模具零件熱處理課件

第三節(jié)鋼的熱處理及表面處理

一、概述二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?nèi)?、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變四、鋼的退火與正火五、鋼的淬火六、鋼的淬透性七、鋼的回火八、鋼的表面淬火九、鋼的化學(xué)熱處理2023/7/26一、概述

1、鋼的熱處理鋼的熱處理是指在固態(tài)下通過(guò)對(duì)鋼進(jìn)行不同的加熱、保溫、冷卻來(lái)改變鋼的內(nèi)部組織，從而獲得所需要性能的一種工藝。

鋼的熱處理工藝圖2023/7/26一、概述

2、鋼的熱處理分類

根據(jù)工藝方法來(lái)分：1）普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）2）表面熱處理（火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光加熱表面淬火等）3）化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮、滲其它元素等）2023/7/26根據(jù)熱處理在零件加工中的作用分：1）預(yù)先熱處理（退火、正火）：為機(jī)械零件切削加工前的一個(gè)中間工序，以改善切削加工性能及為后續(xù)作組織準(zhǔn)備。2）最終熱處理（淬火、回火）：獲得零件最終使用性能的熱處理。一、概述

2、鋼的熱處理分類

2023/7/26一、概述

3、過(guò)熱度和過(guò)冷度

平衡態(tài)相變線

A1、A3、Acm加熱（過(guò)熱度）Ac1、Ac3、Accm冷卻（過(guò)冷度）Ar1、Ar3、Arcm

加熱和冷卻時(shí)相圖上臨界點(diǎn)位置2023/7/26二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、奧氏體的形成

奧氏體化——若加工溫度高于相變溫度的鋼，在加熱和保溫階段，將發(fā)生室溫下的組織向A的轉(zhuǎn)變，稱為奧氏體化。2023/7/26二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、奧氏體的形成

☆共析鋼加熱到Ac1點(diǎn)相變溫度P（F+Fe3C）A☆?yuàn)W氏體形成的四個(gè)步驟：1）奧氏體晶核的形成；A晶核通常在珠光體中F和Fe3C相界處產(chǎn)生；2）奧氏體晶核長(zhǎng)大；3）殘余滲碳體的溶解；4）奧氏體的均勻化共析鋼的奧氏體形成過(guò)程示意圖2023/7/26二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

1、奧氏體的形成

亞共析鋼——加熱到Ac3以上；過(guò)共析鋼——理論上應(yīng)加熱到Accm以上，但實(shí)際上低于Accm。因?yàn)榧訜岬紸ccm以上，滲碳體會(huì)全部溶解，奧氏體晶粒也會(huì)迅速長(zhǎng)大，組織粗化，脆性增加。加熱和冷卻時(shí)相圖上臨界點(diǎn)位置2023/7/26三、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

過(guò)冷奧氏體——在共析溫度（A1）以下存在的不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體，以符號(hào)A冷表示。隨著過(guò)冷度的不同，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生三種類型轉(zhuǎn)變：1）珠光體型轉(zhuǎn)變；2）貝氏體型轉(zhuǎn)變；3）馬氏體型轉(zhuǎn)變。2023/7/261、珠光體組織形態(tài)及性能三、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變2、馬氏體組織形態(tài)和性能3、貝氏體組織形態(tài)和性能2023/7/261、珠光體組織形態(tài)及性能

（1）珠光體組織形態(tài)☆過(guò)冷奧氏體在A1

~550℃溫度范圍內(nèi)將轉(zhuǎn)變成珠光體類型組織。該組織均為鐵素體與滲碳體層片相間的機(jī)械混合物。這類組織可細(xì)分為：產(chǎn)物名稱轉(zhuǎn)變溫度層片間距

硬度（HBS）珠光體PA1~600℃

＞0.4μm~200索氏體S650℃~600℃0.4~0.2~300屈氏體T600℃~550℃＜0.2μm~4002023/7/26

珠光體組織形態(tài)光學(xué)顯微鏡下形貌400×

1、珠光體組織形態(tài)及性能

（1）珠光體組織形態(tài)2023/7/26

索氏體組織形態(tài)電子顯微鏡下形貌400×

1、珠光體組織形態(tài)及性能

（1）珠光體組織形態(tài)2023/7/26

托氏體組織1、珠光體組織形態(tài)及性能

（1）珠光體組織形態(tài)2023/7/26典型的擴(kuò)散相變：1）碳原子和鐵原子遷移；2）晶格重構(gòu)。珠光體轉(zhuǎn)變過(guò)程示意圖1、珠光體組織形態(tài)及性能

（2）珠光體的轉(zhuǎn)變過(guò)程2023/7/261、珠光體組織形態(tài)及性能

（3）珠光體的性能冷卻速度℃/min層片間距μm組織形態(tài)σMN/m2δ%HB≈1≈60≈600≈0.6-0.7≈0.35-0.5≈0.25-0.3粗珠光體珠光體索氏體≈550≈870≈1100≈5≈15≈10≈180≈220≈270共析鋼在不同冷卻速度下所得層片間距、組織形態(tài)與性能關(guān)系從表中可以看出，索氏體組織比珠光體細(xì)，所以前者比后者的強(qiáng)度、硬度大，屈氏體組織更細(xì)，因此其強(qiáng)度、硬度就更大(HB300-450)。2023/7/262、馬氏體組織形態(tài)和性能當(dāng)奧氏體以極大的冷卻速度過(guò)冷至Ms點(diǎn)以下，(對(duì)于共析鋼為230℃以下)時(shí)，將轉(zhuǎn)變成馬氏體類型組織。獲得馬氏體是鋼件強(qiáng)化的重要基礎(chǔ)。2023/7/262、馬氏體的組織形態(tài)和性能

（1）馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)馬氏體M是碳在α-Fe中的過(guò)飽和固溶體。馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，奧氏體中的C全部保留在馬氏體中。體心正方晶格

（a=b≠c）；c/a——正方度；M中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，其正方度越大，晶格畸變?cè)絿?yán)重，M的硬度也就越高。馬氏體晶格示意圖2023/7/26鋼中馬氏體組織形態(tài)主要有兩種類型:①板條狀馬氏體，也稱位錯(cuò)馬氏體；

（Wc<0.2%——板條狀馬氏體）②針片狀馬氏體，也稱孿晶馬氏體。（Wc>1%——針片狀馬氏體（2）馬氏體的組織形態(tài)2、馬氏體的組織形態(tài)和性能

（2）馬氏體的組織形態(tài)2023/7/26

板條馬氏體組織2、馬氏體的組織形態(tài)和性能

（2）馬氏體的組織形態(tài)2023/7/26

針狀馬氏體組織2、馬氏體的組織形態(tài)和性能

（2）馬氏體的組織形態(tài)2023/7/26主要特點(diǎn)：高硬度高強(qiáng)度——馬氏體強(qiáng)化的主要原因是過(guò)飽和碳原子引起的晶格畸變，即固溶強(qiáng)化。板條狀馬氏體塑性韌性較好；高碳片狀馬氏體的塑性韌性都較差。在保證足夠的強(qiáng)度和硬度的情況下，盡可能獲得較多的板條狀馬氏體。2、馬氏體的組織形態(tài)和性能

（3）馬氏體的性能2023/7/263、貝氏體組織形態(tài)和性能◆過(guò)冷奧氏體在550℃~Ms點(diǎn)溫度范圍內(nèi)將轉(zhuǎn)變成貝氏體類型組織。貝氏體用符號(hào)字母B表示。根據(jù)貝氏體的組織形態(tài)可分為上貝氏體（B上）和下貝氏體（B下）。產(chǎn)物名稱轉(zhuǎn)變溫度組織形態(tài)上貝氏體B上550~350℃F（過(guò)飽和）+Fe3C（短棒狀）光學(xué)金相形貌為羽毛狀下貝氏體B下350℃~MsF（過(guò)飽和）+

ε碳化物光學(xué)金相形貌為竹葉狀2023/7/261）550~350℃——上貝氏體B上——羽毛狀——40~45HRC——脆性較大——基本上無(wú)實(shí)用價(jià)值；2）350℃~Ms——下貝氏體B下——黑色竹葉狀——45~55HRC——優(yōu)良的綜合力學(xué)性能——常用。3、貝氏體組織形態(tài)和性能2023/7/26四、鋼的退火與正火

1、退火和正火的主要目的1）調(diào)整硬度以便切削加工（170HBS~250HBS）；2）消除殘余應(yīng)力，防止變形、開(kāi)裂；3）細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能；4）為最終熱處理作組織準(zhǔn)備。

2023/7/262、退火◆將金屬加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋３忠欢〞r(shí)間，然后緩慢冷卻（爐冷）的熱處理工藝。◆退火根據(jù)鋼的成分和工藝目的不同，可分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火等。2023/7/261、退火

（1）完全退火（重結(jié)晶退火、普通退火）將鋼完全奧氏體化,隨之緩慢冷卻,獲得接近平衡組織的退火工藝。主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接件。加熱溫度Ac3+(30~50)℃Ac3+(30~50)℃時(shí)間溫度完全退火工藝曲線圖2023/7/261、退火

(2)球化退火（不完全退火）使鋼中碳化物球狀化，主要用于過(guò)共析鋼；目的在于降低硬度、改善切削加工性能，并為后續(xù)的淬火做組織準(zhǔn)備。得到的組織——粒狀P（F基體上彌散分布著顆粒狀滲碳體的組織）加熱溫度Ac1+(20~30)℃球化退火：是將共析鋼體或過(guò)共析鋼加熱到Ac1以上20~30℃，保溫一段時(shí)間，然后再緩慢冷卻到600℃以下，再出爐空冷的工藝。2023/7/261、退火

（3）等溫退火加熱到高于Ac3（或Ac1）溫度，保持適當(dāng)時(shí)間后，較快地冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度保持使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后在空氣中冷卻的退火工藝。對(duì)于亞共析鋼可代替完全退火，對(duì)于過(guò)共析鋼可代替球化退火。溫度空冷等溫退火工藝圖2023/7/26高速鋼的等溫退火與普通退火的比較1、退火

（3）等溫退火2023/7/261、退火

（4）去應(yīng)力退火（無(wú)相變退火）將工件加熱到Ac1以下某一溫度（500~650℃）保溫后隨爐冷卻到200~

300℃以下出爐空冷。主要用于消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，防止變形與開(kāi)裂。加熱溫度通常為

500℃~650℃2023/7/262、正火正火是將鋼加熱到Ac3（或Accm）以上(30~50)℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝，正火組織為索氏體；正火與退火的主要區(qū)別：1）冷卻速度不同；2）正火后的組織比較細(xì)，比退火強(qiáng)度、硬度有所提高，而且生產(chǎn)周期短，操作簡(jiǎn)單；過(guò)共析鋼正火后可消除網(wǎng)狀碳化物；低碳鋼正火后可顯著改善切削加工性能；正火是一種優(yōu)先采用的預(yù)先熱處理工藝。2023/7/26各種退火和正火加熱溫度范圍比較1）正火Ac3或Accm+(30~50)℃2）完全退火Ac3+(30~50)℃3）球化退火Ac1+(20~30)℃4）去應(yīng)力退火500℃~650℃各種退火及正火的加熱溫度范圍2023/7/26五、鋼的淬火淬火——將鋼加熱到Ac3或Ac1相變點(diǎn)以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以大于馬氏體臨界速度快速冷卻，從而獲得馬氏體或者貝氏體的熱處理工藝。淬火的主要目的——獲得具有高硬度、高耐磨性的馬氏體，為以后獲得各種力學(xué)性能的回火組織作準(zhǔn)備。2023/7/261）亞共析鋼Ac3+(30~50)℃（要完全奧氏體化）2）過(guò)共析鋼Ac1+(30~50)℃（是部分奧氏體化）3）合金鋼的淬火溫度允許比碳素鋼高，一般為臨界點(diǎn)以上（50~100）℃。碳素鋼淬火的加熱溫度范圍1、淬火溫度的選擇2023/7/262、淬火介質(zhì)理想的淬火冷卻速度，如圖所示。在C曲線“鼻尖”附近快冷，而在Ms點(diǎn)附近應(yīng)盡量慢冷。目前常用的冷卻介質(zhì)有：油、水、鹽水等，其冷卻能力依此增加。鋼的理想淬火冷卻速度2023/7/263、常用淬火方法1）單液淬火2）雙液淬火3）分級(jí)淬火4）等溫淬火

各種淬火方法示意圖1-單液淬火2-雙液淬火3-分級(jí)淬火3-等溫淬火2023/7/26六、

鋼的淬透性

1、淬透性的基本概念鋼的淬透性——是指在規(guī)定的條件下，鋼在淬火時(shí)能夠獲得淬硬層深度的能力。淬透性是鋼的一種熱處理工藝性能，與冷卻速度無(wú)關(guān)。淬透性也叫可淬性，它取決于鋼的淬火臨界冷卻速度（Vk）的大小。2023/7/26六、鋼的淬透性

2、淬透性對(duì)鋼力學(xué)性能的影響淬透性對(duì)鋼的力學(xué)性能有很大影響。淬透的工件，表里性能均勻一致；未淬透時(shí)，表里性能存在差異。淬透的工件經(jīng)調(diào)質(zhì)后由表及里都是回火索氏體，而未淬透的工件心部是片狀索氏體和鐵素體，尤其是韌性（ak)相差特別大。不同的零件對(duì)淬透性要求不一樣。如彈簧要求淬透，而齒輪即不要求淬透。2023/7/26六、鋼的淬透性

3、淬透性與淬硬層深度的關(guān)系在相同的條件下，鋼的淬透性越高，淬硬層深度就越大。工件的淬硬層深度除取決于鋼的淬透性外，還受淬火介質(zhì)和工件尺寸等外部因素的影響。2023/7/26六、鋼的淬透性

3、淬硬性與淬透性淬硬性是指鋼在正常淬火條件下，所能達(dá)到的最高硬度。是鋼的一種工藝性能。奧氏體中固溶的碳越多，淬硬性就越高。與合元素沒(méi)有多大關(guān)系。而淬透性與合金元素就有很大的關(guān)系。淬硬性高的鋼，其淬透性不一定高。2023/7/26七、鋼的回火淬火獲得的馬氏體組織脆性很大，一般須經(jīng)回火以改善其性能才能使用；回火是指將淬火后的鋼再加熱到不超過(guò)Ac1的溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。2023/7/261、回火的目的1）降低脆性，消除或減小內(nèi)應(yīng)力。防止工件變形或開(kāi)裂；2）獲得工件所要求的力學(xué)性能；3）穩(wěn)定工件尺寸；M+A殘

F+Fe3C（或碳化物）4）改善切削加工性能。2023/7/262、回火的種類及應(yīng)用（1）低溫回火（150~250℃）——回火馬氏體——58~64HRC；

降低殘余應(yīng)力和脆性，保持鋼在淬火后得到的高硬和高耐磨性；

應(yīng)用：切削刃具、量具、滾動(dòng)軸承等。2023/7/26（2）中溫回火（350~500℃）——回火屈氏體——35~45HRC；

獲得高屈服強(qiáng)度、彈性極限和較高的韌性。

應(yīng)用：彈簧、模具等。2、回火的種類及應(yīng)用2023/7/26（3）高溫回火（500~650℃）——回火索氏體——20~35HRC；

得到強(qiáng)度、塑性、韌性較好的綜合力學(xué)性能。

調(diào)質(zhì)處理淬火加高溫回火得到回火S的熱處理工藝。應(yīng)用：各種重要的結(jié)構(gòu)零件，如連桿、曲軸、等。2、回火的種類及應(yīng)用2023/7/26八、鋼的表面淬火表面淬火的目的：使零件表面獲得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持原來(lái)良好的韌性和塑性。表面淬火不改變表面化學(xué)成分，只改變其表面組織。含碳量在0.4%~0.5%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是最適宜于表面淬火。2023/7/261、感應(yīng)表面淬火（1）感應(yīng)加熱基本原理——采用電磁感應(yīng)方法使零件表面迅速加熱，然后迅速噴水冷卻的熱處理操作。（2）感應(yīng)加熱的頻率1）高頻200~300KHz；淬硬深度0.5~2.5mm小件；2）中頻2500~8000Hz；淬硬深度2~10mm尺寸較大的工件；3）工頻50Hz；淬硬深度10~20mm大型工件。2023/7/262、其它表面加熱淬火方法火焰加熱表面淬火——乙炔氧化焰直接噴射工件表面，使其快速加熱，當(dāng)達(dá)到淬火溫度時(shí)立即噴水冷卻，以獲得表面硬化效果的表面淬火工藝。激光表面淬火——利用激光對(duì)工件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，用高能量激光作熱源快速加熱鋼件表面，并自行冷卻使其淬火。特別適合局部淬火2023/7/26九、鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。化學(xué)熱處理可分為：滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲洛和滲鋁等。2023/7/26