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文檔簡介
第四章鋼的熱處理工藝
供應窄帶鋼行業(yè)熱處理設備毛坯生產預備熱處理機械加工最終熱處理機械精加工預備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般機械鋼零件生產的工藝路線:Therefore,熱處理是一種非常重要的加工方法,極大部分機械零件都必須經過熱處理!教學內容4.1鋼的退火與正火工藝4.2鋼的淬火與回火4.3鋼的表面熱處理4.4鋼的化學熱處理過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變-CCT曲線C---continuousC---coolingT---transformation知識回顧Ps:A→P開始線Pf:A→P終止線K:珠光體型轉變終止線Vk:上臨界冷卻速度(馬氏體臨界冷卻速度)→M最小冷速Vk’:下臨界冷速→完全P最大冷速共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較(1)CCT位于TTT曲線右下方A→P轉變溫度低一些,t長一些(2)CCT無A→B轉變CCT測定困難,常用TTT曲線定性分析C曲線的應用4.1鋼的退火與正火工藝將鋼件加熱到適當溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火工藝曲線一、退火
目的:消除應力;降低硬度;細化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準備。
1.完全退火加熱溫度:Ac3以上20-30度組織:P+F目的:①細化,均勻化粗大、不均勻組織②接近平衡組織——調整硬度→切削性↑③消除內應力應用范圍:亞共析鋼,共析鋼,不適用于過共析鋼。2.球化退火(不完全退火)加熱溫度:Ac1以上20-40度組織:球狀P(F+球狀Cem)目的:①使Cem球化→HRC↓,韌性↑→切削性↑②為淬火作準備應用范圍:過共析鋼,共析鋼加熱溫度:1050-1150℃,10-20h,組織:P+F或P+Fe3CII目的:消除偏析后果:粗大晶粒(應用完全退火消除)4.再結晶退火加熱溫度:Ac1以下50-150度,或T再+30-50度目的:消除加工硬化5.去應力退火500-650℃3.擴散退火(均勻化退火)把鋼零件加加熱到臨界界溫度以上上30~50℃,保保溫一定時時間,然后后在空氣中冷冷卻的熱處理工藝藝。二、正火((空冷))(1)作最最終熱處理理,普通結結構鋼零件件a.細化A晶粒,組組織均勻化化b.減少少亞共析鋼鋼中F%→→P%↑,,細化組織織→強度,,韌性,硬硬度↑(2)預先先熱處理a.消除除魏氏組織織,帶狀組組織;細化化組織→為為淬火、調調質作準備備b.使過過共析鋼中中Fe3CII↓→使其不不形成連續(xù)續(xù)網狀,為為球化作準準備(3)改善善切削加工工性能(低碳鋼))臨界溫度::Ac3或Accm+30-50℃組織:S+(F或Fe3C))應用及目的的:以45#鋼鋼為例的正正火工藝曲曲線:保溫時間的的經驗公式式:τ=KD(單位為min,式式中,K――加熱系數(shù)數(shù),一般K=1.5-2.0m/min,若若裝爐量大大則可延長長保溫時間間,D―工工件有效厚厚度,單位位為m)操作步驟如如下:入爐保溫出爐空冷三、退火、、正火的選選擇
