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钢热处理报告

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钢的热处理:是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的工艺。热处理不仅可用于强化钢材,提高机械零件的使用性能,而且还可以用于改善钢材的工艺性能。其共同点是:只改变内部组织结构,不改变表面形状与尺寸。

第一节钢的热处理原理

热处理的目的是改变钢的内部组织结构,以改善钢的性能,通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能,延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源,而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺分类:(根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下)

1、整体热处理:包括退火、正火、淬火、回火和调质;

2、表面热处理:包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等;

3、化学热处理:渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

热处理的三阶段:加热、保温、冷却

一、钢在加热时的转变

加热的目的:使钢奥氏体化

(一)奥氏体(A)的形成

奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则Wc=0.0218%(体心立方晶格F)Wc=6.69%(复杂斜方渗碳体)当T上升到Ac1后Wc=0.77%(面心立方的A)由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散,必须进行铁原子的晶格改组,即发生相变,A在铁素体和渗碳体的相界面上形成。有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则,空位和位错密度高。

图1珠光体向奥氏体转变示意图

a)形核b)长大c)剩余渗碳体溶解d)奥氏体均匀化

(二)奥氏体晶粒的长大

奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。分为00,0,1,2…10等十二个等级,其中常用的1~10级,4级以下为粗晶粒,5-8级为细晶粒,8级以上为超细晶粒。

影响A晶粒粗大因素

1、加热温度越高,保温时间愈长,奥氏体晶粒越粗大。因此,合理选择加热和保温时间。以保证获得细小均匀的奥氏体组织。(930~950℃以下加热,晶粒长大的倾向小,便于热处理)

2、A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。

二、钢在冷却时的转变

生产中采用的冷却方式有:等温冷却和连续冷却

(一)过冷奥氏体的等温转变

A在相变点A1以上是稳定相,冷却至A1以下就成了不稳定相。

1、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能

图2共析钢过冷奥氏体等温

转变曲线的建立示意图

1)高温珠光体型转变:A1~550℃

(1)珠光体(P)A1~650℃粗层状约0.3μm<25HRC

(2)索氏体(S)650~600℃细层状0.1~0.3μm,25~35HRC

(3)屈氏体(T)600~550℃极细层状约0.1μm,35~40HRC

2)中温贝氏体型转变:550℃~Ms

(1)上贝氏体(B上)550~350℃羽毛状40~45HRC脆性大,无使用价值

(2)下贝氏体(B下)350~Ms黑色针状45~55HRC韧性好,综合力学性能好

(3)低温马氏体型转变:Ms~Mf当A被迅速过冷至Ms以下时,则发生马氏体(M)转变,主要形态是板条状和片状。(当Wc<0.2%时,呈板条状,当Wc>1.0%呈针片状,当Wc=0.2%~1.0%时,呈针片状和板条状的混合物)

(二)过冷奥氏体的连续冷却转变

1.共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能

(1)随炉冷P170~220HBS(700~650℃)

(2)空冷S25~35HRC(650~600℃)

图3共析碳钢连续冷却转变曲线图4应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变

2.马氏体转变

当冷速>马氏体临界冷却速度VK时,奥氏体发生M转变,即碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体,称为M(马氏体)。

1)转变特点:M转变是在一定温度范围内进行(Ms~Mf),M转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散),M转变速度极快(大于Vk),M转变具有不完全性(少量的残A),M转变只有α-Fe、γ-Fe的晶格转变.

