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文档简介

1、机械制造基础机械制造基础1.3 1.3 钢的热处理钢的热处理热处理的概念热处理的概念钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却,以改变其内部钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却,以改变其内部组织,从而获得所需要性能的一种工艺方法。组织,从而获得所需要性能的一种工艺方法。热处理的目的是:热处理的目的是:显著提高钢的力学性能,发挥钢显著提高钢的力学性能,发挥钢材的潜力材的潜力提高工件的使用性能和寿命提高工件的使用性能和寿命还可以消除毛坯如铸件、锻件还可以消除毛坯如铸件、锻件等中缺陷,改善其工艺性能,等中缺陷,改善其工艺性能,为后续工序作组织准备。为后续工序作组织准备。 热处理的分类热

2、处理的分类 钢的热处理种类很多,根据加热和冷却方法钢的热处理种类很多,根据加热和冷却方法不同,大致分类如下:不同,大致分类如下:热处理热处理普通热处理:退火、正火、淬火、回火普通热处理:退火、正火、淬火、回火表面淬火:表面淬火:化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗感应加热表面淬火感应加热表面淬火火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火激光加热表面淬火激光加热表面淬火1.3.11.3.1钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 在在Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中,共析相图中,共析钢加热超过钢加热超过PSKPSK线线A1A1时,时,其组织完全转变为奥氏体。其组织完全转变为奥

3、氏体。亚共析钢和过共析钢必须亚共析钢和过共析钢必须加热到加热到GSGS线线A3A3和和ESES线线AcmAcm以上才能全部转变以上才能全部转变为奥氏体。为奥氏体。相图中的平衡临界点相图中的平衡临界点A1A1、A3A3、AcmAcm是碳钢在极缓慢地加热或冷却情是碳钢在极缓慢地加热或冷却情况下测定的。如右图所示。况下测定的。如右图所示。 加热加热( (冷却冷却) ) 时时Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中各临界点的位置相图中各临界点的位置 在实际生产中,加热和在实际生产中,加热和冷却并不是极其缓慢的。冷却并不是极其缓慢的。因而,钢的相变过程不因而,钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。可能在平衡临界

4、点进行。加热转变在平衡临界点加热转变在平衡临界点以上进行,冷却转变在以上进行,冷却转变在平衡临界点以下进行。平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大,加热和冷却速度越大,其偏离平衡临界点也越其偏离平衡临界点也越大。大。为了区别于平衡临界点,通常将为了区别于平衡临界点,通常将实际加热时各临界点标为实际加热时各临界点标为Ac1Ac1、Ac3 Ac3 、AccmAccm;实际冷却时各临界;实际冷却时各临界点标为点标为Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm。如右图。如右图所示。所示。 加热加热( (冷却冷却) ) 时时Fe-Fe3CFe-Fe3C相图中各临界点的位置相图中各临界点的位置1 1、奥氏

5、体的形成、奥氏体的形成 由由Fe-Fe3CFe-Fe3C相图可知,任何成分的碳钢加热到相变相图可知,任何成分的碳钢加热到相变点点Ac1Ac1以上都会发生珠光体向奥氏体转变,热处理以上都会发生珠光体向奥氏体转变,热处理时进行时进行Ac1 Ac1 以上加热的目的,就是为了得到奥氏以上加热的目的,就是为了得到奥氏体,通常把这种转变过程称为奥氏体化。体,通常把这种转变过程称为奥氏体化。 共析钢加热到共析钢加热到Ac1Ac1以上由珠光体全部转变为奥氏体,这一转变可表示为:以上由珠光体全部转变为奥氏体,这一转变可表示为: P ( F + Fe3C ) A 0.0218%c 6.69%c 0.77 %c 体

6、心立方晶格体心立方晶格 复杂晶格复杂晶格 面心立方晶格面心立方晶格由上式看出由上式看出, ,珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相混合物转变成为另一种晶格的单相固溶体过程,因而,转变过程中必混合物转变成为另一种晶格的单相固溶体过程,因而,转变过程中必须进行碳原子和铁原子的扩散,才能进行碳的重新分布和铁的晶格改须进行碳原子和铁原子的扩散,才能进行碳的重新分布和铁的晶格改组,即发生相变。组,即发生相变。 奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的,其转变过程分为三个阶段,如下图。现的,其转变过程分为三个

