机械制造基础1.3钢的热处理.ppt

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1、机械制造基础,1.3 钢的热处理,热处理的概念,钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部 组织，从而获得所需要性能的一种工艺方法。,热处理的目的是： 显著提高钢的力学性能，发挥钢材的潜力 提高工件的使用性能和寿命 还可以消除毛坯（如铸件、锻件等）中缺陷，改善其工艺性能，为后续工序作组织准备。,热处理的分类 钢的热处理种类很多，根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：,热处理,普通热处理：退火、正火、淬火、回火,表面淬火：,化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗,感应加热表面淬火,火焰加热表面淬火,激光加热表面淬火,1.3.1钢在加热时的组织转变 在Fe-Fe3C相图中，共析钢加热超

2、过PSK线（A1）时，其组织完全转变为奥氏体。亚共析钢和过共析钢必须加热到GS线（A3）和ES线（Acm）以上才能全部转变为奥氏体。,相图中的平衡临界点A1、A3、Acm 是碳钢在极缓慢地加热或冷却情 况下测定的。如右图所示。,加热(冷却) 时Fe-Fe3C 相图中各临界点的位置,在实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的。因此，钢的相变过程不可能在平衡临界点进行。加热转变在平衡临界点以上进行，冷却转变在平衡临界点以下进行。加热和冷却速度越大，其偏离平衡临界点也越大。,为了区别于平衡临界点，通常将 实际加热时各临界点标为Ac1、 Ac3 、Accm；实际冷却时各临界 点标为Ar1、Ar3、Arc

3、m。如右图 所示。,加热(冷却) 时Fe-Fe3C 相图中各临界点的位置,1、奥氏体的形成 由Fe-Fe3C相图可知，任何成分的碳钢加热到相变点Ac1以上都会发生珠光体向奥氏体转变，热处理时进行Ac1 以上加热的目的，就是为了得到奥氏体，通常把这种转变过程称为奥氏体化。,共析钢加热到Ac1以上由珠光体全部转变为奥氏体，这一转变可表示为：,P （ F + Fe3C ） A 0.0218%c 6.69%c 0.77 %c 体心立方晶格 复杂晶格 面心立方晶格,由上式看出,珠光体向奥氏体转变是由碳质量分数、晶格均不同的两相混合物转变成为另一种晶格的单相固溶体过程，因此，转变过程中必须进行碳原子和铁原

4、子的扩散，才能进行碳的重新分布和铁的晶格改组，即发生相变。,奥氏体的形成是通过形核与长大过程来实现的，其转变过程分为三个阶段，如图所示。,第一阶段是奥氏体的形核与长大 第二阶段是剩余渗碳体的溶解 第三阶段是奥氏体成分均匀化。,亚共析钢和过共析钢的奥氏体形成过程与共析碳钢基本相同，不同处在于亚共析碳钢、过共析碳钢在Ac1稍上温度时，还分别有铁素体、二次渗碳体未变化。所以，它们的完全奥氏体化温度应分别为Ac3 、Accm以上。,2、奥氏体晶粒的长大及影响因素 钢在加热时，奥氏体的晶粒大小直接影响到热处理后钢的性能。加热时奥氏体晶粒细小，冷却后组织也细小；反之，组织则粗大。钢材晶粒细化，即能有效的提

5、高强度，又能明显提高塑性和韧性。因此，在选用材料和热处理工艺上，如何获得细的奥氏体晶粒，对工件使用性能和质量都具有重要意义。,（1）奥氏体晶粒度 晶粒度是表示晶粒大小的一种量度。有本质粗晶粒度和本质细晶粒度之分。,钢的晶粒度等级,58级的钢为本质细晶粒度的钢。,14级的钢为本质粗晶粒度钢。,（2）影响奥氏体晶粒度的因素 加热温度和保温时间,奥氏体起始晶粒是很细小的，随加热温度升高，奥氏体晶粒逐渐长大，晶界总面积减少而系统的能量降低。所以，在高温下保温时间越长，越有利于晶界总面积减少而导致晶粒粗大。,奥氏体晶粒长大倾向示意图,钢的成分 对于亚共析钢随奥氏体中碳的质量分数增加时，奥氏体晶粒的长大倾

