模具材料及材料成形工艺 第2版 教学课件 作者 艾小玲 第4章钢的热处理

2024/2/513-1第四

章钢的热处理塑料模具2024/2/513-2第四章钢的热处理——固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸目的：改善材料的使用、工艺性能根本过程：加热→保温→冷却分类：1普通热处理退火、正火淬火、回火2外表热处理外表淬火化学热处理2024/2/513-34.1钢的热处理原理Ac1A1Ar1Ac3A3Ar3AccmAcmArcmSPGQEFF+PPP+Fe3CⅡ

AF+AA+Fe3CⅡ

℃

C%钢在加热时的组织转变2024/2/513-4钢的奥氏体化加热工序的目的：得到奥氏体奥氏体形成过程：形核的形成在F/Fe3C相界面上形核晶核的长大F→A晶格重构Fe3C溶解，C→A中扩散剩余Fe3C溶解奥氏体的均匀化2024/2/513-5Ac1~AccmAccm以上Ac3以上影响奥氏体晶粒大小的因素对亚共析钢：P+F对过共析钢：P+Fe3CⅡAc1~Ac3A+FAA+Fe3CⅡA保温工序的目的：得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散影响奥氏体晶粒大小的因素：加热温度↑，保温时间↑→A晶粒长大快加热速度↑→A晶粒细含碳量↑→A晶粒细原始组织细→A晶粒细奥氏体晶粒度及对

力学性能的影响一)奥氏体晶粒度:

1.起始晶粒度:珠光体刚刚转变成奥氏体的晶粒大小。

2.实际晶粒度:热处理后所获得的奥氏体晶粒的大小。

3.本质晶粒度:度量钢本身晶粒在930℃

以下,随温度升高,晶粒长大的程度。

钢的本质晶粒度示意图奥氏体晶粒大小对钢的力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起工件产生较大的变形甚至开裂。2024/2/513-94.2钢在冷却时的组织转变A1℃

t等温冷却连续冷却过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。按等温冷却方式测定，得到过冷奥氏体等温转变曲线：C曲线〔TTT曲线〕按连续冷却方式测定，得到过冷奥氏体连续冷却转变曲线：CCT曲线℃

tA1CCTC曲线Ms

共析碳钢TTT曲线建立过程示意图时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf2024/2/513-114.２.１过冷奥氏体的等温转变孕育期——表示过冷A的稳定程度四个区域：奥氏体稳定区过冷奥氏体区转变产物区转变区C曲线形状三种转变类型高温转变区：P型转变中温转变区：B型转变低温转变区：M型转变2024/2/5工程材料与材料成型根底13-122024/2/513-13珠光体转变1珠光体组成：F和Fe3C的机械混合物2形成特点：

在固态下形核、长大是扩散型相变3形态：

片状

A1~650℃：珠光体P170~200HB

650~600℃：索氏体S230~320HB600~550℃：托氏体T

330~400HB球状

——Fe3C呈球状2024/2/5工程材料与材料成型根底13-14珠光体性能珠光体片越细→

HB↑，σb↑

C%相同时，球状P比片状P

→HB↓，σb↓，δ↑2024/2/5工程材料与材料成型根底13-15光镜形貌电镜形貌索氏体金相组织2024/2/5工程材料与材料成型根底13-16电镜形貌光镜形貌托氏体金相组织2024/2/5工程材料与材料成型根底13-17贝氏体转变1贝氏体组成：过饱和F和碳化物的机械混合物2形成特点：

在固态下形核、长大是半扩散型相变3转变温度与形态：

550~350℃：上贝氏体B上

350℃~Ms：下贝氏体B下4性能：转变℃↓→F片细，过饱和度↑

Fe3C细小，弥散度↑→HB↑，σb↑耐磨性↑，塑、韧性好B下的强韧性好B上无用

转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):550～350℃:B上;40～45HRC;B上=过饱和碳