7、阶段,如下图。第一阶段是奥氏体的形核与长大第一阶段是奥氏体的形核与长大第二阶段是剩余渗碳体的溶解第二阶段是剩余渗碳体的溶解 第三阶段是奥氏体成分均匀化。第三阶段是奥氏体成分均匀化。 亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同,不同处在于亚亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同,不同处在于亚共析碳钢、过共析碳钢在共析碳钢、过共析碳钢在Ac1Ac1稍上温度时,还分别有铁素体、二次渗碳体未稍上温度时,还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以,它们的完全奥氏体化温度应分别为变化。所以,它们的完全奥氏体化温度应分别为Ac3 Ac3 、AccmAccm以上。以上。2 2、奥氏体晶粒的

8、长大及影响因素、奥氏体晶粒的长大及影响因素 钢在加热时,奥氏体的晶粒大小直接影响到热处钢在加热时,奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小,冷却理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小,冷却后组织也细小;反之,组织则粗大。钢材晶粒后组织也细小;反之,组织则粗大。钢材晶粒细化,即能有效的提高强度,又能明显提高塑细化,即能有效的提高强度,又能明显提高塑性和韧性。因而,在选用材料和热处理工艺上,性和韧性。因而,在选用材料和热处理工艺上,如何获得细的奥氏体晶粒,对工件使用性能和如何获得细的奥氏体晶粒,对工件使用性能和质量都具有重要意义。质量都具有重要意义。 (1 1奥氏体晶粒度奥氏体

9、晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。有本质粗晶晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。粒度和本质细晶粒度之分。 钢的晶粒度等级5 58 8级的钢为本质细级的钢为本质细晶粒度的钢。晶粒度的钢。1 14 4级的钢为本质粗晶级的钢为本质粗晶粒度钢。粒度钢。(2 2影响奥氏体晶粒度的因素影响奥氏体晶粒度的因素加热温度和保温时间加热温度和保温时间 奥氏体起始晶粒是很细小的,奥氏体起始晶粒是很细小的,随加热温度升高,奥氏体晶随加热温度升高,奥氏体晶粒逐渐长大,晶界总面积减粒逐渐长大,晶界总面积减少而系统的能量降低。所以,少而系统的能量降低。所以,在高温下保温时间越长,越在高温

10、下保温时间越长,越有利于晶界总面积减少而导有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗大。致晶粒粗大。奥氏体晶粒长大倾向示意图奥氏体晶粒长大倾向示意图 钢的成分钢的成分 对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时,奥氏体晶对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时,奥氏体晶粒的长大倾向也增大。但对于过共析钢部分碳以渗碳体的粒的长大倾向也增大。但对于过共析钢部分碳以渗碳体的形式存在,当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时,有形式存在,当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时,有阻碍晶粒长大的作用。阻碍晶粒长大的作用。 钢中加入能形成稳定碳化物元素,如钨、钛、钒、铌等时,钢中加入能形成稳定碳化物元素,如钨、钛、钒、铌等

11、时,钢中能形成高熔点化合物,并存在于奥氏体晶界上,有阻钢中能形成高熔点化合物,并存在于奥氏体晶界上,有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碍奥氏体晶粒长大的作用。 锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。 1.3.21.3.2钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 加热时钢的奥氏体化,一般不是热处理加热时钢的奥氏体化,一般不是热处理的目的,它仅为随后的冷却转变作准备。的目的,它仅为随后的冷却转变作准备。冷却过程是热处理的关键工序,它决定着冷却过程是热处理的关键工序,它决定着钢热处理后的组织与性能。在实际生产中,钢热处理后的组织与性能。在实际生产中,钢在热处理时采用的冷却方式

12、通常是两种:钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种:等温冷却,如等温冷却,如a a图所示图所示 连续冷却,如连续冷却,如b b图所示图所示 两种冷却方式示意图两种冷却方式示意图 1 1、过冷奥氏体的等温转变、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体在临界温度以上是一稳定相,能够长期存在奥氏体在临界温度以上是一稳定相,能够长期存在而不转变。一旦冷却到临界温度以下,则处于热而不转变。一旦冷却到临界温度以下,则处于热力学的不稳定状态,称为力学的不稳定状态,称为“过冷奥氏体过冷奥氏体”,它总,它总是要转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变反是要转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变反映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的

