熱處理原理與工藝

1影響對(duì)流換熱系數(shù)的因素流體運(yùn)動(dòng)的情況：自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流流體的性質(zhì)：熱導(dǎo)率、熱容、密度、粘度工件的形狀及在爐內(nèi)的位置2影響熱導(dǎo)率的因素碳元素、合金元素含量越多，熱導(dǎo)率越小物相：奧氏體〈淬火馬氏體〈回火馬氏體〈珠光體溫度：對(duì)于純鐵、碳鋼，溫度越高，熱導(dǎo)率越小3隨爐加熱、到溫入爐、高溫入爐、高溫入爐到溫出爐、預(yù)熱加熱隨爐加熱：工件裝入爐中后，隨著爐子升溫而加熱，直至所需加熱溫度。到溫入爐：先把爐子溫度升高到工件要求的加熱溫度，再把工件放入爐內(nèi)加熱。高溫入爐：先把爐子溫度升高到高于工件要求的加熱溫度，再把工件放入爐內(nèi)直至達(dá)到所需溫度預(yù)熱加熱：工件先在已升溫至較低溫度的爐子中加熱，到溫后再轉(zhuǎn)移至預(yù)定工件加熱溫度的爐中加熱至工件所要求的溫度。4鐵加熱時(shí)的氧化反應(yīng)小于570°C加熱時(shí)，氧化產(chǎn)物為四氧化三鐵；大于570C加熱時(shí)，氧化產(chǎn)物為氧化亞鐵。5內(nèi)氧化：氧沿晶界或其他通道向內(nèi)擴(kuò)散，與晶界附近的Si、Mo等元素結(jié)合成氧化物的現(xiàn)象。(原因：SiO2、MoO的分解壓小于FeO的分解壓，故Si、Mo先被氧化。)6脫碳：鋼在加熱時(shí)，鋼中的碳與氣氛作用，使鋼表面失去一部分碳，含碳量降低的現(xiàn)象。碳勢(shì)：表征爐氣對(duì)鋼表層增碳或脫碳的能力。純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時(shí)表面的含碳量。7爐氣碳勢(shì)測(cè)量方法(爐氣中CO、H2、H2O、CO2、CH4、02有定量關(guān)系，CO、H2含量是恒定的，知道其余4中氣體任一種含量即可知所有氣體含量，從而可以得到碳勢(shì)。)實(shí)際碳勢(shì)曲線：直接測(cè)定不同溫度時(shí)爐氣成分及與之平衡的鋼的含碳量。紅外線CO2分析儀：測(cè)定爐氣中CO2含量(CO2含量越高，碳勢(shì)越低)露點(diǎn)儀：測(cè)定爐氣中H20的含量(H2O含量越高，碳勢(shì)越低)氧探頭：測(cè)定爐氣中氧含量(氧分壓)(電勢(shì)越高，碳勢(shì)越高)8脫碳過(guò)程：①脫碳反應(yīng)②碳由內(nèi)部向表面擴(kuò)散鋼在不同爐氣碳勢(shì)中脫碳后的組織分析半脫碳層：脫碳層組織自表面至中心，由鐵素體加珠光體組織過(guò)渡到珠光體，再至原始含碳量的緩冷組織，這種脫碳層為半脫碳層。全脫碳層：脫碳層組織自表面至中心，由單一鐵素體區(qū)到鐵素體加珠光體逐漸過(guò)渡到相當(dāng)于鋼原始含碳量緩冷組織，這種脫碳層為全脫碳層。9退火：將組織偏離平衡態(tài)的金屬材料加熱到適當(dāng)溫度，保持一段時(shí)間，隨后緩慢冷卻達(dá)到接近平衡組織的熱處理工藝。正火：將鋼加熱到臨界點(diǎn)AC3或ACcm以上適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。淬火：將鋼加熱到臨界點(diǎn)AC1或AC3以上某一溫度隨之以大于臨界冷卻速度冷卻得到亞穩(wěn)態(tài)的馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝?；鼗穑簩摷訜岬脚R界點(diǎn)AC1以下某一溫度保溫一段時(shí)間使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，隨后以適當(dāng)方式冷卻至室溫的熱處理工藝。