金属热处理及表面处理技术.doc

第5章 金属热处理及表面处理技术 本章学习要求（本课程的重点章节之一） 1. 了解本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；钢在加热和冷却过程中产生的缺陷； 2. 熟悉钢在加热和冷却时组织转变的机理； 3. 掌握各种热处理的具体工艺过程； 本章学习重点 钢在加热时组织转变的过程中及影响因素； 共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。 非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C典线的因素； 奥低体连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对钢的组织变化和最终性能的影响； 各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和适用的钢种、零件的范围。 学习方法指导 u 演绎法 “铁碳碳相图、C曲线”→“钢在加热和冷却时组织转变的机理和产物” →“各种热处理方法” 。 u 联想展开法 围绕“钢的成份-组织-性能”间的关系，理解“退火、正火、淬火、回火及表面热处理的目的、工艺及应用”。 金属热处理基本概念 钢的热处理，就是通过加热、保温和冷却，使钢材内部的组织结构发生变化，从而获得所需性能的一种艺方法。 并不是所有的金属材料都能进行热处理，在固态下能够发生组织转变，这是热处理的一个必要条件。 金属热处理类型 退火、正火、淬火、回火及表面热处理 第1节 钢加热时的组织转变 l 奥氏体的形成（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程） 共析钢奥氏体化温度 Ac1温度 Fbcc,0.0218Fe3C6.69 A Fcc, 0.77 共析钢奥氏体化过程（遵循形核、长大规律） （1）奥氏体形核 奥氏体晶核首先在铁素体相界面处形成。 （2）奥氏体长大 形成的奥氏体晶核依靠铁、碳原子的扩散，同时向铁素体和渗碳体两个方向长大，直至铁素体消失。 （3）残余渗碳体溶解 残余的渗碳体随着加热和保温时间的延长，不断溶入奥氏体，直到全部消失。 （4）奥氏体成分的均匀化,通过碳原子的扩散，形成成分较为均匀的奥氏体. l 碳及合金元素对加热转变的影响 1．除Mn、Ni等以外，升高钢的临界点，所以合金钢的加热温度高于碳钢。 2．除了Co等外，减慢碳在奥氏体中的扩散速度，保温的时间长。 3.除了Mn、P等以外，阻碍奥氏体晶粒的长大，细化晶粒（尤其是与碳结合力较强的所谓形成碳化物一类的元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Nb等）。. l 奥氏体晶粒的长大及影响因素 晶粒度 表征晶体内晶粒大小的量度，通常用长度，面积，体积或晶粒度级别表示。 起始晶粒度、实际晶粒度、本质晶粒度 珠光体刚转变为奥氏体时，一般情况下其晶粒是细小的，这时的晶粒大小称之为起始晶粒度。 本质晶粒度钢奥氏体晶粒长大的倾向。 奥氏体晶粒随温度的升高而且迅速长大→本质粗晶钢 奥氏体晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大→本质细晶钢 奥氏体晶粒度的控制 加热工艺 加热温度，保温时间 钢的成分合金化 A中C↑→晶粒长大↑ MxC↑→粒长大↓（碳化物形成元素 细化晶粒 Al→本质细晶钢 Mn 、P促进长大 l 加热时常见的缺陷 过热excessive heating 钢在加热时，由于加热温度过高或加热时间过长，引起奥氏体晶粒粗大的现象。 过烧burnt 钢在加热时，由于加热温度过高，造成晶界氧化或局部熔化的现象。 氧化 由于铁和空气中的氧等化合形成氧化皮，从而使工件表面粗糙不平，影响零件的精度。 脱碳 钢件表面的碳被烧掉，因而使其含碳量降低，这不仅影响热处理后钢件表面的硬度，并将显著降低零件的疲劳强度，因而切削工具和一些重要的零件是不允许热处理时发生严重脱碳的. 第2节 钢在冷却时的转变 l 过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）的建立 通过热分析、膨胀分析、磁性分析和金相分析等方法，测出在不同温度下过冷奥氏体发生相变的开始时刻和终了时刻，并标在温度-时间坐标上，将所有转变开始点和转变终了点分别连接起来，便得到了该钢种的过冷奥氏体等温转变曲线。