(2)M的组织形态

Wc(%)M形态σb/Mpaσs/MPaδ(%)Ak/JHRC

0.1-0.25板条状1020-1530820-13309-1760-18030-50

0.77片状2350204011066

(3)M的力学性能

①M的强度与硬度随C的上升M的硬度、强度上升

②M的塑性与韧性:低碳板条状M良好;板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能;针片状M比板条M具有更高硬度,但脆性较大,塑、韧性较差。

图5

第二节钢的退火

1、概念:将钢件加热到适当温度(Ac1以上或以下),保持一定时间,然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

2、目的:

(1)降低硬度,提高塑性,

(2)细化晶粒,消除组织缺陷

(3)消除内应力

(4)为淬火作好组织准备

3、类型:根据加热温度可分为在临界温度(Ac1或Ac3)以上或以下的退火,前者又称相变重结晶退火,包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火;后者包括再结晶退火及去应力退火。

(1)完全退火:

1)概念:将亚共析钢(Wc=0.3%~0.6%)加热到AC3+(30~50)℃,完全奥氏体化后,保温缓冷(随炉、埋入砂、石灰中),以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。

2)目的:细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

3)工艺:完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透,即工件心部达到要求的加热温度,而且要保证全部看到均匀化的奥氏体,达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时,为了提高生产率,退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

4)适用范围:中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、锻、轧制件等。

(2)球化退火

1)概念:使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。

2)工艺:一般球化退火工艺Ac1+(10~20)℃随炉冷至500~600℃空冷。

3)目的:降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。

4)适用范围:主要用于共析钢、过共析钢的刃具、量具、模具等。

(3)均匀化退火(扩散退火)

1)工艺:把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150~100℃,保温10~15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

2)目的:消除结晶过程中的枝晶偏析,使成分均匀化。由于加热温度高、时间长,会引起奥氏体晶粒严重粗化,因此一般还需要进行一次完全退火或正火,以细化晶粒、消除过热缺陷。

3)适用范围:主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。

4)注意:高温扩散退火生产周期长,消耗能量大,工件氧化、脱碳严重,成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件,因其偏析程度较轻,可采用完全退火来细化晶粒,消除铸造应力。

(4)去应力退火

1)概念:为去除由于塑性变形加工、焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。

2)工艺:将工件缓慢加热到Ac1以下100~200℃(500~600℃)保温一定时间(1~3h)后随炉缓冷至200℃,再出炉冷却。

钢的一般在500~600℃;铸铁一般在500~550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化;焊接件一般为500~600℃。

3)适用范围:消除铸、锻、焊件,冷冲压件以及机加工工件中的残余应力,以稳定钢件的尺寸,减少变形,防止开裂。

第三节钢的正火

1、概念:将钢件加热到Ac3(或Accm)以上30~50℃,保温适当时间后;在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。

2、目的:细化晶粒,均匀组织,调整硬度等。

3、组织:共析钢P、亚共析钢F+P、过共析钢Fe3CⅡ+P

4、工艺:正火保温时间和完全退火相同,应以工件透烧,即心部达到要求的加热温度为准,还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度,达到要求的组织和性能。

5、应用范围:

1)改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25%的碳素钢和低合金钢,退火后硬度较低,切削加工时易于“粘刀”,通过正火处理,可以减少自由铁素体,获得细片状P,使硬度提高,改善钢的切削加工性,提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。

2)消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织,达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。

3)消除过共析钢的网状碳化物,便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火,以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时,将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。

4)提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理,达到一定的综合力学性能,可以代替调质处理,作为零件的最终热处理。

第四节钢的淬火

1、定义:将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度,保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B组织的热处理工艺。2、目的:显著提高钢的强度和硬度。

3、淬火温度的选择

1)碳钢的淬火加热温度由Fe-Fe3C相图来确定,其目的是为了①淬火后得到全部细小的M;②淬火后希望硬度高。

①亚共析钢Ac3+(30~50)℃,可获得细小的均匀的M,如温度过高则有晶粒粗化现象,淬火后获得粗大的M,使钢的脆性增大;如温度过低则淬火后M+F,有铁素体出现,淬火硬度不足。

②共析钢与过共析钢Ac1+(30~50)℃,由于有高硬度的渗碳体和M存在,能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm将会使碳化物全部溶入A中,使A中的含碳量增加,淬火后残余奥氏体量增多,降低钢的硬度和耐磨性;淬火温度过高,奥氏体晶粒粗化、含碳量又高,淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体,使钢的脆性增大。

2)合金钢

①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素(如Ti、Nb等),淬火温度可以高一些,以加速其碳化物的溶解,获得较好的淬火效果.