13、规律。映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。 (1 1过冷奥氏体的等温转变曲线过冷奥氏体的等温转变曲线 右图为过冷奥氏体的等温转变曲线:右图为过冷奥氏体的等温转变曲线:A1A1以下转变开始以左的区域是过冷奥以下转变开始以左的区域是过冷奥氏体区;氏体区;A1A1以下,转变终了线以右和以下,转变终了线以右和MsMs点以上点以上的区域为转变产物区;的区域为转变产物区;在转变开始线与转变终了线之间的区在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。域为过冷奥氏体和转变产物共存区。MsMs线和线和MfMf线是马氏体转变开始线和终线是马氏体转变开始线和终了线。了线。(2 2过冷奥氏体等

14、温转变产物的组织与性能过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能 (3 3亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 1 1亚共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变亚共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 亚共析碳钢在过冷奥氏亚共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前,体转变为珠光体之前,首先析出先共析相铁素首先析出先共析相铁素体,所以在体,所以在C C曲线上还曲线上还有一条铁素体析出线,有一条铁素体析出线,如右图所示如右图所示 2 2过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变 过共析碳钢在过冷奥氏过共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前,体转变为珠光体之

15、前,首先析出先共析相二次首先析出先共析相二次渗碳体,所以渗碳体,所以C C曲线上曲线上还有一条二次渗碳体析还有一条二次渗碳体析出线,如右图所示。出线,如右图所示。2 2、过冷奥氏体的连续冷却转变、过冷奥氏体的连续冷却转变右图为共析碳钢连续冷却转变曲线:右图为共析碳钢连续冷却转变曲线: 实际冷却速度实际冷却速度 Vc Vc(炉冷、空冷)(炉冷、空冷) 珠光体转变珠光体转变 组织:珠光体和索氏体组织:珠光体和索氏体实际冷却速度实际冷却速度 Vc Vc, (水冷)(水冷) 马氏体转变马氏体转变 组织:马氏体组织:马氏体VcVc Vs Vs Vc Vc: (油冷)(油冷) 组织:组织: Ms Ms以上

16、:以上:P P屈氏体)屈氏体)+A+A Ms Ms以下:以下:P P屈氏体)屈氏体)+M+Mcc是奥氏体全部过冷到是奥氏体全部过冷到Ms Ms 点以下转变为马氏体的最小冷却速度,通常叫作点以下转变为马氏体的最小冷却速度,通常叫作临界淬火冷却速度。临界淬火冷却速度。 3 3、马氏体转变、马氏体转变 当转变温度在当转变温度在MsMs和和MfMf之间时,即有马氏体组织转之间时,即有马氏体组织转变。马氏体是碳在变。马氏体是碳在-Fe-Fe中过饱和的固溶体,用符中过饱和的固溶体,用符号号“M“M表示。表示。(1 1马氏体的组织形态马氏体的组织形态 马氏体组织形态分为板条状和针状两大类:马氏体组织形态分为

17、板条状和针状两大类:板条马氏体:显微组织如板条马氏体:显微组织如图所示。形态呈细长的扁棒图所示。形态呈细长的扁棒状,显微组织为细条状。状,显微组织为细条状。针状马氏体:显微组织如针状马氏体:显微组织如图所示。形态呈双凸透镜的图所示。形态呈双凸透镜的片状,显微组织为针状。片状,显微组织为针状。板条马氏体板条马氏体针状马氏体针状马氏体马氏体的形态取决于碳含量。当马氏体的形态取决于碳含量。当wCwC0.2%0.2%时,为板条时,为板条M M;当;当wC wC 1.0%1.0%时,为时,为针状针状M M;当;当wC wC 0.2 %0.2 %.0%.0%时,为板条和针状的混合组织。时,为板条和针状的混

18、合组织。(2 2马氏体的性能马氏体的性能 马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量分数,如下图。量分数,如下图。 碳含量:如碳含量增加,其碳含量:如碳含量增加,其硬度就增加。所以马氏体是钢硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。的主要强化手段之一。塑性和韧性:马氏体的塑性塑性和韧性:马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。主要取决于亚结构急剧降低。主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和形式和碳在马氏体中的过饱和度。度。(3 3马氏体转变的不完全性马氏体转变的不完全性 一般钢中,马氏体转变是在不断降温中一般

