课题三钢的热处理PPT课件.ppt

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1、1,钢的热处理,1、热处理的重要性,第一节 概述,机床零件中7080 %的零件要经过热处理； 汽车制造业中需要热处理的零件达到8090 % ； 模具、刀具、量具等100 %需要经过热处理。,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业中被广泛应用。,总之，重要零件都要经过适当热处理后才能使用。,2,热处理：通过对固态下的材料进行加热、保温和冷却 ，来改善其内部组织结构，以获得所需要性能的一种加工工艺方法。,T,t,冷却,加热,保温,2、热处理的概念,热处理工艺曲线,淬火,正火,退火,回火,3,热处理区别于其他加工工艺，只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,只适用于固态下发生相变的材料，不发

2、生相变的材料不能用热处理强化。,特点：,适用范围：,4,根据在零件生产工艺流程中的位置和作用,最终热处理,3、热处理的分类,热处理,（又称中间热处理，是零件加工过程中的一道工序，目的为后续的机械加工或进一步的热处理做准备。）,预备热处理,工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。,5,一般机械加工过程的工艺路线如下：,毛坯,粗加工,半精加工,精加工,退火或正火,调质,淬火,6,热处理,普通热处理,表面热处理,退火 正火 淬火 回火,表面淬火,化学热处理,感应淬火,火焰淬火,渗碳 渗氮 碳氮共渗,根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同,3、

3、热处理的分类,（整体热处理）,7,知识回顾,第二节 钢在加热时的组织转变,8,一、钢的加热和冷却时各临界点的实际位置,第二节 钢在加热时的组织转变,9,是使钢部分或完全处于奥氏体状态。,二、钢在加热时的组织转变,加热前其内部组织是珠光体，其中的铁素体和渗碳体间隔排列成片层状,各种热处理必不可少的第一道工序。,1、加热的目的：,2、加热时的组织转变,（以共析钢为例）,10,温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒长大越明显 晶界上存在未溶的碳化物时，会对晶粒长大起阻碍作用，使奥氏体晶粒长大倾向减小 合金元素，也影响奥氏体晶粒长大，除锰、磷外几乎所有合金元素都阻碍奥氏体晶粒长大,返回,三、奥氏体晶粒的长

4、大,1、影响奥氏体晶粒长大的因素,2、奥氏体晶粒长大的控制,钢在加热和保温时，必须严格控制加热温度和保温时间。,保温不仅是为了把工件热透，使其心部达到与表面温度同样的温度， 还为了获得均匀一致的奥氏体组织，以便冷却时获得良好的组织和性能。,一般钢材的加热温度不得超过930 .保温时间可通过经验公式计算,11,5.1 钢的相变和临界点,Ac1 加热时由PA的开始温度线。 Ac3 加热时由FA的终了温度线。 Accm-加热时Fe3C溶入A的终了温度线。 Ar1 冷却时由AP的开始温度线。 Ar3 冷却时由AF的开始温度线。 Arcm-冷却时由AFe3C的开始温度线。,加热和冷却对钢临界点的影响,1

5、2,5.2 钢在加热时的转变,5.2.1 PA转变的过程 1、形核和长大：A易于在F和Fe3C相界处形核。 2、晶核长大： 晶核通过碳原子的扩散向 和Fe3C方向长大。 3、残余Fe3C 溶解：一份Fe3C溶解可提供多份F A转变，故F为先消失相， Fe3C为残余相。 4、成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使其成分趋于均匀。,13,14,5.2.2 A晶粒的长大及其影响,1、A晶粒的长大 P向A转变完成后获得的是细小的晶粒，随温度升高和保温时间的延长会出现晶粒长大的现象。 2、A晶粒度 （1） 起始晶粒度 是指珠光体刚刚转变为奥氏体时的晶粒度。 （2） 实际晶粒

6、度：指在实际热处理条件下得到的实际A晶粒大小。 （3）本质晶粒度：标志晶粒长大的倾向大小。,15,16,1. 奥氏体是不是降温到临界温度以下就立即 发生转变呢？,2. 不同的冷却速度是否也得到同一种的组织 呢？,第三节 钢在冷却时组织转变,17,等温冷却是将加热到奥氏体状态的钢快速冷却到A1以下某温度并保温停留一段时间，使其在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温。,等温冷却,连续冷却,连续冷却则是指将加热到奥氏化状态的钢，以不同的冷却速度 连续冷却至室温，并在连续冷却过程中发生组织转变。,过冷奥氏体：在临界点以下存在的不稳定的且将要发生转变的奥氏体，称为过冷奥氏体。,18,高温转变： A1

