金屬熱處理及表面改性

1、金屬熱處理及表面改性第1頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.1 鋼的熱處理原理45鋼b（MPa）（）k（J/cm2）退火65070015204060正火70080015205080淬火15001700121520鋼在固態(tài)下，通過(guò)加熱、保溫和冷卻，以改變鋼的組織，從而獲得所需性能的工藝方法。第2頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四鋼的熱處理分類(lèi)第3頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四鋼加熱(冷卻)時(shí)各臨界點(diǎn)的位置由于過(guò)冷和過(guò)熱現(xiàn)象的存在第4頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)

2、變1.奧氏體的形成(共析鋼)P(F+Fe3C)A兩相單相的過(guò)程晶格改組和鐵原子擴(kuò)散的過(guò)程四個(gè)階段：奧氏體形核晶核的長(zhǎng)大殘留滲碳體的溶解奧氏體的均勻化第5頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四2. 奧氏體晶粒大小及影響因素起始晶粒是指珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變成奧氏體時(shí)的晶粒。一般很細(xì)小。實(shí)際晶粒是指鋼在某個(gè)具體熱處理或熱加工條件下所獲得的奧氏體晶粒。直接影響熱處理后鋼的晶粒大小。第6頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四A晶粒大小的控制“小晶粒大晶?！睂⑹购辖鹂偟木Ы缑娣e減少，從而減少了界面能，使合金的總能量下降，因此高溫下A晶粒的長(zhǎng)大是一個(gè)自發(fā)的過(guò)程。鋼的成分

3、和冶煉條件：C和難溶第二相微粒加熱溫度和保溫時(shí)間第7頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.1.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變冷卻過(guò)程是熱處理的關(guān)鍵工序，決定著鋼在熱處理后的組織和性能。熱處理的冷卻方式可分為兩種：等溫冷卻：將奧氏體迅速冷至Ar1以下某個(gè)溫度，等溫停留一段時(shí)間，再繼續(xù)冷卻。連續(xù)冷卻：將奧氏體以一定的速度冷卻，如水冷、油冷、空冷、爐冷等。第8頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四過(guò)冷A等溫轉(zhuǎn)變圖過(guò)冷A在不同過(guò)冷溫度下的等溫過(guò)程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物量的關(guān)系曲線圖，也稱TTT ( Time-Temperature-Transformat

4、ion)曲線，或C曲線。第9頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四1. 共析鋼A等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立共析碳鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線通常采用金相法配合測(cè)量硬度的方法建立，有時(shí)需用磁性法和膨脹法給予補(bǔ)充和校核。將一系列共析碳鋼薄片試樣加熱到奧氏體化后，分別迅速投入Ac1以下不同溫度的等溫槽中，使之在等溫條件下進(jìn)行轉(zhuǎn)變；每隔一定時(shí)間取出一塊，立即在水中冷卻，對(duì)各試樣進(jìn)行金相觀察，并測(cè)定硬度；由此得出在不同溫度、不同恒溫時(shí)間下奧氏體的轉(zhuǎn)變量；并分別測(cè)定出過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變開(kāi)始和轉(zhuǎn)變終了時(shí)間，將所得結(jié)果標(biāo)注在溫度與時(shí)間的坐標(biāo)系中，再將意義相同的點(diǎn)連接起來(lái)，即可得TTT圖。第10頁(yè)，共45頁(yè)，20

5、22年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四第11頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四2.A等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析五條線：A1線轉(zhuǎn)變開(kāi)始線轉(zhuǎn)變終了線M轉(zhuǎn)變開(kāi)始線：MsM轉(zhuǎn)變終了線：Mf四個(gè)區(qū)域：穩(wěn)定A區(qū)過(guò)冷A區(qū)轉(zhuǎn)變過(guò)渡區(qū)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)第12頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物珠光體型（727550）鐵素體滲碳體的層片粗片狀珠光體（727650）索氏體（650600）：細(xì)片P托氏體（600550）：極細(xì)片P組織名稱及符號(hào) 珠光體(P) 索氏體(S)托氏體(T)形成溫度范圍A1650650600600550片層間

6、距(m) 0.40.40.2 0.2HBS70230 230320300400b/MPa5508701100第13頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四中溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物貝氏體型（550230）過(guò)飽和鐵素體微小滲碳體上貝氏體（550350）：羽毛狀下貝氏體（350230）：黑色針狀第14頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物馬氏體型（230）馬氏體M殘余奧氏體Ar 屬非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變馬氏體M：過(guò)飽和的-Fe固溶體含碳量小于0.2時(shí)，馬氏體呈板條狀含碳量大于1.0時(shí)，馬氏體呈片狀或針葉狀第15頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.

