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(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒， 調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)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(zhǔn)備。第1頁(yè)/共56頁(yè) （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(kuò)散退火l 不完全退火l 球化退火臨界溫度以下l 再結(jié)晶退火l 去應(yīng)力退火（2）按冷卻方式 等溫退火 連續(xù)冷卻退火分類(lèi)分類(lèi)第2頁(yè)/共56頁(yè)加熱溫度范圍第3頁(yè)/共56頁(yè)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(jìn)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(xì)化晶粒 降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)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(shí)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(yè)/共56頁(yè)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(xì)化組織、降低硬度、改善可加工性，消除內(nèi)應(yīng)力 應(yīng)用：晶粒并未粗化的中、高碳鋼和低合金的鍛軋件第5頁(yè)/共56頁(yè)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(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，再空冷到室溫的熱處理工藝。 縮短退火時(shí)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(yè)/共56頁(yè)4.球化退火概念將過(guò)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(guò)共析的工模具鋼適用鋼種第7頁(yè)/共56頁(yè)T10鋼球化退火組織 ( 化染 ) 500 第8頁(yè)/共56頁(yè)4.去應(yīng)力退火概念 為了消除由于變形加工以及鑄造、焊接過(guò)程引起的殘余內(nèi)應(yīng)力而進(jìn)行的退火稱(chēng)為去應(yīng)力退火。退火溫度不超過(guò)Ac1，一般500650。第9頁(yè)/共56頁(yè)5.擴(kuò)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(zhǎng)時(shí)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(nèi)部的化學(xué)成分，消除偏析。主要于鑄造后的高合金鋼。適用情況缺點(diǎn):溫度高，時(shí)間長(zhǎng)、均勻化退火后晶粒劇烈長(zhǎng)大，所以還要經(jīng)過(guò)一次完全退火或正火來(lái)細(xì)化晶粒。第10頁(yè)/共56頁(yè)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(guò)共析鋼的加熱溫度為Accm3050。第11頁(yè)/共56頁(yè)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(xì)，因而強(qiáng)度和硬度也較高。 正火不但力學(xué)性能高，而且操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短，能量耗費(fèi)少，故在可能的條件下

5、，應(yīng)優(yōu)先考慮正火處理。應(yīng)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(xué)性能（3）作為中碳和低合金結(jié)構(gòu)鋼重要零件的預(yù)備熱熱處理（4）消除熱加工缺陷。第12頁(yè)/共56頁(yè)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(shí)，盡量選用正火。第13頁(yè)/共56頁(yè) 3、退火與正火的加熱速度與加熱時(shí)間 4、退火與正火零件的硬度誤差范圍第14頁(yè)/共56頁(yè)三、鋼的淬火概念 將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過(guò)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(zhuǎn)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(xué)性能。第15頁(yè)/共56頁(yè) 選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織。過(guò)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(xì)小的馬氏體組織。第16頁(yè)/共56頁(yè)（2）加熱時(shí)間的確定加熱時(shí)間由升溫時(shí)間和保溫時(shí)間組成。由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時(shí)間為升溫時(shí)間，并以此作為保溫時(shí)間的開(kāi)始。保溫時(shí)間是指零件燒透即完成奧氏體化過(guò)程所需要的時(shí)間。加熱時(shí)間通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算或通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。生產(chǎn)中往往要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定合理的加熱及保溫時(shí)間，以保證工件質(zhì)量。第17頁(yè)

7、/共56頁(yè)淬火要得到馬氏體組織，同時(shí)又要避免產(chǎn)生變形和開(kāi)裂 在“鼻尖”溫度以上，在保證不出現(xiàn)珠光體類(lèi)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(kāi)“鼻尖”，保證不產(chǎn)生非馬氏體相變； 在Ms點(diǎn)附近又可以緩冷，以減輕馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的相變應(yīng)力。 常用的淬火冷卻介質(zhì)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(zhì)的確定第18頁(yè)/共56頁(yè)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(yīng)力，減少工件變形和開(kāi)裂傾向。時(shí)間時(shí)間溫度MsA1單液淬火單液淬火雙液淬火雙液淬火 分級(jí)淬火分級(jí)淬火 等溫淬火等溫淬火（4）淬火方法第19頁(yè)/共56頁(yè)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(zhì)中一直冷卻到室溫的淬火方法。特點(diǎn) 操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化適用范圍 形狀簡(jiǎn)單的碳鋼和合金鋼工件。 第20頁(yè)/共56頁(yè)2）雙液淬火概念 先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近Ms點(diǎn)溫度時(shí)，再立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)中冷卻，直至完成馬氏體轉(zhuǎn)變。第21頁(yè)/共56頁(yè)3）分級(jí)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(diǎn)的鹽浴或堿浴爐中保溫，當(dāng)工件內(nèi)外溫度均勻后，再?gòu)脑t中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉(zhuǎn)變。第22頁(yè)/共56頁(yè)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(shí)間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。第23頁(yè)/共56頁(yè)

