鑄鋼件常見(jiàn)熱處理工藝

1、鑄鋼件常見(jiàn)熱處理 按加熱和冷卻條件不同，鑄鋼件的主要熱處理方式有：退火(工藝代號(hào)：5111)、正火(工藝代號(hào)：5121)、均勻化處理、淬火(工藝代號(hào)：5131)、回火(工藝代號(hào)：5141)、固溶處理(工藝代號(hào)：5171)、沉淀硬化、消除應(yīng)力處理及除氫處理。 1退火(工藝代號(hào)：5111) 退火是將鑄鋼件加熱到Ac3以上2030，保溫一定時(shí)間，冷卻的熱處理工藝。退火的目的是為消除鑄造組織中的柱狀晶、粗等軸晶、魏氏組織和樹(shù)枝狀偏析，以改善鑄鋼力學(xué)性能。碳鋼退火后的組織：亞共析鑄鋼為鐵素體和珠光體，共析鑄鋼為珠光體，過(guò)共析鑄鋼為珠光體和碳化物。適用于所有牌號(hào)的鑄鋼件。圖114為幾種退火處理工藝的加熱規(guī)

2、范示意圖。表ll1為鑄鋼件常用退火工藝類(lèi)型及其應(yīng)用。 2正火(工藝代號(hào)：5121) 正火是將鑄鋼件目口熱到Ac3溫度以上3050保溫，使之完全奧氏體化，然后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。圖115為碳鋼的正火溫度范圍示意圖。正火的目的是細(xì)化鋼的組織，使其具有所需的力學(xué)性能，也司作為以后熱處理的預(yù)備處理。正火與退火工藝的區(qū)別有兩個(gè)：其一是正火加熱溫度要偏高些；其二是正火冷卻較快些。經(jīng)正火的鑄鋼強(qiáng)度稍高于退火鑄鋼，其珠光體組織較細(xì)。一般工程用碳鋼及部分厚大、形狀復(fù)雜的合金鋼鑄件多采用正火處理。 正火可消除共析鑄鋼和過(guò)共析鑄鋼件中的網(wǎng)狀碳化物，以利于球化退火；可作為中碳鋼以及合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前的預(yù)備處理

3、，以細(xì)化晶粒和均勻組織，從而減少鑄件在淬火時(shí)產(chǎn)生的缺陷。 3淬火(工藝代號(hào)：5131) 淬火是將鑄鋼件加熱到奧氏體化后(Ac?；駻c#8226;以上)，保持一定時(shí)間后以適當(dāng)方式冷卻，獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。常見(jiàn)的有水冷淬火、油冷淬火和空冷淬火等。鑄鋼件淬火后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火處理，以消除淬火應(yīng)力及獲得所需綜合力學(xué)性能。圖116為淬火回火工藝示意圖。 鑄鋼件淬火工藝的主要參數(shù)： (1)淬火溫度：淬火溫度取決于鑄鋼的化學(xué)成分和相應(yīng)的臨界溫度點(diǎn)。圖117為鑄鋼件淬火工藝溫度范圍示意圖。原則上，亞共析鑄鋼淬火溫度為Ac。以上2030，常稱之為完全淬火。共析及過(guò)共析鑄鋼在Ac。以上3050淬火，

4、即所謂亞臨界淬火或兩相區(qū)淬火。這種淬火也可用于亞共析鋼，所獲得的組織較一般淬火的細(xì)，適用于低合金鑄鋼件韌化處理。 (2)淬火介質(zhì)：淬火的目的是得到完全的馬氏體組織。為此，鑄件淬火時(shí)的冷卻速率必須大于鑄鋼的臨界冷卻速率。否則不能獲得馬氏體組織及其相應(yīng)的性能。但冷卻速率過(guò)高易于導(dǎo)致鑄件變形或開(kāi)裂。為了同時(shí)滿足上述要求，應(yīng)根據(jù)鑄件的材質(zhì)選用適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)，或采用其他冷卻方法(如分級(jí)冷卻等)。在650400區(qū)間鋼的過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變速率最快，因此鑄件淬火時(shí)應(yīng)保證在此溫度內(nèi)快冷。在Ms點(diǎn)以下希望冷卻緩慢一些，以防止淬火變形或開(kāi)裂。淬火介質(zhì)通常采用火、水溶液、油和空氣。在分級(jí)淬火或等溫淬火時(shí)，采用熱油、熔

