项目五-《模具材料与热处理》（第二版）课件.ppt

项目五 钢的热处理和表面处理,任务目录,任务一 钢在加热时的组织转变 任务二 钢在冷却时的组织转变 任务三 钢的退火和正火 任务四 钢的淬火与回火 任务五 钢的表面热处理 任务六 热处理的工序位置,任务一 钢在加热时的组织转变,学习目标 了解钢的热处理的概念、方法和热处理的工艺曲线。 掌握钢在加热时的组织转变过程及影响因素。 具有分析钢在加热时的组织转变对热处理结果影响的能力。,实践项目 谈谈亚共析钢和过共析钢的奥实体化过程。 相关知识 一、钢的热处理的概述 钢的热处理的概念 把钢进行加热、保温、冷却，使其内部组织发生变化，得到所需性能的工艺方法，称为钢的热处理。 热处理的工艺曲线 热处理的方法 整体热处理（退火、正火、淬火和回火） 表面热处理（感应淬火和火焰淬火） 化学热处理（渗碳、氮化和氰化等）,,二、钢在加热时的组织转变 钢的相关临界点（A1、A3、Acm、 Ar1、Ar3、Arcm、 Ac1、Ac3、Accm,钢的相变点在Fe-Fe3C相图上的位置,钢在加热时的组织转变 1、A的形成 A的形成步骤（以共析钢为例） A的晶核的形成和长大 残余渗碳体的溶解 A的均匀化,共析钢奥氏体形成过程示意图 a A晶核形成；b A晶核长大；c残余渗碳体溶解；d A均匀化,2、A的晶粒长大及其影响因素 A的晶粒度的概念A晶粒的大小。 A晶粒长大的过程,影响A晶粒长大的因素 加热温度和保温时间 加热速度 钢中加入一定量合金元素 课外实践项目 阅读“拓展与提高”，了解本质粗晶粒钢和本质细晶粒钢对热处理的影响。,任务二 钢在冷却时的组织转变,学习目标 了解热处理冷却的方式。 熟悉掌握过冷奥氏体等温转变图及其等温转变的组织和性能。 熟悉掌握过冷奥氏体连续冷却转变的组织和性能。 具有识别不同冷却方式下组织的能力。 具有根据实际性能需要组合冷却方式的能力。,实践项目 共析钢在完全奥氏体化后，通过等温冷却和连续冷却都得到全部的索氏体组织，其索氏体组织有何不同 一个直径为200mm的圆柱体钢棒，在加热、保温和冷却后获得全部的下贝氏体组织，试定性画出钢棒的热处理工艺曲线（注意棒的尺寸对加热和冷却的影响）。 亚共析钢在完全奥氏体化后，进行连续冷却，分别进行空冷（见图5-10V2）和水冷（见图5-10V4），讨论该得到的组织。,相关知识 热处理中常用的冷却方式 等温冷却 连续冷却,两种冷却方式示意图 （a）等温冷却；（b）连续冷却,钢在等温冷却时的转变 1、过冷A的概念在A1以下暂时存在，而不稳定的奥氏体。 2、过冷A的等温转变图的建立 3、过冷A的等温转变产物的组织和性能 珠光体型转变（P、S、T）A1550 珠光体PAr1650 粗大层片 硬度25HRC 索氏体S650600 较小层片 2535HRC 托氏体S600550 细小层片 3540HRC 贝氏体型转变（B上、B下）（550 Ms 上贝氏体B上 550350 羽毛状 3540HRC 下贝氏体B下 350Ms 针状 3540HRC,共析钢过冷奥氏体等温转变图,,4、影响C曲线的因素 含碳量（分别讨论亚共析钢和过共析钢）,亚共析钢和过共析钢的C曲线 a 亚共析钢的C曲线 b 过共析钢的C曲线,合金元素除钴以外，所有的合金元素溶入奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。其中一些碳化物形成元素如铬、钼、钨、钒等不仅使C曲线右移，而且还使C曲线形状发生改变。 加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，晶粒也越粗大，晶界面积越少，使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线右移。 钢在连续冷却时转变 1、过冷A连续冷却转变曲线 VK和VK的含义,共析钢连续冷却转变,2、C曲线在连续冷却转变中的应用,3、马氏体的转变 1）马氏体的类型 板条马氏体（1.0C,2）马氏体转变的特点 在MSMf之间发生转变连续性） 无扩散型转变（无扩散性） 有残余A存在（不完全性） 比容增大性,任务三 钢的退火和正火,学习目标 了解钢的退火的定义、目的、工艺方法和应用。 了解钢的正火的定义、目的、工艺方法和应用。 了解钢的正火和退火的选用。 具有正确选用退火和正火工艺方法解决实际问题的能力。 实践项目 设计下列热处理工艺曲线 20钢正火 45钢等温退火 T12钢球化退火,相关知识 钢的退火 （一）钢的退火的概念 将钢加热到适当的温度，保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺称为退火。 （二）钢的退火的目的（解释） 降低硬度，提高塑性，改善钢的切削加工及冷变形能力； 细化晶粒，均匀组织及成分； 消除钢中的残余内应力，防止工件变形和开裂。,（三）钢的退火的方法及应用 完全退火 球化退火 均匀化退火 去应力退火 钢的正火 （一）钢的正火的概念 将钢加热到Ac3或 Accm以上3050，保温一段时间，随后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。 （二）钢的正火的目的（与退火相似，有区别）,钢的正火和退火的区别 （一）冷却速度 （二）应用上的区别 1、在切削加工性上 2、在使用性能上,任务四 钢的淬火与回火,学习目标 掌握钢的淬火的目的、工艺方法和应用。 掌握钢的淬火质量和淬火缺陷。 掌握钢的回火的目的、工艺方法和应用。 具有应用钢的淬火和回火工艺解决实际问题的能力。 实践项目 阅读“实践与研究”，完成简单工具的热处理工艺。,相关知识 一、钢的淬火 钢的淬火的定义 将钢件加热到奥氏体化后以适当方式冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 钢的淬火工艺 1、加热温度 亚共析钢 共析钢 过共析钢 2、保温时间,与工件的形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉的类型、炉温和加热介质等因素有关。经验公式如下 t加热时间,min 加热系数,min/mm D工件的有效厚度，mm 3、淬火冷却介质 理想的冷却方式（如图所示） 常见淬火冷却介质的特性简介 水和水溶液 油,,淬火方法及应用 单液淬火（如图） 双液淬火（如图） 分级淬火（如图） 等温淬火（如图） 钢的淬透性和淬硬性 淬透性和淬硬性的概念 淬透性的应用,二、钢的回火 钢的回火的概念 将淬火钢加热到Ac1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 钢的回火的目的是减少或消除淬火应力，稳定组织，稳定工件尺寸，获得所需要的良好性能。 淬火钢在回火时的组织转变 1、马氏体的分解（80350） 2、残余A分解（200300） 3、渗碳体的形成（300400） 4、渗碳体的聚集长大和相再结晶（400）,回火的分类及应用 1、低温回火150250 低温回火的组织为回火马氏体过饱和固溶体与高度弥散分布的碳化物FexC。常用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承以及表面淬火和渗碳淬火件等的热处理。 2、中温回火350500 中温回火后的组织为回火托氏体极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。主要用于各种弹簧、锻模、压铸模等。 3、高温回火500650 高温回火后的组织为回火索氏体较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物，它广泛应用于各种重要构件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。,课外项目阅读“拓展与提高”，了解回火脆性的类型，并进行应用。,任务五 钢的表面热处理,学习目标 熟悉掌握钢的表面淬火的工艺方法和应用。 熟悉掌握钢的表面化学热处理的工艺方法及应用。 熟悉掌握其他钢的表面处理技术方法及应用。 具有应用钢的表面热处理技术解决实际问题的能力。,实践项目 采用表面热处理的方法解决拉深模的黏着问题。 冷作模具用中碳钢制作，要使其表面具有其高硬度，高耐磨性，最终热处理应如何选择 相关知识 一、钢的表面淬火 钢的表面淬火的概念 将钢的表面快速加热、然后快速冷却，使其表面得到马氏体组织的工艺方法。 钢的表面淬火的目的 是提高工件表面的硬度和耐磨性。,钢的表面淬火方法 根据热源的不同，有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。 钢的火焰加热表面淬火 热源氧乙炔焰 淬硬层26mm 特点设备简单，成本低，操作简便，适宜批量生产。但淬火质量不稳定，表面易过热,钢的感应加热表面淬火 1、原理 2、分类 高频感应加热表面淬火200300KHZ，0.52mm 中频感应加热表面淬火25008000HZ，210mm 工频感应加热表面淬火50HZ，1020mm 3、感应淬火的特点 加热速度快 淬火质量高 淬硬层易控制,,,二、钢的化学热处理 钢的化学热处理的概念将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层,以改变化学成分、组织和性能的热处理工艺。 化学热处理的基本过程 分解活性介质的分解，获得活性原子 吸收活性原子被工件表层吸收 扩散被吸收的原子由工件的表层向内部扩散，形成一定深度的渗层 常用的化学热处理方法渗碳、渗氮、碳氮共渗等 （一）钢的渗碳,定义将钢件置于渗碳的活性介质中加热、保温，使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。 