19、钢中,马氏体转变是在不断降温中Ms Ms Mf Mf进行的,所以转变具有不完全性特点,转变后总进行的,所以转变具有不完全性特点,转变后总有部分残余奥氏体存在。钢碳的质量分数越高,有部分残余奥氏体存在。钢碳的质量分数越高,Ms Ms 、 Mf Mf温度越低,淬火后残余奥氏体温度越低,淬火后残余奥氏体ARAR越越多。多。 随着碳的质量分数或合金元素除随着碳的质量分数或合金元素除CoCo外增加,马氏体转变点外增加,马氏体转变点不断降低,碳的质量分数大于不断降低,碳的质量分数大于0.5%0.5%的碳钢和许多合金钢的的碳钢和许多合金钢的MfMf都都在室温以下。在室温以下。 由于残余奥氏体不稳定,可采用冷

20、处理使之继续向马氏体转变。冷处理由于残余奥氏体不稳定,可采用冷处理使之继续向马氏体转变。冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。1.3.31.3.3钢的退火与正火钢的退火与正火 常用热处理工艺可分为两类:常用热处理工艺可分为两类:预先热处理预先热处理 预先热处理是消除坯料、半成品中的某些预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷,为后续的冷加工和最终热处理作组缺陷,为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。织准备。最终热处理最终热处理 最终热处理是使工件获得所要求的性能。最终热处理是使工件获得所要求的性能。 退火与正火的目的退火与正火的目的 退火

21、和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺,主要用于改善材料的切削加工性能。对于一艺,主要用于改善材料的切削加工性能。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件,也可以些受力不大、性能要求不高的机器零件,也可以做为最终热处理。做为最终热处理。调整硬度以便进行切削加工。调整硬度以便进行切削加工。消除残余应力。消除残余应力。细化晶粒,改善组织。细化晶粒,改善组织。为最终热处理做好组织上的准备。为最终热处理做好组织上的准备。其目的是其目的是: : 1 1、钢的退火、钢的退火 是将钢加热到适当的温度,保温一定时间,随炉是将钢加热到适当的温度,保温一定时间,随炉缓慢

22、冷却的一种热处理工艺。根据钢的成分、退缓慢冷却的一种热处理工艺。根据钢的成分、退火工艺与目的不同,退火常分为完全退火、球化火工艺与目的不同,退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等,如下图。结晶退火等,如下图。退火的目的和应用退火的目的和应用2 2、钢的正火、钢的正火 是将钢加热是将钢加热Ac3Ac3或或AcmAcm以上以上30305050C C,保温适当,保温适当时间,在空气中冷却的一种热处理工艺。时间,在空气中冷却的一种热处理工艺。正火与退火的主要区别是:正火与退火的主要区别是:正火的冷却速度较快,过冷度较大,因

23、此正火后所获得的组织比较细,强正火的冷却速度较快,过冷度较大,因此正火后所获得的组织比较细,强度和硬度比退火高一些。度和硬度比退火高一些。退火后组织退火后组织正火后组织正火后组织 正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应用如下:用如下:对于要求不高的结构零件,可作最终热处理对于要求不高的结构零件,可作最终热处理 改善低碳钢的切削加工性改善低碳钢的切削加工性 作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理 消除过共析钢中二次渗碳体网,为球化退火作组织准备消除过共析钢中二次渗碳体网,为球化退火作组织准备 1.

24、3.41.3.4钢的淬火钢的淬火 淬火是将钢件加热到淬火是将钢件加热到Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上以上30305050),保温一定时间,然后以大于淬火,保温一定时间,然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。织的热处理工艺。 提高金属材料的强度和硬度,增加耐磨性。既要得到马氏体组织,提高金属材料的强度和硬度,增加耐磨性。既要得到马氏体组织,同时又要避免产生变形和开裂。同时又要避免产生变形和开裂。淬火的目的是:淬火的目的是:1 1、钢的淬火工艺、钢的淬火工艺(1 1淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择 选择淬火加热温度的原则是获得均

