第10-12节_钢的热处理工艺

2011年10月31日北京科技大学曾燕屏金属材料学MetalMaterialandHeatTreatment主讲教师：曾燕屏2011年10月31日北京科技大学曾燕屏第二篇工艺篇2011年10月31日北京科技大学曾燕屏第三章金属材料的热处理工艺2011年10月31日北京科技大学曾燕屏020040060080005101520时间(小时)温度(oC)图3-1热处理工艺热处理工艺的概念2011年10月31日北京科技大学曾燕屏所谓热处理工艺，是指把材料加热到预定的温度，在此温度下保持一定时间，然后以预定的速度冷却下来的一种综合工艺。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏§3-1钢的退火与正火一、钢的退火将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为退火。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏退火可以达到以下目的：(1)减小钢锭的成分偏析，使成分均匀化；(2)消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒，均匀组织，并消除内应力；(3)降低硬度，提高塑性，以便于切削加工；(4)改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为淬火作好组织准备。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-2退火与正火的加热温度范围示意图2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-3普通退火(Ⅰ)与等温退火(Ⅱ)示意图2011年10月31日北京科技大学曾燕屏z普通退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上奥氏体化后连续冷却至室温。z等温退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上奥氏体化后，迅速移入另一温度低于Ar1的炉中等温停留，待转变完成后，出炉空冷至室温。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏1.完全退火将亚共析钢加热至Ac3以上20~30℃，保温足够时间奥氏体化后，缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。完全退火的目的为：完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。(1)消除铸锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；(2)消除铸锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工；为加工后零件的淬火做好组织准备。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-4热锻轧钢材完全退火工艺曲线2011年10月31日北京科技大学曾燕屏2.不完全退火z将亚共析钢在Ac1~Ac3之间或过共析钢在Ac1~Acm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。z不完全退火的目的是：细化晶粒，改善组织，消除内应力，降低硬度，以便切削加工。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏3.球化退火z球化退火是一种将钢中碳化物由片状变为粒状的热处理工艺，主要用于过共析钢，是一种不完全退火。z球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。z球化退火的加热温度范围一般为：Ac1+20~30℃2011年10月31日北京科技大学曾燕屏二、钢的正火z正火是将钢加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。z对于过共析碳钢，正火加热温度一般采用Acm以上30~50℃。z对于亚共析碳钢，正火加热温度一般采用Ac3以上30~50℃。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏z对于含有强碳化物形成元素钒、钛、铌等的合金钢，在不引起奥氏体晶粒粗化的条件下，应尽可能采用高的加热温度，以加速合金碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化。z根据过冷奥氏体的稳定性和工件的截面尺寸，正火后可获得不同的组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏正火的目的：(1)对于截面较大的钢材、锻件、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织(如消除魏氏组织或带状组织)，为淬火做好组织准备，此时正火相当于退火的效果。(2)低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度差。改用正火，可提高硬度，改善其切削加工性。(3)可以作为某些中碳钢或中碳低合金钢工件的昀终热处理，以代替调质处理，具有一定的综合力学性能。(4)用于过共析纲，可消除网状二次碳化物，为球化退火做好组织上的准备。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏§3-2钢的淬火与回火一、钢的淬火将钢加热奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火的主要目的是：把奥氏体化后的工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏1.淬火工艺参数的选择(1)加热温度z亚共析碳钢的淬火加热温度为：Ac3+30~50℃z共析及过共析碳钢的淬火加热温度为：Ac1+30~50℃2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-5碳钢的淬火加热温度范围2011年10月31日北京科技大学曾燕屏(2)保温时间z保温时间是指工件装炉后，炉温回升到淬火加热温度后所需保持的时间。z保温的目的是：①使工件透热，即工件整个截面都达到规定的淬火加热温度；②完成加热时的转变过程，获得所需成分的细晶粒奥氏体。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-6钢的理想淬火冷却曲线(3)淬火介质及冷却方法2011年10月31日北京科技大学曾燕屏27027027020030030020200600500100301200110010070水(18℃)水(26℃)水(50℃)水(74℃)10%苛性钠水溶液(18℃)10%氯化钠水溶液(18℃)矿质机油油水乳状液在300~200℃区间在650~550℃区间冷却速度(℃/s)淬火介质表3-1常用淬火介质的冷却速度2011年10月31日北京科技大学曾燕屏常用的淬火冷却方法有四种：①单液淬火：将奥氏体化后的工件迅速投入到一种淬火冷却介质中，冷却到适当温度后取出空冷，这种淬火冷却方式称为单液淬火。②双液淬火：将奥氏体化后的工件迅速投入水中急冷，防止工件发生珠光体和贝氏体转变，待工件表面温度接近Ms点时，立即从水中取出，投入油中冷却，在油冷过程中发生马氏体转变，这种淬火冷却方式称为双液淬火。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏③分级淬火：将奥氏体化后的工件迅速投入温度略高于或略低于Ms点的盐浴或碱浴中保持适当时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体，这种淬火冷却方式称为分级淬火。