金属热处理及表面改性

金属热处理及表面改性第1页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.1钢的热处理原理45钢σb（MPa）δ（％）αk（J/cm2）退火650～70015～2040～60正火700～80015～2050～80淬火1500～17001～215～20钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。第2页，共45页，2023年，2月20日，星期四钢的热处理分类第3页，共45页，2023年，2月20日，星期四钢加热(冷却)时各临界点的位置由于过冷和过热现象的存在第4页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.1.1钢在加热时的组织转变1.奥氏体的形成(共析钢)P(F+Fe3C)→A两相→单相的过程晶格改组和铁原子扩散的过程四个阶段：奥氏体形核晶核的长大残留渗碳体的溶解奥氏体的均匀化第5页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.奥氏体晶粒大小及影响因素起始晶粒是指珠光体刚刚全部转变成奥氏体时的晶粒。一般很细小。实际晶粒是指钢在某个具体热处理或热加工条件下所获得的奥氏体晶粒。直接影响热处理后钢的晶粒大小。第6页，共45页，2023年，2月20日，星期四A晶粒大小的控制“小晶粒→大晶粒”将使合金总的晶界面积减少，从而减少了界面能，使合金的总能量下降，因此高温下A晶粒的长大是一个自发的过程。钢的成分和冶炼条件：C和难溶第二相微粒加热温度和保温时间第7页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.1.2钢在冷却时的组织转变冷却过程是热处理的关键工序，决定着钢在热处理后的组织和性能。热处理的冷却方式可分为两种：等温冷却：将奥氏体迅速冷至Ar1以下某个温度，等温停留一段时间，再继续冷却。连续冷却：将奥氏体以一定的速度冷却，如水冷、油冷、空冷、炉冷等。第8页，共45页，2023年，2月20日，星期四过冷A等温转变图过冷A在不同过冷温度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量的关系曲线图，也称TTT(Time-Temperature-Transformation)曲线，或C曲线。第9页，共45页，2023年，2月20日，星期四1.共析钢A等温转变曲线的建立共析碳钢的等温转变曲线通常采用金相法配合测量硬度的方法建立，有时需用磁性法和膨胀法给予补充和校核。将一系列共析碳钢薄片试样加热到奥氏体化后，分别迅速投入Ac1以下不同温度的等温槽中，使之在等温条件下进行转变；每隔一定时间取出一块，立即在水中冷却，对各试样进行金相观察，并测定硬度；由此得出在不同温度、不同恒温时间下奥氏体的转变量；并分别测定出过冷奥氏体的转变开始和转变终了时间，将所得结果标注在温度与时间的坐标系中，再将意义相同的点连接起来，即可得TTT图。第10页，共45页，2023年，2月20日，星期四第11页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.A等温转变曲线的分析五条线：A1线转变开始线转变终了线M转变开始线：MsM转变终了线：Mf四个区域：稳定A区过冷A区转变过渡区转变产物区高温转变产物区中温转变产物区低温转变产物区第12页，共45页，2023年，2月20日，星期四高温转变产物——珠光体型（727～550℃）铁素体＋渗碳体的层片粗片状珠光体（727～650℃）索氏体（650～600℃）：细片P托氏体（600～550℃）：极细片P组织名称及符号

珠光体(P)

索氏体(S)托氏体(T)形成温度范围A1~650℃650~600℃600~550℃片层间距(μm)