②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素(如Mn等),淬火加热温度应低一些,以防止晶粒粗大。

理想冷却速度:650℃以上应当慢冷,以尽量降低淬火热应力。650~400℃之间应当快速冷却,以通过过冷奥氏体最不稳定的区域,避免发生珠光体或贝氏体转变。400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得M组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。

4、淬火介质

淬火介质:钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质。常用的有三种:

水:650~400℃范围内冷却速度较小,不超过200℃/s,但在需要慢冷的马氏体转变温度区,其冷却速度又太大,在340℃最大冷却速度高达775℃/s,很容易引起工件变形和开裂。此外,水温对水的冷却特性影响很大,水温升高,高温区的冷却速度显著下降,而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃,加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。水虽不是理想淬火介质,但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。

油:在650~550℃内冷却较慢,不适用于碳钢,300~200℃范围内冷很慢,有利于淬火工件的组织应力,减少工件变形和开裂倾向。与水相反,提高油温可以降低粘度,增加流动性,故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高易着火,一般应控制在60~80℃。适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。

水与油作为淬火介质各有优缺点,但均不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大,但冷却特性不好;油冷却特性较好,但其冷却能力又低。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质,因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15%聚乙烯醇、0.4%抗粘附剂、0.1%防泡剂的淬火介质,以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间,接近于理想淬火介质。主要用于贝氏体等温淬火,马氏体分级淬火,常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。

5、淬火方法(常用的淬火方法:单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火)

1、单介质淬火

优点:操作简单、易实现机械化、应用广泛。

缺点:水中淬火变形与开裂倾向大;油中淬火冷却速度小,淬透直径小,大件无法淬透。

2、双介质淬火

优点:减少热应力与相变应力,从而减少变形、防止开裂。

缺点:工艺不易掌握,要求操作熟练。

适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。

3、局部淬火

为了避免工件其它部分产生变形或开裂,即可用局部淬火。

4、马氏体分级淬火

优点:使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体,从而减少变形。

缺点:只适用于尺寸较小的零件,否则淬火介质冷却能力不足,温度也难于控制。

5、马氏体等温度淬火优点:下贝氏体的硬度略低于马氏体,但综合力学性能较好,应用广泛。

6、钢的淬透性与淬硬性

(一)淬透性:决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性,即应该是全淬成马氏体的深度。

1.影响淬透性因素

(1)钢的化学成分。除Co以外的合金元素溶于奥氏体后,均能增加过冷奥氏体稳定性,降低马氏体临界冷却速度,从而提高钢的淬透性。

(2)奥氏体化条件。提高奥氏体的温度,延长保温时间,使奥氏体晶粒粗大,成分均匀,残余渗碳体和碳化物的溶解彻底,使过冷奥氏体起稳定,使C曲线越向右移,马氏体临界冷却速度就越小,则钢的淬透性越好。

2.淬透性表示方法。常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后,心部得到全部马氏体(或50%马氏体)组织的最大直径。用Dc表示。在同一冷却介质中,钢的临界直径越大,其淬透性越好;但同一钢种在冷却能力大的介质中,比冷却能力小的介质中所得的临界直径要大些。

牌号临界直径/mm

淬水淬油

4513~16.55~9.5

20Cr12~196~12

3.淬透性的实用意义:

1)淬透——性能均匀一致

2)未淬透——韧性降低

(二)钢的淬硬性:钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。

值得注意的:钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高,而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。

7、钢的淬火缺陷及其防止措施

1.淬火工件的过热和过烧

过热:工件在淬火加热时,由于温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。

由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织,而且易于引起淬火裂纹,因此,淬火过热的工件强度和韧性降低,易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火,然后再重新淬火。

过烧:淬火加热温度太高,使奥氏体晶界局部熔化或者发生氧化的现象。

过烧是严重的加热缺陷,工件一旦过烧无法补救,只能报废。过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧,火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。

