哈工大崔忠圻老師金屬學(xué)與熱處理課件 第九章鋼的熱處理工藝

1、本章目的：本章目的： 介紹鋼的常用熱處理工藝及其應(yīng)用。介紹鋼的常用熱處理工藝及其應(yīng)用。本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：（1）各類熱處理（退火、正火、淬火、回火）各類熱處理（退火、正火、淬火、回火）工藝工藝組織性能應(yīng)用的規(guī)律和特點(diǎn)；組織性能應(yīng)用的規(guī)律和特點(diǎn)；（2）淬透性、淬硬性的概念與應(yīng)用）淬透性、淬硬性的概念與應(yīng)用第九章第九章 鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝 金屬材料加工過程：金屬材料加工過程： 冶煉冶煉鑄造鑄造鑄錠鑄錠板棒型管板棒型管焊接焊接機(jī)加工機(jī)加工冷軋冷軋冷拔冷拔深沖深沖鍛件鍛件鑄件鑄件機(jī)加工機(jī)加工零零件件或或構(gòu)構(gòu)件件 工藝性能工藝性能預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理 使用性能使用性能最終熱處理最終熱處理熱軋熱

2、軋熱鍛熱鍛熱處理分類熱處理分類 普通熱處理：退火、正火、普通熱處理：退火、正火、 淬火、回火淬火、回火 表面熱處理：表面淬火表面熱處理：表面淬火 化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理 形變熱處理：控制軋制形變熱處理：控制軋制9-1 鋼的退火與正火鋼的退火與正火一一 退火退火1 定義：鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)定義：鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間后緩慢隨爐冷卻或控制其冷速，獲間后緩慢隨爐冷卻或控制其冷速，獲平平衡組織衡組織的工藝的工藝。 參見教材參見教材“高于或低于高于或低于AC1”AC1S 2 分類（1）高溫退火）高溫退火 （相變重結(jié)晶退火）（相變重結(jié)晶退火） T加熱加熱AC1（2）低溫退火）低溫退火 T加

3、熱加熱AC1完全退火完全退火不完全退火與球化退火不完全退火與球化退火等溫退火等溫退火擴(kuò)散退火擴(kuò)散退火去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火.3 退火目的退火目的 總體：改善組織，提高性能總體：改善組織，提高性能 降低硬度，改善切削加工性能；降低硬度，改善切削加工性能； 適合機(jī)加工的硬度范圍：適合機(jī)加工的硬度范圍：150250HB 細(xì)化晶粒；均勻組織；細(xì)化晶粒；均勻組織； 消除內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力. 注：當(dāng)為目的注：當(dāng)為目的 時(shí)，往往用正火代替退火時(shí)，往往用正火代替退火 工藝規(guī)范工藝規(guī)范特點(diǎn)特點(diǎn)目的目的適用范圍適用范圍 工藝：工藝：完全奧完全奧氏體化氏體化組織：組織：層片狀層片狀珠光體珠光體 硬度

4、，硬度，改善切削加改善切削加工性能；工性能； 細(xì)化晶粒；細(xì)化晶粒；消除內(nèi)應(yīng)力；消除內(nèi)應(yīng)力；減輕組織不減輕組織不均勻性均勻性(消除消除魏氏組織等魏氏組織等) 亞共析鋼、合亞共析鋼、合金鋼的鑄、鍛、金鋼的鑄、鍛、熱軋、焊件的熱軋、焊件的預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理(切削加工前切削加工前或或熱處理前熱處理前的的預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理)4 退火工藝及特點(diǎn)退火工藝及特點(diǎn) AC3 +2030 AC3 AC1 tT(1) 完全退火完全退火注：目的不同，組織控制注：目的不同，組織控制(珠光體片間距珠光體片間距)不同不同原因：粗片狀原因：粗片狀P原因：重結(jié)晶原因：重結(jié)晶45鋼鍛造后與完全退火后機(jī)械性能鋼鍛造后與完全退火后

