鐵碳相圖與鋼的熱處理

1、鋼的熱處理 鐵碳相圖和鋼的熱處理1 鐵碳相圖2 鋼的熱處理2.1 鋼在加熱和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變2.2 鋼的整體熱處理工藝2.3 鋼的表面熱處理工藝純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 -Fe -Fe -Fe BCC (912) FCC (1394) BCC金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變?yōu)槠錈崽幚硖峁┗A(chǔ)1 鐵碳相圖鐵碳合金中的基本相鐵碳合金中的三個(gè)基本相： 鐵素體（F） 奧氏體（A） 滲碳體（ Fe3C ）以機(jī)械混合物的形式結(jié)合： 珠光體（P）、萊氏體（Ld)。鐵碳合金中的基本相 1、鐵素體（ferrite） 其晶格間隙的直徑小，所以溶碳量很小，最多只有0.0218%(727時(shí))，室溫時(shí)幾乎為0。性能與純鐵相似，塑性、韌性好，而

2、強(qiáng)度、硬度低，并有鐵磁性。組織鐵碳合金中的基本相 2、奧氏體（Austenite ）其晶格間隙直徑較大，故溶碳量較大，最多有2.11%(1148時(shí))，727時(shí)為0.77%。在一般情況下，是一種高溫組織，故奧氏體的硬度低、塑性較高，通常在對(duì)鋼鐵材料進(jìn)行熱變形加工。組織：與鐵素體相似，但晶界較為平直，且常有孿晶存在。鐵碳合金中的基本相 3、滲碳體（Cementite）滲碳體是鐵和碳形成的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的金屬化合物，用化學(xué)分子式“Fe3C”表示。質(zhì)硬而脆，耐腐蝕。滲碳體是鋼中的強(qiáng)化相鐵碳合金相圖鐵和碳可以形成一系列化合物，如Fe3C、Fe2C、FeC等，由于實(shí)際使用的鐵碳合金其含碳量多在5%以下，所以

3、在鐵碳合金相圖中只需研究Fe-Fe3C部分，因此鐵碳合金相圖實(shí)際上就是Fe-Fe3C相圖。鐵碳合金相圖2 鋼的熱處理鋼的熱處理： 加熱-保溫-冷卻 三步按工藝不同可將熱處理分為如下幾類： 感應(yīng)加熱 退火 表面淬火 普通熱處理 正火 表面熱處理 火焰加熱 淬火 滲碳 回火 化學(xué)熱處理 滲氮 碳氮共滲轉(zhuǎn)變溫度臨界溫度平衡時(shí)：A1 、 A3、 Acm加熱時(shí)：Ac1、Ac3、Accm 冷卻時(shí)：Ar1、Ar3、Arcm2.1 鋼在加熱和冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變一、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變 1.奧氏體的形成 鋼在加熱時(shí)奧氏體的形成過程又稱為奧氏體化。以共析鋼的奧氏體形成過程為例。亞共析鋼的加熱過程： 過共析鋼的加熱過程： 熱

4、加保溫時(shí)間溫度臨界溫度A1連續(xù)冷卻等溫冷卻二、鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變過冷奧氏體的兩種冷卻方式1、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變TTT圖珠光體轉(zhuǎn)變：擴(kuò)散相變(A1550, AP（F+Fe3C）)1）在A1650形成的珠光體 ，因?yàn)檫^冷度小，片間距較大(0.4m)，稱為珠光體（P）。2）在650600形成片間距較小的珠光體(0.20.4m)，稱為索氏體，用字母S表示。3）在600550形成片層間距極小的珠光體(0.2m) ，稱為托氏體，用字母T表示。貝氏體轉(zhuǎn)變：半擴(kuò)散相變（C）550Ms, AB)上貝氏體：550350，碳原子有一定的擴(kuò)散能力。強(qiáng)度、硬度高，塑性較低，脆性大。下貝氏體：350Ms