6、向也增大。但对于过共析钢部分碳以渗碳体的形式存在，当奥氏体晶界上存在未溶的剩余渗碳体时，有阻碍晶粒长大的作用。 钢中加入能形成稳定碳化物元素，如钨、钛、钒、铌等时，钢中能形成高熔点化合物，并存在于奥氏体晶界上，有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。 锰和磷是促进奥氏体晶粒长大的元素。,1.3.2钢在冷却时的组织转变 加热时钢的奥氏体化，一般不是热处理的目的，它仅为随后的冷却转变作准备。冷却过程是热处理的关键工序，它决定着钢热处理后的组织与性能。在实际生产中，钢在热处理时采用的冷却方式通常是两种： 等温冷却，如a图所示 连续冷却，如b图所示,两种冷却方式示意图,1、过冷奥氏体的等温转变 奥氏体在临界温度以

7、上是一稳定相，能够长期存在而不转变。一旦冷却到临界温度以下，则处于热力学的不稳定状态，称为“过冷奥氏体”，它总是要转变为稳定的新相。过冷奥氏体等温转变反映了过冷奥氏体在等温冷却时组织转变的规律。,（1）过冷奥氏体的等温转变曲线,右图为过冷奥氏体的等温转变曲线： A1以下转变开始以左的区域是过冷奥氏体区； A1以下，转变终了线以右和Ms点以上的区域为转变产物区； 在转变开始线与转变终了线之间的区域为过冷奥氏体和转变产物共存区。 Ms线和Mf线是马氏体转变开始线和终了线。,（2）过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能,（3）亚共析碳钢与过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变,1）亚共析碳钢的过冷奥氏体的等温

8、转变,亚共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相铁素体，所以在C曲线上还有一条铁素体析出线，如右图所示,2）过共析碳钢的过冷奥氏体的等温转变,过共析碳钢在过冷奥氏体转变为珠光体之前，首先析出先共析相二次渗碳体，所以C曲线上还有一条二次渗碳体析出线，如右图所示。,2、过冷奥氏体的连续冷却转变,右图为共析碳钢连续冷却转变曲线：,实际冷却速度 Vc（炉冷、空冷） 珠光体转变 组织：珠光体和索氏体 实际冷却速度 Vc， （水冷） 马氏体转变 组织：马氏体 Vc Vs Vc： （油冷） 组织： Ms以上：P（屈氏体）+A Ms以下：P（屈氏体）+M,c是奥氏体全部过冷到Ms 点以下转变为马

9、氏体的最小冷却速度，通常叫作临界淬火冷却速度。,3、马氏体转变 当转变温度在Ms和Mf之间时，即有马氏体组织转变。马氏体是碳在-Fe中过饱和的固溶体，用符号“M”表示。 （1）马氏体的组织形态 马氏体组织形态分为板条状和针状两大类：,板条马氏体：显微组织如图所示。形态呈细长的扁棒状，显微组织为细条状。 针状马氏体：显微组织如图所示。形态呈双凸透镜的片状，显微组织为针状。,板条马氏体,针状马氏体,马氏体的形态取决于碳含量。当wC0.2%时，为板条M；当wC 1.0%时，为针状M；当wC 0.2 %.0%时，为板条和针状的混合组织。,（2）马氏体的性能 马氏体的强度与硬度主要取决于马氏体中碳的质量

10、分数，如图所示。,碳含量：如碳含量增加，其硬度就增加。所以马氏体是钢的主要强化手段之一。 塑性和韧性：马氏体的塑性与韧性随碳的质量分数增高而急剧降低。主要取决于亚结构形式和碳在马氏体中的过饱和度。,（3）马氏体转变的不完全性 一般钢中，马氏体转变是在不断降温中（Ms Mf）进行的，所以转变具有不完全性特点，转变后总有部分残余奥氏体存在。钢碳的质量分数越高，Ms 、 Mf温度越低，淬火后残余奥氏体（AR）越多。,随着碳的质量分数或合金元素（除Co外）增加，马氏体转变点 不断降低，碳的质量分数大于0.5%的碳钢和许多合金钢的Mf都 在室温以下。,由于残余奥氏体不稳定，可采用冷处理使之继续向马氏体转

