碳鋼熱處理工藝PPT課件

1、一、退火 什么是退火？ 將鋼加熱到相變溫度Ac1以上或以下，保溫以后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）以獲得接近平衡狀態(tài)組織的一種熱處理工藝。 目的： 均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒， 調整硬度，消除內應力和加工硬化 ，改善鋼 的成形和切削加工性能， 為淬火做好組織準備。第1頁/共56頁 （1）按加熱溫度分為臨界溫度以上或以下臨界溫度以上l 完全退火l 擴散退火l 不完全退火l 球化退火臨界溫度以下l 再結晶退火l 去應力退火（2）按冷卻方式 等溫退火 連續(xù)冷卻退火分類分類第2頁/共56頁加熱溫度范圍第3頁/共56頁1.完全退火 概念 將鋼件或鋼材加熱到Ac3以上2030，經(jīng)完全奧氏體化后進行隨爐緩慢

2、冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。 目的 均勻組織，細化晶粒 降低硬度，消除內應力 改善鋼的切削加工性能。 適用鋼材 中碳鋼（消除魏氏組織、晶粒粗大、帶狀組織等） 實際生產(chǎn)中，600出爐空冷。 得到的組織：鐵素體和珠光體第4頁/共56頁2.不完全退火概念 將鋼加熱到Ac1+（3050）保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的：細化組織、降低硬度、改善可加工性，消除內應力 應用：晶粒并未粗化的中、高碳鋼和低合金的鍛軋件第5頁/共56頁3、等溫退火 將奧氏體化后的鋼較快地冷卻到稍低于Ar1溫度等溫，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，再空冷到室溫的熱處理工藝。 縮短退火時間 適用于高碳鋼、合金工具鋼和高合金鋼。（1

3、）概念（2）目的（3）適用鋼種第6頁/共56頁4.球化退火概念將過共析鋼加熱到Ac1+(1020) ，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。目的 讓其中的碳化物球化（粒化）和消除網(wǎng)狀的二次滲碳體。（因此叫做球化退火。）主要適用于共析或過共析的工模具鋼適用鋼種第7頁/共56頁T10鋼球化退火組織 ( 化染 ) 500 第8頁/共56頁4.去應力退火概念 為了消除由于變形加工以及鑄造、焊接過程引起的殘余內應力而進行的退火稱為去應力退火。退火溫度不超過Ac1，一般500650。第9頁/共56頁5.擴散退火（均勻化退火）概念 將工件加熱到略低于固相線的溫度（亞共析鋼通常為10501150），長時間（一般1020

4、h）保溫，然后隨爐緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝。（也叫均勻化退火。）目的均勻鋼內部的化學成分，消除偏析。主要于鑄造后的高合金鋼。適用情況缺點:溫度高，時間長、均勻化退火后晶粒劇烈長大，所以還要經(jīng)過一次完全退火或正火來細化晶粒。第10頁/共56頁二、正火概念 將鋼材或鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫后空冷的熱處理工藝。得到的組織為：索氏體 亞共析鋼的加熱溫度為Ac33050 過共析鋼的加熱溫度為Accm3050。第11頁/共56頁正火與退火的主要區(qū)別 冷卻速度不同，正火冷卻速度較大，得到的珠光體組織很細，因而強度和硬度也較高。 正火不但力學性能高，而且操作簡便，生產(chǎn)周期短，能量耗費少，故在可能的條件下

5、，應優(yōu)先考慮正火處理。應用（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的可加工性能（2）作為最終熱處理，提高工件的力學性能（3）作為中碳和低合金結構鋼重要零件的預備熱熱處理（4）消除熱加工缺陷。第12頁/共56頁三、退火和正火的選用 含碳量0.75鋼，選用球化退火 中碳鋼、合金鋼正火硬度高不易切削，選用完全退火 在要求不高時，盡量選用正火。第13頁/共56頁 3、退火與正火的加熱速度與加熱時間 4、退火與正火零件的硬度誤差范圍第14頁/共56頁三、鋼的淬火概念 將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱到Ac1以上（低于Accm）的溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體的

6、熱處理工藝。目的獲得馬氏體，提高鋼的力學性能。第15頁/共56頁 選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。過共析鋼淬火溫度： 一般為Ac1以上3050圖6-14是碳鋼的淬火溫度范圍。（1）淬火溫度的確定亞共析鋼的淬火溫度： 一般為Ac3以上3050，淬火后獲得均勻細小的馬氏體組織。第16頁/共56頁（2）加熱時間的確定加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時間為升溫時間，并以此作為保溫時間的開始。保溫時間是指零件燒透即完成奧氏體化過程所需要的時間。加熱時間通常根據(jù)經(jīng)驗公式估算或通過實驗確定。生產(chǎn)中往往要通過實驗確定合理的加熱及保溫時間，以保證工件質量。第17頁

