第3章 02热处理工艺.ppt

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1、第第 三三 章章 热处理与表面工程技术热处理与表面工程技术(热处理热处理工艺部分工艺部分）教学要求教学要求：本节是课程的重点，要求熟练掌握：本节是课程的重点，要求熟练掌握：1.1.各种热处理工艺方法的目的，工艺特点，组织各种热处理工艺方法的目的，工艺特点，组织和性能特点及其应用。和性能特点及其应用。2.2.能根据零件材料和性能要求选择合适的热处理能根据零件材料和性能要求选择合适的热处理方法。方法。课堂复习课堂复习q前前面面两两节节学学习习的的内内容容是是热热处处理理的的原原理理，从从这这一一节节开开始始学学习习热热处处理理工工艺艺，也也就就是是具体的热处理实现方法。具体的热处理实现方法。一般机

2、械零件的加工工艺路线是：一般机械零件的加工工艺路线是：锻锻造造（铸铸造造）预预先先热热处处理理（退退火火或或正正火火）切切削削加工加工最终热处理最终热处理磨削加工磨削加工 目目的的：退退火火和和正正火火常常作作预预先先热热处处理理，但但工工件件要要求求不不高时，也可作为最终热处理。高时，也可作为最终热处理。3.3 3.3 退火与正火退火与正火1 1、定义、定义 退火退火（AnnealingAnnealing）将钢加热到预定温度，保温后将钢加热到预定温度，保温后缓慢冷却缓慢冷却（炉冷）（炉冷），获得接近平衡组织的热处理工艺。，获得接近平衡组织的热处理工艺。正火正火（NormalizingNorm

3、alizing）将钢加热到奥氏体状态将钢加热到奥氏体状态,保温后在保温后在空空气中气中冷冷却却的工艺。的工艺。加热加热缓冷缓冷空冷空冷PS退火退火正火正火钢钢临界温度以上或以下临界温度以上或以下1.1.退火与正火退火与正火（1 1）目的目的 例、齿轮加工工艺路线例、齿轮加工工艺路线 毛坯锻造毛坯锻造正火（退火）正火（退火）机加工机加工热处理热处理 精加工精加工1 1）消除应力消除应力 以减少铸锻焊和其它加工零件变形以减少铸锻焊和其它加工零件变形,开裂倾向；开裂倾向；2 2）细化晶粒细化晶粒，消除组织缺陷为后续热处理作准备。，消除组织缺陷为后续热处理作准备。3 3）调整硬度，改善切削性能调整硬度

4、，改善切削性能（退火可降低硬度，正火可适当提高（退火可降低硬度，正火可适当提高硬度）；硬度）；正火还可以消除网状渗碳体，利于后续球化退火。正火还可以消除网状渗碳体，利于后续球化退火。2 2、退火工艺、退火工艺扩散退火扩散退火完全退火完全退火不完全退火不完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火3.3钢钢的的退火与正火退火与正火1 1）完全退火）完全退火（Ac1+30Ac1+305050保温，缓保温，缓冷冷）n目的：目的：细化晶粒，均匀组织、消除内细化晶粒，均匀组织、消除内应力、改善切削性能应力、改善切削性能n特点：特点：完全完全A A化，接近平衡组织，用化，接近平衡组织，

5、用于含碳量为于含碳量为0.3-0.6%0.3-0.6%的亚共析钢的亚共析钢n缺点缺点：周期很长，成本高。：周期很长，成本高。2 2）等温退火）等温退火（Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上保温，以上保温，然后快冷到然后快冷到Ar1Ar1某一温度保温，等相变某一温度保温，等相变完成后再空冷）完成后再空冷）n目的：目的：可以达到完全退火的目的，组可以达到完全退火的目的，组织性能更加均匀，缩短退火时间织性能更加均匀，缩短退火时间n特点特点：完全：完全A A化，适用于小截面钢件化，适用于小截面钢件n周期短，成本低周期短，成本低3）球）球化化退火退火适用适用：高碳钢：高碳钢目的目的：降低硬度，改善切削性能。