5、融金屬、熔鹽或熔堿等。 4回火(工藝代號(hào)：5141) 回火是將淬火或正火后的鑄鋼件加熱到Ac，以下的某一選定溫度，保溫一定時(shí)間后，以適宜的速率冷卻，使淬火或正火后得到的不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，消除淬火(或正火)應(yīng)力以及提高鑄鋼的塑性和韌性的一種熱處理工藝。通常淬火加高溫回火處理的工藝稱之為調(diào)質(zhì)處理。淬火后的鑄鋼件必須及時(shí)進(jìn)行回火，而正火后的鑄鋼件必要時(shí)才予以回火處理?；鼗鸷箬T鋼件的性能取決于回火溫度、時(shí)間及次數(shù)。隨著回火溫度的提高和時(shí)間的延長(zhǎng)，除使鑄鋼件的淬火應(yīng)力消除外，還使不穩(wěn)定的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變成回火馬氏體、托氏體或索氏體，使鑄鋼的強(qiáng)度和硬度降低，而塑性顯著地提高。對(duì)一些含有強(qiáng)烈形成碳化物

6、的合金元素(如鉻、鉬、釩和鎢等)的中合金鑄鋼，在400500回火時(shí)出現(xiàn)硬度升高、韌性下降的現(xiàn)象，稱為二次硬化，即回火狀態(tài)鑄鋼的硬度達(dá)到最大值。一般有二次硬化特性的中合金鑄鋼需要進(jìn)行多次(13次)回火處理。 鑄鋼件的回火按溫度不同可分為低溫回火和高溫回火。 (1)低溫回火：一般在150250溫度范圍內(nèi)進(jìn)行?；鼗鸷罂煽绽洹⒂屠浠蛩?。其目的是在保留鑄件高強(qiáng)度和硬度的條件下，消除淬火應(yīng)力。主要用于滲碳、表面淬火及要求高硬度的耐磨鑄鋼件。 (2)高溫回火：高溫回火溫度為500650，保溫適當(dāng)時(shí)間后冷卻。主要用于在淬火或正火后調(diào)鑄鋼的組織，使之兼有高強(qiáng)度和良好韌性的碳鋼和低、中合金鋼鑄件。回火脆性是制定

7、合金鋼鑄件回火工藝時(shí)必須注意的問(wèn)題。在下列兩個(gè)溫度范圍內(nèi)均可發(fā)生。 在250400發(fā)生的脆性：經(jīng)淬火成為馬氏體組織的鑄鋼，在此溫度范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生回火脆性。如稍高于此脆性溫度區(qū)回火，則可消除此回火脆性。而且以后再在上述溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，也不會(huì)再出現(xiàn)回火脆性，故常稱之為第一類(lèi)回火脆性。 在400500(甚至650)發(fā)生的脆性：這對(duì)多數(shù)低合金鑄鋼都會(huì)發(fā)生，即發(fā)生鑄鋼的高溫回火脆性。如將已在此溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生脆性的鑄鋼件再加熱到600。C(或650)以上，之后在水或油中快冷，即可消除此種脆性。然而已消除脆性的鑄件，如又加熱到產(chǎn)生回火脆性的溫度，脆性又會(huì)出現(xiàn)。這常稱之為第二類(lèi)回火脆性。 5固溶處理(工藝代

8、號(hào)：5171) 固溶處理是將鑄件加熱至適當(dāng)溫度并保溫，使過(guò)剩相充分溶解，然后快速冷卻以獲得過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝。固溶處理的主要目的是使碳化物或其他析出相溶解于固溶體中，獲得過(guò)飽和的單相組織。一般奧氏體不銹耐熱鋼、奧氏體錳鋼及沉淀硬化不銹耐熱鋼鑄件均需經(jīng)固溶處理。固溶溫度的選擇取決于鋼種的化學(xué)成分和相圖。奧氏體錳鋼鑄件一般為10001100。C；奧氏體鎳鉻不銹鋼鑄件為10001250。鑄鋼中含碳量越高，難熔合金元素越多，則其固溶溫度應(yīng)越高。含銅的沉淀硬化鑄鋼，由于鑄態(tài)有硬質(zhì)富銅相在冷卻過(guò)程中沉淀，致使鑄鋼件硬度升高。為軟化組織、改善加工性能，鑄鋼件需經(jīng)固溶處理。其固溶溫度為900950。經(jīng)快

