钢的热处理-ppt课件.ppt

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1、1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。,为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度时间坐标绘出热处理工艺曲线。,第四章 钢的热处理,热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。,2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。,3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相

2、变的材料不能用热处理强化。,4、根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：,重点掌握 1.钢在加热时组织转变的过程中及影响因素；2.本质晶粒度与实际晶粒度的含义，控制晶粒度大小的因素；3.共析钢奥氏体等温冷却曲线中各条线的含义。C曲线中各种温度区域内奥氏体转变产物的组织形貌，性能特点。4.非共析钢C曲线与共析钢C典线的差别及影响C曲线的因素；5.奥氏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；6.各种热处理的定义、目的、组织转变过程，性能变化，用途和使用的钢种、零件的范围。,4.1钢在加热时的组织转变,4.2钢在冷却时的组织转变,4.3钢的退火与正

3、火,4.4钢的淬火,4.5钢的回火,4.6可控气氛热处理和化学热处理,一般要求1.钢在加热和冷却时组织转变的机理；2.各种热处理的具体工艺过程；3.钢在加热和冷却过程中产生的缺陷；教学内容,4.7表面热处理和表面工程技术,一、钢的临界温度 铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将,第一节 钢在加热时的组织转变,加热是热处理的第一道工序。在临界点以上加热，目的是获得均匀的奥氏体组织，称奥氏体化。,二、奥氏体的形成 1.奥氏体的形成的基本过程 奥氏体化也是形核和长大的过程，分为四步。现以 共析钢为例说明：第一步：奥氏体晶核形成：首

4、先在与Fe3C相界形核。第二步：奥氏体晶核长大：晶核通过碳原子的扩散 向和Fe3C方向长大。,钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示,第三步：残余Fe3C溶解。铁素体在成分、结构上比 Fe3C更接近于奥氏体，因而先于Fe3C消失，而残余Fe3C则随保温时间延长不断溶解直至 消失。第四步：奥氏体均匀化。Fe3C溶解后，其所在部位碳含 量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于 均匀。,亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析 或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上

5、。,2.影响奥氏体形成的因素,1加热温度,TA化(D浓度梯度大）,2.含碳量C%界面多核心多转变快,3.加热速度,V转变开始温度，转变时间,4合金元素 a.Cr、M0、W、V、Nb、Ti强碳化物形成元素，奥氏体形成速度b.C0、Ni非碳化物形成元素，奥氏形成速度 c.Al、Si、Mn影响不大5原始组织 片状，片间距小相界面多碳弥散度大碳原 子扩散距离短奥氏体形核长大快 粒状,三、奥氏体晶粒大小及控制,1、奥氏体晶粒度概念,1）奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。随加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒将进一步长大，这也是一个自发的过程。,体晶粒保留到室温来判断。晶粒度为1-

6、4 级的是本质粗晶粒钢，5-8 级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。,2）在给定温度下奥氏体的晶粒度称实际晶粒度。3）加热时奥氏体晶粒的长大倾向称本质晶粒度。通常将钢加热到94010奥氏体化后，设法把奥氏,2、影响奥氏体晶粒长大的因素 加热温度和保温时间：加热温度高、保温时间长，晶粒粗大。加热速度：加热速度越快，过热度越大，形核率越高，晶粒越细。,合金元素：阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Ti、V、Nb、Ta、Zr、W、Mo、Cr、Al等，多为碳化物和氮化物形成元素。促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P、C、N。原始组织：平衡状态的组织有利于获得细晶粒。奥氏体晶粒粗大，冷却后的

7、组织也粗大，降低钢的常温力学性能，尤其是塑性。因此加热得到细而均匀的奥氏体晶粒是热处理的关键问题之一。,第二节 钢在冷却时的组织转变,过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体的连续冷却转变,过冷奥氏体的等温转变产物的组织和性能,两种冷却方式示意图1等温冷却2连续冷却,处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。过冷奥氏体的转变方式有等温转变和连续冷却转变两种。,一、过冷奥氏体的等温转变,过冷奥氏体的等温转变图是表示奥氏体急速冷却到临界点A1 以下在各不同温度下的保温过程中转变量与转变时间的关系曲线。又称C 曲线或TTT曲线。(Time-Temperature-Tra

