金屬工藝學(xué)第二章鋼的熱處理

1、金屬工藝學(xué),第二章 鋼的熱處理,一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變,二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變,三、退火與正火,四、淬火,六、金屬的時效,七、表面熱處理與化學(xué)熱處理,八、熱處理新技術(shù)簡介,九、熱處理工藝應(yīng)用,五、回火,第一節(jié)鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變 大多數(shù)零件的熱處理都是先加熱到臨界點以上某一溫度區(qū)間,使其全部或部分得到均勻的奧氏體組織,但奧氏體一般不是人們最終需要的組織,而是在隨后的冷卻中,采用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法,獲得人們需要的其他組織,如馬氏體、貝氏體、托氏體、索氏體、珠光體等組織。,金屬材料在加熱或冷卻過程中,發(fā)生相變的溫度稱為臨界點(或相變點)。鐵碳合金相圖中A1、A3、Acm是平衡條件下的臨界點。鐵碳合

2、金相圖中的臨界點是在緩慢加熱或緩慢冷卻條件下測得的,而在實際生產(chǎn)過程中,加熱過程或冷卻過程并不是非常緩慢地進(jìn)行的,所以,實際生產(chǎn)中鋼鐵材料發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的溫度與鐵碳合金相圖中所示的理論臨界點A1、A3、Acm之間有一定的偏離,如圖2-2所示。實際生產(chǎn)過程中鋼鐵材料隨著加熱速度或冷卻速度的增加,其相變點的偏離程度將逐漸增大。為了區(qū)別鋼鐵材料在實際加熱或冷卻時的相變點,加熱時在“A”后加注“c”,冷卻時在“A”后加注“r”。因此,鋼鐵材料實際加熱時的臨界點標(biāo)注為Ac1、Ac3、Accm;鋼鐵材料實際冷卻時的臨界點標(biāo)注為Ar1、Ar3、Arcm。,一、奧氏體的形成 以共析鋼(w(C)=0.77%)為例

3、,其室溫組織是珠光體(P),即由鐵素體(F)和滲碳體(Fe3C)兩相組成的機(jī)械混合物。鐵素體為體心立方晶格,在A1點時w(C)=0.021 8%;滲碳體為復(fù)雜晶格,w(C)=6.69%。當(dāng)加熱到臨界點A1以上時,珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體(A),奧氏體是面心立方晶格,w(C)=0.77%。由此可見,珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變,是由化學(xué)成分和晶格都不相同的兩相,轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N化學(xué)成分和晶格的過程,因此,在轉(zhuǎn)變過程中必須進(jìn)行碳原子的擴(kuò)散和鐵原子的晶格重構(gòu),即發(fā)生相變。,圖2-2實際加熱(或冷卻)時,鐵碳,研究結(jié)果證明:奧氏體的形成是通過形核和核長大過程來實現(xiàn)的。珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變可以分為四個階段:奧氏體形核、奧

4、氏體核長大、殘余滲碳體繼續(xù)溶解和奧氏體化學(xué)成分均勻化。圖2-3為共析鋼奧氏體形核及其長大過程示意圖。,(1)奧氏體晶核形成共析鋼加熱到A1時,奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體與滲碳體的相界面上形成,這是由于相界面的原子是以滲碳體與鐵素體兩種晶格的過渡結(jié)構(gòu)排列的,原子偏離平衡位置處于畸變狀態(tài),具有較高的能量;另外,滲碳體與鐵素體的交界處碳的分布是不均勻的,這些都為形成奧氏體晶核在化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和能量上提供了有利條件。,(2)奧氏體晶核長大奧氏體形核后,奧氏體核的相界面會向鐵素體與滲碳體兩個方向同時長大。奧氏體的長大過程一方面是由鐵素體晶格逐漸改組為奧氏體晶格;另一方面是通過原子擴(kuò)散,即滲碳體連續(xù)分解和碳原

5、子擴(kuò)散,逐步使奧氏體晶核長大。,(3)殘余滲碳體溶解由于滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與奧氏體差別較大,因此,滲碳體向奧氏體中溶解的速度必然落后于鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變速度。在鐵素體全部轉(zhuǎn)變完后,仍會有部分滲碳體尚未溶解,因而還需要一段時間繼續(xù)向奧氏體中溶解,直至全部滲碳體溶解完為止。,(4)奧氏體化學(xué)成分均勻化奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束時,其化學(xué)成分處于不均勻狀態(tài),在原來鐵素體之處碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,在原來滲碳體之處碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。因此,只有繼續(xù)延長保溫時間,通過碳原子的擴(kuò)散過程才能得到化學(xué)成分均勻的奧氏體組織,以便在冷卻后得到化學(xué)成分均勻的組織與性能。,亞共析鋼(0.021 8%w(C)0.77%)和過

6、共析鋼(0.77%w(C)2.11%)的奧氏體形成過程基本上與共析鋼相同,不同之處是在加熱時有過剩相出現(xiàn)。由鐵碳合金相圖可以看出,亞共析鋼的室溫組織是鐵素體和珠光體;當(dāng)加熱溫度處于Ac1Ac3時,珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,剩余相為鐵素體;當(dāng)加熱溫度超過Ac3以上,并保溫適當(dāng)時間時,剩余相鐵素體全部消失,得到化學(xué)成分均勻單一的奧氏體組織。同樣,過共析鋼的室溫組織是滲碳體和珠光體,當(dāng)加熱溫度處于Ac1Accm時,珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,剩余相為滲碳體;當(dāng)加熱溫度超過Accm以上,并保溫適當(dāng)時間時,剩余相滲碳體全部消失,得到化學(xué)成分均勻單一的奧氏體組織。,二、奧氏體晶粒長大及其控制措施 鋼鐵材料中奧氏體晶粒的

7、大小將直接影響到其冷卻后的組織和性能。如果奧氏體晶粒細(xì)小,則其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒也較細(xì)小,其性能(如韌性和強(qiáng)度)也較高;反之,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的晶粒粗大,其性能(如韌性和強(qiáng)度)則較低。將鋼鐵材料加熱到臨界點以上時,剛形成的奧氏體晶粒一般都很細(xì)小。如果繼續(xù)升溫或延長保溫時間,便會引起奧氏體晶粒長大。因此,在生產(chǎn)中常采用以下措施來控制奧氏體晶粒的長大。,1.合理選擇加熱溫度和保溫時間 奧氏體形成后,隨著加熱溫度的繼續(xù)升高,或者是保溫時間的延長,奧氏體晶粒將會不斷長大,特別是加熱溫度的提高對奧氏體晶粒的長大影響更大。這是由于晶粒長大是通過原子擴(kuò)散進(jìn)行的,而擴(kuò)散速度是隨加熱溫度的升高而急劇加快的。因此,合理控制加