α-Fe条状+Fe3C细条状过饱和碳α-Fe条状Fe3C细条状羽毛状

上贝氏体组织金相图三)转变产物的组织与性能2.贝氏体型(B)转变(550～230℃):350～230℃:B下;50～60HRC;B下=过饱和碳

α-Fe针叶状+Fe3C细片状过饱和碳

α-Fe针叶状Fe3C细片状针叶状

下贝氏体组织金相图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-22马氏体转变1马氏体组成：碳在α-Fe中的过饱和固溶体形成特点：在固态下形核、长大是无扩散型相变变温形成，高速长大转变不完全〔在含碳>0.5%的钢中总有剩余A〕3形态：板条M——低碳M〔位错M〕〔<0.2%C)片状M——高碳M〔孪晶M〕(>1.0%C)0.2~1.0%C之间的钢得到混合M转变产物的组织与性能3.马氏体型(M)转变(230～-50℃):1)定义:马氏体是一种碳在α–Fe中的过饱和固溶体。在一个温度范围内连续冷却完成;转变速度极快,即瞬间形核与长大;无扩散转变(Fe、C原子均不扩散),

M与原A的成分相同,造成晶格畸变。转变不完全性,QM=f(T)2)转变特点:2024/2/5工程材料与材料成型根底13-24马氏体性能1高硬度C%↑→HB↑，马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量即母相奥氏体的含碳量2塑韧性低碳M塑韧性好高碳M塑韧性差

因此，低碳M强韧性好

高碳M必须回火3比容大→〔高碳〕M易变形、开裂

低碳板条状马氏体组织金相图

高碳针片状马氏体组织金相图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-27共析碳钢CCT曲线建立过程示意图过冷奥氏体的连续冷却转变炉冷;P空冷;S油冷;T+M+A残水冷;M+A残2024/2/5工程材料与材料成型根底13-28等温冷却转变与连续冷却转变的比较

1.共析钢的CCT曲线位于C曲线的右下方。这说明要获得同样的组织，连续冷却转变比等温冷却转变温度要低一些，即孕育期长一些2.连续冷却转变时，共析钢不发生贝氏体转变3.连续冷却时，转变是在一个温度范围内进行的，转变产物的类型可能不只是一种，有时是几种类型组织的混合2024/2/5工程材料与材料成型根底13-29影响C曲线的因素〔即：影响奥氏体等温转变的因素，影响过冷奥氏体稳定性的因素〕1含碳量↑→对亚共析钢→

C曲线右移过共析钢→

C曲线左移℃

tA1Cr,Mo,W,VCr,Mo,W,VCo先析出相2合金元素〔溶入A后〕:除Co外能溶入奥氏体的合金元素都能使过冷奥氏体的稳定性增强，使等温转变图向右移。3加热条件加热温度↑，加热时间↑→

→C曲线右移亚共析钢和过共析钢等温转变图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-30影响TTT曲线形状与位置的因素

1.奥氏体中含碳量的影响:过共析钢共析钢亚共析钢时间温度A12.奥氏体中含合金元素的影响:

除Co、Al(＞2.5%)外,所有合金元素溶入奥氏体中,会引起:向右移向下移MsA1A1Ms含Cr合金钢3.加热温度和保温时间的影响:

加热温度越高,保温时间越长,

碳化物溶解充分,奥氏体成分均匀,

提高了过冷奥氏体的稳定性,从而

使TTT曲线向右移。2024/2/5工程材料与材料成型根底13-34钢的退火典型零件的制造过程：铸/锻→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工预备热处理目的：消除前道工序的缺陷为后续工序作组织准备最终热处理目的：满足使用性能要求退火：加热、保温、慢冷得到P类组织退火的目的：软化、稳定化、细化、均匀化2024/2/5工程材料与材料成型根底13-35完全退火和等温退火——加热到Ac3+30~50℃，保温后炉冷指加热到完全奥氏体化目的：细化，软化适用于：亚共析钢的铸、锻件，热轧型材，焊接件组织：F+P——加热到Ac3〔Ac1〕+20~50℃，保温后在Ar1以下等温后空冷目的：细化，软化、省时适用于：中、高合金钢组织：F+P或Fe3C+Pt℃

