金属学及热处理第7章 钢的热处理工艺

1、一一) 建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转建立共析钢过冷奥氏体连续冷却转 变曲线变曲线 - cct 曲线曲线 c - continuous c - cooling t - transformation 返回 vk 时间( lg ) 温度 a1 pf ps a+p k ms mf 水冷水冷油冷油冷vk1 炉冷炉冷 空冷空冷 返回 二二) 共析碳钢共析碳钢 ttt 曲线与曲线与cct曲线的比较曲线的比较 稳定的奥氏体区 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf cct曲线 ttt曲线 返回 稳定的

2、奥氏体区稳定的奥氏体区 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf 三三)在连续冷却过程中在连续冷却过程中 ttt 曲线的应用曲线的应用 v1 v2 vkv3v4 v1 = 5.5/s : 炉冷炉冷 ; p v2 = 20/s : 空冷空冷 ; s v3 = 33/s : 油冷油冷;t+m+a残残 v4 138/s : 水冷水冷 ; m+a残残 返回 5.3 钢的退火和正火 铜棒 24 mm 如何消除拉拔过程中的硬化现象？ 电缆线 0.15 mm 切削件的硬度如何调整？刀具如何才能 具有较高

3、的韧性？ 季裂 加工过程（铸、锻、焊、 切削）产生的内应力 如何消除加工过程中产生的内应力？ 5.3 钢的退火和正火 5.3 钢的退火和正火 在铸在铸/ /锻造锻造/ /焊接之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力，焊接之后，钢件中不但残留有铸造或锻造应力， 而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能较低，而且还往往存在着成分和组织上的不均匀性，因而机械性能较低， 还会导致以后淬火时的变形和开裂。还会导致以后淬火时的变形和开裂。 也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。也会存在硬度偏高或偏低的现象，严重影响后续的切削加工性能。 经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，

4、并消除应力，经过退火和正火后，便可得到细而均匀的组织，并消除应力， 改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备改善钢件的机械性能并为随后的淬火作了准备 经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中，经过退火与正火后，钢的组织接近于平衡组织，其硬度适中， 有利于下一步的切削加工。有利于下一步的切削加工。 如果工件的性能要求不高时，退火或正火常作为最终热处理如果工件的性能要求不高时，退火或正火常作为最终热处理。 5.3 钢的退火和正火 一一)定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上3050,保保 温一段时间温一段时间,然后然后随炉冷却随炉冷却。 二二)目的目的: 消除应力

5、消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶粒细化晶粒;均匀成分均匀成分; 为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。 返回 四四) 工艺参数工艺参数: 返回 为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。 返回 完全退火的缺点：完全退火的缺点：所需时间很长，特别是对于某 些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十小时 解决：解决： 为了缩短退火时间，可采用等温退火。 等温退火：等温退火：先以较快的速度，将工件加热到ac3以 上3050，保温一定时间后，先以较快的冷速 冷到珠光体的形成温度等温，使奥氏体转变成珠 光体，待等温转变结束再快冷。这样就可大大缩 短退火的时间。 可见等温退火所需时间

6、比完全退火缩短很多。 返回 返回 去应力退火目的：去应力退火目的：消除铸、锻、 焊件、冷冲压件（或冷拔件）及 机加工的残余内应力。 残余内应力会导致： 去应力退火去应力退火 加热温度：加热至加热温度：加热至500650 （a1点点 ） 目的：目的：消除加工硬化 再结晶退火再结晶退火 加热温度：加热至再结晶温度以上加热温度：加热至再结晶温度以上 组织：均匀等轴晶粒组织：均匀等轴晶粒 四四) 工艺参数工艺参数: 返回 五五)热处理后的组织热处理后的组织 : 原始组织。原始组织。 共析钢球化退火组织 ( 化染 ) 700 返回 t10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 返回 思考思考：确定下列钢件

7、的退火方法，并指出退火目的：确定下列钢件的退火方法，并指出退火目的 及退火后的组织：及退火后的组织： （1）经冷轧后的）经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度；钢钢板，要求降低硬度； 再结晶退火再结晶退火消除加工硬化消除加工硬化均匀等轴的均匀等轴的f和和p （2）具有）具有片状片状渗碳体的渗碳体的t12钢坯；钢坯； 球化退火球化退火 （3）zg310-570的铸造齿轮的铸造齿轮 （4）锻造过热的）锻造过热的60钢锻坯。钢锻坯。 完全退火完全退火 扩散退火扩散退火 如为网状 渗碳体， 怎么办？ 一一)定义定义: 把把零件加温到零件加温到临界温度以上临界温度以上 7050,保温一段时间保温一段时间,

