熱處理培訓(xùn)課件

1、金屬材料熱處理基礎(chǔ)知識黃勝洲黃勝洲2012-04-25熱處理與其加工方法特點：熱處理與其加工方法特點：它只改變金屬材料的組織和性能，而不改變其形狀和尺寸。 熱處理的作用日趨重要熱處理的作用日趨重要：因為現(xiàn)代機器制造對金屬材料的性能不斷提出更高的要求，如果完全依賴原材料的原始性能來滿足這些要求，常常是不經(jīng)濟的，甚至是不可能的。熱處理可提高零件的強度、硬度、韌性、彈性，同時，還可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。熱處理是改善原材料或毛坯的工藝性能、保證產(chǎn)品質(zhì)量、延長使用壽命、挖掘材料潛力不可缺少的工藝方法。熱處理在機械制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。熱處理在機械制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。在機床制造中要

2、進行熱處理的零件占6070；在汽車、拖拉機制造中占7080；在各類工具(刃具、模具、量具等)和滾動軸承制造中，100的需要進行熱處理。1-1 1-1 熱處理概況熱處理概況2-1 2-1 鋼的熱處理鋼的熱處理 熱處理（熱處理（heat treatment）將鋼在將鋼在固態(tài)固態(tài)下，通過適當?shù)南?，通過適當?shù)姆绞竭M行方式進行加熱、保溫和冷卻加熱、保溫和冷卻，以改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料性能（從而改善材料性能（工藝性工藝性能和使用性能能和使用性能）的一種工藝）的一種工藝方法。方法。 熱處理起作用的主要因素：熱處理起作用的主要因素：時間、溫度和冷卻速度時間、溫度和冷卻速度加

3、熱加熱保溫保溫冷卻冷卻溫度溫度時間時間臨界溫度臨界溫度熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線3 3-1-1鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 鐵 碳含量2%-弱而脆鐵碳合金 鐵素體碳熔于鐵或鐵中的固溶體 F 鋼 奧氏體碳熔于鐵中的固溶體 A 滲碳體鐵碳金屬化合物含碳6.67% Fe3C強而韌碳含量0.02%-2%3 3- -2 2Fe-FeFe-Fe3 3C C的平衡相圖的平衡相圖(1)C點 共晶點 含碳量為4.3%的合金熔熱冷至此點時，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。(2)S點 共析點 含碳量為0.77%的合金熔熱冷至此點時，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。(3)ABCD線 液相線(4)AHJECF線 固相線。(5)G

4、S線 又稱A3線，從奧氏體中析出鐵索體的曲線，相變 時，奧氏體成分沿此線向S點變化。(6)ES線 又稱Acm線，碳在奧氏體中固溶線，其最大溶解度是1148時的2.11%(E點)。奧氏體冷至此線開始析出Fe3C，稱為二次滲碳體，記為Fe3C，以區(qū)別于從液體中直接結(jié)晶出的一次滲碳體。(7)PQ線 碳在鐵索體中固溶線，其最大溶解度是727時的0.02(P點)。鐵索體冷至此線時將析出二次相Fe3C，稱三次滲碳體。簡化的平衡相圖1. 共析鋼A、結(jié)晶過程B、 顯微組織2. 亞共析鋼A、結(jié)晶過程B、 顯微組織 P+F3.過共析鋼A、結(jié)晶過程B、 顯微組織 P+Fe3C4.亞共晶白口鑄鐵A、結(jié)晶過程B、 顯微

5、組織萊氏體滲碳體珠光體5.過共晶白口鑄鐵A、結(jié)晶過程B、顯微組織滲碳體萊氏體一、熱處理的工藝方法一、熱處理的工藝方法 二、熱處理工藝的依據(jù)二、熱處理工藝的依據(jù) 鐵碳合金狀態(tài)圖 大多數(shù)熱處理是要將鋼加熱到臨界溫度以上，使原有組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體奧氏體后，再以不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變成不同的組織，并獲得所需要的性能。鐵碳合金狀態(tài)圖中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度曲線A1、A3、Acm，是在極其緩慢地加熱或冷卻條件下測定出來的，而在熱處理中的加熱和冷卻大多不是極其緩慢的，故實際轉(zhuǎn)變溫度比狀態(tài)圖上的臨界溫度有一定的滯后現(xiàn)象，也就是通常所說的需要有一定的過熱或過冷，轉(zhuǎn)變才能充分進行。為了便于熱處理時使用鐵碳合金狀態(tài)圖，