7、/共56頁淬火要得到馬氏體組織，同時又要避免產(chǎn)生變形和開裂 在“鼻尖”溫度以上，在保證不出現(xiàn)珠光體類型組織的前提下，可以盡量緩冷； 在“鼻尖”溫度附近則必須快冷，以躲開“鼻尖”，保證不產(chǎn)生非馬氏體相變； 在Ms點附近又可以緩冷，以減輕馬氏體轉變時的相變應力。 常用的淬火冷卻介質是水、鹽或堿的水溶液和各種礦物油、植物油。（3）淬火冷卻介質的確定第18頁/共56頁原則：保證在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減小淬火應力，減少工件變形和開裂傾向。時間時間溫度MsA1單液淬火單液淬火雙液淬火雙液淬火 分級淬火分級淬火 等溫淬火等溫淬火（4）淬火方法第19頁/共56頁1）單液淬火概念 將奧氏體狀態(tài)

8、的工件放入一種淬火介質中一直冷卻到室溫的淬火方法。特點 操作簡單，容易實現(xiàn)機械化適用范圍 形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件。 第20頁/共56頁2）雙液淬火概念 先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強的淬火介質中冷卻至接近Ms點溫度時，再立即轉入冷卻能力較弱的淬火介質中冷卻，直至完成馬氏體轉變。第21頁/共56頁3）分級淬火概念 將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的Ms點的鹽浴或堿浴爐中保溫，當工件內外溫度均勻后，再從浴爐中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉變。第22頁/共56頁4）等溫淬火 將奧氏體化后的工件在稍高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。第23頁/共56頁

9、5、局部淬火法 如6-26 對某些零件，如果只是在某些部位要求高硬度，可進行局部加熱和淬火，以避免其他部分產(chǎn)生變形和裂紋。第24頁/共56頁（5）鋼的淬透性1）淬透性的概念指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，鋼的淬透性大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深度來表示。通常采用從淬火工件表面到半馬氏體區(qū)距離作為淬透層深度。2）鋼的淬硬性指淬火成馬氏體后得到的最高硬度主要取決于含碳量，與合金元素沒有多大關系淬透性好的鋼，淬硬性不一定好第25頁/共56頁 試驗時，先將標準試樣加熱至奧氏體化溫度，停留3040min，然后迅速放在端淬試驗臺上噴水冷卻。3）淬透性的測定及其表示方法淬透性的測定方法很多

10、，有臨界淬火直徑法圖和末端淬火法。應用得最廣泛的是“末端淬火法”，簡稱端淬試驗第26頁/共56頁3、淬透性對力學性能的影響 一個零件如果淬透了，不論是淬火還是淬火+回火，整個截面各處性能是均與一致的 但是如果未淬透，則截面各處的組織和性能都不均勻。未淬透鋼未淬透鋼淬透鋼淬透鋼第27頁/共56頁4、 影響淬透性的因素 1、化學成分的影響 在亞共析鋼里，淬透性隨著含碳量的增大而增大。 在過共析鋼里，淬透性隨著含碳量的增大而減小。 2、奧氏體化的影響 奧氏體化溫度越高，保溫時間越長，由于奧氏體晶粒粗大、成分均勻，各種碳化物溶解徹底，使過冷奧氏體越穩(wěn)定，淬火臨界冷卻速度小，故鋼的淬透性越好。第28頁/

11、共56頁5影響具體零件有效淬透深度的因素 1、鋼的淬透性越大，零件的有效淬透深度也越大 2、淬火介質的冷卻能力越大，零件的有效淬透深度也越大 3、零件的體積越大，則有效淬透深度越小 4、零件不同部位對冷卻速度有很大的影響 5、零件表面若粘附有塑料、銹斑及污物，會影響覆蓋處的冷卻速度，使該處淬硬層淺，甚至淬不硬，形成軟點。第29頁/共56頁6、淬火缺陷及其防止措施 1變形與開裂 2氧化和脫碳 3過熱和過燒 4硬度不足和軟墊第30頁/共56頁四、鋼的回火 什么是回火？ 淬火后再將工件加熱到Ac1溫度以下某一溫度，保溫后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。 一般是緊接淬火以后的熱處理工藝。 淬火后回火目的