工具鋼→正火+球化退火結構鋼→正火返修件→退火正火:冷速速快,材料料組織細化化,機械性性能好。1.切削加加工低碳鋼→正正火中高碳鋼→→完全退火火高碳鋼、合合金工具鋼鋼——正火火+球化退退火2.作為最最終熱處理理→正火3.為最終終熱處理提提供良好的的組織狀態(tài)態(tài)4.正火火可替代完完全退火以以提高效率率4.2鋼鋼的淬火與與回火加熱到AC3、AC1相變溫度以上,保溫溫,快速冷卻→M+A′′1.淬火溫溫度的決定定亞共析鋼Ac3+30-50度共析鋼Ac1+30-50度過共析鋼Ac1+30-50度A、保留一定的Cem→HRC↑,耐磨性↑B、A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓C、A中C%↓→M過飽和度↓→殘余A↓淬火溫度過過高→A粗粗大→M粗粗大→力學學性能↓,,淬火溫度過過高→A粗粗大→M粗粗大→淬火火應力↑→→變形,開開裂↑一、淬火650℃以上,慢,,減小熱應應力650-400℃,快,避免免跨越C曲曲線400℃以下,慢,,減輕相變變應力理想淬火冷卻曲線示意圖不同淬火方法示意圖2.淬火介介質保證快快速冷卻以45#鋼鋼為例的淬淬火工藝曲曲線:入爐保溫出爐油冷(或水冷)二、鋼的淬淬透性1.淬透性性:淬火條件下下得到M組組織的能力力,取決于于VK(上臨界冷冷卻速度))2..淬淬硬硬性性::鋼在在淬淬火火后后獲獲得得硬硬度度的的能能力力,,取取決決于于M中中C%,,C%↑↑→→淬淬硬硬性性↑↑3..影影響響淬淬透透性性的的因因素素———VK,C曲曲線線C%亞共析鋼C%↑→淬透性↑,過共析鋼C%↑→淬透性↓奧氏體化溫度T↑t↑→淬透性↑合金元素除Co%以外,C曲線右移,↑淬透性未溶第二相↓淬透性影響響C曲曲線線的的因因素素(1))根根據據服服役役條條件件,,確確定定對對鋼鋼淬淬透透性性的的要要求求;;———選選材材的的依依據據(2))熱熱處處理理工工藝藝制制定定的的依依據據;;(3))尺尺寸寸效效應應。。4..淬淬透透性性的的應應用用三、、回回火火a.消消除除淬淬火火應應力力,,降降低低脆脆性性;;b.穩(wěn)穩(wěn)定定工工件件尺尺寸寸,,由由于于M,,殘殘余余A不不穩(wěn)穩(wěn)定定;;c.獲獲得得要要求求的的強強度度、、硬硬度度、、塑塑性性、、韌韌性性。。1..回回火火目目的的(淬淬火火組組織織的的問問題題))定義義:把把淬淬火火后后的的零零件件重重新新加加溫溫到到A1線線以以下下某某個個溫溫度度,保保溫溫一一段段時時間間,然然后后冷冷卻卻到到窒窒溫溫。。工藝藝參參數(shù)數(shù)及及組組織織淬火火+高高溫溫回回火火=調調質質處處理理2..鋼鋼在在回回火火時時的的組組織織轉轉變變a.馬馬氏氏體體分分解解((200℃℃以以下下)):析析出出ε-Fe2.4C碳碳化化物物((亞亞穩(wěn)穩(wěn)定定))回火火組組織織::回回火火馬馬氏氏體體M’’→→過過飽飽和和α固溶溶體體十十亞亞穩(wěn)穩(wěn)定定ε碳化化物物((極極細細的的)作用用::晶晶格格畸畸變變降降低低,,淬淬火火應應力力有有所所下下降降。。b.殘殘余余A分分解解((200-300℃℃)):A→M’((或A→B下)組織::回火火馬氏氏體M’c.回回火屈屈氏體體T’’形成成(250-400℃℃):ε→Fe3C;α→F--維持持M’’外形形組織::回火火屈氏氏體T’(F+Fe3C)d.碳碳化化物的的聚集集長大大,鐵鐵素體體的回回復與與再結結晶((>400℃))組織::回火火索氏氏體S’——F((等軸軸晶))+Fe3C(粒粒)e.碳碳化物物→Fe3C片片→細細粒狀狀Fe3C。3.