10退火工藝擴(kuò)散退火：將金屬鑄錠、鑄件或鍛坯，在略低于固相線的溫度下長(zhǎng)期加熱，消除或減少化學(xué)成分偏析及顯微組織的不均勻性，以達(dá)到均勻化目的的熱處理工藝。完全退火：將鋼件或鋼材加熱到Ac3點(diǎn)以上，使之完全奧氏體化，然后緩慢冷卻，獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。不完全退火：將鋼件加熱到Ac1和Ac3或Ac1和Accm之間，經(jīng)保溫并緩慢冷卻，獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。球化退火：將鋼加熱到Ac3或Accm以下，Ac1附近，保溫一段時(shí)間，使鋼中碳化物球化或獲得球狀珠光體的退火工藝。①低于Ac1的球化退火②一次球化退火(先正火消除網(wǎng)狀滲碳體)③往復(fù)球化退火軟化退火：再結(jié)晶退火：經(jīng)過(guò)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時(shí)間，使形變晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘余應(yīng)力的熱處理工藝。去應(yīng)力退火：消除殘余應(yīng)力而不引起組織變化的退火工藝。11影響碳化物球化的因素化學(xué)成分(C擴(kuò)散越快，球化速度越快)C含量越高，球化效果越好合金元素：無(wú)碳化物形成元素球化速度快，有碳化物形成元素球化速度慢。原始組織組織越細(xì)小，球化是速度越快(擴(kuò)散距離短)退火溫度與保溫時(shí)間T，t越大，越易形成片狀珠光體，不易球化冷卻速度冷速快，不利于球化形變量形變量越大，球化效果好12雙重正火：第一次正火在高于臨界點(diǎn)Ac3以上150?200°C加熱，以擴(kuò)散方法消除粗大組織，使成分均勻；第二次正火在普通條件下進(jìn)行。13擴(kuò)散退火與高溫正火差別14退火、正火后的組織和性能差別15退火、正火選擇原則<0.20%高溫正火得到良好的切削性能0.20%?0.25%正火消除鍛造缺陷提高切削加工性能0.25%?0.5%正火：0.25%?0.35%正火切削性能最佳；0.35%?0.5%正火效率高，成本低0.5%?0.75%完全退火：合適硬度，適于切削加工0.75%?0.1%彈簧鋼：完全退火；刃具鋼：球化退火>0.1%工具鋼：球化退火預(yù)處理合金鋼：高溫回火降低硬度，改善切削性能16退火、正火缺陷過(guò)燒：溫度過(guò)高引起的晶界氧化、熔化。黑脆：退火溫度過(guò)高、保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、冷卻緩慢引起的滲碳體石墨化。重新奧氏體化消除。粗大魏氏組織(針狀先共析相與片狀珠光體混合物，脆)：溫度過(guò)高導(dǎo)致奧氏體粗大，而后形成的魏氏組織。完全退火、雙重正火消除。（4） 反常組織（先共析鐵素體周圍有粗大滲碳體或先共析滲碳體周圍有粗大鐵素體）：在Ar1附近冷速過(guò)慢或長(zhǎng)期保溫。重新退火消除。（5） 網(wǎng)狀組織：加熱溫度過(guò)高，冷速過(guò)慢。重新正火消除。（6） 球化不均勻：球化退火前沒(méi)有消除網(wǎng)狀滲碳體，導(dǎo)致其聚集。正火+一次球化退火消除。（7） 硬度過(guò)高：加熱溫度過(guò)高，冷速過(guò)快。重新退火消除。