热处理工艺介绍.ppt

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1、热处理基础,前言 在机床制造中约60%70%的零件要经过热处理 在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%80%， 工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。 热处理工艺中有三大基本要素： 加热 保温 冷却 热处理基本工艺方法 退火 正火 淬火 回火 化学热处理,钢材简介,通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称，指所有的铁碳合金。 碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于0.0218%而小于2.11%的铁碳合金。 合金钢是在碳钢的基础上，添加某些合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。 按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢（简称碳钢）是含碳量大于0.02

2、18%而小于2.11%的铁碳合金。 低碳钢（C%0.25%） 中碳钢（C%=0.25%0.60%） 高碳钢（C%0.6%） 合金钢是在碳钢的基础上，添加某些合金元素，用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。 低合金钢（合金元素总量10%）,渗碳钢的特点,渗碳钢的工作条件及对性能的要求 渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。 为什么渗碳钢一般都采用低碳钢? 为了满足“外硬内

3、韧”的要求，这类钢一般含碳量为0.10.25%，经过滲碳后，零件的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬火+低温回火后使用。零件表面组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，硬度达HRC5862，满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。,渗碳钢的热处理 渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直接淬火或一次淬火，而后低温回火；高合金滲碳钢则采用二次淬火和低温回火处理。 经上述热处理后可获得高耐磨性渗层，心部有较高的强度和良好的韧性，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。

4、如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。 渗碳钢按照淬透性的大小，可分为三类： 低淬透性渗碳钢 典型钢种为20Cr，这类钢水淬临界直径100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。,合金元素在材料中的主要作用,C：是组成钢的基本元素,它可以提高钢材的强度和硬度； Cr：能够提高钢材的耐磨性和耐锈蚀性能和强度，提高钢材的淬透性（即淬硬深度），促进渗碳。 Mn：提高钢的强度、硬度和耐磨性，提高钢材的淬透性，但含锰较高时，有较明显的回火脆性，有促进晶粒长大的作用，因其价格便宜，在我国钢材中具有极为广泛的应用。 Ti：阻止奥氏体

5、晶粒长大，细化晶粒。 Mo：提高钢材淬透性，在增加淬硬层深度方面为各元素之首，可以防止钢材在高温加热时的晶粒长大，增加高温抗拉强度和提高蠕变强度。 Ni：提高钢的冲击韧度和淬透性，尤其低温抗冲击性，提高钢材耐腐蚀性，它与Cr 配合使用性能更好。 Si：能提高钢的强度、疲劳极限、耐腐蚀性及抗氧化性。,铁碳合金相图,铁碳合金相图,铁碳合金中的基本相 铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的基本组元也应该是纯铁和Fe3C。铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，FeFe3C相图上的固溶体都是间隙固溶体。由于-Fe和-Fe晶格中的孔隙特点不同，因而

6、两者的溶碳能力也不同。 1铁素体 碳溶于-Fe 中形成的间隙固溶体 2奥氏体 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体 3渗碳体 铁和碳形成的化合物,材料检验,鉴定钢材的冶金质量，通常采用化学分析、低倍（或称宏观）分析、高倍分析、断口分析等四个方面。 1、化学分析： 分析钢材化学成分，即各元素含量。 2、低倍（8倍）分析： 检查钢材疏松（组织不致密性）、缩孔残余、偏析、气泡、发纹（裂纹）、夹杂、白点。 3、高倍（400倍）分析： 检查钢材带状组织、液析、非金属夹杂。 4、断口分析： 分为脆性断口（淬火断口）、韧性断口（调质断口）。,钢的预备热处理（正火）,锻打后的毛坯以及直接下料的棒料带有锻造、轧制的组

7、织缺陷、硬度也不符合机械加工的要求，因此必须通过正火来改变这些缺陷。 正火是将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处理工艺。 正火（退火）的目的： 1、降低硬度，便于切削加工。 2、提高钢的塑性和韧性，以便于冷变形加工。 3、消除锻件的组织缺陷。 4、细化晶粒，改善组织，为最终热处理做准备。 5、消除应力，防止畸变和开裂。,正火工艺简介,正火工艺的特点 加热温度一般在AC3以上 保温时间足够长 根据毛坯的大小和炉子的加热能力来制订保温时间 冷却速度一般较慢 可根据零件的硬度要求制订冷却速度（一般是风冷）。 几种钢材常见的正火温度 20CrMnTi（H）的加热温度为960左右； 20Cr

