第四章 钢的热处理

第四章金属材料热处理(HeatTreatmentofSteel)•概述•钢的普通热处理工艺•钢的表面热处理工艺•机械制造过程中的热处理第一节概述•1、热处理:是指将金属材料(钢)在固态下加热、保温和冷却,以改变钢的组织结构,获得所需要性能的一种工艺.为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。•2、热处理特点:热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。铸造轧制3、热处理适用范围:只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.热处理的分类热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;一.钢的退火(Annealingofsteel)一)定义:把钢加温到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却后（通常随炉冷却），获得接近于平衡组织的热处理工艺．二)目的:消除应力;降低硬度;细化晶粒;均匀成分;为最终热处理作好组织准备。退火温度(°C)名称Ac3+30～50完全退火Ac1+30～50球化退火500～600去应力退火Ac3+150～250扩散退火（1）完全退火①工艺规范：加热温度，Ac3+30~50℃②保温时间；据零件大小，装炉量多少和加热方式而定③冷却方式：随炉冷却，实际应用为了缩短生产周期，冷至600℃后往往出炉空冷。主要适用于亚共析钢.将其加热到Ac3+30~50℃使钢材完全奥氏体化,缓慢冷却后获得接近于平衡状态的珠光体组织.使热加工过程中造成的粗大不均匀组织均匀细化,降低硬度,提高塑性,改善加工性能,消除内应力.缺点:所需时间较长,生产率低。特别是某些奥氏体化比较稳定的合金钢，退火时间长达几十小时以上，所以一般对合金钢大件常采用等温退火工艺。将钢件加热保温后，较快地冷却到珠光体转变的温度范围内，等温保持到奥氏体全部转变为珠光体组织，然后出炉空冷。等温退火与完全退火目的相同，但等温退火可以通过控制等温温度，更快地获得所需要的均匀组织和性能，退火效果好，大大缩短了退火时间。（2）球化退火①、工艺规范：加热温度：Ac1+10~30℃②、保温时间：以充分使二次渗碳体球化为原则。③、冷却方式：经过保温后采用空气中冷却。使用于共析钢和过共析钢。④、球化原因：使钢中的网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球化，降低材料硬度，改善切削加工性，为最终热处理做准备。球化退火保温时间较长，以保证二次渗碳体球化。为了获得较好的球化效果，对于含碳量高、网状渗碳体严重的钢，应在退火前用正火消除网状渗碳体。T10钢球化退火组织(化染)500（3）扩散退火①、工艺规范：加热温度：Ac3+150~200℃以上（1050~1150℃），长时间保温（10~15h）后随炉冷却。主要使用合金钢大型铸、锻件。目的是为了消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。缺点：扩散退火容易使钢的晶粒粗大，影响力学性能，因此，一般扩散退火后仍需进行完全退火或正火，以细化扩散退火中因高温和长时间的保温所产生的粗大组织。（3）、去应力退火①、工艺规范：加热温度：Ar1以下，通常为Ar1以下，一般为500℃～650℃，充分保温后缓慢冷却至200℃出炉空冷。去应力退火加热温度低，在退火过程中无组织变化。目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。②、保温时间：一般保温时间都较短③、冷却方式：随炉缓冷至200℃左右出炉。把零件加温到Ac3（亚共析钢）或Accm以上30～50℃,保温一段时间，然后在空气中冷却。目的：（1）对普通碳、低合金钢和力学性能要求不高的结构件，可作为最终热处理。（2）对低碳素钢用来调整硬度，避免切削加工中“粘刀”现象，改善切削性能（3）对共析钢、过共析钢用来消除网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备。正火比退火加热温度高，冷却速度快，冷却后组织中铁素体量少，珠光体弥散度大，得到的索氏体组织比退火的珠光体组织细，故正火比退火具有较高的力学性能。同样的钢件在正火后强度和硬度比退火后高二、正火另外，正火生产周期短，生产效率高，操作简便，经济性好。低碳钢含碳量少，经过正火处理后的强度和硬度与退火后的差不多，所以在条件允许的情况下，尽量采用正火。四)工艺参数:三、淬火把钢材加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢和过共析钢）以上30～50℃，经过保温后在冷却介质中水）迅速冷却，得到以马氏体和贝氏体为主的的热处理工艺。淬火的目的：提高钢的力学性能，强化材料。例如：过共析钢退火后硬度为25HRC，而淬火后为62HRC。淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大。淬火工艺的选择对淬火工件的质量影响较大，如果选择不当，容易使淬火件力学性能不足或产生过热，马氏体晶粒粗大和变形开裂等缺陷，严重的会造成零件报废。因此，对淬火工艺提出更为严格的要求一、淬火温度和加热时间•碳钢•⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30~50℃。淬火后的组织为均匀细小的马氏体。•加热温度小于Ac3。淬火组织为马氏体和铁素体，强度、硬度低。35钢(含0.35%C)亚温淬火组织•加热温度大于Ac3。将导致马氏体晶粒粗大并引起工件变形。•⑶过共析钢•淬火温度:Ac1+30~50℃.•淬火组织:M+Fe3C颗粒+A’。T12钢（含1.2%C）正常淬火组织温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。•2、合金钢•由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。•⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+50~100℃。•⑵共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50~100℃。钢坯加热五)淬火加热时间(τ)的选择:τ=αKD工件有效厚度(尺寸最小部位)装炉量有关系数一般K=1～1.5加热系数,与钢种及加热介质有关•冷却是决定钢的淬火质量的关键。