8、nsformation),1、C曲线的建立 以共析钢为例：取一批小试样并进行奥氏体化。将试样分组淬入低于A1 点的不同温度的盐浴中，隔一定时间取一试样淬入水中。,测定每个试样的转变量，确定各温度下转变量与转变时间的关系。将各温度下转变开始时间及终了时间标在温度时间坐标中，并分别连线。转变开始点的连线称转变开始线。转变终了点的连线称转变终了线。,A1-Ms 间及转变开始线以左的区域为过冷奥氏体区。转变终了线以右及Mf以下为转变产物区。两线之间及Ms与Mf之间为转变区。,2、C 曲线的分析 转变开始线与纵坐标之间的距离为孕育期。孕育期越小，过冷奥氏体稳定性越小。孕育期最小处称C 曲线的“鼻尖”。碳

9、钢鼻尖处的温度为550。,在鼻尖以上，温度较高，相变驱动力小。在鼻尖以下，温度较低，扩散困难。从而使奥氏体稳定性增加。C曲线明确表示了过冷奥氏体在不同温度下的等温转变产物。,3、影响C 曲线的因素 成分的影响 含碳量的影响：共析钢的过冷奥氏体最稳定，C曲线最靠右。由共析钢成分开始，含碳量增加或减少都使C 曲线左移。Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢C曲线的上部各,多一条先共析相的析出线。,合金元素的影响除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。,奥氏体化条件的影响奥氏体化温度提高和保温时间延长，使奥氏体成分均匀、晶粒粗大、未溶碳化物减少，增加了过冷奥

10、氏体的稳定性，使C 曲线右移。在使用C 曲线时应注意奥氏体化条件及晶粒度的影响。,除Co 和Al 外，所有合金元素都使Ms 与Mf 点下降。,二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。以共析钢为例说明：珠光体转变1、珠光体的组织形态及性能,过冷奥氏体在A1到550间将转变为珠光体类型组织，它是铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和托氏体。,珠光体：形成温度为A1-650，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示。,索氏体 形成温度为650-600，片层较薄，800-1000倍光

11、镜下可辨，用符号S 表示。,托氏体 形成温度为600-550，片层极薄，电镜下可辨，用符号T 表示。,珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。,片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。,2、珠光体转变过程珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间,形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。,珠光体转变过程,贝氏体转变 1、贝氏体的组织形态及性能 过冷奥氏体在550-230(Ms)间将转变为贝氏体类型组织，贝氏体用符号B表示。根据其组织

12、形态不同，贝氏体又分为上贝氏体(B上)和下贝氏体（B下）。,上贝氏体 形成温度为550-350。在光镜下呈羽毛状。在电镜下为不连续棒状的渗碳体分布于自奥氏体晶 界向晶内平行生长的铁素 体条之间。,下贝氏体 形成温度为350-230(Ms)。在光镜下呈竹叶状。在电镜下为细片状碳化物分布于铁素体针内，并与铁素体针长轴方向呈55-60角。,上贝氏体强度与塑性都较低，无实用价值。下贝氏体除了强度、硬度较高外，塑性、韧性也较好，即具有良好的综合力学性能，是生产上常用的强化组织之一。,2、贝氏体转变过程 贝氏体转变也是形核和长大的过程。发生贝氏体转变时，首先在奥氏体中的贫碳区形成铁素体晶核，其含碳量介于奥

13、氏体与平衡铁素体之间，为过饱和铁素体。,当转变温度较高（550-350）时，条片状铁素体从奥氏体晶界向晶内平行生长，随铁素体条伸长和变宽，其碳原子向条间奥氏体富集，最后在铁素体条间析出Fe3C短棒，奥氏体消失，形成B上。,贝氏体转变属半扩散型转变，即只有碳原子扩散而铁原子不扩散，晶格类型改变是通过切变实现的。,当转变温度较低（350-230）时，铁素体在晶界或晶内某些晶面上长成针状，由于碳原子扩散能力低，其迁移不能逾越铁素体片的范围，碳在铁素体的一定晶面上以断续碳化物小片的形式析出。,马氏体转变当奥氏体过冷到Ms 以下将转变为马氏体类型组织。马氏体转变是强化钢的重要途径之一。1、马氏体的晶体结

