08 鋼的加熱、退火與正火.ppt

1、1,第八章鋼的加熱、退火與正火,2, 金屬加熱的物理過(guò)程,8.1 鋼的加熱,三種傳熱方式,3,金屬加熱,直接加熱,間接加熱, 加熱方式與加熱介質(zhì),4,加熱緩慢,抑制氧化,表面凈化,脫氣作用,蒸發(fā)現(xiàn)象,5, 加熱目的與要求,熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，目的是為了得到奧氏體組織。,加熱的質(zhì)量指標(biāo),6,不同鋼種、不同工件、不同的熱處理工藝，對(duì)上述指標(biāo)的要求是不同的。,淬火加熱要求,例1：,成分盡可能均勻,晶粒盡可能細(xì)小,不允許表面氧化、脫碳或增碳,要嚴(yán)防變形，不允許開(kāi)裂,7,球化退火加熱要求,例2：,成分不能太均勻，要保留大量的未溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，并彌散分布在奧氏體中,晶粒不粗大,

2、8, 確定熱處理加熱規(guī)范的一般原則,加熱的基本工藝參數(shù),正火：亞共析 AC33050 過(guò)共析 ACcm3050 退火：亞共析 AC32040 過(guò)共析 AC12030 淬火：亞共析 AC33050 過(guò)共析 AC13050,9,一般不限制加熱速度; 對(duì)合金含量高、大型鑄、鍛件有特別規(guī)定.,實(shí)際生產(chǎn)中，還要考慮加熱方式、熱處理類(lèi)型、鋼的具體成分等因素的影響，對(duì)加熱溫度作必要調(diào)整.,10, 升 透 保,11,厚件的加熱時(shí)間：可用傳熱學(xué)、有效元分析等進(jìn)行估算； 薄件的加熱時(shí)間：主要靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即用經(jīng)驗(yàn)公式估算，這些數(shù)據(jù)在生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)被證明是可靠的。但又不是絕對(duì)的，需要依據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。具體加熱時(shí)間

3、數(shù)據(jù)在講到具體工藝時(shí)再做詳細(xì)介紹。,薄件：T爐400，d300mm T爐800，d200mm T爐1000，d100mm,工件有厚件和薄件之分：,12, 鋼鐵在加熱時(shí)的缺陷及防止,對(duì)這些缺陷的檢驗(yàn)和評(píng)級(jí)，可參見(jiàn)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)。,造成這些缺陷的原因是多方面的，可能是設(shè)備、工藝、或操作不當(dāng)?shù)仍颉?因此，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，以找出切實(shí)可行的解決辦法。,常見(jiàn)的加熱缺陷,13,在氧化性氣氛（如空氣、O2、CO2、H2O等）中加熱時(shí)，鐵原子和合金原子會(huì)被氧化。,研究表明，鋼在560以下加熱時(shí)，表面氧化膜由兩層構(gòu)成： Fe2O3|Fe3O4|基體 由于這種氧化膜結(jié)構(gòu)致密，且與基體結(jié)合

4、牢固，可使鋼表面與氧化性氣氛隔離，阻止鋼表進(jìn)一步氧化，此時(shí)可以不考慮防止氧化的問(wèn)題。,氧化, 氧化,14,在560以上加熱時(shí)，表面氧化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，此時(shí)的氧化膜由三層構(gòu)成： Fe2O3|Fe3O4|FeO|基體。其厚度比為110100，實(shí)際上主要由FeO組成。,FeO是缺位固溶體，結(jié)構(gòu)疏松，與基體結(jié)合不牢，易剝落，所以這種氧化膜不起防護(hù)作用，氧很容易穿過(guò)氧化膜向里氧化。 因而鋼鐵表面一旦生成FeO，就會(huì)使氧化速度大大增加，且溫度越高，氧化越厲害。,15,在800950下較長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)，在介質(zhì)中的O2和CO2除了進(jìn)行表面氧化之外，還沿著奧氏體晶界向里擴(kuò)散，從而發(fā)生鋼的內(nèi)氧化。 當(dāng)鋼中含有Cr

5、、Si、Ti、Al等合金元素時(shí)，它們與氧的結(jié)合能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵，因此優(yōu)先被氧化，沿奧氏體晶界生成氧化物，使晶界附近合金濃度降低，奧氏體穩(wěn)定性變小，淬火時(shí)便會(huì)沿晶界形成屈氏體。,加熱介質(zhì)中，O2、CO2和H2O等都會(huì)使鋼氧化。,16,氧化對(duì)性能的影響,氧化的防止辦法,17,鋼在脫碳性氣氛中加熱時(shí)，其表面層中的固溶碳與氣氛中的O2、CO2、H2O和H2等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氣體逸出鋼外，導(dǎo)致脫碳：,脫碳最嚴(yán)重時(shí)，可使表面變成鐵素體，淬火后硬度降低，疲勞強(qiáng)度下降。, 脫碳,18,組織結(jié)構(gòu) 全脫碳層：全部晶粒 半脫碳層：表面C%平均C% 對(duì)性能的影響 機(jī)械性能下降（強(qiáng)度、硬度、耐磨性） 脫碳層具有殘余拉應(yīng)

