钢的整体热处理(天大)讲解

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1、材料热处理工程师考试辅导,天津市热处理行业协会 赵淑芬 电话：13820191484 Email:tianjinrexie,钢的分类,按相图分 C%0.77%：亚共析钢，组织为F+P； C%=0.77%：共析钢，组织为P； 0.77% C% 2.11%：过共析钢，组织为P+Fe3C； 2.11% C%4.3%：亚共晶铸铁，组织为P+Fe3C+Ld（莱氏体）； C%=4.3%：共晶铸铁，组织为Ld 4.3% C%6.69%：过共晶铸铁，组织为Ld+Fe3C,钢的分类,按含碳量分： C%0.25%：低碳钢 0.25% C%0.60%：中碳钢 0.60% C%2.11%：高碳钢 2.11% C%4.

2、3%：亚共晶铸铁 C%=4.3%：共晶铸铁 4.3% C%6.69%：过共晶铸铁,按用途分： 结构钢 工具钢 特殊性能钢,结构钢,调质钢45、40Cr、 40CrNiMo、42CrMo、 38CrMoAl（氮化钢） 渗碳钢20、20Cr、20CrNiMo 、 20CrMnTi 弹簧钢65Mn、 60Si2Mn、 50CrVA 轴承钢GCr15、GCr9、GCr6,工具钢的分类,刃具钢 碳素工具钢：T7、T8、T10、T12 低合金工具钢：大截面9CrSi、CrWMn等 高速钢：18-4-1、6-5-4-2、9-3-4-1等 分级淬火； 温度高，接近熔点，随炉试样； A,多，三次回火，红硬性好；

3、 冷处理 “风钢”。,特殊性能钢,不锈钢：马氏体不锈钢；1Cr13、 2Cr13、 3Cr13、 4Cr13 奥氏体不锈钢：1Cr18Ni9Ti 铁素体不锈钢：1Cr17Ni2 沉淀硬化不锈钢00Cr17Ni4Cu4Nb(17-4PH) 耐热钢：15CrMo 低温钢：1Cr18Ni9Ti 耐磨钢:Mn13(水韧化处理）,合金元素的作用,强碳化物形成元素：Cr、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Mn 非碳化物形成元素： Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B 强化F：由强到弱：P、 Si、Ti、Mn、 Al、 Cu、 Ni、 Mo、 V、 W、 Cr（需控制含量，降低k） 防止晶界腐蚀：Ti 提高电

4、位： Cr,合金元素对加热的影响,扩大区：Mn、 Ni、 Co、 C、 N、 B、 Cu 缩小区：Cr、W、Mo、V、Ti、 Al 、 Si、 Nb、Zr 阻止A晶粒长大： 强烈： V、 Nb、 Ti、 Zr 中等： W、Mo、 Cr 不大： Si、 Ni、 Cu 促进A晶粒长大：Mn,合金元素对冷却的影响,除Co外，所有合金元素均使C曲线右移 对C曲线影响由弱到强：Mn、 Mo 、Cr、 W 、Si、 Ni 降低Ms由强到弱：Mn、 Cr、 Ni、 Mo、 W 、Si,合金元素对回火的影响,提高回火稳定性： W 、V、 Mo 、 Si Ni、 Co 产生二次硬化： W 、Mo 、V AM （

5、二次淬火） 沉淀硬化、弥散强化 回火脆性：产生： Cr、 Ni、 Mn 抑制： Mo、 W,第一讲钢的整体热处理, 退火 正火 淬火 回火,1.1钢的正火,将钢加热到Ac3（或Accm）点以上3050，保温适当时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。 风冷 雾冷 预先热处理 代替调质,正火的目的,细化晶粒，均匀组织； 提高低碳钢工件的硬度和切削加工性；消除加工硬化和去除内应力； 消除过共析钢的网状碳化物； 为下一步热处理做好准备； 低碳钢代替退火； 大工件感应淬火前的预备热处理。,1.2钢的退火,将金属或合金加热到适当温度，保持一定的时间然后缓慢冷却的热处理工艺。,退火的目的,降低硬度，改善力学

6、性能； 消除组织缺陷，均匀化学成分； 消除或减少内应力，稳定尺寸； 为最终热处理做组织准备,退火的分类,完全退火 中低碳钢铸件、热轧件、焊接件 不完全退火 共析钢 球化退火 共析钢、过共析钢 均匀化退火 大型铸钢件和合金钢钢锭 去应力退火 铸件、焊接件、锻轧件及机械 加工件,几种退火的加热温度范围,1.3钢的淬火,将钢件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。,淬火目的,提高钢的强度、硬度、耐磨性等力学性能，提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性。,1.3.1 加热参数的选择,B和M均为A的转变产物，为了获得这些组织，首先要加热获