14、构碳在-Fe中的过饱和固溶体称马氏体,用符号M 表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。,马氏体组织,马氏体具有体心正方晶格（a=bc）轴比c/a 称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。,2、马氏体的形态 马氏体的形态分板条和针状两类。板条马氏体 立体形态为细长的扁棒状 在光镜下板条马氏体为一束束的细条组织。,每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，=1012/cm2，又称位错马氏体。,针状马氏体 立体形态为双凸透镜形

15、的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。,马氏体的形态主要取决于其含碳量C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体。C%大于1.0%C时则几乎全部是针状马氏体。C%在0.21.0%之间为板条与针状的混合组织。,45钢正常淬火组织,先形成的马氏体片横贯整个奥氏体晶粒，但不能穿过晶界和孪晶界。后形成的马氏体片不能穿过先形成的马氏体片，所以越是后形成的马氏体片越细小。,原始奥氏体晶粒细，转变后的马氏体片也细。当最大马氏体片细到光镜下无法分辨时，这种马氏体称隐晶马氏体。,3、马氏体的性能高硬度是马氏体组织性能的主要特点。马氏体的硬度主要取决于其含碳量。含碳量增加，其硬度增

16、加。,当含碳量大于0.6%时，其硬度趋于平缓。合金元素对马氏体硬度的影响不大。,马氏体强化的主要原因是过饱和碳引起的固溶强化。此外，马氏体转变产生的组织细化也有强化作用。马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。,4、马氏体转变的特点马氏体转变也是形核和长大的过程。其主要特点是：非扩散性,铁和碳原子都不扩散，因而马氏体的含碳量与奥氏体的含碳量相同。,共格切变性 由于没有扩散，晶格的转变是以切变的机制进行的。切变还使切变部分的形状和体积发生变化，引起相邻奥氏体随之变形，在预先抛光的表面上产生浮凸现象。,降温形成 马氏体转变开始的温度称上马氏体点

17、，用Ms 表示。,马氏体转变终了温度称下马氏体点，用Mf 表示.只要温度达到Ms 以下即发生马氏体转变。在Ms 以下，随温度下降，转变量增加，冷却中断，转变停止。,高速长大 马氏体形成速度极快，瞬间形核，瞬间长大。当一片马氏体形成时，可能因撞击作用使已形成的 马氏体产生裂纹。转变不完全 即使冷却到Mf 点，也 不可能获得100%的马 氏体，总有部分奥氏体未能转变而残留下来，称残余奥氏体，用A 或 表示。,Ms、Mf 与冷速无关，主要取决于奥氏体中的合金元素含量（包括碳含量）。马氏体转变后，A 量随含碳量的增加而增加，当含碳量达0.5%后，A量才显著。,过冷奥氏体转变产物（共析钢）,三、过冷奥氏

18、体连续冷却转变 过冷奥氏体连续冷却转变图又称CCT 曲线，是通过测定不同冷速下过冷奥氏体的转变量获得的。,1、过冷A的CCT曲线 共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。,图中的Vk 为CCT 曲线的上临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度。Vk 为CCT曲线的下临界冷却速度。Vk 1.5 Vk。,2.CCT曲线和C曲线的比较 CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续

19、冷却曲线绘在C 曲线上，依其与C 曲线交点的位置来说明最终转变产物。,3C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 V3：空冷，S V4：油冷，T+M+A V5：水冷，M+A（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。,第三节 钢的退火与正火,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理。,退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。,一、钢的退火,将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的 热处理工艺叫做退火。1、

20、退火目的 调整硬度，便于切削加 工。适合加工的硬度为170-250HB。消除内应力，防止加工中变形。细化晶粒，为最终热处理作组织准备。,真空退火炉,2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。完全退火,主要用于亚共析钢。加热温度 Ac3+30 50。组织：F+P,等温退火亚共析钢加热温度 Ac3+3050共析、过共析钢加热温度 Ac1+3050保温后快冷到略低于Ar1的温度停留，待相变完成后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。,高速钢等温退火与普通退火的比较,球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。,主要用于共析钢和过共

21、析钢。加热温度 Ac1+30-50通过缓冷或者冷却到略低于Ar1的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。,球化退火的组织：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。,球状珠光体,二、正火 正火是将亚共析钢加热到Ac3+30 50，共析钢加热到Ac1+3050，过共析钢 加热到Accm+30 50，保 温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：0.6%C时组织 F+S 0.6%C时组织 S,正火温度,2、正火的目的 对于低、中碳钢(0.6C%)，目的与退火的相同。对于过共析钢，用于消除网状

