机械工程材料及选用第四章热处理2

1第四章钢的热处理第一节钢加热时奥氏体转变第二节钢的过冷奥氏体转变图第三节过冷奥氏体转变组织与性能第四节钢的常规热处理工艺第五节钢的表面处理工艺第六节钢的热处理新技术第七节常见热处理缺陷2第四节钢的常规热处理工艺4.4.1退火4.4.2正火4.4.3淬火4.4.4回火34.4.3淬火淬火：将钢加热到Ac1或Ac3以上30~50C，保温后快速冷却以得到马氏体组织的热处理工艺称为淬火。淬火工艺可分为：完全淬火和不完全淬火。44.4.3淬火4.4.3.1完全淬火4.4.3.2不完全淬火4.4.3.3淬火介质4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性4.4.3.5淬火冷却方式54.4.3.1完全淬火完全淬火工艺适合于亚共析钢。完全淬火：是将亚共析钢加热到Ac3+30~50C保温，淬火后得到完全马氏体组织的热处理工艺。加热温度在Ac3以上可保证组织完全奥氏体化。如果加热温度在Ac1~Ac3之间，则先共析铁素体不能完全溶解，淬火后将得到马氏体与铁素体的双相组织，从而使材料出现软点。64.4.3淬火4.4.3.1完全淬火4.4.3.2不完全淬火4.4.3.3淬火介质4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性4.4.3.5淬火冷却方式7不完全淬火工艺适合于共析钢和过共析钢不完全淬火是将球化退火的共析钢或过共析钢加热到Ac1+30~50C保温，保持部分粒状碳化物未溶，淬火后得到马氏体与粒状碳化物混合组织的热处理工艺。碳钢淬火加热温度Accm（a）亚共析钢完全淬火（b）过共析钢不完全淬火84.4.3.2不完全淬火过共析钢淬火加热温度一定不能超过Accm，否则将会产生以下不利影响：1)碳化物全部溶解将使奥氏体中碳浓度过高，Ms点降低，淬火后残余奥氏体量增多；2)粒状碳化物消失，淬火组织耐磨性降低。3)钢发生严重氧化、脱碳，降低表面质量；4)增大淬火应力，变形与开裂倾向增加；5)奥氏体晶粒粗化，淬火马氏体粗大，钢的脆性增加。94.4.3淬火4.4.3.1完全淬火4.4.3.2不完全淬火4.4.3.3淬火介质4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性4.4.3.5淬火冷却方式10淬火冷却速度必须大于临界冷却速度，才能得到马氏体。理想淬火冷却介质应满足在高温区冷速快、低温区冷速慢的要求。常用的介质有水、矿物油及新型淬火剂。1.水：最常用的淬火介质，适用于小截面的碳钢工件。水介质的优点：冷却能力强、成本低、无污染；水介质的缺点：在马氏体转变区冷速快，使得材料内应力大。4.4.3.3淬火介质112.矿物油：冷却速度比水慢得多，低温区的冷却能力更小，适用于合金钢淬火，而不能用于碳钢淬火。3.新型淬火剂：是以水或油为基，加入各种添加剂改变水或油的冷却特性，达到理想冷却效果的冷却介质。4.4.3.3淬火介质不同淬火剂冷却曲线1水，2新型淬火剂，3油134.4.3淬火4.4.3.1完全淬火4.4.3.2不完全淬火4.4.3.3淬火介质4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性4.4.3.5淬火冷却方式144.4.3.4钢的淬透性和淬硬性1.淬透性工件淬火冷却时，表面的冷却速度高，内部冷却速度低。若工件内部某深度处的冷却速度低于临界冷却速度，则从该处向内的中心部分将得到部分马氏体或非马氏体组织。淬透层深度：由钢表面至内部半马氏体点（马氏体占50%）的距离，也称淬硬层深度。154.4.3.4钢的淬透性和淬硬性淬透性：钢淬火后得到淬透层深度大小的能力。淬透层深度越大，其淬透性越好。不同钢材具有不同的淬透性。164.4.3.4钢的淬透性和淬硬性淬透性好的钢适合于制造受力状态复杂、要求整个截面具有均匀力学性能的零件，如连杆、锤杆、锻模等。淬透性低的钢适合于制造只承受弯曲或扭转载荷、最大应力在表层、心部受力小的零件，如机床主轴、发动机转子等。2.