回回火工工藝--組織織一性性能關關系((及應應用))(1))低溫回回火((150-250℃)回火馬馬氏體體M’降低淬淬火應應力,,提高高韌性性,保保證高高硬度度(HRC58-64))和耐耐磨性性高碳的的工具具、模模具、、滾動動軸承承,滲滲碳與與表面面淬火火的零零件(2))中溫回回火((350-500℃℃)回火屈屈氏體體T’高彈性性極限限和屈屈服強強度,,一定定的韌韌性,,硬度度一般般為HRC35-45彈簧(3)高溫回火火(500-650℃)回火索氏氏體S′淬火+高高溫回火火——調調質處理理綜合機械械性能好好(強度度、韌性性、塑性性的配合合),硬度一般般為HRC25-35承受交變變載荷,,連桿、、軸、齒齒輪等重重要結構構件———最終熱熱處理精密量具具、模具具——預預先熱處處理回火馬氏氏體組織織金相圖圖1、高碳回回火馬氏氏體:強度、硬硬度高、、塑性、、韌性差差2、低碳碳回火馬馬氏體::高的強度度與韌性性,硬度度、耐磨磨性也較較好。回火屈氏氏體組織織金相圖圖屈服強度度與彈性性極限高高42CrMo╳╳40045鋼╳╳400回火索氏氏體組織織金相圖圖綜合機械械性能好好(見下頁)正火與調質處理理的比較::45鋼σb(MN/m2)δδ(%)ak(kJ/m2)HB組織正火700-80012-20500-800163-220細細片S+F調質750-85020-25800-1200210-250細細粒S’淬火+高高溫回火火→調質質處理200度度以下,,HRC不變。。200-300度,M分解,,殘余A轉變?yōu)闉轳R氏體體,硬度度降低不不大,高碳鋼硬硬度,有有一定的的升高。。>300度,HRC降降低。1、韌性性:400度度開始升升高,600度度最高。。2、彈性性極限::在300-400度最最高。3、塑性性:在600-650度最最高。4、高碳碳回火馬馬氏體::強度、硬硬度高、、塑性、、韌性差差6、低碳碳回火馬馬氏體::高的強度度與韌性性,硬度度、耐磨磨性也較好好。7、回火火屈氏體體:屈服強度度與彈性性極限高高8、回火火索氏體體:綜合機械械性能。。(4)回火溫度度與機械械性能的的關系4.合金金元素對對回火轉轉變的影影響提高回火火穩(wěn)定性性回火穩(wěn)定定性:指指鋼在回回火時,,抵抗回回火造成成軟化的的能力。。b.增增大回火脆性性(見下下頁)回火脆性性:指隨隨回火溫溫度升高高時,在在250~400℃和和450-650℃℃兩個區(qū)區(qū)出現(xiàn)沖沖擊韌性性明顯下下降的脆脆化現(xiàn)象象。c.產產生二次硬化化(見下下后頁))(1)低溫回火火脆性(250-400℃)碳化物片片沿M晶晶界析出出避免在此此溫度回回火(3)高溫回火火脆性(450-650℃)P等元素素在原A晶界偏偏聚,慢慢冷時Cr、Ni等促促進偏聚聚Mo等抑抑制偏聚聚減少P等等雜質元元素,添加Mo等合金金元素二次次硬硬化化效效應應:一一些些Mo、、W、、V含含量量較較高高的的鋼鋼回回火火時時,,硬硬度度并并不不隨隨回回火火溫溫度度的的升升高高單單調調降降低低,,而而是是在在某某一一溫溫度度((約約400℃)后后反反而而開開始始增增大大,,并并在在另另一一更更高高溫溫度度((550℃)達達到到峰峰值值。。如圖圖鉬鉬鋼鋼合合金金回火類型回火溫度組織性能及應用組織形態(tài)低溫回火150~250回火M(M′)保持高硬度,降低脆性及殘余應力,用于工模具鋼,表面淬火及滲碳淬火件過飽和a-Fe+e碳化物中溫回火350-500回火屈氏體(T′)硬度下降,韌性、彈性極限和屈服強度↑,用于彈性元件保留馬氏體針形F+細粒Fe3C高溫回火500-650回火索氏體(S′)強度、硬度、塑性、韌性、良好綜合機械性能,優(yōu)于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。多邊形F+粒狀Fe3C5..回回火火工工藝藝及及其其應應用用記注注::淬淬火火+高高溫溫回回火火→→調調質質處處理理應用用很很多多以45#鋼鋼為為例例的的調質質工藝藝曲曲線線::淬火火+高高溫溫回回火火→→調調質質處處理理4.3鋼鋼的的表表面面熱熱處處理理表面面淬淬火火::不不改改變變表表面面化化學學成成分分,,只只改改變變其其表表面面組組織織的的局局部部熱處處理理方方法法。。