22、二次渗碳体，为球化退火作组织准备。普通件最终热处理。,要改善切削性能：低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。,第四节 钢的淬火,淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。,淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的性能。,真空淬火炉,一、淬火温度,1、碳钢 亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50。预备热处理组织：退火(F+P)或正火组织(F+S或S)。,亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A。,在Ac1 Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M强硬度低，但塑韧性好。,共析钢淬火温度

23、Ac1+30-50淬火组织 M+A。,过共析钢 淬火温度 Ac1+30-50温度高于Accm，奥氏体晶粒粗大、淬火后马氏体晶粒粗大；M含碳量高，A量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。,淬火组织为 M+颗粒状Fe3C+A*预备热处理组织 P球。,T12钢（含1.2%C）正常淬火组织,2、合金钢 由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。亚共析钢淬火温度 Ac3+50100 共析钢、过共析钢淬火温度 Ac1+50100,二、加热时间（升温、保温）6500C以上，慢，减小热应力 650-4000C，快，避免C曲线 4000C以下，慢，减

24、轻相变应力,三、淬火介质,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还,没有找到理想的淬火介质。常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只用于形状简单的碳钢件。,油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。,其他淬火介质如聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业上常用的介质。,四、淬火方法,采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。

25、,2、双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷。优点是冷却理想，缺点是,不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3、分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力 用于小尺寸工件。,4、等温淬火法 将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小。适用于形状复杂及要求较高的小型件。,五、钢的淬透性,淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,1.淬透性的概念

26、,M量和硬度随深度的变化,淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。,淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。,2.影响淬透性的因素,钢的淬透性取决于临界冷却速 度Vk，Vk越小，淬透性越高。而Vk取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vk越小。,因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。,3.淬透性的测定及其表示方法,1）淬透性的测定常用末端淬火法,末端淬火法示意图,即用 表示，

27、J 表示末端淬透性，d 表示,2）淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示,半马氏体区到水冷端的距离,HRC为半马氏体区的硬度。,用临界淬透直径表示 临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。,4.淬透性的应用,1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺 栓、连杆、模具等。2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/21/3），如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意

28、尺寸效应。,不同冷却条件下的转变产物(共析钢),等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,第五节 钢的回火,井式回火炉,回火是指将淬火钢加热到A1以 下的某温度保温后冷却的工艺。一、回火的目的1、减少或消除淬火内应力，防 止变形或开裂。2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。,3、稳定尺寸。回火可使非平衡M与A转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4、高淬透性钢的软化，这类钢空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化

29、周期。,未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使 用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。,二、回火的种类,1、低温回火 回火温度：150250 组织转变：从马氏体中,析出细片状-碳化物；A分解为-碳化物和过饱和铁素体。,这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用M回表示。低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、,高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。,2、中温回火 回火温度：350-500 组织转变：-碳化物 溶解于铁素体中,同时 从铁素体中析出Fe3C。到350,马氏体中的 含碳量已降到铁素体 的平衡成

30、分，内应力 大量消除。M回火转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织，称为回火托氏体，用T回表示。,回火屈氏体,回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为3545HRC。,主要用于各类弹簧的热处理。,回火索氏体,3、高温回火 回火温度：500-650 组织转变：Fe3C发生聚集长大，铁素体发生多边形化。,这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。,回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。,调质广泛用于连

31、杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。,柴油机连杆,三、回火脆性 回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。,200以下，由于马氏体中碳化物的弥散析出，钢的硬度并不下降，高碳钢硬度甚至略有提高。,200-300，由于高碳钢中A转变为M回，硬度再次升高。大于300,由于Fe3C粗化，马氏体转变为铁素体，硬度直线下降。,淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时出现的冲击韧性下降的现象，称回火脆性。根据回火脆性出现的温度范围，可将其分为可逆回火脆性和不可逆回火脆性两类。,1、不可逆回火脆性 又称第一类回火脆

32、性。是指淬火钢在250-350回火时出现的脆性。,这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。,2、可逆回火脆性 又称第二类回火脆性。是指淬火钢在500-650范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。主要发生 在含Cr,Ni,Si,Mn的结构钢中。防止办法：回火后快冷。加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。,第六节 可控气氛热处理和化学热处理,由于大多数的钢铁热处理是在空气中进行的，所以氧化、脱碳是热处理常见的缺陷之一。它不但造成钢铁材料的大量损耗，而且也使产品质量及使用寿命下降。据统计

