B第二单元 钢的热处理工艺

第二章金属热处理工艺金属热处理工艺第一节金属热处理工艺过程及其分类•热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程金属热处理工艺一、金属热处理工艺定义：通过加热、保温和冷却的方法使金属和合金内部组织结构发生变化，以获得工件使用性能所要求的组织结构，这种技术称为热处理工艺。二、热处理工艺过程•直接加热用木炭或煤、液体或气体燃料、以及电等热源•间接加热熔融的盐或金属等•加热时，应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。金属热处理工艺1、加热方法2、加热温度•选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。•主要是控制冷却速度。•一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。金属热处理工艺3、保温时间•在加热温度下保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。4、冷却三、热处理工艺分类•分为四类：普通热处理（又称整体热处理）、化学热处理、表面热处理和复合热处理。•（1）退火：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。•（2）正火：正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺，称为正火。•（3）淬火：将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上，经过一段时间的保温使钢奥氏体化，然后再以大于临界冷却速度Vk进行快速冷却，从而发生马氏体Ｍ转变的热处理工艺，称淬火。金属热处理工艺•1、普通热处理•钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。•（4）回火：将淬火钢重新加热到A1点以下某一温度（高于室温而低于650℃），保温一定时间，然后冷却（一般为空冷）到室温的热处理工艺，称回火。金属热处理工艺•“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺：•调质：为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。•时效处理：某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等，这样的热处理工艺称为时效处理。•形变热处理：把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；•真空热处理：在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。•表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。金属热处理工艺2、表面热处理•化学热处理是将工件放在一定的活性介质中加热，使某种元素的原子扩散到表层中去，从而改变表层的成分、组织和性能的一种热处理方法。金属热处理工艺3、化学热处理第二节钢的加热•表2-1加热温度的经验公式金属热处理工艺一、加热的目的•目的是为了得到奥氏体A组织。二、确定合理的加热工艺•制定加热工艺，主要是确定加热温度和加热时间。三、加热缺陷及其防止常见的加热缺陷有氧化、脱碳、欠烧、过热、过烧等。钢的氧化分为两种：一种是表面氧化在钢的表面生成氧化膜；另一种是内氧化在一定深度的表面层中发生晶界氧化。金属热处理工艺表面氧化影响工件尺寸，内氧化则影响工件的性能。（一）氧化1、表面氧化•560℃以下加热：表面氧化膜由两层氧化物组成：表面层是Fe2O3，内层是Fe3O4。氧化速度很慢。•560℃以上加热：表面氧化膜由三层组成：Fe2O3、Fe3O4和FeO，FeO是与基体结合不牢固，易剥落，所以这种氧化膜无防护作用，氧很容易穿过氧化膜向里氧化。金属热处理工艺•在加热环境中，O2、CO2和H2O等都会使钢氧化，其反应如下：•①2Fe+O2=2FeO；•②Fe+CO2=FeO+CO；•③Fe+H2O=FeO+H2•在800~950℃下较长时间加热:介质中的O2和CO2沿奥氏体A晶界向里扩散。金属热处理工艺•而当钢中含有Cr、Si、Ti、Al等合金元素时，优先被氧化，沿晶界生成氧化物，奥氏体A稳定性变差，淬火时便会沿晶界形成屈氏体T网。防止氧化可采取措施如下•①采用脱氧良好的盐浴加热；•②采用保护气氛加热；•③采用高温短时快速加热；•④采取防护措施，如表面涂料防护，装箱填料防护等；•⑤清除工件表面的水渍和锈斑；•⑥防止炉子漏气；•⑦预留足够的加工余量金属热处理工艺（二）脱碳•钢在脱碳性气氛中加热时，其表面层中固溶的碳与气氛中的O2、CO2、H2O和H2等发生化学反应，生成气体逸出钢外，降低了钢的表面碳浓度，即发生脱碳。•脱碳反应如下：•①(C)+O2=CO2；②(C)+CO2=2CO；•③(C)+H2O=CO+H2；④(C)+2H2=CH4•炉温在700~850℃下存在大量脱碳气氛时，易发生脱碳。金属热处理工艺脱碳实质上也是氧化过程（三）欠烧•由于加热温度过低或加热时间过短，造成奥氏体A化不完全的缺陷，称为欠烧。•由于加热温度过高或者加热时间过长，造成奥氏体A晶粒过分粗大的缺陷，称为过热。•在淬火组织中，过热表现为马氏体M粗大，使钢的韧性降低，容易脆断。金属热处理工艺（四）过热•由于加热温度达到固相线温度，使奥氏体A晶界局部熔化，或者晶界发生氧化，这种现象称为过烧。钢一旦过烧，就只能报废。金属热处理工艺（五）过烧第三节钢的退火和正火•按热处理工艺的先后次序和目的，可将其分为两类：•预先热处理：消除前道工序造成的缺陷，为随后切削加工和最终热处理作准备；•最终热处理：使工件满足使用条件下的性能要求。•退火和正火是应用最为广泛的热处理工艺。•退火定义：将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。金属热处理工艺一、退火减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火作好组织准备。