文档介绍：第七章钢的热处理 Heat Treatment of Steel
热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变,再施以冷却再发生相变的工艺过程。
通过这个相变与再相变,材料的内部组织发生了变化,因而性能变化。例如碳素工具钢T8在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为20HRC,作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60~63HRC,这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大。
第一节热处理的基本概念 Basic Conception of Heat Treatment
一、热处理的基本要素
热处理工艺中有三大基本要素:加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
加热是热处理的第一道工序。不同的材料,其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种,一种是在临界点A1以下的加热,此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热,目的是为了获得均匀的奥氏体组织,这一过程称为奥氏体化。
保温的目的是要保证工件烧透,防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大,导热性越差,保温时间就越长。
冷却是热处理的最终工序,也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。
三、热处理与相图
热处理的基本类型
根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同,热处理可以分为下列几类:
普通热处理:包括退火、正火、淬火和回火等。
表面热处理:包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。
其它热处理:包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。
按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同,热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。
预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序(也称为中间热处理),其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力,为后续的机加工或进一步的热处理作准备。
最终热处理是零件加工的最终工序,其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。
钢的临界转变温度
Ac3
Accm
Ac1
Ar3
Arcm
Ar1
C%
加热和冷却速度对钢的临界温度的影响
温度
A3
Acm
A1
第二节钢在加热时的转变 Heating Up Transformation
钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体,然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织,得到钢的不同性能。因此掌握热处理规律,首先要研究钢在加热时的变化。加热的目的是得到奥氏体。
一、加热时奥氏体的形成过程
共析钢的加热转变
(α+Fe3C)
γ晶核
γ长大
残余Fe3C溶解
不均匀γ
均匀γ
珠光体向奥氏体转变示意图
温度
A3
Acm
A1
距离
% 浓度 C
C1
C2
奥氏体
A
F
奥氏体形成的三个阶段:
第一阶段:奥氏体晶核的形成与奥氏体长大;
第二阶段:残余渗碳体的溶解;
第三阶段:奥氏体成分的均匀化。
珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件:一是温度条件,要在Ac1以上加热;二是时间条件,要求在Ac1以上温度保持足够时间。
在一定加热速度条件下,超过Ac1的温度越高,奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短;在一定的温度(高于Ac1)条件下,保温时间越长,奥氏体成分越均匀。
二、钢的加热缺陷
钢加热时常见的缺陷:
(1)氧化
加热时的氧化性气氛(如空气、气氛中O2、CO2、H2O等)氧化钢铁,在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。氧化将导致钢的烧损加大,而且使零件尺寸变小,表面粗糙,更重要的还严重影响后序热处理的质量。
(2)脱碳
钢加热过程中脱碳,即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。由于脱碳使钢件表面含碳量下降,导致钢件机械强度下降,特别是工件的疲劳强度下降,耐磨损性能降低。
(3)过热
钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高,出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大,即晶粒变粗。结果是,钢的塑性、韧性、强度降低,同时工件热处理后变形加大,还可能导致热处理裂纹、使工件报废。
(4)过烧
指的是加热温度太高,奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。后果是,处理的工件很脆,如果锻造一锻即裂,过烧的工件只能报废,无法挽救,因而是致命性的。
加热缺陷的防止办法
(1)真空加热
工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施,是热处理工艺的发展方向,但真空加热用的设备投资大,工艺成本较高。
(2)保护气氛加热
工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛,保证钢在不脱碳,不增碳,不氧化的气氛下加热。但需要一套