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《机械工程材料与热加工工艺》之钢的热处理.pdf

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机械工程 材料 热加工 工艺 热处理
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第四章 钢的热处理? 钢在加热时组织的转变 ? 钢在冷却时组织的转变 ? 钢的整体热处理工艺 ? 钢的表面热处理和化学热处理工艺 ? 热处理工艺的应用概 述 1、钢的热处理定义: 将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却,以获得 所需组织和性能的工艺过程。 时间 温 度 临界温度热 加 保温 冷却2.热处理的主要目的:改善材料的使用、工艺性能 。 3.热处理的特点:在固态下,只改变工件的组织,不改变形 状和尺寸 。 4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为 热处理 整 体 热处理 表 面 热处理 (表面淬火) 退火;正火; 淬火;回火;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; 第一节 钢在加热时的组织转变 ? 转变温度 ? 奥氏体的形成 ? 奥氏体晶粒的长大及其影响因素一、转变温度 图4-2加热和冷却时Fe-Fe 3 C相图上各相变点的位置 实际加热和冷却时的相 变点: 平衡时—— A 1A 3Acm 加热时—— A c1 A c3 Accm 冷却时—— A r1A r3Arcm? 加热工序的目的:得到奥氏体P ( F + Fe 3 C ) → A 结构 体心 复杂 面心 含碳量 0.77 0.0218 6.69 0.77 二、奥氏体的形成过程(以共析钢为例) ? 可见:珠光体向奥氏体转变,是由成分相差悬殊、晶格 截然不同的两相混合物转变成单相固溶体的过程。因 此在奥氏体的形成过程必定发生晶格重构和铁、碳原 子的扩散。 1. 奥氏体晶核的形成 奥氏体的晶核易于在F和Fe 3 C渗碳体相界面上形成。这是因为在两 相的相界上原子排列不规则,空位和位错密度高;为形核提供了 良好的条件。 F Fe3C A A形核 2. 奥氏体晶核的长大 奥氏体形核后逐渐长大,晶核的长大是依靠与其相邻的F向A的 转变和Fe 3 C的不断溶解来完成的。A向F和Fe 3 C两个方向长大。 未溶Fe3C A F向A转变和Fe 3 C溶解 3. 残余渗碳体溶解 在奥氏体形成过程中,铁素体比渗碳体先消失,因此奥氏体形成 之后,还残存未溶渗碳体。这部分未溶的残余渗碳体将随着时间 的延长,继续不断地溶入奥氏体,直至全部消失。 残余Fe3C A 残余Fe3C溶解 4. 奥氏体均匀化 渗碳体完全溶解后,开始时奥氏体中碳的浓度分布并不均匀 ,原 先是渗碳体的地方碳浓度高,原先是铁素体的地方碳浓度低。必 须继续保温,通过碳的扩散,使奥氏体成分均匀化。 A A 均匀化 亚共析钢和过共析钢的A形 成过程与共析钢基本相似, 不同之处在于亚共析钢和过 共析钢需加热到Ac 3 或Ac cm 以 上,才能获得单一的奥氏体 组织,这个过程称为完全奥 氏体化。三、奥氏体晶粒的长大及其影响因素 1.奥氏体晶粒的长大 由于奥氏体在铁素体与渗碳体相界面上形核,形成的晶核多,因 而刚完成珠光体向奥氏体的转变时奥氏体的晶粒是比较细小的。 但是如果在形成奥氏体后继续升高温度,或者是在高温长时间保 温,就会引起奥氏体晶粒长大。 由于晶粒粗大,往往使钢的强韧性恶化,特别是冲击韧性将明 显下降,韧脆转变温度相应升高,脆性倾向加大。 ?因此,钢在加热时应严格控制加热规范,以获得细小而均匀 的奥氏体晶粒。 2. 奥氏体晶粒度: ? 晶粒度——晶粒大小的量度。 ? 晶粒的大小通常用晶粒度级别指数来表示;奥氏体的晶粒度一 般分为8级,l-4级为粗晶粒,5-8级为细晶粒。 ?奥氏体实际晶粒度:是指钢在具体热处理或热加工条件下获 得的奥氏体晶粒度; 它的大小决定了钢件热处理或热加工后室温组织的晶粒大小, 直接影响到钢件的力学性能。因此,在钢材验收、零件技术要 求、热加工工艺评定、产品质量分析中所规定的“晶粒度检验 ”一般都是指依据 GB/T 63941986检验钢的奥氏体实际晶粒 度 1)合理选择并严格控制加热温度和保温时间随着温度升高晶粒度将随之长大。温度愈高,晶粒长大 愈明显。在一定温度下,保温时间愈长,奥氏体晶粒也越粗 大。 