④等温淬火：将奥氏体化后的工件快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体，这种淬火冷却方式称为等温淬火。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-7各种淬火方法的冷却曲线示意图(a)单液淬火(b)双液淬火(c)分级淬火(d)等温淬火2011年10月31日北京科技大学曾燕屏(a)(b)图3-8工件截面上各点的冷却速度(a)与未淬透区(b)示意图2.钢的淬透性2011年10月31日北京科技大学曾燕屏z淬透层深度为：表面至半马氏体区(即由50%马氏体和50%非马氏体组成)的距离。z钢的淬透性：是指以在规定条件下钢试样淬透层深度和硬度分布来表征的材料特征，它主要取决于钢的临界淬火冷速的大小。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-9淬透-未淬透区过渡部分的马氏体量与硬度变化2011年10月31日北京科技大学曾燕屏淬透性的测定方法①断口评级法z按国标GB227-63规定，试样尺寸为20mm×20mm×100mm，中间开一个V型缺口；或Φ22mm×100mm，中间开环形缺口，缺口深均为3~5mm。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏z标准中规定了0~5六个级别，0级淬透性昀小，5级淬透性昀大。z将试样分别加热至760、800和840℃淬火，从缺口处打断试样，观察其断口形貌，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级。z此方法主要适用于碳素工具钢，低合金工具钢也可参照使用。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-10顶端淬火法示意图(a)淬火装置；(b)淬透性曲线(a)(b)喷水柱自由高度为65mm②顶端淬火法(GB225-63)2011年10月31日北京科技大学曾燕屏钢的淬透性应表示为J，d为至水冷端距离；HRC为该处的硬度值。dHRC顶端淬火法适用于碳素结构钢和合金结构钢。临界淬透直径：是指在某种淬火介质中，圆柱形试样中心刚好为50%马氏体组织时的昀大直径。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-11不同直径棒材横截面上各点与顶端淬火试样轴向各点的冷却速度对照图(a)淬入缓动水中；(b)淬入缓动油中2011年10月31日北京科技大学曾燕屏二、钢的回火回火是将淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后以适当方式冷却至室温的一种热处理工艺。回火的主要目的：(1)获得所需组织以改善性能；(2)稳定组织与尺寸；(3)消除内应力。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏按回火温度的不同，可将回火分为以下三类：1.低温回火z目的是在保持高强度、高硬度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性。z在150~250℃之间进行，回火后组织为回火马氏体。z主要用来处理刀具、量具、冷作模具、滚动轴承和渗碳件等。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏2.中温回火z在350~500℃之间进行，回火后组织为回火屈氏体。z中温回火后的钢具有昀高的弹性极限和足够的韧性。z主要用来处理各种弹簧，也可用于处理要求高强度的工件，如刀杆、轴套等。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏3.高温回火z在500~650℃之间进行，回火后组织为回火索氏体。z淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。z调质处理后工件既具有较高的强度，又具有良好的塑性和韧性，即具有高的综合力学性能。z调质处理广泛用于要求高强度并受冲击或交变负荷的重要工件，如连杆、轴等。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏§3-3钢的表面淬火为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏图3-12感应加热表面淬火示意图一、感应加热基本原理2011年10月31日北京科技大学曾燕屏z将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，这个电流在工件内自成回路，称为涡流。z工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面电流密度昀大，心部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏电流透入工件表面层的深度为：f20δ=(冷态20℃)δ=(热态800℃)f500式中δ—电流透入深度(mm)；f—电流频率(Hz)。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏工件表面在感应电流作用下，很快被加热到淬火温度，而后又被急速冷却，这一过程就是感应加热表面淬火处理。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏二、感应加热表面淬火的特点1.感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，速度快(可达1000℃/秒)，无保温过程。2.这使钢的临界点AC1、AC3有不同程度提高，故加热温度高于一般淬火，为AC3以上80~150℃。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏4.感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，能有效地提高工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。5.感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。3.能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脱碳少。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏三、感应加热表面淬火设备及应用根据电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为以下三类：(1)高频感应加热淬火采用电子管式高频设备，工作频率通常为200~250kHz，可获得1~2mm厚的硬化层，一般用于处理中小模数齿轮和小轴。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏(2)中频感应加热淬火生产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz的电流，能获得3~5mm厚的硬化层。主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。2011年10月31日北京科技大学曾燕屏(3)工频感应加热淬火工频感应加热是采用工业上常用的50Hz工频电流，因而只需降压变压器。能获得10~15mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，如大工件的表面淬