金属材料及热处理知识第4章

国家职业资格培训教材技能型人才培训用书国家职业资格培训教材编审委员会编金属材料及热处理知识姜敏凤主编国家职业资格培训教材技能型人才培训用书依据劳动和社会保障部制定的《国家职业标准》要求编写第四章钢的热处理培训学习目标了解钢在加热和冷却时的组织转变特点，掌握钢的退火、正火、淬火和回火知识；熟悉钢的表面热处理、化学热处理；了解热处理新技术、金属的表面防护与装饰知识。第四章钢的热处理第四章钢的热处理目录第一节概述第二节钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热与保温时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变第三节钢的退火和正火一、退火二、正火三、退火、正火的选用第四节钢的淬火和回火一、钢的淬火二、钢的回火第五节钢的表面热处理一、感应加热表面淬火二、火焰加热表面淬火第四章钢的热处理第四章钢的热处理目录第四章钢的热处理第六节钢的化学热处理一、渗碳二、渗氮（氮化）三、碳氮共渗四、氮碳共渗（软氮化）第七节热处理新技术一、热处理技术发展方向二、热处理新技术简介第八节金属表面防护与装饰一、金属的表面防护二、金属的表面装饰复习思考题第四章钢的热处理第一节概述钢的热处理是将钢在固态下以一定的方式进行加热、保温，然后采取合适的方式冷却，让其获得所需要的组织结构和性能的工艺。(1)整体热处理对工件整体进行穿透加热。(2)表面热处理仅对工件的表面进行的热处理工艺。(3)化学热处理改变工件表层的化学成分、组织和性能。第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变一、钢在加热与保温时的组织转变1.奥氏体的形成过程图4-3共析钢加热时组织转变示意图a)奥氏体形核b)奥氏体长大c)残余渗碳体溶解d)奥氏体均匀化第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变2.奥氏体的晶粒大小及影响因素奥氏体的晶粒越细小、均匀，冷却后的室温组织越细密，其强度、塑性和韧性比较高。(1)奥氏体晶粒度晶粒度是指多晶体内晶粒的大小，可以用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积内晶粒的数目来表示。GB/T8493—1987将奥氏体晶粒分为8个等级，其中1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒。图4-4为部分晶粒度标准图片。(2)影响奥氏体晶粒度的主要因素1)热处理工艺参数2)钢的化学成分3)原始组织第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变图4-4标准奥氏体晶粒度等级a)4级晶粒b)5级晶粒c)6级晶粒d)7级晶粒第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变在热处理工艺中，常用等温冷却和连续冷却两种冷却方式。图4-6两种冷却方式示意图1—等温冷却2—连续冷却1.等温冷却转变钢经奥氏体化后，迅速冷至临界点(Ar1或Ar3)线以下等温保持时，过冷奥氏体发生的转变称为等温转变。第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变(1)等温转变图的建立钢的等温转变图是用实验方法建立的。图4-7共析钢等温转变图a)共析钢奥氏体等温转变图建立示意图b)共析钢等温转变图(2)等温转变图分析第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变(3)过冷奥氏体等温转变产物及性能在Ms线以上，可发生珠光体型转变和贝氏体型转变。过冷奥氏体的等温转变产物及性能见表4-2，过冷奥氏体的等温转变温度越低，其转变组织越细小，强度、硬度也越高。表4-2共析钢等温转变产物及性能第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变(4)亚共析钢和过共析钢的等温转变图图4-8亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线a)亚共析钢的等温转变曲线b)过共析钢的等温转变曲线第四章钢的热处理第二节钢在加热和冷却时的组织转变2.连续冷却转变图4-9在等温转变曲线上估计连续冷却时的组织转变(2)马氏体转变过冷奥氏体在Ms线以下发生的转变称马氏体转变，马氏体转变通常在连续冷却时进行。(1)等温转变曲线在连续冷却转变中的应用第四章钢的热处理第三节钢的退火和正火1.