一、、感感應應加加熱熱表表面面淬淬火火1.原原理理交變變磁磁場場→→感感應應電電流流→→工工件件電電阻阻→→加加熱熱,,集集膚膚效效應應→→表面面加加熱熱2.分分類類a.高頻頻200-300KHz,淬淬硬硬深深度度0.5-2mm小工工件件b.中頻頻2500-8000Hz淬硬硬深深度度2-5mm尺寸較大的的工件c.低頻50Hz淬硬深度10-15mm大型工件d.超音頻30-40KHz3.鋼種中碳鋼和中中碳低合金金鋼加熱速度快快幾秒———幾十秒秒b.加熱熱時實際晶晶粒組小,,淬火得到到極細馬氏氏體,硬度度↑,脆性性↓c.殘余余壓應力→→提高壽命命d.不易易氧化、脫脫碳、變形形小e.工藝藝易控制,,設備成本本高4.特點鍛造→退火火式正火→→粗加工→→調度→精精加工→表表面淬火→→低溫回火火→(粗磨磨→時效→→精磨)5.工藝路路線4.4鋼鋼的化學熱熱處理一、滲碳::AC3以上;900~950℃,低碳鋼鋼1.目的及及應用提高表面硬硬度,耐磨磨性,而使使心部仍保保持一定的的強度和良好的塑塑性和韌性性2.鋼種低碳鋼,低低碳合金鋼鋼3.加工工工藝路線鍛造→正火火→切削加加工→滲碳碳→淬火((直接淬火火、一次淬淬火,二次次淬火)→→低溫回火火→噴丸→→磨削(1)直接接淬火((如圖a、b曲線線)奧氏體晶粒粒大,馬氏氏體粗,殘殘余A多,,耐磨性低低,變形大大。只適用于本本質細晶鋼鋼或耐磨性性要求低和和承載低的的零件。(2)一次次淬火(如圖c曲曲線)心部要求高高AC3以上上表面面要要求求高高,,AC1以上上30-500℃℃(3))二二次次淬淬火火(如如圖圖d曲曲線線))第一一次次,,改改變變心心部部組組織織AC3以上上30-500℃℃第二二次次,,細細化化表表面面組組織織AC1以上上30-500℃℃4..滲滲碳碳工工藝藝-組組織織-性性能能關關系系加熱熱溫溫度度,,保保溫溫時時間間→→滲滲碳碳層層厚厚度度A3鋼鋼多元元共滲滲滲層層X40042rMo鋼多多元共共滲組組織X400二、氮氮化(含Al,Cr,Mo,,V的的鋼))它系指指在一一定溫溫度((一般般在AC1)以下下,使使活性性氮原原子滲滲入工工件表表面的的化學學熱處處理工工藝。。其目目的是是使工工件表表面獲獲得高高硬度度和良良好的的耐蝕蝕性能能,且且因氮氮化溫溫度低低、變變形小小,因因此在在工藝藝中的的應用用也非非常廣廣泛。。常用用的氮氮化方方法又又氣體體氮化化、離離子氮氮化、、氮碳碳共滲滲(軟軟氮化化)等等。氣體氮化是是將工件放放在密封的的爐內加熱熱,并通入入氮氣。滲滲碳的加熱熱溫度低((小于Ac1溫度,,鋼的組織織處于鐵素素體狀態(tài))),因此工工件變形小小、氧化脫脫碳少。氣體氮化的的原理:氨氣在300℃以上上是便可以以受熱分解解出活性氮氮原子,即:2NH3→3H2+2[N]活性氮原子子被鋼的表表面吸收,,形成固溶溶體和化合合物。氣體氮化的的溫度:如果滲氮的的目的是為為了獲得高高的硬度、、高耐磨性性和高的疲疲勞強度,,則氮化溫溫度為500-570℃,,,氮化時間間為30--50h。。如果滲氮的的目的是單單純提高零零件的抗腐腐蝕性能,,則氮化溫溫度宜為590-720℃℃,。氣體氮化的的工藝路線線:鍛造→退火火→機械粗粗加工→調調質→半精精加工→去去應力退火火→粗磨→→氮化→精精磨說明:為保證零件件的心部具具有良好的的綜合力學學性能,氮氮化前要經經過調質處處理;為減少在氮氮化中的變變形,在切切削加工后后要進行去去應力退火火。氮化作為最最后工序鋼的氮化層層顯微組織織4
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