8、熱溫度和保溫時間,可以獲得較細(xì)小的奧氏體晶粒。,2.選用含有合金元素的鋼 碳能與一種或數(shù)種金屬元素構(gòu)成金屬化合物(或稱為碳化物)。大多數(shù)合金元素,如鉻(Cr)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)等,在鋼中均可以形成難溶于奧氏體的碳化物,如Cr7C3、W2C、VC、Mo2C、VC、TiC、NbC、ZrC等,這些碳化物彌散分布在晶粒邊界上,可以阻礙或減慢奧氏體晶粒的長大。因此,含有合金元素的鋼鐵材料可以獲得較細(xì)小的晶粒組織,同時也可以獲得較好的使用性能。另外,碳化物硬度高、脆性大,鋼鐵材料中存在適量的碳化物可以提高其硬度和耐磨性,滿足特殊需要。,評價奧氏體晶粒大小的

9、指標(biāo)是奧氏體晶粒度。一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級圖(圖2-4)確定鋼的奧氏體晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級分為8個等級,其中14級為粗晶粒;58級為細(xì)晶粒。,第二節(jié)鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變 一、冷卻方式 同一化學(xué)成分的鋼材,加熱到奧氏體狀態(tài)后,若采用不同的冷卻速度進(jìn)行冷卻時,將得到形態(tài)不同的各種室溫組織,從而獲得不同的力學(xué)性能,和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線 見表2-2。這種現(xiàn)象已不能用鐵碳合金相圖來解釋了。因為鐵碳合金相圖只能說明平衡狀態(tài)時的相變規(guī)律,如果冷卻速度提高,則脫離了平衡狀態(tài)。因此,認(rèn)識鋼鐵材料在冷卻時的相變規(guī)律,對理解和制定鋼鐵材料的熱處理工藝有著重要意義。,鋼鐵材料在冷卻時,可以采取兩種轉(zhuǎn)變方式:等溫轉(zhuǎn)變

10、和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變,如圖2-5所示。鋼鐵材料在一定冷卻速度下進(jìn)行冷卻時,奧氏體需要過冷到共析溫度A1以下才能完成轉(zhuǎn)變。在共析溫度A1以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體,也稱亞穩(wěn)奧氏體,它有較強(qiáng)的相變趨勢,可以轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織。,二、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后,冷卻到臨界點(Ar1或Ar3)以下的某一溫度區(qū)間內(nèi)等溫保持時,過冷奧氏體發(fā)生的相變。,1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 以共析鋼為例,如圖2-6所示,將具有不同過冷度的過冷奧氏體進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變,分別測定過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終止的時間,并標(biāo)注在溫度-時間坐標(biāo)中,然后分別將轉(zhuǎn)變開始點和轉(zhuǎn)變終止點連接起來,即可得到過冷奧氏體轉(zhuǎn)

11、變開始曲線和過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終止曲線。由于曲線像英文字母“C”,故又稱為C曲線。,圖2-6共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線,奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖中過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始曲線以左部分為過冷奧氏體區(qū),過冷奧氏體在此區(qū)域處于等溫轉(zhuǎn)變的孕育期,尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變。 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終止曲線以右部分為過冷奧氏體轉(zhuǎn)等溫轉(zhuǎn)變完成區(qū)。過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始曲線和過冷奧氏體轉(zhuǎn)變終止曲線之間的區(qū)域是過冷奧氏體正在發(fā)生轉(zhuǎn)變區(qū)。A1線以上的區(qū)域是穩(wěn)定的奧氏體區(qū)。奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖下面的水平線稱為Ms線,是奧氏體連續(xù)快冷時過冷奧氏體直接向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始線,Ms線下方的水平線Mf線是過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的終止線。,從奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖可以看出,奧

12、氏體等溫轉(zhuǎn)變圖左中部突出的“鼻尖”部位(約550)是過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變孕育期最短的部分,在“鼻尖”附近,過冷奧氏體轉(zhuǎn)變最快,同時也說明過冷奧氏體在“鼻尖”附近最不穩(wěn)定。而在“鼻尖”的上下部位,過冷奧氏體的孕育期增大,過冷奧氏體轉(zhuǎn)變放慢,同時過冷奧氏體的穩(wěn)定性增大。,2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物和性能 由奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖可以看出,奧氏體在A1以下不同溫度進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變時,會產(chǎn)生不同的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。以共析鋼為例,根據(jù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織特征,可劃分為高溫轉(zhuǎn)變區(qū)(珠光體型轉(zhuǎn)變區(qū))、中溫轉(zhuǎn)變區(qū)(貝氏體型轉(zhuǎn)變區(qū))和低溫轉(zhuǎn)變區(qū)(馬氏體型轉(zhuǎn)變區(qū))。表2-3是共析鋼過冷奧氏體轉(zhuǎn)變溫度與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。,三、過冷奧

13、氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是指工件奧氏體化后以不同冷卻速度連續(xù)冷卻時過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變。 1.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖 實際生產(chǎn)中,鋼鐵材料的冷卻一般是連續(xù)進(jìn)行的,如鋼件退火時是爐冷、正火時是空冷、淬火時是水冷等。因此,認(rèn)識過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖具有實際指導(dǎo)意義。,圖2-7所示是共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線。從圖中可以看出,共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程中,只發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變,沒有貝氏體轉(zhuǎn)變。珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)由三條線構(gòu)成:Ps線是過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變開始線;Pf線是過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變終了線;K線是過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變終止線,它表示冷卻曲線碰到K線時,過冷奧氏體

14、向珠光體轉(zhuǎn)變即停止,剩余的過冷奧氏體一直冷卻到Ms線以下時會發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。如果過冷奧氏體在連續(xù)冷卻過程中不發(fā)生分解而全部過冷到馬氏體區(qū)的最小冷卻速度是vk,則稱vk是獲得馬氏體組織的臨界冷卻速度。鋼在淬火時的冷卻速度必須大于vk。,2.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物 由于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是在一個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物往往不是單一的,根據(jù)冷卻速度的變化,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有可能是P+S、S+T或T+M等。,第三節(jié)退火與正火 退火與正火是鋼鐵材料常用的兩種基本熱處理工藝方法,主要用來處理毛坯件(如鑄件、鍛件、焊件等),為以后的切削加工和最終熱處理做組織準(zhǔn)備,因此,退火與正火通常又稱為預(yù)備熱處理。對一般鑄件、鍛