25、匀细小的奥氏选择淬火加热温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。一般淬火加热温度在临界点以上。体。一般淬火加热温度在临界点以上。亚共析钢:亚共析钢: Ac3+ Ac3+(30305050C C)共析钢:共析钢:过共析钢:过共析钢:Ac1+Ac1+(30305050C C)(2 2淬火冷却介质淬火冷却介质 为了获得理论的淬火效果必须采用适宜的淬火介为了获得理论的淬火效果必须采用适宜的淬火介质和淬火方法。目前常用的淬火介质有水、油和质和淬火方法。目前常用的淬火介质有水、油和盐浴。常用的淬火冷却介质的冷却能力如下表所盐浴。常用的淬火冷却介质的冷却能力如下表所示:示: 理想冷却曲线:理想冷却曲线: 为了保证

26、得到马氏体组织,为了保证得到马氏体组织,淬火速度必须大于临界冷淬火速度必须大于临界冷却速度却速度Vk,但往往会引起,但往往会引起工件变形和开裂。要想既工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和得到马氏体又避免变形和开裂,理想的淬火冷却曲开裂,理想的淬火冷却曲线如图所示。线如图所示。(3 3淬火方法淬火方法 由于目前没有理想的由于目前没有理想的淬火介质,因而淬火淬火介质,因而淬火方法是根据工件特点方法是根据工件特点化学成分、形状与化学成分、形状与尺寸、技术要求等),尺寸、技术要求等),结合各种淬火冷却介结合各种淬火冷却介质特点而定。常用淬质特点而定。常用淬火方法有:火方法有:1 1单液淬火法单

27、液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法,如水淬、油淬等。温的操作方法,如水淬、油淬等。优点是:单介质淬火操作简单,易实现机械化、自优点是:单介质淬火操作简单,易实现机械化、自动化应用广泛。动化应用广泛。缺点是:水淬容易变形或开裂;油淬大型零件容易缺点是:水淬容易变形或开裂;油淬大型零件容易产生硬度不足现象。产生硬度不足现象。2 2双液淬火法双液淬火法 将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却,然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的却,然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。

28、如水淬油冷或油淬空冷。淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间,要求有熟练的操作技艺。一种淬火介质的时间,要求有熟练的操作技艺。 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。金钢工件。3 3马氏体分级淬火马氏体分级淬火 将加热的工件在将加热的工件在MsMs点附近的盐浴或碱浴中淬火,点附近的盐浴或碱浴中淬火,然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂,是用于截面尺寸较小淬透性较高火变形与开裂,

29、是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。的钢件。这种工艺特点是在钢件内外温度基本一致时,使过这种工艺特点是在钢件内外温度基本一致时,使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体,从而减少冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体,从而减少变形。变形。这种工艺的缺点是由于钢中在盐浴和碱浴中冷却能这种工艺的缺点是由于钢中在盐浴和碱浴中冷却能力不足,只适用尺寸较小的零件。力不足,只适用尺寸较小的零件。4 4贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火 将加热工件在稍高于将加热工件在稍高于MsMs点附近温度的盐浴或碱浴点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。火方法。

30、其特点是工件具有良好的综合力学性能,一般不必其特点是工件具有良好的综合力学性能,一般不必回火。回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。多用于形状复杂和要求较高的小件。5 5局部淬火局部淬火 对于有些工件,如果只是局部要求高硬度,可将对于有些工件,如果只是局部要求高硬度,可将工件整体加热后进行局部淬火。为了避免工件其工件整体加热后进行局部淬火。为了避免工件其它部分产生变形和开裂,也可局部进行加热淬火它部分产生变形和开裂,也可局部进行加热淬火冷却。冷却。 1.3.51.3.5钢的回火钢的回火 将淬火钢重新加热到将淬火钢重新加热到AclAcl点以下的某一温度,点以下的某一温度,保温一定时间后冷却到室温

31、的热处理工艺保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。使用。 1 1、回火的目的:、回火的目的: 获得工件所要求的力学性能获得工件所要求的力学性能 稳定工件尺寸稳定工件尺寸 降低脆性,消除或减少内应力降低脆性,消除或减少内应力 2 2、回火种类与应用、回火种类与应用 根据对工件力学性能要求不同,按其回火温度范围,根据对工件力学性能要求不同,按其回火温度范围,可将回火分为三种。可将回火分为三种。(1 1低温回火低温回火 淬火钢件在淬火钢件在250250以下回火称低温回火。以下回火称低温回火。低温回火后组织为回火马氏体,基本上

