热处理知识及工艺介绍.ppt

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1、热处理知识及工艺介绍热处理知识及工艺介绍1、热处理基本知识2、钢材的分类3、认识铁碳相图,CCT连续冷却转变图4、我司的渗碳线处理工艺介绍中山市三民金属处理有限公司技术课热处理的相关名词介绍热处理：将材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的组织结构（相变）,来控制其性能的一种综合工艺过程。热处理可以分为1、常规热处理；2、表面热处理；3、化学热处理常规热处理一般指工件整体的处理，有正火、退火、淬火、回火。表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较

2、大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。热处理的相关名词介绍1.正火normalizing：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM

3、以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。2.退火annealing：将亚共析钢工件加热至AC3以上2040度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺 3.淬火quenching：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺 4.回火tempering：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺 说明举 例形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件（参见 GB11352

4、-89ZG230-450、ZG270500、ZG310-570、ZG340-640表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢ZG200-400一般工程铸造碳钢制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等（参见 GB1298-86）T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13表示平均Wc为千分之8的碳素工具钢，A表示高级优质T8T8A碳素工具钢用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重要零件（参见 GB699-88）08F、10、20、35、40、50、60、65表示平均Wc为万分之45的优质碳素结构钢 45优质碳素结构钢一般以型材供应的工程结构件，制造不太

5、重要的机械零件及焊接件（参见 GB700-88）Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾钢Q235-A F碳素结构钢用 途常 用 牌 号编 号 方 法分 类1、碳钢的分类2、碳钢的牌号五、碳钢五、碳钢2 2、按用途分类、按用途分类 1)结构钢:主要用于制造各种工程构件及机器零件。用于制造机器零件的结构钢可分为：调质钢:如45、40Cr、35SiMn等。渗碳钢:如20、20Cr、20CrMnTi等。弹簧钢:如65、65Mn、50CrV等。2)工具钢:主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。3)特殊性能钢:指具有不锈、耐热、抗磨

6、等特殊性能的钢。3 3、合金钢的分类、合金钢的分类 WWmeme3%3%渗碳、调质钢渗碳、调质钢 1)1)合金结构钢（低合金高强度结构钢、合金结构钢）合金结构钢（低合金高强度结构钢、合金结构钢）2)2)弹簧钢弹簧钢 碳素碳素WWc c0.60.60.90.9，合金，合金WWc c0.450.450.70.7 主加主加SiSi、MnMn、CrCr 3 3）滚动轴承钢）滚动轴承钢 要求硬度高、耐磨性好、淬透性高、接触疲劳强度高、耐蚀要求硬度高、耐磨性好、淬透性高、接触疲劳强度高、耐蚀 WWc c0.950.951.151.15，WWcrcr11。65654）合金工具钢（1）低合金刃具钢 车、铣、铰

7、刀等 性能要求：回火稳定性 a)硬度和耐磨性；b)强度和韧性；c）红硬性；d)工艺性（2）高速钢 淬透性好，红硬性高，小截面刀具空气中能淬透 典型牌号：W18Cr4V（3）模具钢 a)冷作模具钢 b)热作模具钢 P70性能（4）量具钢 多选用碳素工具钢、低合金工具钢（9SiCr、CrMn）、轴承钢（GCr15）制作344 4、合金钢的牌号、合金钢的牌号1）低合金高强度结构钢Q295、Q345、Q390、Q4602）合金结构钢 （1）渗碳钢 20Cr、20CrV、20Mn2、20MnV、20CrMn等 （2）调质钢 40Cr、42SiMn、35CrMo等 （3）弹簧钢 65Mn、60Si2Mn

8、（4）滚动轴承钢 GCr9、GCr9SiMn、GCr15等 （5）低合金刃具钢 9SiCr、9Mn2V等 （6）高速钢 W18Cr4V 不锈钢牌号前的数字表示平均碳质量分数的千倍。当Wc0.03%或Wc0.08%者，在牌号前分别冠以“00”或“0”。35典型合金的结晶过程及组织典型合金的结晶过程及组织 根据铁碳合金的含碳量及组织的不同，可将铁碳合金分为：1）工业纯铁 c0.0218%。2）钢 0.0218%c2.11%，又可分为：亚共析钢 0.0218%c0.77%；共析钢 c=0.77%；过共析钢 0.77%c2.11%。3）白口铸铁 2.11%c6.69%，又可分为以下三种：亚共晶白口铸铁

