鋼的熱處理工藝

1、第五章 鋼的熱處理工藝,供應窄帶鋼行業(yè)熱處理設備,教學內容,5.1 鋼的退火與正火工藝5.2 鋼的淬火與回火5.3 鋼的表面熱處理5.4 鋼的化學熱處理,一般要求,1. 鋼在加熱和冷卻時組織轉變的機理；2. 各種熱處理的具體工藝過程； 3. 鋼在加熱和冷卻過程中產生的缺陷.,1. 鋼在加熱時組織轉變的過程中及影響因素； 2. 本質晶粒度與實際晶粒度的含義，控制晶粒度大小的因素； 3. 共

2、析鋼奧氏體等溫冷卻曲線中各條線的含義。C曲線中種溫度區(qū)域內奧氏體轉變產物的組織形貌，性能特點。 4. 非共析鋼C曲線與共析鋼C典線的差別及影響C典線的因素； 5. 奧低體連續(xù)冷卻轉變曲線的特點，冷卻速度對鋼的組織變化和最終性能的影響； 6. 各種熱處理的定義、目的、組織轉變過程，性能變化，用途和適用的鋼種，零件的范圍。,5．1 鋼的退火與正火工藝,一、退火 （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。）

3、,退火工藝曲線,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—— ③消除內應力 應用范圍： 亞共折鋼，共析鋼，

4、 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 應用范圍： 過共析鋼，共析鋼 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,1050-1150℃，10-20h, P+F或P+Fe3CII 目的：消除

5、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）,二、正火 （空冷）,Ac3或Accm+30-50℃ 組織：S+（F或Fe3C） 應用： （1

6、）作最終熱處理，普通結構鋼零件 目的： a. 細化A晶粒，組織均勻化 b. 減少亞共析鋼中F%→P%↑， c. P細化→強度，韌性、硬度↑ （2）預先熱處理 a. 消除不均勻組織（魏氏組織，帶狀組織）； b. 細化組織→為淬火、調質作準備 c. 使過共析鋼中Fe3CII↓→使其不形成連續(xù)網狀，為球化

7、 作準備 （3）改善切削加工性能（低碳鋼）,以45#鋼為例的正火工藝曲線：,保溫時間的經驗公式:τ=KD(單位為min,式中,K―加熱系數,一般K=1.5-2.0m/min,若裝爐量大則可延長保溫時間,D―工件有效厚度,單位為m),操作步驟如下：,三、退火、正火的選擇,正火：冷速快，材料組織細化，機械性能好1．切削加工 低碳鋼→正火 中高碳鋼→完全退火 高碳鋼、

8、合金工具鋼——正火＋球化退火2．作為最終熱處理→正火3．為最終熱處理提供良好的組織狀態(tài)4. 正火可替代完全退火以提高效率,5.2 鋼的淬火與回火,一、淬火：加熱到AC3、AC1相變溫度以上，保溫，快速冷卻→M+A′,1．淬火溫度的決定,淬火溫度過高→A粗大→M粗大→力學性能↓，淬火溫度過高→A粗大→M粗大→淬火應力↑→變形，開裂↑,2．淬火介質理想：650℃以上，慢，減小熱應力 650-400℃，快，

9、避免C曲線 400℃以下，慢，減輕相變應力,理想淬火冷卻曲線示意圖,不同淬火方法示意圖,以45#鋼為例的淬火工藝曲線：,,油冷,M,T,,,二、鋼的淬透性,1．淬透性：淬火條件下得到M組織的能力，取決于 VK（上臨界冷卻速度）2．淬硬性：鋼在淬火后獲得硬度的能力，取決于M中C%， C%↑→淬硬性↑,,3．影響淬透性的因素 ——VK，C曲線,影響C曲線的因素,（1）根據服役條件，確定對鋼淬透

10、性的要求 ——選材的依據（2）熱處理工藝制定的依據（3）尺寸效應,4．淬透性的應用,三、回火,a. 消除淬火應力，降低脆性 b. 穩(wěn)定工件尺寸，由于M，殘余A不穩(wěn)定 c. 獲得要求的強度、硬度、塑性、韌性。,2．鋼在回火時的組織轉變,a. 馬氏體分解（200℃以下）：析出ε-Fe2.4C碳化物（亞穩(wěn)定） 組織：回火馬氏體M’→過飽和α固溶體十亞穩(wěn)定ε碳化物（極細的

11、) 作用：晶格畸變降低，淬火應力有所下降。 b. 殘余A分解（200-300℃）：A→M’（或A→B下） 組織：回火馬氏體M’ c. 回火屈氏體T’形成（250-400 ℃）：ε→Fe3C; α→F－維持M’外形 組織：回火屈氏體T’(F+ Fe3C) d. 碳化物的聚集長大，鐵素體

12、的回復與再結晶（>400℃） 組織：回火索氏體S’—F（等軸晶）+ Fe3C（粒）,1．回火目的（淬火組織的問題）,3．回火工藝——組織——性能關系,（1）低溫回火（150-250℃） 回火馬氏體 M’ 降低淬火應力，提高韌性，保證高硬度（HRC58-64）和耐磨性 高碳的工具、模具、滾動軸承，滲碳與表面淬火的零件（2）中溫回火（350-500℃） 回火屈氏體 T’

13、   高彈性極限和屈服強度，一定的韌性，硬度一般為HRC35-45 彈簧 （3）高溫回火（500-650℃） 回火索氏體 S′ 淬火＋高溫回火——調質處理 綜合機械性能好(強度、韌性、塑性的配合)，硬度一般為HRC25-35 承受交變載荷，連桿、軸、齒輪等重要結構件——最終熱處理 精密量具、模具——預先熱處理

