fe3C方向长大。第三步残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。第四步奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。一、钢在加热和保温时的转变亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析F或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。2.奥氏体晶粒长大及其影响因素（1）奥氏体晶粒长大奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。奥氏体晶粒长大过程与再结晶晶粒长大过程相同。在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010℃奥氏体化后，设法把奥氏体晶粒保留到室温来判断。A晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。（2）影响奥氏体晶粒长大的因素a.加热温度和保温时间:加热温度高、保温时间长,晶粒粗大.b.加热速度:加热速度越快,过热度越大,形核率越高,晶粒越细.c.合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素:Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。d.原始组织:接近平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷后的组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。二、钢在冷却时的组织转变钢加热到A1以上温度时，奥氏体是稳定的相，当重新冷却到Ar1以下时就成为不稳定的过冷奥氏体，将发生组织转变。热处理中冷却方式有连续冷却和等温冷却两种形式。连续冷却：至于某种介质中，温度连续下降。如水冷、油冷、空冷等温冷却：迅速冷却到Ar1以下某一温度，成为过冷奥氏体。如等温退火、等温淬火1.奥氏体等温转变图（C曲线）亚共析钢的C曲线过共析钢的C曲线2.奥氏体连续冷却时的转变C3.奥氏体冷却时的转变的应用共析钢的等温冷却和连续冷却3.1.2热处理方法及应用一、热处理工艺（一）钢的退火和正火退火：将钢件加热到临界温度A1以上或以下某一温度，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却，使其结构组织达到平衡状态的热处理工艺。根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火等。（1）完全退火：将钢加热到Ac3以上30-50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却到300℃左右出炉空冷至室温的热处理操作。完全退火主要用于亚共析钢的铸、锻及热轧型材，也用于焊接件，以改善组织，细化晶粒，降低硬度，消除内应力。对过共析钢不宜采用。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。（2）等温退火：将钢件加热到Ac3（或Ac1）以上，保温适当时间后，较快地冷却到稍低于Ar1的温度，再进行等温处理，使奥氏体转变为珠光体，然后在空气中冷却。等温退火对于亚共析钢可完全替代完全退火，对于共析钢、过共析钢可完成替代球化退火。目的：降低硬度，提高塑性，改善加工性能；细化晶粒，消除组织缺陷；消除内应力。（3）球化退火：将钢件加热至Ac1以上20-30℃，保温一定时间后，缓慢冷却至Ar1以下20℃左右，等温一段时间，再随炉冷却至600℃左右出炉，空冷至室温。是为使钢中碳化物球状化而进行的一种不完全退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢及合金工具钢，降低硬度，提高塑韧性，改善切削性能。球化退火使碳化物球化，是粒（球）状渗碳体分布在铁素体基体上的混合物，为淬火作组织准备。（4）均匀化退火（扩散退火）：将铸件加热到略低于固相线的温度约1050℃～1150℃，长时间保温（10－20h）缓慢冷却用以消除某些具有化学成分偏析的铸钢及锻轧件，退火温度高，得到的晶粒粗大。随后经完全退火来细化晶粒。（5）去应力退火：即低温退火。将钢件加热至Ar1以下某一温度约500℃～600℃，保温后随炉缓慢冷却到160℃以下空冷。去应力退火是一种无相变退火，是为去除工件内存在的残余应力，稳定尺寸，防止工件在后续工序中变形开裂而进行的退火。一般去应力退火应在精加工之前或淬火之后，用于所有的钢。扩散退火正火：将钢件加热至Ac3或Acm以上30--50℃，保温一定时间后出炉，在空气中冷却的热处理工艺。退火与正火的主要区别：1.正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大。2.正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。目的：1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；2）对中碳钢，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。正火温度（二）钢的淬火和回火淬火：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间后快速冷却到室温的获得马氏体组织或贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的：获得高硬度的马氏体组织或贝氏体组织，以提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承等。