模具零件热处理课件

第三节钢的热处理及表面处理

一、概述二、钢在加热时的组织转变三、钢在冷却时的组织转变四、钢的退火与正火五、钢的淬火六、钢的淬透性七、钢的回火八、钢的表面淬火九、钢的化学热处理2023/7/26一、概述

1、钢的热处理钢的热处理是指在固态下通过对钢进行不同的加热、保温、冷却来改变钢的内部组织，从而获得所需要性能的一种工艺。

钢的热处理工艺图2023/7/26一、概述

2、钢的热处理分类

根据工艺方法来分：1）普通热处理（退火、正火、淬火、回火）2）表面热处理（火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、激光加热表面淬火等）3）化学热处理（渗碳、渗氮、渗其它元素等）2023/7/26根据热处理在零件加工中的作用分：1）预先热处理（退火、正火）：为机械零件切削加工前的一个中间工序，以改善切削加工性能及为后续作组织准备。2）最终热处理（淬火、回火）：获得零件最终使用性能的热处理。一、概述

2、钢的热处理分类

2023/7/26一、概述

3、过热度和过冷度

平衡态相变线

A1、A3、Acm加热（过热度）Ac1、Ac3、Accm冷却（过冷度）Ar1、Ar3、Arcm

加热和冷却时相图上临界点位置2023/7/26二、钢在加热时的组织转变

1、奥氏体的形成

奥氏体化——若加工温度高于相变温度的钢，在加热和保温阶段，将发生室温下的组织向A的转变，称为奥氏体化。2023/7/26二、钢在加热时的组织转变

1、奥氏体的形成

☆共析钢加热到Ac1点相变温度P（F+Fe3C）A☆奥氏体形成的四个步骤：1）奥氏体晶核的形成；A晶核通常在珠光体中F和Fe3C相界处产生；2）奥氏体晶核长大；3）残余渗碳体的溶解；4）奥氏体的均匀化共析钢的奥氏体形成过程示意图2023/7/26二、钢在加热时的组织转变

1、奥氏体的形成

亚共析钢——加热到Ac3以上；过共析钢——理论上应加热到Accm以上，但实际上低于Accm。因为加热到Accm以上，渗碳体会全部溶解，奥氏体晶粒也会迅速长大，组织粗化，脆性增加。加热和冷却时相图上临界点位置2023/7/26三、钢在冷却时的组织转变

过冷奥氏体——在共析温度（A1）以下存在的不稳定状态的奥氏体，以符号A冷表示。随着过冷度的不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变：1）珠光体型转变；2）贝氏体型转变；3）马氏体型转变。2023/7/261、珠光体组织形态及性能三、钢在冷却时的组织转变2、马氏体组织形态和性能3、贝氏体组织形态和性能2023/7/261、珠光体组织形态及性能

（1）珠光体组织形态☆过冷奥氏体在A1

~550℃温度范围内将转变成珠光体类型组织。该组织均为铁素体与渗碳体层片相间的机械混合物。这类组织可细分为：产物名称转变温度层片间距

硬度（HBS）珠光体PA1~600℃

＞0.4μm~200索氏体S650℃~600℃0.4~0.2~300屈氏体T600℃~550℃＜0.2μm~4002023/7/26

珠光体组织形态光学显微镜下形貌400×

1、珠光体组织形态及性能

（1）珠光体组织形态2023/7/26

索氏体组织形态电子显微镜下形貌400×

1、珠光体组织形态及性能

（1）珠光体组织形态2023/7/26

托氏体组织1、珠光体组织形态及性能

（1）珠光体组织形态2023/7/26典型的扩散相变：1）碳原子和铁原子迁移；2）晶格重构。珠光体转变过程示意图1、珠光体组织形态及性能

（2）珠光体的转变过程2023/7/261、珠光体组织形态及性能

（3）珠光体的性能冷却速度℃/min层片间距μm组织形态σMN/m2δ%HB≈1≈60≈600≈0.6-0.7≈0.35-0.5≈0.25-0.3粗珠光体珠光体索氏体≈550≈870≈1100≈5≈15≈10≈180≈220≈270共析钢在不同冷却速度下所得层片间距、组织形态与性能关系从表中可以看出，索氏体组织比珠光体细，所以前者比后者的强度、硬度大，屈氏体组织更细，因此其强度、硬度就更大(HB300-450)。2023/7/262、马氏体组织形态和性能当奥氏体以极大的冷却速度过冷至Ms点以下，(对于共析钢为230℃以下)时，将转变成马氏体类型组织。获得马氏体是钢件强化的重要基础。2023/7/262、马氏体的组织形态和性能