6、力，易出現(xiàn)淬火裂紋,表面脫碳后，內(nèi)層的碳便向表面擴(kuò)散，這樣就使脫碳層逐漸加深。加熱時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳層越深。 脫碳實(shí)質(zhì)上也是氧化過(guò)程，當(dāng)爐溫在700850下存在大量脫碳?xì)夥諘r(shí)容易發(fā)生。因此，防氧化的措施同樣適用于防止脫碳。,19, 欠熱,由于加熱溫度過(guò)低或加熱時(shí)間過(guò)短，造成奧氏體化不完全的缺陷，稱(chēng)為欠熱，也叫加熱不足。,欠熱,亞共析鋼 淬火,過(guò)共析鋼 淬火,正火,球化 退火,組織中會(huì)殘存粗大的片狀P,20,造成欠熱的原因, 過(guò)熱,鋼的過(guò)熱指的是加熱溫度比正常溫度偏高，導(dǎo)致鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。,后果是：塑性、韌性、強(qiáng)度降低； 變形加大； 還可能導(dǎo)致熱處理裂紋、使工件報(bào)廢。,補(bǔ)救措

7、施：過(guò)熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細(xì)化。,21,造成過(guò)熱的原因, 過(guò)燒,是加熱溫度太高而達(dá)到固相線(xiàn)溫度，奧氏體晶界或部分晶界氧化甚至熔化的現(xiàn)象。,后果是：處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂，過(guò)燒的工件只能報(bào)廢。,造成原因：主要是設(shè)備失靈，或者操作不當(dāng)；火焰爐加熱時(shí)局部溫度過(guò)高也會(huì)造成過(guò)燒。,22,8.2 鋼的退火,將金屬加熱到一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。, 降低硬度，提高塑性； 細(xì)化晶粒，消除組織缺陷 ； 消除內(nèi)應(yīng)力 ； 為淬火作好組織準(zhǔn)備 。,退火應(yīng)用非常廣泛：在工模具或機(jī)械零件等的制造過(guò)程中，經(jīng)常作為預(yù)備熱處理安排在鑄鍛焊之后，切

8、削(粗)加工之前，用以消除前一道工序所帶來(lái)的某些缺陷，并為隨后的工序做好準(zhǔn)備。,23,退火,24, 擴(kuò)散退火(均勻化退火), 概念： 把合金鋼鑄錠或鑄件加熱到 Ac3150300(一般碳鋼11001200，合金鋼11501250)，保溫十幾幾十h(一般以25mm截面厚度1h計(jì)算)后緩慢冷卻，以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。, 目的： 消除結(jié)晶過(guò)程中的枝晶偏析，使成分均勻化。,25, 適用范圍： 主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件, 注意事項(xiàng)： 高溫?cái)U(kuò)散退火生產(chǎn)周期長(zhǎng)，能量消耗大，工件氧化、脫碳嚴(yán)重，成本很高； 尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因偏析程度較輕，可采用完全退火來(lái)細(xì)化晶粒、消

9、除鑄造應(yīng)力； 由于加熱溫度高、時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)引起A晶粒嚴(yán)重粗化，因此一般還需要進(jìn)行一次完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過(guò)熱缺陷。,26, 概念： 將亞共析鋼(0.30.6C)加熱到Ac3+(3050)，完全A化后保溫緩冷(隨爐、埋入砂、石灰中)，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝。, 完全退火,目的： 細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性能。,27,完全退火采用隨爐緩冷，可以保證先共析F的析出和過(guò)冷A在Ar1以下較大溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)镻。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，為了提高生產(chǎn)率，退火冷卻至 600左右即可出爐空冷。 保溫時(shí)間：不僅要使工件燒透，而且要保證全部奧氏體均勻化，達(dá)到完全重結(jié)晶。 保

10、溫時(shí)間：與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關(guān)，一般以25mm截面厚度1h計(jì)算 。,工藝, 適用范圍 中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等,28,低碳鋼和過(guò)共析鋼不宜采用完全退火；,注意事項(xiàng),完全退火消除粗大晶粒及魏氏組織過(guò)程示意圖,29,對(duì)于亞共析鋼，原始組織細(xì)小時(shí)，可用不完全退火代替完全退火，消除內(nèi)應(yīng)力。, 不完全退火,將鋼不完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻的退火工藝,工藝： 亞共析：AC1 AC3 過(guò)共析：AC1 ACcm,用途：,主要用于過(guò)共析鋼，改善珠光體組織，降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力；,30,低溫球化：AC1 1030 幾十一百小時(shí) 緩冷球化：AC1 1020 等溫球化：AC1