由于曲线的形状很象英文字母“C”，故称C曲线。 A1以上A稳定 A1以下A不稳定，过冷 C曲线有一最小孕育期 1T↓，AP的驱动力F提高 2T↓D↓ D（扩散） l 过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 共析钢的过冷奥氏体在个不同的温度区间，可以发生三种不同的转变 高温转变区在A1点至C曲线鼻尖区间的高温转变，其转变产物是珠光体（P），故又称为珠光体型转变（包括珠光体P、索氏体S和屈氏体T）； 中温区转变在C曲线鼻尖至Ms线区间的中温转变，其转变产物是贝氏体（B），故又称为贝氏体型转变（包括上贝氏体B上和下贝氏体B下）； 低温区转变在Ms至Mf线之间的转变，称低温转变，其转变产物是马氏体M），故又称为马氏体型转变。 珠光体转变 一种扩散型相变 A1鼻子温度（5500C） A过冷P（S，T）索氏体，屈氏体。 P的形成取决于生核，长大速率。T↓，生核，长大↑。 T↓→6000C，D↓，长大慢→层间距薄，短扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。 T↓HB↑，强度↑ 贝氏体转变----半扩散型相变（550℃～230℃ （MS）） A过冷→B，碳化物分布在含过饱和碳的F基体上的两相机械混合物。 550℃350℃ 上贝氏体 半扩散型，Fe不扩散 羽毛状 碳化物在F间，韧性差 350℃MS 下贝氏体 C原子有一定的扩散能力 针状 碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好 工业生产中，常采用等温淬火来获得下贝氏体，以防止产生上贝氏体。 马氏体转变----非扩散型转变 MS→Mf之间一个温度范围内连续冷却完成的。 a. A过冷→MA残余 b. 转变产物马氏体M，碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 C1.0，针状M，硬而脆，塑、韧性差 c. 实质T低C无法扩散→非扩散性晶格切变→过饱和C的铁素体。 d. M转变的特征，①无扩散性 ②瞬时性 ③存在Ms,Mf ④不完全性 ⑤体积膨胀马氏体martensite是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。过冷奥氏体冷至MS线以下便发生马氏体转变（共析钢的MS约为230℃）。由于转变温度低，铁原子和碳原子都不能扩散，奥氏体向马氏体转变时只发生γ-Fe→α-Fe的晶格改组，所以这种转变称为非扩散型转变。 马氏体实质上是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。马氏体转变时，体积会发生膨胀，钢中含碳量越高，马氏体中过饱和的碳也越多，奥氏体转变为马氏体时的体积膨胀也越大，这就是高碳钢淬火时容易变形和开裂的原因之一。 马氏体转变特点 （1）降温形成 马氏体转变是在MS～Mf温度范围内，不断降温的过程中进行的，冷却中断，转变也随即停止，只有继续降温，马氏体转变才能继续进行。 （2）高速形核和长大 当奥氏体过冷至MS点温度以下时，不需要孕育期，马氏体晶核瞬间形成，并以极快的速度迅速长大。 （3）马氏体转变的不完全性 常温条件下马氏体转变不能进行彻底. l 影响过冷奥氏体等温转变的因素 C曲线反映奥氏体的稳定性及分解转变特性（与奥氏体的化学成分和加热时的状态）。 C曲线的形状位置，不仅对过冷奥氏体等温转变速度和转变产物的性能具有重要意义，而且对钢的热处理工艺也有指导性作用。 A成分 含碳量（含碳量的变化对C曲线形状无影响） A中C↑→C曲线右移。 对亚共析钢钢中C↑，A中C↑→C曲线右移 对过共析钢一般在AC1以上A化，钢中C↑，未溶Fe3C↑→有利于形核→C曲线左移 共析钢C曲线最靠右边，稳定性最高。 