5、機(jī)械性能狀態(tài)狀態(tài)b(Mpa)s(Mpa)(%)(%)k (kJ.m-2)HB鍛造鍛造 650750 3004005152040200400 230完全完全退火退火600700 300350 15204050400600 200.完全退火后強(qiáng)硬度有所下降，而塑韌性較大幅完全退火后強(qiáng)硬度有所下降，而塑韌性較大幅度提高度提高主要目的：改善組織與加工性能主要目的：改善組織與加工性能晶粒細(xì)化的原因：晶粒細(xì)化的原因：完全退火完全退火相變重結(jié)晶過程相變重結(jié)晶過程. 40鋼退火前后金相組織鋼退火前后金相組織晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化工藝規(guī)范工藝規(guī)范特點(diǎn)特點(diǎn)目的目的適用范圍適用范圍 工藝：工藝：不完全奧不完全奧氏體化氏體

6、化組織：組織：球狀球狀(粒狀粒狀)珠光體珠光體 降低降低(過過)共析鋼硬度共析鋼硬度,適合切削；適合切削；為最終熱為最終熱處理做組織處理做組織準(zhǔn)備準(zhǔn)備含碳量較含碳量較高的工、高的工、模具鋼的模具鋼的預(yù)備熱處預(yù)備熱處理理 AC1 +2030 ACm或或AC3 AC1 tT (2) 球化退火球化退火 不完全退火的一種。不完全退火的一種。工藝關(guān)鍵：工藝關(guān)鍵： Fe3C形態(tài)控制形態(tài)控制 球的大小控制球的大小控制 控制奧氏體化程度控制奧氏體化程度控制過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的溫度控制過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的溫度片狀與球狀珠光體組織切削性能比較片狀與球狀珠光體組織切削性能比較層片狀珠光體層片狀珠光體粒粒(球球)狀狀

7、珠光體珠光體刀具刀具T12鋼球化退火與完全退火的性能比較：鋼球化退火與完全退火的性能比較： 球化退火的球化退火的強(qiáng)硬度更低，塑韌性更好，碳化強(qiáng)硬度更低，塑韌性更好，碳化物對(duì)基體的分割更均勻、徹底，更利切削加工物對(duì)基體的分割更均勻、徹底，更利切削加工狀態(tài)狀態(tài)b(Mpa)(%)(%)HB完全退火完全退火8101530230球化退火球化退火6202040160T12鋼完全退火與球化退火后組織與性能比較鋼完全退火與球化退火后組織與性能比較完全退火、球化退火工藝缺陷：完全退火、球化退火工藝缺陷： 周期長；且為變溫轉(zhuǎn)變周期長；且為變溫轉(zhuǎn)變組織大小不均組織大小不均(3) 等溫退火等溫退火 是完全退火、球化退

8、火工藝的改進(jìn)是完全退火、球化退火工藝的改進(jìn) 等溫完全退火等溫完全退火等溫球化退火等溫球化退火 AC3 +2030 AC3 Ar1 tTAc1 AC1 +2030 Ar1 -2030 高速鋼等溫退火與普通退火工藝曲線高速鋼等溫退火與普通退火工藝曲線870880 tT4h3h等等溫溫退退火火普普通通退退火火40 /h720740 爐冷爐冷15 /h空空冷冷空空冷冷 等溫退火優(yōu)勢：等溫退火優(yōu)勢： (1) 縮短工藝時(shí)間縮短工藝時(shí)間：高速鋼：高速鋼 40h20h （2）組織均勻：碳化物球大小一致組織均勻：碳化物球大小一致工藝規(guī)范工藝規(guī)范特點(diǎn)特點(diǎn)目的目的適用范圍適用范圍 (1)高溫、高溫、長時(shí)間；長時(shí)間；