根据VkCCT曲线可知，冷却速度必须大于临界冷却速度才能获得全部进行马氏体转变，但冷却速度过快又不可避免地造成很大内应力，使工件产生变形和开裂。Vk’Vk时间/s共析钢的CCT图共析温度连续冷却转变曲线完全退火正火等温转变曲线油淬水淬M+A’M+T+A’SP200100二、淬火介质•理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小理想淬火曲线示意图MsMf内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油.水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。•油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。•熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间,用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。•聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.2.常用的淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050三、淬火方法•采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。•1、单液淬火法•加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。•操作简单，易实现自动化。各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法•2、双液淬火法•工件先在一种冷却能力强的介质中冷，却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷.•优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。•3、分级淬火法•在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力，用于小尺寸工件。盐浴炉•4、等温淬火法•将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。•经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小.•适用于形状复杂及要求较高的小型件。1.碳钢的淬火工艺是将其工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（）。A．随炉冷却B．在风中冷却C．在空气中冷却D．在水中冷却2.正火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（）。A．随炉冷却B．在油中冷却C．在空气中冷却D．在水中冷却3.完全退火主要用于（）。A．亚共析钢B．共析钢C．过共析钢D．所有钢种4.退火是将工件加热到一定温度，保温一段时间，然后采用的冷却方式是（）。A．随炉冷却；B．在油中冷却；C．在空气中冷却D．在水中冷却5．亚共析钢加热到AC1～AC3之间某温度，水冷后组织为.A马氏体+珠光体；B马氏体+铁素体；C马氏体+残余奥氏体；D铁素体+渗碳体6．常用淬火冷却介质有、、、和。7．常用淬火方法有淬火、淬火、淬火和淬火。8.含碳量为0.4%的碳钢分别经过退火、正火和淬火后，那种工艺处理后钢材的硬度最高，那种工艺处理后硬度最低？7．确定碳钢淬火加热温度的基本依据是--AC曲线BFe－Fe3C相图C钢的Ms线DCCT曲线判断正误1.过共析钢完全退火后能消除网状渗碳体。2.完全退火主要应用于过共析钢。3.去应力退火的温度一般在500℃~650℃,因此退火过程是没有相变的。4．去应力退火可以细化钢的晶粒。5．钢的含碳量愈高，淬火加热温度愈高。简答题1．在C曲线上画出常用的几种淬火方法，并说明单液淬火方法的优缺点。四.钢的回火(Temperingofsteel)为什么钢要进行回火？钢在淬火后一般很少直接使用，因为淬火后的组织马氏体和残余奥氏体，马氏体虽然强度、硬度高，但塑性差，脆性大，在交变载荷和冲击载荷作用下极易断裂；此外，淬火后组织是不稳定的，在室温下就能缓慢分解，产生体积变化而导致工件变形。因此，淬火后的零件必须进行回火才能使用。回火的定义一)定义:把淬火后的零件重新加热到低于Ac1的某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温的热处理工艺。二)回火的目的:1.消除内应力钢在淬火后，存在较大的内应力，加上淬火马氏体性能较脆时，容易出现开裂，有的零件淬火当时未裂，在大的内应力作用下，放置或稍有受力就开裂。利用回火可以消除或减小内应力，达到防止以后变形开裂。2.稳定组织和尺寸淬火后的组织为马氏体加残余奥氏体，它们都是不稳定组织，使用过程中温度发生变化，它们都会发生转变，会带来零件的尺寸和性能的变化。利用回火让可能的变化的热处理时发生，得到的亚稳组织在使用过程中不再发生变化，达到稳定零件的组织性能和尺寸。3.调整性能淬火后得到的马氏体在含碳量较高时，材料的硬度高，脆性大，通过回火处理，控制回火的温度和时间，达到需要的强度、塑性和韧性。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火1.淬火钢回火过程中的组织变化淬火后的组织为马氏体+残余奥氏体，都是不稳定组织，本身有向稳定组织转变的趋势，回火过程加热和保温加速这一过程的发展。（1）马氏体的分解（200℃以下）•回火温度100℃时，钢的组织和体积无变化。100-200℃加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出-碳化物(-FeXC)，使马氏体过饱和度降低，正方度降低。析出的-碳化物具有密排六方晶格，它是以细片状分布在马氏体基体上，其数量随钢中含碳量增多而增多。这种弥散的-碳化物和与它保持共格联系的低碳马氏体称回火马氏体，用M回表示。二）回火组织变化及性能变化2．残余奥氏体的分解（200－300℃）残余奥氏体也是不稳定组织,由于温度升高,碳原子的扩散速度加快和马氏体不断分解,造成体积缩小,减少了对残余奥氏体的压力,促使残余奥氏体发生分解。残余奥氏体从200℃开始分解，到300