9、5、局部淬火法 如6-26 對(duì)某些零件，如果只是在某些部位要求高硬度，可進(jìn)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(yè)/共56頁(yè)（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(shí)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(lái)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(méi)有多大關(guān)系淬透性好的鋼，淬硬性不一定好第25頁(yè)/共56頁(yè) 試驗(yàn)時(shí)，先將標(biāo)準(zhǔn)試樣加熱至奧氏體化溫度，停留3040min，然后迅速放在端淬試驗(yàn)臺(tái)上噴水冷卻。3）淬透性的測(cè)定及其表示方法淬透性的測(cè)定方法很多

10、，有臨界淬火直徑法圖和末端淬火法。應(yīng)用得最廣泛的是“末端淬火法”，簡(jiǎn)稱(chēng)端淬試驗(yàn)第26頁(yè)/共56頁(yè)3、淬透性對(duì)力學(xué)性能的影響 一個(gè)零件如果淬透了，不論是淬火還是淬火+回火，整個(gè)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(yè)/共56頁(yè)4、 影響淬透性的因素 1、化學(xué)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(guò)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(shí)間越長(zhǎng)，由于奧氏體晶粒粗大、成分均勻，各種碳化物溶解徹底，使過(guò)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(yè)/

11、共56頁(yè)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(zhì)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(duì)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(huì)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(diǎn)。第29頁(yè)/共56頁(yè)6、淬火缺陷及其防止措施 1變形與開(kāi)裂 2氧化和脫碳 3過(guò)熱和過(guò)燒 4硬度不足和軟墊第30頁(yè)/共56頁(yè)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(nèi)應(yīng)力，以防止工件開(kāi)裂和變形； 減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸； 調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，以滿(mǎn)足工件的 使用要求。 第31頁(yè)/共56頁(yè)低溫回火 150250 特別適合刀具、量具、滾動(dòng)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(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來(lái)制作曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車(chē)半軸、機(jī)場(chǎng)主軸、齒輪等淬火加高溫回火又稱(chēng)調(diào)質(zhì)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(lèi)第32頁(yè)/共5

