热处理工艺课件

第三章钢的热处理工艺热处理方法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表面淬火化学热处理火焰加热感应加热渗碳氮化碳氮共渗其他形变真空其他美国热处理技术发展路线图美国能源部(DOE)、金属学会的热处理学会(ASM2HTS)和热处理协会(HTI)从1997年开始花了7年时间的筹备,于2004年正式公布的美国热处理技术发展路线图(heattreatingtechnologyroadmapupdate22004HTSrevision),其目的是为了提高热处理的生产技术水平和经济效益,所以路线图初稿(1997)特别标明是针对热处理加工企业(roadmapworkshop)的。2020年要实现的目标,即节约80%的能源,工艺周期缩短50%,生产成本降低75%,热处理炉使用寿命提高10倍,炉子价格降低50%,热处理件零畸变,零质量分散度,企业利润率保持25%以上,和用户保持10年以上的固定协作关系,热处理生产零排放,炉衬厚度减少一半,隔热能力提高一倍。我国热处理现状我国的热处理行业是随着机械制造业的发展而发展起来的。1949年以前,由于连年战乱,除了少数军工企业外,基本上没有机械制造业,当然也就不存在热处理行业。1949年以后,随着工业建设的发展,在前苏联援建的大型机械制造工厂中出现了现代化的热处理车间,最有代表性的就是长春一汽和洛阳拖拉机厂的热处理车间。改革开放以来,随着机械制造业的蓬勃发展,热处理行业也得到了迅猛发展,大厂的热处理车间得到了更新改造,小型热处理专业厂如雨后春笋遍地开花,还出现了设备先进、资金雄厚、管理严格的外资专业热处理厂,使得我国热处理水平有了很大提高。但是令人遗憾的是我国热处理行业还存在许多问题,严重制约了我国机械制造产品质量的提高。1)重数量、轻质量的错误思想至今存在,致使热处理至今没有得到应有的重视;2)钢料市场混乱、质量欠佳且极不稳定,导致热处理质量难以控制;3)采取牺牲质量来降低成本以提高竞争能力的恶性竞争导致质量滑坡;4)许多小热处理专业厂的设备十分落后,致使热处理质量差、排污、能耗居高不下;5)重材料、轻热处理,导致全国100多个金属材料热处理专业中的绝大部分均改以材料为主,大大减少了热处理专业的毕业生人数;6)重金融、重管理,轻生产,导致生产一线的技术人员大量流失。据初步了解,一流大学热处理专业毕业生大部分去了国外,二流大学热处理专业也只有20%的毕业生在从事热处理技术工作,其他的都改了行,结果导致热处理技术人才奇缺;7)热处理技术乏人开发,工厂缺乏开发新技术的意识,高校及研究机构大多转向新材料的研究,开发热处理新技术的经费无从落实,热处理新技术方面的研究课题很难得到国家资助。我国急需解决的热处理技术问题1)节能问题。在美国的发展规划中提出:“能源消耗减少80%”,这确实是一个惊人的指标。目前美国的热处理能耗是400kW·h/t,如减少80%,就得降至80kW·h/t,这令人很难想象。目前我国的热处理能耗较美国高1倍,即800kW·h/t。2)热处理件实现零畸变和最低的质量分散度。3)加热炉使用寿命增加9倍,加热炉价格降低50%。延长加热炉使用寿命的前提应该是必须保证加热炉的各项性能指标和经济指标。这与我国流行的“小车不倒只管推”绝对是两回事。目前我们的问题主要是如何强制淘汰能耗大、效率低,温度不均的旧设备。4)生产实现零污染。这是一个大难题,因为我们欠账实在太多。前30年的高速发展没有对环境造成的污染引起足够重视这种做法再也不能继续下去了,我们必须弄清热处理究竟造成了哪些污染并设法解决。5)新工艺新技术的开发与应用。为了实现发展规划,美国热处理学会开出了一张需要解决的70多个项目的清单。§3-1钢的退火与正火退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢的速度冷却（炉冷）下来，使之获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。一、完全退火工艺：把钢加热至Ac3以上20℃～30℃,保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却),以获得接近平衡组织（完全奥氏体化）的热处理工艺。目的:通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。应用:完全退火一般用于亚共析钢。二、球化退火工艺：目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。应用：共析钢、过共析钢和合金工具钢。组织：球状珠光体。三、扩散退火工艺：一般在Ac3或Accm以上150～300℃，长时间保温（10h以上），随炉缓冷。目的：减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。四、去应力退火工艺：一般是将工件随炉缓慢加热至500～650℃，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。五、再结晶退火工艺：钢材的再结晶退火温度为650～700℃。经一段时间保温后随炉缓慢冷却。目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。六、钢的正火正火的加热温度为Ac3或Accm以上30～50℃，保温以后的冷却方式在空气中进行。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低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。②过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。③某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。