熱處理培訓(xùn)課件

1、金屬材料熱處理基礎(chǔ)知識(shí)黃勝洲黃勝洲2012-04-25熱處理與其加工方法特點(diǎn)：熱處理與其加工方法特點(diǎn)：它只改變金屬材料的組織和性能，而不改變其形狀和尺寸。 熱處理的作用日趨重要熱處理的作用日趨重要：因?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)器制造對(duì)金屬材料的性能不斷提出更高的要求，如果完全依賴原材料的原始性能來(lái)滿足這些要求，常常是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可能的。熱處理可提高零件的強(qiáng)度、硬度、韌性、彈性，同時(shí)，還可改善毛坯或原材料切削性能，使之易于加工。熱處理是改善原材料或毛坯的工藝性能、保證產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命、挖掘材料潛力不可缺少的工藝方法。熱處理在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。熱處理在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。在機(jī)床制造中要

2、進(jìn)行熱處理的零件占6070；在汽車、拖拉機(jī)制造中占7080；在各類工具(刃具、模具、量具等)和滾動(dòng)軸承制造中，100的需要進(jìn)行熱處理。1-1 1-1 熱處理概況熱處理概況2-1 2-1 鋼的熱處理鋼的熱處理 熱處理（熱處理（heat treatment）將鋼在將鋼在固態(tài)固態(tài)下，通過(guò)適當(dāng)?shù)南?，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行方式進(jìn)行加熱、保溫和冷卻加熱、保溫和冷卻，以改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料性能（從而改善材料性能（工藝性工藝性能和使用性能能和使用性能）的一種工藝）的一種工藝方法。方法。 熱處理起作用的主要因素：熱處理起作用的主要因素：時(shí)間、溫度和冷卻速度時(shí)間、溫度和冷卻速度加

3、熱加熱保溫保溫冷卻冷卻溫度溫度時(shí)間時(shí)間臨界溫度臨界溫度熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線3 3-1-1鐵碳合金的基本組織鐵碳合金的基本組織 鐵 碳含量2%-弱而脆鐵碳合金 鐵素體碳熔于鐵或鐵中的固溶體 F 鋼 奧氏體碳熔于鐵中的固溶體 A 滲碳體鐵碳金屬化合物含碳6.67% Fe3C強(qiáng)而韌碳含量0.02%-2%3 3- -2 2Fe-FeFe-Fe3 3C C的平衡相圖的平衡相圖(1)C點(diǎn) 共晶點(diǎn) 含碳量為4.3%的合金熔熱冷至此點(diǎn)時(shí)，在恒溫下發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變。(2)S點(diǎn) 共析點(diǎn) 含碳量為0.77%的合金熔熱冷至此點(diǎn)時(shí)，在恒溫下發(fā)生共析轉(zhuǎn)變。(3)ABCD線 液相線(4)AHJECF線 固相線。(5)G

4、S線 又稱A3線，從奧氏體中析出鐵索體的曲線，相變 時(shí)，奧氏體成分沿此線向S點(diǎn)變化。(6)ES線 又稱Acm線，碳在奧氏體中固溶線，其最大溶解度是1148時(shí)的2.11%(E點(diǎn))。奧氏體冷至此線開(kāi)始析出Fe3C，稱為二次滲碳體，記為Fe3C，以區(qū)別于從液體中直接結(jié)晶出的一次滲碳體。(7)PQ線 碳在鐵索體中固溶線，其最大溶解度是727時(shí)的0.02(P點(diǎn))。鐵索體冷至此線時(shí)將析出二次相Fe3C，稱三次滲碳體。簡(jiǎn)化的平衡相圖1. 共析鋼A、結(jié)晶過(guò)程B、 顯微組織2. 亞共析鋼A、結(jié)晶過(guò)程B、 顯微組織 P+F3.過(guò)共析鋼A、結(jié)晶過(guò)程B、 顯微組織 P+Fe3C4.亞共晶白口鑄鐵A、結(jié)晶過(guò)程B、 顯微

5、組織萊氏體滲碳體珠光體5.過(guò)共晶白口鑄鐵A、結(jié)晶過(guò)程B、顯微組織滲碳體萊氏體一、熱處理的工藝方法一、熱處理的工藝方法 二、熱處理工藝的依據(jù)二、熱處理工藝的依據(jù) 鐵碳合金狀態(tài)圖 大多數(shù)熱處理是要將鋼加熱到臨界溫度以上，使原有組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體奧氏體后，再以不同的冷卻方式轉(zhuǎn)變成不同的組織，并獲得所需要的性能。鐵碳合金狀態(tài)圖中組織轉(zhuǎn)變的臨界溫度曲線A1、A3、Acm，是在極其緩慢地加熱或冷卻條件下測(cè)定出來(lái)的，而在熱處理中的加熱和冷卻大多不是極其緩慢的，故實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度比狀態(tài)圖上的臨界溫度有一定的滯后現(xiàn)象，也就是通常所說(shuō)的需要有一定的過(guò)熱或過(guò)冷，轉(zhuǎn)變才能充分進(jìn)行。為了便于熱處理時(shí)使用鐵碳合金狀態(tài)圖，