14、,45鋼            ╳400,回火索氏體,正火與調質處理的比較：45鋼 σb (MN/m2) δ(%) ak(kJ/m2) HB 組織 正火 700-800 12-20 500-800 163-220 細片S+F調質 75

15、0-850 20-25 800-1200 210-250 細粒S’,硬 度： 200度以下，HRC不變。 200-300度，M分解，殘余A轉變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大， 高碳鋼硬度,有一定的升高。 >300度，HRC降低。韌 性： 400度開始升高，600度最高。彈性極限： 在300-400度最高。塑 性： 在600-650度最高

16、。 1、高碳回火馬氏體： 強度、硬度高、塑性、韌性差2、低碳回火馬氏體： 高的強度與韌性，硬度、耐磨性也較好。3、回火屈氏體： 屈服強度與彈性極限高4、回火索氏體： 綜合機械性能。,（4）回火溫度與機械性能的關系,（5）回火脆性,（1）低溫回火脆性（250-400℃） 碳化物片沿M晶界析出 避免在此溫度回火（3）高溫回火脆性（450-650℃） P等元素

17、在原A晶界偏聚，慢冷時 Cr、Ni等促進偏聚 Mo等抑制偏聚 減少P等雜質元素， 添加Mo等合金元素,,,5．回火工藝及其應用,記注：淬火+高溫回火→調質處理,以45#鋼為例的調質工藝曲線：,淬火+高溫回火→調質處理,,5.3 鋼的表面熱處理,表面淬火： 不改變表面化學成分，只改變其表面組織的局部 熱處理方法。

18、目 的：心部保持較高的綜合機械性能，表面具有高硬度 和耐磨性。,一、感應加熱表面淬火 1．原理 交變磁場→感應電流→工件電阻→加熱，集膚效應→ 表面加熱 2．分類 a. 高頻 200-300KHz，淬硬深度 0.5-2mm 小工件 b. 中頻2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸較大的工件

19、 c. 低頻 50Hz       淬硬深度10-15mm 大型工件 d. 超音頻 30-40KHz 3．鋼種 中碳鋼和中碳低合金鋼 磨損部位（高硬度，耐磨）,加熱速度快 幾秒——幾十秒b. 加熱時實際晶粒組小，淬火得到極細馬氏體，硬度↑，脆性↓c. 殘余壓應力→提高壽命d. 不易氧化、脫碳、

20、變形小e. 工藝易控制，設備成本高,4．特點,鍛造→退火或正火→粗加工→調質→精加工→表面淬火→低溫回火→（粗磨→時效→精磨）,5．工藝路線,5.4 鋼的化學熱處理,一、滲碳 ：AC3以上；900~950 ℃ ， 低碳鋼,1．目的及應用 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的強度 和良好的塑性和韌性2．鋼種 低碳鋼，低碳合金鋼,3．加工工藝路線

21、 鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）→低溫回火→噴丸→磨削,（1）直接淬火 （如圖a、b曲線） 奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余A多，耐磨性低，變形大。 只適用于本質細晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。（2）一次淬火 （如圖c曲線） 心部要求高時——AC3以上 表面要求高時——AC1以上30-500 ℃（3）二次淬火

22、 （如圖d曲線） 第一次，改變心部組織 AC3以上30-500 ℃ 第二次，細化表面組織 AC1以上30-500 ℃,4．滲碳工藝-組織-性能關系 加熱溫度，保溫時間→滲碳層厚度,二、氮化 （含Al, Cr, Mo，V的鋼）,它系指在一定溫度（一般在AC1）以下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度和良好的耐蝕性能，且因氮化溫度低、變形小，因此在工藝中的應用也非

23、常廣泛。常用的氮化方法又氣體氮化、離子氮化、氮碳共滲（軟氮化）等。,1、氣體氮化,氣體氮化是將工件放在密封的爐內加熱，并通入氮氣。滲碳的加熱溫度低（小于Ac1溫度，鋼的組織處于鐵素體狀態(tài)），因此工件變形小、氧化脫碳少。,氣體氮化的原理： 氨氣在300℃以上是便可以受熱分解出活性氮原子， 即：2NH3→3H2+2[N] 活性氮原子被鋼的表面吸收，形成固溶體和化合物。,氣體氮化的溫度低——500－

24、600℃——變形小，對心部調質組織影響小,氣體氮化的工藝路線：,鍛造→退火→機械粗加工→調質→半精加工→去應力退火→粗磨→氮化→精磨,說明： 為保證零件的心部具有良好的綜合力學性能，氮化前要經過調質處理； 為減少在氮化中的變形，在切削加工后要進行去應力退火。,氮化作為最后工序,氣體氮化的時間長——30－50h,氣體氮化的硬度高——HV1000-1100——高耐磨性，熱硬性,氣體氮化——高的疲勞強

25、度和抗腐蝕性能,鋼的氮化層顯微組織 400X,鋼的氮化層顯微組織,A3鋼多元共滲滲層            X400,42rMo鋼多元共滲組織            X400,B-Al,B-Al共晶組織（菊花狀）,5

26、.5 其它熱處理,加熱與保溫過程中的氧化與脫碳一、可控氣氛熱處理二、真空熱處理快速加熱與冷卻三、激光加熱表面淬火形變與相變結合——綜合強化四、形變熱處理,5.6 表面處理,加熱與保溫過程中的氧化與脫碳一、可控氣氛熱處理二、真空熱處理快速加熱與冷卻三、激光加熱表面淬火形變與相變結合——綜合強化四、形變熱處理,4．合金元素對回火轉變的影響,提高回火穩(wěn)定性 回火穩(wěn)定性：指鋼在回火