5、，碳原子難以擴(kuò)散。在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀，綜合力學(xué)性能良好。 常溫組織：上貝氏體：過飽和片狀F滲碳體 下貝氏體：過飽和針狀F彌散-Fe2.4C馬氏體轉(zhuǎn)變：非擴(kuò)散相變，Ms以下, AM 低碳(1.0%)馬氏體：片狀_硬而脆，硬度6065HRC，韌性低，脆性大，塑性低。 立體形態(tài)呈雙凸透鏡狀 T12鋼，4002、過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 CCT曲線只有P、M轉(zhuǎn)變 vk為臨界冷卻速度 過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻中的應(yīng)用2.2 鋼的整體熱處理工藝1.退火 退火是將鋼加熱到臨界點(diǎn)Ac1以上或以下溫度，保溫后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。退火分類加熱溫度冷卻方式主要目的適用范圍完

6、全退火A3線以上30-50C緩冷消除粗晶和不均勻組織亞共析鋼球化退火A1線以上20-40C緩冷到600 度再空冷將片狀P變?yōu)榍驙頟過共析鋼等溫退火A3線以上30-50C快冷到A1線以下保溫獲得均勻組織合金鋼高合金鋼擴(kuò)散退火A3線以上150-250C緩冷消除偏析合金鋼鑄錠鑄件去應(yīng)力退火A1線以下600-650C緩冷消除殘余應(yīng)力鑄、鍛、焊件再結(jié)晶退火再結(jié)晶以上150C緩冷消除加工硬化冷塑性變形件2.正火 正火是將剛加熱到Ac3(或Acm)以上適當(dāng)溫度，保溫后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。鋼的種類正 火 主 要 目 的低碳低合金鋼消除過熱組織、細(xì)化晶粒、改善切削性中碳鋼消除組織缺陷、保持

7、硬度、為調(diào)質(zhì)做準(zhǔn)備過共析鋼消除網(wǎng)狀二次滲碳體、為球化退火和淬火做準(zhǔn)備高合金鋼淬火作用（空淬）3.淬火 淬火時(shí)將鋼加熱至Ac3或Ac1以上3050C，保溫一定時(shí)間使其奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的速度冷卻得到馬氏體(或下貝氏體)的工藝。目的：提高機(jī)件強(qiáng)度及耐磨性。但淬火后引起內(nèi)引力，使剛變脆，所以淬火后必須回火。淬火后組織：亞共析鋼細(xì)小M；共析和過共析鋼M和粒狀Fe3C。淬火冷卻介質(zhì) 先水淬再油淬常用淬火方法鋼的淬透性 通常將淬火件表面至半馬氏體區(qū)的距離作為淬透層深度。C曲線位置越偏右，臨界冷卻速度越小，過冷奧氏體越穩(wěn)定，淬透性越好。除Co外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。鋼的淬硬性

8、 指鋼在淬火時(shí)的硬化能力。4.回火 回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過程。目的：消除M和A的不穩(wěn)定性及內(nèi)應(yīng)力，并促使M轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織，降低淬火鋼的脆性和內(nèi)應(yīng)力，改善韌性?；鼗鸱诸惣皯?yīng)用： 調(diào)質(zhì)回火種類加熱溫度達(dá)到的硬度應(yīng)用范圍低溫回火150-200CHRC60刃具、模具中溫回火350-500CHRC35-50彈簧高溫回火500-650CHRC20重要結(jié)構(gòu)件回火脆性 回火時(shí)沖擊韌性下降的現(xiàn)象 低溫回火脆性，不在該溫度區(qū)間回火或使用含Si的鋼，可防止。不可逆高溫回火脆性，由雜質(zhì)和合金元素在晶界處偏聚而造成的?；鼗鹂炖浠蚣覯o、W等可以消除?？?/p>

9、逆整 體 熱 處 理 工 藝 曲 線2.3 鋼的表面熱處理工藝1.表面淬火 定義：僅對(duì)工件表面進(jìn)行淬火（+回火）的熱處理工藝 目的：強(qiáng)化表面，并使工件心部保持足夠的塑性和韌性應(yīng)用：齒輪、凸輪、曲軸、軋輥等只需表面淬硬的工件 機(jī)床導(dǎo)軌等大型、復(fù)雜工件只能表面淬硬的工件表面淬火用鋼：中碳成分的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼方法：感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火、激光淬火感應(yīng)加熱表面淬火 工作原理 淬硬層深度 （mm）分類高頻感應(yīng)加熱 f=200300kHZ =0.52.0mm中頻感應(yīng)加熱 f=25008000HZ =210mm工頻感應(yīng)加熱 f=50HZ =1015mm特點(diǎn)加熱速度快，溫度高，生產(chǎn)效率高A晶粒