合金元素（除Co↑→左移外） 除Co以外，所有合金元素溶入A中，增大过冷A稳定性C曲线右移 非碳化物形成元素，Si,Ni, Cu, 不改变C曲线形状 强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V, Nb, Ti, 改变C曲线形状 除Co,Al 外，均使Ms,Mf 下降，残余A↑ A化条件的影响 加热温度和时间 A化温度↑，时间↑→A稳定性↑，C曲线右移 （成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低） l 过冷奥氏体的连续冷却转变 过冷奥氏体的连续冷却转变图 PSA→P开始线 PfA→P终止线 K珠光体型转变终止线 Vk上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）→M最小冷速 Vk’下临界冷速→完全P最大冷速 连续冷却转变曲线和等温转变曲线的比较 （1）CCT位于TTT曲线右下方 A→P转变温度低一些，t长一些 （2）CCT无A→B转变 CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析 C曲线的应用 （1）根据工件要求，确定热处理工艺。 （2）确定工件淬火时的临界冷速。 （3）可以指导连续冷却操作 V1炉冷（退火） P V2 空冷，S，T V3空冷，S，T V4油冷，TMA V5 MA （4）选择钢材的依据 （5）C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。 第3节 钢的退火与正火工艺 退火和正火都是获得珠光体型组织（亚共析钢为FP，共析钢为P，过共析钢为Fe3CP），但由于正火冷速稍快，获得的组织细密，珠光体层片也较薄，因此硬度也比退火稍高。（观看视频） l 退火 （将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。） 完全退火 加热温度Ac3以上20-30度 组织PF 目的 ①细化，均匀化粗大、不均匀组织 ②接近平衡组织调整硬度→切削性↑ ③消除内应力 应用范围亚共折钢，共析钢，不适用于过共析钢。 球化退火（不完全退火） 加热温度Ac1以上20-40度 应用范围过共析钢，共析钢 组织球状P（F球状Cem） 目的 ①使Cem球化→HRC↓，韧性↑→切削性↑ ②为淬火作准备 扩散退火（均匀化退火） 1050-1150℃，10-20h, PF或PFe3CII 目的消除偏析 后果粗大晶粒（应用完全退火消除） 再结晶退火（无相变） 加热温度Ac1以下50-150度，或T再30-50度 目的消除加工硬化 去应力退火 500-650℃（无相变） l 正火 （空冷） 加热温度AC3或Accm30-50℃ 组织S（F或Fe3C） 应用 （1）作最终热处理，普通结构钢零件 目的a.细化A晶粒，组织均匀化 b. 减了亚共析钢中F→P↑，细化→强度，韧性，硬度↑ （2）预先热处理 a. 消除魏氏组织，带状组织；细化组织→为淬火、调质作准备 b. 使过共析钢中Fe3CII↓→使其不形成连续网状，为球化作准备 （3）改善切削加工性能 l 退火、正火的选择 正火冷速快，材料组织细化，机械性能好 切削加工 低、中碳钢→正火 中高碳刚，合金工具钢→完全退火，球化退火 作为最终热处理→正火 为最终热处理提供良好的组织状态 工具钢→正火球化退火 结构钢→正火 返修件→退火 第4节 钢的淬火 加热到AC3、AC1相变温度以上，保温，快速冷却→MA’ （观看视频） l 淬火温度的决定 淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，淬火应力↑→变形，开裂↑ 保留一定的Cem→HRC↑，耐磨性↑ 过共析钢 A中C↓→M中C↓→M脆性↓ A中C↓→M过饱和度↓→残余A↓ l 加热时间 升温、保温 l 淬火介质 6500C以上，慢，减小热应力 650-4000C，快，避免淬不透 4000C以下，慢，减轻相变应力 l 钢的淬透性 淬透性 淬火条件下得到M组织的能力，取决于VK（上临界冷却速度） 淬硬性 钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C， C↑→淬硬性↑ 影响淬透性的因素VK，C曲线 C 亚共析钢 C↑→淬硬性↑，过共析钢C↑→淬硬性↓ 奥氏体化温度 T↑t↑→淬透性↑ 合金元素 除Co以外，C曲线右移，↑淬透性 未溶第二相 ↓淬透性 淬透性的应用 根据工作条件，确定对钢淬透性的要求选材的依据 热处理工艺制定的依据 尺寸效应 第5节 钢的回火 l 回火目的 提高钢的韧性，消除或减小钢的残余内应力。 钢件淬火后，在硬度、强度提高的同时，其韧性却大为降低，并且还存在很大的内应力（残余应力），使用中很容易破损。 稳定组织。进而稳定零件尺寸。 淬火组织（M,A’）处于亚稳定（即不够稳定）状态，它有向较稳定组织进行转变的自发趋势，这将影响零件的尺寸精度及性能稳定。 