钢的热处理原理和工艺.pptx

《钢的热处理原理和工艺.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢的热处理原理和工艺.pptx（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的一种非常重要的工艺方法。热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工序。它担负着改善工件的组织和性能，充分发挥材料潜力，从而提高产品质量延长使用寿命的重要任务。重要的机械零件必须经热处理才能获得良好的使用性能。第1页/共69页2 1.钢的热处理原理及分类钢的热处理原理及分类一、一、热处理原理热处理原理1.定义将钢在固态范围内，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构与性能的工艺方法。第2页/共69页32.工艺曲线注明：临界温度（A1、A3、Acm）第3页/共69页4 3.原理：热处理不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的内部组织和性能的一种

2、非常重要的工艺方法。根本原因：是由于铁具有同素异构转变特性，从而使钢在加热和冷却过程中发生组织和结构上的变化，从而可以改善和提高获得所需要的使用性能。第4页/共69页5二、热处理的分类二、热处理的分类第5页/共69页6常见热处理车间常见热处理车间第6页/共69页7加热冷却保温第7页/共69页82.钢在钢在加热加热及及冷却冷却时的组织转变时的组织转变一、一、钢在钢在加热加热时的组织转变时的组织转变1.1.钢在加热和冷却时的相变温度加热温度选择的理论依据铁碳合金状态图；但实际转变温度（相变温度）比状态图上的临界温度（A1、A3、Acm）有一定的滞后现象，采用代号表示。即：加热(c)和冷却(r)A3

3、Ac3Ar3A1Ac1Ar1AcmAccmArcm第8页/共69页9钢在钢在加热加热和和冷却冷却时的时的临界温度临界温度第9页/共69页102.2.奥氏体的形成奥氏体的形成（以共析钢为例）(1)(1)奥氏体晶核的形成；(2)(2)奥氏体晶核的长大；(3)(3)残余渗碳体的溶解；(4)(4)奥氏体成分的均匀化。（基本过程）共析钢中奥氏体形成过程示意图a)形核；b)长大；c)残余渗碳体溶解；d)奥氏体均匀化第10页/共69页11奥氏体形成示意图4秒6秒8秒15秒第11页/共69页12对于亚共析钢、过共析钢的奥氏体化过程：1.亚共析钢：F+PF+AA2.过共析钢：Fe3C+PFe3C+AA第12页/

4、共69页133.3.奥氏体奥氏体晶粒晶粒的长大的长大 晶粒的长大主要是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。晶粒晶粒的吞并与长大过程的吞并与长大过程为了防止晶粒长的粗大，严格控制加热温度和保温时间。第13页/共69页144.4.奥氏体晶粒大小的实际意义：奥氏体晶粒大小的实际意义：钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的组织也较细小，性能较好；反之，转变产物的组织则粗大，而且其性能也较差。晶粒号的标准等级图(100)第14页/共69页15二二、钢在钢在冷却冷却时的组织转变时的组织转变 冷却方式：等温冷却；连续冷却。第15页/共69页161.奥氏体

5、的等温转变奥氏体的等温转变1 1）定义 不稳定的不稳定的过冷过冷奥氏体奥氏体经过一段时间的等温经过一段时间的等温保持，转变为稳定的新相的过程。保持，转变为稳定的新相的过程。2）转变产物 珠光体（粗珠光体、索氏体、屈氏体）贝氏体（上贝氏体、下贝氏体）马氏体（低碳马氏体、高碳马氏体）第16页/共69页17 共析钢共析钢等温冷却转变曲线图（等温冷却转变曲线图（C曲线或为曲线或为TTT曲线）曲线）表示：表示：过冷奥氏体的等温过冷奥氏体的等温 转变转变温度温度转变转变时间时间转变转变产物产物 的关系。的关系。第17页/共69页181 1）珠光体型转变区）珠光体型转变区（A1550）高温高温等温等温转变转

6、变a a）形成温度范围 A1650b）组织珠光体（P）粗片状珠光体片层间距0.4 mC）性能强度比较高，硬度适中170220HBW有一定的塑性，具有较好的综合力学性能。珠光体组织3800第18页/共69页19a a）形成温度范围 650600b）组织索氏体（S）细片状珠光体片层间距0.4 0.2mC）性能硬度为230320HBW 综合力学性能优于粗珠光体。索氏体组织8000第19页/共69页20a a）形成温度范围 600550b）组织屈氏体（T）极细片状珠光体片层间距0.2m C）性能硬度为330400HBW 综合力学性能优于索氏体。规律：形成温度；片层间距；硬度。屈氏体组织8000第20页

