轴承知识：钢的热处理

钢的热处理

                                                             §1 概述

          一 钢的热处理: 把钢在固态下加热到一定的温度进行必要的保温,并以适当的速度冷却到室温,以改变钢的内部组织,从而得到所需性能的工艺方法

* 只改变组织和性能,而不改变其形状和大小.热处理是改善材料性能的重要手段之一,能提高产品质量,延长机件寿命,节约金属材料,所以,重要机件都要经过热处理.

(提问:前面学过的改善金属材料性能的手段—固溶强化)

热处理工艺曲线: 各种热处理都可以用温度—时间的坐标图形表示.

应用广泛:机械制造业中70%零件需热处理.汽车  拖拉机 制造业70~80%

         量具  刃具  模具 滚动轴承等100%

         二 目的

  1 冶金 锻 铸 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工艺性能.为后续加工(如机加)做好组织,性能,准备.      退火   正火

  2 是钢件的机械性能提高,达到钢件的最终使用性能指标,以满足机械零件或工具使用性能要求.    淬火+回火   表面淬火   化学处理

l             依据:状态图

                         §2 热处理过程中的组织转变

                     一 钢在加热时的组织转变

    1 临界温度:

   状态图上      A₁  :  共析线(P-A)

临界温度:    A₃  :  A析出F(F-A)         极缓慢冷却 

A_cm :  A 析出Fe₃C_Ⅱ(      )

实际加热临界温度  A_c1

A_c3                         A   “过热”

A_ccm

实际冷却临界温度  A_r1                                     P

A_r3                       A     析出F     “过冷”

A_rcm                                   析出Fe₃C_Ⅱ

     2组织转变

   1)    共析钢: P(F+Fe₃C)---A

(1) A晶核形成:F和Fe₃C界面上先形成A晶核

(因界面原子排列不规则,缺陷多,能量低)

(2) A晶核长大:F晶格转变,Fe₃C不断溶入A, A晶核不断生成,长大.F转变快, 先消失.

(3) 残余渗碳体的溶解:随保温时间加长, 残余Fe₃C逐渐溶入A

(4)A成分均匀化: A转变完成后,各处含C浓度不均匀,继续保温,C充分扩散,得到单一的均匀A

    这个过程是A重结晶的过程.

2)    亚共析钢:  F+P—Ac₁—F+A—Ac₃---A

3)    过共析钢:  P+ Fe₃C_Ⅱ--Ac₁—A+ Fe₃C_Ⅱ--Accm---A(晶粒粗化)

                 二 钢在冷却时的组织转变

(钢在室温时的机械性能不仅与加热,保温有关,与冷却过程也有关)

1 冷却方式

1)    连续冷却: 时加热到A的钢,在温度连续下降的过程中发生组织转变.

             水冷    油冷  空冷(正火)   炉冷(退火)

2)   

等温冷却: 使加热到A的钢,先以较快的速度冷却到Ar₁线下某一温度,成为过冷A,保温,使A在等温下发生组织转变,转变完,再冷却到室温.

        等温退火   等温淬火

           2 共析钢冷却时的等温转变

    以共析钢为例,进行一系列不同过冷度的等温冷却实验,可以测出过冷奥氏体在恒温下开始转变和转变终了的时间,画到”温度—时间”坐标系中,然后,把开始转变的时间和转变终了的时间分别连接起来,即得到共析钢的奥氏体等温转变曲线.又叫C曲线.

   1)    高温产物: 

Ar₁ ～650℃   P  层片较厚  500X  显微镜  HRC10-20

650～600℃  细珠光体  索氏体S   HRC25~35 层片较薄 800~1000X

600～550℃  极细珠光体  屈氏体T HRC30~40 层片极薄

l             a）以上三种均为F+ Fe₃C 层片相间的珠光体，只是层片厚度不同。

l             b）由于过冷度从小到大，原子活动能力由强到弱，致使析出的渗     碳体和铁素体层片越来越来薄。

l             c）珠光体层片越薄，塑变抗力越大，强，硬越大。

   2）中温产物

   550~350℃  上贝氏体  B_上 电镜下观察，渗碳体不连续，短杆状，分布于许多平行而密集的铁素体条之间。

350 ~ 230℃  下贝氏体  B_下 比B_上 有较高强、硬、韧、塑。片状过饱和F和其内部沉淀的碳化物组织（因为过饱和F有析出Fe₃C倾向，但过冷度太大，导致碳原子没能扩散超出F片，只是在片内沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）