完全退火一、退火将工件加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。目的是降低硬度，去除内应力，均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒，提高塑性，改善切削加工性能，为最终热处理做好组织准备。将工件加热至完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。第四章钢的热处理3.球化退火为了使钢中碳化物球状化而进行的退火4.去应力退火将工件加热到500～600℃，并保温一定时间，缓慢冷却至300～200℃以下空冷，消除工件因塑性变形加工、切削加工或焊接造成的残余内应力及铸件内存在的残留应力进行的退火。第三节钢的退火和正火2.等温退火将工件加热至Ac3或Ac1以上的温度，保持适当时间后，以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的工艺。第四章钢的热处理三、退火、正火的选用选择应注意：(1)切削加工性能(2)使用性能(3)经济性二、正火将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。正火与退火工艺的区别：正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度较高；同时操作简便，生产周期短，成本低。第三节钢的退火和正火第四章钢的热处理第四节钢的淬火和回火一、钢的淬火1.淬火工艺将工件加热奥氏体化后以适当的方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。图4-12碳钢的淬火加热温度范围(1)淬火加热参数的确定淬火加热温度的选择应以Fe-Fe3C相图中钢的临界温度作为主要依据。淬火加热速度和淬火加热保温时间也是淬火加热的两个重要参数。第四章钢的热处理第四节钢的淬火和回火(2)淬火介质淬火介质是在淬火工艺中所采用的冷却介质。常用的淬火介质有水、盐水、油、熔盐、空气等图4-13钢的理想淬火冷却速度第四章钢的热处理第四节钢的淬火和回火水和盐水的冷却能力最强，油的冷却能力较弱，空气最弱。表4-4几种淬火介质的冷却烈度H值(3)淬火方法现代淬火工艺方法有奥氏体化直接淬火，铸造淬火、锻后淬火、形变淬火等。第四章钢的热处理1)单介质淬火将奥氏体化的工件直接淬入单一淬火介质中连续冷却到室温的方法，称为单介质淬火，如图4-14中曲线1所示。图4-14常用淬火方法第四节钢的淬火和回火2)双介质淬火(双液淬火)将工件加热到奥氏体化后，先淬入一种冷却能力强的介质中，在即将发生马氏体转变之前立即淬入另一种冷却能力弱的介质中冷却的方法，如图4-14中曲线2所示。第四章钢的热处理3)马氏体分级淬火(分级淬火)钢经奥氏体化后先淬入温度稍高或稍低于其Ms点的液态介质(盐浴或碱浴)中，保持适当时间，使钢件的表面与心部温差减小，再取出空冷获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火。如图4-14中的曲线3所示。第四节钢的淬火和回火4)贝氏体等温淬火(等温淬火)将工件加热到奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间(260～400℃)，保持一定时间，使奥氏体转变为贝氏体组织的淬火工艺，称为贝氏体等温淬火，如图4-14中的曲线4所示。2.钢的淬透性3.淬火缺陷(1)淬火变形和开裂(2)硬度不足与软点(3)过热和过烧第四章钢的热处理第四节钢的淬火和回火二、钢的回火工件淬硬后再加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷却至室温的热处理工艺。1.回火的目的（1）减少或消除淬火应力（2）满足使用性能要求（3）稳定组织和尺寸2.回火时的组织与性能的变化（1）马氏体分解（2）残留奥氏体分解（3）渗碳体形成（4）碳化物的聚集长大和α相的再结晶3.回火方法（1）低温回火（2）中温回火（3）高温回火第四章钢的热处理第五节钢的表面热处理钢的表面热处理是指仅对钢件表面进行热处理，以改变表面层组织，满足使用性能要求的热处理工艺。一、感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表层、局部或整体加热并快速冷却的工艺方法。1.感应加热淬火的基本原理图4-16感应加热示意图1—工件2—感应器3—喷水套第四章钢的热处理第五节钢的表面热处理2.感应加热淬火的特点1)感应加热淬火件晶粒细、硬度高。2)加热速度快，加热时间很短。