79第七章 热处理工艺及化学热处理

第七章热处理及化学热处理内容提要金属的加热常见热处理工艺化学热处理7.1金属的加热一般加热炉加热激光加热感应加热工件在加热过程中，除了和周围介质发生热交换以外，还会发生其他的物理化学变化。热源：从邻近的发热体进行热交换而获得，如一般加热炉加热；从其他形式的能量转变为共建的热能，如直接通电加热、离子轰击加热或者感应加热等；7.1.1金属加热的物理过程一、加热介质与传热过程1、对流传热对流传热时单位时间内加热介质传输给工件的热量有以下关系：影响对流给热系数αc因素：（1）流体运动的情况：分为静止和强迫流动两种状态；（2）流体的物理性质：导热系数、比热及密度越大，给热系数越大；（3）工件表面形状及其在炉内放置的位置。2、对流传热物体在单位时间内表面积辐射的能量为：3、传导传热热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量，即热流量密度，q表示负号表示热流量方向和温度梯度方向相反4、综合传热实际工件加热过程中，上述三种传热方式一般同时存在。传热效果为三种效果之和。即二、工件内部的热传导过程传热强度用比热流量表示：热传导系数的数值，对钢来说和它的化学成分、组织状态和加热温度有关。热传导系数与温度关系近似呈线性关系：加热时间包括两个部分：¾工件达到热处理规范所要求的时间¾完成组织转变及其他热处理目的所要求的组织结构状态变化所需要的时间温度场表达式：热处理所需要的加热时间可采用计算方法或者是经验公式计算，而热处理时影响加热因素很多，所以通常用的是经验计算方法，可以通过实验来确定。三、热处理加热时间的确定一、金属在加热时的氧化反应工件在热处理加热时和氧化性气体发生作用，使表面氧化，并在表面形成氧化皮。以钢为例，Fe在加热温度低于570℃时：当加热温度高于570℃时：7.1.2加热时常见的物理化学现象二、钢在加热时的脱碳过程1、加热时的脱碳、增碳平衡常见的反应有：2、炉气碳势及其测定：在吸热式气氛中，影响碳势的主要成分有CO、H2、CO2、H2O、CH4等，它们之间的反应有：3、钢加热时的脱碳过程及脱碳曾的结构（1）脱碳过程分为两个阶段：¾钢件表面的碳与炉气发生化学反应，形成含碳的气体逸出。¾工件表面与内部发生碳浓度差，从而发生碳有内部向表面的扩散。（2）根据脱碳程度可将脱碳层分为全脱碳层和半脱碳层。¾全脱碳层：钢表面碳基本被烧毁，表层呈现全部铁素体晶粒。¾半脱碳层：钢件表面的碳被部分烧毁，但表层含碳量低于刚才平均含碳量。9锅炉输气管爆裂失效分析某企业使用的锅炉输气导管，材料为12Cr1MoV钢，输气管内所通气体规定控制在400℃以下，预期寿命为1年，实际在更换新管使用不到1周后爆裂。断口位于弯管内侧，呈轴向分布，断口附近产生明显塑性变形，管壁变薄，断口表面被一层氧化物覆盖。通过实验分析找出输气管爆裂的原因。7.2常见热处理工艺问题：‡钢硬度高，切削加工困难‡大变形后强度硬度增加，使继续变形困难‡成分不均匀，偏析‡形成网状渗碳体‡冷加工切削后存在较大应力如何解决？7.2.1钢的退火（Annealing）‡退火是钢的热处理工艺中应用最广，花样最多的一种工艺。‡目的：降低硬度、改善组织、提高加工性能。‡退火是将钢加热到适当的温度，经过保温后以适当的速度冷却的一种处理退火的分类‡完全退火‡等温退火‡球化退火‡扩散退火（均匀化退火）‡再结晶退火‡去应力退火完全退火和不完全退火‡完全退火：指加热使钢完全得到A后慢冷的工艺亚共析钢T＞Ac3，过共析钢T＞Acm－(不能采用?）目的：获得低硬度，改善组织和切削加工性，消除内应力‡冷却方式：随炉冷却，冷速＜30°C/h‡组织：接近平衡状态的组织‡应用：中、低碳钢的铸件、焊接件、热轧或热锻件‡不完全退火：将钢件加热到Ac1与Ac3或Acm之间的某一温度，经保温后缓冷下来的工艺。‡目的：减小组织的分散度，消除应力，降低硬度‡对于共析或过共析钢来说，不完全退火可以使片状珠光体变为粒状珠光体或球状珠光体，也称球化退火。完全退火的工艺参数选择：‡加热温度原则上碳钢选用Ac3以上30～50℃，合金钢选用Ac3以上50～90℃。