2.淬火加热时的氧化和脱碳

淬火加热时,钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小,表面光洁度降低,并严重影响淬火冷却速度,进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性,并显著降低其疲劳强度。因此,淬火加热时,在获得均匀化奥氏体时,必须注意防止氧化和脱碳现象。在空气介质炉中加热时,防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭,以改变炉内气氛,减少氧化和脱碳。此外,采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面,或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。

3.淬火时形成的内应力

有两种情况:①工作在加热或冷却时,引起的热应力。

②由于热处理过程中各部位冷速的差异引起的相变应力。

当两力相复合超过钢的屈服强度时,工件就变形;当复合力超过钢的抗拉强度时,工件就开裂。

解决办法:①工件在加热炉中安放时,要尽量保证受热均匀,防止加热时变形;

②对形状复杂或导热性差的高合金钢,应缓慢加热或多次预热,以减少加热中产生的热应力;

③选择合适的淬火冷却介质和淬火方法,以减少冷却中热应力和相变应力。

但淬火不是最终热处理,为了消除淬火钢的残余内应力,得到不同强度、硬度和韧性配合的性能,需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火,是为了使工件获得良好的使用性能,以充发挥材料的潜力。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

第五节钢的回火

1、定义:钢件淬火后,再加热到A1以下某一温度,保持一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

2、目的:

1)稳定组织,消除淬火应力

2)调整硬度、强度、塑性、韧性

3、淬火钢在回火时组织的转变

1)马氏体的分解(>100℃)

2)残余奥氏体的转变(200~300℃)

3)碳化物的转变(250~450℃)

4)渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶(>450℃)

4、钢在回火时性能变化

1)回火方法:

(1)低温回火(150~250℃),组织是回火马氏体,和淬火马氏体相比,回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性,又适当提高了韧性。硬度为58~64HRC,主要用于高碳钢,合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承,渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。

(2)中温回火(350~500℃),组织为回火屈氏体,对于一般碳钢和低合金钢,中温回火相当于回火的第三阶段,此时碳化物开始聚集,基体开始回复,淬火应力基本消除。硬度为35~50HRC,具有高的弹性极限,有良好的塑性和韧性,主用于弹性件及模具处理。

(3)高温回火(500~650℃),组织为回火索氏体,硬度为220~330HBS。淬火和随后的高温回火称为调质处理,经调质处理后,钢具有优良的综合机械性能。因此,高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢,用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件,如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。钢经正火后和调质后的硬度很相近,但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下,经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火,尤其塑性和韧性更为突出。

2)回火时间:一般为1~3h

3)回火冷却:一般空冷。一些重要的机器和工模具,为了防止重新产生内应力和变形、开裂,通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件,回火后应进行油冷或水冷,以抑制回火脆性。

5、回火脆性

第一类回火脆性:300℃左右,无法消除,低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因,一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出,这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱,降低了马氏体晶界处强度,因而使冲击韧性降低。

第二类回火脆性:400~500℃,,高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法:快冷;提高钢的纯洁度,减少有害元素的含量等。

第六节实习心得

“纸上得来终觉浅,绝知此事需躬行”通过这次到工厂参观实习让我了解了很多。真的,有许多东西看似已经懂了,但真正到了实际却又是另一种情况。有时自己认为自己已掌握的东西可能仅是一些肤浅的表面或总体的一个方面,甚至有时是错误的认识,而如果没有实地考察实践,我们是无法发现这些问题的。这次实习给我们每个人一个很好的机会学习那些书本上不能学到的知识,通过我们自己的参观,还查找各种图书资料以及到网上搜寻相关资料,使我们的知识得以巩固和完善,不仅增长了我们的见识,而且对生产操作有了一定的直观认识,对工人也有了一中全新的认识。感谢领导、老师给我们这次充实自己、增长见识的机会!同时我也希望系里能为我们提供更多的实习机会,让我们在实际生产中得到锻炼。

钢热处理报告责任编辑:小胥老师    阅读:人次
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