钢的热处理钢的淬火与回火.ppt
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第八章钢的淬火与回火,本章重点淬火工艺参数的选择原则;钢的淬透性与淬硬性的概念及影响因素;淬火常见缺陷,8-1淬火的定义、目的及淬火的工艺参数,1定义:
把钢加热到临界温度(Ac3或Ac1)以上,保温一段时间后,再以大于临界冷却速度冷却,从而获得M(或B下)组织的方法。
2目的:
(1)提高工具、渗碳零件和其它高强度耐磨机器零件等的硬度、强度和耐磨性;
(2)结构钢通过淬火和回火之后获得良好的综合机械性能;(3)此外,还有很少数的一部分工件是为了改善钢的物理和化学性能。
如提高磁钢的磁性,不锈钢淬火以消除第二相,从而改善其耐蚀性等。
3淬火的工艺参数,3.1加热温度
(1)化学成分:
亚共析钢:
Ac3+30-50C过共析钢:
Ac1+30-50C(Acm),亚共析碳钢为什么要加热到Ac3以上完全化后淬火呢?
若加热温度选在Ac1Ac3之间,组织中有一部分铁素体存在,在随后的淬火冷却中,由于铁素体不发生变化而保留下来,它的存在是钢的淬火组织中存在软点,降低了淬火钢的硬度,同时它的存在还会影响钢的均匀性,影响机械性能,加热Ac3以上太高也不行,钢的氧化脱碳严重,另一方面晶粒粗大,淬火后粗大,钢的性能变坏。
过共析钢的淬火加热温度为什么选择在Ac1Ac3之间?
首先过共析钢在淬火加热以前,都要经过球化处理,加热到Ac1Acm之间时组织为和一部分未溶化的e3C,,淬火后,M,e3C被保留下来,e3C硬度很高,它的存在,可以提高钢的硬度和耐磨性。
若TAcmC%增加,Ms点下降,残A增多;粗大M;氧化脱碳严重,易变形开裂增大淬火应力,增加了工件变形和开裂的倾向。
低合金钢:
Ac3或Ac1+50-100C高合金钢:
Ac3或Ac1+300-400CW18Cr4V:
1280C,分级加热,W18Cr4V,T(C),600,800,1280,t,工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等,淬火加热后组织,M+Fe3C+A残,Ac1+3050,过共析钢,M+A残,Ac1+3050,共析钢,M+A残,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,M,Ac3+3050,亚共析钢Wc0.5%,3.2保温时间保温升温热透转变与合金成分,尺寸、装炉量等因素有关,=KD,常用钢的加热系数,有效厚度的确定,3.3加热介质,空气、盐浴、可控气氛、真空等气氛条件,造成氧化与脱碳氧化(T570C):
O2+2Fe2FeOCO2+FeFeO+COH2O+FeFeO+H2,脱碳O2:
Fe3C+O23Fe+CO2CA+O2CO2CO2:
Fe3C+CO23Fe+2COCA+CO22COH2O:
Fe3C+H2O3Fe+H2+COCA+H2OH2+COH2:
Fe3C+2H23Fe+CH4CA+2H2CH4,8-2淬火介质,淬火介质的要求(P176,图81)鼻点冷速大,Ms附近冷速小;目的:
获得M热应力开裂稳定,成本低安全,无毒;不腐蚀工件,
(1)理想介质冷却速度高温T650,慢冷,可以减少热应力。
中温650400,快冷,避开C曲线的鼻尖,保证全部获得M。
低温400以下,特别是300200发生M转变时要求慢冷,M转变时的组织应力,
(2)理想冷却速度示意图,2常用淬火介质,根据工件淬火冷却过程中,淬火介质由否发生物态变化,把液态淬火介质分为两类的,即有物态变化的和无物态变化的。
有物态变化的无物态变化的,水及各种水溶液,各种淬火油,各种气体,熔融金属、熔盐,固体-铜板、铁板、气-固流态床,有物态变化的(以水为例)冷却三阶段:
蒸汽膜阶段沸腾阶段对流阶段,
(1):
蒸汽膜阶段:
灼热钢件投入淬火介质中,一瞬间就在工件表面产生大量过热蒸汽,紧贴工件形成连续的蒸汽膜,使工件和液体分开。
由于工件是不良导体,这阶段的冷却主要靠辐射传热,因此,冷却速度较慢。
(2):
沸腾阶段:
进一步冷却时,工件表面温度降低,工件放出热量愈来愈少,蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂,以致使液体在这些地方和工件直接接触,形成大量气泡溢出液体,由于介质的不断更新,带走大量热量,所以这阶段的冷却速度较快,(3):