‡加热速度碳钢的加热速度常用150～200℃/小时，合金钢加热速度常用50～100℃/小时。‡保温时间为了得到比较均匀的奥氏体。‡冷却速度等温退火‡温度与完全退火相同，冷却时则在Ar1以下的某一温度等温，使之发生P转变，然后出炉空冷到室温。‡特点：等温退火可缩短退火时间，所得组织更均匀‡应用：合金结构钢，碳钢一般不采用完全退火与等温退火工艺曲线比较球化退火‡目的：得到球化体组织－具有最佳塑性、最低硬度‡应用：塑性-有利于低碳钢和中碳钢的冷成形低硬度-有利于工具钢和轴承钢最终热处理前的切削加工。‡获得球化体的途径：P的球化由A转化为球化体M在高温下(低于A1)分解－调质处理（回火索氏体）扩散退火（均匀化退火）‡目的：消除钢锭钢铸件中不可避免的成分偏析‡温度：远高于Ac3，一般为1100－1200°C‡时间：1h/25mm截面厚‡为了节省能耗，一般在钢开坯后锻轧加热时，适当延长保温时间低温退火（消除应力退火）‡目的：消除因冷加工或切削工以及热加工后快冷而引起的残余应力，避免变形、开裂或随后处理的困难‡温度：碳钢、低合金钢550－650°C高合金钢600－750°C‡冷却：炉冷到500°C后再空冷再结晶退火‡目的：使冷变形钢通过再结晶完全转变为均匀的等轴晶粒，而恢复塑性、降低硬度，以利于随后的再变形或获得稳定的组织。‡温度：650°C，0.5－1h‡工业纯金属的再结晶温度经验公式T再＝（0.35～0.40）T熔7.2.2钢的正火（Normalizing）‡定义：将钢加热到Ac3或Accm以上30－50°C保温，然后空气中自然冷却。获得细珠光体组织‡目的：细化晶粒，使组织均匀化，改善铸件的组织和低碳钢的切削加工性‡可作为预备处理，为随后的热处理作准备‡可作为最终热处理，用以改善板、管、带材的力学性能正火与退火的性能比较炉冷稍高稍大稍低高空冷低小高低冷却方式F先与P形成温度F晶粒尺寸和P层片间距强度、硬度塑性退火正火项目正火工艺的选择（1）正火温度正火温度一般为Ac3（或Acm）＋30～50℃。如果正火作为预先热处理，应采用上限温度，这样有利于组织均匀化。如果正火作为最终热处理，则应采用下限温度，可以得到较细小的奥氏体晶粒。（2）正火的加热速度和保温时间与完全退火相似，碳钢的加热速度常用150～200℃/小时，合金钢加热速度常用50～100℃/小时。（3）正火的冷却方式应根据工件的成分和尺寸来确定。中碳钢、低合金结构钢以及尺寸较小的钢件采用较慢的冷却速度。低碳钢或是尺寸较大的钢件应增大冷却速度。7.2.3退火和正火的选用（1）低碳钢通过正火可以获得晶粒比较细小的铁素体和珠光体，使组织均匀，硬度适当，易于切削。（2）中碳钢含碳量不超过0.45％的钢选用正火，含碳量超过0.45％的钢和一些合金含量较高的中碳结构钢，采用退火比较合适。（3）高碳钢高碳钢采用退火最合适。高碳工具钢采用正火消除网状碳化物，一般还需进行球化退火处理。适合切削加工的硬度范围碳钢的硬度与热处理的关系7.2.4钢的淬火（Quenching)‡定义：将钢加热到临界温度以上，保温一定时间使之A化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却的一种工艺过程。‡组织：M，B或M＋B混合物；少量残余和未溶的第二相。目的（与回火配合）‡提高强韧性，如各种机器零件‡提高弹性，如弹簧‡提高耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。‡提高硬度和耐磨性，如刃具、量具、模具‡提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁----淬火是使钢强化和获得某些特殊使用性能的主要方法a.单液淬火b.双液淬火c.分级淬火d.B等温淬火e.M等温淬火f.预冷淬火法一、淬火方法和工艺确定1.各种淬火方法‡单液淬火加热后，置于某一种淬火介质中冷却，在整个冷却过程中，表面与中心的温差较大，会造成较大的热应力和组织应力，从而引起变形和开裂。但该方法简便、经济，故广泛用于形状简单的工件淬火。双液淬火法‡将加热好的工件，先于盐水中冷却至400°C左右，然后迅即转到油或其它介质中。