钢热处理——钢淬火与回火PPT课件

1、1 定义：把钢加热到临界温度（A Ac3c3或A Ac1c1）以上，保温一段时间后，再以大于临界冷却速度冷却，从而获得M M（或B B下）组织的方法。2 目的:(1) 提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性；(2) 结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能；(3) 此外，还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。如提高磁钢的磁性，不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性等。第1页/共53页3 淬火的工艺参数3.1 加热温度 (1) 化学成分:亚共析钢:Ac3+30-50 C过共析钢:Ac1+30-50 C (Acm)第2页/共53页亚共析碳钢为什么要加

2、热到Ac3以上完全化后淬火呢？ 若加热温度选在Ac1Ac3之间，组织中有一部分铁素体存在，在随后的淬火冷却中，由于铁素体不发生变化而保留下来，它的存在是钢的淬火组织中存在软点，降低了淬火钢的硬度，同时它的存在还会影响钢的均匀性，影响机械性能，加热Ac3以上太高也不行，钢的氧化脱碳严重，另一方面晶粒粗大，淬火后粗大，钢的性能变坏。第3页/共53页过共析钢的淬火加热温度为什么选择在Ac1Ac3之间？ 首先过共析钢在淬火加热以前，都要经过球化处理，加热到Ac1Acm之间时组织为和一部分未溶化的e3C,，淬火后，M，e3C被保留下来，e3C硬度很高，它的存在，可以提高钢的硬度和耐磨性。若 T Acm

3、C % 增加, Ms点下降, 残A增多; 粗大M; 氧化脱碳严重,易变形开裂 增大淬火应力，增加了工件变形和开裂的倾向。第4页/共53页低合金钢: Ac3或Ac1 + 50-100 C高合金钢: Ac3或Ac1 + 300-400 C W18Cr4V: 1280 C,分级加热W18Cr4VT (C)6008001280t(2)工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等第5页/共53页淬火加热后组织第6页/共53页3.2 保温时间保温 升温热透转变 与合金成分，尺寸、装炉量等因素有关 = K D工 件 有 效 厚 度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般 K = 11.5加热系数,与钢种及加热介质有关

4、第7页/共53页常用钢的加热系数钢的种类工件直径mm600箱式炉中预热750850盐浴炉中加热或预热800900箱式炉或井式炉中加热11001300高温盐炉中加热碳钢50 50.0.30.4 0.40.51.01.2 1.21.5.合金钢50 50.0.450.5 0.50.551.21.5 1.51.8.高合金钢.0.350.400.30.35.第8页/共53页有效厚度的确定第9页/共53页3.3 加热介质空气、盐浴、可控气氛、真空等气氛条件造成氧化与脱碳 氧化 （T570C): O2 +2Fe 2FeO CO2 + Fe FeO + CO H2O + Fe FeO +H2第10页/共53页

5、 脱碳O2: Fe3C + O2 3Fe +CO2 CA + O2 CO2CO2: Fe3C + CO2 3Fe + 2CO CA + CO2 2COH2O: Fe3C + H2O 3Fe +H2+CO CA + H2O H2+ COH2: Fe3C+2H2 3Fe + CH4 CA +2H2 CH4 第11页/共53页1. 淬火介质的要求淬火介质的要求 （ P176, 图图81 ） 鼻点冷速大，鼻点冷速大， MsMs附近冷速小；附近冷速小； 目的：获得目的：获得M M 热应力热应力 开裂开裂 稳定，成本低稳定，成本低 安全，无毒；不腐蚀工件安全，无毒；不腐蚀工件第12页/共53页(1)理想介