17鋼在淬火介質(zhì)冷卻3個(gè)階段（1） 蒸氣膜階段：冷卻速度緩慢（2） 沸騰階段：冷卻速度快（3） 對(duì)流階段：冷卻速度逐漸降低18淬火烈度：表征淬火介質(zhì)的冷卻能力。淬火介質(zhì)特性溫度：蒸氣膜開(kāi)始破裂的溫度。19淬透性：淬火時(shí)獲得馬氏體的難易程度。可硬性：淬成馬氏體可能得到的硬度。影響淬透性的因素（1） 化學(xué)成分：對(duì)于過(guò)共析鋼，在Accm以下加熱，含碳量小于1%，含碳量越高，淬透性越低；含碳量大于1%時(shí)，含碳量越高，淬透性越好。在Accm或Ac3以上加熱，含碳量越高，淬透性越好。除Ti、Zr、Co外，所有合金元素提高淬透性。（2） 奧氏體晶粒度：奧氏體晶粒尺寸越大，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性提高，淬透性越好。（3） 奧氏體化溫度：奧氏體化溫度越高，晶粒長(zhǎng)大，碳化物溶解，過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性越高，淬透性越好。（4） 第二相的存在和分布：彌散均勻分布的第二相提高過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，淬透性好。影響淬火應(yīng)力的因素（1） 含碳量：含碳量增加，熱應(yīng)力減弱，組織應(yīng)力增強(qiáng)，表面壓應(yīng)力減小，拉應(yīng)力位置越靠近表面。（2） 合金元素：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力均增加。（3） 工件尺寸的影響：完全淬透時(shí)，隨工件直徑增大，淬火應(yīng)力由組織應(yīng)力型轉(zhuǎn)變?yōu)闊釕?yīng)力型。未完全淬透時(shí)，淬火應(yīng)力為熱應(yīng)力型，工件直徑越大，淬硬層越薄，熱應(yīng)力特征越明顯。（4） 淬火介質(zhì)和冷卻方式的影響。過(guò)冷奧氏體不穩(wěn)定區(qū)冷卻速度快，馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度慢，為熱應(yīng)力型，反之為組織應(yīng)力型。20二次硬化：由于鋼中含有較多碳化物形成元素，在500?650°C回火時(shí)形成合金碳化物導(dǎo)致硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為二次硬化。21亞溫淬火：亞共析鋼在Ac1?Ac3之間的溫度加熱淬火稱為亞溫淬火。等溫淬火：（1） 預(yù)冷等溫淬火：工件加熱奧氏體化后，先在溫度較低的鹽浴中冷卻，然后轉(zhuǎn)入等溫淬火浴槽中進(jìn)行下貝氏體轉(zhuǎn)變，再取出空冷。（2） 預(yù)淬等溫淬火：工件加熱奧氏體化后，先淬入溫度低于Ms點(diǎn)熱浴獲得大于10%馬氏體，然后轉(zhuǎn)入等溫淬火槽中進(jìn)行下貝氏體轉(zhuǎn)變，再取出空冷。（3） 分級(jí)等溫淬火：工件加熱奧氏體化后，現(xiàn)在中溫區(qū)進(jìn)行一次（或兩次）分級(jí)冷卻，然后轉(zhuǎn)入等溫淬火槽中進(jìn)行下貝氏體轉(zhuǎn)變，再取出空冷。22回火脆性：在某些溫度區(qū)間回火時(shí)隨回火溫度升高，鋼韌性反而下降的現(xiàn)象。第一類回火脆性：淬火鋼在250?350C回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。第二類回火脆性：淬火鋼在500?650°C回火后緩冷時(shí)出現(xiàn)的脆性。