15、件、焊件以及性能要求不高的工件來講,退火和正火也可作為最終熱處理。,一、退火 退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度,保持一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火的目的是消除鋼鐵材料的內(nèi)應(yīng)力;降低鋼鐵材料的硬度,提高其塑性;細(xì)化鋼鐵材料的組織,均勻其化學(xué)成分,并為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。根據(jù)鋼鐵材料化學(xué)成分和退火目的不同,退火通常分為:完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、均勻化退火等。在機(jī)械零件的制造過程中,一般將退火作為預(yù)備熱處理工序,并安排在鑄造、鍛造、焊接等工序之后,粗切削加工之前,用來消除前一工序中所產(chǎn)生的某些缺陷或殘余內(nèi)應(yīng)力,為后續(xù)工序做好組織準(zhǔn)備。部分退火工藝的加熱溫度范圍如圖2-8所示

16、。部分退火工藝曲線如圖2-9所示。,圖2-8部分退火工藝加熱溫度范圍示意圖,圖2-9部分退火工藝曲線示意圖,1.完全退火 完全退火是將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻,獲得接近平衡組織的退火。完全退火后所得到的室溫組織是鐵素體和珠光體。完全退火的目的是細(xì)化組織,降低硬度,提高塑性,消除化學(xué)成分偏析。,完全退火主要用于亞共析鋼(0.021 8%w(C)0.77%)制作的鑄件、鍛件、焊件等,其加熱溫度是Ac3以上3050。而用過共析鋼(0.77%w(C)2.11%)制作的工件不宜采用完全退火,因為過共析鋼加熱到Accm線以上后,二次滲碳體(Fe3C)會以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出(圖2-10),使過共析鋼

17、的強(qiáng)度和韌性顯著降低,同時也使零件在后續(xù)的熱處理工序(如淬火)中容易產(chǎn)生淬火裂紋。,2.球化退火 球化退火是使工件中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火。球化退火得到的室溫組織是鐵素體基體上均勻分布著球狀(或粒狀)碳化物(或滲碳體),即球狀珠光體組織。如圖2-11所示,在工件保溫階段,沒有溶解的片狀碳化物會自發(fā)地趨于球狀(球體表面積最小)化,并在隨后的緩冷過程中,最終形成球狀珠光體組織,如圖2-12所示。球化退火的加熱溫度在Ac1上下2030溫度區(qū)間交替加熱及冷卻或在稍低于Ac1溫度保溫,然后緩慢冷卻。球化退火的主要目的是使碳化物(或滲碳體)球化,降低鋼材硬度,改善鋼材的切削加工性,并為淬火作組織準(zhǔn)備。球

18、化退火主要用于過共析鋼和共析鋼制造的刃具、量具、模具、軸承鋼件等。,圖2-12球狀珠光體顯微組織,圖2-11片狀滲碳體在Ac1附近加熱球化過程示意圖,3.等溫退火 等溫退火是指工件加熱到高于Ac3(或Ac1)的溫度,保持適當(dāng)時間后,較快地冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度并等溫保持,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織后在空氣中冷卻的退火。亞共析鋼的加熱溫度是:Ac3+(3050);共析鋼和過共析鋼的加熱溫度是:Ac1+(2040)。等溫退火的目的與完全退火相同,但等溫退火可以縮短退火時間,獲得比較均勻的組織與性能,其應(yīng)用與完全退火和球化退火相同。,4.去應(yīng)力退火 去應(yīng)力退火是為去除工件塑性形變加工、切削加工或焊接造

19、成的內(nèi)應(yīng)力及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。去應(yīng)力退火的加熱溫度是Ac1以下溫度區(qū)間,其主要目的是消除工件在切削加工、鑄造、鍛造、熱處理、焊接等過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,減小工件變形,穩(wěn)定工件的形狀尺寸。去應(yīng)力退火主要用于去除鑄件、鍛件、焊件及精密加工件中的殘余應(yīng)力。鋼鐵材料在去應(yīng)力退火的加熱及冷卻過程中無相變發(fā)生。,5.均勻化退火 均勻化退火是以減少工件化學(xué)成分和組織的不均勻程度為主要目的,將工件加熱到高溫并長時間保溫,然后緩慢冷卻的退火。加熱溫度是:Ac3+(150200),一般在1 0501 150進(jìn)行加熱。均勻化退火的目的是減少鋼的化學(xué)成分偏析和組織不均勻性,主要應(yīng)用于質(zhì)量要求高的合金鋼

20、鑄錠、鑄件和鍛坯等。,二、正火 正火是指工件加熱奧氏體化后在空氣中或其他介質(zhì)中冷卻,獲得以珠光體組織為主的熱處理工藝。正火的目的是細(xì)化晶粒,提高鋼鐵材料的硬度,消除鋼鐵材料中的網(wǎng)狀碳化物(或滲碳體),并為淬火、切削加工等后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備。 與退火相比,正火的奧氏體化溫度高;冷卻速度快,過冷度較大,因此,正火后得到的組織比較細(xì),強(qiáng)度和硬度比退火高一些;同時,正火具有操作簡便、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低的特點。,在生產(chǎn)中正火主要應(yīng)用于以下場合: 1)用于改善鋼鐵材料的切削加工性能。低碳鋼(w(C)0.5%的中碳鋼、高碳鋼(w(C)0.6%)、合金鋼(w(C)0.6%)一般選擇退火作為預(yù)備

21、熱處理。,2)用于消除鋼中的網(wǎng)狀碳化物,為球化退火作組織準(zhǔn)備。對于過共析鋼,正火加熱到Accm以上時可使網(wǎng)狀碳化物充分溶解到奧氏體中,空冷時則碳化物來不及析出,這樣便消除了鋼中的網(wǎng)狀碳化物組織,同時也細(xì)化了珠光體組織,有利于以后的球化退火和淬火。,3)用于普通結(jié)構(gòu)零件或某些大型非合金鋼工件的最終熱處理,代替調(diào)質(zhì)處理。如鐵道車輛的車軸就是用正火工藝作為最終熱處理的。 4)用于淬火返修件,消除淬火應(yīng)力,細(xì)化組織,防止工件重新淬火時變形與開裂。,第四節(jié)淬火 淬火是指工件加熱奧氏體化后以適當(dāng)方式冷卻獲得馬氏體或(和)貝氏體組織的熱處理工藝。馬氏體是碳或合金元素在-Fe中的過飽和固溶體,是單相亞穩(wěn)組織,