退火工艺按加热温度还可分为两大类：包括完全退火、等温退火、不完全退火、扩散退火和球化退火②临界温度以下退火包括软化退火、再结晶退火、去应力退火等金属热处理工艺目的：①临界温度以上退火(相变重结晶退火)：②临界温度以下退火：1、完全退火•定义：将亚共析钢加热到Ac3线以上约30-50ºC，保温一定时间，使之完全奥氏体化，随炉缓慢冷却到600ºC以下，然后出炉空冷，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。•适用范围：•主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材。•主要目的：•细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、提高塑性和改善钢的切削性能，为随后的切削加工和淬火做好准备。•工艺特点：•加热温度：一般为Ac3+30-50℃•升温速度：一般为100-200℃/h•保温时间：一般可按经验公式计算确定金属热处理工艺•冷却速度：一般为200-50℃/h•出炉温度：一般为600℃•过共析钢不宜采用完全退火:•原因：过共析钢完全退火，加热温度在Accm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。•等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，钢件在加热温度保温一定时间后，快冷至Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后出炉空冷。•Ar1以下的等温温度，根据要求的组织和性能而定金属热处理工艺2、等温退火3、扩散退火（均匀化退火）定义：将铸锭、铸件或锻坯，加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后随炉缓慢冷却，出炉空冷，消除或减小化学成分不均匀性及显微组织（枝晶）偏析，以到达均匀化目的的热处理工艺，称为扩散退火。•适用范围：•碳钢和合金钢铸锭和铸件。•主要目的：•消除化学成分的不均匀性及结晶时产生的枝晶偏析。•工艺特点：•加热温度：一般为Ac3或Accm+150~250℃•升温速度：一般为100~200℃/h•保温时间：可按经验公式计算确定，通常为10~15h，高温长时间加热•冷却速度：一般为50~20℃/h，随钢种不同而异•出炉温度：一般为600℃~350℃，随钢种不同而异金属热处理工艺•扩散退火后需要进行一次完全退火或正火来消除过热。•高温扩散退火生产周期长、消耗能量大、生产成本高，所以一般不轻易采用。•定义：球化退火是使钢中渗碳体球化，获得球状（或粒状）珠光体的一种热处理工艺。•适用范围：•多用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。•主要目的：•球化渗碳体，降低硬度，改善切削加工性能，为淬火做好组织准备。•工艺特点：•加热温度：一般为Ac1+20-50℃或Ar1-20•升温速度：一般为100-200℃/h•保温时间：通常为4-10h，低温短时加热和缓慢冷却金属热处理工艺4、球化退火•冷却速度：一般为20℃/h左右•出炉温度：500-600℃空冷至室温•定义：为了消除冷加工以及铸造、焊接过程中引起的残余内应力而进行的退火。•主要目的：•用于消除铸件，锻件，焊接件，冷冲压件以及机加工件中的残余应力。•工艺特点：•加热温度：一般为550-650℃•升温速度：一般为100-150℃/h•保温时间：3-5min/mm•冷却速度：一般为50-100℃/h左右•出炉温度：200℃空冷至室温金属热处理工艺5、去应力退火二、正火（常化）•定义：正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺，称为正火。•目的：•获得一定硬度、细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。•正火常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。金属热处理工艺1、正火工艺•加热温度：•低碳钢加热温度：Ac3+100-150°C•中碳钢加热温度：Ac3+50-100°C•高碳钢加热温度：Ac3+30-50°C•保温时间：•与工件厚度和加热炉的形式有关•冷却方式：•既可采用空冷也可采用吹风冷却，应散开放置。金属热处理工艺正火的加热温度与钢的化学成分关系很大2、正火后的组织与性能正火组织中的珠光体（伪共析组织）P量较多而且片层较细，从而具有较高的硬度和强度。实验研究表明，正火后的强度，硬度，韧性都比退火后的高，塑性并不降低。金属热处理工艺3、正火的应用•（1）普通结构零件的最终热处理：正火可以消除铸造或锻造生产中的过热缺陷，细化组织，提高机械性能。•（2）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性：硬度在160~230HB的金属，易切削加工。•（3）可作为由中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理：使中碳钢中一些不正常的组织变为正常组织，消除热加工所造成的组织缺陷，并且它对减小工件淬火变形与开裂提高淬火质量有积极作用。•（4）消除过共析钢中的网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备：这是因为正火冷却速度比较快，二次渗碳体来不及沿A晶界呈网状析出。•（5）对一些大型或形状复杂的零件，淬火可能有开裂的危险，正火也往往代替淬火、回火处理，作为这些零件的最终热处理。金属热处理工艺•综上所述：为改善钢的切削性能，低碳钢宜用正火；共析钢和过共析钢宜用球化退火，且过共析钢宜在球化退火前采用正火消除网状二次渗碳体；中碳钢最好采用退火，但也可采用正火。金属热处理工艺第四节钢的淬火与回火•将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上，经过一段时间保温使钢奥氏体A化，然后再以大于临界冷却速度Vk进行快速冷却，使过冷奥氏体A转变为马氏体Ｍ或贝氏体B组织的热处理工艺，称淬火。金属热处理工艺一、钢的淬火（一）淬火的定义和目的1、淬火的定义2、淬火的目的（1）提高硬度和耐磨性：许多高碳钢工件，如刃具、轴承等经淬火后可得到马氏体M或下贝氏体B下，再经低温回火，可显著增加硬度和耐磨性。（2）提高强韧性：许多低、中碳钢工件，如轴、齿轮等经淬火后可得到马氏体M，再经低温回火或高温回火，可显著提高其强韧性。•（3）提高弹性：中、高碳钢弹簧工件，经淬火后得到马氏体M，再经中温回火，可使其弹性大大提高。•试验研