钢的热处理工艺

第五章 钢的热处理工艺,供应窄带钢行业热处理设备,教学内容,5.1 钢的退火与正火工艺5.2 钢的淬火与回火5.3 钢的表面热处理5.4 钢的化学热处理,一般要求,1. 钢在加热和冷却时组织转变的机理；2. 各种热处理的具体工艺过程； 3. 钢在加热和冷却过程中产生的缺陷.,1. 钢在加热时组织转变的过程中及影响因素； 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素； 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。 4. 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素； 5. 奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响； 6. 各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和适用的钢种，零件的范围。,51 钢的退火与正火工艺,一、退火 （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。）,退火工艺曲线,1完全退火 加热温度： Ac3以上20-30度 组 织： P+F 目 的： 细化，均匀化粗大、 不均匀组织 接近平衡组织 消除内应力 应用范围： 亚共折钢，共析钢， 不适用于过共析钢。,2球化退火（不完全退火） 加热温度： Ac1以上20-40度 应用范围： 过共析钢，共析钢 组 织： 球状P（F+球状Cem） 目 的： 使Cem球化HRC，韧性切削性 为淬火作准备,1050-1150，10-20h, P+F或P+Fe3CII 目的：消除偏析 后果：粗大晶粒 （应用完全退火消除）,4再结晶退火 加热温度：Ac1以下50-150度， 或T再+30-50度 目的：消除加工硬化,5去应力退火 500-650,3扩散退火（均匀化退火）,二、正火 （空冷）,Ac3或Accm+30-50 组织：S+（F或Fe3C） 应用： （1）作最终热处理，普通结构钢零件 目的： a. 细化A晶粒，组织均匀化 b. 减少亚共析钢中F%P%， c. P细化强度，韧性、硬度 （2）预先热处理 a. 消除不均匀组织（魏氏组织，带状组织）； b. 细化组织为淬火、调质作准备 c. 使过共析钢中Fe3CII使其不形成连续网状，为球化 作准备 （3）改善切削加工性能（低碳钢）,以45#钢为例的正火工艺曲线：,保温时间的经验公式:=KD(单位为min,式中,K加热系数,一般K=1.5-2.0m/min,若装炉量大则可延长保温时间,D工件有效厚度,单位为m),操作步骤如下：,三、退火、正火的选择,正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好1切削加工 低碳钢正火 中高碳钢完全退火 高碳钢、合金工具钢正火球化退火2作为最终热处理正火3为最终热处理提供良好的组织状态4. 正火可替代完全退火以提高效率,5.2 钢的淬火与回火,一、淬火：加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却M+A,1淬火温度的决定,淬火温度过高A粗大M粗大力学性能，淬火温度过高A粗大M粗大淬火应力变形，开裂,2淬火介质理想：650以上，慢，减小热应力 650-400，快，避免C曲线 400以下，慢，减轻相变应力,理想淬火冷却曲线示意图,不同淬火方法示意图,以45#钢为例的淬火工艺曲线：,油冷,M,T,二、钢的淬透性,1淬透性：淬火条件下得到M组织的能力，取决于 VK（上临界冷却速度）2淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%， C%淬硬性,3影响淬透性的因素 VK，C曲线,影响C曲线的因素,（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求 选材的依据（2）热处理工艺制定的依据（3）尺寸效应,4淬透性的应用,三、回火,a. 消除淬火应力，降低脆性 b. 稳定工件尺寸，由于M，残余A不稳定 c. 获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。,2钢在回火时的组织转变,a. 马氏体分解（200以下）：析出-Fe2.4C碳化物（亚稳定） 组织：回火马氏体M过饱和固溶体十亚稳定碳化物（极细的) 作用：晶格畸变降低，淬火应力有所下降。 b. 残余A分解（200-300）：AM（或AB下） 组织：回火马氏体M c. 回火屈氏体T形成（250-400 ）：Fe3C; F维持M外形 组织：回火屈氏体T(F+ Fe3C) d. 碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（400） 组织：回火索氏体SF（等轴晶）+ Fe3C（粒）,1回火目的（淬火组织的问题）,3回火工艺组织性能关系,（1）低温回火（150-250） 回火马氏体 M 降低淬火应力，提高韧性，保证高硬度（HRC58-64）和耐磨性 高碳的工具、模具、滚动轴承，渗碳与表面淬火的零件（2）中温回火（350-500） 回火屈氏体 T 高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为HRC35-45 弹簧 （3）高温回火（500-650） 回火索氏体 S 淬火高温回火调质处理 综合机械性能好(强度、韧性、塑性的配合)，硬度一般为HRC25-35 承受交变载荷，连杆、轴、齿轮等重要结构件最终热处理 精密量具、模具预先热处理,45钢 400,回火索氏体,正火与调质处理的比较：45钢 b (MN/m2) (%) ak(kJ/m2) HB 组织 正火 700-800 12-20 500-800 163-220 细片S+F调质 750-850 20-25 800-1200 210-250 细粒S,硬 度： 200度以下，HRC不变。 