22、硬度較高,用符號M表示。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。馬氏體中由于溶入過多的碳原子,使-Fe晶格發(fā)生畸變,提高了其塑性變形抗力,故馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,其硬度也越高。,一、淬火的目的 淬火的主要目的是使鋼鐵材料獲得馬氏體(或貝氏體)組織,提高鋼鐵材料的硬度和強(qiáng)度,并與回火工藝合理配合,獲得需要的使用性能。一些重要的結(jié)構(gòu)件,特別是在動載荷與摩擦力作用下的零件以及各種類型的重要工具(如刀具、鉆頭、絲錐、板牙、精密量具等)及重要零件(銷、套、軸、滾動軸承、模具、閥等)都要進(jìn)行淬火處理。,二、淬火加熱溫度與淬火介質(zhì) 1.淬火加熱溫度 不同鋼種的淬火加熱溫度是不同的。非合金鋼的淬火加熱

23、溫度可由鐵碳合金相圖確定,如圖2-14所示。為了防止奧氏體晶粒粗化,淬火溫度不宜選得過高,一般僅比臨界點(Ac1或Ac3)高3050。,亞共析鋼的淬火加熱溫度是Ac3以上3050。因為在此溫度范圍內(nèi)加熱,可獲得全部細(xì)小的奧氏體晶粒,淬火后又可得到均勻細(xì)小的馬氏體組織。如果加熱溫度過高,則容易引起奧氏體晶粒粗大,使鋼材淬火后的使用性能變差;如果加熱溫度過低,則淬火組織中尚有未溶的鐵素體組織,從而使鋼材淬火后的硬度不足,達(dá)不到技術(shù)要求。,共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度是Ac1以上3050。在此溫度范圍內(nèi)加熱時,鋼材中的組織是奧氏體和碳化物(或滲碳體)顆粒,淬火后可以獲得細(xì)小的馬氏體和球狀碳化物(或

24、滲碳體),能夠保證鋼材淬火后獲得高硬度和高耐磨性。如果加熱溫度超過Accm,將導(dǎo)致鋼材中的碳化物(或滲碳體)消失,奧氏體晶粒粗化,淬火后得到粗大針狀馬氏體,而且殘留奧氏體量增多,硬度和耐磨性降低,脆性增大;相反,如果淬火溫度過低,則可能得到非馬氏體組織(如鐵素體),則鋼材的硬度達(dá)不到技術(shù)要求。,2.淬火冷卻介質(zhì) 淬火時為了得到足夠的冷卻速度,保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變,又不至于由于冷卻速度過快而引起零件內(nèi)應(yīng)力增大,造成零件變形和開裂,應(yīng)科學(xué)合理地選用冷卻介質(zhì)。常用的淬火冷卻介質(zhì)有:油、水、鹽水、硝鹽浴、堿浴和空氣等。,要想既保證獲得馬氏體組織,同時又盡量避免鋼件發(fā)生變形與開裂,理想的冷卻曲線如圖2

25、-15所示。即在奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖“鼻尖”附近(650550)應(yīng)快冷,使鋼件冷卻速度大于臨界冷卻速度vk,而在Ms線附近(300200)應(yīng)緩冷,以避免馬氏體轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生較大的淬火內(nèi)應(yīng)力。,生產(chǎn)中使用的水或鹽水在高溫區(qū)的冷卻能力較強(qiáng),但在低溫區(qū)的冷卻速度也較快,不利于減少鋼件的變形與開裂,因此,水或鹽水一般僅適用于形狀簡單、截面尺寸較大的非合金鋼工件。 常用的淬火油如全損耗系統(tǒng)用油(如L-AN15、L-AN32等)在低溫區(qū)具有比較理想的冷卻能力,但在高溫區(qū)的冷卻能力則較弱,因此,一般僅適用于合金鋼或小尺寸的非合金鋼工件。,目前,還很難找到一種完全符合要求的理想淬火冷卻介質(zhì),在實際生產(chǎn)中需要根據(jù)工

26、件的技術(shù)要求、材質(zhì)及形狀,科學(xué)合理地選擇淬火冷卻方法,來彌補(bǔ)單一淬火冷卻介質(zhì)的不足之處,三、淬火方法 根據(jù)鋼材化學(xué)成分及對組織、性能和鋼件尺寸精度的要求,在保證技術(shù)要求規(guī)定的前提下,應(yīng)盡量選擇簡便、經(jīng)濟(jì)的淬火方法。常用的淬火方法有:單液淬火、雙液淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火。,1.單液淬火 單液淬火是將已奧氏體化的鋼件在一種淬火冷卻介質(zhì)中冷卻的方法,如圖2-16中的曲線。例如,低碳鋼和中碳鋼在水或鹽水中淬火、合金鋼在油中淬火等就是典型的單液淬火方法。單液淬火方法主要應(yīng)用于形狀簡單的鋼件。,2.雙液淬火 雙液淬火是將工件加熱奧氏體化后先浸入冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中,在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時立

27、即轉(zhuǎn)入冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻的方法,如圖2-16中曲線所示。例如,首先將鋼件在水中冷卻一段時間,然后再在油中冷卻的方法就是典型的雙液淬火方法。此外,將鋼件先在油中冷卻一段時間,然后再在空氣中冷卻的方法也是常用的雙液淬火方法。雙液淬火主要適用于中等復(fù)雜形狀的高碳鋼工件和較大尺寸的合金鋼工件。,3.馬氏體分級淬火 馬氏體分級淬火是指工件加熱奧氏體化后浸入溫度稍高于或稍低于Ms點的鹽浴或堿浴中,保持適當(dāng)時間,在工件整體達(dá)到冷卻介質(zhì)溫度后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法,如圖2-16中曲線所示。馬氏體分級淬火能夠減小工件中的熱應(yīng)力,并緩和相變過程中產(chǎn)生的組織應(yīng)力,減少淬火變形。馬氏體分級淬火適用于尺

28、寸較小、形狀復(fù)雜的由高碳鋼或合金鋼制作的工、模具。,4.貝氏體等溫淬火 貝氏體等溫淬火是指工件加熱奧氏體化后快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火方法,如圖2-16曲線所示。貝氏體等溫淬火的特點是工件在淬火后,工件的淬火應(yīng)力與變形較小,工件具有較高的韌性、塑性、硬度和耐磨性。貝氏體等溫淬火用于處理由各種中碳鋼、高碳鋼和合金鋼制造的尺寸較小的形狀復(fù)雜的模具與刃具等。,四、冷處理 冷處理是指鋼件淬火冷卻到室溫后,繼續(xù)在一般制冷設(shè)備或低溫介質(zhì)中冷卻,使殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的工藝。對于高碳鋼及一些合金鋼,由于馬氏體轉(zhuǎn)變終止點Mf位于0以下,鋼件淬火后組織中含有大量的殘留奧氏體。

