钢的热处理工艺.

第三节掌握钢的热处理工艺•改善钢的性能，主要有两条途径：•一是合金化•二是热处理历史三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时可转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。讨论：古代的兵器为什么要放在水中冷却？打铁铁匠为什么都配有一个水桶？•在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。•在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用.模具、滚动轴承100%需经过热处理。总之，重要零件都需适当热处理后才能使用。1.钢热处理的概念、目的和过程热处理:将固态的钢在不同的加热、保温和冷却的处理下，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。热处理的目的：通过改变组织达到改变性能的目的。热处理的过程：任何一种热处理都要经过加热，保温，冷却三个过程，因此，最高加热温度，保温时间，冷却速度就成为热处理工艺的三大要素。•2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。热处理的工艺过程包括加热、保温和冷却三个阶段，它可用温度一时间坐标图形来表示，称为热处理工艺曲线。加热到预定的温度（最高加热温度）在预定的温度下适当保温（保温时间），保温的时间与工件的尺寸和性能有关以预定的冷却速度冷却（冷却速度）。冷却速度取决于所需的组织和性能。钢在室温下的组织（即奥氏体化前的组织为平衡组织的情况）Fe－Fe3C平衡图（钢的部分)标明了钢的组织转变情况•对于加热：非平衡条件下的相变温度高于平衡条件下的相变温度；•对于冷却：非平衡条件下的相变温度低于平衡条件下的相变温度。•这个温差叫滞后度：加热转变→过热度冷却转变→过冷度•加热与冷却速度越大，导致过热度与过冷度越大。此外，过热度与过冷度的增大会导致相变驱动力的增大，从而使相变容易发生。2.过热度与过冷度(加热时的临界点加注脚“C”字)(冷却时的实际转变温度加注脚“r”)Ac1Ac3AccmAr1Ar3Arcm平衡状态相变线：A1、A3、Acm加热实际相变线：Ac1、Ac3、Accm冷却实际相变线：Ar1、Ar3、Arcm3.钢的加热与冷却相变线实际相变温度与理论转变温度之间的关系4.共析钢加热转变（奥氏体形成）过程奥氏体形核（在F/Fe3C相界面上形核）奥氏体晶核长大（F→A晶格重构，Fe3C溶解)残余Fe3C溶解奥氏体均匀化温度：室温→Ac1F+Fe3C→A结构：体心复杂面心含碳量：0.02186.690.775.亚共析钢和过共析钢加热（A形成）过程的转变珠光体的转变：其奥氏体的形成过程是先完成珠光体向奥氏体的转变，此转变过程同共析钢。亚共析钢和过共析钢与共析钢的区别是存在先析相。先析相的溶解：对于亚共析钢：平衡组织F+P，当加热到AC1以上温度时，P→A；在AC1～AC3的升温过程中，先析的F逐渐溶入A。即P+F→A+F→A对于过共析钢：平衡组织Fe3CⅡ+P，当加热到AC1以上时，P→A；在AC1～ACCM的升温过程中，二次渗碳体逐步溶入奥氏体中。即P+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A6.钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体——高温时所形成的奥氏体冷却到A1点以下尚未发生转变的奥氏体。冷却方式：等温冷却和连续冷却。冷却方式不同、冷却速度不同，组织转变的产物不同、钢的性能也不同7.共析钢过冷奥氏体等温冷却转变共析钢奥氏体等温转变曲线A1线以上是奥氏体稳定存在区；转变开始线以左的区域是过冷奥氏体区；转变终了线的右方是转变产物区；A1线以下两条曲线之间是转变过渡区，过冷奥氏体和转变产物同时存在；水平线Ms为马氏体转变开始温度线Mf为马氏体转变终了温度线Ms～Mf之间为马氏体转变温度区(1)珠光体型转变（高温转变）珠光体型组成：F和Fe3C片层的机械混合物转变温度范围与转变产物形态：A1~650℃：粗片珠光体P20HRc650~600℃：索氏体S（细P）30HRc600~550℃：屈氏体T(极细P)40HRc珠光体性能：珠光体片越细HB↑，σb↑且δ↑，αk↑(2)贝氏体转变（中温转变）贝氏体组成：F和针状的Fe3C的机械混合物转变温度与转变产物形态：550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差，40-45HRc350~230℃：下贝氏体（B下）针片状组织综合性能好，45-50HRc(3)马氏体转变(低温转变)马氏体组成：碳在α-Fe中的过饱和固溶体（无渗碳体）低碳M(C0.2%)板条M高碳M(C1.0%)片状M碳含量（0.2—1.0%）混合M转变温度与转变产物形态：强而韧、塑性、韧性好硬而脆、塑性、韧性差珠光体型转变（高温转变）贝氏体转变（中温转变）马氏体转变(低温转变)F和Fe3C片层的机械混合物F和针状的Fe3C的机械混合物，但F中碳的溶解度过饱和碳在α-Fe中的过饱和固溶体（无渗碳体），转变速度极快，有残余A，影响性能类别组成细分A1~650℃：粗片珠光体P20HRc650~600℃：索氏体S（细P）30HRc600~550℃：屈氏体T(极细P)40HRc550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差，40-45HRc350~230℃：下贝氏体（B下）针片状组织综合性能好，45-50HRc低碳M(C0.2%)板条M高碳M(C1.0%)片状M碳含量（0.2—1.0%）混合M其他热处理普通热处理表面热处理热处理退火正火淬火回火真空热处理形变热处理激光热处理控制气氛热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。一、退火（炉冷）（1）降低硬度，改善切削加工性，适合加工的硬度为170-250HB。（2）消除应力，稳定尺寸，防止加工中变形（3）细化晶粒，调整组织，消除缺陷，为后续热处理作准备。1．退火的目的真空退火炉（1）完全退火（2）球化退火（3）去应力退火（4）均匀化退火2.