熱處理原理與工藝(10)

1、熱處理原理與工藝熱處理原理與工藝材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平 第十章第十章 特種熱處理特種熱處理10-110-1表面熱處理表面熱處理10-210-2形變熱處理形變熱處理10-310-3鋼的時(shí)效鋼的時(shí)效熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理 表面熱處理是強(qiáng)化鋼件表面的重要手段，由于其工藝簡單、表面熱處理是強(qiáng)化鋼件表面的重要手段，由于其工藝簡單、熱處理變形小和生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)上應(yīng)用極為廣泛。各熱處理變形小和生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)上應(yīng)用極為廣泛。各種齒輪、凸輪、曲軸頸、頂桿、閥門、套筒及軋輥等工件，經(jīng)

2、種齒輪、凸輪、曲軸頸、頂桿、閥門、套筒及軋輥等工件，經(jīng)常采用表面熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。常采用表面熱處理進(jìn)行強(qiáng)化。 表面熱處理主要時(shí)通過快速加熱與立即淬火相結(jié)合的方法來表面熱處理主要時(shí)通過快速加熱與立即淬火相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的，即利用快速加熱使鋼件表面很快達(dá)到淬火溫度，而不實(shí)現(xiàn)的，即利用快速加熱使鋼件表面很快達(dá)到淬火溫度，而不等熱量傳到中心，即迅速冷卻，這樣，只使表層被淬硬為馬氏等熱量傳到中心，即迅速冷卻，這樣，只使表層被淬硬為馬氏體，而中心仍為未淬火組織。體，而中心仍為未淬火組織。 與化學(xué)熱處理不同，表面熱處理不改變零件表面的化學(xué)層成與化學(xué)熱處理不同，表面熱處理不改變零件表面的化學(xué)層成分，而是依靠使

3、零件表層快速淬火來達(dá)到強(qiáng)化表面的目的。分，而是依靠使零件表層快速淬火來達(dá)到強(qiáng)化表面的目的。 根據(jù)加熱方法的不同，表面熱處理主要可分為：感應(yīng)加熱表根據(jù)加熱方法的不同，表面熱處理主要可分為：感應(yīng)加熱表面熱處理、火焰加熱表面熱處理、電接觸加熱表面熱處理和激面熱處理、火焰加熱表面熱處理、電接觸加熱表面熱處理和激光加熱表面熱處理等。其中，工業(yè)中應(yīng)用普遍的是感應(yīng)加熱表光加熱表面熱處理等。其中，工業(yè)中應(yīng)用普遍的是感應(yīng)加熱表面熱處理和火焰加熱表面熱處理。面熱處理和火焰加熱表面熱處理。 熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理一、感應(yīng)加熱表面熱處理一、感應(yīng)加熱表面熱處理1

4、、特點(diǎn)：、特點(diǎn)： 1)加熱速度快，轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，轉(zhuǎn)變所加熱速度快，轉(zhuǎn)變溫度升高，轉(zhuǎn)變溫度范圍擴(kuò)大，轉(zhuǎn)變所需時(shí)間縮短；需時(shí)間縮短； 2)可在工件表層得到極細(xì)的可在工件表層得到極細(xì)的“隱晶馬氏體隱晶馬氏體”組織，使表層具組織，使表層具有比普通淬火稍高的硬度有比普通淬火稍高的硬度(高高23HRC)和較低的脆性，并具有和較低的脆性，并具有較高的疲勞強(qiáng)度較高的疲勞強(qiáng)度 3)工件不易氧化和脫碳工件不易氧化和脫碳,變形小。變形小。 4)淬硬層深度易控制淬硬層深度易控制,淬火操作容淬火操作容 易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。 其主要缺點(diǎn)是：設(shè)備昂貴其主要缺點(diǎn)是：設(shè)備昂貴,維修、維

5、修、調(diào)整比較困難調(diào)整比較困難,形狀復(fù)雜的零件感應(yīng)形狀復(fù)雜的零件感應(yīng)器不易制造。器不易制造。熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理2、基本原理：、基本原理： 交變電流交變電流交變磁場交變磁場 感應(yīng)電感應(yīng)電流流發(fā)熱發(fā)熱。 集膚效應(yīng)集膚效應(yīng):表層電流密度大表層電流密度大, 心部小心部小, 且隨電流頻率的增大而增大。且隨電流頻率的增大而增大。 電流透入深度電流透入深度： (mm) (頻率選擇：頻率選擇： ) 零零件件)exp(0 xfcJJX fx 50300 則則）則則）21f HzHzHzk500100800050050高高頻頻：中中頻頻：工工頻頻：感應(yīng)加

