钢的淬火基础知识

2020/2/121钢的淬火2020/2/122淬火定义：将钢加热至Ac3或Ac1以上，保温一定时间，以大于临界淬火速度Vk的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火钢得到的组织：马氏体或下贝氏体，少量残余奥氏体及未溶的第二相。目的：提高钢的硬度、强度和耐磨性并保持足够的韧性。2020/2/123不同碳含量的钢淬火后的硬度及碳含量与残余奥氏体量的关系2020/2/124一、淬火应力•淬火应力分为两种：•热应力•组织应力•淬火应力超过材料的屈服极限产生塑性变形•淬火应力超过材料的强度极限产生开裂2020/2/125热应力•定义：•工件在加热或冷却过程时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致而产生的内应力。•影响因素：•冷却速度越大，截面上的温差越大，热应力越大；•淬火温度越高，工件截面尺寸大或钢材导热性差，线膨胀系数大，增大热应力。2020/2/126•(a)表层和心部始终存在着温差1、热应力及其变化规律•(b)冷却初期，表层产生拉应力，心部产生压应力；冷却后期，表层受到压应力，心部产生拉应力。•(c)冷却后期的应力状态被保留下来成为残余内应力；表层为压应力，心部为拉应力。2020/2/127组织应力•组织应力的定义：•工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不同而引起的内应力。•影响因素：•冷却速度、工件的尺寸、钢的导热性•含碳质量分数、马氏体的比热及钢的淬透性2020/2/1282、组织应力及其变化规律•淬火初期（表层温度低于Ms，心部温度高于Ms），表层压应力，心部拉应力。•淬火后期（表层温度、心部温度低于Ms），表层拉应力，心部压应力。2020/2/129热应力与组织应力•共存、叠加•热应力与组织应力的变化规律相反2020/2/1210二、淬火加热•制定淬火加热工艺：•加热温度、加热时间•加热方式、选择介质2020/2/1211淬火加热温度的选择•淬火加热温度的选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则（细小的M）•依据钢的临界点温度来确定•亚共析钢：Ac3+（30-50oC）•共析钢和过共析钢：Ac1+（30-50oC）•温度选择此范围的原因2020/2/1212淬火加热时间的确定•淬火加热时间：升温时间和保温时间之和•影响加热时间的因素：•加热介质、钢的成分、炉温•工件的形状及尺寸•装炉方式及装炉量•经验公式：τ=αKD2020/2/1213淬火加热过程中的缺陷•过热•过烧•表面氧化和脱碳（加热工件和加热介质之间相互作用）2020/2/1214过热•工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。•表现：强度、韧性降低，易产生脆断（淬火裂纹）•纠正措施：•退火或正火（细化晶粒）后淬火2020/2/1215过烧•工件在淬火加热时温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象。•过烧工件只能报废2020/2/1216表面氧化•氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度降低，影响淬火冷却速度。•加热温度越高，氧化速度越快。2020/2/1217氧化反应•与炉气中的O2、CO2及H2O等氧化性气体发生化学反应2020/2/1218脱碳•钢中的碳与炉气中的O2、H2O、CO2及H2发生化学反应，生成含碳气体逸出钢外，使工件表面含碳降低。加热温度越高，加热时间越长，脱碳层越深。2020/2/1219防止氧化、脱碳的方法•盐浴加热（氯化盐、硝酸盐）•保护气氛加热（氨分解气氛、天然气或人造煤气）•真空加热（机械真空泵）•装箱加热（铸铁屑或木碳）2020/2/1220三、淬火冷却2020/2/1221三、淬火冷却•淬火冷却速度的选择：•大于临界冷却速度•既能获得马氏体组织，又能减小变形和开裂的倾向。2020/2/1222理想淬火冷却曲线•600-400oC奥氏体最不稳定，快速冷却，避免发生珠光体或贝氏体转变，保证获得马氏体组织。•650oC以上或400oC以下，点Ms附近，过冷奥氏体比较稳定，缓冷，减小热应力和组织应力，减小工件淬火变形和防止开裂。2020/2/1223淬火介质•水是经济且冷却能力较强的淬火介质•矿物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（NaCl、NaOH）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。•聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝盐水溶液淬火介质。2020/2/1224淬火介质的冷却能力2020/2/1225常用淬火介质的冷却特性2020/2/1226淬火介质水的冷却特性曲线•800-380oC•380oC左右•100oC以下•650-400oC•650-500oC•300-200oC2020/2/12275%-10%NaCl、10%50%NaOH水溶液•使高温区的冷却能力显著提高•破坏蒸汽膜和气泡，提高冷却速度•低温区的冷却速度大2020/2/1228盐浴2020/2/1229矿物油•优点：低温区的冷却速度比水小•缺点：高温区的冷却速度较小•油淬火，在马氏体转变温度范围内冷却速度很慢，降低组织应力，减小变形和开裂。•油温高（40-100oC）可降低油的粘度，使高温区的冷却能力增加。2020/2/1230淬火过程2020/2/1231赤热工件进入淬火介质后的三个冷却阶段2020/2/1232理想淬火冷却曲线2020/2/1233四、淬火方法•淬火方法的选择依据：•钢的化学成分•工件的形状和尺寸•技术要求•选择淬火方法的好处：•获得所需的组织和性能•减小淬火应力•减小工件变形和开裂的倾向2020/2/1234四类淬火方法•单液淬火•双液淬火•分级淬火•等温淬火2020/2/12351、单液淬火法将加热至奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中连续冷却至介质温度的淬火方法，如水淬、油淬等。适用于形状简单的工件；操作简单，容易实现自动化。2020/2/12362、双液淬火法将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能力较强的淬火介质中快速冷却至接近点Ms的温度，避免过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体转变，然后再转入另一种冷却能力较弱的介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变成马氏体的淬火方法。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。技术要求高，可防止变形与开裂。2020/2/12373、分级淬火法•将加热至奥氏体状态的工件先淬入高于该钢点Ms附近的热浴中停留一定时间，待工件各部分与热浴的温度一致后，取出空冷至室温，在缓慢冷却条件下完成马氏体转变的淬火方法。•其特点是显著减少淬火变形与开裂•用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件2020/2/12384、等温淬火法将加热至奥氏体状态的工件淬入温度稍高于点Ms的盐浴中等温，保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，然后取出在空气中冷却的淬火方法。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。获得下贝氏体组织，用于要求有较高强韧性的工模具和弹簧等零件。2020/2/1239感应淬火2020/2/1240激光淬火2020/2/1241压淬2020/2/1242压淬2020/2/1243校直2020/2/1244作业•课本244页•第3题