第八讲钢的热处理工艺

教学重点：普通热处理工艺的加热温度、组织转变、目的和应用教学难点：淬火和回火教学方法：多媒体授课启发式教学授课班级：模具1002授课时间：2011、10教学目的：1、掌握钢的退火和正火2、掌握钢的淬火和回火钢的热处理之钢的普通热处理复习1、共析钢过冷奥氏体等温转变产物是什么？各有什么特征？钢的普通热处理工艺毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:一.钢的退火(Annealingofsteel)一)定义:把零件加温到临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后随炉冷却。二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三)种类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火完全退火加热到Ac3以上20～30℃，保温，缓冷至600℃以下，再炉冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。球化退火使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到Ac1以上20～30℃保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳扩散退火(均匀化退火)将钢加热到略低于固相线温度（1050-1150），长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。去应力退火为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为600～650℃，铸铁件为500～550℃，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。四)工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3+150～250扩散退火四)工艺参数:五)热处理后的组织:原始组织共析钢球化退火组织(化染)700T10钢球化退火组织(化染)500二.钢的正火(Normalizingofsteel)一)定义:把零件加温到Ac3临界温度以上30～50℃,保温一段时间,然后在空气中冷却。二)目的:消除应力;调整硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Accm+30～50过共析钢四)工艺参数:四)热处理后的组织:S(Wc=0.6～1.4%)S+F(Wc＜0.6%)五)应用范围:1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。2.最终热处理:用于力学性能要求不高的普通零件。三.钢的淬火(Quenchingofsteel)一)定义:把零件加温到Ac3或Ac1以上30～50℃,保温一段时间,然后快速冷却(水冷)。二)目的:为了获得马氏体组织,提高钢的硬度和耐磨性。三)工艺参数:温度(°C)名称Ac3+30～50亚共析钢Ac1+30～50共析钢Ac1+30～50过共析钢钢在淬火时组织和性能的变化钢在淬火时的冷却速度≧钢的临界冷却速度则：A被冷却到Ms线（Ms＝240℃）以下得到M。在钢的淬火冷却过程中，自Ms点开始，随温度的下降，M的转变量越来越多，但当温度再降低时，M就不会增加。说明在极大的过冷度下，原子不能扩散，A便无法以扩散的形式转变，只能以“无扩散”形式的方法转变为过饱和的α固溶体。因为αFe的含碳量呈饱和状态，从而使原来的体心立方晶格被撑长，变成了歪曲的体心立方晶格。晶格的变形部位从体心立方晶格承受力低的空间塞，出现了自我硬化，增加了变形的抗力，变成具有高的硬度，同时，也引起了内应力的增加。则：过冷速度越大，M就越多；硬度越大，内应力就越大从上述原理看：钢的淬火会出现残余的A。钢的淬火工艺淬火是各种热处理中最复杂的一种工艺原因：1.冷却速度快，容易造成变形及开裂；2.冷却速度慢，达不到硬度；3.零件的复杂造成变形及开裂。淬火工艺的三要素加热温度目的：获得细及均匀的M。各种钢的淬火温度主要依靠其组织和类型及临界点；亚共析钢，适宜的淬火温度一般Ac3以上30～50℃；过共析钢，适宜的淬火温度一般Ac1以上30～50℃；合金钢，可以参照上述的加热温度，除少数的合金元素，如Mn等，大多数的合金元素可以使晶粒细化，如稍微加温，可以获得中等的A,但可使合金元素充分溶解和均匀，达到均匀组织的合金钢五)淬火加热时间(τ)的选择:τ=αKD工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关淬火加热中的氧化和脱碳一般的加热炉，与钢加热接触的介质是空气，在加热过程中，钢件与介质相互作用，在钢的表面产生氧化皮的现象，其化学反应：2Fe＋C2FeOFe＋CO2FeO＋CO2Fe＋H2OFe＋CH4钢的脱碳就是钢件表面层中的碳粉被烧掉的现象，主要反应式：2Fer（C）＋O2Fe＋2CO；Fer（C）＋CO2Fe＋2CO；Fer（C）＋2H2Fe＋CH4；氧化和脱碳主要是介质中有CO2和O2以及水蒸气等的情况出现。清洁；去氧化皮；涂保护剂；加入脱氧剂；使用保护气氛等六）淬火冷却介质淬火要求是得到M,要得到较多的M,要求冷却速度要快，在临界速度下加快冷却速度，则易使钢变形与开裂。根据碳钢的A等温曲线：要淬火得到M,其实并不需要整个冷却过程都要快速冷却，关键在于C曲线的拐弯部分（即在650～550℃）的范围需要快速冷却，在淬火温度到650℃以及400℃以下时，并不需要快速冷却，特别是在300～200℃时，尤其不应冷却太快，避免开裂。