3)热效率高，生产率高，生产环境好，易实现机械化、自动化。4)淬硬层深度易于控制。5)设备投资大，维修困难，不适合单件生产。第四章钢的热处理3.感应加热淬火的应用感应加热淬火最适宜的钢种是中碳钢和中碳合金钢制作的齿轮、轴、销类零件；也可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。二、火焰加热表面淬火应用可燃气体(如氧乙炔)燃烧产生的高温火焰对工件表面进行加热，并快速冷却的淬火工艺。第五节钢的表面热处理第四章钢的热处理第六节钢的化学热处理将工件放在具有一定活性介质的热处理炉中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺，称为化学热处理。化学热处理可以划分为：①分解；②吸收；③扩散。一、渗碳渗碳是将工件放在具有活性碳原子的介质中加热、保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺。目的是提高工件表层的含碳量，并形成一定含碳量梯度的渗碳层，经淬火、低温回火后提高工件表面的硬度、耐磨性，心部保持良好的韧性。1.渗碳工艺渗碳分成固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳。图4-17为气体渗碳工艺曲线示意图。第四章钢的热处理图4-17气体渗碳工艺曲线第六节钢的化学热处理第四章钢的热处理2.渗碳用钢及渗碳技术参数渗碳后一般要求表面碳的质量分数达到0.85%～1.05%；工件的渗碳层深度取决于工件的尺寸和工作条件，一般为0.5～2.5mm。3.渗碳后的热处理渗碳工件渗碳后必须经淬火和低温回火后才能满足使用性能的要求。渗碳工艺主要应用于要求表面高硬度、高耐磨性，而心部具有良好的塑性和韧性的零件上，如汽车、工程机械上的凸轮轴、活塞销等。二、渗氮(氮化)渗氮是在一定温度下于一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。第六节钢的化学热处理第四章钢的热处理1.渗氮工艺图4-18气体渗氮工艺曲线示意图38CrMoAlA等含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢是最常用的渗氮钢。2.渗氮的特点与应用（1）渗氮后工件具有很高的表面硬度和耐磨性（2）渗氮后具有良好的耐蚀性能（3）渗氮件的变形很小第六节钢的化学热处理第四章钢的热处理渗氮特别适宜精密零件的最终热处理。例如磨床主轴、镗床镗杆、精密机床丝杠、内燃机曲轴以及各种精密齿轮和量具等。三、碳氮共渗在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。常用的为气体碳氮共渗。碳氮共渗件需进行淬火、低温回火。四、氮碳共渗(软氮化)在工件表层同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺，称为氮碳共渗，也称软氮化。氮碳共渗的温度一般为560℃±10℃，保温时间一般为3～4h。第六节钢的化学热处理第四章钢的热处理第七节热处理新技术一、热处理技术发展方向1.清洁热处理2.精密热处理3.节能热处理4.少无氧化热处理二、热处理新技术简介1.可控气氛热处理2.真空热处理在热处理工艺过程中，热处理炉内的炉气成分(即工艺介质)可以有效控制的热处理。在真空中进行加热，然后在常压下完成其他热处理工艺的一种热处理方法。第四章钢的热处理第八节金属的表面防护与装饰一、金属的表面防护1.电镀、化学镀及热浸镀（1）电镀将金属零件作为阴极浸入含有欲镀金属的盐溶液中，通入电流，在直流电场的作用下，金属盐溶液中的阳离子在零件表面上沉积成为牢固的镀层的工艺。（2）化学镀利用适当的还原剂，使一定成分溶液中的金属离子在经催化的金属表面上还原出金属镀层的一种化学方法。（3）热浸镀将金属零件浸入熔融的金属液体槽中，经一定时间取出然后冷却后，使其表面形成耐蚀覆盖层的工艺。第四章钢的热处理（1）氧化处理采用化学或电化学的处理方法，使零件表面形成一层氧化膜，以提高零件的耐蚀性并改善其外观的工艺方法。（2）磷化处理将钢铁零件放入磷酸盐溶液中，使零件表面获得一层不溶于水、耐腐蚀的磷酸盐薄膜的工艺方法。1)钢铁的氧化处理(发蓝或发黑)2)铝及铝合金的氧化处理钢铁零件磷化处理的一般工艺流程为：化学脱脂→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗→磷化处理→冷水洗→去离子水洗→干燥。第八节金属的表面防护与装饰2.化学转化膜技术通过化学或电化学的处理方法，使金属表面形成一层稳定的化合物膜，从而既有防腐作