29、采用冷處理可以消除和減少鋼中的殘留奧氏體數(shù)量,使鋼件獲得更多的馬氏體,提高鋼件的硬度與耐磨性,穩(wěn)定鋼件尺寸,如量具、精密軸承、精密絲杠、精密刀具、槍桿等要求形狀精確和尺寸穩(wěn)定的工件,均應(yīng)在淬火之后進(jìn)行冷處理,以消除或減少殘留奧氏體數(shù)量,穩(wěn)定鋼件的尺寸。目前常用的低溫介質(zhì)有:干冰(固體CO2),其最低溫度是-78;液氮,用于-130以下的深冷處理。,五、淬透性與淬硬性 淬透性是評定鋼的淬火質(zhì)量的一個重要參數(shù),它對于鋼材選擇、編制熱處理工藝具有重要意義。淬透性是指以規(guī)定條件下鋼試樣淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。換句話說,淬透性是鋼材的一種屬性,是鋼淬火時獲得馬氏體的能力。對于亞共析鋼,隨著碳的

30、質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,其淬透性提高;但對于過共析鋼,隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高,其淬透性卻降低。,鋼淬火后可以獲得較高硬度,但不同化學(xué)成分的鋼淬火后所得馬氏體組織的硬度值是不相同的。以鋼在理想條件下淬火所能達(dá)到的最高硬度來表征的材料特性稱為淬硬性。淬硬性主要與鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān),與合金元素含量沒有多大關(guān)系,更確切地說,它取決于淬火加熱時固溶于奧氏體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,則鋼的淬硬性越高,鋼淬火后的硬度值也越高。,六、淬火缺陷 工件在淬火加熱和冷卻過程中,由于加熱溫度高,冷卻速度快,很容易產(chǎn)生某些缺陷。因此,在熱處理生產(chǎn)過程中設(shè)法減輕各種缺陷的影響,對提高產(chǎn)品質(zhì)量有實際意義。,1.

31、過熱與過燒 工件加熱溫度偏高,而使晶粒過度長大,以致力學(xué)性能顯著降低的現(xiàn)象稱為過熱。鋼件過熱后,形成的粗大奧氏體晶?？梢酝ㄟ^正火和退火來消除。 工件加熱溫度過高,致使晶界氧化和部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。過燒鋼件淬火后強(qiáng)度低,脆性很大,并且無法補(bǔ)救,只能報廢。 過熱和過燒主要是由于加熱溫度過高或高溫下保溫時間過長引起的,因此,合理確定加熱規(guī)范,嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間可以防止過熱和過燒發(fā)生。,2.氧化與脫碳 工件加熱時,介質(zhì)中的氧、二氧化碳、水蒸氣等與之反應(yīng)生成氧化物的過程稱為氧化。工件加熱時介質(zhì)與工件中的碳發(fā)生反應(yīng),使表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低的現(xiàn)象稱為脫碳。,氧化使鋼件表面燒損,增大表面粗糙度Ra

32、值,減小鋼件尺寸,甚至使鋼件報廢。脫碳使鋼件表面碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,進(jìn)而使其力學(xué)性能下降,容易引起鋼件早期失效。防止氧化與脫碳的措施主要有兩大類:第一類是控制加熱介質(zhì)的化學(xué)成分和性質(zhì),抑制氧化與脫碳反應(yīng),如采用可控氣氛、氮基氣氛等;第二類是鋼件表面進(jìn)行涂層保護(hù)和真空加熱。,3.硬度不足和軟點 鋼件淬火后較大區(qū)域內(nèi)硬度達(dá)不到技術(shù)要求的現(xiàn)象,稱為硬度不足。加熱溫度過低或保溫時間過短,淬火冷卻介質(zhì)冷卻能力不夠,鋼件表面氧化、脫碳等,均容易使鋼件淬火后達(dá)不到要求的硬度值。 鋼件淬火硬化后,其表面許多小區(qū)域存在硬度偏低的現(xiàn)象稱為軟點。 若工件產(chǎn)生硬度不足和大量的軟點,可經(jīng)退火或正火后重新進(jìn)行正確的淬火,即

33、可消除鋼件表面的硬度不足和大量的軟點。,4.變形和開裂 變形是淬火時鋼件產(chǎn)生形狀或尺寸偏差的現(xiàn)象。開裂是淬火時鋼件表層或內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。鋼件產(chǎn)生變形與開裂的主要原因是鋼件在熱處理過程中其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力(包括熱應(yīng)力和相變應(yīng)力)。 熱應(yīng)力是指鋼件加熱和(或)冷卻時,由于不同部位出現(xiàn)溫差而導(dǎo)致熱脹和(或)冷縮不均所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。相變應(yīng)力是指熱處理過程中,因鋼件不同部位組織轉(zhuǎn)變不同步而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。熱應(yīng)力和相變應(yīng)力使工件產(chǎn)生變形的情況如圖2-17所示。,圖2-17熱應(yīng)力和相變應(yīng)力使工件產(chǎn)生變形的情況,鋼件在淬火時,熱應(yīng)力和相變應(yīng)力同時存在,這兩種應(yīng)力總稱為淬火應(yīng)力。當(dāng)淬火應(yīng)力大于鋼的屈服強(qiáng)

34、度時,鋼件就發(fā)生變形;當(dāng)淬火應(yīng)力大于鋼件的抗拉強(qiáng)度時,鋼件就產(chǎn)生開裂。 為了減少鋼件淬火時產(chǎn)生開裂現(xiàn)象,可以從兩方面采取措施:第一,淬火時正確編制加熱溫度、保溫時間和冷卻方式,可以有效地減少鋼件變形和開裂現(xiàn)象;第二,淬火后及時進(jìn)行回火處理。,第五節(jié)回火 一、回火時的組織轉(zhuǎn)變 回火是指工件淬硬后,加熱到Ac1以下的某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻到室溫的熱處理工藝。淬火鋼的組織主要由馬氏體和少量殘留奧氏體組成(有時還有未溶碳化物),其中的馬氏體和殘留奧氏體都是不穩(wěn)定組織,它們有自發(fā)地向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的趨勢,如馬氏體中過飽和的碳原子要析出、殘留奧氏體要分解等。,回火就是為了促進(jìn)這種轉(zhuǎn)變。回火過程是一