7、/共69页212 2）贝氏体型转变区）贝氏体型转变区（550 Ms）中温中温等温等温转变转变形成上贝氏体组织。组织组织组成组成：铁素体+渗碳体组织特征：组织特征：铁素体 长成板条状大致平行分布 渗碳体 呈粒状或短杆状分布在铁素体板条之间。第21页/共69页22a a）形成温度范围 550350b）组织上贝氏体（B上）形态呈典型羽毛状C）性能硬度为4045HRC强度低，塑性很差，基本上没有使用价值基本上没有使用价值。第22页/共69页23下贝氏体组织组织组织组成组成：铁素体+渗碳体组织特征：组织特征：铁素体长成针片状，互不平行，有一定角度，形成分枝；渗碳体呈粒状或细小短条状分布在铁素体片内。第2

8、3页/共69页24a a）形成温度范围 350Msb）组织下贝氏体（B下）形态呈黑色针叶状C）性能硬度可达4555HRC具有较高的强度及良好的塑性和韧性。采用采用等温淬火方法可获得可获得B下，是各种复杂模具、，是各种复杂模具、量具、刀具热处理后的一种理想组织。量具、刀具热处理后的一种理想组织。下贝氏体组织630第24页/共69页252 2）马氏体型转变区）马氏体型转变区（MsMf）低温连续转变低温连续转变定义 碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体 称为马氏体（用M表示）分类 根据碳含量不同分为：低碳马氏体 0.25%Cabca=bc碳原子第25页/共69页26低碳马氏体组织特征：组织特征：呈 一束

9、一束相互平行的 细条状板条。性能特点：性能特点：硬度可达HRC4550，具有较高的强度及良好的韧性。M板条M板条束低碳马氏体组织形态第26页/共69页27高碳马氏体组织特征：组织特征：断面呈针状或片状性能特点：性能特点：硬度均在HRC60，表现为硬度高而脆性大。第27页/共69页28马氏体的性能特点1、硬度高，且随C%的增加而增加；2、强度高，亦随C%的增加而增加。第28页/共69页29马氏体转变特点a a）过冷 A 转变为马氏体是一种非扩散型转变；b b）马氏体转变是在一定温度范围内（MsMf）的连续冷却过程中进行的；c c）马氏体的转变速度极快，产生很大的内应力，转 变时发生体积膨胀；d

10、d）马氏体转变的不彻底性，仍有少量未转变的A被保留下来，成为残余奥氏体（用AR表示）。第29页/共69页30e e）马氏体中溶入过多的碳而使-Fe-Fe晶格发生畸变，形成组织不稳定；f f）过冷A转变为马氏体所需的最小冷却速度称为 临界冷却速度（用c表示）。指出指出：每一种钢的临界冷却速度都不同。要想获得马氏体组织，必须使其冷却速度 c。这种操作叫淬火。获得马氏体是强化钢材的一种重要组织。第30页/共69页31二、奥氏体的连续冷却转变（CCT）在实际热处理生产中，过冷奥氏体转变多数是在连续冷却过程中进行的，除了等温转变获得贝氏体组织；另外常采用连续冷却曲线（CCT）与等温转变曲线（TTT）叠加

11、，近似地分析连续冷却转变的组织和性能。VcMM+PP共析碳钢CCT曲线MsMfVcMM+PP共析碳钢CCT曲线共析碳钢TTT曲线第31页/共69页32第32页/共69页33亚共析钢、共析钢、过共析钢连续冷却转变曲线比较亚共析钢共析钢过共析钢第33页/共69页343.钢的钢的热处理热处理工艺工艺机械零件的一般加工工艺顺序：机械零件的一般加工工艺顺序：铸造或锻造铸造或锻造 退火和退火和正火正火 机械机械粗粗加工加工 淬火淬火+回火回火（或表面（或表面热处理）热处理）机械机械精精加工加工其中：其中：退火和退火和正火正火预备热处理预备热处理 淬火淬火+回火回火最后热处理最后热处理第34页/共69页35

12、一、退火 1.定义：将钢加热到适当温度，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。第35页/共69页362.退火分类：；a.a.扩散退火：Ac3+200300b.完全退火：Ac3+2050c.球化退火：Ac1+2030d.去应力退火：Ac1；500650第36页/共69页373.退火目的：1）降低硬度，提高钢的塑性，以利于机械加工；2）细化晶粒，均匀组织，为淬火工序做好准备；3）消除内应力，防止工件变形和开裂；4）消除或减轻偏析、带状组织。第37页/共69页384.退火应用：1）扩散退火：适宜合金钢锭和大型铸钢件；合金钢锭和大型铸钢件；2）完全退