过共析钢亚共析钢完全退火等温退火2024/2/5工程材料与材料成型根底13-36球化退火和扩散退火——加热到Ac1+20~40℃，保温后炉冷目的：得到球状Fe3C，软化适用于：共析钢，过共析钢组织：球状P——加热到Ac3+150~300℃，长时间保温后慢冷目的：均匀成分适用于：铸钢件组织：晶粒粗大思考：过共析钢怎样退火？能用于亚共析钢吗？扩散退火后应完全退火或正火细化扩散退火均匀化退火球化退火2024/2/5工程材料与材料成型根底13-37去应力退火和再结晶退火——加热到Ac1-100~200℃，保温后炉冷目的：去内应力，稳定组织适用于：冷加工件，热加工件组织：不变——加热到t再+150~250℃，保温后空冷目的：降低硬度，提高塑性适用于：冷变形工件组织：等轴晶粒再结晶温度：T再=T熔×0.4〔绝对温度〕低温退火低温退火再结晶退火去应力退火2024/2/5工程材料与材料成型根底13-38正火——加热到Ac3(Accm)+30~50℃，保温后空冷目的：细化晶粒，改善性能组织：S适用于：低碳钢→改善切削加工性过共析钢→消除网状Fe3CⅡ要求不高的结构件→↑机械性能正火2024/2/5工程材料与材料成型根底13-39正火与退火比较1硬度和强度：随C%↑→正火与退火的差异越大中、高碳钢正火后硬度偏高，不利于切削加工2退火强调软化，正火强调高效率2024/2/5工程材料与材料成型根底13-40钢的淬火目的：得到马氏体组织，〔贝氏体〕提高硬度和耐磨性——加热、保温、快冷，提高硬度和耐磨性淬火：将钢加热到AC3或AC1线以上某一温度〔30～500C〕,保温一定时间使其奥氏体化,以大于马氏体临界冷却速度〔VK〕进行快速冷却,从而发生马氏体转变的热处理工艺四)热处理后的组织:M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50

共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%

最终组织淬火温度(℃)

钢种2024/2/5工程材料与材料成型根底13-42淬火冷却条件理想冷却速度：慢—快—慢冷却介质：油，纯水，盐水，碱水，盐浴，碱浴淬火方法：单液淬火，双液淬火，分级淬火，等温淬火局部淬火，预冷淬火，冷处理单液淬火：单液淬火是将加热至淬火温度的工件投入到一种淬火介质中连续冷却至室温的淬火工艺双液淬火：双液淬火是将加热的工件先投入到一种冷却能力强的介质中，在工件还未到达马氏体转变的温度之前即取出转入到能力较弱的介质中以进行马氏体转变的一种淬火工艺2024/2/5工程材料与材料成型根底13-432024/2/5工程材料与材料成型根底13-44马氏体分级淬火：马氏体分级淬火是将加热的工件先放入温度为MS点〔MS是马氏体转变开始温度〕附近〔150～2600C〕的盐浴或碱浴中，稍加停留〔2～5分钟〕待工件的内外层都到达介质的温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺贝氏体等温淬火：将工件奥氏体化后，迅速放入温度稍高于MS点的盐浴和碱浴中保温足够的时间，使其全部转变为下贝氏体组织，然后在空气中冷却的热处理方法2024/2/5工程材料与材料成型根底13-45冷处理和局部淬火分级淬火：在Ms附近稍保温，使内外均温，最后得M等温淬火：在Ms上等温，最后得到B下等温淬火的内应力最小，工件不易变形开裂，

→适合形状复杂零件冷处理——淬火后继续在0℃以下冷却，使残A→M目的：稳定组织，↑HRC用于：量具〔模具〕局部淬火：局部加热淬火整体加热，局部冷却2024/2/5工程材料与材料成型根底13-46钢的淬透性淬透性——钢淬火时获得M的能力淬硬层深度：外表到半M组织的距离用规定条件下淬硬层深度表示淬透性的大小怎样表示淬透性大小？影响钢的淬透性的因素：最主要因素是奥氏体的化学成分、奥氏体化的条件1〕钢的化学成分：亚共析钢过共析钢合金钢2〕奥氏体化温度和保温时间：工件淬硬层与冷却速度的关系钢的淬硬性(Hardeningofsteel)1.定义:是指钢在淬火后所能到达的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。2024/2/5工程材料与材料成型根底13-49淬硬性与淬透性淬硬性

——钢淬火时的硬化能力怎样表示淬硬性大小？用正常淬火条件下能到达的最高硬度表示

2实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质、淬透性有关3淬硬性主要取决于M的含碳量概念区别：淬透性是钢本身的固有属性4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淬透钢2024/2/5工程材料与材料成型根底13-51钢的回火目的：消除内应力，降低脆性稳定组织和尺寸获得所需性能定义：淬火后的零件重新加温到