23淬火缺陷淬火變形、開(kāi)裂：淬火不均勻引起的扭曲變形，淬火前后組織變化引起的體積變化，熱應(yīng)力、組織應(yīng)力引起的形狀變化，內(nèi)應(yīng)力大于斷裂強(qiáng)度引起的縱向裂縫和橫向裂縫。氧化、脫碳、表面腐蝕及過(guò)燒硬度不足：淬火溫度過(guò)低、保溫時(shí)間不足，工具鋼淬火溫度過(guò)高引起的淬后殘余奧氏體過(guò)多，表面脫碳等。硬度不均勻：淬火前原始組織不均勻、滲碳件表面碳濃度不均勻等。組織缺陷：粗大馬氏體、游離鐵素體等。回火缺陷硬度過(guò)低、過(guò)高、不均勻：回火溫度過(guò)低、過(guò)高、爐溫不均勻?；鼗鹱冃危夯鼗饝?yīng)力松弛導(dǎo)致變形。多次校直多次加熱，壓具回火消除回火脆性：第一類回火脆性，重新加熱淬火，另選溫度回火消除。第二類回火脆性，重新加熱回火，然后加速回火后冷卻速度消除。24表面淬火：被處理工件在表面有限深度范圍內(nèi)加熱至相變點(diǎn)以上，然后迅速冷卻，在工件表面一定深度范圍內(nèi)達(dá)到淬火目的的熱處理工藝。25鋼在非平衡加熱時(shí)的相變特點(diǎn)在一定的加熱速度范圍內(nèi)，臨界點(diǎn)隨著加熱速度的增加而提高。奧氏體成分不均勻性隨著加熱速度的增加而增大。提高加熱速度可顯著細(xì)化奧氏體晶粒?？焖偌訜釋?duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變及馬氏體的回火有明顯影響。26感應(yīng)加熱表面淬火：利用感應(yīng)電流通過(guò)工件產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，隨后快速冷卻，獲得馬氏體組織的工藝?；鹧婕訜岜砻娲慊穑河靡环N火焰在一個(gè)工件表面若干尺寸范圍內(nèi)加熱，使其奧氏體化并淬火的工藝。27電流透入深度：表面渦流強(qiáng)度降至表面初始渦流強(qiáng)度的1/e處的深度。冷態(tài)電流透入深度：20C時(shí)的電流透入深度。熱態(tài)電流透入深度：800C時(shí)的電流透入深度。28透入式加熱：當(dāng)零件加熱時(shí)，電流透入深度大于淬硬層深度。傳導(dǎo)式加熱：當(dāng)零件加熱時(shí)，電流透入深度小于淬硬層深度。29自回火：當(dāng)淬火后未完全冷卻，利用在工件內(nèi)殘留的熱量進(jìn)行回火。30化學(xué)熱處理：金屬制件放在一定的化學(xué)介質(zhì)中，使其表面與化學(xué)介質(zhì)相互作用，吸收其中某些化學(xué)元素的原子并通過(guò)加熱，使該原子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散的過(guò)程。反應(yīng)擴(kuò)散：由溶解度較低的固溶體轉(zhuǎn)變?yōu)闈舛雀玫幕衔铮@種擴(kuò)散稱為反應(yīng)擴(kuò)散。31鋼的滲碳：鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面碳含量和一定碳濃度梯度的工藝。32滴注式滲劑選擇原則較大的產(chǎn)氣量、碳氧比大于1、碳當(dāng)量小、氣氛中CO和H2成分穩(wěn)定、價(jià)格低廉資源豐富。33真空滲碳優(yōu)點(diǎn)真空加熱的表面凈化作用使表面活化，縮短滲碳時(shí)間。滲碳表面質(zhì)量好，滲碳層均勻，無(wú)過(guò)滲危險(xiǎn)。直接用天然氣作滲碳劑，無(wú)需氣體發(fā)生爐。作業(yè)條件好。(真空淬火后需180?200°C低溫回火)34滲碳后直接淬火優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：減少加熱、冷卻次數(shù)，簡(jiǎn)化操作，減少變形和氧化脫碳。