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八.热处理工艺.ppt

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热处理 工艺
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热 处 理 工 艺,一.退火二.正火(常化处理)三.淬火四.淬透性和淬硬性五.回火六.钢的化学热处理,组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却(一般为随炉冷却),以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火. 钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等.,一.退火,扩散退火,球化退火,去应力退火,完全退火,正火,,1. 完全退火(重结晶退火),完全退火是把亚共析钢(含铸钢)加热至Ac3+20 ℃~30 ℃, 保温后炉冷(或埋入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺. 目的:使热加工造成的粗大,不均匀的组织均匀化和细化,以提高性能;使中碳以上的碳钢(0.5 ~ 0.75%C)和中碳合金钢降低硬度,改善切削加工性能.消除内应力.,等温退火是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变,然后缓慢冷却的热处理工艺。 ??? 等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织。,2. 等温退火,球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺.目的:使Fe3CⅡ及P中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切削加工性能,为以后的淬火作组织准备. ??? 球化退火用于过共析钢(>0.75%C).球化退火后的显微组织为在F基体上分布着细小均匀的球状渗碳体. ??? 球化退火的加热温度为Ac1+ 20 ℃~30 ℃,保温2~4小时,保温后炉冷至600 ℃出炉.,3. 球化退火,为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性,将其加热到略低于固相线(固相线以下100 ℃~200 ℃)的温度,长时间保温(10 h~15 h),并进行缓慢冷却的热处理工艺,称为扩散退火或均匀化退火。 扩散退火后钢的晶粒很粗大,因此一般再进行完全退火或正火处理。,4. 扩散退火,为消除冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火,称为去应力退火。 ??? 去应力退火是将工件加热温度低于Ac1 (一般为500 ℃~650 ℃),保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%~80%的内应力, 不引起组织变化。 铸造过程中产生很大的内应力,降低铸造强度并产生变形,铸铁件须进行去应力退火(人工时效).即缓慢加热至500-560℃,每10mm截面保温2h后,炉冷至150-200℃出炉空冷,5. 去应力退火,二.正火(常化处理),将亚共析钢加热到Ac3(过共析钢Accm)以上 30 ℃~50 ℃(含V.Ti.Nb的合金钢100 ~150 ℃) 适当保温后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火. 正火后的组织:亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII。 正火目的: 1.正火使≤0.25%C低碳钢、低合金钢提高硬度,改善切削加工性能.(正火成本低,生产率高,用于≤0.5%C碳钢),2.消除热加工缺陷,魏氏组织(铸钢) 铸钢的浇注温度很高,而且冷却较慢,所以1.奥氏体晶粒粗大,2.在冷却过程中,铁素体首先沿着奥氏体晶界呈网状析出,然后沿一定方向以片状生长,并呈针状插入珠光体内,即形成“魏氏组织”. 另外3.偏析严重,4.内应力大,使钢的塑性和韧性下降,不能直接使用.必须进行完全退火或正火.带状组织(热轧钢) 夹杂物在热轧过程中被碾成流线,先共析F在富P区域形核长大,形成F带, F带两侧富碳形成P带.形成“带状组织”,使横向韧性 塑性明显下降.,3.截面较大的合金结构钢件,在淬火或调质处理前常进行正火,以消除魏氏组织和带状组织,并获得细小而均匀的组织.对于过共析钢可减少二次渗碳体量,并使其不形成连续网状,为球化退火作组织准备.4.提高普通结构零件的机械性能作为零件的最终热处理 正火可以细化晶粒,使组织均匀化,减少亚共析钢中铁素体含量,并使珠光体含量增多、细化,以提高钢的强度硬度和韧性.,三.淬火,1.?亚共析钢加热到Ac3+30 ℃~50 ℃,共析钢和过共析钢加热到Ac1+30 ℃~50 ℃,保温一定时间后快速冷却以获得马氏体的热处理工艺称为淬火.2.目的:获得马氏体 (或下贝氏体)3.淬火分为: 淬火 表面淬火 等温淬火,钢的淬火温度范围,4.淬火冷却介质 常用的冷却介质是水(<30℃)和矿物油(60-80℃).水冷却能力大,容易造成淬火工件变形或开裂,用于大截面的碳钢.油在300-200℃范围冷却能力小,有利于减小淬火件变形.在650-550℃范围冷却能力也小,不利于钢的淬硬,用于合金钢和球铁.为了减少零件淬火时的变形,可用盐浴作介质.5.