7、得A。 加热的目的：获得适当成分、晶粒细小的奥氏体 加热温度（淬火温度）、保温时间都是以以上目的为依据的，同时考虑 能源及设备消耗、 零件氧化脱碳,淬火温度的选择,亚共析钢: Ac3 （3050） 共、过共析钢:Ac1（3050）,保温时间的选择,保温是加热的继续，目的相同 因为碳钢奥氏体转变所需的时间较短，保温至整个零件达到淬火温度即可； 合金元素扩散较慢，可能影响碳化物的溶解和C的扩散，合金钢可以适当延长保温时间。 按装炉量、工件尺寸、材料种类估算,1.3.2 钢的淬透性与淬硬性,钢的淬透性是指钢在淬火后获得马氏体或淬硬层深度（又称为淬透层深度）的能力。 一定尺寸的工件，淬火时工件表面冷却

8、较快，心部冷却较慢 。不同位置转变产物不同。 钢的淬透性取决于过冷 奥氏体的稳定性,淬透性通常用规定条件(试样形状、尺寸、加热冷却条件等）下的淬硬层深度表示，淬硬层深度越深，表明其淬透性越好。 淬透性与钢材成分、原始状态及加热条件有关，而与工件尺寸、淬火介质无关 C曲线靠右的钢（临界冷却速度较小），淬透性较好 在尺寸、形状、冷却条件均相同时，淬透性大的钢，淬透层深度越深。,不同尺寸的工件淬硬层深度不同大直径零件淬硬层较薄； 根据工件的淬透性优化热处理工艺。 如正火代替调质量 安排工艺路线考虑淬透性；,淬透性是选材制定工艺的依据,淬透性与选材和制定热处理工艺的重要依据。如 截面尺寸大、形状复杂、

9、承受复杂应力、对心部性能要求高较高淬透性材料 对于承受弯扭的轴类、齿轮类零件，可选用淬透性低、淬硬层浅（如为半径的1/31/2）的钢。 为了防止焊件变形和裂纹、强力冲击脆断，材料的淬透性不能太好。,钢的淬硬性,钢的淬硬性是指钢在理想条件下淬火所能达到的最大硬度能力。 钢的淬硬性取决于钢（A）的含碳量。,1.3.3 常用淬火冷却介质与淬火方法,淬火介质与方法的选择要考虑两方面的因素 避免形成珠光体 减小变形、开裂 理想介质的冷却特性如图,理想冷却速度,淬火加热方式,1.空气炉 氧化脱碳 毛坯料 改进：装箱 涂保护涂料 2. 盐浴炉 加热速度快，氧化脱碳小，可 实现局部加热。注意：定期脱氧捞渣，严

10、格控制水分。 3.保护气氛 4.真空炉加热 无氧化脱碳，可实现光亮淬火；工件变形小；工件表面光亮；无污染，劳动条件好。,淬火温度,亚共析钢 Ac3(30-50) 过共析钢 Ac1(30-50) 过共析钢中碳化物溶解困难，淬火温度还要高，一般要(30-70)，甚至大于100,淬火加热时间,1）钢的成分 合金钢碳钢 2）工件尺寸及装炉量 3）加热设备 真空炉空气炉盐浴炉 4）装炉状况 间隙小，时间长 5）装炉温度 高温装炉可以缩短时间,淬火冷却,根据C-曲线,常用冷却介质,1.水及水溶液（水基） 2.油 3.盐浴和碱浴 4.气体（氮气、空气）,1.水及水溶液,10% NaCl水溶液在550-650

11、范围的冷却能力比清水提高近10倍； 10-15% NaOH水溶液好于NaCl，但其易变质且有腐蚀。 10% NaCl水溶液最高使用温度为50 10-15% NaOH水溶液最高使用温度为60. 水基淬火剂,2.油,油的温度高，冷却能力强，机油最好使用温度60-80. 等温淬火油 快速淬火油 真空淬火油 光亮淬火油。 油淬火件需清洗。,淬火冷却介质,3.盐浴和碱浴 4.气体（氮气、空气）,淬火冷却方法,P117 （1）单液淬火； （2）双介质淬火：水-油；水-空气；油-空气； （3）分级淬火Ms（马氏体）； （4）等温淬火, 260-400,下贝区（贝氏体）； （5）冷处理：目的：提高硬度，稳定尺