缺點(diǎn)：由于滲碳時(shí)在較高滲碳溫度停留較長(zhǎng)時(shí)間，導(dǎo)致奧氏體晶粒粗大。35不同鋼滲碳后熱處理選擇本質(zhì)細(xì)晶粒鋼：直接淬火本質(zhì)粗晶粒鋼：一次加熱淬火高合金鋼：3次高溫回火后一次加熱淬火。35兩次淬火：第一次淬火溫度在Ac3以上，第二次淬火溫度在滲碳層成分的Ac1以上。目的：細(xì)化滲碳層中的馬氏體晶粒，獲得隱晶馬氏體、殘余奧氏體及均勻分布的細(xì)粒狀碳化物的滲層組織。36二次淬火：高合金鋼在回火冷卻時(shí)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的現(xiàn)象。37滲碳缺陷黑色組織：氧向鋼晶界擴(kuò)散，形成氧化物——“內(nèi)氧化，或氧化區(qū)合金元素的貧化淬透性降低，出現(xiàn)費(fèi)馬氏體。降低氧含量，噴丸處理。反常組織：奧氏體均勻化后采用較快淬火冷卻速度。粗大網(wǎng)狀碳化物：滲碳溫度過(guò)高，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，擴(kuò)散溫度過(guò)低。高于Accm的高溫淬火或正火。滲碳層深度不均勻表層貧碳或脫碳：爐氣碳勢(shì)過(guò)低，或氧化脫碳。噴丸處理表面腐蝕及氧化。38滲氮：向金屬表面滲入氮元素的工藝。39氮?jiǎng)荩罕碚鳉夥諠B氮能力的度量，定義為r 上—3[Ph]240滲碳工藝方法強(qiáng)化滲氮等溫滲碳：滲氮溫度不變，氨分解率先小后大，退氮更大。優(yōu)點(diǎn)：滲碳溫度低，變形小，硬度高。缺點(diǎn)：滲氮時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)率低。兩段滲氮：滲氮溫度先低后高，氨分解率先小后大，退氮更大。三段滲氮：滲氮溫度先低后高再低，氨分解率先小后大再小?？垢g滲氮：工件表面獲得致密的化學(xué)穩(wěn)定性高的8相層。41滲氮缺陷變形：滲氮前殘存內(nèi)應(yīng)力滲后松弛導(dǎo)致變形，裝爐不當(dāng)?shù)?。滲氮前去應(yīng)力，裝爐恰當(dāng)。脆性和滲氮層剝落：表層氮濃度過(guò)大，滲氮前表面脫碳、過(guò)熱導(dǎo)致滲后形成粗大針狀碳化物。預(yù)防氧化、脫碳、過(guò)熱，降低滲層氮含量。深層硬度不足及軟點(diǎn)：表面氮濃度過(guò)低，滲氮溫度過(guò)高氮化物粗大，滲氮時(shí)間不足滲層過(guò)淺導(dǎo)致硬度不足，滲氮表面有異物導(dǎo)致軟點(diǎn)?？垢g滲氮后的質(zhì)量檢驗(yàn)42碳氮共滲：在鋼表面同時(shí)滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝。43碳氮共滲特點(diǎn)(1)共滲溫度不同，共滲層中碳氮含量不同。氮含量隨共滲溫度提高而降低，碳含量則先增加后降低。（2） 碳氮共滲時(shí)碳氮元素相互對(duì)鋼中溶解度及擴(kuò)散深度有影響。氮擴(kuò)大Y相區(qū)，可在更低溫度滲碳;氮滲入濃度過(guò)高表面形成碳氮化合物相阻礙碳的擴(kuò)散。碳降低氮在a、￡相中擴(kuò)散系數(shù)，故碳阻礙氮擴(kuò)散。（3） 碳氮共滲過(guò)程中碳對(duì)氮的吸附有影響。共滲第二階段，碳的繼續(xù)滲入使表面脫氮。44固溶處理：第二相在基體中固溶度隨溫度的降低而下降的合金，將其加熱到第二相全部或最大限度的固溶到基體中，保溫一段時(shí)間，然后以大于第二相在固溶體中析出或分解