7、550 过冷A 珠光体 ( M ) 中温转变： 550 MS 过冷A 贝氏体 ( M ) 低温转变： MS Mf 过冷A 马氏体 ( M ),一、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线,A1,T,t,转变开始线,转变终了线,C曲线：形状似C,TTT曲线： Time，Temperature、Transformation,19,孕育期：过冷奥氏体等温转变开始所经历的时间，反映了 过冷奥氏体的稳定性,5.2 钢在冷却时的转变,珠光体,贝氏体,马氏体,20,第四节 钢的普通热处理,钢的退火,钢的正火,退火是把钢加热到适当的温度，经过一定时间的保温，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。

8、其主要目的是减少钢锭、铸件、锻肧等的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。,钢材或钢件加热 Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上3050，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在空气中均匀冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以索氏体为主。,21,钢的退火与正火的选用,改善切削加工性 在一般生产中，低碳钢通过正火可提高硬度，改善切削性能；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%0.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。 使用性能方面 对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为

9、最终热处理。如果零件尺寸较大或形状较复杂，应选择退火。 经济性方面 正火比退火生产周期短，操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。,退火与正火属于同一类型热处理方式，在选择时从以下几方面考虑：,22,钢的淬火,是指将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上的某一温度，保温后以大于临界冷却速度Vc进行快速冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的目的就是获得马氏体，以提高钢的力学性能，其实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。,理想淬火冷却曲线示意图,23,钢的回火,减少或消除内应力 淬火钢内往往存在很大的内应力，并导

10、致韧性下降、零件变形和开裂，回火可消除内应力，防止工件变形或开裂。 获得工件所要求的力学性能 淬火钢件硬度高，脆性大，为满足各种工件不同的性能要求。可以通过适当回火来调整硬度，获得所需的塑性和韧性。 稳定工件尺寸 通过回火可以使组织趋于稳定，以保证工件在使用过程中不再发生变形。 改善某些合金钢的切削性能 常采用高温回火，使碳化物适当聚集，降低硬度，以利于切削加工。,回火是把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。,淬火钢回火的目的,24,回火的种类及应用,根据一般钢件的不同性能要求，按其回火温度范围，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种形式。,一,25,淬火钢回火时

11、的力学性能变化,1）硬度变化 各种钢在200以下回火时，硬度变化不大，保持淬火马氏体的高硬度。200300回火后，由于马氏体分解造成的硬度降低已由残余奥氏体转变为下贝氏体带来的硬度升高所补偿，所以硬度的降低不大。 对于高碳钢，因为淬火后残余奥氏体量较多，回火后有时还可使硬度略有提高。回火温度继续升高，钢的硬度很快下降。对于碳钢，回火温度每升高100，硬度约下降10HRC。 2）强度与塑性的变化 40钢的强度随回火温度升高而降低，塑性随回火温度升高而升高，但超过650时反而降低。这是由于回火温度增高，马氏体中的碳不断析出，位错密度下降，内应力减小以及粒状渗碳体粗化等原因。回火温度大于650时，由

12、于组织过分粗化而使塑性下降。,26,第五节 钢的表面热处理,感应加热表面淬火,当感应器中通入高频交变电流时，所产生的交变磁场使放入感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流在工件表层密度最大，而心部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至8001000,而心部的几乎未被加热，在随后的喷水冷却时工件表层即被淬硬。,感应加热表面淬火是用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。,感应加热的基本原理,27,感应加热表面淬火的特点,与普通加热淬火相比，感应加热表面淬

13、火在工业上的应用更广泛。原因是由于感应加热表面淬火有以下优点： 感应加热速度极快 一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点（Ac1、Ac3）升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。 工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织 使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度且脆性较低，具有较高的疲劳强度。 工件表面质量好 由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。 生产效率高 便便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。,28,化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变工件表面层的化学成分和组织，从而

14、使其表面与心部具有不同的特殊性能的一种热处理工艺。 可根据工件的工作条件和对性能的要求，选用不同的方法。例如渗碳、碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度。氮化、渗硼、渗铬使工件表面硬度增加，耐磨性和耐蚀性显著提高。渗铝可提高耐热抗氧化性，渗硫可提高减摩性，渗硅可提高耐酸性等。 1）化学热处理的基本过程 常用的化学处理方法包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等几种形式。无论哪种形式的化学热处理，元素渗入零件表面层均由介质分解、工件表面吸收和原子扩散三个基本过程所组成。在化学热处理过程中，只有活性原子才能为工件表面所吸收。化学介质在一定温度下，分解生成活性原子。 2）钢的渗碳 钢的渗碳是向低碳钢或低碳合金钢