2)合理选择原始组织随着钢中奥氏体含碳量的增加,奥氏体晶粒长大的倾向 也增大。但当wc>1.2%时,奥氏体晶界上存在未溶的渗碳体 能阻碍晶粒的长大,故奥氏体实际晶粒度较小。 3)加入一定量的合金元素若碳以未溶的碳化物形式存在,则它有阻碍晶粒长大的 作用。锰和磷是促进奥氏体晶粒长大倾向的元素。 3. 奥氏体晶粒大小的控制 第二节 钢在冷却时的转变 ? 过冷奥氏体的等温冷却转变 ? 过冷奥氏体的连续冷却转变 热 加 保温 时间 温 度 临界温度A 1 连续冷却 等温冷却 在热处理生产中,常用的冷却方式:等温冷却和连续冷却。一、过冷奥氏体的等温冷却转变 (一) 过冷奥氏体等温转变图( C曲线)的建立 现以金相硬度法测定共析钢过冷奥氏体等温转变为例,来说明 等温转变图的建立过程。 过冷奥氏体:在相变温度A 1 以下,未发生转变而处于不稳定状态的 奥氏体。 过冷奥氏体的等温转变:指钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的 某温度区间内等温时。过冷奥氏体所发生的转变。 共析钢 C曲线建立过程示意图 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 (℃) 0 400 A1(二)共析碳钢 C曲线的分析 稳定的奥氏体区 过 冷 奥 氏 体 区 A向产 物转变开始线 A向产物 转变终止线A+ 产物区 产 物 区 A1~550℃;高温转变区; 扩散型转变; P 转变区。 550~230℃;中温转变 区; 半扩散型转变;贝氏体( B ) 转变区; 230~ - 50℃; 低温转 变区; 非扩散型转变; 马氏体 ( M ) 转变区。 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 (℃) 0 400 A1 M s M f (三)转变产物的组织和性能 A1 ~ 650 ℃ 层片状珠光体 Vk)冷却的热处理工艺。 回火:将淬火后钢件再加热到A 1 以下的某一温度, 保温一定时间后,然后冷却到室温的热处理工艺 。 淬火与回火是不可分割 的综合程序一、淬火 ? 目的:为了获得马氏体(或贝氏体)组织,提 高钢的硬度、强度和耐磨性 1、淬火加热工艺参数:淬火加热温度和淬火后组织M+Fe 3 C+A 残Ac 1 +30~50 过共析钢M + A残 Ac1+30~50共析钢M + A 残Ac 3 +30~50 亚共析钢 Wc>0.5%M Ac3+30~50 亚共析钢 Wc≤0.5%最终组织 淬火温(℃) 钢种2、淬火冷却工艺 (1)理想淬火冷却速度 时间(s) 300 10 2 10 3 10 4 10 1 0 800 -100 100 200 500 600 700 温度 (℃) 0 400 A1 M s M f 理想冷却速度: 慢—快—慢(2)常用的淬火冷却介质 l)水 ?水是目前应用最广泛的淬火冷却介质,水在300~ 200℃范围内的冷却速度也很大,常使淬火钢件变形开 裂。常用作碳钢的淬火。 ?含5%~10%的盐(NaCl)水溶液。在650~550℃时 的冷却能力比水提高近一倍。因此,用食盐水溶液淬 火的钢件,容易得到高而均匀的硬度和光洁的表面。 但是,食盐水溶液在300~200℃范围内的冷却能力仍 然很大,仍有可能使淬火钢件产生变形和开裂。常用 于形状简单的低、中碳钢工件的淬火。2)油 各种矿物油,也是一种应用很广泛的淬火介质,油在 300~200 0 C温度范围内,冷却速度远小于水,但油在 650~550℃温度范围内的冷却速度却比水小很多,因 此,生产上用油作淬火介质,只适用于过冷奥氏体稳 定性较大的合金钢淬火,不适用于碳钢的淬火。 3)盐浴 主要用于贝氏体等温淬火,马氏体分级淬火。其特点 是沸点高、冷却能力介于水与油之间,常用于处理形 状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。 (3) 常用的淬火方法:为了保证获得所需淬火组织,又要防止变形和 开裂,必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方 法才能解决。通常的淬火方法包括:单液淬火双液淬火马氏体分级淬火贝氏体等温淬火局部淬火1) 单液淬火将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。 优点:操作简单,容易实 现自动化 缺点:易产生淬火缺陷,水中淬火易产生变形和裂纹,油中淬火易产生硬 度不足或硬度不均匀等现 象。 应用:碳钢一般用水作冷 却介质,合金钢可用油作 冷却介质。