33、，在汽车制造业中，在氧化介质中热处理造成的烧损量占整个热处理零件重量的7.5%。另外，热处理过程中产生的氧化皮也需要在后序的加工中清理掉，既增加了工时又浪费了材料。目前防止氧化和脱碳的最有效方法是采用可控气氛热处理和真空热处理。一、可控气氛热处理和真空热处理,1.可控气氛热处理 向炉内通入一种或几种一定成分的气体，通过对这些气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和脱碳，这就是可控气氛热处理。一般可控气氛往往是由CO、H2、N2及微量的CO2和H2O与CH4等多种气体混合而成。适当调整混合气体的成分,可以控制气氛的性质，达到无氧化脱碳或渗碳的目的。具有氧化与脱碳作用的气体，如O2、CO2

34、和H2O等,它们在高温下都会使工件表面产生强烈的氧化和脱碳,在气氛中应严格控制。具有还原作用的气体，如H2和CO，它们不仅能保护工件在高温下不发生氧化，而且还能将已氧化的铁还原。另外，CO还具有弱渗碳的作用。,中性气体，如N2在高温下与工件既不发生氧化、脱碳，也不增碳。一般做保护气氛使用。具有强烈渗碳作用的气体，如CH4及其它碳氢化合物。CH4在高温下能分解出大量的碳原子，渗入钢表面使之增碳。,我国目前常用的可控气氛主要有以下四大类：放热式气氛 吸热式气氛 氨分解气氛 滴注式气氛,2 真空热处理虽然真空热处理设备的投资比较大，但金属和合金在真空热处理时会产生一些和常规热处理技术所没有的作用，是

35、一种能得到高的表面质量的热处理新技术，目前越来越受到重视。(1)真空热处理的效果 真空的保护作用 真空加热时，由于氧的分压很低，可以有效防止氧化和脱碳。同时真空热处理属于无污染的洁净热处理。表面净化作用 在高真空中氧的分压很低，加热可以加速金属氧化物分解，从而获得光亮的表面。脱脂作用 在机械加工时，工件不可避免地沾有油污。在真空加热时，这些油污迅速分解为氢、水蒸气和二氧化碳，很容易蒸发而被排出炉外。所以在真空热处理中，即使工件表面有轻微的油污也会得到光亮的表面。,脱气作用 在真空中长时间加热能使溶解在金属中的气体逸出，有利于提高钢的韧性。工件变形小 在真空中加热，升温速度慢，工件截面温差小，所

36、以处理时变形小。(2)真空热处理的应用 真空退火 利用真空无氧加热的效果，进行光亮退火。主要应用有冷拉钢丝的中间退火、不锈钢的退火以及有色合金的退火等。真空淬火 真空淬火已广泛应用于各种钢的淬火处理，尤其是高合金工具钢的淬火处理，保证了热处理工件的质量，大大提高了工件的性能。,二、钢的化学热处理,化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其

37、他元素等。,1.化学热处理的基本过程,1）介质(渗剂)的分解：分解的同时释放出活性原子。如：渗碳 CH42H2+C 氮化 2NH33H2+2N,2）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。3）原子向内部扩散。,氮化扩散层,2.钢的渗碳,是指向钢的表面渗 入碳原子的过程。1）渗碳目的 提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2）渗碳用钢 为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,井式气体渗碳炉,气体渗碳法示意图,3）渗碳方法 气体渗碳法 将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点

38、：质量好，效率高；,缺点：渗层成分与深度不易控制。,固体渗碳法 将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳 动条件差。真空渗碳法 将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点：表面质量好，渗碳速度快。,真空渗碳炉,4）渗碳温度 900-950。渗碳层厚度(由表面到过度层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。,低碳钢渗碳缓冷后的组织,渗碳层表面含碳量：以0.85-1.05为最好。渗碳缓冷后的组织:表层为P+网状Fe3C；心部为F+P；中间为过渡区。,5）渗碳后的热处理淬火+低温回火。回火温度为160-180。淬火方法有：预冷淬火法渗碳

