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工程材料—CH4-钢的热处理工艺__第10-11讲.pdf

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工程 材料 CH4 热处理 工艺 __ 10 11
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第四章 钢的 热处 理 工 艺 供 应 窄 带 钢 行 业 热 处 理 设 备Therefore, 热处理是一 种非 常重要 的 加 工 方 法 ,极 大部 分机械零件都必须经过热处理 ! 预备热处理 : 退火; 正火 最终热处理 : 淬火; 回火 毛坯生产 预备热处理 机械加工 最终热处理 机械精加工 一般机械钢零件生产的工艺路线: 毛坯生产 机械加工 机械精加工 使用 × √ 教学内容 4.1 钢的退火与正火工艺 4.2 钢的淬火与回火 4.3 钢的表面热处理 4.4 钢的化学热处理 过冷奥氏体的连续冷却转变-CCT曲线 C --- continuous C --- cooling T --- transformation 知识回顾 Ps: A→P 开 始线 Pf: A→P 终 止线 K :珠光体型转变终止 线 Vk:上临界冷却速 度(马 氏体临界冷却速度) →M 最小冷速 Vk1 :下临界冷 速 →完全P 最大冷速 共析钢 TTT 曲线与CCT 曲 线的比较 1 CCT TTT t 2 CCT CCT TTT 4 .1 钢的退火与正火工艺 将钢件加热到适当温度,保温一定时间,然后 缓慢冷却 的热处理工艺。 退火工艺曲线 一、退火 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 。 1.完全退火 加热温度: Ac3 以上20-30 度 组 织: P+F 目 的: ①细化,均匀化粗大、 不均匀组织; ②接近平衡组织 —— 调整硬度 →切削性 ↑ ; ③消除内应力。 应用范围: 亚共折钢,共析钢 , 不适用于过共析钢。 2.球化退火(不完全退火) 加热温度: Ac1以上20-40 度 组 织: 球状P (F+ 球状Cem ) 目 的: ①使Cem球化 →HRC↓,韧性 ↑→ 切削性 ↑ ; ②为淬火作准备。 应用范围: 过共析钢,共析钢 加热温度: 1050-1150 ℃ ,10-20h, 组 织:P+F 或P+Fe 3 C II 目 的:消除偏析 后 果:粗大晶粒 (应用完全退火消除) 4.再结晶退火 加热温度:Ac1 以下50-150 ℃ , 或T 再 +30-50 ℃ 目 的:消除加工硬化 5.去应力退火 500-650 ℃ 3.扩散退火(均匀化退火) 把 钢 零 件 加 热 到 临 界 温 度 以 上30 ~50 ℃, 保 温 一 定 时 间, 然后在空气中冷却 的 热处理工艺 。 二 、 正火 ( 空冷) (1 ) 作最终热处理,普通结 构钢零 件 a. A b. (2 ) 预先热处理 a. b. Fe 3 C II (3 ) 改善切削加工性能 (低碳钢) 临界温度:Ac3 或Accm+30-50℃ 组织:S+ (F 或Fe 3 C ) 应用及目的: 例:45#钢正火工艺曲线 保温时间 的经验公式:τ=KD (单位为min,式中 ,K―加热 系 数, 一般K=1.5-2.0m/min, 若装炉量大 则可延长保温时间 ,D―工 件有 效 厚 度,单位为m) 操作步骤如下: 入炉 保温 出炉 空冷 三、退火、正火的选择 工具钢→正火+ 球化 退 火 结构钢 →正火 返修件 →退火 正火:冷速快,材料组织细化,机械性能好。 1.