A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。2024/2/5工程材料与材料成型根底13-52回火时的组织变化：M分解过饱和α相C析出F块状Fε碳化物细Fe3C粒状Fe3C回火M回火T回火S淬火钢在回火时组织转变1〕马氏体分解〔100℃~350℃〕：ε碳化物的形式析出2〕剩余奥氏体的转变〔200℃～300℃〕：下贝氏体3〕马氏体分解完成和渗碳体的形成：〔300℃～400℃〕回火托氏体4〕铁素体的再结晶与渗碳体的聚集长大：〔>400℃〕回火索氏体2024/2/5工程材料与材料成型根底13-53回火时的性能变化随回火温度↑

→σb↓，σS↓，HRC↓，δ↑，αK↑，σe↗↘

高碳回火M：σb↑

，HRC↑，δ↓，αK

↓低碳回火M：强韧性好有时2024/2/5工程材料与材料成型根底13-54回火种类低温回火〔150~250℃〕组织：回火M——极细ε碳化物+过饱和α相目的：↓内应力，↓脆性，保持高硬度和耐磨性适用：工具，量具，轴承——高碳钢渗碳件，外表淬火件HRC58~622中温回火〔350~500℃〕组织：回火T——针状F+极细Fe3C目的：获得高σs，σeHRC35~45适用：弹簧，扳手，模具——中高碳钢2024/2/5工程材料与材料成型根底13-55高温回火和调质3高温回火〔500~650℃〕组织：回火S——块状F+粒状Fe3C目的：获得良好的综合机械性能HRC25~35适用：轴，齿轮，螺栓等重要结构件——中碳钢淬火+高温回火=调质回火硬度主要取决于回火温度和回火时间回火硬度与回火温度耐磨件M回=α0.3%C+ε150～250低温回火弹簧等T回=F针+Fe3C粒350～500中温回火调质件S回=F多+Fe3C球500～650高温回火高合金钢P回=F多+Fe3C粒650～A1高温软化淬火+高温回火=调质处理用途组织温度(℃)名称淬火+高温回火=调质处理回火的组织及用途2024/2/5工程材料与材料成型根底13-57回火索氏体组织金相图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-58回火托氏体组织金相图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-59回火马氏体组织金相图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-60第一类回火脆性：250~400℃每种钢都有，难以防止——回火温度禁区回火脆性韧性随回火温度升高而升高？回火脆性：在某温度区间回火时，

αk显著降低第二类回火脆性：500~600℃

①含Cr、Mn、Ni的钢明显②可以消除：

钢中加Mo、W

回火后快冷2024/2/5工程材料与材料成型根底13-61化学热处理外表淬火4.4钢的外表热处理对轴、齿轮、凸轮的机械性能要求外表：硬，耐磨，耐疲劳M心部：塑，韧，耐冲击F，P解决思路：选材低淬透性材料工艺只改变表层组织同时改变表层组织、成分外表热处理2024/2/5工程材料与材料成型根底13-621.感应加热外表淬火交流电频率↑集肤效应明显加热层薄淬硬层薄交流电频率↑↑涡流全部集中在最表层感应加热表面淬火示意图2024/2/5工程材料与材料成型根底13-63感应加热淬火的特点分类：高频〔200~300KHz〕，超音频〔20~40KHz〕中频〔2.5~8KHz〕，工频〔50Hz〕特点：

①加热速度快，时间短表层为极细的隐晶M→

硬度高脆性低σ-1↑

②变形小，不易氧化脱碳③易机械化、自动化④设备价贵，维修调整困难适用于：需淬硬层薄的中、小零件多用于：中碳钢、中碳合金钢感应加热现场演示工艺要求:1.外表淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。2.外表淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产生产特点:2.火焰加热外表淬火1)火焰加热外表淬火的根本方法2)火焰加热外表淬火的特点:*设备简单,操作方便,本钱低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。现场演示2024/2/5工程材料与材料成型根底13-672.化学热处理目的：强化外表→↑外表HRC，耐磨性，σ-1，心部塑韧保护外表→↑外表抗蚀性，耐热性根本过程：分解—吸收—扩散常用方法：渗碳渗氮碳氮共渗气体渗碳固体渗碳2024/2/5工程材料与材料成型根底13-68渗碳组织缓冷：表层：