6、质冷却速度高温T650,慢冷,可以减少热应力。中温650400 ,快冷,避开C曲线的鼻尖,保证全部获得M。低温400以下，特别是300200 发生M转变时要求慢冷，M转变时的组织应力第13页/共53页(2)理想冷却速度示意图 时间温度第14页/共53页 2 常用淬火介质 根据工件淬火冷却过程中，淬火介质由否发生物态变化，把液态淬火介质分为两类的，即有物态变化的和无物态变化的。 有物态变化的 无物态变化的水及各种水溶液各种淬火油各种气体熔融金属、熔盐固体-铜板、铁板、气-固流态床第15页/共53页 有物态变化的（以水为例） 冷却三阶段： 蒸汽膜阶段 沸腾阶段 对流阶段 (1):蒸汽膜阶段： 灼热

7、钢件投入淬火介质中，一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。由于工件是不良导体，这阶段的冷却主要靠辐射传热，因此，冷却速度较慢。第16页/共53页 （2):沸腾阶段： 进一步冷却时，工件表面温度降低，工件放出热量愈来愈少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，以致使液体在这些地方和工件直接接触，形成大量气泡溢出液体，由于介质的不断更新，带走大量热量，所以这阶段的冷却速度较快第17页/共53页 （3):对流阶段： 当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。对无物态变化的介

8、质，淬火冷却主要靠对流散热，在工件温度较高时辐射散热也由很大比例，也存在传导散热。第18页/共53页 （2 2）常用淬火介质）常用淬火介质 水：水： Vmax: 500780 C/s, 300400 C 鼻温：鼻温：150 C/s； Ms： 450 C/s 优点：冷却能力强，成本低优点：冷却能力强，成本低 缺点：缺点：M转变温区冷速过大，变形大转变温区冷速过大，变形大 冷却能力对水温，不溶夹杂敏感冷却能力对水温，不溶夹杂敏感 应用：小尺寸、形状简单碳钢件应用：小尺寸、形状简单碳钢件 第19页/共53页 油：油： Vmax: 100250 C/s, 400500 C 鼻温：鼻温：6070 C/s

9、； Ms： 50 C/s 优点：优点： M转变温区冷速小，不易变形转变温区冷速小，不易变形 缺点：鼻温区冷速小，淬不透缺点：鼻温区冷速小，淬不透 应用：合金钢件应用：合金钢件 第20页/共53页 盐水与碱水盐水与碱水 1010 NaCl水溶液水溶液 15 NaOH水溶液水溶液 5 NaCO3水溶液水溶液 作用：使蒸汽膜提前破碎，但腐蚀作用：使蒸汽膜提前破碎，但腐蚀 新淬火介质（表新淬火介质（表8-4) Page 1808-4) Page 180 水基；油基水基；油基 光亮处理光亮处理 （表（表8-38-3）Page 178Page 178 第21页/共53页常用的淬火冷却介质第22页/共53页

10、 1 1 概念：概念：指钢材被淬透的能力，或者说钢的指钢材被淬透的能力，或者说钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得淬透性是指表征钢材淬火时获得M的能力的的能力的特性。特性。用钢在一定条件下淬火获得淬透用钢在一定条件下淬火获得淬透层深度表示其大小。层深度表示其大小。 淬透层深度：淬透层深度： 由工件表面由工件表面半马氏体点半马氏体点(50%M)的深度的深度 第23页/共53页工件淬硬层与冷却速度的关系第24页/共53页未淬透钢淬透钢淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响第25页/共53页 2 2 淬透性影响因素淬透性影响因素与影响与影响C 曲线的因素一致曲线的因素一致 （1）钢的化学成分：）钢的

11、化学成分： C含量及合金元素含量及合金元素 （2）奥氏体晶粒度：）奥氏体晶粒度： 奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高。 （3）奥氏体化温度：）奥氏体化温度： 提高奥氏体化温度，提高淬透性。提高奥氏体化温度，提高淬透性。 （4）第二相及其分布）第二相及其分布: 奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。 实际淬透层深度实际淬透层深度：淬透性、工件大小、淬火介质：淬透性、工件大小、淬火介质 第26页/共53页 3 3