理想淬火曲线示意图MsMf理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在650度以上和400度以下尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水、盐水和油。水：过A稳定性差较差的碳钢盐水：形状简单、淬硬层要求较深、硬度高而均匀、表面光洁、变形要求不严，截面尺寸较大的碳钢。油：过A比较稳定的合金钢。淬火的关键工艺2.淬火冷却介质1.淬火温度的选择：为了防止奥氏体粗大，一般淬火温度在临界温度以上30～50℃。常用淬火分单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。a.单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。b.双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷。优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。c.分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，短时间停留，待内外温度均匀后再取出空冷。可减少内应力，硬度比较均匀，用于小尺寸工件。d.等温淬火法将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小。适用于形状复杂及要求较高的小型件。回火：是将淬火后的钢件加热至Ac1以下某一温度,保温一段时间后冷至室温的热处理工艺。回火的目的：降低脆性，减少内应力，调整硬度，提高塑性、韧性，稳定工件尺寸。（1）回火时组织转变以碳钢为例：a.马氏体开始分解（100～200℃）：碳原子以ε-碳化物形式从马氏体中逐渐析出。回火马氏体。b.残余奥氏体分解（200～300℃）：残余奥氏体转变为回火马氏体和下贝氏体。c.渗碳体形成（250～400℃）：ε-碳化物转变为极细小的渗碳体。回火托氏体。d.铁素体的回复和再结晶，碳化物颗粒聚集长大（400℃以上）。回火索氏体。1.低温回火：(150～250℃）回火后的组织是回火马氏体组织。可降低钢中残余应力和脆性，保持钢淬火后的高硬度和高耐磨性。主要用于刀具、量具、冷冲模具、滚动轴承及精密偶件。2.中温回火：（350～500℃）回火后的组织是回火托氏体组织，有较高的弹性极限、屈服极限和一定的塑性、韧性。主要用于各种弹簧钢、热锻模等处理。3.高温回火：（500～650℃）回火后的组织是索氏体组织，基本残余应力基本消除。能得到强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。主要用于传动轴、齿轮、连杆的热处理。调质：淬火加高温回火（三）钢的表面处理表面热处理：是对工件表层进行热处理,以改变其组织和性能的热处理工艺。主要用于某些承受交变载荷或在摩擦条件下工作的零件，以及要求“表硬心韧”。1.表面淬火：(1)通过快速加热使钢件的表面迅速达到淬火温度，然后立即激冷形成马氏体组织，具有高硬度、高耐磨性；(2)在热量尚来不及传到心部时立即迅速冷却，故能仍然保持心部淬火前的调质或正火组织，具有良好的韧性与塑性。表面淬火的加热方法有电感应、火焰、电接触加热等。2.化学热处理：是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使元素渗入其表层的化学热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层的组织，且改变了表层的化学成分。化学热处理按所渗入的元素可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。1.表面淬火感应加热表面淬火的原理火焰加热表面淬火操作:高温火焰加热工件表面，随后水冷淬火。特点:（1）方法简单、不需贵重设备。（2）工件大小不受限制（3）加热温度不易控制，淬火质量不够稳定。火焰加热表面淬火示意图工件喷水管烧嘴淬硬层喷水管、烧嘴移动方向激光加热表面淬火方法：是用激光束扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，而当激光束离开工件表面时，由于基体金属的大量吸热，使表面急速冷却，而无需冷却介质。淬硬层深度：0.3—0.5mm应用：形状复杂的工件，如工件的拐角、沟槽、盲孔底部或深孔的侧壁进行处理。2.化学热处理：是将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变表层的组织，且改变了表层的化学成分。常用：a.提高硬度：渗碳、渗氮、渗硼等b.提高抗高温氧化性：渗铝、渗铬等c.提高抗腐蚀性：渗硅、渗氮等化学热处理三个过程：a.活性原子产生b.活性原子被工件表面吸收c.活性原子由工件表面向心部扩散渗剂分解释放活性原子活性原子在工件表面吸附活性原子由表面向心部扩散含活性原子的渗剂工件工件1）渗碳为了增加钢件表层的碳质量分数和一定的碳浓度梯度，将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。其目的：高的表面硬度（HRC58-63），好的耐磨性，高的接触疲劳强度，弯曲疲劳强度，高的冲击韧性等。应用：适用于承受磨损，交变接触应力或弯曲应力和冲击载荷的机器零件。如：轴，活塞销、齿轮、凸轮轴既表面要求高硬度，心部要求足够强度和韧性。渗碳方法有气体渗碳和固体渗碳。气体渗碳示意图渗碳温度：900～950℃渗层厚度：1～2毫米渗碳时间：7小时左右+-加热炉密封箱工件固体渗碳剂固体渗碳示意图泥封在渗CT加热渗C（930℃，3～5h）渗剂：固体碳粒：木炭（70-90%）+催渗剂：碳酸钠、BaCO3单件、小批量渗碳后热处理及组织a.渗碳后热处理：淬火+低温回火b.热处理后组织：渗层含碳量：0.85～1%左右；渗层组织：回火马氏体+少量碳化物心部组织：回火低碳马氏体+铁素体性能：表HRC：58～64心HRC40以下