9、 2.11%c4.3%共晶白口铸铁 c=4.3%过共晶白口铸铁 4.3%c6.69%3 3、铁碳合金的组元与基本相、铁碳合金的组元与基本相 一、纯铁的同素异构转变一、纯铁的同素异构转变图1-29 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变同素异构转变 铁碳全合金的基本相及其性能铁碳全合金的基本相及其性能 1、液相：铁碳合金在溶化温度以上形成的均匀液体称为 液相，用符号L表示。2、铁素体（Ferrite）：碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为铁 素体，用符号F表示。碳在-Fe中的溶解度很低，因此，铁 素体的机械性

10、能与纯铁相近，其强度、硬度较低，但具有良好的塑性、韧性。铁碳全合金的基本相及其性能铁碳全合金的基本相及其性能 3、奥氏体(austenite)：碳在-Fe中形成的间隙固溶体称为 奥氏体，用符号A表示。4、渗碳体：渗碳体是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物，它的分子式为Fe3C，渗碳体既是组元，又是基本相。5、珠光体(Pearlite)：用符号P表示，它是铁素体与渗碳体薄层 片相间的机械机械混合物。6、莱氏体：用符号Ld表示，奥氏体和渗碳体所组成的共晶体。Fe-Fe3C相图分析相图分析 图 Fe-Fe3C相图简化的Fe-Fe3C相图 主要特性点主要特性点表表1-4简化简化Fe-Fe3C相图中的特性

11、点相图中的特性点特性点符号温度/c（%）含义A15380熔点：纯铁的熔点C11484.3共晶点：发生共晶转变L4.3Ld(A2.11%+Fe3C共晶)D12276.69熔点：渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度点G9120同素异构转变点S7270.77共析点：发生共析转变A0.77%p(F0.0218%+Fe3C共析)P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度点Q室温0.0008室温下碳在-Fe中的溶解度 主要特性线主要特性线（1）AC线 液体向奥氏体转变的开始线。即：LA。（2）CD线 液体向渗碳体转变的开始线。即：LFe3C。ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于

12、液相状态，用符号L表示。（3）AE线 液体向奥氏体转变的终了线。（4）ECF水平线 共晶线。AECF线统称为固相线，液体合金冷却至此线全部结晶为固体，此线以下为固相区。（5）ES线 又称Acm线，是碳在奥氏体中的溶解度曲线。即：LFe3C。（6）GS线 又称A3线，（7）GP线 奥氏体向铁素体转变的终了线。（8）PSK水平线 共析线（727），又称A1线。（9）PQ线 碳在铁素体中的溶解度曲线。相区相区（1）单相区 简化的Fe-Fe3C相图中有F、A、L和Fe3C 四个单相区。（2）两相区 简化的Fe-Fe3C相图中有五个两相区，即 L+A两相区、L+Fe3C两相区、A+Fe3C两相区、A+F

13、两相 区和F+Fe3C两相区。每个两相区都与相应的两个单相区相邻；两条三相共存线，即共晶线ECF，L、A和Fe3C三相共存，共析线PSK，A、F和Fe3C三相共存。钢的热处理是将钢在固态下施加不同的加热、保温和冷却，从而获得所需的组织结构和性能的工艺过程。热处理应伴随固态相变或扩散。1、钢在加热和冷却时的相变温度2 2 2 2、奥氏体的形成过程、奥氏体的形成过程、奥氏体的形成过程、奥氏体的形成过程 钢加热时奥氏体的形成也是通过形核及长大过程来实现的。现以共析钢为例说明奥氏体形成的三个步骤：亚共析钢与过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。七、七、钢的热处理钢的热处理411.奥氏体晶核的形成和长

14、大；2.残余渗碳体的溶解；3.奥氏体成分均匀化。共析钢奥氏体化42共析钢加热到Ac1点以上某一温度到A出现的这段时间称孕育期。随温度升高，原子扩散速度加快，孕育期缩短。如在740等温转变时，经过10s转变开始，而在800等温时，瞬间转变便开始。A形成所需时间较短，残余渗碳体溶解所需时间较长，而A均匀化所需时间更长。例如780等温时，形成A的时间不到10s，残余碳化物完全溶解却需要几百s，而实现A均匀化则需要104s。亚共析钢和过共析钢奥氏体形成基本上与共析钢相同。但对于亚共析钢或过共析钢，当珠光体全部转变成奥氏体后，还有过剩相铁素体或渗碳体的继续转变。加热温度愈高，原始组织愈细小，奥氏体形成速

15、度愈快。3 3、奥氏体的形成速度、奥氏体的形成速度43(1)(1)温度：加热温度越高，晶粒越大；温度：加热温度越高，晶粒越大；(2)(2)合金成分：合金成分：碳含量增高，晶粒长大倾向增大，残余渗碳体增加，则倾向减小；形成碳化物、氮化物、氧化物的元素增加，则阻碍晶粒长大；锰、磷元素增加，晶粒增大。2)2)2)2)影响奥氏体长大的因素影响奥氏体长大的因素影响奥氏体长大的因素影响奥氏体长大的因素441 1 1 1）C C C C曲线的转变产物曲线的转变产物曲线的转变产物曲线的转变产物 奥氏体过冷到临界点A1以下时，则为不稳定状态的奥氏体。随过冷度不同，过冷奥氏体将发生三种类型转变，即珠光体转变、贝氏