6、通常將加熱時(shí)實(shí)際臨界溫度的位置用Ac1、Ac3、Accm表示；將冷卻時(shí)實(shí)際臨界溫度的位置用Ar1、Ar3、Arcm表示， 4 41 1 退火和正火退火和正火一、退火一、退火 （annealing）退火退火是將鋼加熱、保溫，然后隨爐冷卻或埋人灰中使其緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火的目的：退火的目的：退火主要用于鑄件、鍛件、焊件及其它毛坯的預(yù)備熱處理。(1)降低硬度，以利于切削加工或其它種類加工；(2)細(xì)化晶粒，提高鋼的塑性和韌性；(3)消除內(nèi)應(yīng)力，并為淬火工序作好準(zhǔn)備。根據(jù)退火的具體目的不同，工藝方法有：根據(jù)退火的具體目的不同，工藝方法有：(1)完全退火 (2)球化退火 (3)低

7、溫退火 退火過(guò)程中的組織變化(1)完全退火 概念：概念： 將亞共析鋼亞共析鋼加熱到Ac以上3050，保溫后緩慢冷卻。為了提高生產(chǎn)率，也可在緩慢冷卻到500以下時(shí)從爐內(nèi)取出，使其在空氣中冷卻到室溫。 完全退火主要用途：完全退火主要用途： 鑄鋼件和重要鍛件，有時(shí)也用于淬火返修件。 因?yàn)殍T鋼件鑄態(tài)下晶粒粗大，塑性、韌性較低；鍛件因鍛造時(shí)變形不均勻，外部和內(nèi)部溫差大，致使晶粒和組織不均，且有內(nèi)應(yīng)力，故硬度偏高，塑性、韌性不足，容易產(chǎn)生裂紋和變形。上述問(wèn)題可通過(guò)完全退火來(lái)解決。 完全退火的原理：完全退火的原理： 鋼件被加熱到Ac3以上時(shí)，呈完全奧氏體狀態(tài)。由于初始形成的奧氏體晶粒非常細(xì)小，待經(jīng)過(guò)Ar3線

8、緩慢冷卻時(shí)，通過(guò)“重結(jié)晶”使鋼件獲得細(xì)小晶粒，并消除了內(nèi)應(yīng)力。注意：注意：必須嚴(yán)格控制退火加熱溫度，若加熱溫度過(guò)高，則奧氏體晶 粒將急劇長(zhǎng)大，冷卻后仍然是粗大晶粒。(2)球化退火主要用于過(guò)共析鋼鍛件 球化退火的目的球化退火的目的降低硬度，改善切削加工性，并為淬火作好準(zhǔn)備。過(guò)共析鋼經(jīng)過(guò)鍛造以后，其珠光體晶粒粗大，且存有少量網(wǎng)狀二次滲碳體，致使硬度高、脆性大，進(jìn)行切削加工時(shí)易磨損刀具，淬火時(shí)容易產(chǎn)生裂紋和變形，這些問(wèn)題可通過(guò)球化退火予以解決。球化退火的原理球化退火的原理球化退火時(shí)，將鋼加熱到Ac1以上2030，此時(shí)，初始形成的奧氏體內(nèi)及其晶界上尚存有少量未完全溶解的滲碳體。在隨后的冷卻過(guò)程中，從奧

9、氏體中經(jīng)共析反應(yīng)析出的滲碳體以未溶滲碳體為晶核，呈球狀析出，分布在鐵素體基體之上，這種組織稱為球化體。它是人們對(duì)淬火前過(guò)共析鋼最期望的組織，因?yàn)檐囅髌瑺钪楣怏w時(shí)，容易磨損刀具，而球狀珠光體硬度低，節(jié)省刀具。注：在球化退火時(shí)奧氏化是“不完全”的，只是片狀珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，及少量過(guò)剩碳化物溶解。因此，它不能消除網(wǎng)狀碳化物，如過(guò)共析鋼有網(wǎng)狀碳化物存在，則在球化退火前須先進(jìn)行正火，將其消除，才能保證球化退火正常進(jìn)行。(3)低溫退火概念：概念： 它是將鋼加熱到Ac1以下，保溫后緩冷。由于加熱溫度低于臨界溫度，因而鋼未發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。 應(yīng)力退火應(yīng)力退火當(dāng)退火主要用于消除工件內(nèi)應(yīng)力時(shí)，稱為去應(yīng)力退火。此時(shí)將