11、变。冷处理可达到增加硬度、耐磨性与稳定工件尺寸的目的。,1.3.3钢的退火与正火 常用热处理工艺可分为两类： 预先热处理 预先热处理是消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续的冷加工和最终热处理作组织准备。 最终热处理 最终热处理是使工件获得所要求的性能。,退火与正火的目的 退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性能。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可以做为最终热处理。,调整硬度以便进行切削加工。 消除残余应力。 细化晶粒，改善组织。 为最终热处理做好组织上的准备。,其目的是:,1、钢的退火 是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，随炉缓慢冷却的一种热处

12、理工艺。根据钢的成分、退火工艺与目的不同，退火常分为完全退火、球化退火、等温退火、均匀化退火、去应力退火和再结晶退火等，如图所示。,退火的目的和应用,2、钢的正火 是将钢加热Ac3或Acm以上3050C，保温适当时间，在空气中冷却的一种热处理工艺。,正火与退火的主要区别是： 正火的冷却速度较快，过冷度较大，因此正火后所获得的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。,退火后组织,正火后组织,正火是成本较低和生产率较高的热处理工艺。在生产中应用如下： 对于要求不高的结构零件，可作最终热处理 改善低碳钢的切削加工性 作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理 消除过共析钢中二次渗碳体网，为球化退火作组织准备

13、,1.3.4钢的淬火 淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上（3050），保温一定时间，然后以大于淬火临界冷却速度冷却获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。,提高金属材料的强度和硬度，增加耐磨性。既要得到马氏体组织， 同时又要避免产生变形和开裂。,淬火的目的是：,1、钢的淬火工艺 （1）淬火加热温度的选择 选择淬火加热温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。一般淬火加热温度在临界点以上。,亚共析钢： Ac3+（3050C） 共析钢： 过共析钢：,Ac1+（3050C）,（2）淬火冷却介质 为了获得理论的淬火效果必须采用适宜的淬火介质和淬火方法。目前常用的淬火介质有水、油和盐浴。常用的淬火冷却介质的冷却能

14、力如下表所示：,理想冷却曲线： 为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲线如图所示。,（3）淬火方法 由于目前没有理想的淬火介质，因而淬火方法是根据工件特点（化学成分、形状与尺寸、技术要求等），结合各种淬火冷却介质特点而定。常用淬火方法有：,1）单液淬火法 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法，如水淬、油淬等。 优点是：单介质淬火操作简单，易实现机械化、自动化应用广泛。 缺点是：水淬容易变形或开裂；油淬大型零件容易产生硬度不足现象。,2）双液淬火法 将加热的工件放入一种冷却能力较强

15、的介质中冷却，然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。 这种工艺的缺点是不易掌握从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间，要求有熟练的操作技艺。 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件。,3）马氏体分级淬火 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。 这种工艺特点是在钢件内外温度基本一致时，使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而减少变形。 这种工艺的缺点是由于钢中在盐浴和碱浴中冷却能力不足，只适用尺寸较小的零件。,4）贝氏体等温淬火 将加热工件在稍高于Ms

16、点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。 其特点是工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。 多用于形状复杂和要求较高的小件。,5）局部淬火 对于有些工件，如果只是局部要求高硬度，可将工件整体加热后进行局部淬火。为了避免工件其它部分产生变形和开裂，也可局部进行加热淬火冷却。,1.3.5钢的回火 将淬火钢重新加热到Acl点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。一般淬火件必须经过回火才能使用。,1、回火的目的：,获得工件所要求的力学性能 稳定工件尺寸 降低脆性，消除或减少内应力,2、回火种类与应用 根据对工件力学性能要求不同，按其回火温度范围

17、，可将回火分为三种。 （1）低温回火 淬火钢件在250以下回火称低温回火。,低温回火后组织为回火马氏体，基本上保持淬火钢的高硬度 和高耐磨性，淬火内应力有所降低。回火后硬度为58HRC64HRC。,主要用于要求高硬度、高耐磨性的刃具、冷作模具、量具和滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火的零件。,（2）中温回火 淬火钢件在350500之间回火称为中温回火。,中文回火后组织为回火屈氏体。具有高的屈强比，高的弹性极限和一定 的韧性，淬火内应力基本消除。回火后硬度一般为35HRC50HRC。,中温回火常用于各种弹簧和模具热处理。,（3）高温回火 淬火钢件在500650回火称为高温回火。,高温回火后组织为