16、体转变和马氏体转变。T T T曲线表示了着三种转变情况，现以共析钢分析：4 4 4 4、TTTTTTTTTTTT曲线曲线曲线曲线45珠光体转变珠光体转变 珠光体转变珠光体转变Ac1 550,扩散型转变，又分为：珠光体型：珠光体型：Ac1 650片层较厚，用符号“P”表示。索氏体：650600，片层较薄，用符号“S”表示。托氏体：600550，片层极薄，用符号“T”表示。46贝氏体转变贝氏体转变贝氏体转变贝氏体转变 550Ms 贝氏体用符号“B”表示。贝氏体可分为上贝氏体（B上）和下贝氏体（B下）。B上:550350。呈羽毛状，B上的力学性能差，无实用价值。:B下：350Ms。呈黑针状，B下具有

17、优良的力学性能，是生产上常用的组织。贝氏体形成时只有碳原子发生扩散，而铁原子不扩散，因此贝氏体转变属于半扩散型转变。47奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响马氏体转变的特点1、马氏体转变是在一个温度范围内（MS Mf)连续冷却完成的，马氏体点Ms和Mf主要与奥氏体的含碳量有关；2、马氏体转变具有不完全性。如果把奥氏体过冷到室温不能得到全部马氏体，而保留一定量的奥氏体，这种在冷却过程中发生相变后仍在环境温度下存在的奥氏体称残余奥氏体。残余奥氏体不仅降低钢件的硬度和耐磨性，而且影响钢件的尺寸稳定性，要使残余奥氏体继续向马氏体转变，就要将淬火钢继续冷却至室温以下（如冰

18、柜冷可却至0以下；干冰+洒精可冷却至78；液氮可冷却至183），这种处理方法叫做冷处理。对于如精密刀具、精密量具、精密轴承、精密丝杆等一些尺寸要求高的工件均应在淬火后进行冷处理。马氏体转变的特点3、马氏体转变的速度极快，属非扩散型相变，一般不需要孕育期；4、马氏体转变会引起钢的体积膨胀。由于马氏体的比容比奥氏体大，通常又是在较大的冷却速度下发生转变，钢件内外温差大，所以会产生很大的内应力，这是导致淬火钢出现变形和开裂的主要原因，应引起足够的重视。马氏体转变马氏体转变 M：碳在-Fe中过饱和的固溶体。转变特点无扩散性。马氏体的组织形态分为板条状和针状两大类。板条M，Wc0.20，板条内的亚结构是

19、高密度的位错，因而又称为位错马氏体。片状M。Wc1.0，呈双凸透镜的片状，显微组织为片状。其亚结构主要是孪晶，因此又称为孪晶马氏体。上马氏体点：发生马氏体转变的开始温度称为上马氏体点，用“Ms”表示。下马氏体点：马氏体转变的终了温度称为下马氏体点，用“Mf”表示。马氏体转变可归纳为：高速长大；马氏体转变的不完全性；存在残余奥氏体，用“A残”表示；Ms、Mf点的温度取决于奥氏体的碳含量。48三民的渗碳线处理工艺1、碳氮共渗（HCN）-钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，中温碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。渗碳是指使碳原子渗入到钢表

20、面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。三民的渗碳线处理工艺2、奥氏体等温淬火（austemper、HQA）-是指将工件加热到奥氏体化温度，保温一段时间后，快速冷却到贝氏体转变温度区间，并保温一段时间的热处理工艺。工件经贝氏体等温淬火后基本完全转变成贝氏体组织。贝氏体等温淬火能提高工件硬度和强度，淬火后的硬度一般在HRC45-54之间，而在形状和尺寸方面的改变比马氏体强化方法的低。与回火马氏体相比，主要的优点有：更高的韧性 更高的断后延长率更高的断面收缩率 更高的缺口冲击韧度 更好的

21、形状和尺寸稳定性 更好的可变形性 三民的渗碳线处理工艺马氏体等温淬火（martemper、HQM）-是指将工件加热到奥氏体化温度，保温一段时间后，快速冷却到马氏体转变温度区间，并保温一段时间，使之发生马氏体转变的热处理工艺。工件处理后硬度可达HRC55-64之间。三民的渗碳线处理工艺调质（HQ+HT）-调质：指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。如（S45C，45Mn，40Cr，35CrMo等）调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HRC25-35之间。