12、寸，提高磁性。（主要是减少A）,冷却操作方法,P118 复杂零件，预冷可减小变形； 淬火方向 轴类，套筒垂直入水； 长板，横向侧面入水； 凹面，槽口向上； 截面相差较大时，大头先入水等 不摆动或只沿着淬入方向直线运动，可减小变形；,淬火应用实例,临界直径的零件容易开裂，如5-11的45钢零件水淬。尤其是6-9最容易开裂。 裂纹起源于最先入水的部位或缺陷处。 避免危险尺寸； 改进工艺 改变淬火介质,淬火缺陷,1.硬度不足和软点；原因及措施 2.过热和过烧； 3.氧化和脱碳； 4.变形和开裂。,1.4钢的回火：,钢件淬硬后，再加热到Ac1点以下某一温度，保温一定时间，然后冷到室温，获得较稳定组织及

13、所需力学性能的热处理工艺。,回火目的,1.降低应力和脆性，防止断裂； 2.获得良好的综合机械性能； 3.防止工件变形，稳定工件尺寸； 4.改善加工性能。,回火的分类和应用,根据回火时发生的转变，回火分为三类 低温回火：发生马氏体分解，产物为回火马氏体M； 中温回火：碳化物没有过分聚集长大，产物为回火屈氏体T (F+点状Fe3C)； 高温回火：产物为回火索氏体S (F+球状的Fe3C),回火的分类：,1.低温回火 150-250 M回 稳定组织，用于高硬度的零件，轴承、渗碳淬火件。 2.中温回火 250-500 T回 获得较好的弹性、韧性，用于弹簧、热锻模。 3.高温回火 500-700 S回

14、获得较高的综合力学性能，用于各种轴类、连杆、螺栓等。淬火高温回火=调质处理 高速钢的560回火并非高温回火，而是低温回火。,淬火钢在回火时的变化,淬火后钢处于不稳定状态，加热时由于原子活动能力增强，发生如下转变（温度碳钢） (1)碳原子的偏聚（T100）:碳原子由间隙位置逸出到位错线附近; (2)马氏体分解:在此温度间马氏体中的碳浓度不断降低并发生M的分解，即从碳的过饱和固溶体中析出碳化物。M 100250析出 -Fe2.4C ； 250400之间， -Fe2.4C溶解并重新析出Fe3C。,(3)残余奥氏体的转变: （200300）在回火加热、保温或降温过程中按 C曲线进行转变，如AM或B组织

15、 (4)F的回复与再结晶及碳化物的聚集长大 当T 400时，M中的碳原子全部脱溶，变成F，但是保持M外形。T 当T 600时，F发生回复和再结晶，Fe3C集聚长大并粗化。S,淬火钢在回火时性能的变化,淬火钢在回火时随着回火温度的升高，钢的硬度不断下降，塑性韧性、不断升高,钢的回火脆性,第一类回火脆 碳钢在200-400温度范围内回火，合金钢在250-450温度范围内回火，会出现室温冲击韧度下降。 消除之需重新淬火。（不可逆）,钢的回火脆性,第二类回火脆性（高温） 某些合金钢在450-650温度范围内回火或回火后缓慢冷却通过上述温度范围时，会出现冲击韧度降低的现象。将其重新加热到回火温度然后快冷

16、至室温，脆性就会消失。（可逆） 含Cr、Ni、Mn合金元素与杂质协同在晶界偏聚造成第二类回火脆性。 加入0.30.5%的Mo可以抑制第二类回火脆。 回火后快冷可以抑制第二类回火脆性。,第二讲典型零件热处理,结构钢的热处理 调质钢45、40Cr、 40CrNiMo、42CrMo、 38CrMoAl（氮化钢） 渗碳钢20、20Cr、20CrNiMo 、 20CrMnTi 弹簧钢65Mn、 60Si2Mn、 50CrVA 轴承钢GCr15、GCr9、GCr6,调质钢,最终热处理：轴类、连杆、高强螺栓等 预先热处理：渗氮、软氮化、感应淬火 工艺：淬火：AC3+ （3050） 回火：根据硬度要求 （注意有回火脆的材料）,弹簧钢,弹簧钢：65Mn、 60Si2Mn、 50CrVA 淬火+中温回火；弹性硬度。T