15、表层渗入碳原子，以提高钢件碳层含碳量，使之具有高硬度和高耐磨性，中心部仍保持良好韧性的热处理过程。 渗碳广泛用于在磨损情况下工作并承受冲击载荷、交变载荷的工件，如汽车、拖拉机的传动齿轮，内燃机的活塞销等。,化学热处理,29,第六节 热处理新工艺,真空热处理,1）加热速度缓慢，工件变形小 工件在真空中加热，热量传递主要靠辐射，加热速度缓慢，工件变形较小。 2）氧化作用被抑制 在真空中加热，随着真空度的提高，由于氧气分子稀薄，氧化作用被抑制，可以实现无氧化加热的光亮热处理。 3）表面净化 在高真空状态下，由于氧分解压极低，形成的氧气由真空泵排出。 4）脱气作用 在真空加热升高到800以上时，溶于钢

16、中的氢、氮以及氧化物分解的气体逸出，发生脱气作用。 5）蒸发现象 合金钢在真空中加热时，某些蒸气压高的合金元素，将发生挥发现象。,所谓真空是指压力较正常大气压小（即负压）的任何气态空间。若将热处理的加热和冷却过程置于真空中进行，就称为真空热处理。,真空热处理的基本特点,30,形变热处理,形变热处理是将塑性变形和热处理有机结合，以提高材料力学性能的复合工艺。 目的：使形变强化与相变强化结合起来，获得比普通热处理更高的强韧化效果，同时可简化工序和节能。,形变热处理的分类,常用的几种形变热处理包括： 1）高温形变淬火 高温形变淬火是在奥氏体稳定区进行形变，随后淬火获得马氏体组织的热处理工艺。目前生产

17、中采用的锻后余热淬火、热轧淬火等就是这种类型。 2）高温形变等温淬火 是在奥氏体稳定区形变，随后在贝氏体区等温淬火，获得贝氏体组织的热处理工艺。如其断裂强度、塑性与韧性等也高于普通淬火。 3）低温形变淬火 低温形变淬火是在奥氏体化后，迅速冷却至亚稳奥氏体区（500600）形变，随后淬火，获得马氏体组织的热处理工艺。它的特点是在保证一定塑性的条件下，大幅度地提高强度。,相变前形变 相变中形变 相变后形变,31,表面气相沉积,是气相中的纯金属或化合物在零件表面沉积，形成具有特殊性能膜层的方法。 为了提高零件的耐磨性、减缓材料的腐蚀，材料表面性能优化技术已被人们越来越重视。其中表面气相沉积是一种发展

18、较快、应用最广的表面涂覆新技术。,形变热处理的分类,化学气相沉积（CVD） 物理气相沉积（PVD）两种。,根据成膜过程机理不同,32,【本章重点】 1、掌握热处理的目的、分类； 2、掌握常用普通热处理工艺(四把火)方法和应用。 【本章难点】 1、退火、正火、淬火和回火的区别与应用； 2、理解钢在加热和冷却时组织的转变。 3、表面热处理的原理和应用。,返回,33,THE END,34,一 、钢的退火,将工件加热到一定温度并保温，然后再缓慢冷却的一种热处理工艺。,根据钢的成分和退火目的不同应采用不同的退火方法，常用的退火方法有：完全退火（普通退火）；球化退火（不完全退火）；去应力退火（低温退火）等

19、。,退火,完全退火,球化退火,去应力退火,方法：将亚共析钢加热到AC3线以上3050，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却）。,方法：将共析钢或过共析钢加热到AC1线以上2030，保温后缓慢冷却。,方法：将钢加热到AC1线以下，保温后缓慢冷却。,35,36,退火,完全退火,球化退火,去应力退火,目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除应力。同时也是为切削加工和最终热处理做准备,目的：消除网状或片状渗碳体，降低硬度，提高韧性。同时也是为切削加工和最终热处理做准备,目的：消除铸件、焊件中的内应力，稳定尺寸。,主要应用于：亚共析钢的铸件、锻件和轧件,主要应用于：共析、过共析钢和合金工具钢,主要特点：没有

20、组织变化,37,二 、正火,方法：是将钢件加热到AC3或ACm以上3050，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却。,主要应用于以下几方面:, 改善低碳钢的可切削性 。, 作为中碳钢的预备热处理（可以替代部分退火热处理）。, 对机械性能要求不高的零件的最终热处理。,注意：正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺。都是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，而退火是随炉冷却。,38,三 、淬火,方法： 将钢加热到AC3(亚共析钢)或ACcm(共析钢或过共析钢)以上3050，保温一定时间使其奥氏体化，然后在冷却介质中迅速冷却。,目的： 是获得均匀细小的马氏体组织，再经过回火处理，提高钢的力