切削加工 低碳钢 →正火 中高碳钢 →完全退火 高碳钢、合金工具钢——正火+球化退火 2.作为最终热处理 → 正火 3.为最终热处理提供良好的组织状态 →正火 4. 正火可替代完全退火以提高效率 4.2 钢的淬火与回火 加热到A C 3 、A C 1相变温度以上,保温,快速冷却 →M+ A′ 一、淬火 1 亚共析钢 Ac3+30-50 度 共析钢 Ac1+30-50 度 过共析钢 Ac1+30-50 度 A 、 保留一定的Cem→HRC↑ ,耐磨 性↑ B 、 A 中C%↓→M 中C%↓→M 脆性↓ C 、 A 中C%↓→M 过饱和度↓→ 残余A↓ 淬火温度过高 →A粗大 →M粗大→力学性能 ↓, 淬火温度过高 →A粗大 →M粗大→淬火应力 ↑→变形,开裂 ↑ 650℃ 以上,慢,减小热应力 650-400 ℃ ,快,避免跨越C 曲线 400 ℃ 以下,慢,减轻相变应力 理想淬火冷却曲线示意图 不同淬火方法示意图 2 保证 快速冷却 以45#钢为例的淬火工艺曲线: 入炉 保温 出炉 油冷(或水冷) 二、钢的淬透性 1.淬透性:淬火条件下得到M组织的能力,取决于 V K (上临界冷却速度) 2.淬硬性: 钢在淬火后获得硬度的能力,取决于M 中C% , C% ↑→淬硬性 ↑ 3.影响淬透性的因素 ——V K ,C 曲线 C% 亚共析钢 C%↑→ 淬透性↑ , 过共析钢C%↑→ 淬透性↓ 奥氏体化温度 T↑t↑→ 淬透性↑ 合金元素 除Co%以外,C曲线右移,↑ 淬透性 未溶第二相 ↓ 淬透性 影响C曲线的因素 (1 )根据服役条件,确定对钢淬透性的要求; —— 选材的依据 (2 )热处理工艺制定的依据; (3 )尺寸效应。 4 .淬透性的应用 三、回火 a. 消除淬火应力,降低脆性; b. 稳定工件尺寸,由于M,残余A不稳定; c. 获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。 1.回火目的 ( 淬火组织的问题 ) 定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温 度,保温一段时间,然后冷却到窒温。 工艺参数及组织 淬火 + 高温回火 = 调质处理 2 . 钢在回火时的组织转变 a. 马氏体分解(200 ℃ 以下) :析出ε-Fe 2.4 C 碳 化物( 亚稳定 ) 回火组织:回火马氏体M’→ 过饱 和α 固 溶体十 亚稳定 ε 碳化 物(极 细的) 作用:晶格畸变降低,淬火应力有所下 降。 b. 残余A分解(200-300℃ ) :A→M’ (或A→B 下 ) 组织:回火马氏体M’ c. 回火屈氏体T’形成(250-400 ℃ ) :ε→Fe 3 C; α→F -维持 M’ 外形 组织:回火屈氏体T’(F+ Fe 3 C) d. 碳化物的聚集长大,铁素体的回复 与再结 晶(>400 ℃ ) 组织:回火索氏体S’—F(等轴晶)+ Fe 3 C (粒) e. 碳化物→Fe 3 C 片 →细粒状Fe 3 C 。 3.回火工艺-组织一性能关系(及应用) 1 150-250 ℃ ) M’ HRC58-64 2 350- T ’ HRC35-45 3 500-650 ℃ ) —— 综合机械性能好( 强 度 、韧 性 、 塑性 的 配合) , HRC25-35 —— —— 回火马氏体组织金相图 1、高碳回火马氏体: 强度、硬度高、塑性、韧性差 2、低碳回火马氏体: 高的强度与韧性,硬度、耐磨性也较好。 回火屈氏体组织金相图 屈服强度与弹性极限高 42CrMo ╳400 45 钢 ╳400 回火索氏体组织金相图 综合机械性能好( 见下页) 45 b(MN/m 2 k (kJ/m 2 ) HB 700-800 12-20 500-800 163-220 S+F 750-850 20-25 800-1200 210-250 S ’ 淬火+高温回火 →调质处理 200度以下,HRC不变。 