10、工件加熱到500650，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間保溫，通過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形使內(nèi)應(yīng)力消除。去應(yīng)力退火主要用于部分鑄件、鍛件及焊件，有時(shí)也用于精密零件的切削加工，以去除粗加工所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止工件產(chǎn)生變形。 再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火低溫退火在用于消除冷變形(冷拔、冷軋、冷沖等)所產(chǎn)生的加工硬化時(shí)，稱為再結(jié)晶退火。再結(jié)晶退火的加熱溫度應(yīng)為鋼的再結(jié)晶溫度以上150250，即650750，保溫后空冷。再結(jié)晶退火時(shí)，通過(guò)“再結(jié)晶”可獲得均勻而細(xì)小的等軸晶粒，從而降低硬度，恢復(fù)塑性，以便繼續(xù)進(jìn)行上述的冷變形。均勻化均勻化退火退火正火正火：加熱到：加熱到AC3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或ACcm（共析、過(guò)共析鋼）以上（共

11、析、過(guò)共析鋼）以上3050 保溫保溫空冷空冷細(xì)珠光體細(xì)珠光體（P）正火和完全退火的作用相似。正火和完全退火的作用相似。它也是將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進(jìn)行重結(jié)晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和它也是將鋼加熱到奧氏體區(qū)，使鋼進(jìn)行重結(jié)晶，從而解決鑄鋼件、鍛件的粗大晶粒和組織不均問(wèn)題。但正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的組織不均問(wèn)題。但正火比退火的冷卻速度稍快，所形成的(FFe3C)機(jī)械混合物比退火機(jī)械混合物比退火得到的珠光體片層更薄，強(qiáng)度、硬度較退火得到的珠光體高，但韌性并未下降。得到的珠光體片層更薄，強(qiáng)度、硬度較退火得到的珠光體高，但韌性并未下降。正火目的正火目的1.取代部分完全退火取代部分完全

12、退火。正火是在爐外冷卻，占用設(shè)備時(shí)間短，生產(chǎn)率高，故應(yīng)盡量用正火取代退火正火是在爐外冷卻，占用設(shè)備時(shí)間短，生產(chǎn)率高，故應(yīng)盡量用正火取代退火(如低碳鋼如低碳鋼和含碳較低的中碳鋼和含碳較低的中碳鋼)。必須看到，含碳較高的鋼，正火后硬度過(guò)高，使切削加工性變。必須看到，含碳較高的鋼，正火后硬度過(guò)高，使切削加工性變差，且正火難以消除內(nèi)應(yīng)力，因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復(fù)雜件仍以退火為宜。差，且正火難以消除內(nèi)應(yīng)力，因此，中碳合金鋼、高碳鋼及復(fù)雜件仍以退火為宜。2.用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理3. 為球化退火作準(zhǔn)備為球化退火作準(zhǔn)備。用于過(guò)共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作

13、準(zhǔn)備。用于過(guò)共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作準(zhǔn)備。二、正火（二、正火（normalizing）4 42 2淬火和回火淬火和回火一、淬火（一、淬火（ hardenning ）將鋼加熱到Ac3或Ac1以上3050，保溫后在淬火介質(zhì)中快速冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝?，F(xiàn)以共析鋼為例，分析淬火時(shí)鋼的組織轉(zhuǎn)變。如前所述，共析鋼被加熱到Ac1以上，將全部轉(zhuǎn)變成奧氏體。奧氏體若在緩慢冷卻條件下，經(jīng)過(guò)S點(diǎn)時(shí)將轉(zhuǎn)變成鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物珠光體。然而，淬火時(shí)的冷卻速度極快，奧氏體僅能發(fā)生-Fe向-Fe的同素異晶轉(zhuǎn)變，而-Fe中的過(guò)飽和碳原子在低溫下卻難以從晶格內(nèi)擴(kuò)散出去，這樣就形成了碳

14、在-Fe中的嚴(yán)重過(guò)飽和固溶體，這種嚴(yán)重過(guò)飽和固溶體稱作馬氏體，以符號(hào)“M”表示。馬氏體中的碳在-Fe的晶格中嚴(yán)重過(guò)飽和，致使晶格發(fā)生嚴(yán)重的畸變，增加了變形的抗力，因此馬氏體通常具有高的硬度和耐磨性，但塑性和韌性很差。馬氏體的實(shí)際硬度與鋼的含碳量密切相關(guān)。含碳愈高，晶格畸變加大，鋼的硬度愈高，因此，要求高硬度和高耐磨性的工件多采用中、高碳鋼來(lái)制造。二、回火（二、回火（ tempering ） 回火：回火：將淬火鋼重新加熱到Ac1以下某溫度，保溫后冷卻的熱處理工藝，稱為回火。 回火的主要目的：回火的主要目的：消除淬火內(nèi)應(yīng)力，以降低鋼的脆性，防止產(chǎn)生裂紋，同時(shí)使鋼獲得所需的力學(xué)性能。 原理：原理：淬