9、(2)需再經(jīng)需再經(jīng)重結(jié)晶工重結(jié)晶工藝藝(完全完全退火或正退火或正火火)以細(xì)以細(xì)化晶?；ЯＯ蛳驕p輕偏減輕偏析、帶析、帶狀組織狀組織等等合金鋼錠、合金鋼錠、大型鑄鋼大型鑄鋼件件tTAC3或或ACm+ 200300AC3或或ACm(4) 擴(kuò)散擴(kuò)散(均勻化均勻化)退火退火工藝工藝名稱名稱工藝規(guī)范工藝規(guī)范目的目的適用范圍適用范圍再結(jié)再結(jié)晶退晶退火火 消除加工消除加工硬化硬化 完全消除完全消除殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力冷塑性變冷塑性變形件形件去應(yīng)去應(yīng)力退力退火火消除內(nèi)應(yīng)力，消除內(nèi)應(yīng)力，防工件變形防工件變形鑄、鍛、鑄、鍛、焊、沖壓、焊、沖壓、機(jī)加工件機(jī)加工件AC1650700 300650 tT(5) 再結(jié)

10、晶退火與去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火與去應(yīng)力退火二二 正火目的、用途和工藝正火目的、用途和工藝1 定義：鋼加熱到定義：鋼加熱到AC3 或或ACm以上以上的的A區(qū)域，保持一定時(shí)間后在區(qū)域，保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，以獲得空氣中冷卻，以獲得接近平衡接近平衡狀態(tài)組織的工藝。狀態(tài)組織的工藝。 ?；；?與退火的區(qū)別：與退火的區(qū)別： 加熱溫度較高；加熱溫度較高； 冷卻速度較快；冷卻速度較快； 獲得組織較細(xì)獲得組織較細(xì)(索氏體索氏體) 強(qiáng)硬度與塑韌性較高；強(qiáng)硬度與塑韌性較高； 生產(chǎn)效率較高生產(chǎn)效率較高 正火正火 退火退火 正火與退火態(tài)正火與退火態(tài)45鋼機(jī)械性能鋼機(jī)械性能狀態(tài)狀態(tài)b(MPa)(%)k (J.cm-

11、2)HB正火正火70080015205080220完全退火完全退火65070015204060180碳鋼正火與退火后的硬度（碳鋼正火與退火后的硬度（HB）狀態(tài)狀態(tài)結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 軟的軟的 中等的中等的 硬的硬的工具鋼工具鋼退火退火正火正火125140160190185230220270注：正火態(tài)強(qiáng)硬度與塑韌性均較高注：正火態(tài)強(qiáng)硬度與塑韌性均較高2 目的：目的： 細(xì)化晶粒，消除鑄鍛焊件組織缺陷；細(xì)化晶粒，消除鑄鍛焊件組織缺陷； 提高低碳鋼硬度，改善切削加工性能；提高低碳鋼硬度，改善切削加工性能； 消除高碳鋼網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退消除高碳鋼網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備；火作組織準(zhǔn)備； 型材

12、或大型復(fù)雜鑄鋼件的型材或大型復(fù)雜鑄鋼件的最終熱處理最終熱處理三三 正火與退火的選用正火與退火的選用 C%0.75% 球化退火球化退火 C%0.9% 有網(wǎng)狀碳化物有網(wǎng)狀碳化物 正火正火(消網(wǎng)消網(wǎng))球化退火球化退火 1 退火與正火退火與正火珠光體類型組織的應(yīng)用珠光體類型組織的應(yīng)用 2 能用正火處則不用退火。正火可作為大件能用正火處則不用退火。正火可作為大件或不重要工件的或不重要工件的最終熱處理，而退火一般不最終熱處理，而退火一般不作為最終熱處理作為最終熱處理9-2 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火淬火：淬火：AC3 或或AC1以上，奧以上，奧氏體化，氏體化， V冷冷 VC急劇冷急劇冷卻，獲馬氏體組織。

