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1、第二章 金属材料的热处理,主编,第二章 金属材料的热处理,第一节 钢铁材料的火花鉴别法 第二节 钢的热处理,第一节 钢铁材料的火花鉴别法,一、鉴别的主要内容 二、碳钢火花的主要特征 三、铸铁火花的主要特征,一、鉴别的主要内容,(1) 火花束 是指磨削时产生的全部火花，又称为火束，可分为根部、中部和尾部三部分。 (2) 流线 磨削时产生的线条状火花，实质是钢铁在磨削时产生的灼热粉末高速飞行的光亮轨迹，分为直线流线(如碳钢的火花束流线)、断续流线(如灰铸铁的火花束流线)等几种。 (3) 节点和爆花 流线上发生爆裂处，呈明亮而稍粗的点，称为节点；发生爆裂的火花形状称为爆花。 (4) 尾花 是指流线尾
2、部的火花，常用的有狐尾尾花，说明钢中含有钨元素；枪尖尾花，说明钢中含有钼元素。 (5) 色泽 是指火花束的整个或某些部分的颜色。,二、碳钢火花的主要特征,(1) 20钢 火束长，呈草黄微红色，流线量中等，多分叉，爆花量不多，为一次爆花，如图2-1所示。 (2) 45钢 火束长度中等，呈黄色稍明，流线量较多且分叉多，为二次爆花，小花和花粉较多，如图2-2所示。 (3) T8钢 火束短而粗，呈橙红微暗，流线量多、短、细密，为密集的多次爆花，花粉也多，如图2-3所示。,三、铸铁火花的主要特征,图2-1 20钢的火花特征,图2-2 45钢的火花特征,图2-3 T8钢的火花特征,图2-4 灰铸铁的火花特
3、征,第二节 钢的热处理,一、退火 二、正火 三、淬火 四、回火 五、表面热处理 六、表面喷丸强化,一、退火,1.重结晶退火(完全退火) 2.等温退火 3.均匀化退火 4.球化退火 5.去应力退火,图2-5 铁碳相图,1.重结晶退火(完全退火),重结晶退火应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)的合金，其退火温度为该合金的相变温度区间以上或以内的某一温度。合金的加热和冷却都是缓慢的，在加热和冷却过程中合金各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火，常简称为退火。 这种退火方法相当普遍地应用于钢。,图2-6 35CrMo钢的等温转变图和等温退火工艺曲线 (虚线为该钢的连续冷却转 变图和重结晶退火工艺
4、曲线),2.等温退火,图2-7 Ti-9%Mo合金的等温转变图和 等温退火工艺曲线 (和分别表示富合金元素的 相和平衡成分的相),3.均匀化退火,均匀化退火也称为扩散退火是应用于钢及非铁合金(如锡青铜、硅青铜、白铜、镁合金等)的铸锭或铸件的一种退火方法。将铸锭或铸件加热到合金的固相线温度以下的某一较高温度长时间保温,然后缓慢冷却下来，使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分的不均匀性(偏析)，主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性(晶内偏析或称为枝晶偏析)。均匀化退火温度较高是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度远高于Ac3，通常为10501200；非铁合金锭的均
5、匀化退火温度一般是“0.95固相线温度(K)”。均匀化退火因加热温度高，保温时间长，所以热能消耗量大。,4.球化退火,球化退火是只应用于钢的一种退火方法。将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓冷下来，以使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切削性好、冷形变能力强。对工具钢来说，这种组织是淬火前最好的原始组织。,5.去应力退火,将钢件加热到稍高于Ac1的温度，保温一定时间后随炉冷却到550600出炉空冷的热处理工艺称为去应力退火。去应力加热温度低，在退火过程中无组
6、织转变，主要适用于毛坯件及经过切削加工的零件，其目的是消除毛坯和零件中的残留应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。,二、正火,1) 用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预处理。 2) 用于中碳钢，可代替调质处理作为最终热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 3) 用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消除或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。 4) 用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。 5) 用于大型锻件，可作为最终热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。 6) 用于球墨铸铁，使其硬度、强度
7、、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 7) 过共析钢球化退火前进行一次正火，可消除网状二次渗碳体，以保证球化退火时渗碳体全部球粒化。,三、淬火,(1) 单介质淬火 工件在一种介质中冷却，如水淬、油淬，其优点是操作简单，易于实现机械化，应用广泛；缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂，而在油中淬火时冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。 (2) 双介质淬火 工件先在较强冷却能力的介质中冷却到300左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却，如先水淬后油淬，可有效减小马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向，可用于形状复杂、截面不均匀的工件淬火。 (3) 分