6、：降低硬度，改善切削性能。加热温度加热温度：Ac1+20Ac1+203030平平衡衡组组织织球球化化组组织织含含1.4%C钢的钢的组织组织正火正火3 3、选择、选择1 1）考虑切削性能考虑切削性能（刀具最佳切削硬度刀具最佳切削硬度180180220 HBS)220 HBS)表表 不同含碳量的钢在正火和退火后的硬度不同含碳量的钢在正火和退火后的硬度(HBS)(HBS)含碳量（）含碳量（）0.250.250.250.250.650.650.650.650.80.8工具钢工具钢退火硬度退火硬度150150150150180180180180220220187187217217正火硬度正火硬度1561

7、56156156228228228228280280230230340340中低碳钢采用正火，中低碳钢采用正火，高碳钢和工具钢采用退火有利于切削高碳钢和工具钢采用退火有利于切削。2）考虑使用性能考虑使用性能正火比退火硬，正火优先。正火比退火硬，正火优先。3 3）考虑经济性考虑经济性 正火生产周期短，成本较低正火生产周期短，成本较低真空退火炉真空退火炉3.4 3.4 钢的淬火钢的淬火 淬火：淬火：Quenching激冷激冷Hardening硬化硬化把钢把钢加热加热 保温保温 快冷快冷使零件使零件硬化硬化的热处理工的热处理工艺艺。淬火后获得淬火后获得马氏体或贝氏体组织马氏体或贝氏体组织。3.4.1

8、-13.4.1-1淬火加热温度的选择淬火加热温度的选择 碳钢的淬火加热温度范围碳钢的淬火加热温度范围1 1、亚共析钢、亚共析钢 ACAC3 3(30(3050)50)2 2、过共析钢、过共析钢 AcAc1 1(30(3050)50)目的目的:与回火配合，赋予工件最终使用性能。与回火配合，赋予工件最终使用性能。淬火淬火+低温回火：低温回火：高硬度、高耐磨性；高硬度、高耐磨性；淬火淬火+中温回火：中温回火：高弹性；高弹性；淬火淬火+高温回火：高温回火：良好的综合力学性能。良好的综合力学性能。合金钢：合金钢：碳钢，一般为临界点碳钢，一般为临界点+50100，某些高合金钢，某些高合金钢会更高一些。会更

9、高一些。3.4.1-2淬火冷却介质的选择淬火冷却介质的选择 选用原则：为选用原则：为减少淬火应力，减少淬火应力，能获得能获得M M或或B B尽可能慢冷尽可能慢冷。水水 适用于碳钢，变形开裂倾向大。适用于碳钢，变形开裂倾向大。盐水盐水 1010的的NaClNaCl水溶液，水溶液，适用于低碳钢，适用于低碳钢，油油 常用常用1010号机油，适用于号机油，适用于合金钢，不能用于碳钢冷却。合金钢，不能用于碳钢冷却。理想的淬火冷却曲线图理想的淬火冷却曲线图3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法1.1.单液淬火单液淬火优点：工艺简单，优点：工艺简单，操作方便。操作方便。缺点：淬火应力大，缺点：淬火

10、应力大，工件易变形。工件易变形。适用：形状简单的适用：形状简单的中、低碳钢工件。中、低碳钢工件。3.4.2 3.4.2 常用淬火方法常用淬火方法双液淬火双液淬火优点：优点：大大减小工大大减小工件的淬火应力和变件的淬火应力和变形开裂倾向。形开裂倾向。水淬水淬油冷或油淬油冷或油淬空冷空冷缺点：缺点：操作难度较操作难度较高。高。适用：适用：小批量小批量分级淬火分级淬火 加热零件先在加热零件先在Ms点点附近介质中冷却附近介质中冷却,再再取出空冷取出空冷优点优点：操作简单。可：操作简单。可有效防止应力和开裂。有效防止应力和开裂。缺点缺点：需要盐浴炉：需要盐浴炉适用适用：小工件大批量。：小工件大批量。等温

11、淬火等温淬火在贝氏体转变区在贝氏体转变区的介质中冷却，的介质中冷却，得到得到下下贝氏体贝氏体组组织织优缺点优缺点：同分级：同分级淬火，也需要盐淬火，也需要盐浴炉。浴炉。适用适用：需要高强：需要高强韧性的小工件韧性的小工件。3.4.3钢的淬透性钢的淬透性1定义定义淬透性淬透性（HardenabilityHardenability）直译：钢可淬火硬化的能力直译：钢可淬火硬化的能力 钢淬火时获得马氏体的难易程度钢淬火时获得马氏体的难易程度。只有只有V冷却冷却 Vk的部分才可淬火成的部分才可淬火成M。淬火时截面上获得淬火时截面上获得M的深度称为的深度称为淬硬层深度淬硬层深度。淬透性淬透性J:钢淬火时获