6、通常將加熱時實際臨界溫度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；將冷卻時實際臨界溫度的位置用Ar1、Ar3、Arcm表示， 4 41 1 退火和正火退火和正火一、退火一、退火 （annealing）退火退火是將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋人灰中使其緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火的目的：退火的目的：退火主要用于鑄件、鍛件、焊件及其它毛坯的預(yù)備熱處理。(1)降低硬度，以利于切削加工或其它種類加工；(2)細化晶粒，提高鋼的塑性和韌性；(3)消除內(nèi)應(yīng)力，并為淬火工序作好準備。根據(jù)退火的具體目的不同，工藝方法有：根據(jù)退火的具體目的不同，工藝方法有：(1)完全退火 (2)球化退火 (3)低

7、溫退火 退火過程中的組織變化(1)完全退火 概念：概念： 將亞共析鋼亞共析鋼加熱到Ac以上3050，保溫后緩慢冷卻。為了提高生產(chǎn)率，也可在緩慢冷卻到500以下時從爐內(nèi)取出，使其在空氣中冷卻到室溫。 完全退火主要用途：完全退火主要用途： 鑄鋼件和重要鍛件，有時也用于淬火返修件。 因為鑄鋼件鑄態(tài)下晶粒粗大，塑性、韌性較低；鍛件因鍛造時變形不均勻，外部和內(nèi)部溫差大，致使晶粒和組織不均，且有內(nèi)應(yīng)力，故硬度偏高，塑性、韌性不足，容易產(chǎn)生裂紋和變形。上述問題可通過完全退火來解決。 完全退火的原理：完全退火的原理： 鋼件被加熱到Ac3以上時，呈完全奧氏體狀態(tài)。由于初始形成的奧氏體晶粒非常細小，待經(jīng)過Ar3線

8、緩慢冷卻時，通過“重結(jié)晶”使鋼件獲得細小晶粒，并消除了內(nèi)應(yīng)力。注意：注意：必須嚴格控制退火加熱溫度，若加熱溫度過高，則奧氏體晶 粒將急劇長大，冷卻后仍然是粗大晶粒。(2)球化退火主要用于過共析鋼鍛件 球化退火的目的球化退火的目的降低硬度，改善切削加工性，并為淬火作好準備。過共析鋼經(jīng)過鍛造以后，其珠光體晶粒粗大，且存有少量網(wǎng)狀二次滲碳體，致使硬度高、脆性大，進行切削加工時易磨損刀具，淬火時容易產(chǎn)生裂紋和變形，這些問題可通過球化退火予以解決。球化退火的原理球化退火的原理球化退火時，將鋼加熱到Ac1以上2030，此時，初始形成的奧氏體內(nèi)及其晶界上尚存有少量未完全溶解的滲碳體。在隨后的冷卻過程中，從奧

9、氏體中經(jīng)共析反應(yīng)析出的滲碳體以未溶滲碳體為晶核，呈球狀析出，分布在鐵素體基體之上，這種組織稱為球化體。它是人們對淬火前過共析鋼最期望的組織，因為車削片狀珠光體時，容易磨損刀具，而球狀珠光體硬度低，節(jié)省刀具。注：在球化退火時奧氏化是“不完全”的，只是片狀珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，及少量過剩碳化物溶解。因此，它不能消除網(wǎng)狀碳化物，如過共析鋼有網(wǎng)狀碳化物存在，則在球化退火前須先進行正火，將其消除，才能保證球化退火正常進行。(3)低溫退火概念：概念： 它是將鋼加熱到Ac1以下，保溫后緩冷。由于加熱溫度低于臨界溫度，因而鋼未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。 應(yīng)力退火應(yīng)力退火當退火主要用于消除工件內(nèi)應(yīng)力時，稱為去應(yīng)力退火。此時將