退火的分类加热温度：Ac3+30-50℃组织：P+F（1）完全退火目的：①细化，均匀化粗大、不均匀组织②接近平衡组织——调整硬度→切削性↑③消除内应力应用范围：亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。加热温度：Ac1以上20-30度应用范围：过共析钢组织：球状P（F+球状Fe3C）目的：①使渗碳体球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑②为淬火作准备（2）球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。（3）去应力退火温度：500-650℃目的：消除残余应力二、钢的正火将钢件加热到Ac3或Accm线以上30~50ºC，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。1、定义：二、钢的正火（2）3、目的：a)冷却速度比退火快，周期短、能耗少。b)组织细小（索氏体），因而钢的力学性能有所提高。2、特点：①细化晶粒，提高强度，提高低碳钢和低合金钢硬度，改善切削加工性（避免“粘刀”现象）。②对过共析钢进行正火，可减少或消除网状碳化物（二次渗碳体），为球化退火做准备；③取代部分完全退火（正火操作简便，生产周期短，消耗少），对低碳钢、含碳较低的中碳钢可达到消除应力。④可作为淬火前的预备热处理，也可用于普通零件的最终热处理。钢的退火与正火一、淬火的概念真空淬火炉淬火加热温度过共析钢的淬火温度一般为Ac1＋30～50℃。得到的组织为马氏体和粒状渗碳体.如果过高,奥氏体晶粒粗化,淬火后得到粗针状马氏体,增加脆性,残余奥氏体增多,降低硬度和耐磨性.亚共析钢的淬火温度一般为Ac3+30～50℃，温度过高,奥氏体组织粗大,形成的马氏体组织也粗大,机械性能下降.温度过低,淬火组织中有先析的铁素体,硬度不足.淬火冷却介质650℃以上，慢，减小热应力650-400℃，快，避免C曲线相交400℃以下，慢，减轻相变应力理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，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。三、淬火方法1.单液淬火法把奥氏体化后的工件放入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火。特点：易实现机械化与自动化，适用于简单的工件。2.双液淬火法常用工艺：水淬油冷Why？回火消除淬火应力，降低脆性，调整硬度、韧性,防止开裂；稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定；获得要求的力学性能。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火随着回火温度的升高，淬火钢力学性能总的变化趋势是：硬度和强度下降，而塑性和韧性提高。3.回火种类低温回火（150~250ºC）目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力,减少钢的脆性。硬度为58--64HRC。主要用于：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。中温回火（350~500ºC）目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35--45HRC.主要用于：弹性零件及热锻模具等。高温回火（500~650ºC）目的：获得良好的综合力学性能。又称调质处理。硬度为25--35HRC.主要用于：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。五、普通热处理使用分类(1)1.预备热处理主要用于改善材料切削和冷加工工艺性能或为最终热处理前作组织调整。通常情况下预备热处理具体工艺的选用与钢材的含碳量密切相关.工艺选用目的亚共析钢共析、过共析钢应用低、中碳钢高碳钢降低硬度、改善锻压和机械加工性能正火完全退火或等温退火正火+球化退火铸件、锻件、热轧型材预备热处理工艺的常规选用五、普通热处理使用分类(2)2.最终热处理通常与零件最终的使用性能直接相关，因此性能要求不同的零件，最终热处理完全不相同。零件最终机械性能要求（整体）常用工艺主要适用材料零件应用举例硬度、耐磨性为主淬火+低温回火工具钢、高碳钢刃具、量具、模具等弹性、韧性为主淬火+中温回火弹簧钢、中、高碳钢弹簧等弹性零件机械综合性能为主淬火+高温回火（调质）调质钢、中碳钢重要的机件如：轴、连杆、齿轮等无特殊要求（一般）正火低、中碳钢不重要的机件：非传力的齿轮、轴等钢的表面淬火一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火三、激光加热表面淬火定义：通过快速加热使钢表层奥氏体化，而不等热量传至中心，立即淬火冷却的热处理。•表面淬火目的：•①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;•②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。•适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。轴的感应加热表面淬火•1、表面淬火用材料•⑴0.4-0.5%C的中碳钢。•含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。•含碳量过高，心部韧性下降；•⑵铸铁提高其表面耐磨性。机床导轨表面淬火齿轮•2、预备热处理•⑴工艺：•对于结构钢为调质或正火。•前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。•⑵目的:•①为表面淬火作组织准备；•②获得最终心部组织。回火索氏体索氏体•3、表面淬火后的回火•采用低温回火，温度不高于200℃。•回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。•4、表面淬火+低温回火后的组织•表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。感应加热表面淬火感应淬火机床一、表面淬火对钢件表层迅速加热至淬火温度，而心部温度仍保持在临界温度以下，然后快速冷却，使钢的表面至一定深度的组织为马氏体，心部仍为原始组