13、火：适宜亚共析钢，不适宜过共析钢；3）球化退火：适宜共析钢和过共析钢；4）低温退火：适宜铸造、锻造或焊接及切削加工后的高精度工件。第38页/共69页39二、正火1.定义：将钢加热到Ac3或Accm以上3050,保温适当时间后，在空气中冷却的一种热处理工艺。2.2.正火的目的和应用 是使钢的组织正常化，亦称常化处理；一般应用于以下方面：1）作为最终热处理 要求不高的普通结构件；2）作为预先热处理 含碳量高的过共析钢；3 3）改善切削加工性能 低、中碳合金结构钢。第39页/共69页40正火的作用与退火相似，正火的作用与退火相似，与退火与退火不同之处不同之处是：是：a.a.正火是在空气中冷却，正火是

14、在空气中冷却，冷却速度快，所获得冷却速度快，所获得的组织更细。的组织更细。b.b.正火后的强度、硬度较正火后的强度、硬度较退火后的稍高，而塑退火后的稍高，而塑性、韧性则稍低。性、韧性则稍低。c.c.不占用设备；生产率高。不占用设备；生产率高。第40页/共69页41三、淬三、淬 火火1.定义：将钢加热到Ac3以上3050（亚共析钢）或AcAc1 1以上3050 （过共析钢），保温后在淬火介质中快速冷却以获得马氏体组织（M）的一种热处理工艺。第41页/共69页42钢的钢的淬透性淬透性与与淬硬性淬硬性区别：区别：淬透性淬透性在规定的条件下，钢接受淬火在规定的条件下，钢接受淬火 时获得马氏体组织深度的

15、能力时获得马氏体组织深度的能力。淬硬性淬硬性钢淬火后能够达到的最高硬度，钢淬火后能够达到的最高硬度，它主要决定于马氏体中的含碳量。它主要决定于马氏体中的含碳量。指出：指出：淬透性淬透性好的钢好的钢淬硬性淬硬性不一定高。不一定高。第42页/共69页43 2淬火介质：淬火时为了得到足够的冷却速度，以保证奥氏体向马氏体转变，又不致由于冷却速度过大而引起内应力增大，造成零件变形和开裂。常用的淬火冷却介质：水、盐水、油、硝盐浴和空气等。第43页/共69页443淬火方法选择根据钢材成分及对组织、性能和工件尺寸精度的要求，在保证技术要求规定的前提下，应选择简便而经济的淬火冷却方法。第44页/共69页454.

16、4.钢的钢的淬火缺陷淬火缺陷1 1）氧化与脱碳2 2）过热与过烧3 3）变形与开裂4 4）硬度不足5 5）淬火软点第45页/共69页46四、回火四、回火回火是紧接淬火之后进行的，通常也是零件进行热处理的最后一道工序。目的是消除和减小内应力、稳定组织、调整性能，获得较好的强度和韧性。因为，淬火钢的组织主要由马氏体和少量残余奥氏体组成(有时还有未溶碳化物)，存在很大内应力，如不及时消除，将会引起工件的变形、甚至开裂。淬火组织很不稳定，有向稳定组织转变的趋势，而且组织脆性大，韧性低，一般不能直接使用。第46页/共69页471.定义：将钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种热处理

17、工艺。2.2.目的：1 1）降低内应力，防止工件变形、开裂；2 2）调整性能（提高淬火钢的塑性和韧性）满足生产需要；3 3）稳定组织，防止尺寸变化；4 4）降低硬度，便于切削加工。回火往往是零件生产中的最后一道工序，决定钢件最后的性能。第47页/共69页483.3.回火时的组织转变1 1）马氏体分解（80200）转变产物：回火M+残余A2 2）残余奥氏体分解（200300 ）转变产物：回火M3 3）渗碳体形成（300400 ）转变产物：回火T4 4）渗碳体聚集长大（400 ）转变产物：回火S第48页/共69页494.4.回火后的组织和应力变化第49页/共69页505.5.回火时的分类及应用1

18、1）低温回火：150250，5664HRC，获得高的硬度和耐磨性；2 2）中温回火：350500，3550HRC，获得高的弹性极限；3 3）高温回火：550650，2035HRC，获得良好的综合性能。生产上生产上：淬火：淬火+高温回火高温回火称作称作调质调质处理处理第50页/共69页514.钢的表面钢的表面热处理热处理 在机械设备中，有许多零件，如：齿轮、花键轴、活塞销等，要求表面具有高的硬度和耐磨性而心部却要求一定的强度和足够的韧性。在这种情况下，要达到上述要求，如果仅从材料方面去解决是很困难的。如：选用高碳钢，淬火后表面硬度虽然很高，但心部韧性不足；如：采用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬

19、度和耐磨性低。这就需要对零件进行表面热处理，以达到强化表面的目的，即：所谓外硬内韧的性能要求。第51页/共69页52表面热处理分为两类：一类是只改变工件表面组织而不改变表面化学成分的热处理，称为表面淬火。另一类是既改变表面化学成分又改变表面组织的热处理，称为化学热处理。第52页/共69页53一、表面淬火1.定义是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火前状态的一种局部淬火方法。2.方法（快速加热）火焰加热、感应加热、电接触加热、激光加热等表面淬火方法。目前生产上最常用是：火焰加热表面淬火；感应加热表面淬火。3.3.目的 获得高硬度、高耐磨性的表层，而心部仍保持良好的韧性。第53页/共