10、工件加熱到500650，進行較長時間保溫，通過原子擴散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。去應(yīng)力退火主要用于部分鑄件、鍛件及焊件，有時也用于精密零件的切削加工，以去除粗加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止工件產(chǎn)生變形。 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火低溫退火在用于消除冷變形(冷拔、冷軋、冷沖等)所產(chǎn)生的加工硬化時，稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火的加熱溫度應(yīng)為鋼的再結(jié)晶溫度以上150250，即650750，保溫后空冷。再結(jié)晶退火時，通過“再結(jié)晶”可獲得均勻而細小的等軸晶粒，從而降低硬度，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)進行上述的冷變形。均勻化均勻化退火退火正火正火：加熱到：加熱到AC3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或ACcm（共析、過共析鋼）以上（共

11、析、過共析鋼）以上3050 保溫保溫空冷空冷細珠光體細珠光體（P）正火和完全退火的作用相似。正火和完全退火的作用相似。它也是將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進行重結(jié)晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和它也是將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進行重結(jié)晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問題。但正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的組織不均問題。但正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的(FFe3C)機械混合物比退火機械混合物比退火得到的珠光體片層更薄，強度、硬度較退火得到的珠光體高，但韌性并未下降。得到的珠光體片層更薄，強度、硬度較退火得到的珠光體高，但韌性并未下降。正火目的正火目的1.取代部分完全退火取代部分完全

12、退火。正火是在爐外冷卻，占用設(shè)備時間短，生產(chǎn)率高，故應(yīng)盡量用正火取代退火正火是在爐外冷卻，占用設(shè)備時間短，生產(chǎn)率高，故應(yīng)盡量用正火取代退火(如低碳鋼如低碳鋼和含碳較低的中碳鋼和含碳較低的中碳鋼)。必須看到，含碳較高的鋼，正火后硬度過高，使切削加工性變。必須看到，含碳較高的鋼，正火后硬度過高，使切削加工性變差，且正火難以消除內(nèi)應(yīng)力，因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復(fù)雜件仍以退火為宜。差，且正火難以消除內(nèi)應(yīng)力，因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復(fù)雜件仍以退火為宜。2.用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理3. 為球化退火作準備為球化退火作準備。用于過共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作

13、準備。用于過共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作準備。二、正火（二、正火（normalizing）4 42 2淬火和回火淬火和回火一、淬火（一、淬火（ hardenning ）將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝?，F(xiàn)以共析鋼為例，分析淬火時鋼的組織轉(zhuǎn)變。如前所述，共析鋼被加熱到Ac1以上，將全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。奧氏體若在緩慢冷卻條件下，經(jīng)過S點時將轉(zhuǎn)變成鐵素體和滲碳體的機械混合物珠光體。然而，淬火時的冷卻速度極快，奧氏體僅能發(fā)生-Fe向-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變，而-Fe中的過飽和碳原子在低溫下卻難以從晶格內(nèi)擴散出去，這樣就形成了碳

14、在-Fe中的嚴重過飽和固溶體，這種嚴重過飽和固溶體稱作馬氏體，以符號“M”表示。馬氏體中的碳在-Fe的晶格中嚴重過飽和，致使晶格發(fā)生嚴重的畸變，增加了變形的抗力，因此馬氏體通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韌性很差。馬氏體的實際硬度與鋼的含碳量密切相關(guān)。含碳愈高，晶格畸變加大，鋼的硬度愈高，因此，要求高硬度和高耐磨性的工件多采用中、高碳鋼來制造。二、回火（二、回火（ tempering ） 回火：回火：將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝，稱為回火。 回火的主要目的：回火的主要目的：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，以降低鋼的脆性，防止產(chǎn)生裂紋，同時使鋼獲得所需的力學(xué)性能。 原理：原理：淬