12、淬透性与淬硬性淬透性与淬硬性 淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成M可能得可能得 到的最高硬度表示。到的最高硬度表示。 取决于取决于M中的中的C%. 淬透性：钢的临界冷却速度合金元素。淬透性：钢的临界冷却速度合金元素。 第27页/共53页淬硬性与淬透性之间的区别: 淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。淬透性是钢本身所固有的的属性，对以一种钢，它是确定的，可用于不同钢种之间的比较。实际工件的有效淬硬深度，除了取决于钢的淬透性，还与工件的形状

13、、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。 两个不同的概念淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量，淬透性好的钢其淬硬性不一定高。第28页/共53页钢的淬透性的应用钢的淬透性是机械设计中选材时应予考虑的重要因素之一。大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力和压力的许多重要零件（螺栓、拉杆、锻模、锤杆等），要求表面和心部力学性能一致，故应选择淬透性高的材料；心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件（承受弯曲或扭转的轴类），可选用淬透性低的钢，获得1/21/4淬硬层深度即可；焊接件、承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模等，不能或不宜选择淬透性大的材料。第29页/共53页（一）临界直径法生

14、产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。临界淬火直径圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用D Do o表示。在相同冷却条件下，D Do o越大，钢的淬透性越好。4 淬透性的实验测定方法油淬水淬M非M第30页/共53页 （2）顶端淬火法顶端淬火法 端淬法端淬法 该法为乔迈奈等于该法为乔迈奈等于1938年建议采用的，因而国外年建议采用的，因而国外常称为常称为“Jominy端淬法端淬法 端淬曲线、端淬曲线带端淬曲线、端淬曲线带 各种钢的淬透性曲线可以参考各种钢的淬透性曲线可以参考合金钢手册合金钢手册 第31页/共53页顶端淬火法 25100 ，第32页/共

15、53页1.53.04.56.07.59.0 10.5 12.0 13.5 15.0010203040506070距端面距离/ mmHRC40Cr45第33页/共53页 1 单液淬火：尺寸小、形状简单碳钢件、合金钢件。单液淬火：尺寸小、形状简单碳钢件、合金钢件。 2 双液淬火双液淬火 （水淬油冷）尺寸较大碳钢件。（水淬油冷）尺寸较大碳钢件。 3 分级淬火：稍高于分级淬火：稍高于Ms，盐浴；小尺寸模具、变形，盐浴；小尺寸模具、变形小精密件。小精密件。 4 等温淬火：淬火热应力、组织应力小，变形小；等温淬火：淬火热应力、组织应力小，变形小；形状复杂、尺寸精密件。形状复杂、尺寸精密件。 5 冷处理冷处

16、理 减小残减小残A A，提高硬度；稳定尺寸；，提高硬度；稳定尺寸； 第34页/共53页单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1第35页/共53页 单液淬火 将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。 优点：操作简单，容易实现自动化缺点：易产生淬火缺陷， 水中淬火易产生变形和 裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。第36页/共53页 双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近Ms点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。优点：内应

17、力小，变形及开裂小。缺点：操作困难，不易掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。第37页/共53页 马氏体分级淬火：定义：将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴 中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再 取出空冷以获得马氏体。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织应用： 尺寸小，形状复杂工件第38页/共53页 贝氏体等温淬火：定义：将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴 中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉 空冷。优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的综合力学性能。应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性

18、都要求较高的工件如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等第39页/共53页 1 回火工艺参数的选择回火工艺参数的选择 回火温度的选择：回火温度的选择： （1）零件使用性能）零件使用性能硬度硬度回火温度回火温度 （2）应力消除：）应力消除：T500C, 1h T200C, 23h 回火后冷却方式：回火后冷却方式： 回火脆性钢回火脆性钢水、油冷水、油冷(第二类回火脆性）第二类回火脆性） 高合金钢的多次回火高合金钢的多次回火 第40页/共53页 2 回火种类回火种类 回火温度回火温度，内应力，内应力； 强硬度强硬度，塑韧性，塑韧性。 （1 1）低温回火）低温回火 (150-250C)(150-250C)