18、回火索氏体，具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的 综合力学性能。回火后硬度一般为200HBW330HBW。,高温回火广泛用于汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件的热处理，如连杆、齿轮、轴类、高强度螺栓等。,调质一般作为最终热处理，但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低得表面粗糙度值。,淬火+高温回火 调质处理,（4）时效处理 除了以上三种常用回火方法外，某些精密的工件，为了保持淬火后的硬度及尺寸的稳定性，常进行低温（100150）长时间（10h50h）保温的回火，称为时效处理。,1.3.6钢的表面淬火 钢的表面淬火仅对钢的表面加热、冷却，而不

19、改变其成分的热处理工艺。它能使钢表面具有较高的硬度和耐磨性，心部保持较高的塑性和韧性。,碳的质量分数在0.4%0.5%的优质碳素结构钢是最适宜于 表面淬火。这是由于中碳钢经过预先热处理（正火或调质） 以后再进行表面淬火处理，即可以保持心部原有良好的综合 力学性能，又可使表面具有高硬度和耐磨性。,表面淬火后，般需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。,1、感应加热表面淬火,表面淬火方法很多，目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火，其次是火焰加热表面淬火。,感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件表面所产生的热效应，使表面加热并进行快速冷却的淬火工艺。,电流频率愈高，电流透入深度 愈小，加热层也

20、愈薄，调节频 率，可得到不同的淬硬层深度。,根据电流频率不同，所用的加热装置主要有三种： 高频淬火（200300KHz）: 淬硬层0.52mm,适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸的轴类零件。 中频淬火（25003000Hz）： 淬硬层210mm,适用于较大尺寸的轴和大、中模数的齿轮等。 工频淬火（50Hz）: 硬化层深度可达1020mm,适用于大尺寸的零件；如轮辊，火车车轮等。,感应加热速度极快，时间很短仅为几秒钟，加热淬火有如下特点： 表面性能好，硬度比普通淬火高2HRC3HRC。疲劳强度较高，一般工件可提高2030%； 工件表面质量高，不易氧化脱碳，淬火变形小； 淬硬层深度易于控制，操作易于

21、实现机械化、自动化，生产率高。,2、火焰加热表面淬火 是用乙炔-氧(最高温度为3200)或煤气-氧(最高温度为2400)等火焰加热工件表面，进行淬火。,火焰加热表面淬火设备简单，操作灵活，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量不稳定。 主要适用于单件、小批量生产的特大或特小件、异型工件等，如大齿轮、轧辊、顶尖、凹槽、小孔等。,3、电接触加热表面淬火 电接触加热的原理如图所示，当工业电流经调压器降压后，电流通过压紧在工件表面的滚轮与工件形成回路，利用滚轮与工件之间的高接触电阻实现快速加热，滚轮移去后，由于基体金属吸热，表面自激冷淬火。,4、激光加热表面淬火 这种表面淬火方法是

22、用激光束扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，而当激光束离开工件表面时，由于基体金属的大量吸热，使表面获得急速冷却而自淬火，故无需冷却介质。 激光淬火硬化层深度与宽度一般为：深度0.75mm，宽度小于1.2mm。 激光淬火后表层可获得极细的马氏体组织，硬度高且耐磨性好。 激光淬火能对形状复杂，特别是某些部位用其它表面淬火方法极难处理的(如拐角、沟槽、盲孔底部或深孔)工件。,1.3.7钢的化学热处理 钢化学热处理，是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性能以及疲劳强度目的。化学热处理可分为渗碳

23、、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铬、渗铝等。,1、钢的渗碳 将钢件在渗碳介质中加热并保温使碳原于渗入表层的化学热处理工艺过程，渗碳后还应进行淬火和低温回火。常用渗碳温度为900950，渗碳层厚度一般为0.52.5mm。,渗碳的目的：是提高工件表面的硬度和 耐磨性，同时保持心部的良好韧性。,c0.10.25低碳钢和低碳合金钢，经过渗碳后，再进行淬火与低温回火，可在零件的表层和心部分别得到高碳和低碳的组织。用于一些重要零件如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等 。,2、钢的氮化 通过氨气的受热分解，分解出活性氮原子，使氮原子被钢吸收并渗入表面的化学热处理工艺过程。氮化温度一般为550570，因此氮