2) 双液淬火 将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却,然 后在接近Ms点温度(钢的组织还未开始转变时迅速取 出),马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马 氏体转变的淬火,称为双介质淬火。 优点:内应力小,变形及开 裂小。 缺点:操作困难,不易掌握 应用: ?先水淬后油冷→适用于形状 复杂的高碳钢,如丝锥。 ?先油淬后空冷→适用于尺寸 较大的合金钢3)马氏体分级淬火: 定义:将加热的工件先放入温度为Ms点(150~260 0 C) 附近的盐或碱浴中,稍加停留,等工件整体温度趋于均 匀时,再取出空冷以获得马氏体。 优点:有效减小内应力 ,防止变形与开裂 缺点:对于碳钢零件, 淬火后会出现非马氏体 组织 应用: 尺寸小,形状 复杂工件4) 贝氏体等温淬火: 定义:将加热的工件先放入稍高于Ms点温度(260~400 0 C) 的盐或碱浴中,保温足够时间,使其发生下贝氏转变后出 炉空冷。 优点:内应力小,工件 不易变形与开裂,具有 良好的综合力学性能。 应用:用于形状复杂, 尺寸要求精确,并且硬 度和韧性都要求较高的 工件 如:各种模具,成型刃 具,弹簧等淬火工艺演示5)局部淬火 定义:仅对钢件需要硬化的局部进行加热淬火的工艺。 优点:既保证了钢件局部的高硬度,又避免其他部 分产生变形或开裂。 (4)冷处理 定义:钢件淬火冷却到室温后,继续在0℃以下的介 质中冷却的热处理工艺,称为冷处理,或深冷处理。 目的:是使残余奥氏体在继续冷却时转变为马氏体, 即尽量减少钢中残余奥氏体量而增多马氏体量,提高 钢的硬度和耐磨性,避免随后因奥氏体转变而引起钢 件尺寸形状的改变,从而提高钢件尺寸的稳定性。 应用:只用于如精密量具、模具、精密轴承等尺寸稳 定性要求很高的钢件。3.热处理工艺结构分析: 淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 (1)淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 (2)淬火件结构设计原则及改善结构工艺性的措施 (3)二、钢的回火 1、目的:消除淬火应力;稳定工件尺寸;获得需要的组织,调整力学性能。 2 、回火转变与组织 (1)回火第一阶段(低于200 ℃)——马氏体分解M → 过饱和α相+ε碳化物(回火马氏体)组织保持M特征,内应力降低,硬度变化不大。 (2)回火第二阶段(200~300℃)——残余奥氏体分解A → B 下( 同时马氏体继续分解 )内应力进一步降低,硬度变化不大(3)回火第三阶段(300~400℃)——碳化物转变 过饱和α相+ε碳化物 → 针状F+ 细Fe 3 C(回火托氏体) 内应力基本消除,钢的强度、硬度下降,而塑性、韧性 有所提高。 (4)回火第四阶段(>400℃)——渗碳体长大和α相再 结晶针状F+ 细Fe 3 C → 块状F+粒状Fe 3 C(回火索氏体)淬火应力全部消除,硬度明显降低。 组织转变:300℃ >400℃ M → 过饱和α相+ε碳化物 → 针状F+ 细Fe3C → 块状F+粒状Fe 3 C(回火M) (回火T) ( 回火S)3、回火过程中力学性能变化: ?随回火温度的升高,强度、硬度降低; ?随回火温度的升高,塑性提高;弹性极限在300~400 0 C达最大; ?在250~350 0 C出现回火脆性。(1)低温回火(150~ 250)oC 组织: M 回 =过饱和α相+ε碳化物;硬度为58~64HRC。 目的:保持淬火钢的高硬度和高耐磨性,降低淬火应力,减少钢 的脆性。 应用:刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火. 4、回火的种类与应用: 按回火温度的不同,回火可分以下三种: 回火马氏体组织金相图(2)中温回火(250~ 500)oC 组织:T 回 =F 针 +Fe 3 C 粒 , 硬度为35~50HRC. 目的:获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性. 又称弹性处理。 应用:弹性零件及热锻模具等。 (3)高温回火(500~ 650)oC 组织:S 回 =F 块 +Fe 3 C 球 , 硬度为25--35HRC 目的:获得良好的综合力学性能。 应用:广泛应用于承受疲劳载荷的中碳钢重要件,如连杆、主轴、齿轮、重力螺钉等。淬火后高温回 火也称为调质热处理。中碳钢(0.4 %~0.6%C)亦称为 调质钢。