12、 降低或消除內應力，以防止工件開裂和變形； 減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸； 調整工件的內部組織和性能，以滿足工件的 使用要求。 第31頁/共56頁低溫回火 150250 特別適合刀具、量具、滾動軸承和高頻表面淬火工件。大部分材料是淬火高碳鋼和高碳合金鋼中溫回火 350500 主要用于各種彈簧零件和熱鍛磨具。高溫回火 500650 主要適用于中碳結構鋼和低合金結構鋼，用來制作曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車半軸、機場主軸、齒輪等淬火加高溫回火又稱調質處理回火工藝 按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低溫回火，中溫回火、高溫回火。 按照回火溫度和工件所要求的性能，一般將回火分為三類第32頁/共5

13、6頁五、鋼的表面淬火什么是表面淬火？ 僅對鋼的表面快速加熱、冷卻，把表面淬成馬氏體，心部組織不變的熱處理工藝。注意：表面熱處理不改變鋼的成分。按加熱方式可分為 感應加熱 火焰加熱 電接觸加熱 電解加熱第33頁/共56頁 加熱器通入電流，工件表面在幾秒鐘之內迅速加熱到遠高于Ac3以上的溫度，接著迅速冷卻工件（例如向加熱了的工件噴水冷卻）表面，在零件表面獲得一定深度的硬化層。 第34頁/共56頁 1. 感應加熱 感應線圈通以交流電時，就會在它的內部和周圍產(chǎn)生與交流頻率相同的交變磁場。若把工件置于感應磁場中，則其內部將產(chǎn)生感應電流并由于電阻的作用被加熱。 感應電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零，

14、這種現(xiàn)象稱為集膚效應。 電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關。如下式所示： 通過頻率的選用可以得到不同工件所要求的淬硬層深度。 電流頻率越高，感應電流透入深度越淺，加熱層也越薄。第35頁/共56頁第一類 高頻感應加熱淬火 常用電流頻率：801000kHz 淬硬層深度： 0.52.0mm 應用：適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件等。第二類 中頻感應加熱淬火 常用電流頻率：25008000Hz 淬硬層深度： 210mm 應用：適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。第三類 工頻感應加熱淬火 電流頻率：50赫茲 淬硬層深度：可達1015mm 應用：適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋

15、輥、火車車輪等的表面淬火。感應加熱表面淬火的分類據(jù)電流頻率的不同，可將感應加熱表面淬火分為三類：第36頁/共56頁感應加熱適用的材料 中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。 這些鋼經(jīng)預先熱處理（正火或調質處理）后再表面淬火，心部有較高的綜合機械性能，表面也有較高的硬度和耐磨性。 鑄鐵也是適合于表面淬火的材料第37頁/共56頁感應加熱表面淬火的特點 由于感應加熱速度極快，過熱度增大，使鋼的臨界點升高，故感應加熱淬火溫度(工件表面溫度)高于一般淬火溫度。 由于感應加熱速度快，奧氏體晶粒不易長大，淬火后獲得非常細小的隱晶馬氏體組織，使工件表層硬度比普通淬火高2HRC3HRC，耐磨性也

16、有較大提高。 表面淬火后，淬硬層中馬氏體的比體積較原始組織大，因此表層存在很大的殘余壓應力，能顯著提高零件的彎曲、抗扭疲勞強度。小尺寸零件可提高23 倍，大尺寸零件可提高20%30%。由于感應加熱速度快、時間短，故淬火后無氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小，易于實現(xiàn)機械化與自動化。第38頁/共56頁2火焰加熱表面淬火 火焰加熱淬火是火焰加熱溫度很高（約3000以上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過調節(jié)燒嘴的位置和移動速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。 用乙炔氧或煤氣氧等火焰直接加熱工件表面，然后立即噴水冷卻，以獲得表面硬化效果的淬火方法。特點概念第39頁/共56頁3其它類型的表面淬火（1）電接觸

17、加熱表面淬火 利用觸頭和工件間的接觸電阻在通以大電流時產(chǎn)生的電阻熱，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，當電極移開，借工件本身來加熱部分的熱傳導來淬火冷卻的熱處理工藝稱為電接觸加熱表面淬火。（2）激光熱處理 激光熱處理開始于七十年代，它是將激光器發(fā)射出的激光對準處理工件進行掃描加熱，一般加熱以后空氣中冷卻。 第40頁/共56頁六、化學熱處理 化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學成分和組織，達到改進表面性能，滿足技術要求的熱處理過程。 常用的化學熱處理有滲碳、滲氮（俗稱氮化）、碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等。還有滲硫、滲硼、滲鋁、滲釩、滲鉻等。 發(fā)蘭