>0.40.4~0.2

<0.2HBS70~230230~320300~400σb/MPa5508701100第13页，共45页，2023年，2月20日，星期四中温转变产物——贝氏体型（550～230℃）过饱和铁素体＋微小渗碳体上贝氏体（550～350℃）：羽毛状下贝氏体（350～230℃）：黑色针状第14页，共45页，2023年，2月20日，星期四低温转变产物——马氏体型（<230℃）马氏体M＋残余奥氏体Ar属非扩散型转变马氏体M：过饱和的α-Fe固溶体含碳量小于0.2％时，马氏体呈板条状含碳量大于1.0％时，马氏体呈片状或针叶状第15页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.连续冷却转变曲线这两种转变的不同处在于：①在连续冷却转变曲线中，珠光体转变所需的孕育期要比相应过冷度下的等温转变略长，而且是在一定温度范围中发生的②共析碳钢和过共析碳钢连续冷却时一般不会得到贝氏体组织第16页，共45页，2023年，2月20日，星期四临界冷却速度与CCT曲线相切的冷却曲线Vk叫做淬火临界冷却速度，它表示钢在淬火时过冷奥氏体全部发生马氏体转变所需的最小冷却速度。Vk值愈小，钢在淬火时愈容易获得马氏体组织，即钢接受淬火能力愈大。按不同冷却速度连续冷却时，过冷奥氏体转变成不同的产物：5.5℃/秒——珠光体；33℃/秒——珠光体和少量马氏体；138℃/秒——马氏体和残余奥氏体。第17页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.2钢的普通热处理工艺3.2.1钢的退火与正火3.2.2钢的淬火与回火第18页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.2.1钢的退火与正火主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件，由于处理时冷却速度较慢，故对钢的强化作用较小，在许多情况下不能满足使用要求。除少数性能要求不高的零件外，一般不作为获得最终使用性能的热处理，而主要用于改善其工艺性能，故称为预备热处理退火与正火的目的有以下几点：①消除残余内应力，防止工件变形、开裂②改善组织，细化晶粒③调整硬度，改善切削性能④为最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备第19页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.2.1钢的退火与正火一、钢的退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。根据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。1、完全退火定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC，完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500ºC以下，出炉空冷。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。适用范围：亚共析钢型材。第20页，共45页，2023年，2月20日，星期四2、不完全退火（球化退火）定义：将钢加热到Ac1以上20~30ºC,保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷。目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。球化退火后过共析钢组织第21页，共45页，2023年，2月20日，星期四3、去应力退火定义：将钢加热到500--600ºC,保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷。又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。（没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。第22页，共45页，2023年，2月20日，星期四二、钢的正火1、概念：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。2、目的：对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能；对中碳钢，可提高硬度和强度，可作为最终热处理；对高碳钢，可为球化退火作准备。第23页，共45页，2023年，2月20日，星期四第24页，共45页，2023年，2月20日，星期四退火与正火的选择从切削加工性考虑作为预备热处理，低碳钢正火优于退火，高碳钢必须采用退火；从使用性能考虑对亚共析钢正火比退火具有较好的力学性能。如果零件的性能要求不高，则可用正火做最终热处理。当零件形状复杂时，采用退火。从经济上考虑正火生产周期短、耗能少、成本低，优先选用。第25页，共45页，2023年，2月20日，星期四3.2.2钢的淬火与回火一、钢的淬火将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。目的是提高钢的硬度、强度和耐磨性。例如：T10钢，退火<20HRC；淬火＋低温回火60～64HRC第26页，共45页，2023年，2月20日，星期四淬火的加热温度第27页，共45页，2023年，2月20日，星期四淬火冷却怎样才能既得到M又最大限度地减小变形与避免开裂呢?可以从两方面着手解决：其一是寻找一种比较理想的淬火介质；其二是改进淬火冷却方法。淬火介质：水矿物油盐水碱水第28页，共45页，2023年，2月20日，星期四淬火方法:（1）单液淬火：将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。特点：操作简单，容易实现自动化。（2）双液淬火：先水后油，或先油后空气。特点：可防止变形与开裂。（3）分级淬火：先放入一定温度的盐浴或碱浴中，再空冷。特点：有效减小内应力，防止变形与开裂，但只适于小尺寸工件。第29页，共45页，2023年，2月20日，星期四钢的淬透性和淬硬性淬透性：钢在淬火时获得M的能力一般规定，钢的表面至内部马氏体组织占50％处的距离称为淬硬层深度淬硬层越深，淬透性就越好。第30页，共45页，2023年，2月20日，星期四钢的淬透性和淬硬性淬硬性：钢在淬火时所能获得的最高硬度。它主要取决于马氏体中的含碳量。第31页，共45页，2023年，2月20日，星期四影响淬透性的因素主要取决于钢的临界冷却速度Vk。临界冷却速度越小，过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性也就越好合金元素是影响淬透性的主要因素。除Co和大于2.5％的Al以外，大多数合金元素溶入奥氏体都使C曲线右移，降低临界冷却速度，因而使钢的淬透性显著提高含碳量，碳的质量分数越接近于共析成分，C曲线越靠右，淬透性越好。提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大，成分均匀，奥氏体稳定，使钢的临界冷却速度减小，改善钢的淬透性第32页，共45页，2023年，2月20日，星期四2.回火将淬火后的钢件加热至Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷至室温的热处理工艺称为回火钢件淬火后必须进行回火，其主要目的是：降低脆性、消除或降低残余应力，减小变形，防止开裂赋予工件所要求的力学性能。通过采用不同温度的回火来调整硬度，减小脆性，获得所需的塑性和韧性稳定工件的组织和尺寸，避免其在使用过程中发生变化第33页，共45页，2023年，2月20日，星期四(1)淬火钢回火时的组织转变随回火温度的升高，淬火钢的组织发生以下几个阶段的变化：1)马氏体的分解在100～200℃回火时，马氏体开始分解。马氏体中的碳以ε碳化物(Fe2.4C)的形式析出，使过饱和程度略有减小，这种组织称为回火马氏体(M回)。因碳化物极细小，且与母体保持共格，故硬度略有下降。2)残余奥氏体的转变在200～300℃回火时，马氏体继续分解，同时残余奥氏体也向下贝氏体转变。此阶段的组织大部分仍然是回火马氏体，硬度有所下降第34页，共45页，2023年，2月20日，星期四第35页，共45页，2023年，2月20日，星期四3)回火托氏体的形成在300～400℃回火时，马氏体分解结束，过饱和固溶体转变为铁素体。同时非稳定的ε碳化物也逐渐转变为稳定的渗碳体，从而形成在铁素体的基体上分布着细颗粒状渗碳体的混合物，这种组织称为回火托氏体(T回)，此阶段硬度继续下降4)渗碳体的聚集长大回火温度在400℃以上时，渗碳体逐渐聚集长大，形成较大的粒状渗碳体，这种组织称为回火索氏体(S回)，与回火托氏体相比，其渗碳体颗粒较粗大。随回火温度进一步升高，渗碳体迅速长大，而且铁素体开始发生再结晶，由针状形态变成等轴多边形。第36页，共45页，2023年，2月20日，星期四(2)回火的种类及应用根据零件对性能的不同要求，按其回火温度范围，可将回火分为以下几类：1)低温回火(150～250℃)回火后的组织为回火马氏体，基本上保持了淬火后的高硬度(一般为58～64HRC)和高耐磨性，主要目的是为了降低淬火应力一般用于有耐磨性要求的零件，如刃具、工模具、滚动轴承、渗碳零件等第37页，共45页，2023年，2月20日，星期四2)中温回火(350～500℃)回火后的组织为回火托氏体，其硬度一般为35～45HRC，具有较高的弹性极限和屈服点。因而主要用于有较高弹性、韧性要求的零件，如各种弹簧3)高温回火(500～650℃)回火后的组织为回火索氏体，这种组织既有较高的强度，又具有一定的塑性、韧性，其综合力学性能优良工业上通常将淬火与高温回火相结合的热处理称为调质处理，它广泛应用于各种重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。也可用于量具、模具等精密零件的预备热处理。硬度一般为200～3