13、卻，獲馬氏體組織。 等溫淬火等溫淬火B(yǎng)下下一一 淬火加熱工藝參數(shù)的選擇淬火加熱工藝參數(shù)的選擇1 加熱溫度加熱溫度（1）化學(xué)成分：）化學(xué)成分： 亞共析鋼：亞共析鋼： AC3 +3050 過共析鋼：過共析鋼： AC1 +3050回火：淬火鋼，回火：淬火鋼， AC1 以下以下等溫淬火等溫淬火 AC1 MS VC VC 淬火淬火 低合金鋼：低合金鋼： AC3 或或AC1 +50100 高合金鋼：高合金鋼： AC3 或或AC1 +300400 （2）工件尺寸、形狀、淬）工件尺寸、形狀、淬火介質(zhì)、晶粒長大傾向等火介質(zhì)、晶粒長大傾向等2 保溫時(shí)間保溫時(shí)間 保溫保溫= 升溫升溫+ 熱透熱透+轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) AC1 AC

14、mAC3M+ARAM+AR+A+Fe3C(C)()A+FM+FFe3C若若T Acm ： C%，MS；AR 粗大粗大M， 氧化脫碳氧化脫碳 變形開裂變形開裂6008001280 W18Cr4V：Tt 3 淬火介質(zhì)淬火介質(zhì)（1） 淬火介質(zhì)的要求淬火介質(zhì)的要求 鼻點(diǎn)冷速大鼻點(diǎn)冷速大, MS附近冷速小；附近冷速??； 穩(wěn)定，成本低；穩(wěn)定，成本低； 安全：無毒；不腐蝕工件。安全：無毒；不腐蝕工件。TA1MS理想理想水水油油(2) 常用淬火介質(zhì)常用淬火介質(zhì) 水：水： 鼻鼻 溫：溫：150/S； Ms：450 /S。 優(yōu)點(diǎn)：冷卻能力強(qiáng)；成本低。優(yōu)點(diǎn)：冷卻能力強(qiáng)；成本低。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：M 轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速過大，變

15、形；轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速過大，變形； 應(yīng)用：小尺寸、形狀簡單碳鋼件應(yīng)用：小尺寸、形狀簡單碳鋼件 油：油： Vmax ： 100250 /S ，400500； 鼻鼻 溫：溫：6070/S；Ms：50 /S。 優(yōu)：優(yōu)： M 轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速小，不易變形；轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速小，不易變形； 缺點(diǎn)：鼻溫區(qū)冷速過小，淬不透。缺點(diǎn)：鼻溫區(qū)冷速過小，淬不透。 應(yīng)用：合金鋼件應(yīng)用：合金鋼件 鹽水與堿水鹽水與堿水 10%NaCl水溶液；水溶液；15%NaOH水溶液；水溶液； 5%NaCO3水溶液；水溶液； 使蒸汽膜提前破裂；使蒸汽膜提前破裂； 但腐蝕但腐蝕二二 鋼的淬透性鋼的淬透性 為什么引入為什么引入“淬透性淬透性”概念概念V表

16、V心VCV表V心淬透層深度淬透層深度VC1 概念：奧氏體化的鋼在淬火時(shí)獲得馬氏概念：奧氏體化的鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力體的能力 用鋼在一定條件下淬火獲得的淬用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深度表示其大小。透層深度表示其大小。 淬透層深度：由工件表面淬透層深度：由工件表面半馬氏體點(diǎn)半馬氏體點(diǎn)(50%M)的深度。的深度。 硬度測量法：硬度測量法： 50%M的硬度的硬度 C%淬透層深度淬透層深度50%M淬透性與實(shí)際條件下淬透層深度的差別淬透性與實(shí)際條件下淬透層深度的差別影響淬透性的因素影響淬透性的因素： 與影響與影響 C 曲線因素一致曲線因素一致 與鋼種、奧氏體化條件與鋼種、奧氏體化條件實(shí)際淬透層