水－它在650～550℃范围内的冷却速度很大（约600℃/s），但在300～200℃时的冷却速度仍然很快（270℃/s），所以有变形的可能；通常的方法是在水中加入盐或碱，但只能增加它在650～550℃范围内的冷却速度而不能减弱300～200℃时的冷却速度。油（矿物油）－在300～200℃时的冷却速度比较慢，但在650～550℃范围内的冷却能力不够，只能用于一些合金钢，而且价格贵，易燃，不易清洁。近年来，初步试验成功硝盐水及水玻璃两种溶液，其冷却能力介于水与油之间，但仍要进一步研究。理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf2.常用的淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050七)常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1钢的淬火方法由于淬火的冷却介质不能完全满足淬火质量的要求；所以，要使用工艺的方法加以解决。1.单液淬火法将加热的工件放进一种淬火介质中冷却到室温的操作方法。特点：操作简单，淬火时出现工件表面与心部的温差太大，内应力大；用水冷工件易变形；用油冷，工件的硬度可能达不到要求。适用于形状简单的工件。2.双液淬火法将加热的工件放进水中冷却到Ms点时从水中取出立即放在油中（空气中）冷却到室温的操作方法。特点：可以在650℃～550℃的温度中获得快的冷却速度，而在300℃～200℃获得稍慢的冷却速度；但是，必须恰到好处；也没有改变表面与心部的温差大的问题。3.分级淬火法为了改变工件在淬火时表面与心部温差的问题所采取的一种措施。方法是首先把加热工件放在温度稍高于Ms点的盐浴（或碱）中，稍加停留,使工件各部分温度浴盐浴的温度基本一致时取出空冷。特点：可以对形状复杂的工件进行处理，对防止裂纹有效；冷却速度不大，适用于小工件。4.等温淬火法方法是首先把加热工件放在温度稍高于Ms点的盐浴（或碱）中，等温保温（保温足够的时间）,使工件在保温过程中产生下B转变后取出空冷。特点：1.由于得到下B，所以，对于形状复杂，而且要求高硬度和高冲击韧性的工件、模具有利；2.适应处理尺寸较小的零件4.冷处理法将淬火钢冷却到室温后继续冷却到－70～80℃的淬火方法。特点：可以使残余的A转变为M.使工件的尺寸稳定；硬度和耐磨性提高三)工艺参数: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(℃)钢种八)钢的淬硬性(Hardeningofsteel)1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最高硬度。2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于马氏体的含碳量。九)钢的淬透性(Hardenabilityofsteel)1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界淬火冷却速度VK的大小,VK越大,钢的淬透性越小。钢的淬透性钢的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬（透）层深度的能力，它是钢材本身固有的特性。当淬火时，工件由于表面冷却快，心部冷却慢，所以淬火后，表面与心部可能得到不同的组织。冷却快M；冷却速度小于临界速度的M+T,甚至F、F＋Fe3C显然：工件若要从表面到内得到单一的M，钢的心部的冷却速度要大于临界淬火的冷却速度。为方便起见，需要测量，规定淬透层深度是由零件的表层到半M区（50％M＋50％非M）的距离。1.淬透性与淬硬性的区别淬透性:是指钢接受淬火的能力；淬硬性:是指钢在淬火后能够获得的最高硬度；如：高碳钢：其淬硬性很高，但淬透性很低；低碳钢：其淬硬性不高，但淬透性很高；2.淬透性对钢性能的影响淬透性低的钢材其心部的σ0.2和Ah较低；淬透性高的钢材，其机械性能沿截面均匀分布；未淬透的钢从表面心部的回火组织为S,故σ0.2和Ah下降；淬透的钢回火后从表面到心部为均一的回火S,F＋Fe3C呈球状分布，所以性能比较一致。大多数的重要零件都希望淬透，例如：承受拉力和压力的零件（锻模、螺栓等）承受弹性变形的零件（弹簧等）但对仅需要表面耐磨，工作中受冲击的零件，则可选用淬透性比较低的钢材。3.在设计中如何考虑钢的淬透性（1）根据工件的工作条件确定对钢淬透性的要求例：对车刀、钻头等工具，往往要磨刀后继续使用，就需要从表到里均要硬和耐磨全部淬硬；对于轴，承受弯曲、扭转应力，应力集中在外层，所以心部不需要那么高的硬度，淬透层为半径的1/2～1/3就足够。3.在进行强度设计时，查手册时，注意各种钢的数据用多大的试样测量；4.对碳钢，设计尺寸较大的工件时，用碳钢的调质处理还不如用正火更经济。如：45钢调质后σb＝0.61MPa正火后σb＝0.60MPa5.在安排工艺路线时，也应考虑淬透性，应粗车后再淬火。工件淬硬层与冷却速度的关系3.淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)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四.钢的回火(Temperingofsteel)一)定义:把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。二)目的:消除淬火应力,降低脆性;稳定工件尺寸;调整淬火零件的力学性能。淬火钢在回火时的组织转变淬火钢在回火时，发生体积变化，M发生转变时表现出体积要缩少，残余A转变时，体积会增大，因此根据淬火钢在回火过程中的体积变化，分为四个阶段：1.M分解（100～200℃）淬火M是含C量饱和的α固溶体，在100～200℃时，不断析出极细小的C化物，易极薄的小片分布在M的基体上，使固溶体α含C量下降，M的α正方度c/a也下降，残余内应力则下降。2.残余A分解（200~300℃）在这个阶段，残余A