钢的淬透性测定淬透性的测定方法：末端淬火法。17用末端淬火法测定钢的淬透性184.4.3.4钢的淬透性和淬硬性将标准试样加热至奥氏体化后，迅速放入末端淬火试验机进行喷水冷却。喷水端冷却速度最大，沿轴向随距离增大，冷却速度逐渐减小，组织及硬度亦逐渐变化。从末端开始，每隔一定距离测量一个硬度值，得到试样沿长度方向上的硬度变化，绘制出曲线，称为淬透性曲线。曲线上硬度变化最剧烈处即为50%马氏体处。19临界淬透直径是指圆钢棒在给定冷却介质中淬火，使其心部淬透（马氏体量占50%）的最大尺寸。临界淬透直径不仅取决于钢的成分，也与介质的冷却能力有关。同一钢棒在不同介质中的临界淬透直径不同。3.淬硬性淬硬性是指钢淬火后马氏体组织所能达到的最高硬度。淬硬性取决于马氏体中的含碳量，含碳量增加，则淬硬性增大。4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性204.4.3淬火4.4.3.1完全淬火4.4.3.2不完全淬火4.4.3.3淬火介质4.4.3.4钢的淬透性和淬硬性4.4.3.5淬火冷却方式214.4.3.5淬火冷却方式1.单液淬火将加热的工件放入单一液体中进行冷却，转变为马氏体的淬火方式。适用于形状简单、截面尺寸小的零件。224.4.3.5淬火冷却方式2.水/油双液淬火将加热的工件先淬入水中快速冷却至Ms点以上，再出水入油继续冷却，转变为马氏体的淬火方式。适用于形状复杂的碳钢件淬火，在Ms点以下冷速慢，可防止马氏体转变时产生裂纹。233.分级淬火将工件放入稍高于Ms点的盐浴炉中保温，在贝氏体转变之前取出空冷，得到马氏体的淬火工艺。优点：工件表面与内部温差小，马氏体转变缓慢，应力小，不易变形开裂。适用于截面尺寸小、形状复杂、淬透性好的钢件。4.4.3.5淬火冷却方式244.等温淬火将加热的工件放入处于贝氏体转变温度区的盐浴炉中，保温足够长时间，使过冷奥氏体转变为下贝氏体的热处理工艺。适用于形状复杂、要求具有较高硬度与强韧性的工模具。4.4.3.5淬火冷却方式255.冷处理将淬火钢件继续冷到室温以下，使残余奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。目的：提高硬度，增加尺寸稳定性。冷处理适用于量具及精密件等。4.4.3.5淬火冷却方式26第四节钢的常规热处理工艺4.4.1退火4.4.2正火4.4.3淬火4.4.4回火274.4.4回火回火是将淬火钢加热到Ac1以下温度，保持1~2小时后冷却的热处理工艺。淬火钢必须回火，回火是钢热处理的最后一道工序。回火目的：1)稳定淬火钢件的组织﹑形状与尺寸。2)调整强度、硬度，降低脆性，提高韧性与塑性。3)消除内应力，防止淬火件的变形与开裂。284.4.4回火4.4.4.1淬火钢回火转变过程4.4.4.2回火工艺的分类294.4.4.1淬火钢回火转变过程淬火共析钢在不同回火温度时将发生以下变化：1.马氏体分解100~200C，马氏体开始分解，部分碳原子脱溶析出-Fe2.4C，由于温度低，析出不完全，马氏体中的碳仍然过饱和。2.残余奥氏体的分解200~300C，马氏体继续分解，残余奥氏体也发生分解，转变为下贝氏体，此时硬度下降不明显。303.碳化物的转变300~400C，-Fe2.4C碳化物向渗碳体Fe3C转变。同时，碳还继续从-Fe固溶体析出。4.渗碳体粗化和α-Fe回复与再结晶超过400C回火，渗碳体（Fe3C）发生集聚粗化，-Fe中的碳已降到平衡浓度，固溶强化作用消失，-Fe发生回复与再结晶，硬度、强度降低，韧性与塑性大大提高。4.4.4.1淬火钢回火转变过程淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系324.4.4回火4.4.4.1淬火钢回火转变过程4.4.4.2回火工艺的分类334.4.4.2回火工艺的分类按照回火温度的不同，回火工艺可分为三大类：1.低温回火回火温度150~200C，回火组织为低过饱和度的-Fe固溶体和极细-Fe2.4C的混合组织，称为回火马氏体。回火马氏体仍然保持着淬火马氏体的形态。