13、6頁(yè)五、鋼的表面淬火什么是表面淬火？ 僅對(duì)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(yīng)加熱 火焰加熱 電接觸加熱 電解加熱第33頁(yè)/共56頁(yè) 加熱器通入電流，工件表面在幾秒鐘之內(nèi)迅速加熱到遠(yuǎn)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(yè)/共56頁(yè) 1. 感應(yīng)加熱 感應(yīng)線圈通以交流電時(shí)，就會(huì)在它的內(nèi)部和周?chē)a(chǎn)生與交流頻率相同的交變磁場(chǎng)。若把工件置于感應(yīng)磁場(chǎng)中，則其內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流并由于電阻的作用被加熱。 感應(yīng)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(chēng)為集膚效應(yīng)。 電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關(guān)。如下式所示： 通過(guò)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(yīng)電流透入深度越淺，加熱層也越薄。第35頁(yè)/共56頁(yè)第一類(lèi) 高頻感應(yīng)加熱淬火 常用電流頻率：801000kHz 淬硬層深度： 0.52.0mm 應(yīng)用：適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類(lèi)零件等。第二類(lèi) 中頻感應(yīng)加熱淬火 常用電流頻率：25008000Hz 淬硬層深度： 210mm 應(yīng)用：適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。第三類(lèi) 工頻感應(yīng)加熱淬火 電流頻率：50赫茲 淬硬層深度：可達(dá)1015mm 應(yīng)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(chē)車(chē)輪等的表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火的分類(lèi)據(jù)電流頻率的不同，可將感應(yīng)加熱表面淬火分為三類(lèi)：第36頁(yè)/共56頁(yè)感應(yīng)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(yù)先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)處理）后再表面淬火，心部有較高的綜合機(jī)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(yè)/共56頁(yè)感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 由于感應(yīng)加熱速度極快，過(guò)熱度增大，使鋼的臨界點(diǎn)升高，故感應(yīng)加熱淬火溫度(工件表面溫度)高于一般淬火溫度。 由于感應(yīng)加熱速度快，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，淬火后獲得非常細(xì)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(yīng)力，能顯著提高零件的彎曲、抗扭疲勞強(qiáng)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(yīng)加熱速度快、時(shí)間短，故淬火后無(wú)氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。第38頁(yè)/共56頁(yè)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(guò)調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動(dòng)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(diǎn)概念第39頁(yè)/共56頁(yè)3其它類(lèi)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(shí)產(chǎn)生的電阻熱，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，當(dāng)電極移開(kāi)，借工件本身來(lái)加熱部分的熱傳導(dǎo)來(lái)淬火冷卻的熱處理工藝稱(chēng)為電接觸加熱表面淬火。（2）激光熱處理 激光熱處理開(kāi)始于七十年代，它是將激光器發(fā)射出的激光對(duì)準(zhǔn)處理工件進(jìn)行掃描加熱，一般加熱以后空氣中冷卻。 第40頁(yè)/共56頁(yè)六、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其化學(xué)成分和組織，達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿(mǎn)足技術(shù)要求的熱處理過(guò)程。 常用的化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮（俗稱(chēng)氮化）、碳氮共滲（俗稱(chēng)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(xué)熱處理。 化學(xué)熱處理過(guò)程包括分解、吸收、擴(kuò)散三個(gè)基本過(guò)程。 第41頁(yè)/共56頁(yè)1滲碳 滲碳就是將低碳鋼放入高碳介質(zhì)中加熱、保溫，以獲得高碳表層的化學(xué)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(qiáng)零件的抗磨損能力，同時(shí)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(duì)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(yè)/共56頁(yè) （1）滲碳方法 根據(jù)使用時(shí)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(nèi)，加熱到900以上（一般900950），使鋼奧氏體化，向爐內(nèi)滴入易分解的有機(jī)液體（如煤油、苯、甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入滲碳?xì)夥胀ㄟ^(guò)在鋼的表面上發(fā)生反應(yīng)，形成活性碳原子。反應(yīng)如下： 第43頁(yè)/共56頁(yè)鋼的氣體滲碳圖5-29 氣體滲碳爐第44頁(yè)/共56頁(yè) 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(zhǎng)時(shí)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(yīng)如下：第45頁(yè)/共56頁(yè)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(yè)/共56頁(yè) （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(shí)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(guò)分長(zhǎng)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(shí)間取決于滲碳層的厚度。 第47頁(yè)/共56頁(yè) 下表是不同滲碳溫度下，不同滲碳時(shí)間的滲層厚度。 第48頁(yè)/共56頁(yè) （3）滲碳后的

21、熱處理滲碳工藝的加熱溫度高，時(shí)間較長(zhǎng)，還需淬火才能達(dá)到硬度要求，所以鋼滲碳以后必須進(jìn)行熱處理才能達(dá)到預(yù)期目的。如汽車(chē)、機(jī)車(chē)、礦山機(jī)械、起重機(jī)械等用的大量傳動(dòng)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(yù)冷直接淬火法 （b）預(yù)冷一次淬火法 （c）預(yù)冷二次淬火法第49頁(yè)/共56頁(yè)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(qiáng)表面硬度和耐磨性、提高疲勞強(qiáng)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(diǎn)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(dá)到0.350.7mm，氣體氮化一般需70小時(shí)，而離子氮化僅需1520小時(shí)），零件的表面不易形成連續(xù)的白色脆性層。第50頁(yè)/共56頁(yè) （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(shí)滲層一般處于壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)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(qiáng)化。適合于要求處理精度高、沖擊載荷小、抗磨損能力強(qiáng)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(lái)發(fā)展出來(lái)一種快速深層