21、学性能。,注意： 淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。,它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。,39,1.淬火温度的选择,碳钢的淬火加热温度范围,40,2.常用的淬火冷却方法,常用的淬火冷却方法,单液淬火法,双介质淬火法,分级淬火法,等温淬火法,加热至淬火温度，先投入一种冷却能力强的介质中冷却至Ms点以下区域，然后再放入另一种冷却能力弱的介质中冷却。适用于高碳钢零件和较大的合金钢零件。,加热至淬火温度，先投入Ms点附近的油浴和盐浴中冷却（2-5min），然后再取出空冷。适用于尺寸较小的工件。,形状复杂、尺寸要求精确，且硬度与韧性要求高的重要零件。,加热至淬火温度，投入一种淬火介质中连

22、续冷却。常见碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火。,41,四 、回火,方法： 将淬火钢加热到AC1以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷到室温。,目的： 减少或消除淬火应力，防止钢件变形与开裂；稳定组织和尺寸；获得所需要的组织和性能。,注意： 淬火钢不经过回火一般不能直接使用。,淬火钢的回火转变 ：马氏体分解和残余奥氏体的分解 。,42,回火种类及应用： （1）低温回火（150250），目的是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（5664HRC)和耐磨性。如模具、刃具等。 （2）中温回火（350500），目的是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（3550HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻模等。

23、 （3）高温回火调质处理（500650目的是获得得强度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。,43,有些零件，采用表面热处理可以获得表面高硬度和心部高韧性。,第四节 钢的表面热处理,一、表面淬火,表面淬火的特点是快速加热，使工件要求淬硬的表面迅速升至淬火温度，而心部仍保持AC1以下温度，再迅速冷却，结果工件表面层被淬硬为马氏体组织，心部仍为原来的组织，保持了良好的韧性。再经过适当的低温回火，就能获得要求的性能。,根据加热方法不同，表面淬火方法可分为三种：,1火焰加热表面淬火法 淬深为26mm需凭经验难以把握。,44,2感应加热表面淬火法 利用电流的集肤效应对工件表面迅速加热 ，而心部

24、则几乎未被加热。, 高频感应加热 电流频率为（f=200300）KHZ 淬深为0.52mm 。主要用于淬硬层较浅的中、小 型零件加热，如小轴、小模数齿轮等。,高频淬火齿轮的工艺路线为： 锻造正火或退火粗加工调质精加工高频淬火低温回火磨削。,45,二、化学热处理,化学热处理是把工件放在特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层成份和组织。使用工件表面与心部具有不同的机械性能或特殊的物理、化学性能。,原理：将要渗的活性元素加热分解，即所谓激活，然后被工件表面吸收，进而向工件内部扩散。,常用的化学热处理方法有：,1渗碳,钢的表面吸收碳原子的过程，称为渗碳。,目的：使零件表面获得高

25、硬度（HRC5864），心部获得较高的强度和韧性。,46,(1) 气体渗碳法：主要用甲烷、煤气、甲苯、煤油等作渗碳剂，在气体高温下分解出活性碳原子进行渗碳。 如图所示。,(2) 固体渗碳法：固体渗碳剂主要是木炭，其次是少量碳酸盐。如图所示。,(3) 液体渗碳法：因有有毒气体产生，所以应用于不广。,2氮化,即使工件表面渗入氮原子。,目前应用较广的是气体氮化法。把工件放在专门氮化的炉子里，加热到500600，同时通入氨气(NH3)，氨气加热到450，就分解出活性氨原子，扩散渗入工件表层，形成氮化层。 氮化的要素是温度和时间，用时间控制渗层厚度。,47,氮化处理的缺点是：时间长,一般要用合金钢,所以成本高。只用于机床中高速传动轴；精密齿轮等。,一般氮化零件的工艺路线为： 锻造退火粗加工调质精加工除应力退火磨削氮化精磨。,3碳氮共渗,把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化 。,根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。,4其它化学热处理方法,(1) 渗铝 目的：是使钢的表面具有高的抗氧化性能。,(2) 渗铬 目的：是增加零件抗蚀性能，还可提高碳钢的硬度和耐磨性。,48,气体渗碳,返 回,49,固体渗碳,返 回,50,返 回,火焰加热淬火法,