12、得的淬透层深度钢淬火时获得的淬透层深度的能力。的能力。钢的淬透性对零件淬硬层深度的影响钢的淬透性对零件淬硬层深度的影响a)b)图图3.28 3.28 淬火时零件截面上的冷速变化及结果淬火时零件截面上的冷速变化及结果a a）未淬透）未淬透 b b）淬透）淬透淬硬性：淬硬性：钢在正常淬火条件下达到的最高硬度，它钢在正常淬火条件下达到的最高硬度，它处决于钢的含碳量。处决于钢的含碳量。钢的淬透性对零件淬硬层深度的影响钢的淬透性对零件淬硬层深度的影响小型工件：小型工件：V表面表面V心部心部Vk能淬透能淬透组织为组织为100%M大型工件：大型工件：V表面表面VkV心部心部淬不透淬不透心部组织为非心部组织为

13、非M2.影响淬透性的因素影响淬透性的因素影响淬透性的因素主要是影响淬透性的因素主要是C曲线的位置，曲线的位置，C曲线右移，淬火曲线右移，淬火临界冷却速度减小，淬透性提高。临界冷却速度减小，淬透性提高。Vk越小的钢淬透性越好。越小的钢淬透性越好。影响影响Vk的基本因素是的基本因素是钢的化学成分钢的化学成分和和奥氏体化条件奥氏体化条件。2.影响淬透性的因素影响淬透性的因素C%C%亚共析钢亚共析钢 C%C%淬透性淬透性，过共析钢过共析钢 C%C%淬透性淬透性合金元素合金元素除除CoCo以外，以外，C C曲线右移，曲线右移，淬透性淬透性奥氏体化温度奥氏体化温度TT淬透性淬透性未溶第二相未溶第二相淬透性

14、淬透性影响淬透性的因素影响淬透性的因素(vK)合合金金元元素素使使C曲曲线线右右移移，降降低低vk，提提高高钢钢的的淬淬透透性性。是是影影响响淬透性的最主要因素。淬透性的最主要因素。含含碳碳量量碳碳钢钢中中的的含含碳碳量量愈愈接接近近共共析析成成分分，其其C曲曲线线愈愈靠靠右右。vk愈小，淬透性越好。愈小，淬透性越好。奥奥氏氏体体化化温温度度提提高高奥奥氏氏体体化化温温度度，将将使使奥奥氏氏体体晶晶粒粒长长大大，成成分分均均匀匀化化，从从而而减减少少珠珠光光体体的的形形核核率率，降降低低钢钢的的vk，增增大大其淬透性。其淬透性。钢钢中中未未溶溶第第二二相相碳碳化化物物、氮氮化化物物及及其其它它

15、非非金金属属夹夹杂杂物物，可可成为奥氏体分解的非自发核心，使成为奥氏体分解的非自发核心，使vk增大，降低淬透性。增大，降低淬透性。2 2、测定、测定 -末端淬火法（末端淬火法（GB 225GB 2258888）图 3.29.末端淬示意图 钢的淬透性值以钢的淬透性值以 J J 表示，表示，J J表示末端淬火法，表示末端淬火法，d d（mmmm）为至水冷端距离，为至水冷端距离，HRCHRC为相应距离的硬度值。如：为相应距离的硬度值。如：J J ，J J ，J J（c c）淬透性曲线淬透性曲线3 3 3 3、意义、意义、意义、意义淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬

16、透性的意义淬透性的意义淬透性的意义淬透性的意义淬透性好的钢淬透性好的钢材经材经调质处理调质处理后，整个截面后，整个截面都是回火都是回火S S，力，力学性能均匀，学性能均匀，强韧性高；强韧性高；而淬透性差而淬透性差的钢表层为回的钢表层为回火火S S，心部为片，心部为片状状S+FS+F，心部强，心部强韧性差。韧性差。4 4、应用、应用 1 1）选择材料）选择材料 （大尺寸零件（大尺寸零件选择淬透性高的钢，小尺寸的选择淬透性高的钢，小尺寸的零件考虑经济性）零件考虑经济性）2 2）选择淬火冷却介质）选择淬火冷却介质（选择（选择慢冷介质：减小淬火应力；慢冷介质：减小淬火应力；减轻变形开裂）减轻变形开裂）