8、MoH、8620H的加热温度为940左右.,正火检验,组织检验： 金相组织应是细片状珠光体，不允许出现粒状贝氏体，规定13级属合格。 带状检验： 根据带状组织的形态分级，不允许出现连续的带状组织，3级以下属合格。 硬度检验： 采用布氏硬度计检验。我公司采用的是10mm直径的钢球，用3000公斤力，在10秒中保持时间内压入毛坯表面，然后检查压痕直径的检验办法。表示方法HB 10/3000/10207。,钢的化学热处理（渗碳）简述,基本概念 渗碳就是将钢置于富碳介质中加热，保温足够长的时间，使活性碳原子渗入工件表层，提高表层碳浓度的过程。渗碳后经过淬火与低温回火，可以改善表层及心部组织，提高表面硬

9、度及耐磨性，增加钢的疲劳强度。 对渗碳（淬火）的技术要求： 表面碳浓度通常0.851.05%。 渗碳层深度根据工件的尺寸，工作条件和渗碳钢的化学成分等决定。 碳浓度梯度含碳量沿渗层下降的状况。 渗层组织及状态马氏体的粗细，碳化物的大小、形状、数量和分布，残余奥氏体的数量。 零件表面的物理、化学和力学性能硬度、强度、韧性等。 渗碳根据介质的状态分为固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种，目前广泛应用的是气体渗碳。,气体渗碳原理,气体渗碳原理 将低碳钢或低碳合金钢工件置于具有足够碳势的渗碳气氛中,将它加热到奥氏体状态并保温,这样在其表面和心部之间就形成一个碳浓度梯度层,随后的淬火就使工件表面形成了高碳的

10、马氏体组织,它坚硬耐磨,而心部是低碳的马氏体组织,具有良好的韧性和抗冲击性能.气体渗碳是碳从气相向固相的传递过程,活性碳原子从气氛中传递到工件表面,经吸附、吸收和扩散而渗入工件的表面。 碳势 碳势是指在给定温度下，工件（奥氏体状态）与炉内气氛达到动态平衡 时，工件表面的实际含碳量。此时碳势是炉气氛渗碳能力的表征，它的 高低反映了炉气氛供碳能力的大小和渗碳能力的强弱。 通常碳势通过钢箔定碳法进行测量。 将含碳量约0.05-0.12%的钢箔在炉内渗碳一段时间，达到穿透渗碳后取 出称其重量，再用以下公式计算： 碳势Cp=(W2-W1)/ W2 X100%+Co W2:钢箔渗碳后的重量 W1:钢箔渗碳

11、前的重量 Co:钢箔的原始含碳量,渗碳剂介绍,1、井式气体渗碳炉所用介质是煤油，煤油是分子中含有1117个碳原子的多种烃类的混合物。850以下裂解不充分，低分子烃较多，易产生碳黑和结焦。由于成分不固定，不能作为自动控制的介质使用。 2、多用炉渗碳介质是甲醇（CH3OH）、醋酸乙酯（CH3COOC2H5）、丙酮（CH3COCH3 ） 。甲醇作为稀释剂，醋酸乙酯或丙酮作为渗碳剂。 以甲醇+醋酸乙酯介绍: 甲醇的分解 CH3OH CO+2H2 醋酸乙酯的分解 CH3COOC2H5 2C+4H2+2CO 以丙酮+空气介绍 丙酮的分解 CH3COCH3 2C+3H2+CO 渗碳反应 方程式 2CO CO