15、火所形成的馬氏體是在快速冷卻條件下被強(qiáng)制形成的不穩(wěn)定組織，因而具有重新轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定組織的自發(fā)趨勢(shì)?；鼗饡r(shí)，由于被重新加熱，原子活動(dòng)能力加強(qiáng)，所以隨著溫度的升高，馬氏體中過(guò)飽和的碳將以碳化物形式析出?？偟内厔?shì)是回火溫度愈高，析出的碳化物愈多，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性升高。根據(jù)回火溫度的不同，可將鋼的回火分為如下三種：(1)低溫回火低溫回火(150250)：目的目的是降低淬火鋼的內(nèi)應(yīng)力和脆性，但基本保持淬火所獲得的高硬度(5664HRC)和高的耐磨性。淬火后低溫回火用途最廣，主要用于工具鋼的熱處理，如各種刃具、模具、滾動(dòng)軸承和耐磨件等。(2)中溫回火中溫回火(350500)：目的目的是使鋼獲

16、得高彈性，保持較高硬度(3550HRC)和一定的韌性。中溫回火主要用于各種彈簧、發(fā)條、鍛模等。(3)高溫回火高溫回火(500650)：淬火后高溫回火的熱處理合稱調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛用于承受疲勞載荷的中碳鋼重要件，如連桿、曲軸、主軸、齒輪、重要螺釘?shù)?。其硬度?035HRC。這是由于調(diào)質(zhì)處理后其滲碳體呈細(xì)粒狀(細(xì)球狀)，與正火后的片狀滲碳體組織相比。在載荷下不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鋼的韌性顯著提高，因此，調(diào)質(zhì)處理的鋼可獲得調(diào)質(zhì)處理的鋼可獲得強(qiáng)度及韌性都較好的綜合力學(xué)性能。強(qiáng)度及韌性都較好的綜合力學(xué)性能。5 51 1表面淬火表面淬火和化學(xué)熱處理和化學(xué)熱處理一、表面淬火（一、表面淬火（surf

17、ace hardening）表面淬火：表面淬火：是將鋼件的表面層淬透到一定的深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火方法。表面淬火時(shí)通過(guò)快速加熱，使鋼件表面層很快達(dá)到淬火溫度，在熱量來(lái)不及傳到工件心部就立即冷卻，實(shí)現(xiàn)局部淬火。表面淬火的目的：表面淬火的目的：在于獲得高硬度、高耐磨性的表層，而心部仍保持原有的良好韌性，常用于機(jī)床主軸、齒輪，發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸等。表面淬火所采用的快速加熱方法：表面淬火所采用的快速加熱方法：電感應(yīng)、火焰、電接觸、激光等，目前應(yīng)用最廣的是電感應(yīng)加熱法。 感應(yīng)加熱表面淬火法感應(yīng)加熱表面淬火法就是在一個(gè)感應(yīng)線圈中通以一定頻率的交流電(有高頻、中頻、工頻三種)，使感應(yīng)圈周圍產(chǎn)生

18、頻率相同的交變磁場(chǎng)，置于磁場(chǎng)之中的工件就會(huì)產(chǎn)生與感應(yīng)線圈頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流，這個(gè)電流叫作渦流。由于集膚效應(yīng)，渦流主要集中在工件表層。渦流所產(chǎn)生的電阻熱使工件表層被迅速加熱到淬火溫度，隨即向工件噴水，將工件表層淬硬。 感應(yīng)電流的頻率頻率愈高，集膚效應(yīng)愈強(qiáng)烈，故高頻感應(yīng)加熱用途最廣。高頻感應(yīng)加熱常用頻率為200300kHz，其加熱速度極快，通常只有幾秒鐘，淬硬層深度一般為0.52mm。主要用于要求淬硬層較薄的中、小型零件，如齒輪、軸等。二、化學(xué)熱處理二、化學(xué)熱處理（ thermo-chemical treatment ） 化學(xué)熱處理：化學(xué)熱處理：是將工件置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲人工件表層，以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而獲得所需的力學(xué)性能或理化性能。 改變表面成分改變表面成分組織和性能改變組織和性能改變 作用：作用：提高工件表面硬度、耐磨性，耐熱、耐蝕等。提高工件表面