获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。 回火工艺是热处理的最后工序，但它决定着钢的使用性能。它是一个很重要的热处理工序。 l 钢在回火时的组织转变 a.马氏体分解（80℃～300℃） 析出ε碳化物（亚稳定） 回火组织为过饱和α固溶体十亚稳定ε碳化物（极细的）→回火M（M’）晶格畸变降低，淬火应力有所下降。 b. 残余A分解 （200℃～300℃） A→M c. 碳化物的聚集长大280℃ ε 碳化物→Fe3C片→细粒状Fe3C d.铁素体的回复与再结晶 l 回火工艺组织一性能关系（及应用） 回火马氏体 150℃～350℃回火 极细的ε 碳化物和低过饱和度a固溶体， 形态基本不变 回火屈氏体 T 350℃～500℃ 马氏体形F细粒状Fe3C 回火索氏体 S’ 500℃～600℃ 再结晶等轴F粗粒状Fe3C 球状P 650℃AC1 粗大球状Fe3CF 回火温度与机械性能的关系 200℃以下，HRC不变。 硬度200℃～300℃，M分解，残余A转变为马氏体，硬度降低不大，高碳钢硬度有一定的升高。 300℃，HRC降低。 韧性400℃开始升高，600℃最高。 弹性极限在300℃～400℃最高。 塑性在600℃～650℃最高。 高碳回火马氏体强度、硬度高、塑性、韧性差 低碳回火马氏体高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好 回火屈氏体层服强度与弹性极限高 回火索氏体综合机械性能。 l 合金元素对回火转变的影响 提高回火稳定性 回火稳定性指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力 产生二次硬化 一些Mo、W、V含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约4000C）后反而开始增大，并在另一更高温度（5500C）达到峰值。 c. 增大回火脆性 回火脆性指随回火温度升高时，在250℃～400℃和450℃～650℃两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。 l 回火工艺及其应用 回火类型 回火温度℃ 组织 性能及应用 组织形态 低温回火 150～250 回火M（M’） 保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件 过和α-Feε碳化物 中温回火 350～500 回火屈氏体（T’） 硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度↑，用于弹性元件 保留马氏体针形F细粒状Fe3C 高温回火 500～650 回火索氏体（S’） 强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。 多边形F粒状Fe3C 淬火高温回火→调质处理 l 自身回火淬火法 所谓自身回火淬火法就是利用淬火加热的余热，使淬火部位温度自行回升而发生回火作用。也就是说两道工序只需加热一次就可以了。 回火温度不同，氧化膜的厚度不同，呈现的颜色也不同，这就是所谓回火色。回火色与回火温度的关系列于表5-5。 第 6 节 钢的表面淬火 表面淬火 不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部热处理方法。 l 感应加热表面淬火（观看视频） 原理 交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表面加热 分类 a. 高频 200-300KHz，淬硬深度 0.5-2mm 小工件 b. 中频2500-8000Hz 淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件 c. 工频 50Hz 淬硬深度10-15mm 大型工件 d. 超音频 30-40KHz 钢种 中碳钢和中碳低合金钢 特点 a. 加热速度快 几秒几十秒 b. 加热时实际晶粒细小，淬火得到极细马氏体，硬度↑，脆性↓ c. 残余压应力→提高寿命 d. 不易氧化、脱碳、变形小 e. 工艺易控制，设备成本高 工艺路线 锻造→退火或正火→粗加工→调质→半精加工→表面淬火→低温回火→（粗磨→时效→精磨） 高频淬火后的性能 同样成分的钢，经高频淬火后其硬度比普通淬火要高2～3HRC。 表面淬火后，可使工件表面层产生残余压应力,使其疲劳强度增加。 