11、 1020 Ar12030 爐冷至500600空冷, 球化退火,使鋼中碳化物球狀化而進(jìn)行的退火工藝,工藝：,片P在退火時(shí)向粒P轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖,31,適用范圍： 主要用于共析鋼、過(guò)共析鋼的刃具、量具、模具等,32,過(guò)共析鋼中存在網(wǎng)狀二次滲碳體,33,冷卻速度和等溫溫度影響碳化物球化效果,34,定義：工件加熱到高于AC3(AC1)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，較快冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變某一溫度保持，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織的退火工藝 工藝： 亞共析：AC3 過(guò)共析：AC1Accm 等溫溫度： Ar13040 用途： 目的同于完全、不完全退火 優(yōu)點(diǎn)在于工藝周期短，截面組織比較均勻 適合于大件及合金鋼的退火, 等溫退火,3

12、5,工藝 溫度選擇在氫溶解度小、擴(kuò)散系數(shù)大的區(qū)域（C曲線(xiàn)鼻尖處）, 去氫退火,在奧氏體等溫分解過(guò)程中長(zhǎng)期保溫，以使鋼中固溶氫脫溶的退火工藝,應(yīng)用 一般用于大截面鍛、軋件，利用余熱在A1以下較高溫度長(zhǎng)時(shí)間保溫,36,工藝： TK150250； 鋼：600700； 鋁合金：350400, 再結(jié)晶退火,經(jīng)冷變形后金屬，加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時(shí)間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除加工硬化和殘余應(yīng)力的退火工藝,37,鋼和焊接件：500600； 鑄鐵：500550，超過(guò)550易造成P石墨化, 去應(yīng)力退火,為去除塑性變形加工、焊接等造成的應(yīng)力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。,工藝：,

13、將工件緩慢加熱到 Ac1以下100200保溫一定時(shí)間(13h)后，隨爐緩冷至200，再出爐冷卻。,38,消除鑄、鍛、焊件、冷沖壓件以及機(jī)加工工件中的殘余應(yīng)力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開(kāi)裂。,去應(yīng)力退火后應(yīng)注意緩冷，防止產(chǎn)生附加應(yīng)力，對(duì)于大截面零件尤為重要,注意事項(xiàng)：,適用范圍和目的：,39,常用退火工藝制度小結(jié),40,8.3 鋼的正火,共析鋼 S 、亞共析鋼F+S、過(guò)共析鋼Fe3CS, 概念,將鋼件加熱到Ac3 (或Accm )以上3050，保溫適當(dāng)時(shí)間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。, 目的,細(xì)化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。, 組織,41,保溫時(shí)間：和完全退火相同，應(yīng)以工件透燒為準(zhǔn)

14、，還應(yīng)考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。,冷卻方式：最常用的是空冷；對(duì)于大件也可采用吹風(fēng)、噴霧、調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度。, 正火工藝,加熱溫度：在Ac3 (或Accm )以上3050，含V、Ti、Nb強(qiáng)碳化物元素的鋼：100150。,42,中碳結(jié)構(gòu)鋼的鑄、鍛、軋件以及焊接件，在加熱加工后易出現(xiàn)晶粒粗大等過(guò)熱缺陷和帶狀組織。通過(guò)正火處理可以消除這些缺陷組織，達(dá)到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。, 應(yīng)用范圍, 調(diào)整硬度、改善鋼的切削加工性能,碳的含量低于0.25的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時(shí)易于“粘刀”，通過(guò)正火處理，使硬度提高，從而改善鋼的切削加

15、工性，提高刀具的壽命和工件的表面光潔程度。, 細(xì)化晶粒、均勻組織、消除熱加工缺陷,43,一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件，采用正火處理達(dá)到一定的綜合力學(xué)性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。, 消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火,過(guò)共析鋼在淬火之前要進(jìn)行球化退火，以便于機(jī)械加工并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過(guò)共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時(shí)，將達(dá)不到良好的球化效果，需要先通過(guò)正火處理消除網(wǎng)狀碳化物，然后再進(jìn)行球化退火。, 提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能,44,正火的冷卻速度比退火稍快，過(guò)冷度較大，發(fā)生的是偽共析轉(zhuǎn)變； 正火后所得到的組織比較細(xì)，強(qiáng)度和硬度比退火高一些。,8.4 退火

16、和正火的選擇,從實(shí)質(zhì)上來(lái)看，正火是退火的一種特殊形式。,退火：是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間后緩慢冷卻的熱處理工藝。 正火：是將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。,退火與正火的主要區(qū)別,45,正火的冷卻速度比退火稍快，較快的冷卻速度可以防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，從而提高沖壓件的冷變形性能； 用正火可以提高鋼的硬度，改善低碳鋼的切削加工性能； 在沒(méi)有其它熱處理工序時(shí)，用正火可以細(xì)化晶粒，提高低碳鋼強(qiáng)度。,退火與正火的選擇,含碳量0.25的低碳鋼，常采用正火代替退火,46,雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進(jìn)行切削加工，而且正火成本低、生產(chǎn)率高, 含碳量在 0.250.5之間的中碳鋼也可用正火代替退火,因含碳量較高，正火后的硬度顯著高于退火的情