常用的淬火方法有单介质淬火1,双介质淬火2,分级淬火3和等温淬火4等。,1,2,3,4,钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性.淬硬性主要决定于M的碳含量.,四.淬透性和淬硬性(一).淬硬性,1.?钢接受淬火时形成马氏体的能力为钢的淬透性. 淬透性用“末端淬火法”测定(GB225-63) 淬透性表示方法: HRC d 淬透性曲线 生产中测定淬透层深度(试样表面到半M区的距离),(二).淬透性,J,(1) 碳含量? ? ??? 在碳钢中,共析钢的临界冷速最小,淬透性最好 (亚共析钢随碳含量减少,临界冷速增加,淬透性降低, 过共析钢随碳含量增加,临界冷速增加,淬透性降低).(2) 合金元素?? ??? 除钴以外,其余合金元素溶于奥氏体后,降低临界冷却速度,使C曲线右移,提高钢的淬透性,因此合金钢比碳钢的淬透性要好.常用提高淬透性的元素:Mn、Cr、Ni、Si、B,,2.影响淬透性的因素,注意: 加入的合金元素,只有完全溶于A时,才能提高淬透性.若未完全溶解,碳化物会成为P的核心,则降低钢的淬透性.)???两种或多种合金元素同时加入比单个元素对淬透性的影响要强得多. (除Co Al外,多数合金元素都使Ms和Mf点下降. 作用大小的次序是:Mn、Cr、Ni、Mo、WSi. ??Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏体量增多),(3) 奥氏体化温度? ??? 提高奥氏体化温度,将使奥氏体晶粒长大、成分均匀,可减少珠光体的生核率,降低钢的临界冷却速度,增加其淬透性。(4) 钢中未溶第二相?? ??? 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物,可成为奥氏体分解的非自发核心,使临界冷却速度增大,降低淬透性。,3.淬透性不同的钢调质后的力学性能,钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好,而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体,心部强韧性差.?淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大.,利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线,找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离.该距离越大,则淬透性越好.???截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件,要求截面机械性能均匀,应选用淬透性好的钢.而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大,心部受力较小,可选用淬透性较低的钢种.,4.淬透性是钢材选用的重要依据之一,五.回火 钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 淬火钢不直接使用,必须进行回火.原因: M组织硬脆,并存在内应力,容易变形和开裂. M和残余A是不稳定组织,在工作中会发生分 解,导致零件尺寸变化. 回火能得到所要求的强度、硬度、塑性和韧性,以满足零件的使用性能要求。,在低温回火时,从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片(Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小.部分残余奥氏体转变为下贝氏体. ??? 亚共析钢低温回火后组织为回火M. ??? 过共析钢低温回火后组织为回火M+Fe3C?+残余A.??? 低温回火的目的: 1.降低淬火应力 2.提高工件韧性 3. 回火后保持高硬度(58 ~64 HRC)和高耐磨性. 碳素工具钢最终热处理为淬火+低温回火.,1.淬火+低温回火低温回火 温度:150 ~250 ℃,表面淬火+低温回火,表面淬火是将工件快速加热到淬火温度,然后迅速冷却,仅使表面获得淬火组织的热处理方法. 火焰加热、高 工频感应加热、激光加热等都可用于表面淬火。加热后,采用水、乳化液等喷射淬火。,得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织,叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态,渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 ??? 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度,同时也具有一定的韧性,硬度一般为35 HRC~45 HRC。 弹簧钢最终热处理为淬火+中温回火,2.淬火+中温回火中温回火温度:350 ℃~500 ℃,通常把淬火加高温回火称为调质处理。 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S).   回火索氏体综合力学性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好,硬度一般为25 HRC~35 HRC.,,,3.调质处理高温回火温度: 500 ℃~650 ℃,六.钢的化学热处理(一). 渗碳,1. 工艺?? ??? 为了增加表层的碳含量 和获得一定碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温,使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳. ??? 将工件装在密封的渗碳炉中,加热到900 ℃~950 ℃,向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体,或直接通入煤气、石油液化气等气体,通过化学反应产生活性碳原子,使钢件表面渗碳.,,渗碳使低碳(碳质量分数为0.15~0.30%)钢件表面获得高浓度碳(碳质量分数约1.0%)。,2. 渗碳后的热处理 淬火+低温回火(150-200 ℃)(1) 直接淬火? ? 渗碳后直接淬火,由于渗碳温度高, 奥氏体晶粒长大, 淬火后马氏体较粗, 残余奥氏体也较多, 所以耐磨性较低, 变形较大。 ??? 为了减少淬火时的变形, 渗碳后常将工件预冷到830 ℃~850 ℃后淬火。,(2) 一次淬火?? ??? 一次淬火是在渗碳缓慢冷却之后, 重新加热到临界温度以上保温后淬火. ??? ???对于受载不大但表面性能要求较高的零件, 淬火温度应选用Ac1以上30 ℃~50 ℃, 使表层晶粒细化, 而心部组织无大的改善, 性能略差一些. 心部组织要求高时,淬火温度为略高于Ac3.(3) 二次淬火? ??? 对于机械性能要求很高或本质粗晶钢, 应采用二次淬火. ??? 第一次淬火是为了改善心部组织, 加热温度为Ac3+30~50℃。 ??? 第二次淬火是为细化表层组织, 获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体, 加热温度为Ac1+30 ~50 ℃.,3. 钢渗碳、淬火、回火后的性能  (1) 表面硬度高?? ??? 达58 HRC~64 HRC以上, 耐磨性较好;心部韧性较好, 硬度较低,可达30 HRC~45 HRC。  (2) 疲劳强度高?? ??? 表层体积膨胀大,心部体积膨胀小,结果在表层中造成压应力,使零件的疲劳强度提高。,氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。 ?? 氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性,提高疲劳强度和抗蚀性。 ? 常用的氮化钢有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA等。 球墨铸铁制曲轴的轴颈、齿轮可采用氮化强化表面。??? 1. 工艺??? 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子(2NH3→3H2+2[N]), 氮原子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层。,(二).氮化,(1)氮化温度? 一般为500 ℃~600 ℃,氮化时间长,一般为20 h~50 h.(2)氮化前零件须经调质处理?? ? 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织, 保证较高的强度和韧性.对于形状复杂或精度要求高的零件,在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火,以减少氮化时的变形.,2. 组织: ??? 氮化后,工件的最外层为一白色ε或γ’相的氮化物薄层,很脆,常用精磨磨去.中间是暗黑色含氮共析体(α+γ′)层.心部为原始回火索氏体组织.,38CrMoAl钢氮化层的显微组织 400倍,γ’:Fe4Nε:Fe2N,Fe-N相图,Fe,(1)钢件氮化后具有很高的硬度(1000 HV~1100 HV), 且在600 ℃~650 ℃下保持不下降, 所以具有很高的耐磨性和热硬性. (2)钢氮化后, 渗层体积增大, 造成表面压应力, 使疲劳强度大大提高.(3)氮化温度低, 零件变形小.(4)氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层, 所以耐蚀性好, 在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定.,,,,,3.性能,(三).碳氮共渗,碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺,也称氰(音晴)化. 1. 碳氮共渗工艺 将工件放入密封炉内,加热到共渗温度830℃ ~850 ℃,向炉内滴入煤油,同时通以氨气,经保温1 ~2 h后.共渗层可达0.2 mm~0.5 mm. ??? 高温碳氮共渗主要是渗碳,但氮的渗入使碳浓度很快提高,从而使共渗温度降低和时间缩短.2.碳氮共渗后淬火+低温回火.   3.碳氮共渗后的机械性能共渗及淬火后, 得到的是含氮马氏体, 耐磨性优于渗碳.共渗层具有比渗碳层更高的压应力, 因而疲劳强度更高, 耐蚀性也较好。,作业一.术语解释15:完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火、常化(正火)、淬火、等温淬火、调质、 回火、淬硬性、渗碳、氮化、氰化、 淬透性二.填空 是非判断 选择题: P9-2(21) ~(24)(27)(28).P11-3(24)(25)(26)(28)(30).P12-4(15)~(26).P22-3(2)三.综合分析题8:47.P15-5(28)48.P15-5(29)49.P15-5(30)50.P15-5(31)51.P15-5(32)52.P15-5(33)53.P15-5(34)54.P15-5(42),
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