39、后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。,渗碳后的热处理示意图,一次淬火法：即渗碳缓冷后重新加热淬火。二次淬火法：即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50，细化心部；第二次加热为Ac1+30-50，细化表层。,渗碳后的热处理示意图,常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50淬火+低温回火。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,3.钢的氮化,氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。1）氮化用钢,井式气体氮化炉,为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。2）氮化温度：500-570。氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。,3）常用氮化

40、方法 气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。,离子氮化炉,4、氮化的特点及应用 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。疲劳强度高。由于表面存在压应力。,工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。,第七节 表面热处理及表面工程技术,表面淬火是指在不改变钢的化学

41、成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。,一、钢的表面淬火,表面淬火目的：使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。,感应加热表面淬火示意图,感应加热表面淬火机床,表面淬火常用加热方法1.感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。,感应加热分为：高频感应加热 频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm,中频感应加热 频率为2500-8000Hz淬硬层深度2-10mm,工频感应加热频率为50Hz淬硬层深度

42、10-15 mm,2.火焰加热：利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。3.激光热处理：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。,二、热喷涂技术1 涂层的形成与涂层结构热喷涂是利用热能（火焰、电弧、等离子弧等）将喷涂材料加热熔化，然后在压缩气流或热源自身射流作用下，熔化的喷涂材料被雾化成微细熔滴，熔融的粒子在高速气流的带动下向前喷射，在基体表面发生碰撞、变形、冷凝，最终形成涂层.如图所示。,热喷涂层是由无数变形粒子呈波浪式相互交错堆叠在一起的层叠结构，涂层内存在许多孔隙。热喷涂的孔隙率在0.120之间，取决于喷涂的方法和喷涂工艺。热喷涂涂层中的一些穿透

43、性孔隙将降低涂层的耐腐蚀性能，对于一些需要在腐蚀条件下使用的喷涂件，喷涂后要进行封闭处理。2 涂层的结合强度热喷涂的涂层结合强度包括涂层与基材之间的结合强度以及涂层内颗粒之间的结合强度。在热喷涂涂层中存在以下几种结合形式：1）颗粒与颗粒之间、颗粒与基体之间因撞击成扁平状，并相互嵌合形成的机械结合。,2）熔融粒子高速撞击基体表面的瞬间，高温熔融粒子与基体之间发生的元素扩散和焊合形成的冶金结合。3）熔融粒子撞击到基材表面时，局部接触的紧密程度可以达到晶格常数的范围，这时就会产生范德华力形成的物理结合。一般来说，热喷涂的涂层与基体的之间的结合主要以机械结合为主，结合强度比较差，最高也只能达到几Mpa

44、。,在热喷涂过程中，当熔融粒子撞击基体表面瞬间，由于快速凝固和冷却会在涂层的内部产生一定的内应力。当内应力过大时，就可能使涂层产生裂纹，严重时可能导致涂层剥离。涂层厚度越大，内应力也就越大。喷涂前对基体进行预热处理和降低喷涂后的冷却速度都是减小涂层内应力，防止涂层开裂的有效措施。3 热喷涂材料热喷涂材料按其形态可分为线材和粉末二大类，如下表.4 热喷涂工艺流程热喷涂工艺流程包括工件表面的预处理预热喷涂打底层喷涂工作层喷涂的后处理等。,常用热喷涂线材和粉末,5 热喷涂方法根据所用热源不同，热喷涂可分为火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂和超音速喷涂。,线材火焰喷涂,粉末火焰喷涂,电弧喷涂,等离子喷涂,

45、超音速火焰喷涂,表 常用热喷涂技术的工艺特性,6 热喷涂技术的应用自上世纪50年代以来，喷涂技术发展很快，每年全球热喷涂的产值按510递增，热喷涂几乎深透到每个应用领域。（1）耐腐蚀涂层 喷涂Al、Zn及Al-Zn合金涂层，用于桥梁、铁塔等大型构件的防腐处理，防腐寿命可达几十年。（2）耐磨涂层 喷涂各种铁基、镍基和钴基耐磨合金涂层或氧化铝耐磨陶瓷涂层，用于提高零件表面耐磨性能，延长其使用寿命.也可用于修复因磨损失效的机械零部件。（3）耐高温涂层 用于改善金属材料的抗高温氧化性能，如用等离子喷涂陶瓷涂层。（4）功能涂层 如喷涂生物相容性好的羟基磷灰石涂层，使人体生物组织与种植体形成紧密的结合,三