24、化件变形很小，比渗碳件变形小得多。,氮化的目的：提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性。,氮化广泛应用于耐磨性和精度均要求很高的零件，如镗床主轴、精密传动齿轮；在循环载荷下要求高疲劳强度的零件，如高速柴油机曲轴；以及要求变形很小和具有一定抗热、耐蚀能力的耐磨件，如阀门、发动机气缸以及热作模具等。,氮化工艺： 气体氮化 专门设备中通氮气并加热至560570。氮化时间约2050h，氮化层深度一般0.10.6mm。生产周期长，氮化层较脆，不能承受冲击。 离子氮化 在低真空度容器内，稀薄的氨气在高电压作用下，使电离后的氮离子高速冲击工件，使其渗入工件表面。氮化时间短，易于控制操作，氮化层质量好，

25、脆性低些。,3、钢的碳氮共渗与氮碳共渗 （1）气体碳氮共渗 在一定温度下同时将碳氮渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺称碳氮共渗。 它是以渗碳为主的碳氮共渗过程，处理后要进行淬火和低温回火处理。 共渗深度一般为 0.30.8mm，共渗层表面组织由细片状回火马氏体、适量的粒状碳氮化合物，以及少量的残余奥氏体组成。表面硬度可达58 HRC 64HRC。 气体碳氮共渗所用的钢，大多为低碳钢或中碳钢和合金钢如：20CrMnTi、40Cr等。 气体碳氮共渗主要用于汽车和机床齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类等零件的热处理。,（2）气体氮碳共渗(软氮化) 工件表面渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理，称

26、为氮碳共渗。 共渗层达0.010.02mm。与气体氮化相比，渗层硬度较低，脆性较低，故又称软氮化。 氮碳共渗具有处理温度低，时间短，工件变形小的特点，而且不受钢种限制；碳钢、合金钢及粉末冶金材料均可进行氮碳共渗处理，达到提高耐磨性、抗咬合、疲劳强度和耐蚀性的目的。 由于共渗层很薄、不宜在重载下工作，目前软氮化广泛应用于模具、量具、刃具以及耐磨、承受弯曲疲劳的结构件。,1.3.8热处理的技术条件和结构工艺性 1、热处理技术条件的标注 热处理零件在图纸上应注明热处理的技术条件，其内容包括最终热处理方法及热处理应达到的力学性能指标等。标定的硬度值允许有一个波动范围，一般布氏硬度波动范围在3040个单

27、位，洛氏硬度波动范围在5个单位左右。 例如，调质220HBW250HBW，淬火回火40HRC 45HRC。,热处理工艺分类代号,2、热处理零件的结构工艺性 热处理零件的结构工艺性，是指在设计热处理零件，特别是淬火件时，一方面要满足热处理零件的使用性能要求，另一方面应考虑热处理工艺对零件结构的要求，不然会使热处理操作困难、增加淬火变形、开裂，使零件报废。因此设计人员需考虑热处理零件的结构工艺性，尽量考虑以下原则。,（1）避免尖角 零件的尖角是淬火应力集中的地方，往往成为淬火开裂的起点。因此，一般应尽量将尖角设计成圆角、倒角，以避免淬火开裂，如图所示。,避免尖角、棱角的设计,（2）避免厚薄悬殊的截

28、面 厚薄悬殊的零件淬火冷却时，由于冷却不均匀造成的变形、开裂倾向较大。为了避免厚薄悬殊造成淬火变形或开裂，可在零件太薄处加厚，或采用开工艺孔、变不通孔为通孔等方法。,开工艺孔示意图,不通孔为通孔示意图,（3）采用封闭、对称结构 开口或不对称结构的零件在淬火时应力分布亦不均匀，容易引起变形，应改为封闭或对称结构。,右图1a所示的零件，中间单面有一槽，淬火将发生较大变形（如图中虚线所示）。改成图1b，对使用无影响，却减少了淬火变形。,右图2所示是槽形零件，淬火前留筋形成封闭，热处理后切开或去掉。,图1,图2,（4）采用组合结构 某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件，在可能条件下可采用组合结构或镶拼结构。,右图a所示是山字形硅钢片冲模，如果将其做成整体，热处理后要变形（如虚线所示）。若把整体改为四块组合件，如图b所示，热处理变形可不考虑，将单块磨削后钳工装配组合即可。,