200-300度，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大， 高碳钢硬度,有一定的升高。 300度，HRC降低。韧 性： 400度开始升高，600度最高。弹性极限： 在300-400度最高。塑 性： 在600-650度最高。 1、高碳回火马氏体： 强度、硬度高、塑性、韧性差2、低碳回火马氏体： 高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好。3、回火屈氏体： 屈服强度与弹性极限高4、回火索氏体： 综合机械性能。,（4）回火温度与机械性能的关系,（5）回火脆性,（1）低温回火脆性（250-400） 碳化物片沿M晶界析出 避免在此温度回火（3）高温回火脆性（450-650） P等元素在原A晶界偏聚，慢冷时 Cr、Ni等促进偏聚 Mo等抑制偏聚 减少P等杂质元素， 添加Mo等合金元素,5回火工艺及其应用,记注：淬火+高温回火调质处理,以45#钢为例的调质工艺曲线：,淬火+高温回火调质处理,5.3 钢的表面热处理,表面淬火： 不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部 热处理方法。 目 的：心部保持较高的综合机械性能，表面具有高硬度 和耐磨性。,一、感应加热表面淬火 1原理 交变磁场感应电流工件电阻加热，集肤效应 表面加热 2分类 a. 高频 200-300KHz，淬硬深度 0.5-2mm 小工件 b. 中频2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c. 低频 50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件 d. 超音频 30-40KHz 3钢种 中碳钢和中碳低合金钢 磨损部位（高硬度，耐磨）,加热速度快 几秒几十秒b. 加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性c. 残余压应力提高寿命d. 不易氧化、脱碳、变形小e. 工艺易控制，设备成本高,4特点,锻造退火或正火粗加工调质精加工表面淬火低温回火（粗磨时效精磨）,5工艺路线,5.4 钢的化学热处理,一、渗碳 ：AC3以上；900950 ， 低碳钢,1目的及应用 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度 和良好的塑性和韧性2钢种 低碳钢，低碳合金钢,3加工工艺路线 锻造正火切削加工渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）低温回火喷丸磨削,（1）直接淬火 （如图a、b曲线） 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。 只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火 （如图c曲线） 心部要求高时AC3以上 表面要求高时AC1以上30-500 （3）二次淬火 （如图d曲线） 第一次，改变心部组织 AC3以上30-500 第二次，细化表面组织 AC1以上30-500 ,4渗碳工艺-组织-性能关系 加热温度，保温时间渗碳层厚度,二、氮化 （含Al, Cr, Mo，V的钢）,它系指在一定温度（一般在AC1）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的耐蚀性能，且因氮化温度低、变形小，因此在工艺中的应用也非常广泛。常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗（软氮化）等。,1、气体氮化,气体氮化是将工件放在密封的炉内加热，并通入氮气。渗碳的加热温度低（小于Ac1温度，钢的组织处于铁素体状态），因此工件变形小、氧化脱碳少。,气体氮化的原理： 氨气在300以上是便可以受热分解出活性氮原子， 即：2NH33H2+2N 活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和化合物。,气体氮化的温度低500600变形小，对心部调质组织影响小,气体氮化的工艺路线：,锻造退火机械粗加工调质半精加工去应力退火粗磨氮化精磨,说明： 为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理； 为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。,氮化作为最后工序,气体氮化的时间长3050h,气体氮化的硬度高HV1000-1100高耐磨性，热硬性,气体氮化高的疲劳强度和抗腐蚀性能,钢的氮化层显微组织 400X,钢的氮化层显微组织,A3钢多元共渗渗层 X400,42rMo钢多元共渗组织 X400,B-Al,B-Al共晶组织（菊花状）,5.5 其它热处理,加热与保温过程中的氧化与脱碳一、可控气氛热处理二、真空热处理快速加热与冷却三、激光加热表面淬火形变与相变结合综合强化四、形变热处理,5.6 表面处理,加热与保温过程中的氧化与脱碳一、