46、、电刷镀技术1.电刷镀也叫无槽电镀，电化学原理与电镀相同。电刷镀与传统槽镀最大的区别是工件不需要浸泡在装有电镀液的镀槽中，蘸有镀液的镀笔只需在工件表面做往复运动即可实现涂镀。,电刷镀工作原理图,2.常用的刷镀液有快速镀镍、酸性镀镍、中性镀镍、低应力镍等。与普通电镀液相比，刷镀液中的金属离子浓度比较高，可以使用比较大的电流密度，因此电刷镀的沉积速度比较快。3.电刷镀设备包括刷镀电源、刷镀笔等。刷镀电源为直流电源，输出电压可在0V50V内连续可调。刷镀笔一般用高纯度石墨制造，将其加工成各种形状，以便与被镀工件的外形相吻合。为了防止短路和储存刷镀液，石墨外包有阳极包套。阳极包套可用涤纶布包裹棉花制成

47、。由于电刷镀具有设备简便、工艺灵活、镀层质量好、沉积速度快和环境污染小等优点，所以电刷镀技术一问世就得到了迅速的发展。,四、化学镀技术化学镀是在没有外电流通过的状态下，借助还原剂，通过可控制的氧化还原反应，使镀液中的金属离子还原成金属沉积在零件表面的一种涂覆方法.化学镀又称自催化镀。目前，用化学镀的方法可以获得镍、铜、银等单金属镀层和合金镀层，其中以化学镀镍应用最为普遍。由于化学镀镍层内含有质量分数为412的磷，所以化学镀镍也被称之为化学镀镍磷合金。化学镀镍层是一种无磁性的非晶态镀层，镀后的硬度比较低（500HV）。将化学镀镍层在一定的温度范围加热，非晶态镀镍层会转变为晶态组织，镀层的硬度也随

48、着加热温度的升高而增加。在加热温度为400时，镀层的硬度达到最大值（1000HV）。,1 化学镀镍溶液化学镀镍溶液分为酸性镀液和碱性镀液两大类。酸性镀比较稳定易于控制，沉积速度较快，镀层中磷的质量分数比较高（211）。典型的酸性化学镀镍溶液的组成、工艺及性能见下表。,2 化学镀镍工艺镀液温度是影响化学镀镍沉积速度的重要因素之一。镀液温度低于65时，沉积速度很慢。随着镀液温度的升高，沉积速度加快，但镀层中的含磷量降低。温度过高或加热不均匀还会引起镀液的自发分解。3 化学镀的应用化学镀具有一些电镀无法相比拟的特点，如优良的均镀能力和深镀能力，可在形状复杂的工件表面上沉积厚度均匀的镀层。另外，化学镀

49、Ni-P层具有优良的耐磨性能和耐蚀性能，已被广泛用于压力泵、纺织机械零件、汽缸、阀门和磨损件的修复等。尤其是对非金属材料制成的零件，经过化学镀镍后可以再用电镀的方法在其上沉积任何金属镀层。,五、气相沉积技术气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学反应，生成的反应物在工件表面形成一层具有特殊性能的金属或化合物的涂层。自上世纪80年代以来，气相沉积技术发展迅猛，成为材料科学中最活跃的研究领域，并已经形成一个产业。气相沉积按涂层的制备方法分为三大类：化学气相沉积技术（简称CVD法）物理气相沉积技术（简称PVD法）等离子体化学气相沉积技术（简称PCVD法）1 化学气相沉积技术（CVD）化学气相沉积是利

50、用气态物质在固态表面进行化学反应，生成固态物质沉积在被镀工件的表面。,多弧离子镀示意图,2 物理气相沉积技术（PVD）物理气相沉积是在高真空条件下，通过蒸发或溅射等物理的方法使欲镀金属以原子或分子团的形式与反应气体反应，生成的化合物沉积在工件的表面形成涂层。按采用的物理方法不同，物理气相沉积可分为蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。由于离子镀膜具有沉积速率快、涂层结合强度高、工件装载量大等特点，在工业上得到越来越广泛的应用。多弧离子镀膜是目前物理气相沉积的主流技术，如图。,3 等离子体化学气相沉积技术（PCVD）PCVD技术是在CVD技术的基础上，将等离子体引入到反应室内，使沉积温度从CVD的100