9、冷后可得到銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1015的過(guò)飽和單相組織。 6沉淀硬化處理(時(shí)效處理) 鑄件經(jīng)固溶處理或淬火后，在室溫或高于室溫的適當(dāng)溫度保溫，在過(guò)飽和固溶體中形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和(或)析出彌散分布的強(qiáng)化相而使金屬硬化的處理稱為沉淀硬化處理(或時(shí)效處理)。在高于室溫下進(jìn)行的稱為人工時(shí)效。其實(shí)質(zhì)是：在較高的溫度下，自過(guò)飽和固溶體中析出碳化物、氮化物、金屬間化合物及其他不穩(wěn)定的中間相，并彌散分布于基體中，因而使鑄鋼的綜合力學(xué)性能和硬度提高。時(shí)效處理的溫度直接影響鑄鋼件的最終性能。時(shí)效溫度過(guò)低，沉淀硬化相析出緩慢；溫度過(guò)高，則因析出相的聚集長(zhǎng)大引起過(guò)時(shí)效，而得不到最佳的性能。所以應(yīng)根據(jù)鑄鋼件的牌號(hào)及規(guī)定的性

10、能要求選用時(shí)效溫度。奧氏體耐熱鑄鋼時(shí)效溫度一般為550850，高強(qiáng)度沉淀硬化鑄鋼為500，時(shí)間為14h。含銅的低合金鋼和奧氏體耐熱鋼鑄件以及低合金的奧氏體錳鋼鑄件多采用時(shí)效處理。圖11-8為截面25mm試樣的時(shí)效效果。 7消除應(yīng)力處理其目的是消除鑄造應(yīng)力、淬火應(yīng)力和機(jī)械加工形成的應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。一般加熱到Ac，以下100200保溫一定時(shí)間，隨爐慢冷。鑄件的組織沒(méi)有變化。碳鋼、低合金鋼或高合金鋼鑄件均可以進(jìn)行處理。 8除氫處理 目的是去除氫氣，提高鑄鋼的塑性。加熱到l70200或280320，長(zhǎng)時(shí)間保溫進(jìn)行處理。沒(méi)有組織變化。主要用于易于產(chǎn)生氫脆傾向的低合金鋼鑄件。 二、 鋼的整體熱處理整體熱處

11、理是對(duì)工件整體進(jìn)行穿透加熱。常用的方法有退火、正火、淬火和回火1鋼的退火與正火（1）退火與正火的目的在機(jī)器零件和工模具等工件的加工制造過(guò)程中，退火和正火經(jīng)常作為預(yù)備熱處理工序，安排在鑄、鍛、焊工序之后、切削（粗）加工之前，用以消除前一工序所帶來(lái)的某些缺陷，為隨后的工序做準(zhǔn)備。例如，在鑄造或鍛造等熱加工以后，鋼件中不但存在殘余應(yīng)力，而且組織粗大不均勻，成分也有偏析，這樣的鋼件力學(xué)性能低劣，淬火時(shí)也容易造成變形和開(kāi)裂。又如，在鑄造或鍛造等熱加工以后，鋼件硬度經(jīng)常偏低或偏高，而且不均勻，嚴(yán)重影響切削加工性能。退火和正火的主要目的有： 調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工； 消除殘余應(yīng)力，防止鋼件的變形、開(kāi)裂；

12、細(xì)化晶粒，改善組織以提高鋼的力學(xué)性能； 為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。（2）退火工藝及應(yīng)用鋼的退火是將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織狀態(tài)的熱處理工藝。 完全退火與等溫退火 完全退火是指將鋼件完全奧氏體化（加熱至Ac3以上3050）后，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝。生產(chǎn)中為提高生產(chǎn)率，一般隨爐冷至600左右，將工件出爐空冷。完全退火的主要缺點(diǎn)：完全退火主要用于：圖 3-15 高速工具鋼的完全退火與等溫退火工藝曲線 為縮短完全退火時(shí)間，生產(chǎn)中常采用等溫退火工藝，即將鋼件加熱到Ac3以上3050（亞共析鋼）或Ac1 以上1020（共析鋼、過(guò)共析鋼），保溫適