7、連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線這兩種轉(zhuǎn)變的不同處在于：在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線中，珠光體轉(zhuǎn)變所需的孕育期要比相應(yīng)過(guò)冷度下的等溫轉(zhuǎn)變略長(zhǎng)，而且是在一定溫度范圍中發(fā)生的共析碳鋼和過(guò)共析碳鋼連續(xù)冷卻時(shí)一般不會(huì)得到貝氏體組織第16頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四臨界冷卻速度與CCT曲線相切的冷卻曲線Vk叫做淬火臨界冷卻速度，它表示鋼在淬火時(shí)過(guò)冷奧氏體全部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變所需的最小冷卻速度。Vk值愈小，鋼在淬火時(shí)愈容易獲得馬氏體組織，即鋼接受淬火能力愈大。按不同冷卻速度連續(xù)冷卻時(shí)，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變成不同的產(chǎn)物：5.5/秒珠光體；33/秒珠光體和少量馬氏體；138/秒馬氏體和殘余奧氏體。第17頁(yè)，共45

8、頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.2 鋼的普通熱處理工藝3.2.1 鋼的退火與正火3.2.2 鋼的淬火與回火第18頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.2.1 鋼的退火與正火主要用于各種鑄件、鍛件、熱軋型材及焊接構(gòu)件，由于處理時(shí)冷卻速度較慢，故對(duì)鋼的強(qiáng)化作用較小，在許多情況下不能滿足使用要求。除少數(shù)性能要求不高的零件外，一般不作為獲得最終使用性能的熱處理，而主要用于改善其工藝性能，故稱為預(yù)備熱處理退火與正火的目的有以下幾點(diǎn)：消除殘余內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形、開(kāi)裂改善組織，細(xì)化晶粒調(diào)整硬度，改善切削性能為最終熱處理（淬火、回火）作好組織上的準(zhǔn)備第19頁(yè)，共4

9、5頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.2.1 鋼的退火與正火一、鋼的退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后在爐中緩慢地冷卻的熱處理工藝。根據(jù)鋼的成分和處理目的的不同，可分為完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火。1、完全退火定義：將鋼加熱Ac3以上3050C，完全奧氏體后，保溫一定時(shí)間隨之緩慢冷卻到500C以下，出爐空冷。目的：細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。適用范圍：亞共析鋼型材。第20頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四2、不完全退火（球化退火）定義：將鋼加熱到Ac1以上2030 C,保溫后隨爐緩冷至600 C，出爐空冷。目的：降低硬度、提

10、高塑性、改善切削加工性能。適用范圍：主要用于過(guò)共析鋼及合金工具鋼。球化退火后過(guò)共析鋼組織第21頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3、去應(yīng)力退火定義：將鋼加熱到500-600 C,保溫后隨爐緩冷至200-300 C出爐空冷。又稱低溫退火。目的：消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力 。（沒(méi)有發(fā)生組織變化）適用范圍：用于所有的鋼。第22頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四二、鋼的正火1、概念： 將鋼件加熱到Ac3或Accm線以上3050 C ，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。2、目的：對(duì)低碳鋼，可細(xì)化晶粒，提高硬度，改善加工性能；對(duì)中碳鋼，可提高硬

11、度和強(qiáng)度，可作為最終熱處理；對(duì)高碳鋼，可為球化退火作準(zhǔn)備 。第23頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四第24頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四退火與正火的選擇從切削加工性考慮作為預(yù)備熱處理，低碳鋼正火優(yōu)于退火，高碳鋼必須采用退火；從使用性能考慮對(duì)亞共析鋼正火比退火具有較好的力學(xué)性能。如果零件的性能要求不高，則可用正火做最終熱處理。當(dāng)零件形狀復(fù)雜時(shí)，采用退火。從經(jīng)濟(jì)上考慮正火生產(chǎn)周期短、耗能少、成本低，優(yōu)先選用。第25頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.2.2 鋼的淬火與回火一、鋼的淬火 將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫

12、度，保持一定時(shí)間后，快速冷卻的熱處理工藝。 目的是提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。例如：T10鋼，退火 20HRC；淬火低溫回火 6064HRC第26頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四淬火的加熱溫度第27頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四淬火冷卻怎樣才能既得到M又最大限度地減小變形與避免開(kāi)裂呢? 可以從兩方面著手解決：其一是尋找一種比較理想的淬火介質(zhì)；其二是改進(jìn)淬火冷卻方法。淬火介質(zhì)：水礦物油鹽水堿水第28頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四淬火方法:（1）單液淬火：將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。 特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，容

13、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。（2）雙液淬火：先水后油，或先油后空氣。特點(diǎn)：可防止變形與開(kāi)裂。（3）分級(jí)淬火：先放入一定溫度的鹽浴或堿浴中，再空冷。特點(diǎn)：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開(kāi)裂，但只適于小尺寸工件。第29頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四鋼的淬透性和淬硬性淬透性：鋼在淬火時(shí)獲得M的能力一般規(guī)定，鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50處的距離稱為淬硬層深度淬硬層越深，淬透性就越好。第30頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四鋼的淬透性和淬硬性淬硬性：鋼在淬火時(shí)所能獲得的最高硬度。它主要取決于馬氏體中的含碳量。第31頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星