18、、磷化可以歸為表面處理，不屬于化學熱處理。 化學熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本過程。 第41頁/共56頁1滲碳 滲碳就是將低碳鋼放入高碳介質中加熱、保溫，以獲得高碳表層的化學熱處理工藝。 滲碳的主要目的是提高零件表層的含碳量，以便大大提高表層硬度，增強零件的抗磨損能力，同時保持心部的良好韌性。 與表面淬火相比，滲碳主要用于那些對表面有較高耐磨性要求，并承受較大沖擊載荷的零件。 滲碳用鋼為低碳鋼及低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。含碳量提高，將降低工件心部的韌性。 第42頁/共56頁 （1）滲碳方法 根據(jù)使用時滲碳劑的不同狀態(tài)，滲碳方

19、法可以分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種，常用的是前兩種，尤其是氣體滲碳。a）氣體滲碳 是將工件置于密封的氣體滲碳爐內，加熱到900以上（一般900950），使鋼奧氏體化，向爐內滴入易分解的有機液體（如煤油、苯、甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入滲碳氣氛通過在鋼的表面上發(fā)生反應，形成活性碳原子。反應如下： 第43頁/共56頁鋼的氣體滲碳圖5-29 氣體滲碳爐第44頁/共56頁 b）固體滲碳 是將工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好，然后放在爐中加熱至900950，保溫足夠長時間，得到一定厚度的滲碳層。 固體滲碳劑通常是一定粒度的木炭與15%20%的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）的

20、混合物。木炭提供滲碳所需要的活性炭原子，碳酸鹽起催化作用，反應如下：第45頁/共56頁鋼的固體滲碳零件零件滲碳劑滲碳劑試棒試棒蓋蓋泥封泥封滲碳箱滲碳箱圖5-30 鋼的固體滲碳爐第46頁/共56頁 （2）滲碳工藝及組織 滲碳處理的工藝參數(shù)是滲碳溫度和滲碳時間。 由于奧氏體的溶碳能力較大，因此滲碳溫度必須高于Ac3溫度。加熱溫度越高，則滲碳速度越快，滲碳層越厚，生產(chǎn)率也越高。但為了避免奧氏體晶粒過分長大，所以滲碳溫度不能太高，通常為900950。 在溫度一定的情況下，滲碳時間取決于滲碳層的厚度。 第47頁/共56頁 下表是不同滲碳溫度下，不同滲碳時間的滲層厚度。 第48頁/共56頁 （3）滲碳后的

21、熱處理滲碳工藝的加熱溫度高，時間較長，還需淬火才能達到硬度要求，所以鋼滲碳以后必須進行熱處理才能達到預期目的。如汽車、機車、礦山機械、起重機械等用的大量傳動齒輪都采用滲碳熱處理工藝提高其耐磨損性能。 滲碳件的熱處理方法有三種，如圖6-21所示。 （a）預冷直接淬火法 （b）預冷一次淬火法 （c）預冷二次淬火法第49頁/共56頁2滲氮（氮化） 滲氮工藝又叫氮化。它的主要目的是提高零件表層含氮量以增強表面硬度和耐磨性、提高疲勞強度和抗蝕性。 （1）氮化工藝a）氣體氮化。b）離子氮化。 與氣體氮化相比，離子氮化的特點是處理周期短，僅為氣體氮化的1/31/4（例如38CrMoAl鋼，氮化層深度若達到0.350.7mm，氣體氮化一般需70小時，而離子氮化僅需1520小時），零件的表面不易形成連續(xù)的白色脆性層。第50頁/共56頁 （2）氮化后的組織和性能 氮化后零件表面硬度比滲碳的還高，耐磨損性能很好，同時滲層一般處于壓應力，疲勞強度高，但脆性較大。氮化層還具有一定的抗蝕性能。氮化后零件變形很小，通常毋需再加工，也不必再熱處理強化。適合于要求處理精度高、沖擊載荷小、抗磨損能力強的零件，如一些精密零件、精密齒輪都可用氮化工藝處理。 （3）快速深層氮化新工藝 近年來發(fā)展出來一種快速深層