200-300度,M 分解,残余A 转变为马氏体,硬度降低不大, 高碳钢硬度, 有一定的升高。 >300度,HRC降低。 1 、韧 性: 400度开始升高,600度最高。 2 、弹性极限: 在300-400度最高。 3 、塑 性: 在600-650度最高。 4 、高碳回火马氏体: 强度、硬度高、塑性、韧性差 6 、低碳回火马氏体: 高的强度与韧性,硬度、耐磨 性也较好。 7 、回火屈氏体: 屈服强度与弹性极限高 8 、回火索氏体: 综合机械性能。 4 4.合金元素对回火转变的影响 a. 提高回火稳定性 回火稳定性:指钢在回火时,抵抗回火造成软化的能力。 b. 增大回火脆性(见下页) 回火脆性:指随回火温度升高时,在250~400 ℃ 和450- 650 ℃ 两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。 c. 产生二次硬化(见下后页) 1 250-400 ℃ ) 碳化物片沿M晶界析出 避免在此温度回火 3 450-650 ℃ ) P 等元素在原A 晶界偏聚, 慢冷时 Cr 、Ni 等促进偏聚 Mo 等抑制偏聚 减少P等杂质元素, 添加Mo等合金元素 Mo W V 400℃ 550 ℃ 如图钼钢合金 回火类型 回火温度 组织 性能及应用 组织形态 低温回火 150~250 回火M (M ′) 保持高硬度,降低脆性 及残余应力,用于工模 具钢,表面淬火及渗碳 淬火件 过饱和 a-Fe+e 碳化物 中温回火 350-500 回火屈氏体 (T ′ ) 硬度下降,韧性、弹性 极限和屈服强度 ↑,用 于弹性元件 保留马氏体 针形F+ 细 粒Fe 3 C 高温回火 500-650 回火索氏体 (S ′ ) 强度、硬度、塑性、韧 性、良好综合机械性能, 优于正火得到的组织。 中碳钢、重要零件采用。 多边形F+ 粒状Fe 3 C 5.回火工艺及其应用 记注:淬火+高温回火 → 调 质处 理 应用很多 以45#钢为例的调质工艺曲线: 淬火+高温回火 →调质处理 4.3 钢的表面热处理 表面淬火: 不改变表面化学成分,只改变其 表面组 织的局部 热处理方法。 一、感应加热表面淬火 1.原理 交变磁场 → 感应电流→ 工件 电 阻 →加 热 ,集 肤 效 应 → 表面加热 2.分类 a. 高频 200-300KHz , 淬 硬深 度 0.5-2mm 小工件 b. 中频2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c. 低 频 50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件 d. 超音频 30-40KHz 3.钢种 中碳钢和中碳低合金钢 a. 加热速度快 几秒 ——几十秒 b. 加热时实际晶粒组小,淬火 得到极 细马氏体 ,硬度 ↑ , 脆性↓ c. 残余压应力 →提高寿命 d. 不易氧化、脱碳、变形小 e. 工艺易控制,设备成本高 4.特点 锻造→退火式正火 →粗加工 →调度 → 精 加工 →表面 淬火→低温回火→(粗磨 → 时效→ 精磨) 5.工艺路线 4.4 钢的化学热处理 一、渗碳 :A C3 以上;900~950 ℃ , 低碳钢 1.目的及应用 提高表面硬度,耐磨性,而使心部仍保持一定的强度 和良好的塑性和韧性 2.钢种 低碳钢,低碳合金钢 3.加工工艺路线 锻造→正火→切削加工 →渗碳 →淬火(直接淬火、一次淬火, 二次淬火) →低温回火 →喷丸 →磨削 (1)直接淬火 (如图a 、b曲线) 奥氏体晶粒大,马氏体粗,残 余A 多 , 耐 磨 性 低 , 变 形 大 。 