8、然后然后 在空气中冷却在空气中冷却。 二二)目的目的: 调整硬度调整硬度,改善钢的切削加工性改善钢的切削加工性;消除应力消除应力;细化晶细化晶 粒粒;均匀均匀 成分成分;消除网状碳化物以便于球化退火消除网状碳化物以便于球化退火;提高普通结构零件的力学提高普通结构零件的力学 性能性能;为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。 三三)热处理后的组织热处理后的组织:s，t (wc=0.61.4%) s+f ,t+f(wc0.6%) 返回 四) 工艺参数: 返回 四) 工艺参数: 返回 返回 返回 一一)定义定义: 把零件加温到把零件加温到临界温度以上临界温度以上30 50,保温一段保温一

9、段 时间时间,然后然后快速冷却快速冷却 ( 大于临界冷却速度大于临界冷却速度 ),得到介稳定态得到介稳定态 的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺方法。 二二)目的目的: 提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零 件等的强度件等的强度硬度和耐磨性硬度和耐磨性;结构钢通过淬火和回火后获结构钢通过淬火和回火后获 得良好的综合力学性能得良好的综合力学性能. 返回 三三) 工艺参数工艺参数: 返回 三三)工艺参数工艺参数: 返回 四四)热处理后的组织热处理后的组织 : 返回 五五)淬火加热时间淬火加热时间 ( ) 的选择的选择

10、五五)淬火加热时间淬火加热时间 ( ) 的选择的选择: = k d 工工 件件 有有 效效 厚厚 度度 (尺寸最小部位尺寸最小部位) 装炉量有关系数装炉量有关系数 一般一般 k = 11.5 加热系数加热系数,与钢种与钢种 及加热介质有关及加热介质有关 返回 六六) 淬火冷却介质淬火冷却介质 1.理想淬火冷却介质理想淬火冷却介质 时间(s) 300 1021031041010 800 -100 100 200 500 600 700 温度 () 0 400 a1 ms mf 返回 2.常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-

11、1) 所在温度所在温度/ 冷却速度冷却速度 /( s-1) 650550 300200 20静止水静止水340775135450 40静止水静止水285545110410 60静止水静止水22027580185 10%nacl 溶液溶液 580200019001000 10%naoh 溶液溶液 56028302750775 2010号机油号机油4302306065 8010号机油号机油4302307055 203号号锭子油锭子油 50012010050 注注:冷却速度系由冷却速度系由20mm银球所测银球所测 返回 七七) 常用的淬火方法常用的淬火方法 单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分

12、级淬火等温淬火等温淬火 时间时间 温度 ms a1 返回 返回 九九) 钢的淬硬性钢的淬硬性 ( hardening of steel ) 1.定义定义:是指钢在淬火后所能达到的是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。最高硬度。 2.影响钢的淬硬性的因素影响钢的淬硬性的因素:主要取决于主要取决于 马氏体的马氏体的含碳量。含碳量。 返回 十十) 钢的淬透性钢的淬透性 ( hardenability of steel ) 1 定义定义:是指钢在淬火时所能得到的是指钢在淬火时所能得到的淬硬层淬硬层 (马氏体组织占马氏体组织占 50%处处) 的的 深度。深度。 2 影响钢的淬透性的因素影响钢的淬透性的因素:

13、主要是主要是临界淬火冷却速度临界淬火冷却速度vk 的的 大小大小, vk 越大越大,钢的淬透性越小。钢的淬透性越小。 3 淬透性的测定及表示方法淬透性的测定及表示方法 曲线曲线:位置越右移，钢的淬透性越大。位置越右移，钢的淬透性越大。 临界淬透直径临界淬透直径:钢在某种淬火介质中冷却时，其心部钢在某种淬火介质中冷却时，其心部 能淬透的最大直径。能淬透的最大直径。 未端淬火法：用符号未端淬火法：用符号 表示。表示。j表示末端淬透性，表示末端淬透性， d表示至距离水冷端的距离，表示至距离水冷端的距离， hrc为该处测得的硬度值。为该处测得的硬度值。 返回 d hrc j d hrc j 工件淬硬层

14、与冷却速度的关系工件淬硬层与冷却速度的关系 返回 4.淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系: 返回 5.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响 未淬透钢未淬透钢 淬透钢淬透钢 返回 一一)定义定义: 把把淬火后淬火后的零件重新加温到的零件重新加温到a1线以下某个温线以下某个温 度度,保温一段时间保温一段时间,然后冷却到室温。然后冷却到室温。 二二)目的目的: 消除淬火应力消除淬火应力,降低脆性降低脆性;稳定工件尺寸稳定工件尺寸;调整调整 淬火零件的力淬火零件的力 学性能；某些高淬透性的合金钢的高温学性能；某些高淬透性的合金钢的高温 软化

