第四章第四节热处理工艺及应用

第三章钢的热处理第一节钢在加热时的转变第二节钢在冷却时的转变第一节钢在加热时的转变热处理的定义：将固态金属采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须进行热处理后才能使用。本章主要介绍热处理的基本原理、常用热处理工艺方法及其应用。热处理方法很多，根据工艺类型、工艺名称和实现热处理的加方法、将热处理工艺分为两类。整体热处理：包括退火、正火、淬火和回火等。表面热处理：包括表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗。热处理的工艺要素是温度和时间。任何热处理过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的。因此，要掌握钢的热处理原理，主要就是要掌握钢在加热和冷却时的组织转变规律。图3-1热处理工艺曲线温度时间0加热保温冷却热处理的任务是通过改变钢材的组织，来改变钢材的性能，以满足使用要求的。一般都有将钢加热到相变温度以上，使常温组织变为高温组织--奥氏体。然后在冷却过程中使它向要求的组织转变。因此，奥氏体在形成过程中，其成份、晶粒大小等，将直接影响热处理的效果。为此，了解奥体的形成过程和影响因素是很重要的。以共析钢为例，说明奥氏体的转变(形成)过程。其转变过程可归纳为四个阶段。1．奥氏体（A）晶核的形成2．奥氏体（A）晶核的长大3．残余渗碳体（Fe3C）的溶解4．奥氏体（A）的均匀化注意：（1）亚共析钢和过共析钢加热到AC1-AC3（或AC1-ACcm）之间时将分别得到“A+F”和“A+Fe3C”组织，属不完全奥氏体化。只有当加热到AC3或ACcm以上温度时，才能完全奥氏体化。（2）在实际生产中，奥氏体晶粒的大小对热处理后的组织与性能有很大的影响。一般热处理加热时奥氏体晶粒越均匀、细小，冷却后的组织也越均匀、细小，其强度、塑性和韧性比较高。因此，应合理选择钢的化学成分，并控制热处理的加热温度及保温时间。第二节钢在冷却时的转变冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组织和性能）。需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下两种：1）等温冷却2）连续冷却把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到A1线以下的一定温度，然后保持此温度，使奥氏体恒温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却到室温把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质中）冷却至室温，使奥氏体在A1线以下的连续冷却中发生组织转变一、过冷奥氏体等温转变曲线的建立1）过冷奥氏体（A）2）过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）在A1温度以下还没有转变成其它组织的奥氏体过冷奥氏体在A1温度以下不同温度等温转变时，转变量与时间的关系曲线。二、共析钢过冷奥氏体等温转变的产物1．高温转变的产物（727~550℃）→珠光体2．中温转变的产物（550~230℃）→贝氏体3．低温转变的产物（≤230℃）→马氏体（碳在α-Fe中的饱和固溶体）三、过冷奥氏体连续冷却转变的曲线注意：同一成分的钢在冷却时，由于冷却方式的不同，奥氏体被过冷到不同的温度，将转变成不同的组织，体现出不同的性能。第三节钢的普通热处理教学目的和要求：1．掌握有几种热处理工艺。2．掌握各种热处理工艺有何异同，如何操作，及其目的。重点分析：各种热处理工艺操作方法及其目的。热处理整体热处理退火、正火、淬火、回火表面热处理火焰加热法感应加热法激光加热法化学、物理气相沉积化学热处理渗碳、渗氮、多元共渗保温临界点冷却加热时间温度热处理预先热处理比如：退火、正火等最终热处理消除前道工序的某些缺陷，为后续工序做准备的热处理获得零件所需要的使用性能的热处理比如：淬火、回火等一、钢的退火将工件加热到一定温度并保温，然后再缓慢冷却的一种热处理工艺。根据钢的成分和退火目的不同应采用不同的退火方法，常用的退火方法有：完全退火（普通退火）；球化退火（不完全退火）；去应力退火（低温退火）等。退火完全退火球化退火去应力退火方法：将亚共析钢加热到AC3线以上30—50℃，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却）。方法：将共析钢或过共析钢加热到AC1线以上20—30℃，保温后缓慢冷却。方法：将钢加热到AC1线以下，保温后缓慢冷却。退火完全退火球化退火去应力退火目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除应力。同时也是为切削加工和最终热处理做准备目的：消除网状或片状渗碳体，降低硬度，提高韧性。同时也是为切削加工和最终热处理做准备目的：消除铸件、焊件中的内应力，稳定尺寸。主要应用于：亚共析钢的铸件、锻件和轧件主要应用于：共析、过共析钢和合金工具钢主要特点：没有组织变化二、正火方法：是将钢件加热到AC3或ACm以上30～50℃，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却。