20、69页541）火焰加热表面淬火应用氧-乙炔火焰对零件表面进行快速加热并随后快速冷却的工艺。特点：不需要特殊设备，淬火质量不够稳定；适合单件或小批量生产。第54页/共69页552）感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应，使得工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。特点：加热速度冷却快，淬火质量好；适合大批量生产。第55页/共69页563）感应加热表面淬火电流频率与淬硬层的关系：指出：指出：频率越高频率越高淬硬层深度淬硬层深度越浅；越浅；生产上根据零件技术要求，通过调整频率获生产上根据零件技术要求，通过调整频率获得需要使用性能。得需要使用性能。第56页/共69页57二、化学热处

21、理二、化学热处理1）定义将工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工件的表层以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。2）目的与其它热处理相比，能更有效地改变零件表层的使用性能。3）分类根据渗入元素不同可分为：渗渗C、渗渗N、C-N共渗、渗共渗、渗B以及渗金属（以及渗金属（Cr、Al、Zn）等。等。第57页/共69页581.1.化学热处理的原理 基本过程：1 1）分解首先在气氛中产生活性原子；2 2）吸收工件表面吸收活性原子；3 3）扩散表面吸收活性原子产生浓度差，向中 心迁移，经过一段时间后，形成一定厚 度的扩散层（渗层）。第58页/共69页592.钢的渗碳方法：

22、固体渗碳、气体渗碳、液体（盐浴）渗碳第59页/共69页60渗C过程：将零件加热到930，开始滴入渗碳剂（煤油、丙酮、甲醇），经分解后开始向低碳钢的表面渗入碳原子，随着时间的延长，使表层的含C量可达1.0%，成为高碳钢；然后经表面淬火和低温回火后，使得零件的表面硬度可达5664HRC，而心部仍然是保持低碳钢，得到一种所谓外硬内韧的使用性能。第60页/共69页61渗碳后的组织第61页/共69页623.钢的渗氮在A1温度以下，使活性氮原子渗入工件表面的一种化学热处理工艺，称为渗氮。目的：提高工件表层的硬度、耐磨性、红硬性、耐蚀性和疲劳强度。方法通入氨气（NH3）介质。1）气体渗氮：加热（500600

23、）分解出N原子；2）离子渗氮：高压形成辉光放电分解出N离子。第62页/共69页63渗氮专用钢：通常是指含有Cr、Mo、Al等合金元素的钢。例如：38CrMoAl就是一种典型的渗氮用钢。因为这些合金元素与氮元素形成非常稳定的氮化物。获得的氮化层薄而致密，一般为0.10.6mm。钢件氮化后具有很高硬度，1000HV以上（相当于6972HRC），），并且当加热至600650使用时仍能保持高硬度，即：具有高的耐磨性和红硬性。第63页/共69页6438CrMoAl氮化工艺渗氮工件的工艺路线：锻造退火机械粗加工调质机械细加工去应力退火粗磨渗氮精磨或研磨。第64页/共69页6538CrMoAl氮化后组织形态

24、及性能表层组织：白亮层+针状氮化物表层厚度：一般为0.10.6mm表层硬度：在1000HV以上（相当于6972HRC）表层性能：高的耐磨性和红硬性第65页/共69页664 4.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，也称为氰化。一般采用高温（820870）或低温（570 ）两种气体碳-氮共渗。高温碳-氮共渗以渗碳为主，获得高碳低氮表层；低温碳-氮共渗以渗氮为主，实质为软氮化。第66页/共69页67碳-氮共渗后的机械性能及应用：(1)(1)共渗及淬火后,得到的是含碳、氮马氏体+细小 碳-氮化合物，耐磨性比渗碳更好。(2)(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力,因而疲劳强度

25、更高,耐蚀性也较好。(3)(3)高温碳-氮共渗常用于汽车和机床上的齿轮、蜗 杆和轴类等零件。(4)(4)软氮化常用于处理模具、量具和高速钢刀具。第67页/共69页68钢的热处理新技术钢的热处理新技术为了进一步提高零件机械性能和表面质量,节约能源，降低成本，提高经济效益,以及减少或防止环境污染等,发展了许多热处理新技术、新工艺。1.1.形变热处理塑性变形+热处理；2.2.亚温热处理加热温度在两相区：AC1AC3；3.3.激光热处理高能量密度快速加热和快速冷却；4.4.保护气氛热处理通入N气和Ar气加热；5.5.真空热处理真空中（0.01331.33Pa）加热。第68页/共69页69感谢您的观看。第69页/共69页