35、個由非平衡組織向平衡組織轉(zhuǎn)變的過程,這個過程是依靠原子的遷移和擴(kuò)散進(jìn)行的,所以,回火溫度越高,則原子擴(kuò)散速度越快;反之,原子擴(kuò)散速度越慢。另外,淬火鋼內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力,脆性大,韌性低,一般不能直接使用,如不及時消除,將會引起工件的變形,甚至開裂?；鼗鹗窃诖慊鹬筮M(jìn)行的,通常也是零件進(jìn)行熱處理的最后一道工序,其目的是消除和減小內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定組織,調(diào)整性能,以獲得較好的強(qiáng)度和韌性配合。,一般來說,隨著回火溫度的升高,淬火組織將發(fā)生一系列變化,回火時的組織轉(zhuǎn)變過程一般分為四個階段: 第一階段(200)馬氏體分解,淬火組織經(jīng)過回火轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織。 第二階段(200300)殘留奧氏體分解,淬火組

36、織經(jīng)過回火轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體組織。,第三階段(250400)碳化物析出,淬火組織經(jīng)過回火形成回火托氏體或下貝氏體組織。 第四階段(400)碳化物聚集長大與鐵素體的再結(jié)晶,淬火組織經(jīng)過回火最終形成回火索氏體組織。,由圖2-18可以看出,淬火鋼材隨回火溫度的升高,強(qiáng)度與硬度降低而塑性與韌性提高。,二、回火方法及其應(yīng)用 根據(jù)鋼材在回火時的加熱溫度不同,可將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。 1.低溫回火 低溫回火的溫度范圍是250以下。淬火鋼經(jīng)低溫回火后,獲得的組織為回火馬氏體(M)?；鼗瘃R氏體是過飽和度較低的馬氏體和極細(xì)微碳化物的混合組織。回火馬氏體保持了淬火組織的高硬度和耐磨性,降低了鋼的

37、淬火應(yīng)力,減小了鋼的脆性。淬火鋼經(jīng)低溫回火后,鋼的硬度一般為5862HRC。低溫回火主要用于由高碳鋼、合金工具鋼制造的刃具、量具、冷作模具、滾動軸承及滲碳件、表面淬火件等。,2.中溫回火 中溫回火的溫度范圍是250450。淬火鋼經(jīng)中溫回火后,獲得的組織為回火托氏體(T)?；鼗鹜惺象w是鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)小粒狀(或片狀)碳化物的混合組織。淬火鋼經(jīng)中溫回火降低了淬火應(yīng)力,可以使鋼獲得較高彈性極限和屈服強(qiáng)度,并具有一定的韌性,鋼的硬度一般為3550HRC。中溫回火主要用于處理鋼制彈性元件,如各種卷簧、板簧、彈簧鋼絲等。對于有些受小能量多次沖擊載荷作用的結(jié)構(gòu)件,為了提高強(qiáng)度,增加小能量多次沖擊抗力,也

38、采用中溫回火進(jìn)行處理。,3.高溫回火 高溫回火的溫度范圍是500以上。淬火鋼經(jīng)高溫回火后,獲得的組織為回火索氏體(S)?；鼗鹚魇象w是鐵素體基體上分布著粒狀碳化物的組織。淬火鋼經(jīng)高溫回火后,鋼的淬火應(yīng)力完全消除,強(qiáng)度較高,塑性和韌性提高,具有良好的綜合力學(xué)性能,鋼的硬度一般為200330HBW。,鋼件淬火加高溫回火的復(fù)合熱處理工藝又稱為調(diào)質(zhì)處理,它主要用于處理軸類、連桿、螺栓、齒輪等工件。同時,鋼件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,不僅具有較高的強(qiáng)度和硬度,而且塑性和韌性也明顯比經(jīng)正火處理后高,因此,一些重要的鋼制零件一般都采用調(diào)質(zhì)處理,而不采用正火處理。,調(diào)質(zhì)處理一般作為最終熱處理。鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,鋼的硬度不

39、高,便于切削加工,并能得到較好的表面質(zhì)量,故調(diào)質(zhì)處理也可作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)備熱處理。,第六節(jié)金屬的時效 固溶處理是指工件加熱至適當(dāng)溫度并保溫,使過剩相充分溶解,然后快速冷卻以獲得過飽和固溶體的熱處理工藝。金屬材料經(jīng)過冷加工、熱加工或固溶處理后,在室溫下放置或適當(dāng)升溫加熱時,發(fā)生力學(xué)性能和物理性能隨著時間而變化的現(xiàn)象,稱為時效。在時效過程中金屬材料的顯微組織并不發(fā)生明顯的變化。機(jī)械制造過程中常用的時效方法主要有:自然時效、熱時效、變形時效、振動時效和沉淀硬化時效等。,一、自然時效 自然時效是指金屬材料經(jīng)過冷加工、熱加工或固溶處理后,在室溫下發(fā)生性能隨著時間而變化的現(xiàn)象。例如,鋼鐵鑄件、

40、鍛件、焊接件等在室溫下長時間(半年或幾年)在戶外或室內(nèi)堆放,就是自然時效。利用自然時效可以消除工件內(nèi)的部分殘余應(yīng)力(大約消除10%12%),穩(wěn)定工件的形狀和尺寸。自然時效的優(yōu)點是不使用任何設(shè)備,不消耗能源,但時效周期長,工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力不能完全消除。,二、熱時效 熱時效是指隨著溫度的不同,-Fe中碳的溶解度發(fā)生變化,使鋼的性能發(fā)生改變的過程稱為熱時效。例如,低碳鋼在A1之下加熱,并較快冷卻時,三次滲碳體(Fe3C)來不及析出,形成過飽和的固溶體。在室溫放置過程中,由于碳的溶解度較低,碳以Fe3C的形式,具有從過飽和的固溶體中析出的自然趨勢。由于析出Fe3C從而使鋼的硬度和強(qiáng)度上升,而塑性和韌

41、性下降,如圖2-19所示。,從圖2-19中可以看出,雖然低碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不高,但經(jīng)過時效后,其硬度有時會提高50%,這對低碳鋼進(jìn)行鍛壓加工是不利的。 同時,隨著熱時效溫度的提高,熱時效過程中碳的擴(kuò)散速度也會越來越快,則熱時效的時間也會大大縮短。,三、變形時效 變形時效是指鋼在冷變形后進(jìn)行的時效。鋼經(jīng)冷變形后,在室溫下進(jìn)行自然時效,一般需要放置1516d(較大鋼件需要半年或更長時間);在300左右進(jìn)行熱時效時,則僅需幾分鐘(較大鋼件僅需幾小時)。變形時效也降低鋼(尤其是汽車用板材)的鍛壓加工性能,因此,對于重要的工件,在制造之前需要對所選鋼材進(jìn)行變形時效傾向試驗。,四、振動時效 振動時效是