32、保持淬火钢的高硬度低温回火后组织为回火马氏体,基本上保持淬火钢的高硬度和高耐磨性,淬火内应力有所降低。回火后硬度为和高耐磨性,淬火内应力有所降低。回火后硬度为58HRC58HRC64HRC64HRC。主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承,主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承,渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。(2 2中温回火中温回火 淬火钢件在淬火钢件在350350500500之间回火称为中温回火。之间回火称为中温回火。 中文回火后组织为回火屈氏体。具有高的屈强比,高的弹性极限和一定中文回火后组织为回火屈氏体。具有高

33、的屈强比,高的弹性极限和一定的韧性,淬火内应力基本消除。回火后硬度一般为的韧性,淬火内应力基本消除。回火后硬度一般为35HRC35HRC50HRC50HRC。 中温回火常用于各种弹簧和模具热处理。中温回火常用于各种弹簧和模具热处理。(3 3高温回火高温回火 淬火钢件在淬火钢件在500500650650回火称为高温回火。回火称为高温回火。 高温回火后组织为回火索氏体,具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的高温回火后组织为回火索氏体,具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。回火后硬度一般为综合力学性能。回火后硬度一般为200HBW200HBW330HBW330HBW。 高温回火广泛用于汽车、拖

34、拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的热处理,如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。热处理,如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。 调质一般作为最终热处理,但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处调质一般作为最终热处理,但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高,便于切削加工,并能获得较低得表面粗糙度值。理。调质后的硬度不高,便于切削加工,并能获得较低得表面粗糙度值。淬火淬火+ +高温回火高温回火 调质处理调质处理(4 4时效处理时效处理 除了以上三种常用回火方法外,某些精密的工件,除了以上三种常用回火方法外,某些精密的工件,为了

35、保持淬火后的硬度及尺寸的稳定性,常进行为了保持淬火后的硬度及尺寸的稳定性,常进行低温低温100100150150)长时间)长时间10h10h50h50h保温保温的回火,称为时效处理。的回火,称为时效处理。1.3.61.3.6钢的表面淬火钢的表面淬火 钢的表面淬火仅对钢的表面加热、冷却,钢的表面淬火仅对钢的表面加热、冷却,而不改变其成分的热处理工艺。它能使钢而不改变其成分的热处理工艺。它能使钢表面具有较高的硬度和耐磨性,心部保持表面具有较高的硬度和耐磨性,心部保持较高的塑性和韧性。较高的塑性和韧性。碳的质量分数在碳的质量分数在0.4%0.4%0.5%0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于的优质碳素结

36、构钢是最适宜于表面淬火。这是由于中碳钢经过预先热处理正火或调质)表面淬火。这是由于中碳钢经过预先热处理正火或调质)以后再进行表面淬火处理,即可以保持心部原有良好的综合以后再进行表面淬火处理,即可以保持心部原有良好的综合力学性能,又可使表面具有高硬度和耐磨性。力学性能,又可使表面具有高硬度和耐磨性。表面淬火后,表面淬火后,般需进行低温回火,以减少淬火应力和降低脆性。般需进行低温回火,以减少淬火应力和降低脆性。1 1、感应加热表面淬火、感应加热表面淬火 表面淬火方法很多,目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火,其次是火表面淬火方法很多,目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火,其次是火焰加热表面

37、淬火。焰加热表面淬火。感应加热表面淬火是利用感应电流通过感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应,使表面加热工件表面所产生的热效应,使表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。并进行快速冷却的淬火工艺。 电流频率愈高,电流透入深度电流频率愈高,电流透入深度愈小,加热层也愈薄,调节频愈小,加热层也愈薄,调节频率,可得到不同的淬硬层深度。率,可得到不同的淬硬层深度。 根据电流频率不同,所用的加热装置主要有三种:根据电流频率不同,所用的加热装置主要有三种: 高频淬火高频淬火200200300KHz300KHz): : 淬硬层淬硬层0.50.52mm,2mm,适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的