渗碳的目的提高工件表层的含碳量，从而提高工件硬度和耐磨性，并使工件的心部具有良好的塑性和韧性 渗碳件的材料一般是低碳钢和低碳合金钢0.1-0.25C（为什么学生活动） 渗碳的方法气体法、液体法、固体法和真空渗碳法等,气体渗碳法工艺（设备如下图） 、气体渗碳的过程 活性介质的分解煤油、甲醇或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气），这些渗剂在加热到渗碳温度900950分解后形成渗碳气氛（由CO、CO2、H2、CH4等组成） CH4H2C COCO2C COH2H2OC c被工件吸收 c向工件内部扩散,,,煤油,废气火焰,炉盖,风扇电动机,沙封,电阻丝,耐热罐,工件,炉体,,,,,,,,,,气体渗碳示意图,、工艺参数 渗碳温度900950 渗碳速度0.20.5mm/h 表层0.851.05（由碳势决定） 3、气体渗碳的优、缺点和使用状况 优点气体渗碳生产率高，渗碳过程易控制，渗碳层质量好，劳动条件较好，易实现机械化和自动化。 缺点和使用状况设备成本高，且不适宜单件、小批生产，广泛应用于大批量生产中,渗碳后的组织及热处理 1、渗碳后的组织碳钢件渗碳后表层的wc0.851.05为最佳。渗碳缓冷后的组织，如下图所示（学生活动，渗后从表层到心部的退火态组织）,表层,心部,,,,,,,,,,过共析层,共析层,亚共析层,心部原始组织,渗层深度一般规定，从渗碳工件表面向内至含碳量为规定值处（一般wc0.4）的垂直距离为渗碳层深度。 工件的渗碳层深度取决于工件尺寸和工作条件，一般为0.52.5mm。 2、渗碳后的热处理 工件渗碳后常用的热处理方法有 （1）直接淬火 主要适用于受力不大或耐磨性要求不高的零件，例如齿轮类零件 （2、一次淬火 对表层性能要求较高，受力不大的零件。例如汽车上的 零件,3、二次淬火 适合表面要求具有较高耐磨性，心部具有好的塑性韧性的零件。例如航空类的零件 三种热处理的工艺曲线如下图（学生活动三种热处理后工件从表层到心部的组织分析）,（二） 钢的渗氮 定义将钢件置于渗氮的活性介质中加热、保温，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 渗氮的目的提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性。 渗氮件的材料一般是含有Al、Cr、Mo、Ti、V等合金元素的钢，这些元素能与N形成颗粒细小、分布均匀、硬度高的各种氮化物，因而，氮化后不需热处理。实践表明38CrMoAl是常用的较好的渗氮钢。 渗氮的方法气体渗氮法、离子渗氮法等,工艺 气体渗氮法 1、渗氮过程 分解 使用的渗剂为氨气 NH3H2N 吸收吸收活性N 扩散 N向内进行扩散形成渗氮层 2、工艺参数 渗氮温度500570 渗氮层的深度0.60mm0.70mm 时间0.30.5mm,要用30h50h,3、优、缺点和应用 优点渗氮温度低，工件变形小，渗层硬度高，耐磨性，耐蚀性好，疲劳强度高。 缺点渗层薄，易剥落，不能承受冲击力的作用。另外，生产周期长，成本高。 应用耐磨性和精度要求很高的精密零件和承受交变载荷的重要零件，以及要求耐热、耐蚀和耐磨的零件，例如镗床的主轴、压铸模等 离子渗氮 1、概念在低于1105Pa的渗氮气氛中，工件作阴极，容器作阳极，产生辉光放电进行渗氮的工艺。,2、工艺参数 气压133.321333.2Pa 两极电压400700V 温度450650 3、优缺点 优点速度快、时间短、渗层质量好，变形小、对材料适应性强。 缺点对形状复杂的工件，很难达到同一硬度和渗层深度。设备复杂，操作要求高。,（三）碳氮共渗 碳氮共渗（以渗碳为主） 概念在奥氏体状态下，将C、N同时渗入工件的表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。 目的提高工件表面的硬度和耐磨性 材料低、中碳钢和低合金钢 工艺过程渗剂煤油和氨气 活性原子的产生 CH4NH3HCNH2 CONH3HCNH2O HCNH2CN,工艺参数 温度820860 渗层0.30.8mm 热处理淬火低温回火 共渗层热处理后的组织回火马氏体粒状碳氮化合物少量的残余奥氏体 与渗碳相比温度低，变形小，时间短，硬度高，耐磨性好，生产率高，主要应用于各种齿轮、轴等重要的零件。,碳氮共渗（以渗氮为主） 概念 在气体介质中对工件表层同时渗入氮和碳,并以渗氮为主的化学热处理工艺。 工艺参数 温度520 570 时间24h 渗层深度0.020.06mm 特点 热处理温度低，变形小，时间短，显著提高工件的耐磨性，耐蚀性，疲劳强度。渗层薄，不适宜重载下工作的零件。应用于模具、量具和刃具以及轴、齿轮等零件。 （四）渗铝、渗铬、渗硼简介,渗铝 是指向工件表面渗入铝原子的过程。渗铝工件具有良好的高温抗氧化能力。主要适用于石油、化工、冶金等方面的管道和容器。 渗铬 是指向工件表面渗入铬原子的过程。渗铬工件具有耐蚀、抗氧化、耐磨和较好的抗疲劳性能，兼有渗碳、渗氮、渗铝的优点。 渗硼 是指向工件表面渗入硼原子的过程。渗硼工件具有高硬度、高耐磨性和好的热硬性（可达800），并在盐酸、硫酸和碱内具有抗蚀性。渗硼应用在泥浆泵衬套、挤压螺杆、冷冲模及排污阀等方面，能显著提高使用寿命。,三、表面气相沉积 化学气相沉积（CVD） 将工件置于炉内加热到高温后，向炉内通人反应气低温下可气化的金属盐，使其在炉内发生分解或化学反应，并在工件上沉积成一层所要求的金属或金属化合物薄膜