19、 组织：回火组织：回火M（淬火（淬火M) 高碳钢：高碳钢：淬火片状淬火片状M回火回火M (片状过饱和片状过饱和碳化物，共格）碳化物，共格） 性能：保持高强硬度；微裂纹焊合；性能：保持高强硬度；微裂纹焊合； 内应力和脆性内应力和脆性；韧性略；韧性略。 低碳钢：低碳钢：板条板条M,C M,C 的偏聚的偏聚 应用：工、模、量具钢；低碳马氏体钢应用：工、模、量具钢；低碳马氏体钢 渗碳和碳氮共渗渗碳和碳氮共渗第41页/共53页（2 2）中温回火）中温回火 (350-500C)(350-500C)避免第一类回火脆性避免第一类回火脆性 组织：回火组织：回火屈氏体（屈氏体屈氏体（屈氏体) ) 条、针状（未再结

20、晶，平衡条、针状（未再结晶，平衡C）相相 弥散分布细粒状弥散分布细粒状相相 性能：基体已回复；内应力性能：基体已回复；内应力； 弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性 应用：弹簧钢、热锻模。（应用：弹簧钢、热锻模。（0.60.60.9%)0.9%)第42页/共53页（3 3）高温回火）高温回火 (550-680C)(550-680C) 组织：回火组织：回火索氏体索氏体 等轴状（再结晶）等轴状（再结晶）相均匀分布粒状相均匀分布粒状 （球化）（球化）相相 性能：内应力基本消除，强度与韧性最佳配合；性能：内应力基本消除，强度与韧性最佳配合； 综合机械性能高综合机械性能高

21、 应用应用: : 重要结构件，轴、齿轮，二次硬化高合金重要结构件，轴、齿轮，二次硬化高合金 钢钢 调质处理：淬火高温回火（可作为预备热处理）调质处理：淬火高温回火（可作为预备热处理） 注意：注意：预防和避免第二类回火脆性。预防和避免第二类回火脆性。 第43页/共53页1 1 种类：种类：变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、 软点、过热、过烧。软点、过热、过烧。 过热：晶粒粗大过热：晶粒粗大重结晶消除重结晶消除 过烧：晶界熔化或氧化过烧：晶界熔化或氧化2 2 变形与淬火应力变形与淬火应力 变形方式：体积变化、弯曲翘曲。变形方式：体积变化、弯曲翘曲。 产生原因：加热

22、或冷却过程中热胀冷缩、产生原因：加热或冷却过程中热胀冷缩、 组织转变不同步组织转变不同步内应力内应力 种类：热应力、组织应力种类：热应力、组织应力 高温段高温段变形；低温段变形；低温段开裂开裂 第44页/共53页内应力 热应力工件在加热(或冷却)时，由于不同部位的温度差异，导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力； 组织应力由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。根据内应力的存在时间特性还可分： 1）：瞬时应力在冷却过程中某一时刻所产生的内应力叫瞬时应力； 2）：残余应力冷却终了，残余于工件内部的应力。第45页/共53页热应力变化规律： a）淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力表面为压应力，心部为拉应力。 b）淬火冷却时产生的热应力系由于冷却过 程中截面温度差造成的，冷却速度越 快，界面温度愈大，则产生的热应力愈 大，在相同冷却介质条件下，工件加热温 度愈高，尺寸愈大，钢材热传导系数愈 小，工件内温差愈大，热应力愈大。 第46页/共53页 组织应力的变化规律： a）：在心部完全淬透的情况下，组织应力使工件最终应力表现为：表面呈现拉应力，心部呈现压应力。 b）：组织应力的大小与钢在马氏体相变温度范围有关，截面上温度愈大，组织应力增加，相