12、2+C CH4 2H2+ C,气体渗碳的基本过程,气体渗碳可分为五个基本过程 1.渗碳介质的分解 渗碳介质在高温下进行分解反应，析出活性碳原子以保证炉内气氛具有一定的碳势。例如醋酸乙酯的热分解反应： CH3COOC2H52C+2CO+4H2 式中 C表示是活性碳原子，它是以原子状态存在的碳。只有它才会被 钢件表面吸收，但它们又极不稳定，当未被钢件吸收时，就会形成稳定的 分子状态的碳，即碳黑。热处理炉之所以需要烧碳黑原因就在于此。 2.气体向钢件表面的对流 炉内气氛中的渗碳成分（如CO、CH4等）不断流向钢件表面，经过吸收 活性碳原子后剩下的脱碳性气体（包括CO2、H2O等）应及时离开钢件表 面

13、，为此应不断添加渗碳剂并要求有足够的流速或足够的换气次数。炉内应设置循环风扇，保证气体向钢件表面的对流。,渗碳的基本过程,3.活性碳原子向钢件表面迁移 4.钢件表面吸收碳 首先要求钢件表面洁净，另外要控制渗碳剂的分解和钢件表面对碳的吸收两个阶段，使之在速度上恰当配合，一方面如果分解速度小于吸收速度就会减缓渗碳速度。另一方面钢件表面对渗碳剂的分解有催化作用。若分解速度大于吸收速度则容易在钢件上沉积碳黑。 5.渗入原子的扩散 钢件表面吸收活性碳原子后，其表面渗入的碳原子的浓度大大提高，表面与里层之间产生了浓度差。在高温下，碳原子沿着浓度梯度下降的方向作定向移动，从而形成一定厚度的渗层。 碳原子扩散

14、的驱动力是钢件表面与心部之间的浓度差。,渗碳温度的选择,由于碳在铁素体中的溶解度极小(约为0.025%)而在奥氏体中溶解度却很大(最高为2.0%)，所以渗碳必须在AC3以上的温度，使钢件在奥氏体状态下进行。 渗碳温度越高，碳的扩散速度越快有利于快速渗碳提高生产效率，但渗碳温度过高以后设备的使用寿命会降低，并使钢的晶粒粗大和表层的含碳量过高，以至于生成碳化物等缺陷。 因此渗碳温度的范围一般在850-950 对于大模数渗碳层要求深的零件渗碳温度取上限。 对于小模数渗碳层要求浅、热处理变形要求高的零件渗碳温度取下限。,渗碳的方法,1.一段渗碳法 在渗碳和扩散阶段使炉内的碳势始终控制在等于零件预定要求

15、的表面碳 浓度，这种方法操作简单但生产周期长。 2.分段渗碳法 使零件在高碳势下渗碳、在低碳势下扩散。 在强渗阶段采用强渗碳剂使炉内碳势远超过预定的表层碳浓度。在此高 碳势下让钢的表面强烈增碳，造成很高的碳浓度梯度增加碳原子的扩散 速度，从而加速渗碳过程的进行。渗碳阶段结束时钢的表层具有超出预 定的碳含量、低的渗层深度和高的碳浓度梯度。 在扩散阶段把炉内碳势控制设定在预定的表层碳浓度，此时炉内碳势对 钢的表层碳浓度而言是脱碳气氛，因此表层碳原子一方面由表面向内扩 散，由于碳浓度梯度大扩散速率高。另一方面是离开表面脱溶入渗碳气 氛中，扩散的结果是表层碳浓度降低、渗碳层增加以及碳浓度梯度的降低。 扩散期的长短取决于零件的渗碳层要求。,渗碳后零件表层含碳量的分布,零件经过渗碳后由表及里一般分三层 过共析层：含碳量0.9%-1.2% 共析层： 含碳量0.7%-0.9% 亚共析层：含碳量小于0.7% 对钢件渗碳层的主要技术要求： 渗层的表面含碳量、渗碳层深度（两项指标决定碳的浓度梯度），渗碳 淬火、回火后的表面硬度。对重要的渗碳零件必须检测表面及心部的金 相组织（包括碳化物、马氏体、残余奥氏体以及心部铁素体的级别）。 渗碳层浓度梯度越大，在淬火后过渡区内的残余拉应力越高，在交变载 荷作用下往往使裂纹早期形成而使零件早