17、40Cr40Cr钢的淬透性曲线带钢的淬透性曲线带3.5.3.5.淬火钢的回火淬火钢的回火 （1 1）回火的目的）回火的目的 1 1）消除应力消除应力，降低脆性，减少变形和开裂；，降低脆性，减少变形和开裂；2 2）稳定组织稳定组织，使，使A AR R（Retained AusteniteRetained Austenite）分解转变；分解转变；3 3）调整和改善性能调整和改善性能，通过不同回火工艺提高钢的强韧性。，通过不同回火工艺提高钢的强韧性。（2 2）回火的组织与性能变化）回火的组织与性能变化 回回火火：钢钢件件淬淬火火后后,为为了了消消除除内内应应力力并并获获得得所所要要求求的的组组织织和

18、和性性能能，将将其其加加热热到到AcAc1 1以以下下某某一一温温度度保保温温一一定定时时间间，然然后后冷冷却到室温的热处理工艺。却到室温的热处理工艺。回火紧接着淬火后进行，除等温淬火外，其他淬火零件都回火紧接着淬火后进行，除等温淬火外，其他淬火零件都必须及时回火。必须及时回火。回火时的组织转变回火时的组织转变非常复杂。非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化 ，它们的最后转变，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。产物是铁素体和渗碳体。u回火时的组织

19、转变回火时的组织转变马氏体的分解马氏体的分解残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解碳化物的析出和变化碳化物的析出和变化 相（相（F F）的回复和再结晶）的回复和再结晶 1 1）组织变化组织变化 100100300 200300 200300300 马氏体的分解马氏体的分解 M M 碳化物碳化物 （回火马氏体回火马氏体）残余奥氏体的转变残余奥氏体的转变 A AR R B B 或或 M M 渗碳体聚集长大、渗碳体聚集长大、铁素体回复和再结晶铁素体回复和再结晶 500500 组织：块状组织：块状F F 粒状粒状FeFe3 3C C （回火索氏体回火索氏体 500500）碳化物的形成碳化物的形成 碳化物碳化

20、物FeFe3 3C C 针状针状 F F 组织组织：针状针状F+F+细粒状细粒状 FeFe3 3C C (回火托氏体回火托氏体（350350500500）)400以上以上300-400300-4002 2）性能变化性能变化 随着回火温度随着回火温度升高升高,淬火钢的强度淬火钢的强度,硬度硬度下降下降,塑性塑性升高升高,韧性呈升高趋势韧性呈升高趋势,但中间出现两次下降（回火脆性）但中间出现两次下降（回火脆性）。图.40钢在不同回火温度的性能变化回火回火名称名称回火温度回火温度回火后回火后组组 织织性能特点及主要应用性能特点及主要应用低温低温回火回火150150250250回回 火火马氏体马氏体高

21、硬度，高耐磨性高硬度，高耐磨性。适用于工具、齿轮，滚动轴承等适用于工具、齿轮，滚动轴承等中温中温回火回火350350500500 回回 火火托氏体托氏体高高弹弹性性极极限限，屈屈服服极极限限和和抗疲劳性能抗疲劳性能适用于弹性元件，部分模具适用于弹性元件，部分模具高温高温回火回火500500650650回回 火火索氏体索氏体高的综合力学性能高的综合力学性能.适适用用于于轴轴类类，杆杆类类零零件件，以以及及齿齿轮的表面淬火前处理轮的表面淬火前处理。3 3）回火工艺）回火工艺 淬火淬火+高温回火称为高温回火称为调质调质处理处理。回火脆性回火脆性第一类回火脆性第一类回火脆性 发生在发生在300300左右，是左右，是 一种不可避免的脆性，一种不可避免的脆性，亦称不可逆回火脆性。亦称不可逆回火脆性。第二类回火脆性第二类回火脆性 发生在发生在570570左右，但左右，但回火以后较快冷却可以回火以后较快冷却可以避免。避免。图 淬火钢的韧性与回火温度的关系 回火马氏体回火马氏体回火索氏体回火索氏体 回火托氏体回火托氏体