   3）低温转变产物：

230 ~ -50℃    马氏体（M）+残余A   马氏体：过饱和的α固溶体“M”

             （由于温度低，原子活动能力低，晶格转变完成，但是，C原子不能从面心中扩散出来，仍留在体心中，形成过饱和α固溶体）

                ∵ 晶格严重畸形，∴ M硬↑ HRC65  塑 韧 →0

          3 共析钢连续冷却转变

  连续冷却可能发生几种转变，很复杂。

  共析钢连续冷却，只有珠光体转变区和马氏体转变区。

  珠光体转变区：三条线构成：开始，终了，终止线

冷却速度过“开始”“终了”线，组织为珠光体

冷却速度过“开始”“终止”线，组织为珠光体和马氏体

冷却速度不过珠光体区，则为M

§3 钢的热处理工艺

      热处理: 整体热处理: 退火  正火  淬火  回火

        表面热处理: 表面淬火  化学热处理—渗碳   渗氮

           一 退火

   将钢件加热到高于或低于钢的临界点,保温一定时间,随后在炉内或埋入导热性较差的介质中缓慢冷却,以获得接近平衡的组织,这种工艺叫—

目的: 1) 降低硬度—切削加工

         2)    细化晶粒,改善组织—提高机械性能

         3)    消除内应力—淬火准备

         4)    提高塑性,韧性—冷冲压, 冷拉拔

      1 完全退火:将钢加热到Ac₃以上30~50℃,保温一定时间后,缓慢冷却以获得接近平衡状态组织(P+F)的热处理工艺.

目的:通过完全重结晶,使锻,铸,焊件降低硬度,便于切削加工,同时可消除内应力,使A充分转变成正常的F和P.

应用: 亚共析钢

* 不能用于共析钢,∵在Accm以上缓冷,会析出网状渗碳体(Fe₃C_Ⅱ),脆性↑

      2 不完全退火:将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20~30℃,适当保温,缓慢冷却的热处理工艺--    又叫球化退火.

目的:使珠光体组织中的片状渗碳体转变为粒状或球状,这种组织能将低硬度,改善切削加工性.并为以后淬火做准备.减小变形和开裂的倾向.

应用:共析钢,过共析钢(球化退火)

      3 等温退火：将钢件加热到Ac3A（亚共析钢）或Ac1(共析钢或过共析钢)以上,保温后较快地冷却到稍低于Ar1的温度,再等温处理,A转变成P后,出炉空冷.

目的: 节省退火时间,得到更均匀的组织,性能.

应用: 合金工具钢,高合金钢

      4 去应力退火:将钢加热到Ac1以下某一温度(约500~650℃)保温后缓冷.

            (又叫低温退火)

目的:消除内应力

应用:铸,锻,焊

*不发生相变,重结晶         例子:杯裂

      5 再结晶退火:将钢件加热到再结晶温度以上150~250℃,即650~750℃,保温,空冷.

  目的: 发生再结晶,消除加工硬化.

  应用: 冷扎,冷拉,冷压等

     * 可能相变

     6 扩散退火: 均匀化退火,高温进行

  目的:消除偏析,应用:铸件

        二 正火

   钢件加热到Ac3(亚)或Accm(过共)以上30~50℃,保温,空冷

* 正火作用与退火相似,区别是正火冷速快,得到非平衡的珠光体组织,细化晶粒,效果好,能得到片层间距较小的珠光体组织.

与退火对比

实践表明:工件硬度HB170-230时,对切削有利

正火目的:1 提高机械性能

         2 改善切削加工性

         3 为淬火作组织准备—大晶粒易开裂

               对于过共析钢,正火能减少二次渗碳体的析出,使其不形成连续的网状结构,有利于缩短过共析钢的球化退火过程,经正火和球化退火的过共析钢有较高的韧性,淬火就不易开裂,用于生产过共析钢的工具的工艺路线:

    锻造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨

  低碳钢,正火代替退火,中C钢: 正火代调质(但晶粒不均)

                  三 淬火

将钢件加热到Ac3(亚)或Ac1(过)以上30-50℃,经过保温,然后在冷却介质中迅速冷却,以获得高硬度组织的一种热处理工艺.

目的:提高硬度,耐磨性

应用:工具,模具,量具,滚动轴承.