45钢正火与退火性能比较Σb（MPa）Σs（MPa）δ10（%）αk（J/cm2）HB冷却速度组织晶粒度退火600-700300-35015-2040-60-180慢45%F+55%P细正火700-800350-40015-2950-80-220稍快30%F+70%P更细（较细，但易过热）（硬度低不等于不好）典型零件用钢的化学成分及临界温度推荐钢号化学成分，w.t.%临界温度（℃）CMnSiCr40Cr0.37～0.450.50～0.800.20～0.400.80～1.10Ac1743、Ar1693Ac3782、Ar373045﹟钢0.42～0.500.50～0.800.17～0.37Ac1724、Ar1682Ac3780、Ar3751GCr61.05～1.150.20～0.400.15～0.350.40～0.70Ac1740、Ar1700GCr150.95～1.050.20～0.400.15～0.351.30～1.65Ac1745、Ar170065Mn0.57～0.650.60～0.901.50～2.00Ac1750、Ar1810Ac3700、Ar377060Si2Mn0.62～0.700.90～1.200.17～0.37Ac1726、Ar1689Ac3765、Ar3741T8A0.75～0.840.20～0.400.15～0.35Ac1730、Arcm700T10A0.95～1.040.15～0.350.15～0.35Ac3730、Arcm7009SiCr0.85～0.950.30～0.601.20～1.600.95～1.25Ac1770、Ar1730CrWMn0.90～1.05《0.400.80～1.100.90～1.20Ac1750、Ar17105CrMnMo0.50～0.601.20～1.600.25～0.600.60～0.90Ac1710、Ar1650§3-2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。一、淬火加热淬火加热温度的选择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：Ac3以上30～50℃；过共析钢：Ac1以上30～50℃。例：45钢在780℃、860℃、1000℃加热、水冷后组织和性能有和不同。保温时间：τ=αKD（min）α—加热系数，K—装炉修正系数，D—有效厚度（形状）淬火加热缺陷（1）过热：工件在淬火加热时，温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。使得强度和韧性降低，易于产生脆断，易引起淬火裂纹。退火或正火可消除。(魏氏组织)（2）过烧：工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或局部熔化的现象。无法补救，只得报废。（3）氧化：2Fe+O2====2FeOFe+CO2====FeO+COFe+H2O====FeO+H2减小工件尺寸，降低表面粗糙度，并影响淬火冷却速度；温度越高，氧化越严重。（4）脱碳：C+O2====CO2C+CO2====2COC+H2O====CO+H2C+2H2====CH4降低表面硬度、耐磨性、疲劳强度。温度越高，时间越长，脱碳越严重。防止：盐浴加热，保护气氛加热，真空加热，装箱加热二、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。为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。•淬火应力(热应力和组织应力)1.热应力1)产生原因:内外温差淬火热应力圆柱试样Ac1以下电位差计热电偶2)应力结果:表层—压应力,心部—拉应力•淬火应力(热应力和组织应力)1.热应力1)产生原因:内外温差2)应力结果:表层—压应力,心部—拉应力3)影响热应力因素:（1）冷却速度：V↑→→σ↑（2）淬火温度：T↑→→σ↑（3）截面尺寸：D↑→→σ↑（4）线膨胀系数：α↑→→σ↑1)产生原因:冷却时组织转变的不同时性2)应力结果:表层—拉应力,心部—压应力(与热应力相反)3)影响因素:（1）化学成分:含碳量Wc↑→→σ↑合金元素W↑→→σ↑（2）冷却速度：V↑→→σ↑（3）淬火温度：T↑→→σ↑（4）截面尺寸：D↑→→σ↑（5）线膨胀系数：α↑→→σ↑•淬火应力2.组织应力（1）含碳量:Wc高---组织应力为主Wc低---热应力为主（2）合金元素:W↑→→热应力↓/组织应力σ↑（3）截面尺寸：D大--热应力为主D小---组织应力为主影响内应力大小的主要因素三、淬火方法为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。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。§3-3钢的淬透性网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。一、淬透性的概念M量和硬度随深度的变化淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。二、淬透性与淬硬层深度的关系同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。三、影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素.即除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。四、淬透性的测定及其表示方法1、淬透性的测定常用末端淬火法示，J表示末端淬透性，d表示半马氏体区到水冷端的距离，HRC为半马氏体区的硬度。2、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲线表示dHRCJ即用表⑵用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40CrD0油=20m