6、熱示意圖感應(yīng)加熱示意圖a)高頻淬火：頻率在高頻淬火：頻率在100500kHz之間，常用之間，常用250kHz，表面淬，表面淬 硬層較淺硬層較淺(一般為一般為11.5mm)，常用于較小零件的，常用于較小零件的 表面淬火。表面淬火。b)中頻淬火：頻率在中頻淬火：頻率在0.510kHZ之間之間,常用常用2.5kHz及及8kHz,用于用于 較大零件的表面淬火較大零件的表面淬火(一般淬硬層深一般淬硬層深28mm)及穿及穿 透加熱。透加熱。c)工頻淬火：電流頻率為工頻淬火：電流頻率為50Hz稱為，用于大型工件的表面淬火稱為，用于大型工件的表面淬火 及穿透加熱。及穿透加熱。熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張

7、張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理45鋼高頻淬火后各區(qū)域的顯微組織鋼高頻淬火后各區(qū)域的顯微組織 500熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理4、高頻感應(yīng)表面淬火工藝的制定、高頻感應(yīng)表面淬火工藝的制定 1)加熱溫度和加熱速度的確定：加熱溫度和加熱速度的確定： 加熱速度：加熱速度：主要影響臨界溫度；主要影響臨界溫度； 表面硬度要求：表面硬度要求：所選加熱溫度應(yīng)在能獲得最高硬度的溫度所選加熱溫度應(yīng)在能獲得最高硬度的溫度 范圍范圍; 淬火層要求的組織：淬火層要求的組織：一般最高硬度與最理想的組織所對應(yīng)一般最高硬度與最理想的組織所對應(yīng) 的加熱溫度一致

8、的加熱溫度一致; 原始組織：原始組織：原始組織不均勻，加熱溫度應(yīng)提高。原始組織不均勻，加熱溫度應(yīng)提高。 2)淬硬層深度及電流頻率的選擇：淬硬層深度及電流頻率的選擇：淬硬層深度的確定應(yīng)保證淬硬層深度的確定應(yīng)保證 零件在允許磨損的深度內(nèi)零件在允許磨損的深度內(nèi) 有足夠高的硬度和耐磨性。有足夠高的硬度和耐磨性。 3)單位表面功率和加熱時(shí)間的確定單位表面功率和加熱時(shí)間的確定：它直接決定了零件的加它直接決定了零件的加 熱速度，單位表面功率熱速度，單位表面功率 越大，加熱速度越快。越大，加熱速度越快。 以單位表面功率以單位表面功率P=0.31.5kW/cm2為宜為宜。 熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍

9、劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理在實(shí)際操作中還應(yīng)注意加熱方式的選用。在實(shí)際操作中還應(yīng)注意加熱方式的選用。 4)冷卻：冷卻：以水為主，其次使油、乳化液或其它介質(zhì)。以水為主，其次使油、乳化液或其它介質(zhì)。 5)回火：回火：目的是減小內(nèi)應(yīng)力，并達(dá)到所要求的機(jī)械性能。目的是減小內(nèi)應(yīng)力，并達(dá)到所要求的機(jī)械性能。5、材料、材料 碳含量為碳含量為0.4%0.5%的中碳鋼和球墨鑄鐵。的中碳鋼和球墨鑄鐵。 同時(shí)加熱淬火法同時(shí)加熱淬火法 連續(xù)加熱淬火法：連續(xù)加熱淬火法： 無附加噴水圈無附加噴水圈 有附加噴水圈有附加噴水圈熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-110-1表面熱處理表面熱處理二、激

10、光熱處理二、激光熱處理1、激光的原理、特性和加熱金屬的熱學(xué)分析、激光的原理、特性和加熱金屬的熱學(xué)分析 1)激光的原理和特性：激光的原理和特性： 激光的原理：激光的原理： 激光的特性：激光的特性：高方向性；高亮度性；高單色性。高方向性；高亮度性；高單色性。 2)激光加熱金屬的熱學(xué)分析激光加熱金屬的熱學(xué)分析 最小光斑直徑和集束光的強(qiáng)度：最小光斑直徑和集束光的強(qiáng)度：d = f；F=4P/d2 激光照射時(shí)材料溫度的變化：激光照射時(shí)材料溫度的變化：I=(1-)Fe-eZ 反射率的影響和利用：反射率的影響和利用：2、激光熱處理的工藝及其優(yōu)點(diǎn)、激光熱處理的工藝及其優(yōu)點(diǎn)熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍

11、平平10-210-2形變熱處理形變熱處理一、形變熱處理的分類和應(yīng)用一、形變熱處理的分類和應(yīng)用1、相變中形變的形變熱處理、相變中形變的形變熱處理 等溫形變熱處理等溫形變熱處理 馬氏體相變中形變馬氏體相變中形變熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-210-2形變熱處理形變熱處理2、相變前形變的形變熱處理、相變前形變的形變熱處理 高溫形變熱處理高溫形變熱處理 高溫形變淬火高溫形變淬火 高溫形變等溫淬火高溫形變等溫淬火 低溫形變熱處理低溫形變熱處理 低溫形變淬火低溫形變淬火 低溫形變等溫淬火低溫形變等溫淬火高溫形變高溫形變 淬火淬火高溫形變高溫形變 正火正火高溫形變高溫形變等溫等溫淬火淬火

12、低溫形變低溫形變淬火淬火低溫形變低溫形變等溫等溫淬火淬火熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-210-2形變熱處理形變熱處理3、相變后形變的形變熱處理、相變后形變的形變熱處理 回火馬氏體的形變時(shí)效：回火馬氏體的形變時(shí)效： 珠光體的溫加工：珠光體的溫加工： 珠光體的冷變形：珠光體的冷變形： 熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-210-2形變熱處理形變熱處理二、形變熱處理強(qiáng)韌化的機(jī)理二、形變熱處理強(qiáng)韌化的機(jī)理1、顯微組織細(xì)化、顯微組織細(xì)化2、位錯密度和亞結(jié)構(gòu)的變化、位錯密度和亞結(jié)構(gòu)的變化3、碳化物的彌散強(qiáng)化、碳化物的彌散強(qiáng)化三、影響形變熱處理強(qiáng)韌化效果的工藝因素三、影響形

13、變熱處理強(qiáng)韌化效果的工藝因素1、形變溫度、形變溫度2、形變量、形變量3、形變后淬火前的停留時(shí)間、形變后淬火前的停留時(shí)間熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-310-3鋼的時(shí)效鋼的時(shí)效一、時(shí)效過程的一般原理一、時(shí)效過程的一般原理 1)發(fā)生時(shí)效的條件：發(fā)生時(shí)效的條件： 溶質(zhì)原素在固溶體中應(yīng)溶質(zhì)原素在固溶體中應(yīng)具有一定的固溶度，并隨溫具有一定的固溶度，并隨溫度的降低而減?。欢鹊慕档投鴾p?。?經(jīng)高溫固溶處理后溶質(zhì)經(jīng)高溫固溶處理后溶質(zhì)元素處于過飽和狀態(tài)；元素處于過飽和狀態(tài)； 在較低溫度在較低溫度(室溫或高于室溫或高于室溫室溫)下，溶質(zhì)原子仍具有一下，溶質(zhì)原子仍具有一定的擴(kuò)散能力；定的擴(kuò)散能力

14、； 2)過程：過程： G.P.I區(qū)的形成區(qū)的形成G.P.II區(qū)區(qū)()的形成的形成的形成的形成平衡相的形平衡相的形成成固溶處理后時(shí)效的工固溶處理后時(shí)效的工 藝過程示意圖藝過程示意圖熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-310-3鋼的時(shí)效鋼的時(shí)效Al-Cu合金析出順序的原子模型合金析出順序的原子模型 A原子原子 B原子原子G.P.I區(qū)形成區(qū)形成G.P.II區(qū)形成區(qū)形成形成形成形成形成熱熱處處理理原原理理與與工工藝藝張張劍劍平平10-310-3鋼的時(shí)效鋼的時(shí)效二、影響時(shí)效的因素二、影響時(shí)效的因素1、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間、時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間2、碳及合金元素、碳及合金元素3、固溶處理后、時(shí)效前的冷變形、固溶處理后、時(shí)效前的冷變形三、低碳鋼的形變時(shí)效三、低碳鋼的形變時(shí)效 對低碳鋼，即使從高溫狀