13、當(dāng)時(shí)間后，較快冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的適當(dāng)溫度并保持等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類(lèi)組織，然后在空氣中冷卻的退火工藝。 等溫退火與完全退火目的相同，但轉(zhuǎn)變較易控制，所用時(shí)間比完全退火縮短約13，并可獲得均勻的組織和性能。特別是對(duì)某些合金鋼，生產(chǎn)中常用等溫退火來(lái)代替完全退火或球化退火。圖3-15為高速工具鋼完全退火與等溫退火的比較。 球化退火 是指將共析鋼或過(guò)共析鋼加熱到Ac1點(diǎn)以上1020，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩冷至室溫，或快冷到略低于Ar1溫度，保溫一段時(shí)間，然后爐空至600左右空冷，使鋼中碳化物球狀化的退火工藝，如圖3-16所示。圖 3-16 T10鋼的球化退火工藝曲線 圖 3-17 粒狀珠

14、光體顯微組織 過(guò)共析鋼及合金工具鋼熱加工后，組織中常出現(xiàn)粗片狀珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體，鋼的硬度和脆性不僅增加，鋼的切削性變差，且淬火時(shí)易產(chǎn)生變形和開(kāi)裂。為消除上述缺陷，可采用球化退火，使珠光體中的片狀滲碳體和鋼中網(wǎng)狀二次滲碳體均呈球（粒）狀，這種在鐵素體基體上彌散分布著球狀滲碳體的復(fù)相組織，稱為“球化體”，如圖3-17所示。對(duì)于存在有嚴(yán)重網(wǎng)狀二次滲碳體的鋼，可在球化退火前，先進(jìn)行一次正火。近些年球化退火的發(fā)展與應(yīng)用（自閱） 去應(yīng)力退火（見(jiàn)書(shū)）若采用高溫退火（如完全退火），也可以更徹底地消除應(yīng)力，但會(huì)使氧化、脫碳嚴(yán)重，還會(huì)產(chǎn)生高溫變形，故為了消除應(yīng)力，一般是采用低溫退火。 擴(kuò)散退火（均勻化退火）

15、（見(jiàn)書(shū)）（3）正火工藝及應(yīng)用正火是指將鋼件加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過(guò)共析鋼）以上3050，經(jīng)保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火與退火的主要區(qū)別是正火冷卻速度稍快，得到的組織較細(xì)小，強(qiáng)度和硬度有所提高，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)周期短，成本較低。低碳鋼和低碳合金鋼經(jīng)正火后，可提高硬度，改善切削加工性能（170230HBS范圍內(nèi)金屬切削加工性較好）；對(duì)于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較重要件，可作為預(yù)先熱處理，為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備；對(duì)于過(guò)共析鋼，可消除網(wǎng)狀二次滲碳體為球化退火作好組織準(zhǔn)備。對(duì)于使用性能要求不高的零件，以及某些大型或形狀復(fù)雜的零件，當(dāng)淬火有開(kāi)裂危險(xiǎn)時(shí)，可采用正火作為最終熱處理。 幾種退火與正

16、火的加熱溫度范圍及熱處理工藝曲線，如圖3-18所示。（a）加熱溫度范圍 （b） 熱處理工藝曲線圖 3-18 幾種退火與正火工藝示意圖2鋼的淬火與回火 （1）淬火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)（Ac3 或Ac1）以上，保溫后以大于VK的速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝。淬火的目的：為了得到馬氏體組織，是鋼的最主要的強(qiáng)化方式。1）淬火工藝 淬火加熱溫度 在選擇淬火加熱溫度時(shí)，應(yīng)盡量使獲得的組織硬度越大越好；獲得的晶粒越小越好。圖3-19 碳鋼淬火加熱溫度范圍示意圖對(duì)于亞共析鋼，淬火溫度一般為Ac3以上3050，淬火后得到均勻細(xì)小的M和少量殘余奧氏體，若淬火溫度過(guò)低，則淬火后組織中將會(huì)有