38、适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴类零件。轴类零件。中频淬火中频淬火250025003000Hz3000Hz):): 淬硬层淬硬层2 210mm,10mm,适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等。等。工频淬火工频淬火50Hz50Hz): : 硬化层深度可达硬化层深度可达101020mm,20mm,适用于大尺寸的零件;如轮辊,适用于大尺寸的零件;如轮辊,火车车轮等。火车车轮等。 感应加热速度极快,时间很短仅为几秒钟,加热淬火有如下特点:表面性能好,硬度比普通淬火高2HRC3HRC。疲劳强度较高,一般工件可提高2030%;工件表面质量高,不易氧化脱碳,淬火变形

39、小;淬硬层深度易于控制,操作易于实现机械化、自动化,生产率高。2 2、火焰加热表面淬火、火焰加热表面淬火 是用乙炔是用乙炔- -氧氧( (最高温度为最高温度为3200)3200)或煤气或煤气- -氧氧( (最高温最高温度为度为2400)2400)等火焰加热工件表面,进行淬火。等火焰加热工件表面,进行淬火。火焰加热表面淬火设备简单,火焰加热表面淬火设备简单,操作灵活,成本低等优点。但生操作灵活,成本低等优点。但生产率低,零件表面存在不同程度产率低,零件表面存在不同程度的过热,质量不稳定。的过热,质量不稳定。主要适用于单件、小批量生产主要适用于单件、小批量生产的特大或特小件、异型工件等,的特大或特

40、小件、异型工件等,如大齿轮、轧辊、顶尖、凹槽、如大齿轮、轧辊、顶尖、凹槽、小孔等。小孔等。3 3、电接触加热表面淬火、电接触加热表面淬火 电接触加热的原理如图所示,当工业电流经调压电接触加热的原理如图所示,当工业电流经调压器降压后,电流通过压紧在工件表面的滚轮与工器降压后,电流通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路,利用滚轮与工件之间的高接触电阻件形成回路,利用滚轮与工件之间的高接触电阻实现快速加热,滚轮移去后,由于基体金属吸热,实现快速加热,滚轮移去后,由于基体金属吸热,表面自激冷淬火。表面自激冷淬火。4 4、激光加热表面淬火、激光加热表面淬火 这种表面淬火方法是用激光束扫描工件表面,使这种

41、表面淬火方法是用激光束扫描工件表面,使工件表面迅速加热到钢的临界点以上,而当激光工件表面迅速加热到钢的临界点以上,而当激光束离开工件表面时,由于基体金属的大量吸热,束离开工件表面时,由于基体金属的大量吸热,使表面获得急速冷却而自淬火,故无需冷却介质。使表面获得急速冷却而自淬火,故无需冷却介质。 激光淬火硬化层深度与宽度一般为:深度激光淬火硬化层深度与宽度一般为:深度0.75mm0.75mm,宽度小于,宽度小于1.2mm1.2mm。激光淬火后表层可获得极细的马氏体组织,硬度高激光淬火后表层可获得极细的马氏体组织,硬度高且耐磨性好。且耐磨性好。激光淬火能对形状复杂,特别是某些部位用其它表激光淬火能

42、对形状复杂,特别是某些部位用其它表面淬火方法极难处理的面淬火方法极难处理的( (如拐角、沟槽、盲孔底部如拐角、沟槽、盲孔底部或深孔或深孔) )工件。工件。1.3.71.3.7钢的化学热处理钢的化学热处理 钢化学热处理,是将钢件置于一定温度钢化学热处理,是将钢件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表面,改变其化学成分和组织,达入它的表面,改变其化学成分和组织,达到提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧到提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度目的。化学热处理可化性能以及疲劳强度目的。化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、分

43、为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。渗铝等。1 1、钢的渗碳、钢的渗碳 将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表层的化学热处理工艺过程,渗碳后还应进行淬火层的化学热处理工艺过程,渗碳后还应进行淬火和低温回火。常用渗碳温度为和低温回火。常用渗碳温度为900900950950,渗碳,渗碳层厚度一般为层厚度一般为0.50.52.5mm2.5mm。渗碳的目的:是提高工件表面的硬度和渗碳的目的:是提高工件表面的硬度和耐磨性,同时保持心部的良好韧性。耐磨性,同时保持心部的良好韧性。cc0.10.10.250.25低碳钢和低碳合金钢,经过低碳钢和低碳合金钢