对流阶段:
当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时,工件的冷却主要靠介质的对流形成,随着工件与介质的温度降低,冷却速度也逐渐降低。
对无物态变化的介质,淬火冷却主要靠对流散热,在工件温度较高时辐射散热也由很大比例,也存在传导散热。
(2)常用淬火介质水:
Vmax:
500780C/s,300400C鼻温:
150C/s;Ms:
450C/s优点:
冷却能力强,成本低缺点:
M转变温区冷速过大,变形大冷却能力对水温,不溶夹杂敏感应用:
小尺寸、形状简单碳钢件,油:
Vmax:
100250C/s,400500C鼻温:
6070C/s;Ms:
50C/s优点:
M转变温区冷速小,不易变形缺点:
鼻温区冷速小,淬不透应用:
合金钢件,盐水与碱水10NaCl水溶液15NaOH水溶液5NaCO3水溶液作用:
使蒸汽膜提前破碎,但腐蚀新淬火介质(表8-4)Page180水基;油基光亮处理(表8-3)Page178,常用的淬火冷却介质,8-3钢的淬透性,1概念:
指钢材被淬透的能力,或者说钢的淬透性是指表征钢材淬火时获得M的能力的特性。
用钢在一定条件下淬火获得淬透层深度表示其大小。
淬透层深度:
由工件表面半马氏体点(50%M)的深度,工件淬硬层与冷却速度的关系,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,2淬透性影响因素与影响C曲线的因素一致
(1)钢的化学成分:
C含量及合金元素
(2)奥氏体晶粒度:
奥氏体晶粒尺寸增大,淬透性提高。
(3)奥氏体化温度:
提高奥氏体化温度,提高淬透性。
(4)第二相及其分布:
奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布,影响过冷奥氏体的稳定性,从而影响淬透性。
实际淬透层深度:
淬透性、工件大小、淬火介质,3淬透性与淬硬性淬硬性:
钢淬火时的硬化能力,用淬成M可能得到的最高硬度表示。
取决于M中的C%.淬透性:
钢的临界冷却速度合金元素。
淬硬性与淬透性之间的区别:
淬透性与实际工件有效淬硬深度的区别同一钢种对不同截面的工件在同样奥氏体化条件下淬火,其淬透性是相同的,但是其有效淬硬深度却因工件的形状、尺寸和冷却介质的不同而异。
淬透性是钢本身所固有的的属性,对以一种钢,它是确定的,可用于不同钢种之间的比较。
实际工件的有效淬硬深度,除了取决于钢的淬透性,还与工件的形状、尺寸及采用的冷却介质等外界因素有关。
两个不同的概念淬硬性是指钢淬火后能达到的最高硬度,主要取决于马氏体的含碳量,淬透性好的钢其淬硬性不一定高。
钢的淬透性的应用,钢的淬透性是机械设计中选材时应予考虑的重要因素之一。
大截面零件、承受动载的重要零件、承受拉力和压力的许多重要零件(螺栓、拉杆、锻模、锤杆等),要求表面和心部力学性能一致,故应选择淬透性高的材料;心部力学性能对使用寿命无明显影响的零件(承受弯曲或扭转的轴类),可选用淬透性低的钢,获得1/21/4淬硬层深度即可;焊接件、承受强力冲击和复杂应力的冷镦凸模等,不能或不宜选择淬透性大的材料。
(一)临界直径法,生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。
临界淬火直径圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径(即心部被淬成半马氏体的最大直径),用Do表示。
在相同冷却条件下,Do越大,钢的淬透性越好。
4淬透性的实验测定方法,M,非M,
(2)顶端淬火法端淬法该法为乔迈奈等于1938年建议采用的,因而国外常称为“Jominy端淬法端淬曲线、端淬曲线带各种钢的淬透性曲线可以参考合金钢手册,顶端淬火法,25100,,8-4淬火方法,1单液淬火:
尺寸小、形状简单碳钢件、合金钢件。
2双液淬火(水淬油冷)尺寸较大碳钢件。
3分级淬火:
稍高于Ms,盐浴;小尺寸模具、变形小精密件。
4等温淬火:
淬火热应力、组织应力小,变形小;形状复杂、尺寸精密件。
5冷处理减小残A,提高硬度;稳定尺寸;,8-4淬火方法,单液淬火将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。
优点:
操作简单,容易实现自动化,缺点:
易产生淬火缺陷,水中淬火易产生变形和裂纹,油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。
应用:
碳钢一般用水作冷却介质,合金钢可用油作冷却介质。
双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却,然后在接近Ms点温度(钢的组织还未开始转变时迅速取出),马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火,称为双介质淬火。
优点:
内应力小,变形及开裂小。
缺点:
操作困难,不易掌握应用:
由碳素工具钢制造的易开裂工件,如丝锥。
马氏体分级淬火:
定义:
将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴中,稍加停留,等工件整体温度趋于均匀时,再取出空冷以获得马氏体。
优点:
有效减小内应力,防止变形与开裂缺点:
对于碳钢零件,淬火后会出现非马氏体组织应用:
尺寸小,形状复杂工件,贝氏体等温淬火:
定义:
将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴中,保温足够时间,使其发生下贝氏转变后出炉空冷。
优点:
内应力小,工件不易变形与开裂,具有良好的综合力学性能。
应用:
用于处理形状复杂,尺寸要求精确,并且硬度和韧性都要求较高的工件如:
各种冷、热冲模,成型刃具,弹簧等,8-5钢的回火工艺,1回火工艺参数的选择回火温度的选择:
(1)零件使用性能硬度回火温度
(2)应力消除:
T500C,1hT200C,23h回火后冷却方式:
回火脆性钢水、油冷(第二类回火脆性)高合金钢的多次回火,2回火种类回火温度,内应力;强硬度,塑韧性。
(1)低温回火(150-250C)组织:
回火M(淬火M)高碳钢:
淬火片状M回火M(片状过饱和碳化物,共格)性能:
保持高强硬度;微裂纹焊合;内应力和脆性;韧性略。
低碳钢:
板条M,C的偏聚应用:
工、模、量具钢;低碳马氏体钢渗碳和碳氮共渗,
(2)中温回火(350-500C)避免第一类回火脆性组织:
回火屈氏体(屈氏体)条、针状(未再结晶,平衡C)相弥散分布细粒状相性能:
基体已回复;内应力;弹性极限高;较高的强硬度与良好韧性应用:
弹簧钢、热锻模。
(0.60.9%),(3)高温回火(550-680C)组织:
回火索氏体等轴状(再结晶)相均匀分布粒状(球化)相性能:
内应力基本消除,强度与韧性最佳配合;综合机械性能高应用:
重要结构件,轴、齿轮,二次硬化高合金钢调质处理:
淬火高温回火(可作为预备热处理)注意:
预防和避免第二类回火脆性。
8-5钢的淬、回火缺陷,1种类:
变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、软点、过热、过烧。
过热:
晶粒粗大重结晶消除过烧:
晶界熔化或氧化2变形与淬火应力变形方式:
体积变化、弯曲翘曲。
产生原因:
加热或冷却过程中热胀冷缩、组织转变不同步内应力种类:
热应力、组织应力高温段变形;低温段开裂,内应力,热应力工件在加热(或冷却)时,由于不同部位的温度差异,导致热胀(或冷缩)的不一致所引起的应力称为热应力;组织应力由于工件不同部位组织转变不同时性而引起的内应力。
根据内应力的存在时间特性还可分:
1):
瞬时应力在冷却过程中某一时刻所产生的内应力叫瞬时应力;2):
残余应力冷却终了,残余于工件内部的应力。
热应力变化规律:
a)淬火冷却时,由于热应力引起的残余应力表面为压应力,心部为拉应力。
b)淬火冷却时产生的热应力系由于冷却过程中截面温度差造成的,冷却速度越快,界面温度愈大,则产生的热应力愈大,在相同冷却介质条件下,工件加热温度愈高,尺寸愈大,钢材热传导系数愈小,工件内温差愈大,热应力愈大。
组织应力的变化规律:
a):
在心部完全淬透的情况下,组织应力使工件最终应力表现为:
表面呈现拉应力,心部呈现压应力。
b):
组织应力的大小与钢在马氏体相变温度范围有关,截面上温度愈大,组织应力增加,相变时体积膨胀量愈大,则组织应力就愈大,钢的淬透性愈好,零件尺寸愈大,则淬火后组织应力愈大。
淬火应力影响因素淬火热应力加热冷却中工件内外层温度差工件的冷却
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