电器制造工艺学(厦门理工)(09)金属件的热处理20131110

2013-11-111电机电器制造工艺学电机电器制造工艺学（九）金属件的热处理田新疆高级工程师厦门理工电气工程与自动化学院课程讲义2013年11月一、金属件热处理概述学习目标二、钢的热处理三、有色金属热处理一、金属件热处理概述1）热处理的定义热处理是指通过对工件的加热、保温和冷却，使金属或合金的组织结构发生变化，从而获得预期的性能(如机械性能、加工性能、物理性能和化学性能等)的操作工艺称为热处理。2）热处理的目的工件热处理的目的是通过热处理这一重要手段，来改变(或改善)工件内部组织结构，从而获得所需要的性能并提高工件的使用寿命。1、热处理的定义及目的1）热处理的工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。2、热处理的工艺过程及重要因素2）热处理的重要因素（工艺参数）在热处理时，因工件的大小不同，形状不同，材料的化学成分不同，所以在具体热处理过程中，要用不同的加热速度（V）、最高的加热温度（T）、保温时间（h）和冷却速度（Vt）。通常把加热速度、最高加热温度、保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素，也称工艺参数。正确地确定和保证实施好工艺，就能获得预期的效果，并将得到满意的性能。从数学的观点看，热处理的质量是温度和时间的函数，所以工件的热处理工艺规范可以用时间—温度为坐标表示出来。二、钢的热处理常见的金属结构（1）体心立方：α-Fe、Cr、W、V等。（2）面心立方：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。（3）密排六方：Mg、Zn、Be、Ti、Cd等1、铁碳合金的相铁碳相图1)铁素体：体心立方结构，碳在α-Fe中的固溶体，用“F”表示。①在727℃有最大溶解度，为0.0218%C。②强度和硬度低，塑性好。纯铁有两种同素异构体，912℃以下为体心立方的α-Fe；在912～1394℃为面心立方的γ-Fe；在1394～1538℃(熔点)又呈体心立方结构，即δ-Fe。铁碳相图2）渗碳体：Fe3C正交系，由铁和碳组成的一种具有复杂结构的间隙化合物，含碳量为6.69%，用“Fe3C”或“Cem”表示。渗碳体的性能特点：硬度高，脆性大。塑性几乎为零。铁碳相图3）奥氏体：碳在γ-Fe中的固溶体，用“A”表示。奥氏体的性能特点：①在1148℃时有最大溶解度2.11%C（E点），727℃时可固溶0.77%C（S点）。②其力学性能与含碳量及晶粒大小有关。③形变能力好，形变抗力小。铁碳相图4）珠光体：由铁素体和渗碳体组成，用“P”表示。珠光体的性能特点：①成分：0.77%C。②综合性能好。铁碳相图5）马氏体：体心四方结构，是碳溶于α-Fe的过饱和的固溶体，是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相。马氏体的性能特点：其比容大于奥氏体、珠光体等组织，是产生淬火应力，导致变形开裂的主要原因。2、钢的平衡状态图1）相图上的临界温度①包晶转变：成分为H点的δ固相，与它周围成分为B点的液相L，在一定的温度时，δ固相与L液相相互作用转变成成分是J点的另一新相γ固溶体，这一转变叫包晶转变。③共析转变：S点发生共析转变，其母相为奥氏体，共析相分别为左端的铁素体，和右端的渗碳体，这一由温度与浓度确定的点称为共析点，在此点左侧为亚共析区，右侧为过共析区。共析反应生成的是微观结构为珠光体（铁素体与渗碳体层状分布）的共析钢。②共晶转变：具有E点成分的液相，同时结晶出M点成分的α相与N点成分的β相。(α+β)两相混合组织称为共晶组织。①共析钢：PSK线（A1）γ→P(α+Fe3C)②亚共析钢：原始组织F+PPSK线（A1）P→γGS线（A3）F→γ③过共析钢：原始组织Fe3CF+PPSK线（A1）P→γES线（Acm）Fe3C溶入γ2）实际加热、冷却条件下的临界温度加热时的临界温度用脚标C表示，AC1、AC3、ACcm；冷却时的临界温度用脚标r表示，Ar1、Ar3、Arcm。在加热（冷却）速度为0.125℃/min时，对临界点A1，A3，Acm的影响3）钢在加热时的转变钢的热处理种类很多，其中除淬火后的回火，消除应力的退火等少数热处理外，均需加热到钢的临界以上，使钢部分或全部转变为奥氏体，然后再以适当的冷却速度冷却，使奥氏体转变为一定的组织并获得所需的性能。钢在加热过程中，由加热前的组织转变为奥氏体被称为钢的加热转变或奥氏体化过程。由加热转变所得的奥氏体组织状态，其中包括奥氏体晶粒的大小、形状、空间取向、亚结构、成分及其均匀性等，均将直接影响在随后的冷却过程中所发生的转变及转变所得产物和性能。因此，弄清钢的加热转变过程，即奥氏体的形成过程是非常重要的。3）奥氏体的形成从Fe—Fe3C状态图可知，珠光体被加热到A1（727℃）以上时将转变为奥氏体。以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。从珠光体向奥氏体转变的转变方程：α+Fe3C→γ碳含量C%0.02186.690.77晶格类型体心立方复杂斜方面心立方我们可以看出：珠光体向奥氏体转变包括铁原子的点阵改组，碳原子的扩散和渗碳体的溶解。共析碳钢珠光体向奥氏体等温形成过程，可以用下图形象地表示出来。4）奥氏体的性能Fe-C合金中的奥氏体在室温下是不稳定相。但是在Fe-C合金中加入足够数量的能扩大γ相区的元素，可使奥氏体在室温，甚至在低温成为稳定相。因此，奥氏体可以是钢在使用时的一种重要组织形态。以奥氏体状态使用的钢称为奥氏体钢。（1）磁性：奥氏体具有顺磁性，故奥氏体钢又可作为无磁钢。（2）比容：在钢的各种组织中，奥氏体的比容最小。可以利用这一点调整残余奥氏体的量，以达到减少淬火工件体积变化的目的。（3）膨胀：奥氏体的线膨胀系数比铁素体和渗碳体的平均线膨胀系数高出约一倍。故奥氏体钢也可被用来制作要求热膨胀灵敏的仪表元件。（4）导热性：除渗碳体外，奥氏体的导热性最差。因此，为避免热应力引起的工件变形，奥氏体钢不可采用过大的加热速度加热。（5）力学性能：奥氏体具有高的塑性、低的屈服强度，容易塑性变形加工成形。因为面心立方点阵是一种最密排的点阵结构，至密度高，其中铁原子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故奥氏体钢可作为高温用钢。3、钢的退火与正火1）退火与正火的目的①调整硬度以便进行切削加工②消除残余应力③细化晶粒，改善组织④为最终热处理做好组织上的准备2）钢的退火（1）退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。（2）退火可分为：完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火。