10、細(xì)小 隱晶馬氏體 H 且脆性 強(qiáng)度表面產(chǎn)生壓應(yīng)力 疲勞強(qiáng)度氧化脫碳 表面質(zhì)量 耐磨性 心部無相變 剛性 變形 精度易控制 自動(dòng)化程度高設(shè)備昂貴，耗電量大應(yīng)用：大批量生產(chǎn)工藝路線鍛造退火或正火粗加工調(diào)質(zhì)或正火加工感應(yīng)加熱表面淬火低溫回火粗磨時(shí)效處理精磨感應(yīng)加熱表面淬火進(jìn)一步降低應(yīng)力，穩(wěn)定組織，防止工件變形開裂降低淬火應(yīng)力穩(wěn)定表面組織T加：160200強(qiáng)化表面，獲得MT加：Ac33050細(xì)化晶粒，提高心部綜合性能，為淬火做準(zhǔn)備T加：Ac33050消除鍛造應(yīng)力；調(diào)整硬度，便于機(jī)加工火焰加熱表面淬火原理 乙炔-氧或煤氣-氧火焰 淬硬層深度 =28 mm 特點(diǎn)簡單、方便、成本低不易控制質(zhì)量應(yīng)用：單件、小

11、批量2.化學(xué)熱處理定義：將工件置于特定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分、組織、性能的熱處理工藝。分類：按滲入元素分 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲金屬等目的：強(qiáng)化表面，并使工件表面具有某種特殊性能特點(diǎn)： 可按零件心部要求選擇材料，同時(shí)滿足表面和心部不同的性能要求 零件外形不受限制 生產(chǎn)周期長、工藝復(fù)雜、成本高基本過程： 分解：使化學(xué)介質(zhì)在加熱保溫過程中分解出滲入元素的活性原子； 吸附：活性原子被工件表面吸附，形成固溶體或特殊化合物； 擴(kuò)散：滲入原子由工件表層向內(nèi)擴(kuò)散，形成具有一定深度的擴(kuò)散層，即滲層。(1)滲碳概念：鋼件加熱到A狀態(tài)，在富碳介質(zhì)中保溫

12、，使C滲入表層目的：增加表層C含量，使淬火回火后，其硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度提高用途：受嚴(yán)重磨損，并承受較大沖擊載荷的零件 要求表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度高，心部良好的塑性、韌性滲碳用鋼：低碳成分的普通碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼 15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、滲碳方法（按滲劑的狀態(tài)分） 氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳、膏體滲碳、電解液滲碳、離子滲碳等氣體滲碳工作原理及方法工藝參數(shù)的選擇滲碳溫度：900950滲碳時(shí)間：取決于滲碳層的深度滲層表面含碳量 wc：0.85%1.05% 滲碳層深度 =0.52.0mm滲后組織 表層為珠光體加網(wǎng)狀二次滲碳體，心部為鐵素體加少量珠光

13、體。滲碳工藝 鍛造正火切削加工滲碳淬火+低溫回火精加工表面心部熱處理后的組織鋼種常用舉例表層組織心部組織表層硬度心部硬度低碳鋼15，20M回+Fe3C+AF+P58-64HRC10-15HRC低碳合金鋼20CrMnTiM回+Fe3C+A低碳M回+F35-45HRC(2).滲氮定義:向鋼的表面滲入氮原子的過程。目的:獲得具有表硬里韌及抗蝕性能的零件。用途:主要用于耐磨性和精度要求很高的鏜床主軸、精密傳動(dòng)齒輪、壓鑄模、冷熱擠壓模等滲氮用鋼:中碳合金鋼，如35CrMo、40Cr、38CrMoAl( 氮化王牌鋼 )等方法:氣體滲氮。工藝:加熱溫度500600;保溫時(shí)間2050h。滲氮層深度：0.30.5mm。熱處理特點(diǎn): 滲氮前需調(diào)質(zhì)處理;滲氮后不需熱處理。滲氮處理后的組織 表層 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。 心部 : S回。(3).碳氮共滲a）中溫氣體碳氮共滲特點(diǎn)：比滲碳得到更好的性能，但耐磨性和疲勞強(qiáng)度低于滲氮零件。用鋼：低碳鋼和