8、级淬火 工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，在这一温度将工件停留25min，然后取出空冷，这种冷却方式叫做分级淬火。 (4) 等温淬火 工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在贝氏体区的下部(稍高于Ms)，将工件等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷。,(5) 表面淬火 表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。 (6) 感应淬火 感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。,四、回火,1) 消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂。 2) 调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求。 3) 稳定组织与尺
9、寸，保证精度。 4) 改善和提高加工性能，因此回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序。 (1) 低温回火 工件在250以下进行的回火，其目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。 (2) 中温回火 工件在250500之间进行的回火，其目的是得到较高的弹性和屈服强度以及适当的韧性。 (3) 高温回火 工件在500以上进行的回火，其目的是得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。,表2-1 45钢(2040mm)正火和调质后的力学性能比较,图2-8 钢的热处理过程,五、表面热处理,1.表面淬火 2.化学热处理 3.接触电阻加热淬火 4.电解加热淬火 5.激光热处理 6.电子束热
10、处理,1.表面淬火,(1) 高频感应淬火 常用的电流频率为200300kHz，这种方法生产效率很高，热处理质量好，适用于形状简单工件的大批量生产。 (2) 火焰淬火 这种方法简便，但热处理质量差，只适用于单件或小批量生产及需要局部表面淬火的零件。,2.化学热处理,化学热处理是将工件放置于需渗入的活性介质中，经加热和保温，使介质中的活性元素渗入工件表面，从而改变表面的成分和组织，以提高需要的力学性能的热处理方法。化学热处理有渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗，渗其他元素如渗铬、渗硼、渗硅等。 渗碳适用于低碳钢和低碳合金钢，渗碳后表面强硬性高，心部仍保留较好的韧性，适用于在冲击载荷作用下的受摩擦的工件，
11、如20、20Cr、20CrMnTi等。渗氮不适用于碳钢，适用于如38CrMoAl等能形成氮化物的合金钢。碳氮共渗能综合渗碳、氮化两者的优点。,3.接触电阻加热淬火,通过电极将小于5V的电压加到工件上,在电极与工件接触处流过很大的电流,并产生大量的电阻热,使工件表面加热到淬火温度,然后把电极移去,热量即传入工件内部而表面迅速冷却,即达到淬火目的。当处理长工件时,电极不断向前移动,留在后面的部分不断淬硬。这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化,工件畸变极小,不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄(0.150.35mm)，显微组织和硬度均匀性较差。这种方法多用于铸铁机床
12、导轨的表面淬火，应用范围不广。,4.电解加热淬火,将工件置于酸、碱或盐类水溶液的电解液中，工件接阴极，电解槽接阳极。接通直流电后电解液被电解，在阳极上放出氧气，在工件上放出氢气。氢气围绕工件形成气膜，成为一电阻体而产生热量，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后断电,气膜立即消失,电解液即成为淬冷介质，使工件表面迅速冷却而淬硬。常用的电解液为含5%18碳酸钠的水溶液。电解加热方法简单，处理时间短，加热时间仅需510s,生产率高，淬冷畸变小，适于小零件的大批量生产，已用于发动机排气阀杆端部的表面淬火。,5.激光热处理,激光在热处理中的应用研究始于20世纪70年代初，随后即由试验室研究阶段进入生产应用
13、阶段。当经过聚焦的高能量密度(10Wcm)的激光照射金属表面时，金属表面在百分之几秒甚至千分之几秒内升高到淬火温度，由于照射点升温特别快，热量来不及传到周围的金属，因此在停止激光照射时，照射点周围的金属便起到淬冷介质的作用而大量吸热，使照射点迅速冷却，得到极细的组织，具有很高的力学性能。如加热温度高至使金属表面熔化，则冷却后可以获得一层光滑的表面，这种操作称为上光。激光加热也可用于局部合金化处理，即对工件易磨损或需要耐热的部位先镀一层耐磨或耐热金属，或者涂覆一层含耐磨或耐热金属的涂料，然后用激光照射使其迅速熔化，形成耐磨或耐热合金层。在需要耐热的部位先镀上一层铬，然后用激光使之迅速熔化，形成硬
14、的抗回火的含铬耐热表层，可以大大提高工件的使用寿命和耐热性。,6.电子束热处理,电子束热处理于20世纪70年代开始研究和应用，早期用于薄钢带、钢丝的连续退火,其能量密度最高可达10Wcm。电子束表面淬火除应在真空中进行外,其他特点与激光相同。当电子束轰击金属表面时，轰击点被迅速加热。电子束穿透材料的深度取决于加速电压和材料密度，例如,150kW的电子束在铁表面上的理论穿透深度大约为0.076mm,在铝表面上则可达0.16mm。电子束在很短时间内轰击表面，表面温度迅速升高，而基体仍保持冷态。当电子束停止轰击时，热量迅速向冷基体金属传导，从而使加热表面自行淬火。为了有效地进行“自冷淬火”，整个工件
15、的体积和淬火表层的体积之间至少要保持51的比例。表面温度和淬透深度还与轰击时间有关。电子束热处理加热速度快，奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短，因而工件表面晶粒很细，硬度比一般热处理高，并具有良好的力学性能。,六、表面喷丸强化,1.零件喷丸强化后的特点 2.测评喷丸强化质量的基本参数 1.碳钢及铸铁的火花有什么特征？ 2.说明退火、正火、淬火的主要作用及冷却方式。 3.什么是回火？回火分类及其主要作用是什么？各类回火应用的特点如何？ 4.常用钢的表面热处理方法有哪些？各举例说明其应用。 5.钢零件通过表面喷丸强化能提高哪些主要性能？,1.零件喷丸强化后的特点,1) 零件受喷表面残留压应力的大小和压应力层的深度取决于受喷材料的性能和喷丸强度。 2) 受喷表层的材料组织发生变化。 3) 受喷表面变得粗糙。 4) 尺寸增大。,2.测评喷丸强化质量的基本参数,(1) 喷丸强度 影响喷丸强度的工艺参数主要有弹丸直径、弹流速度、弹丸流量、喷丸时间等。 (2) 喷丸覆盖率 覆盖率是指工件上每一个点被钢丸打到的次数，其测量方法如下：先在工件表面涂上一层彩釉或萤光釉，然后按工艺参数对工件进行喷丸，每喷表面一遍将工件取出，在显微镜(放大镜)下观察所残留的涂层在表面所占的比例，如还有20残留，则覆盖率为80。 (3) 表面粗糙度 由于钢丸的喷射，工件表面的粗糙度会产生一定的变化。,