‡先快冷可避免过冷A分解，后慢冷可有较地降低变形和开裂倾向分级淬火法‡将加热好的工件置于温度稍高于Ms点的热态淬火介质中（如融熔硝盐、熔碱或热油），保持一定时间，待工件各部分的温度基本一致时，取出空冷（或油冷）。‡可克服双液淬火难于操作的不足。等温淬火‡贝氏体等温淬火法:将加热好的工件置于温度高于Ms点的淬火介质中，保持一定时间，使其转变成下贝氏体，然后取出空冷。‡特点：在保证有较高强度的同时，还保持有较高的韧性；淬火变形较小。因为等温停留可显著减少热应力和组织应力。马氏体等温淬火‡将加热好的工件置于温度稍低于Ms点的淬火介质中保持一定时间，使钢发生部分马氏体转变，然后取出空冷。‡特点：由于形成的部分马氏体组织在随后的保温过程中转变为回火马氏体，使产生的组织应力减小，变形和开裂的倾向较小。‡生产中常用的等温介质为融熔硝盐或碱。预冷淬火‡工件自炉中取出后在空气（或水、油）中预冷一定时间，再置于淬火介质中进行冷却的方法。‡特点：可减小工件在随后快冷时各处之间的温度差，从而降低淬火变形和开裂的倾向。2．淬火工艺参数的确定‡一）淬火加热温度：‡1）亚共析钢：Ac3+30~50°C：可得到均匀细小的A晶粒，淬火后即可得细小的M组织。温度过低会使组织残留F，使淬火后强度、硬度都较低；温度过高，会引起A晶粒粗化，使机械性能变坏。－完全淬火。‡2）过共析钢：Ac1+30~50°C：淬火前需进行球化退火，故再加热时得到A和粒状渗碳体，淬火后则变为M和粒状渗碳体，使耐磨性提高；同时由于加热温度低，得到细小A，淬火后得到细小M（隐针）。－不完全淬火加热温度过高（＞Acm）的后果‡由于K全部溶入A中，使淬火后钢的耐磨性降低；‡A晶粒粗化，淬火后得到粗大M，使形成显微裂纹的倾向增大；‡使钢氧化、脱碳加剧，使淬火变形和开裂倾向增大。二、淬火介质‡要求：在中温（鼻子附近）时有较强的冷却能力，在低温时冷却慢，有降低淬火变形和开裂的倾向。第一类：‡淬火时发生物态变化：如水，油，水溶液。‡介质的沸点大都低于工件的淬火加热温度，所以工件淬入时，会汽化沸腾，使工件强烈散热。‡在工件与介质的界面上，还可以辐射、传导、对流等方式进行热交换。第二类：‡淬火时不发生物态变化：如熔盐、熔碱、融熔金属等。‡介质沸点高于工件的加热温度，不会汽化，而只在工件与介质的界面上，以辐射、传导和对流的方式进行热交换。常用淬火介质‡水：使用最早的淬火介质。价廉易得，有较强的冷却能力。‡盐水与碱水：在水中添加5~10%盐或碱，可大大提高冷却能力。‡油：一般用矿物油，低温区的冷速远小于水，将有利于防止工件的变形与开裂。‡熔盐、熔碱及金属：多用于分级淬火及等温淬火，当工件温度较高时，冷速很高；当工件接近于介质温度时，冷速迅速降低。三、钢的淬透性（可淬性）‡指钢在淬火时能够获得M组织的倾向（即钢被淬透的能力）。是钢固有的属性。‡淬硬层：工件上的M组织层。‡淬硬性（可硬性）：在正常淬火条件下，钢能达到的最高硬度。主要与C%有关，C%越高，淬火后M的硬度也愈高。‡淬透性的实用意义：是正确选用钢材和制订热处理工艺的重要依据之一。钢淬火时，表面的冷却速度最快，愈到中心冷却速度愈慢，在距表面某一深处的冷却速度小于该钢的马氏体临界冷却速度，则淬火后将有非马氏体组织出现。‡钢的淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，取决于过冷奥氏体的稳定性。钢的临界冷却速度越小，钢的淬透性愈好。过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性愈好。‡淬透性与淬硬性区别：影响钢淬透性的主要因素是钢中合金元素的多少，Me越多，淬透性越好。‡淬硬性：是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到最高硬度的能力，它取决于马氏体中碳的含量。淬透性的确定方法：‡断口检验法‡U曲线法‡临界直径法‡末端淬火法－是目前世界上最广泛的淬透性试验法。‡淬透性可用“末端淬火法”来测定（见GB225-63），‡将标准试样（φ25×100mm）加热奥氏体化后，迅速放入末端淬火试验机的冷