只适用于本质细晶钢或耐磨性 要求 低和承 载低的 零件 。 (2)一次淬火 (如图c曲线) 心部要求高 A C3 以上 表面要求高,A C1 以上30-500 ℃ (3)二次淬火 (如图d曲线) 第一次,改变心部组织 A C3 以上30-500 ℃ 第二次,细化表面组织 A C1 以上30-500 ℃ 4.渗碳工艺-组织- 性 能 关系 加热温度,保温时间→ 渗碳层厚度 A3钢多元共渗渗层 X400 42rMo钢多元共渗组织 X400 二、氮化 (含Al, Cr, Mo ,V的钢) 它系指在一定温度(一般在A C1 )以下,使活性氮原子渗入工件表 面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的耐蚀 性能,且因氮化温度低、变形小,因此在工艺中的应用也非常广泛。 常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗(软氮化)等。 气体氮化是将工件放在密封的炉内加热,并通入氮气。渗碳的加 热温度低(小于Ac1 温 度 , 钢 的 组 织 处 于 铁 素 体 状 态 ) , 因 此 工 件 变 形小、氧化脱碳少。 气体氮化的原理: 氨气在300℃ 以上是便可以受热分解出活性氮原子, 即:2NH 3 →3 H 2 +2[N] 活性氮原子被钢的表面吸收,形成固溶体和化合物。 气体氮化的温度: 如果渗氮的目的是为了获得高的硬度、高耐磨性和高的疲 劳强度,则氮化温度为500 -570 ℃ , , 氮 化 时 间 为30-50h 。 如果渗氮的目的是单纯提高零件的抗腐蚀性能,则氮化温 度宜为590 -720 ℃ ,。 气体氮化的工艺路线: 锻造 →退火→机械粗加工 →调质 →半精加工 →去应 力退火 →粗磨→氮化 →精磨 说明: 为保证零件的心部具有良好的综合力学性能,氮化前要经过 调质处理; 为减少在氮化中的变形,在切削加工后要进行去应力退火。 氮化作为最后工序 钢的氮化层显微组织 400X 钢的氮化层显微组织 B-Al B-Al 共晶组织(菊花状) B-Al-W共晶组织(三角形) B-Al亚共晶组织 (树枝状) 作业 术语: 退火 正火 回火 淬火 淬透性 淬硬性 回火脆性 二次硬化 回火稳定性 调质 表面热处理 化学热处理 简答题: 1 、 退火有哪些种类 ? 并简述各自的工艺特点与应用范围 。 2 、 正火有哪些应用 。 3 、 对 不 同 的 钢 , 在 淬 火 温 度 确 定 与 冷 却 介 质 选 择 时 应 注 意 些 什么 ? 4 、 影响淬透性的因素有哪些 ? 5 、 钢回火的目的是什么 ? 钢在回火时会发生哪些组织转变 ? 6 、 不 同 的 回 火 工 艺 可 得 到 不 同 的 回 火 组 织 , 简述钢回火温度- 组织-性能的关系与应用 。 7 、 简述表面热处理和化学热处理的特点与应用 。 一般要求 1. 2. 3. . 1. 钢在加热时组织转变的过程 中及影 响因素 ; 2. 本质晶粒度与实际晶粒度的 含义, 控制晶 粒度大 小的因 素; 3. 共析钢奥氏体等温冷却曲线 中各条 线的含 义。C 曲线中 种温 度区域内奥氏体转变产物 的组织 形貌, 性能特 点。 4. 非共析钢C 曲线与共析钢C 典 线的差 别及影 响C 典 线的因 素; 5. 奥低体连续冷却转变曲线的 特点, 冷却速 度对钢 的组织 变化 和最终性能的影响; 6. 各种热处理的定义、目的、 组织转 变过程 ,性能 变化, 用途 和适用的钢种,零件的范 围。 重点掌握
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