44、,经过渗碳后,再进行淬火与低温回火,可在零件的渗碳后,再进行淬火与低温回火,可在零件的表层和心部分别得到高碳和低碳的组织。用于表层和心部分别得到高碳和低碳的组织。用于一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等活塞销、摩擦片等 。2 2、钢的氮化、钢的氮化 通过氨气的受热分解,分解出活性氮原子,使氮原通过氨气的受热分解,分解出活性氮原子,使氮原子被钢吸收并渗入表面的化学热处理工艺过程。子被钢吸收并渗入表面的化学热处理工艺过程。氮化温度一般为氮化温度一般为550550570570,因此氮化件变形很,因此氮化件变形很小,比渗碳件变形小得多。小,比

45、渗碳件变形小得多。氮化的目的:提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。氮化的目的:提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件,如镗床主轴、精密传动氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件,如镗床主轴、精密传动齿轮;在循环载荷下要求高疲劳强度的零件,如高速柴油机曲轴;以及要齿轮;在循环载荷下要求高疲劳强度的零件,如高速柴油机曲轴;以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件,如阀门、发动机气缸以求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件,如阀门、发动机气缸以及热作模具等。及热作模具等。 氮化工艺:氮化工艺:气体氮化气体氮化 专门设备中通氮

46、气并加热至专门设备中通氮气并加热至560560570570。氮化时间约。氮化时间约202050h50h,氮化层深度一般,氮化层深度一般0.10.10.6mm0.6mm。生产周期长,氮化层。生产周期长,氮化层较脆,不能承受冲击。较脆,不能承受冲击。 离子氮化离子氮化 在低真空度容器内,稀薄的氨气在高电压作用下,使电在低真空度容器内,稀薄的氨气在高电压作用下,使电离后的氮离子高速冲击工件,使其渗入工件表面。氮化时离后的氮离子高速冲击工件,使其渗入工件表面。氮化时间短,易于控制操作,氮化层质量好,脆性低些。间短,易于控制操作,氮化层质量好,脆性低些。 3 3、钢的碳氮共渗与氮碳共渗、钢的碳氮共渗与氮

47、碳共渗 (1 1气体碳氮共渗气体碳氮共渗 在一定温度下同时将碳氮渗入工件表层奥氏体中,在一定温度下同时将碳氮渗入工件表层奥氏体中,并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗。并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗。它是以渗碳为主的碳氮共渗过程,处理后要进行淬它是以渗碳为主的碳氮共渗过程,处理后要进行淬火和低温回火处理。火和低温回火处理。共渗深度一般为共渗深度一般为 0.3 0.30.8mm0.8mm,共渗层表面组织由,共渗层表面组织由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物,以细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物,以及少量的残余奥氏体组成。表面硬度可达及少量的残余奥氏体组成。表面硬度可达58 58

48、 HRC HRC 64HRC64HRC。气体碳氮共渗所用的钢,大多为低碳钢或中碳钢和气体碳氮共渗所用的钢,大多为低碳钢或中碳钢和合金钢如:合金钢如:20CrMnTi20CrMnTi、40Cr40Cr等。等。气体碳氮共渗主要用于汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗气体碳氮共渗主要用于汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类等零件的热处理。杆和轴类等零件的热处理。 (2 2气体氮碳共渗气体氮碳共渗( (软氮化软氮化) ) 工件表面渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理,工件表面渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理,称为氮碳共渗。称为氮碳共渗。共渗层达共渗层达0.010.010.02mm0.02mm。与气体氮化相比,渗层。与气体氮化相比,渗层硬度较低,脆性较低,故又称软氮化。硬度较低,脆性较低,故又称软氮化。氮碳共渗具有处理温度低,时间短,工件变形小的氮碳共渗具有处理温度低,时间短,工件变形小的特点,而且不受钢种限制;碳钢、合金钢及粉末特点,而且不受钢种限制;碳钢、合金钢及粉末冶金材料均可进行氮碳共渗处理,达到提高耐磨冶金材料均可进行氮碳共渗处理,达到提高耐磨性、抗咬合、疲劳强度和耐蚀性的目的。性、抗咬合、疲劳强度和耐蚀性的目的。由于共渗层很薄、不宜在重载下工作,目前软氮化由于共渗层很薄、不宜在重载下工作,目前软氮化广泛应用于模具、量具、刃具以及耐磨、承受弯广泛应用于模

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