如图示。箱式炉①完全退火定义：将亚共析钢加热到AC3+30～50℃；保温后缓冷的退火工艺称为完全退火。目的：降低硬度，消除内应力。②等温退火定义：将亚共析钢加热到AC3+30～50℃，过共析钢加热到AC1+30～50℃；保温后快冷到Ar1以下某一温度保温，然后出炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的比较。③球化退火定义：将共析钢或过共析钢加热到AC1+20～30℃；保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体，为后面的淬火作组织准备。⑤去应力退火定义：将工件加热到AC1以下某一温度，保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。目的：消除铸、锻、焊的内应力。④扩散退火定义：将工件加热到略低于固相线温度，保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火。目的：消除成份偏析。3）钢的正火正火（亦称正常化）是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温后空气中冷却的热处理工艺。正火的作用与完全退火相似，两者的主要差别是冷却速度。退火冷却速度慢，获得珠光体组织；正火冷却速度较快，得到的是索氏体组织。因此，同样钢件在正火后强度和硬度比退火高，而且钢的含碳量愈高，用这两种方法处理后的强度和硬度的差别愈大。正火具有以下几方面的应用：①含碳量≤0.25%经正火后硬度提高，改善了切削加工性能。②消除过共析钢中的二次渗碳体。③作为普通结构零件的最终热处理。正火与退火的比较：正火的冷却速度稍快于退火，二者的组织是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所示。正火与退火后组织的比较退火正火1）钢的淬火目的：为了获得马氏体，提高钢的力学性能。淬火温度选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。如图所示，一般淬火温度在临界点以上。3、钢的淬火与回火定义：淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上某一个温度，保温后快速冷却，获得马氏体和贝氏体组织的热处理工艺。淬火后一定要回火，获得要求组织和性能。对亚共析钢，淬火温度为Ac3+30～50℃，淬火组织为马氏体，如图所示。亚温淬火：加热温度在Ac1～Ac3之间，淬火组织为马氏体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方法。马氏体加铁素体马氏体对共析钢和过共析钢淬火温度为Ac1+30～50℃，组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体，如图所示。对合金钢一般淬火温度为临界点以上50～100℃。提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。细马氏体加颗粒状渗碳体和残余奥氏体淬火介质为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。最常用的淬火介质是水和油。水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示：油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火。近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液等淬火介质。淬火方法常用淬火方法如图所示。①单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等。将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。②双液淬火法③分级淬火法将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。④等温淬火将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状复杂和要求较高的小件。钢的淬透性①淬透性淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。②淬透性对钢力学性能的影响:钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能。③淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布。④淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低。淬透性的测定及其表示方法测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法。将φ25×100mm的标准试样经奥氏体化后，对末端进行喷水冷却。如图所示。按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线。利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和淬透性曲线图可找出其淬透性的大小。淬透性的表示方法淬透性值可用表示。其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径，即临界直径D0表示。dHRCJ淬透性的应用:对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透性的钢制造。在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。2）钢的回火回火的目的①降低脆性，减少或消除内应力。②获得工艺所要求的力学性能。③稳定工件尺寸。④对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工。将淬火后的钢加热到在Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后取出空冷或油冷的热处理工艺过程称为回火。淬火钢在回火时的转变回火时的组织转变淬火钢组织发生以下四阶段的变化：①马氏体分解：主要发生在100～200℃，马氏体中的碳以ε碳化物（FexＣ）的形式析出，析出的碳化物以极小片状分布在马氏体基体上，这种组织称为回火马氏体，用“M回”表示。如图所示。回火马氏体②残余奥氏体分解主要发生在200～300℃，残余奥氏体分解为