15、火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下被強制形成的不穩(wěn)定組織，因而具有重新轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定組織的自發(fā)趨勢?；鼗饡r，由于被重新加熱，原子活動能力加強，所以隨著溫度的升高，馬氏體中過飽和的碳將以碳化物形式析出?？偟内厔菔腔鼗饻囟扔?，析出的碳化物愈多，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性升高。根據(jù)回火溫度的不同，可將鋼的回火分為如下三種：(1)低溫回火低溫回火(150250)：目的目的是降低淬火鋼的內(nèi)應(yīng)力和脆性，但基本保持淬火所獲得的高硬度(5664HRC)和高的耐磨性。淬火后低溫回火用途最廣，主要用于工具鋼的熱處理，如各種刃具、模具、滾動軸承和耐磨件等。(2)中溫回火中溫回火(350500)：目的目的是使鋼獲

16、得高彈性，保持較高硬度(3550HRC)和一定的韌性。中溫回火主要用于各種彈簧、發(fā)條、鍛模等。(3)高溫回火高溫回火(500650)：淬火后高溫回火的熱處理合稱調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛用于承受疲勞載荷的中碳鋼重要件，如連桿、曲軸、主軸、齒輪、重要螺釘?shù)取Ｆ溆捕葹?035HRC。這是由于調(diào)質(zhì)處理后其滲碳體呈細粒狀(細球狀)，與正火后的片狀滲碳體組織相比。在載荷下不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鋼的韌性顯著提高，因此，調(diào)質(zhì)處理的鋼可獲得調(diào)質(zhì)處理的鋼可獲得強度及韌性都較好的綜合力學(xué)性能。強度及韌性都較好的綜合力學(xué)性能。5 51 1表面淬火表面淬火和化學(xué)熱處理和化學(xué)熱處理一、表面淬火（一、表面淬火（surf

17、ace hardening）表面淬火：表面淬火：是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。表面淬火時通過快速加熱，使鋼件表面層很快達到淬火溫度，在熱量來不及傳到工件心部就立即冷卻，實現(xiàn)局部淬火。表面淬火的目的：表面淬火的目的：在于獲得高硬度、高耐磨性的表層，而心部仍保持原有的良好韌性，常用于機床主軸、齒輪，發(fā)動機的曲軸等。表面淬火所采用的快速加熱方法：表面淬火所采用的快速加熱方法：電感應(yīng)、火焰、電接觸、激光等，目前應(yīng)用最廣的是電感應(yīng)加熱法。 感應(yīng)加熱表面淬火法感應(yīng)加熱表面淬火法就是在一個感應(yīng)線圈中通以一定頻率的交流電(有高頻、中頻、工頻三種)，使感應(yīng)圈周圍產(chǎn)生

18、頻率相同的交變磁場，置于磁場之中的工件就會產(chǎn)生與感應(yīng)線圈頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流，這個電流叫作渦流。由于集膚效應(yīng)，渦流主要集中在工件表層。渦流所產(chǎn)生的電阻熱使工件表層被迅速加熱到淬火溫度，隨即向工件噴水，將工件表層淬硬。 感應(yīng)電流的頻率頻率愈高，集膚效應(yīng)愈強烈，故高頻感應(yīng)加熱用途最廣。高頻感應(yīng)加熱常用頻率為200300kHz，其加熱速度極快，通常只有幾秒鐘，淬硬層深度一般為0.52mm。主要用于要求淬硬層較薄的中、小型零件，如齒輪、軸等。二、化學(xué)熱處理二、化學(xué)熱處理（ thermo-chemical treatment ） 化學(xué)熱處理：化學(xué)熱處理：是將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲人工件表層，以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而獲得所需的力學(xué)性能或理化性能。 改變表面成分改變表面成分組織和性能改變組織和性能改變 作用：作用：提高工件表面硬度、耐磨性，耐熱、耐蝕等。提高工件表面