回火的种类及应用5、调质和时效 (1) 调质处理:淬火 + 高温回火 = 调质处理 如:45钢调质与正火性能比较: 正火 —— S —— Fe3C为片状 调质 —— 回火S —— Fe3C为粒状 ——综合机械性能好 ?同一钢种调质后的硬度与正火相当,但塑性、韧性更好 ?调质处理,一般作为最终热处理,但也可以作为表面淬 火和化学热处理的预备热处理。(2) 时效处理 ?某些精密零件(精密量具、精密轴承等),常采用 100~150℃加热、保温10~50h的时效处理。 ?钢件经过时效处理后,其组织和性能基本不变,只 是消除残余应力,使钢件组织和尺寸更加稳定,以保 证钢件在长期使用和保存过程中不失去工作精度。 弹簧的加工过程第五节 钢的淬透性与淬硬度 一、钢的淬透性:指在规定条件下,决定钢材淬硬深度和硬度 分布的特征.(用规定条件下淬硬层深度表示) 淬硬层深度:表面到半M组织的距离. 淬硬层深,淬透性好 1.影响淬透性的因素:钢的临界冷却速度Vc越低(即C曲线右移),钢的淬透性越好 (1)钢的化学成分 1)含碳量对淬透性的影响 ?在亚共析钢中,Wc↑→ C曲线右移,→淬透性↑ ?在过共析钢中,Wc↑→ C曲线左移→淬透性↓ 2)合金元素对淬透性的影响 一般说来,除钴(C O )和铝(w AI >25%)以外的合金元素,使 等温转变图右移,临界冷却速度减小,从而使钢的淬透性提高。 (2)奥氏体化的条件 提高奥氏体化温度,延长保温时间,都有助于增大过冷奥氏体的 稳定性,使等温转变图右移,临界冷却速度减小,从而提高钢的 淬透性。 2.淬透性的实际意义:是进行设计选材的重要依据 未淬透钢 淬透钢 ?淬透性好的钢,经淬火回火后,截面上组织均匀一 致,综合力学性能好。淬透性的应用 ?大截面、形状复杂、受动载荷的零件——应选淬透 性好的钢;如连杆、螺栓、锻模等 ?受弯曲、扭转应力及表面耐磨的零件,其表面受力 很大,心部受力较小,不要求全部淬透——应选淬 透性中等的钢;如轴二、钢的淬硬性 ?淬硬性:是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。 ? 影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量。 低碳钢淬火的最高硬度值低,淬硬性差 高碳钢淬火的最高硬度值高,淬硬性好? 淬透性取决于Vk或C曲线位置; ? 实际淬硬层深度与工件形状、大小、冷却介质有 关; ? 淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度,主要取 决于马氏体的含碳量; ? 淬透性好的钢其淬硬性不一定高。 5)淬硬性与淬透性之间的区别:如:淬硬性与淬透性之间的关系: 淬透性 淬硬性 钢 种 小 低 碳素结构钢 ( 20 ) 小 高 碳素工具钢( T10A ) 大 低 低碳合金结构钢 ( 18Cr2Ni4WA ) 大 高 高碳高合金工具钢 ( Cr12MoV ) 第六节 钢的表面热处理 ? 表面淬火 ? 化学热处理 工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。一、钢的表面淬火定义:通过快速加热,使工件表层进行淬火的工艺。 工艺特征:通过快速加热至淬火温度,使钢的表层 奥氏体化,然后急冷以大于Vc的速度冷却,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保持不变。 表面淬火加工的方法:感应加热( 高、中、工频 )、火焰加热、电接触加热法等。(一)感应加热表面淬火 1、感应加热的基本原理 感应圈通入交流电 → 形成 涡流(集肤效应) → 表层得A → 水冷得M 电流频率越高,集肤效应越 强烈,加热层越薄。2、感应加热表面淬火的分类 l)高频感应加热表面淬火: 常用频率为200~300kHz,淬硬层深度一般为0.5~2.5mm; 主要用于要求淬硬层较浅的中小型钢件(如小模数齿轮、中小 型轴等)的表面淬火。 2)中频感应加热表面淬火: 常用频率为2.5~8kHz,淬硬层深度一般为2~8mm; 它主要用于淬硬层要求较深的钢件(如直径较大的轴类和中等 模数的齿轮、大模数齿轮单齿等)的表面淬火。 3)工频感应加热表面淬火 常用频率为50Hz,淬硬层深度可达10~15mm; 它主要用于要求深淬硬层的大直径钢件(如轧辊、火车车轮等 )的表面淬火。3、感应加热表面淬火的特点 ?加热速度极快,温度高,时间短; ?表层得极细马氏体,硬度、耐磨性、韧性较好; ?表层存在残余压应力,疲劳强度较高; ?工件不易氧化脱碳,变形小; ?