17、F，使鋼的強(qiáng)度、硬度降低；若加熱溫度超過(guò) Ac3以上(3050)，奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的M，鋼的力學(xué)性能變差，且淬火應(yīng)力增大，易導(dǎo)致變形和開(kāi)裂。 對(duì)于共析鋼或過(guò)共析鋼，淬火加熱溫度為Ac1以上3050，淬火后得到細(xì)小的馬氏體和少量殘留奧氏體（共析鋼），或細(xì)小的馬氏體、少量滲碳體和殘留奧氏體（過(guò)共析鋼），由于滲碳體的存在，鋼硬度和耐磨性提高。若溫度過(guò)高，如過(guò)共析鋼加熱到Accm以上溫度，由于滲碳體全部溶入奧氏體中，奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，Ms溫度降低，淬火后殘留奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。此外，因溫度高，奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體，脆性增大。若加熱溫度低于Ac1點(diǎn)

18、，組織沒(méi)發(fā)生相變，達(dá)不到淬火目的。碳鋼淬火加熱溫度范圍如圖3-19所示。對(duì)于合金鋼，由于大多數(shù)合金元素有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，因而淬火加熱溫度比碳鋼高，使合金元素在奧氏體中充分溶解和均勻化，以獲得較好的淬火效果。實(shí)際生產(chǎn)中，淬火加熱溫度的確定，尚需考慮工件形狀尺寸、淬火冷卻介質(zhì)和技術(shù)要求等因素。 淬火加熱時(shí)間加熱時(shí)間包括升溫和保溫時(shí)間。通常以裝爐后溫度達(dá)到淬火加熱溫度所需時(shí)間為升溫時(shí)間，并以此作為保溫時(shí)間的開(kāi)始；保溫時(shí)間是指鋼件燒透并完成奧氏體均勻化所需時(shí)間。加熱時(shí)間受鋼件成分、形狀、尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類(lèi)型、爐溫和加熱介質(zhì)等影響。經(jīng)驗(yàn)公式（見(jiàn)書(shū)） 淬火冷卻介質(zhì)鋼進(jìn)行淬火時(shí)冷卻是

19、最關(guān)鍵的工序，淬火的冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，快冷才能得到馬氏體，但快冷總會(huì)帶來(lái)內(nèi)應(yīng)力，往往會(huì)引起工件的變形和開(kāi)裂。那么，怎樣才能既得到馬氏體而又減小變形和開(kāi)裂呢？理想的淬火冷卻介質(zhì)如圖3-20所示。生產(chǎn)中，常用的冷卻介質(zhì)是水、油、堿或鹽類(lèi)水溶液。水是最常用的冷卻介質(zhì)，它有較強(qiáng)的冷卻能力，且成本低，但其缺點(diǎn)是在650400范圍內(nèi)冷卻能力不夠強(qiáng)，而在300200范圍內(nèi)冷卻能力又很大，因此常會(huì)引起淬火鋼的內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致工件變形開(kāi)裂，因此，水在生產(chǎn)中主要用于形狀簡(jiǎn)單、截面較大的碳鋼零件的淬火。圖3-20 理想淬火冷卻速度曲線如在水中加入鹽或堿類(lèi)物質(zhì)，能增加在650400范圍內(nèi)的冷卻能力，這對(duì)保

20、證工件，特別是碳鋼的淬硬是非常有利的，但鹽水仍具有清水的缺點(diǎn)，即在300200范圍內(nèi)冷卻能力很大，工件變形開(kāi)裂傾向很大。常用的鹽水濃度為10%15%，鹽水對(duì)工件有銹蝕作用，淬火后的工件應(yīng)仔細(xì)清洗。鹽水比較適用于形狀簡(jiǎn)單、硬度要求高而均勻、表面要求光潔、變形要求不嚴(yán)格的碳鋼零件。 淬火常用的油有機(jī)油、變壓器油、柴油等。油在300200范圍內(nèi)的冷卻速度比水小，有利于減小工件變形和開(kāi)裂，但油在650400范圍內(nèi)冷卻速度也比水小，不利于工件淬硬，因此只能用于低合金鋼與合金鋼的淬火，使用時(shí)油溫應(yīng)控制在40100內(nèi)。為了減少工件淬火時(shí)的變形，可采用鹽浴作為淬火介質(zhì)，如熔化的NaN03、KN03等。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級(jí)淬火。其特點(diǎn)是沸點(diǎn)高，冷卻能力介于水于油之間，常用于處理形狀復(fù)雜、尺寸較小和變形要求嚴(yán)格的工件。2）淬火方法由于目前還沒(méi)有理想的淬火介質(zhì)，因而在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)淬火件的具體情況采用不同的淬火方法，力求達(dá)到較好的效果。常用的淬火方法如圖3-21所示。