（1）马氏体的晶体结构马氏体M是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变时，奥氏体中的C全部保留在马氏体中。体心正方晶格

（a=b≠c）；c/a——正方度；M中碳的质量分数越高，其正方度越大，晶格畸变越严重，M的硬度也就越高。马氏体晶格示意图2023/7/26钢中马氏体组织形态主要有两种类型:①板条状马氏体，也称位错马氏体；

（Wc<0.2%——板条状马氏体）②针片状马氏体，也称孪晶马氏体。（Wc>1%——针片状马氏体（2）马氏体的组织形态2、马氏体的组织形态和性能

（2）马氏体的组织形态2023/7/26

板条马氏体组织2、马氏体的组织形态和性能

（2）马氏体的组织形态2023/7/26

针状马氏体组织2、马氏体的组织形态和性能

（2）马氏体的组织形态2023/7/26主要特点：高硬度高强度——马氏体强化的主要原因是过饱和碳原子引起的晶格畸变，即固溶强化。板条状马氏体塑性韧性较好；高碳片状马氏体的塑性韧性都较差。在保证足够的强度和硬度的情况下，尽可能获得较多的板条状马氏体。2、马氏体的组织形态和性能

（3）马氏体的性能2023/7/263、贝氏体组织形态和性能◆过冷奥氏体在550℃~Ms点温度范围内将转变成贝氏体类型组织。贝氏体用符号字母B表示。根据贝氏体的组织形态可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。产物名称转变温度组织形态上贝氏体B上550~350℃F（过饱和）+Fe3C（短棒狀）光学金相形貌为羽毛状下贝氏体B下350℃~MsF（过饱和）+

ε碳化物光学金相形貌为竹叶状2023/7/261）550~350℃——上贝氏体B上——羽毛状——40~45HRC——脆性较大——基本上无实用价值；2）350℃~Ms——下贝氏体B下——黑色竹叶状——45~55HRC——优良的综合力学性能——常用。3、贝氏体组织形态和性能2023/7/26四、钢的退火与正火

1、退火和正火的主要目的1）调整硬度以便切削加工（170HBS~250HBS）；2）消除残余应力，防止变形、开裂；3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能；4）为最终热处理作组织准备。

2023/7/262、退火◆将金属加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺。◆退火根据钢的成分和工艺目的不同，可分为完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火等。2023/7/261、退火

（1）完全退火（重结晶退火、普通退火）将钢完全奥氏体化,随之缓慢冷却,获得接近平衡组织的退火工艺。主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接件。加热温度Ac3+(30~50)℃Ac3+(30~50)℃时间温度完全退火工艺曲线图2023/7/261、退火

(2)球化退火（不完全退火）使钢中碳化物球状化，主要用于过共析钢；目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并为后续的淬火做组织准备。得到的组织——粒状P（F基体上弥散分布着颗粒状渗碳体的组织）加热温度Ac1+(20~30)℃球化退火：是将共析钢体或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一段时间，然后再缓慢冷却到600℃以下，再出炉空冷的工艺。2023/7/261、退火

（3）等温退火加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。对于亚共析钢可代替完全退火，对于过共析钢可代替球化退火。温度空冷等温退火工艺图2023/7/26高速钢的等温退火与普通退火的比较1、退火

（3）等温退火2023/7/261、退火

（4）去应力退火（无相变退火）将工件加热到Ac1以下某一温度（500~650℃）保温后随炉冷却到200~

300℃以下出炉空冷。主要用于消除内应力，稳定尺寸，防止变形与开裂。加热温度通常为

500℃~650℃2023/7/262、正火正火是将钢加热到Ac3（或Accm）以上(30~50)℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺，正火组织为索氏体；正火与退火的主要区别：1）冷却速度不同；2）正火后的组织比较细，比退火强度、硬度有所提高，而且生产周期短，操作简单；过共析钢正火后可消除网状碳化物；低碳钢正火后可显著改善切削加工性能；正火是一种优先采用的预先热处理工艺。2023/7/26各种退火和正火加热温度范围比较1）正火Ac3或Accm+(30~50)℃2）完全退火Ac3+(30~50)℃3）球化退火Ac1+(20~30)℃4）去应力退火500℃~650℃各种退火及正火的加热温度范围2023/7/26五、钢的淬火淬火——将钢加热到Ac3或Ac1相变点以上某一温度，保温一定时间，然后以大于马氏体临界速度快速冷却，从而获得马氏体或者贝氏体的热处理工艺。淬火的主要目的——获得具有高硬度、高耐磨性的马氏体，为以后获得各种力学性能的回火组织作准备。2023/7/261）亚共析钢Ac3+(30~50)℃（要完全奥氏体化）2）过共析钢Ac1+(30~50)℃（是部分奥氏体化）3）合金钢的淬火温度允许比碳素钢高，一般为临界点以上（50~100）℃。碳素钢淬火的加热温度范围1、淬火温度的选择2023/7/262、淬火介质理想的淬火冷却速度，如图所示。在C曲线“鼻尖”附近快冷，而在Ms点附近应尽量慢冷。目前常用的冷却介质有：油、水、盐水等，其冷却能力依此增加。钢的理想淬火冷却速度2023/7/263、常用淬火方法1）单液淬火2）双液淬火3）分级淬火4）等温淬火