高碳钢的回火马氏体为片状，低碳钢的回火马氏体为板条状。低温回火目的：保持高硬度，降低脆性，降低内应力。34低温回火适用于工具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件等要求高硬度工件。2.中温回火回火温度350~500C，回火组织为-Fe固溶体和极细粒状渗碳体的混合组织，称为回火屈氏体。中温回火主要是为获得高的弹性极限及较高韧性。主要用于弹簧的回火。4.4.4.2回火工艺的分类353.高温回火回火温度500~600C，组织为多边形化的-Fe固溶体和细粒状渗碳体的混合组织，称回火索氏体。淬火+高温回火称为调质处理。调质处理目的：获得具有足够强度、硬度和良好的塑性、韧性配合的综合力学性能。主要用于重要结构件，如轴、齿轮、曲轴等。4.4.4.2回火工艺的分类回火索氏体37第四章钢的热处理第一节钢加热时奥氏体转变第二节钢的过冷奥氏体转变图第三节过冷奥氏体转变组织与性能第四节钢的常规热处理工艺第五节钢的表面处理工艺第六节钢的热处理新技术第七节常见热处理缺陷38第五节钢的表面处理4.5.1表面淬火4.5.2表面化学热处理394.5.1表面淬火4.5.1.1感应加热表面淬火4.5.1.2激光加热表面淬火404.5.1.1感应加热表面淬火感应加热表面淬火是以电磁感应原理和集肤效应为基础，对工件表面进行快速加热，在变温中完成奥氏体化，并迅速冷却淬火的热处理工艺。感应加热表面淬火适合碳含量0.3~0.5%的中碳钢和中碳合金钢，常用于齿轮、轴和钢轨等工件。1)加热原理感应圈中的交变电流产生同频交变磁场，使感应圈内的工件产生感应电流。由于集肤效应，工件表层电流密度最大，心部电流密度几乎为零。因此工件表层被迅速加热，而心部温度不变。齿轮的感应加热表面淬火轴的感应加热表面淬火432)感应加热的频率电流频率越高，加热层越薄。通过选择不同的加热频率，可获得不同的加热层深度，从而得到不同的淬硬层深度。常用的感应加热电流有高频，中频和工频三种频率。①高频感应加热：常用频率在200~300KHz之间，淬火层深度为0.5~2mm；②中频感应加热：常用频率为2500~8000Hz，淬火层深度2~8mm，可用于处理曲轴、凸轮轴、钢轨等；4.5.1.1感应加热表面淬火44③工频感应加热：频率为50Hz，淬火层深度增加至10~20mm，适合于大直径钢材的深层加热淬火。3)预备热处理预备热处理是指为随后的机加工或最终热处理提供良好的机加性能或组织形态而进行的热处理。感应加热淬火只改变工件的表层组织，对心部组织和性能不产生影响。因此表面淬火前要先进行预备热处理，准备好心部的组织和性能。4.5.1.1感应加热表面淬火45预备热处理工艺：①中碳合金钢：采用调质处理，得到回火索氏体组织；②中碳钢：采用正火处理，得到索氏体组织。特点：感应加热速度极快，奥氏体化温度高，转变时间短，晶粒细小，得到极细的隐晶马氏体组织，硬度高于普通淬火的硬度。感应加热淬火使工件表层产生残余压应力，提高了疲劳强度。感应加热表面淬火后，必须进行低温回火。4.5.1.1感应加热表面淬火464.5.1表面淬火4.5.1.1感应加热表面淬火4.5.1.2激光加热表面淬火47激光表面淬火是用激光束扫描工件表面，使表面迅速升温奥氏体化，当激光束移开后，通过热传导实现表面自冷淬火的热处理工艺。激光表面淬火的特点：①能量集中，热影响区小，热应力小；②可对大工件的局部表面或沟﹑槽﹑孔的侧面淬火；③淬硬层与基体结合良好，淬火变形小，硬度、耐磨性及疲劳强度高。4.5.1.2激光加热表面淬火48激光表面淬火组织：超细板条马氏体、超细碳化物加高位错密度残余奥氏体。激光重熔合金化：在钢件表面涂覆所需成分的金属粉，用大功率激光束照射使之熔化，获得极薄的合金熔化层，然后迅速冷凝，获得高性能合金化表层，以满足耐磨、抗蚀等特殊性能要求。4.5.1.2激光加热表面淬火同步注粉式激光表面熔覆处理示意图50表面淬火应用实例用42CrMo钢制造东风内燃机车牵引齿轮，要求性能：“齿面硬而不脆，齿心韧而不软”。加工及热处理工艺路线如下：锻造退火机加工调