 组织:马氏体.下贝氏体

淬火冷却:决定质量,理想冷却速度两头慢中间快.减少内应力.

     1 常用淬火法:

   1)    单液淬火(普通淬火):在一种淬火介质中连续冷却至室温.如碳钢水冷

缺点: 水冷,易变形,开裂. 油冷:易硬度不足,或不均

优点: 易作,易自动化.

    2)    双液淬火:先在冷却能力较强的介质中冷却到300℃左右,再放入冷却到冷却能力较弱的介质中冷却,获得马氏体.

对于形状的碳钢件,先水冷,后空冷.

优点: 防低温时M相变开裂.

    3) 分级淬火:工件加热后迅速投入温度稍高于Ms点的冷却介质中,(如言浴火碱浴槽中)停2-5分(待表面与心部的温差减少后再取出)取出空冷.

  应用:小尺寸件(如刀具淬火) 防变形,开裂

  优点: 工艺理想,操作容易

  缺点: ∵在盐浴中冷却,速度不够大 ∴只适合小件

    4) 等温淬火:将加热后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中保温足够时间, 使其发生下贝氏体转变,随后空冷.

         应用: 形状复杂的小零件,硬度较高,韧性好,防变形,开裂.

    例子:螺丝刀(T7钢制造)

        用淬火+低温回火  HRC55, 韧性不够,扭10°时易断

        如用等温淬火, HRC55~58  韧性好, 扭90°不断

   等温淬火后如有残余A,需回火, A-F. 如没有残余A,不需回火

   缺点:时间长

           2 钢的淬透性与淬硬性

   淬透性:钢在淬火时具有获得淬硬层深度的能力.

   淬硬性:在淬火后获得的马氏体达到的硬度,它的大小取决于淬火时溶解在奥氏体中的碳含量.

                              四 回火

      将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,后冷却到室温的热处理工艺.

  目的:消除淬火后因冷却快而产生的内应力,降低脆性,使其具有韧性,防止变形,开裂,调整机械性能.

    1 低温回火:加热温度 150~250℃

组织: 回火马氏体—过饱和度小的α-固溶体,片状上分布细小ε-碳化物

目的: 消除内应力,硬度不降.HRC58~64

应用: 量具,刃具

      低碳钢: 高塑性,韧性,较高强度配合

     2 中温回火:加热温度 350~500℃

组织: 极细的球(粒)状Fe₃C和F机械混合物. (回火屈氏体)

目的:减少内应力,提高弹性,硬度略降.

应用:(0.45~0.9%)弹簧,模具  高强度结构钢

       3 高温回火:500~650℃

组织: 回火索氏体—较细的球(粒)状Fe₃C和F机械混合物.

目的: 消除内应力,较高韧性,硬度更低.

应用: 齿轮,曲轴,连杆等(受交变载荷)

淬火+高温回火---调质

                          五 表面淬火

        表面层淬透到一定深度而中心部仍保持原状态.

应用:既受摩擦,又受交变,冲击载荷的件.

目的:提高表面的硬度,有利的残余应力.

     提高表面耐磨性,疲劳强度

加热方法:1 火焰: 单间小批局部,质量不稳

              2 感应加热: 质量不稳

                          六 化学热处理

      工件放在某种化学介质中加热,保温,使化学元素渗入工件表面,改善工件表面性能.

 应用: 受交变载荷,强烈磨损,或在腐蚀,高温等条件下工作的工件.

渗C: 表面成高碳钢,细针状高碳马氏体(0.85~1.05%),心部又有高韧性的受力较大的齿轮,轴类件

 固体渗碳, 液体渗碳,气体渗碳(常用:渗碳剂如甲醇+丙酮 900~930℃)

如: 低碳钢,表层:P+Fe₃C_Ⅱ      内部:P+F

    热处理:淬火+低温回火 得到回火M(细小片状)+ Fe₃C_Ⅱ

      表面含C:  0.85~1.05%   若表面含C低,得到低含C的回火M,硬度低

                                   含C高,网状或大量块状渗C体,脆性↑

渗N: 表面硬度,耐磨性,耐蚀性,疲劳强度↑

    温度: 500~570℃ 最后工序.    为保证内部性能,氮化前调质

优点: 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化层残余压应力,疲劳强度↑

氮化物抗腐蚀.  温度低,变形小.

碳氮共渗: 硬度高,渗层较深,硬度变化平缓,具有良好的耐磨性,较小的表面脆性.