42、指通過機(jī)械振動(如超聲波)的方式消除、降低或均勻工件內(nèi)殘余應(yīng)力的工藝,又稱振動消除應(yīng)力法。振動時效工藝適用于重要的鑄件、鍛件和焊接件等,在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用。振動時效是借助專用設(shè)備對需要時效的工件施加周期性的動載荷,迫使工件在共振頻率范圍內(nèi)振動,并釋放出內(nèi)部殘余應(yīng)力,從而達(dá)到提高工件的抗疲勞性能和尺寸精度。振動時效具有節(jié)能、效率高(時間僅需1060min)、無氧化與變形等特點,且不受工件尺寸和重量的限制,工件內(nèi)部的殘余應(yīng)力可消除30%,可代替人工時效和自然時效。,五、沉淀硬化時效 沉淀硬化時效是在過飽和固溶體中形成或析出彌散分布的強(qiáng)化相而使金屬材料硬化的熱處理工藝。它是不銹鋼、高溫耐熱合金、

43、高強(qiáng)度鋁合金等的重要強(qiáng)化方法。,第七節(jié)表面熱處理與化學(xué)熱處理 生產(chǎn)中有些零件如齒輪、花鍵軸、活塞銷、凸輪等,要求其表面具有高硬度和高耐磨性,而心部具備一定的強(qiáng)度和足夠的韌性。在這種情況下,單從材料方面去解決是比較困難的。如果選用高碳鋼制作這些零件,經(jīng)過淬火后雖然表面硬度很高,但其心部韌性嚴(yán)重不足,不能滿足特殊需要;相反,如果采用低碳鋼制作這些零件,經(jīng)過淬火后雖然其心部韌性好,但其表面硬度和耐磨性均較低,也不能滿足特殊需要。這時可通過對零件進(jìn)行表面熱處理或化學(xué)熱處理,以滿足上述“表里不一”的性能要求。,一、表面熱處理 表面熱處理是為改變工件表面的組織和性能,僅對其表面進(jìn)行熱處理的工藝。 1.表面

44、淬火和回火 表面淬火是指僅對工件表層進(jìn)行淬火的工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度和高耐磨性,而心部保持較好的塑性和韌性,以提高其在扭轉(zhuǎn)、彎曲、循環(huán)應(yīng)力或在摩擦、沖擊、接觸應(yīng)力等工作條件下的使用壽命,是最常用的表面熱處理工藝之一。,表面淬火不改變工件表面化學(xué)成分,它是采用快速加熱方式,使工件表層迅速奧氏體化,使心部仍處于臨界點Ac1以下,并隨之淬火,從而使工件表面硬化。按加熱方法的不同,表面淬火方法主要有:感應(yīng)淬火、火焰淬火、接觸電阻加熱淬火等。目前生產(chǎn)中應(yīng)用最多的是感應(yīng)淬火和火焰淬火。,(1)感應(yīng)淬火利用感應(yīng)電流通過工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng),使工件表面、局部或整體加熱并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝稱為感應(yīng)

45、淬火。 1)感應(yīng)加熱基本原理。當(dāng)將一個用薄壁純銅管制作的加熱感應(yīng)器(或線圈)通以交流電流時,就會在加熱感應(yīng)器內(nèi)部和周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場。此時如果將鋼件置于此交變磁場中,鋼件受交變磁場的影響,將產(chǎn)生與加熱感應(yīng)器頻率相同的、交變的感應(yīng)電流,并在鋼件中形成一閉合回路,稱為“渦流”。,但是,“渦流”在鋼件內(nèi)的分布是不均勻的,“渦流”在鋼件表面密度大,而在鋼件心部密度卻很小或幾乎沒有。通入加熱感應(yīng)器線圈的電流頻率越高,“渦流”越集中于鋼件的表層,這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”。依靠鋼件表面強(qiáng)大的感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱效應(yīng),可以使鋼件表層在幾秒鐘內(nèi)快速加熱到淬火溫度(約900左右),而鋼件的心部溫度基本不

46、變,然后迅速噴水冷卻,就可以淬硬鋼件表層,這就是感應(yīng)淬火的基本原理,如圖2-20所示。,2)感應(yīng)淬火的特點。感應(yīng)淬火具有工件加熱速度快、時間短,變形小,基本無氧化和無脫碳的特點;工件表面經(jīng)感應(yīng)淬火后,在淬硬的表面層中存在較大的殘余壓應(yīng)力,可以有效地提高工件的疲勞強(qiáng)度;生產(chǎn)率高,易實現(xiàn)機(jī)械化、自動化,適于大批量生產(chǎn)。,3)感應(yīng)淬火的應(yīng)用。感應(yīng)淬火主要用于中碳鋼和中碳合金鋼制造的工件,如40鋼、45鋼、40Cr鋼、40MnB鋼等。感應(yīng)淬火時工件表面的加熱層深度主要取決于交流電流頻率的高低。生產(chǎn)上可通過調(diào)整交流電流頻率獲得不同的淬硬層深度。,根據(jù)交流電流頻率的不同,感應(yīng)淬火分為高頻感應(yīng)淬火、中頻感應(yīng)

47、淬火和工頻感應(yīng)淬火三類。表2-4為感應(yīng)淬火的應(yīng)用范圍。 鋼件感應(yīng)淬火后,需要進(jìn)行低溫回火,其回火溫度比普通低溫回火溫度稍低。生產(chǎn)中有時采用自回火法,即當(dāng)工件淬火冷至200左右時,停止噴水,利用工件中的淬火余熱達(dá)到低溫回火目的。,(2)火焰淬火火焰淬火是利用乙炔-氧或其他可燃?xì)馊紵幕鹧鎸ぜ韺舆M(jìn)行加熱,隨之快速冷卻的淬火工藝,如圖2-21所示。,火焰淬火的淬硬層深度一般為26mm,若淬硬層過深,往往會引起工件表面產(chǎn)生過熱,甚至產(chǎn)生變形與裂紋?；鹧娲慊鸩僮骱啽?不需要特殊設(shè)備,生產(chǎn)成本低,但工件表面淬火質(zhì)量難以控制,生產(chǎn)率低,主要用于單件或小批量生產(chǎn)的各種齒輪、軸、軋輥等。,2.氣相沉積 氣相

48、沉積是利用氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)過程,改變工件表面成分,在工件表面形成具有特殊性能的金屬或化合物涂層的表面處理技術(shù)。氣相沉積按照過程的本質(zhì)可分為化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積兩大類。,(1)化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在一定的溫度下,在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),并在其表面上生成固態(tài)沉積膜的過程。化學(xué)氣相沉積反應(yīng)一般在9001 000的真空下進(jìn)行,目前已在硬質(zhì)合金刀具涂層、鋼制模具涂層以及耐磨件涂層等方面得到應(yīng)用,而且其使用壽命較未涂層前提高310倍。,(2)物理氣相沉積物理氣相沉積是通過真空蒸發(fā)、電離或濺射等過程,產(chǎn)生金屬離子并沉積在工件表面,形成金屬涂層或與反應(yīng)氣體反應(yīng)生成化合物涂層的過