15、回火。软化回火。 返回 返回 返回 五五) 工艺参数工艺参数 淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理 返回 返回 返回 一一) 定义定义:是一种不改变钢表层化学成分是一种不改变钢表层化学成分,但改变表层组织的局部但改变表层组织的局部 热处理工艺。热处理工艺。 二二) 工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷然后急冷,使表使表 层形成马氏体组织层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。而心部仍保持不变。 返回 三三)表面淬火用钢表面淬火用钢: 常常选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢,如如40、45、40cr、40mnb等等;选选

16、用用9mn2v,(球墨球墨灰口灰口合金合金)铸铁铸铁,9cr2w,9cr2mo. 四四)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、火火 焰加热焰加热、电接触加热法等。、电接触加热法等。 返回 工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学的力学 性能性能。 1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理: * 感应电流感应电流 - 涡流涡流 * 集肤效应集肤效应 *淬火层深度淬火层深度()与电流频率与电流频率( f )的关系的关系: = 500600 / f （mm） 返回 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图 集肤效应

17、示意图集肤效应示意图 返回 感应加热的分类感应加热的分类 2)工艺要求工艺要求: *工艺路线工艺路线:锻造退火或正火机械粗加工正火或调质机械锻造退火或正火机械粗加工正火或调质机械 精加工感应加热表面淬火低温回火磨削加工精加工感应加热表面淬火低温回火磨削加工 * 表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理,以保证零件有良以保证零件有良 好的好的 基体。基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温回火处理低温回火处理,以降低淬火应力和以降低淬火应力和 脆性。脆性。 返回 3)生产特点生产特点: n淬火件的质量好淬火件的质量好; n工件变形

18、小工件变形小; n不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳; n淬火层容易控制淬火层容易控制; n生产率高生产率高; n设备投资大设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。不适于复杂形状零件和小批量生产。 返回 1)火焰加热表面淬火的基本方法 返回 可获淬硬层深度为26mm *设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低。成本低。 *淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。 返回 一一)定义定义:将零件置于一定的化学介质中将零件置于一定的化学介质中 , 通过加热、保温通过加热、保温, 使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层使介质中一种或几

19、种元素原子渗入工件表层,以改变钢表层以改变钢表层 的化学成分和组织的热处理工艺。的化学成分和组织的热处理工艺。 返回 二二) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程: 2.吸收吸收: 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶 解。解。 3.扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的扩形成一定的扩 散层散层。 1.分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的的活性原子活性原子。 2co co2 +c 返回 三三) 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件: 1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子

20、, 而而 且具有较大的扩散能力。且具有较大的扩散能力。 2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合与之化合, 形成化合物。形成化合物。 四四) 化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。 返回 1)定义定义: 向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。 2)目的目的:使工件在热处理后具有高的表使工件在热处理后具有高的表 面硬度、耐磨性及高的接触强度和弯面硬度、耐磨性及高的接触强度和

21、弯 曲疲劳强度，而心部仍保持良好的韧曲疲劳强度，而心部仍保持良好的韧 性。性。 (获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件性能的零件) 3)用钢用钢:低碳钢和低碳合金钢。低碳钢和低碳合金钢。 如如15、20、 20cr、20mn2、 20crmnti、18cr2ni4wa 4)方法方法: 固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。 返回 零件零件 渗碳剂渗碳剂 试棒试棒盖盖 泥封泥封 渗碳箱渗碳箱 返回 (碳粒与碳粒与 碳酸盐碳酸盐 ) 返回 (甲醇甲醇+丙酮丙酮) 5)工艺参数工艺参数: 加热温度为加热温度为900950; 渗碳时间渗碳时间一般为一般为39小时小时; 6)渗碳后的组织渗碳

22、后的组织: 1%c p+fe3c 0.2%c f + p少少 表面表面中心中心 零零 件件 pp+f 返回 其表面的含碳量最高，通常在0.8-1.1%范围。 7)工艺路线：工艺路线：锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火（直接淬火（直接 一次淬火一次淬火两次淬火）两次淬火）+低温回火低温回火精加工精加工 20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体 时间 温度 930 850 方案方案1方案方案2 渗渗 碳碳 淬火淬火 加热加热 返回 返回 返回 20crmnti 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳m