机械制造技术第2版 任家隆 任近静第3章

1、第3章 钢的热处理及材料的表面工程,3.1 钢的热处理 3.1.1 钢的热处理原理 3.1.2 热处理方法及应用 3.2 材料的表面工程 3.2.1 概述 3.2.2 热喷涂技术 3.2.3 气相沉积技术 3.2.4 高能束表面改性,3.1 钢的热处理,钢的热处理是把固态下的钢，通过加热、保温和冷却，使其组织、结构发生变化，以获得所需性能的工艺方法。热处理可以是中间工序，也可以是最终工序。,3.1.1 钢的热处理原理,热处理：是指将钢在固态下加热、 保温和 冷却,以改变钢的组织结构，获得所需性能的一种工艺。 1. 钢在加热时的组织转变 （1）奥氏体的形成 （2）奥氏体晶粒的长大及其影响因素 2. 钢在冷却时的组织转变,3.1.1 钢的热处理原理,1.钢在加热时的组织转变(见图3-2) 加热是热处理的第一道工序，大多数热处理工艺都要把钢加热到临界温度之上，使钢在室温下的组织全部或部分转化为奥氏体，即奥氏体化。,1. 钢在加热时的组织转变,图3-2 加热和冷却时 相图上各临近点的位置,3.1.1 钢的热处理原理,1.钢在加热时的组织转变,（1）奥氏体的形成 奥氏体化的过程是通过形核与长大的

2、机制来完成的。形核与长大的过程是依靠铁原子和碳原子的扩散来实现的，属于扩散型相变（如图3-3）。,3.1.1 钢的热处理原理,3.1.1 钢的热处理原理,奥氏体晶核形成后，一方面不断合并其相邻的铁 素体,另一方面渗碳体又不断溶解于奥氏体中,使奥氏 体的相界面不断向渗碳体和铁素体中推移,使奥氏体晶 粒逐渐长大。同时,新的奥氏体晶核形成并长大，直到 铁素体首先消失, 此时珠光体已不复存在。,图3- 3 共析钢的奥氏体形成过程示意图 a) A 形核 b) A 长大 c) A 残余Fe3C溶液 d) A 均匀化,(2) 奥氏体晶粒的长大及其影响因素 一般晶粒越细，钢的塑性和韧性也越好。因此，钢在加热时对其性能影响最大的组织因素就是奥氏体晶粒的粗细。,3.1.1 钢的热处理原理,1）奥氏体晶粒度 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。 钢进行加热时，当珠光体刚刚全部转变为奥氏体时，在一般情况下，奥氏体晶粒是比较细小而均匀的，此时的晶粒大小称为奥氏体的起始晶粒度。 在某一具体的加热条件下所得到的奥氏体晶粒大小称为实际晶粒度。 用以表明奥氏体晶粒长大倾向的晶粒度称为本质晶粒度。,3.1.1 钢的热处理原理,通

3、常采用标准试验方法，即将钢加热到（93010），保温38h后测定奥氏体晶粒大小，如晶粒大小级别在14级，称为本质粗晶粒钢；如晶粒大小在58级，则称为本质细晶粒钢。,3.1.1 钢的热处理原理,晶粒度的测定方法：(93010)保温38h(100),本质粗,本质细,标准的晶粒度等级示意图,3.1.1 钢的热处理原理,晶粒度的控制 Al脱氧(本质细) Si/Mn脱氧(本质粗),3.1.1 钢的热处理原理,图3-4 奥氏体晶粒度随加热温度的变化,2）奥氏体晶粒长大及影响因素,加热温度。加热温度越高,晶粒长大速度越快, 奥氏体晶粒也越粗大, 热处理时必须规定合适的加热温度范围。 保温时间。随保温时间的延长, 晶粒不断长大, 但随保温时间的延长, 晶粒长大速度越来越慢, 且不会无限制地长大下去。,3.1.1 钢的热处理原理,加热速度。 加热速度越快，奥氏体化的实际温度越高，奥氏体的形核率大于长大速度，获得细小的起始晶粒。生产中常用快速加热和短时保温的方法来细化晶粒。 冶炼和脱氧条件。 冶炼时用铝脱氧，或加入Nb、Zr、V、Ti等强碳化物形成元素，形成难溶的碳化物颗粒,阻止奥氏体晶粒长大，在一定温度

4、下晶粒不易长大。,3.1.1 钢的热处理原理,含碳量的影响(有临界值)。随着奥氏体含碳量的增加，Fe、C原子的扩散速度增大，奥氏体晶粒长大的倾向增加。当超过奥氏体饱和碳浓度以后，由于出现了残余渗碳体，产生机械阻碍作用，使晶粒长大倾向减小。,3.1.1 钢的热处理原理,3.1.1 钢的热处理原理,2. 钢在冷却时的组织转变 钢加热到A1以上温度时，奥氏体是稳定的相，当重新冷却到Ar1以下时就成为不稳定的过冷奥氏体，将发生组织转变。 热处理中冷却方式有连续冷却和等温冷却两种形式。 连续冷却：置于某种介质中，温度连续下降。如水冷、油冷、空冷。 等温冷却：迅速冷却到Ar1以下某一温度，成为过冷奥氏体。 如等温退火、等温淬火。,3.1.1 钢的热处理原理,2. 钢在冷却时的组织转变 （1）奥氏体等温转变图（C曲线） 1）C曲线的建立 2）C曲线的分析 3）影响C曲线的因素 （2）奥氏体连续冷却时的转变 （3）奥氏体转变曲线的应用,(1)奥氏体等温转变图(C曲线)。在共析钢的等温 冷却C曲线中，会发生三种不同的组织变化, 如下图 所示。 Ms:上马氏体线 Mz:下马氏体线,3.1.1钢的热处理原理

5、,图3-5 共析钢奥氏体等温转变图,1)C曲线的建立。 曲线中，左边的曲线称为转变开始线, 右边的曲线称为转变终了线。,2)C曲线的分析。 转变开始线与纵坐 标之间的距离为孕 育期。孕育期最小 处称C 曲线的“鼻 尖”。碳钢鼻尖处 的温度为550。孕 育期越小,过冷奥氏 体稳定性越小。,在鼻尖以上, 温度 较高,相变驱动力小。 在鼻尖以下,温度较 低,扩散困难。从而使 奥氏体稳定性增加。 C曲线明确表示了过 冷奥氏体在不同温度 下的等温转变产物。,3.1.1 钢的热处理原理,在正常加热条件下,亚共析钢的C曲线随碳的质量分数 增加向右移动，而过共析钢的C曲线随碳的质量分数向左 移。故在碳素钢中, 共析钢的过冷奥氏体最稳定。,3）影响C 曲线的因素。,3.1.1 钢的热处理原理,(2)奥氏体连续冷却时的转变 Vk线表示得到全部珠光体的最 大冷速； Vk线是得到马氏体的最小速度。,3.1.1 钢的热处理原理,图3-7 奥氏体连续冷却转变图,（3）奥氏体等温转变图的应用 1）奥氏体等温转变图的应用。根据零件使用性能的要求, 选用零件所用钢的种类,当确定采用等温冷却热处理工艺时，可以查阅C曲线,

6、找到所需性能要求应选择的等温温度和等温时间。 2）连续冷却转变曲线的应用。对普通退火、正火、油淬及水淬等需要连续冷却的热处理过程，都可以根据该钢的连续冷却转变曲线来制订热处理工艺。从曲线上可以直接看到所得到的组织和硬度，应用十分方便。,3.1.1 钢的热处理原理,3.1.2 热处理方法及应用,1. 热处理工艺 （1）钢的退火和正火 1）退火 2）正火 （2）钢的淬火和回火 1）淬火 2）回火 （3）钢的表面处理 1）表面淬火 2）化学热处理 2. 热处理工艺与机械零件结构工艺性,（1）钢的退火和正火 退火和正火主要用于预备热 处理,只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。 调整硬度以便进行切削加工。 消除残余内应力。 细化晶粒，改善组织，提高力学性能。 为最终热处理做好组织上的准备。,机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）预备热处理机加工最终热处理。,1. 热处理工艺,3.1.2 热处理方法及应用,真空退火炉,1)退火 将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却 (炉冷) 的热处理工艺称为退火。 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、均匀化退火、去应力退火、再结晶退火等。

7、,3.1.2 热处理工艺方法及应用,完全退火。 将工件加热到Ac3(3050)保温 后缓冷的退火工艺，主要用于亚共析钢。,3.1.2 热处理方法及应用,等温退火。亚共 析钢加热到Ac3+(30 50),共析、过共析 钢加热到Ac1+(30 50),保温后快冷到 Ar1以下的某一温度 下停留,待相变完成 后出炉空冷。等温退 火可缩短工件在炉内 停留时间，更适合孕 育期长的合金钢。,3.1.2 热处理方法及应用,图3-9 高速工具钢等温退火与完全退火的比较,球化退火。球化退火 是将钢中渗碳体球状化 的退火工艺。 它是将工件加热到 Ac1+(30-50) 保温后 缓冷,或者加热后冷却到 略低于 Ar1 的温度下保 温,使珠光体中的渗碳体 球化后出炉空冷。球化 退火主要用于共析、过 共析钢。,3.1.2 热处理方法及应用,球状珠光体,球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织, 称球状珠光体, 用P球表示。 对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火,以消除网状二次渗碳体。,3.1.2 热处理方法及应用,均匀化退火。用以消除铸钢及锻轧件中的某 些具有化学成分偏析。其工艺过

8、程是：将铸件加 热到略低于固相线的温度，长时间保温(10 20h) ，缓慢冷却。随后经完全退火来细化晶粒。 低温退火。即去应力退火。这是为了去除工 件内存在的残余应力，稳定尺寸，防止工件在后 续工序中变形开裂而进行的退火。 其工艺过程 是:将钢件加热至Ar1以下某一温度,保温后随炉 缓慢冷却到160以下空冷。 一般去应力退火应 在精加工之前或淬火之后。,3.1.2 热处理方法及应用,2）正火 正火是将亚共 析钢加热到Ac3+(3050)， 共析钢加热到Ac1+(30 50),过共析钢加热到 Accm+(3050) 保温后空 冷的工艺。 正火比退火冷却速度快。 正火后的组织:0.6%C时, 组织为F+S； 0.6%C时,组织 为S。,正火温度,3.1.2 热处理方法及应用,（2）钢的淬火和回火 1)淬火。将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间后快速冷却到室温的热处理工艺称为淬火。淬火的目的：获得高硬度的马氏体组织，以提高钢的硬度和耐磨性，常用于各种刃具、量具、模具和滚动轴承等。 常用淬火分单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火等。,3.1.2 热处理方法及应用,碳钢 对于亚共

9、析钢，淬火 温度为Ac3+30-50。 淬火组织: Wc0.5%时为M Wc 0.5%时为M+A 亚温淬火:Ac1 Ac3之间 的加热淬火。 亚温淬火组织:为F+M, 强、硬度低，但塑、韧性好。,图3-10 碳素钢的淬火加热温度范围,3.1.2 热处理方法及应用,对于共析钢,淬火温度为Ac1+(30-50)；淬火 组织为M+A。 对于过共析钢，淬火温度: Ac1+(30-50)。 温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高,淬 火后马氏体晶粒粗大、A量增多。使钢硬度、耐磨 性下降, 脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织为 M+Fe3C颗粒+A(预备组织为P球)。 对于合金钢，由于多数合金元素(Mn、P除外) 对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温 度比碳素钢高。,3.1.2 热处理方法及应用,几种碳素钢材料被淬火后的组织,3.1.2 热处理方法及应用,理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷,而在Ms附近尽量缓冷,以达到既获得马氏体组织、又减小内应力的目的。但 目前还没有找到理想的 淬火介质。 常用淬火介质是水 和油。水的冷却速度快 、冷却能力强,只适用 于形状简单的碳钢件。,3.1.2 热处理方法及应用,图3-11 理想的淬火冷却曲线,3.1.2 热处理方法及应用,采用不同的淬火方 法可弥补介质的不足。 单液淬火 。是指 将淬火加热的工件放 入一种淬火介质中,连 续冷却到室温的方法。,3.1.2 热处理方法及应用,图3-11 理想的淬火冷却曲线 1-单液淬火 2-双液淬火 3-分级淬火 4-等温淬火,双液淬火。工件先在一种冷却能力强的介质中冷却,躲过鼻尖后, 再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷、油淬空冷。 双液淬火的优点是冷却理想，缺点是不易掌握；用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。,3.1.2 热处理方法及应用,分级淬火。在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火, 待内外温度均匀后再取出缓冷。分级淬火可减 少内应力，用于小尺寸工件。,盐浴炉,3.1.2 热处理方法及应用,等温淬火。将工件在 稍高于

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