49、程。物理氣相沉積一般在低于600的溫度下進(jìn)行,沉積速度比化學(xué)氣相沉積快,它適用于鋼鐵材料、非鐵金屬、陶瓷、玻璃、塑料等。物理氣相沉積方法有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍?nèi)悺?如圖2-22所示,基板置于高真空(10-3Pa)的玻璃容器中,將欲蒸鍍的金屬放在蒸發(fā)源上,通電加熱蒸鍍金屬,使鍍膜金屬的蒸氣凝結(jié)沉積在基板表面上,這種方法稱為真空蒸鍍。鋁、銅、鎳、銀、金等均可作蒸鍍金屬,真空蒸鍍技術(shù)可用于制作半導(dǎo)體器件、制造切削刀具、生活用品表面裝飾等。,二、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將工件置于適當(dāng)?shù)幕钚越橘|(zhì)中加熱、保溫,使一種或幾種元素滲入到它的表層,以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理與表

50、面淬火相比,其特點是表層不僅有組織的變化,而且還有化學(xué)成分的變化。,化學(xué)熱處理方法很多,通常以滲入元素來命名工藝名稱,如滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硅、滲金屬等。由于滲入元素不同,工件表面處理后獲得的性能也不相同。滲碳、滲氮、碳氮共滲是以提高工件表面硬度和耐磨性為主;滲金屬的主要目的是提高工件表面的耐蝕性和抗氧化性等。,化學(xué)熱處理由分解、吸收和擴(kuò)散三個基本過程組成。分解是指滲入介質(zhì)在高溫下通過化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分解,形成滲入元素的活性原子;吸收是指滲入元素的活性原子被鋼件表面吸附,進(jìn)入晶格內(nèi)形成固溶體或形成化合物;擴(kuò)散是指被吸附的滲入原子由工件表層逐漸向內(nèi)擴(kuò)散,形成一定深度的擴(kuò)散層。目前在機(jī)械制造

51、業(yè)中,最常用的化學(xué)熱處理是滲碳、滲氮和碳氮共滲。,1.滲碳 為提高工件表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并在其中形成一定的碳含量梯度,將工件在滲碳介質(zhì)中加熱、保溫,使碳原子滲入的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳。滲碳層深度一般為0.52.5mm,滲碳層的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(C)=0.8%1.1%。,滲碳所用鋼種一般是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10%0.25%的低碳鋼和低合金鋼,如15鋼、20鋼、20Cr鋼、20CrMnTi鋼等。工件經(jīng)滲碳后,表面硬度等性能并不能達(dá)到技術(shù)要求,還需要進(jìn)行淬火和低溫回火,才能使工件表面獲得高硬度(5664HRC)、高耐磨性和高疲勞強(qiáng)度,而心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的韌性。滲碳工藝被廣泛用于要求表面硬而心

52、部韌的工件上,如齒輪、凸輪軸、活塞銷等工件。,根據(jù)滲碳介質(zhì)的物理狀態(tài)不同,滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳,其中氣體滲碳應(yīng)用最廣泛。氣體滲碳溫度一般為920930。氣體滲碳是工件在氣體滲碳介質(zhì)(甲烷、丙烷、煤油、丙酮、甲醇、天然氣等)中進(jìn)行的滲碳工藝。它是將工件放入密封的加熱爐中(如井式氣體滲碳爐),通入氣體滲碳劑進(jìn)行滲碳的,如圖2-23所示。滲碳時滲碳劑在爐內(nèi)高溫下,分解出的活性碳原子被工件表面吸收,通過碳原子的擴(kuò)散,在工件表面形成一定深度的滲碳層。,圖2-2320CrMnTi鋼制拖拉機(jī)油泵齒輪的氣體滲碳爐及氣體滲碳工藝曲線,滲碳時間根據(jù)工件所要求的滲碳層深度來確定。一般按每小時滲0.

53、20.25mm的速度進(jìn)行估算。實際生產(chǎn)中常用檢驗試棒來確定滲碳的時間。,2.滲氮 在一定溫度下于一定滲氮介質(zhì)中,使氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮。滲氮介質(zhì)有:無水氨氣、氨氣與氫氣、氨氣與氮?dú)?。滲氮層深度一般為0.60.7mm。滲氮的目的是為了提高工件表層的硬度、耐磨性、熱硬性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。,滲氮處理廣泛用于各種高速傳動的精密齒輪、高精度機(jī)床主軸、受循環(huán)應(yīng)力作用下要求高疲勞強(qiáng)度的零件(如高速柴油機(jī)曲軸)以及要求變形小和具有一定耐熱、耐蝕能力的耐磨零件(如閥門)等。但是滲氮層薄而脆,不能承受沖擊和振動,而且滲氮處理生產(chǎn)周期長,生產(chǎn)成本較高。鋼件滲氮后不需淬火就可達(dá)到6872HRC

54、的硬度,目前常用的滲氮方法主要有氣體滲氮和離子滲氮兩種。圖2-24所示是38CrMoAl鋼制機(jī)床主軸兩段氣體滲氮工藝曲線。 對于零件上不需要滲氮的部分可以采用鍍錫或鍍銅保護(hù)措施,也可以預(yù)留1mm的加工余量,在滲氮后磨去。,圖2-2438CrMoAl鋼制機(jī)床主軸,3.碳氮共滲 在奧氏體狀態(tài)下同時將碳、氮原子滲入工件表層,并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。根據(jù)共滲溫度不同,可分為低溫(520580)、中溫(760880)和高溫(900950)碳氮共滲。碳氮共滲的目的主要是提高工件表層的硬度和耐磨性,其共滲層比滲碳層的硬度、耐磨性和抗疲勞性更高,因此碳氮共滲廣泛應(yīng)用于自行車、縫紉機(jī)、儀表零件,齒輪、軸類、模具、量具等的表面處理。,第八節(jié)熱處理新技術(shù)簡介 一、形變熱處理 形變熱處理是將塑性變形與熱處理工藝結(jié)合,以提高工件力學(xué)性能的復(fù)合工藝。工件經(jīng)形變熱處理后,可以獲得形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化綜合效果。這種工藝既可提高鋼的強(qiáng)度,改善其塑性和韌性,又可節(jié)能,因此,在生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如,將鋼加熱至Ac3以上(圖2-25),獲得奧氏體組織,保持一定時間后,冷至一定溫度范圍進(jìn)行形變,然后馬上淬火獲得馬氏體組織