心部：淬火+低温回火：

表层：

心部：淬透：

未淬透：适用于：受冲击载荷的耐磨件，低碳〔合金〕钢渗层深度

——表层到过渡区的一半P+网状Fe3CⅡ〔空冷：S〕F+P高碳回火M+Fe3C或碳化物+残AHRC60-64低碳回火M+〔F+T〕HRC40-48，HRC30-40F+PHRC25-40，HB100-1501.钢的渗碳(Carburizeofsteel)1)定义:向钢的外表渗入碳原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)用钢:低碳钢和低碳合金钢。4)方法:固体、气体、液体渗碳。

固体渗碳法示意图零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱

气体渗碳法示意图5)工艺:加热温度为900～950℃;

渗碳时间一般为3～9小时;6)渗碳后的组织:1%CP+Fe3CⅡ0.2%C

F+P少表面中心零件PP+F2024/2/5工程材料与材料成型根底13-732024/2/5工程材料与材料成型根底13-742024/2/5工程材料与材料成型根底13-75图4-24渗碳后常用的热处理方法

a)直接淬火法b)一次淬火法c)二次淬火法

渗碳后的热处理工艺直接淬火：操作简单、生产率高、本钱低、脱碳倾向小；奥氏体晶粒大、淬火马氏体粗大，耐磨性差、变形较大。一次淬火法：工件重新加热奥氏体晶粒细小、可提高钢的力学性能。二次淬火法：第一次淬火是为了改善工件的心部组织和消除其外表的网状渗碳体；第二次淬火是为细化工件的表层组织，获得细马氏体和均匀的粒状二次渗碳体。热处理后的组织低碳M回+FM回+Cm+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种常用的钢种:15、20、20Cr、20Mn2、

20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。2.钢的渗氮(Nitridationofsteel)1)定义:向钢的外表渗入氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能的零件。3)用钢:中碳合金钢。4)方法:气体渗氮。5)工艺:加热温度500～600℃;

保温时间0.3～0.5mm/20～50h。6)热处理特点:渗氮前需调质处理;

渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织

表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、

MoN、TiN、VN。心部:S回。8)常用的钢种:35CrMo、18CrNiW、

38CrMoAlA(氮化王牌钢)等。38CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650

黄色区:ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N);红色区:γ’(Fe4N);蓝绿色区:含氮索氏体+脉状氮化物;绿黄色区:索氏体基体。

渗碳与渗氮的工艺特点名称处理温度(℃)处理时间(h)处理后是否需要热处理渗碳900～9503～9需要渗氮500～60020～50不需要3.钢的碳氮共渗---氰化处理

(Carbonitridingofsteel)1)定义:向钢的外表同时渗入碳和氮原子的过程。2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。3)方法:固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗高温中温低温4)工艺:合金结构钢HRC53～60中温气体碳氮共渗800～8601～8以渗碳为主0.5～0.8mm淬火+低温回火合金工具钢HRC54～63低温气体碳氮共渗500～6001～6以渗氮为主0.1～0.4mm不需要材料性能名称温度(℃)时间(h)作用渗层热处理2024/2/5工程材料与材料成型根底13-83气体碳氮共渗具有以下特点1.热处理后的共渗层比渗碳层具有更高的硬度〔约高出2HRC～3HRC〕，耐磨性，抗蚀性及疲劳强度2.碳氮共渗工艺与渗碳工艺相比，具有时间短，生产效率高，外表硬度高，变形小等优点，而且共渗层较薄主要适合于形状复杂，要求变形小的小型耐磨件，如自行车缝纫机及仪表零件，机床，汽车等要求耐磨的齿轮，蜗轮、蜗杆和小轴。2024/2/5工程材料与材料成型根底13-842024/2/5工程材料与材料成型根底13-85氮碳共渗(软氮化〕氮碳共渗温度530～570℃主要特点：1.处理温度低，时间短〔4小时左右〕，变形小2.工件经处理后可获得较高的外表硬度、疲劳抗力、耐磨性和耐蚀性3.渗层脆性小，不易剥落。但渗层较薄，不适合重载工作的工件2024/2/5工程材料与材料成型根底13-86离子氮化:离子氮化的特点:渗氮速度快，渗氮时间短，仅为气体渗氮的1/5～