l 火焰加热表面淬火（观看视频） 用高温的氧乙炔火焰或氧与其它可燃气（煤气、天然气等）火焰，可将零件表面迅速加热到淬火温度，然后立即喷水冷却。 优点 淬火方法简单，不需特殊设备，适用于单件或小批量零件的淬火。 l 激光加热表面淬火（观看视频） 激光淬火技术，使钢铁材料表面温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。 激光加热淬火的应用 激光加热淬火可以应用于各种金属材料，如各种钢材、铸铁、铝合金等有色金属，并且可在任何基体组织上再淬火强化。 第7节 钢的化学热处理 化学热处理是通过改变钢件表层化学成分并使热处理后表层和心部组织不同，从而使表面获得与心部不同性能的热处理工艺。 l 高温化学热处理 --渗碳（观看视频）。 渗碳cementite是把低碳钢零件放在可以供给碳原子的物质中加热，使其表面变成高碳钢而心部仍是低碳钢。再经淬火可以达到表面高硬度、高耐磨性而心部仍具有高韧性的目的。渗碳多用于动负荷（受冲击）条件下表面受摩擦的零件，如齿轮等。 目的及应用 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性 钢种低碳钢，低碳合金钢（ωC0.2～0.3） 渗碳工艺-组织-性能关系 加热温度AC3以上（900℃～950℃）； 保温时间→渗碳层厚度（一般机器零件渗碳层深度大都在0.5～2.0㎜之间） 直接淬火 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。 只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。 一次淬火 心部要求高 AC3以上 表面要求高，AC1以上30℃～50℃ 二次淬火 第一次，改变心部组织 AC3以上30℃～50℃ 第二次，细化表面组织 AC1以上30℃～50℃ 加工工艺路线 锻造→正火→切削加工→渗碳→直接淬火（一次淬火，二次淬火）→低温回火→喷丸→磨削 渗碳与表面淬火的比较 渗碳处理力学性能较高（表面硬度较高，耐磨性较高，疲劳强度较高） 可以处理形状非常复杂的零件。（表面淬火则不然，形状稍微复杂的零件就很难甚至无法进行处理）。 渗碳最大的缺点工艺过程较长，生产率低，成本高。 l 中低温化学热处理 ---气体渗氮（含Al Cr, Mo，V的钢）（观看视频） 把氮原子渗入钢件表面的过程叫渗氮nitriding。渗氮后可以显著地提高零件表面硬度和耐磨性，并能提高其疲劳强度和耐蚀性。 渗氮的特点 氮化温度低（临界温度以下550℃左右），零件变形小。 时间长（一般需20～50小时，50小时渗氮层深也只有0.5㎜左右） 氮化前调质 渗氮以后表面硬度最高可达65～70HRC（氮原子与钢中的合金元素形成了硬度极高而又极细微的氮化物），所以耐磨性很高。 最后工序（渗氮后无需再进行热处理） 需要专用渗氮钢和专用渗氮设备。最常用的钢种是38CrMoAlA（含碳0.38并含有Cr、Mo和Al的钢）。 目前一般只用于要求高耐磨性、高精度的零件，如高精度镗床、磨床主轴等。 l 高温化学热处理--碳氮共渗（软氮化） 碳氮共渗carbonitriding是碳、氮原子同时渗入工件表面的一种化学热处理工艺（以渗碳为主）。目前生产中应用较广的是气体碳氮共渗法， 目的 提高钢的疲劳强度和表面硬度与耐磨性。 气体碳氮共渗的介质 渗碳和渗氮用的混合气体。 共渗温度 820～860℃ , 共渗温度低，晶粒不易长大， 热处理 共渗后需进行淬火及低温回火以提高表面硬度及耐磨性，可进行直接淬火油冷 。 l 高温化学热处理--渗硼 渗硼boriding后的工件表面具有很高的硬度（1400～2000HV）、耐磨性和良好的抗蚀性。 渗硼温度为900～950℃，渗硼的保温时间以4～6小时为宜，一般情况下，渗硼层深度为0.05～0.15㎜较好，过厚因脆性大，易剥落。 l 中低温化学热处理 ---离子氮化 离子氮化是根据含氮的气体（氨气或氮气）在直流电场作用下，产生辉光放电的作用，使氮原子离子化而渗入金属表面。它的优点是处理周期短，且表面无脆化层，变形小，表面干净，现已广泛用于齿轮、枪炮管、活塞销、气门、曲轴、汽缸套等零件。 l 中低温化学热处理 --渗硫 工件表面渗硫sulfurzing能够提高零件的抗擦伤性能，渗硫层具有良好的减摩性。目前工业上应用的处理方法有固体法、液体法和气体法。 因此渗硫主要用于轻负荷、低速的情况下，如轴瓦、轴套、低速齿轮、缸套等。