易实现机械化,自动化; ?设备价贵,维修调整困难。 4、感应加热表面淬火用钢 ?中碳钢、低合金中碳钢,40,45,40Cr 5 、感应淬火零件的一般工艺路线:锻造 → 正火 → 机加工 → 调质→ 半精加工→ 感应淬火 → 低温回火 → 磨削加工(二)火焰加热表面淬火 1、火焰加热表面淬火的基本方法2、火焰加热表面淬火的特点: ?操作简便,设备简单,成本低,灵活性大; ?加热温度不易控制,淬火质量不稳定; ?主要用于单件、小批量生产的大型零件。二、钢的化学热处理 1、定义: 将零件置于一定的化学介质中 , 通过加热、保温, 使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层,以改 变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。 2、 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗 硅; 渗铬等。3、 化学热处理的基本过程: 2)吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶解。 3)扩散: 活性原子由零件表面向内部扩散, 形成一定的扩散层。 1)分解: 化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2CO CO2 +〔C〕(一)钢的渗碳 1、定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。 2、目的: 使钢件表面具有高的硬度、耐磨性 及疲劳强度,而心部具有一定的强度和较高 的韧性的零件。 3、用钢:Wc=0.1~0.25%低碳钢和低碳合金钢。 常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、 18Cr2Ni4WA等。 4、方法: 固体、气体、液体渗碳。 气体渗碳法示意图 固体渗碳法示意图 零件 渗碳剂 试棒 盖 泥封 渗碳箱零件渗碳的操作过程5、工艺: ?加热温度:900~930℃; ?渗碳时间:气体渗碳按(0.20~0.25)mm/h的速度估 算;固体渗碳按(0.10~0.15)mm/h的速度估算; 6、渗碳后的组织:wc0.85-1.05 P+Fe3CⅡ wc0.1-0.25 F + P少 表面 中心 零 件 P P+F20钢渗碳缓冷组织 580 ? 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体渗碳零件工艺路线:锻造 → 正火 → 机加工 → 渗碳 → 淬火、 低温回火 → 精加工 生产中常用三种方法 1)直接淬火法 2)一次淬火法 3)二次淬火法 7、 渗碳后的热处理工艺表 面 热 处 理 方 法 用钢 组织 性能 表层 心 部 表 层 心 部 表 面 淬 火 中碳钢 M回 F + P 耐磨性 ↑ 塑性韧 性好 渗 碳 → 淬 火 、 低 温 回 火 低碳钢 高碳M回 +Fe 3 C( 粒状) +A 残 M板条 或( F+T) 耐磨性 ↑↑ 强而韧 8、表面淬火与渗碳组织、性能比较第六节 热处理工艺的应用 一、热处理的技术条件的标注 设计者根据零件的性能要求,在图纸上标明材料的牌 号,并相应的热处理条件,作为热处理操作及检验的 依据,一般来讲,在图纸上用硬度作为热处理条件。 如调质220HBS~250HBS,淬火、回火58HRC~62HRC。 ?渗碳零件还标注渗碳层深度,淬火、回火后的硬度 和渗碳部位等。 ?表面淬火应标注淬硬部位。毛坯生产 预备热处理 机械加 工 最终热处理 机械精加工 预备热处理 : 退火 ; 正火;调质 最终热处理 : 淬火 ; 回火;表面热处理 二、热处理工序位置的确定1、退火 、正火工序位置 ——在毛坯生产(铸造,锻造,焊接)之后,便于 毛坯切削加工。 其加工工艺路线如下: 毛坯生产(铸造,锻造,焊接)→退火(或正火) →切削加工 2、调质工序位置 主要提高综合力学性能;粗加工之后,半精加工或精 加工之前。 下料→锻造→正火(退火)→粗加工→调质→精加工。3、淬火工序位置 (1)整体淬火件加工工艺路线如下: 下料→锻造→正火(或退火) →粗加工(半精加工) →淬火+中温(或低温)回火→磨削加工。 (2)表面淬火件加工工艺路线如下: 下料→锻造→正火(或退火) →粗加工→调质→半 精加工→表面淬火+低温回火→磨削加工。
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