各种淬火方法示意图1-单液淬火2-双液淬火3-分级淬火3-等温淬火2023/7/26六、

钢的淬透性

1、淬透性的基本概念钢的淬透性——是指在规定的条件下，钢在淬火时能够获得淬硬层深度的能力。淬透性是钢的一种热处理工艺性能，与冷却速度无关。淬透性也叫可淬性，它取决于钢的淬火临界冷却速度（Vk）的大小。2023/7/26六、钢的淬透性

2、淬透性对钢力学性能的影响淬透性对钢的力学性能有很大影响。淬透的工件，表里性能均匀一致；未淬透时，表里性能存在差异。淬透的工件经调质后由表及里都是回火索氏体，而未淬透的工件心部是片状索氏体和铁素体，尤其是韧性（ak)相差特别大。不同的零件对淬透性要求不一样。如弹簧要求淬透，而齿轮即不要求淬透。2023/7/26六、钢的淬透性

3、淬透性与淬硬层深度的关系在相同的条件下，钢的淬透性越高，淬硬层深度就越大。工件的淬硬层深度除取决于钢的淬透性外，还受淬火介质和工件尺寸等外部因素的影响。2023/7/26六、钢的淬透性

3、淬硬性与淬透性淬硬性是指钢在正常淬火条件下，所能达到的最高硬度。是钢的一种工艺性能。奥氏体中固溶的碳越多，淬硬性就越高。与合元素没有多大关系。而淬透性与合金元素就有很大的关系。淬硬性高的钢，其淬透性不一定高。2023/7/26七、钢的回火淬火获得的马氏体组织脆性很大，一般须经回火以改善其性能才能使用；回火是指将淬火后的钢再加热到不超过Ac1的温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。2023/7/261、回火的目的1）降低脆性，消除或减小内应力。防止工件变形或开裂；2）获得工件所要求的力学性能；3）稳定工件尺寸；M+A残

F+Fe3C（或碳化物）4）改善切削加工性能。2023/7/262、回火的种类及应用（1）低温回火（150~250℃）——回火马氏体——58~64HRC；

降低残余应力和脆性，保持钢在淬火后得到的高硬和高耐磨性；

应用：切削刃具、量具、滚动轴承等。2023/7/26（2）中温回火（350~500℃）——回火屈氏体——35~45HRC；

获得高屈服强度、弹性极限和较高的韧性。

应用：弹簧、模具等。2、回火的种类及应用2023/7/26（3）高温回火（500~650℃）——回火索氏体——20~35HRC；

得到强度、塑性、韧性较好的综合力学性能。

调质处理淬火加高温回火得到回火S的热处理工艺。应用：各种重要的结构零件，如连杆、曲轴、等。2、回火的种类及应用2023/7/26八、钢的表面淬火表面淬火的目的：使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原来良好的韧性和塑性。表面淬火不改变表面化学成分，只改变其表面组织。含碳量在0.4%~0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于表面淬火。2023/7/261、感应表面淬火（1）感应加热基本原理——采用电磁感应方法使零件表面迅速加热，然后迅速喷水冷却的热处理操作。（2）感应加热的频率1）高频200~300KHz；淬硬深度0.5~2.5mm小件；2）中频2500~8000Hz；淬硬深度2~10mm尺寸较大的工件；3）工频50Hz；淬硬深度10~20mm大型工件。2023/7/262、其它表面加热淬火方法火焰加热表面淬火——乙炔氧化焰直接喷射工件表面，使其快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，以获得表面硬化效果的表面淬火工艺。激光表面淬火——利用激光对工件表面进行强化处理，用高能量激光作热源快速加热钢件表面，并自行冷却使其淬火。特别适合局部淬火2023/7/26九、钢的化学热处理化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理可分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗洛和渗铝等。2023/7/26