主要应用于以下几方面:②改善低碳钢的可切削性。③作为中碳钢的预备热处理（可以替代部分退火热处理）。①对机械性能要求不高的零件的最终热处理。注意：正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺。都是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，而退火是随炉冷却。三、淬火方法：将钢加热到AC3(亚共析钢)或ACcm(共析钢或过共析钢)以上30～50℃，保温一定时间使其奥氏体化，然后在冷却介质中迅速冷却。目的：是获得均匀细小的马氏体组织，再经过回火处理，提高钢的力学性能。注意：①淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。②它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。1.淬火温度的选择碳钢的淬火加热温度范围2.常用的淬火冷却方法常用的淬火冷却方法单液淬火法双介质淬火法分级淬火法等温淬火法加热至淬火温度，先投入一种冷却能力强的介质中冷却至Ms点以下区域，然后再放入另一种冷却能力弱的介质中冷却。适用于高碳钢零件和较大的合金钢零件。加热至淬火温度，先投入Ms点附近的油浴和盐浴中冷却（2-5min），然后再取出空冷。适用于尺寸较小的工件。形状复杂、尺寸要求精确，且硬度与韧性要求高的重要零件。加热至淬火温度，投入一种淬火介质中连续冷却。常见碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火。四、回火方法：将淬火钢加热到AC1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷到室温。目的：减少或消除淬火应力，防止钢件变形与开裂；稳定组织和尺寸；获得所需要的组织和性能。注意：①淬火钢不经过回火一般不能直接使用。②淬火钢的回火转变：马氏体分解和残余奥氏体的分解。回火种类及应用：（1）低温回火（150—250℃），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（56—64HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。（2）中温回火（350—500℃），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（35—50HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。（3）高温回火—调质处理（500—650℃目的是获得得强度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。有些零件，采用表面热处理可以获得表面高硬度和心部高韧性。第四节钢的表面热处理一、表面淬火表面淬火的特点是快速加热，使工件要求淬硬的表面迅速升至淬火温度，而心部仍保持AC1以下温度，再迅速冷却，结果工件表面层被淬硬为马氏体组织，心部仍为原来的组织，保持了良好的韧性。再经过适当的低温回火，就能获得要求的性能。根据加热方法不同，表面淬火方法可分为三种：1．火焰加热表面淬火法淬深为2～6mm需凭经验难以把握。2．感应加热表面淬火法利用电流的集肤效应对工件表面迅速加热，而心部则几乎未被加热。①高频感应加热电流频率为（f=200～300）KHZ淬深为0.5～2mm。主要用于淬硬层较浅的中、小型零件加热，如小轴、小模数齿轮等。高频淬火齿轮的工艺路线为：锻造→正火或退火→粗加工→调质→精加工→高频淬火→低温回火→磨削。二、化学热处理化学热处理是把工件放在特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层成份和组织。使用工件表面与心部具有不同的机械性能或特殊的物理、化学性能。原理：将要渗的活性元素加热分解，即所谓激活，然后被工件表面吸收，进而向工件内部扩散。常用的化学热处理方法有：1．渗碳钢的表面吸收碳原子的过程，称为渗碳。目的：使零件表面获得高硬度（HRC58～64），心部获得较高的强度和韧性。(1)气体渗碳法：主要用甲烷、煤气、甲苯、煤油等作渗碳剂，在气体高温下分解出活性碳原子进行渗碳。如图所示。(2)固体渗碳法：固体渗碳剂主要是木炭，其次是少量碳酸盐。如图所示。(3)液体渗碳法：因有有毒气体产生，所以应用于不广。2．氮化即使工件表面渗入氮原子。目前应用较广的是气体氮化法。把工件放在专门氮化的炉子里，加热到500～600℃，同时通入氨气(NH3)，氨气加热到450℃，就分解出活性氨原子，扩散渗入工件表层，形成氮化层。氮化的要素是温度和时间，用时间控制渗层厚度。氮化处理的缺点是：时间长,一般要用合金钢,所以成本高。只用于机床中高速传动轴；精密齿轮等。一般氮化零件的工艺路线为：锻造→退火→粗加工→调质→精加工→除应力退火→磨削→氮化→精磨。3．碳氮共渗把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化。根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。4．其它化学热处理方法(1)渗铝目的：是使钢的表面具有高的抗氧化性能。(2)渗铬目的：是增加零件抗蚀性能，还可提高碳钢的硬度和耐磨性。气体渗碳返回固体渗碳返回返回火焰加热淬火法