14、期四影響淬透性的因素主要取決于鋼的臨界冷卻速度Vk。臨界冷卻速度越小，過(guò)冷奧氏體越穩(wěn)定，鋼的淬透性也就越好合金元素是影響淬透性的主要因素。除Co和大于2.5的Al以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體都使C曲線右移，降低臨界冷卻速度，因而使鋼的淬透性顯著提高含碳量，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越接近于共析成分，C曲線越靠右，淬透性越好。提高奧氏體化溫度，將使奧氏體晶粒長(zhǎng)大，成分均勻，奧氏體穩(wěn)定，使鋼的臨界冷卻速度減小，改善鋼的淬透性第32頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四2. 回火將淬火后的鋼件加熱至Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷至室溫的熱處理工藝稱為回火鋼件淬火后必須進(jìn)行回火，其主

15、要目的是：降低脆性、消除或降低殘余應(yīng)力，減小變形，防止開(kāi)裂賦予工件所要求的力學(xué)性能。通過(guò)采用不同溫度的回火來(lái)調(diào)整硬度，減小脆性，獲得所需的塑性和韌性穩(wěn)定工件的組織和尺寸，避免其在使用過(guò)程中發(fā)生變化第33頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四(1)淬火鋼回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變隨回火溫度的升高，淬火鋼的組織發(fā)生以下幾個(gè)階段的變化：1) 馬氏體的分解在100200回火時(shí)，馬氏體開(kāi)始分解。馬氏體中的碳以碳化物(Fe2.4C)的形式析出，使過(guò)飽和程度略有減小，這種組織稱為回火馬氏體(M回)。因碳化物極細(xì)小，且與母體保持共格，故硬度略有下降。2) 殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變?cè)?00300回火時(shí)，馬氏體

16、繼續(xù)分解，同時(shí)殘余奧氏體也向下貝氏體轉(zhuǎn)變。此階段的組織大部分仍然是回火馬氏體，硬度有所下降第34頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四第35頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3) 回火托氏體的形成在300400回火時(shí)，馬氏體分解結(jié)束，過(guò)飽和固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。同時(shí)非穩(wěn)定的碳化物也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體，從而形成在鐵素體的基體上分布著細(xì)顆粒狀滲碳體的混合物，這種組織稱為回火托氏體(T回)，此階段硬度繼續(xù)下降4) 滲碳體的聚集長(zhǎng)大回火溫度在400以上時(shí)，滲碳體逐漸聚集長(zhǎng)大，形成較大的粒狀滲碳體，這種組織稱為回火索氏體(S回)，與回火托氏體相比，其滲碳體顆

17、粒較粗大。隨回火溫度進(jìn)一步升高，滲碳體迅速長(zhǎng)大，而且鐵素體開(kāi)始發(fā)生再結(jié)晶，由針狀形態(tài)變成等軸多邊形。第36頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四(2)回火的種類(lèi)及應(yīng)用 根據(jù)零件對(duì)性能的不同要求，按其回火溫度范圍，可將回火分為以下幾類(lèi)：1) 低溫回火(150250)回火后的組織為回火馬氏體，基本上保持了淬火后的高硬度(一般為5864HRC)和高耐磨性，主要目的是為了降低淬火應(yīng)力一般用于有耐磨性要求的零件，如刃具、工模具、滾動(dòng)軸承、滲碳零件等第37頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四2) 中溫回火(350500) 回火后的組織為回火托氏體，其硬度一般為35

18、45HRC，具有較高的彈性極限和屈服點(diǎn)。因而主要用于有較高彈性、韌性要求的零件，如各種彈簧3) 高溫回火(500650)回火后的組織為回火索氏體，這種組織既有較高的強(qiáng)度，又具有一定的塑性、韌性，其綜合力學(xué)性能優(yōu)良工業(yè)上通常將淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，它廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類(lèi)等。也可用于量具、模具等精密零件的預(yù)備熱處理。硬度一般為200350HBS第38頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四第39頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四第40頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四思考題1.在熱處理過(guò)程中，為什么加熱后要有一段保溫時(shí)間？在什么情況下可以不要保溫？2.鋸條、大彈簧、車(chē)床主軸、汽車(chē)變速箱齒輪的最熱處理有何不同？3.現(xiàn)用T12鋼制造鋼銼，請(qǐng)?zhí)顚?xiě)工藝路線方框圖中熱處理工序名稱：第41頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四3.3 鋼的表面熱處理3.3.1 表面淬火3.3.2 化學(xué)熱處理第42頁(yè)，共45頁(yè)，2022年，5月20日，13點(diǎn)33分，星期四一.表面淬火1.定義：通過(guò)快速加熱鋼件表面層，很快達(dá)到淬火溫度，在熱量來(lái)不及使工件