17、深度實(shí)際淬透層深度： 與淬透性、工件大小、淬火介質(zhì)等與淬透性、工件大小、淬火介質(zhì)等有關(guān)有關(guān) 淬硬性淬硬性：鋼淬火時(shí)的硬化能力，用淬：鋼淬火時(shí)的硬化能力，用淬成馬氏體可能得到的最高硬度表示。成馬氏體可能得到的最高硬度表示。 取決于馬氏體中的取決于馬氏體中的 C% 。 淬透性淬透性: 鋼的臨界冷卻速度鋼的臨界冷卻速度合金元合金元素素 例：例：T10、15MnVB2 淬透性與淬硬性淬透性與淬硬性3 淬透性測定方法淬透性測定方法（1）頂端淬火法）頂端淬火法 25100 ，（2）臨界淬火直徑）臨界淬火直徑 臨界淬火直徑：鋼在某種淬火介質(zhì)臨界淬火直徑：鋼在某種淬火介質(zhì)中能完全淬透的最大直徑中能完全淬透的最

18、大直徑(Dk)臨界淬火直徑測量方法：臨界淬火直徑測量方法： C%半馬氏體硬度；半馬氏體硬度； 測該鋼端淬曲線測該鋼端淬曲線找出對(duì)應(yīng)找出對(duì)應(yīng)半馬氏體硬度的半馬氏體硬度的d端端值值 ； 根據(jù)對(duì)零件淬透深度的實(shí)際要根據(jù)對(duì)零件淬透深度的實(shí)際要求求(淬透至淬透至1/2R、3/4R、中心等中心等)從從下圖查出對(duì)應(yīng)的臨界淬火直徑下圖查出對(duì)應(yīng)的臨界淬火直徑DkTA1MS分分級(jí)級(jí)淬淬火火雙雙液液淬淬火火等等溫溫淬淬火火單單液液淬淬火火三三 淬火方法淬火方法 1 單液淬火單液淬火 尺寸小、尺寸小、 形狀簡單的碳鋼、合形狀簡單的碳鋼、合金鋼件金鋼件 。 2 雙液淬火（水淬油冷）雙液淬火（水淬油冷） 尺寸較大碳鋼件。

19、尺寸較大碳鋼件。3 分級(jí)淬火分級(jí)淬火 稍高于稍高于MS ，鹽??；鹽浴； 小尺寸工模具、變形小、精密件小尺寸工模具、變形小、精密件三三 淬火方法淬火方法4 等溫淬火等溫淬火 淬火熱應(yīng)力、組織應(yīng)力小，淬火熱應(yīng)力、組織應(yīng)力小， 變形?。蛔冃涡?； 形狀復(fù)雜、尺寸精密件。形狀復(fù)雜、尺寸精密件。 5 冷處理冷處理 目的：目的： 減少減少AR%，HRC； 穩(wěn)定尺寸；穩(wěn)定尺寸； 挽救挽救四四 鋼的回火工藝鋼的回火工藝1 回火工藝參數(shù)的選擇回火工藝參數(shù)的選擇 回火溫度的選擇回火溫度的選擇： （1） 零件使用性能零件使用性能硬度硬度回火溫度回火溫度 （2）應(yīng)力消除：）應(yīng)力消除： T500,1h； T200,23h

20、； 回火后冷卻方式回火后冷卻方式： 回火脆性鋼回火脆性鋼水、油冷；水、油冷； 高合金鋼的多次回火高合金鋼的多次回火 2 回火種類回火種類 回火溫度回火溫度，內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力； 強(qiáng)硬度強(qiáng)硬度；塑韌性；塑韌性。 根據(jù)溫度不同劃分回火種類根據(jù)溫度不同劃分回火種類（1）低溫回火（低溫回火（150250） 組織：組織：回火馬氏體回火馬氏體（與淬火馬氏體比較）（與淬火馬氏體比較） 高碳鋼：淬火片狀高碳鋼：淬火片狀M回火回火M (片狀過飽和片狀過飽和+碳化物碳化物，共格，共格) 性能：保持高強(qiáng)硬度；微裂紋焊合；性能：保持高強(qiáng)硬度；微裂紋焊合； 內(nèi)應(yīng)力和脆性內(nèi)應(yīng)力和脆性；韌性略；韌性略。 但低碳鋼：板條但低碳鋼

21、：板條M，只有只有C的偏聚的偏聚 應(yīng)用應(yīng)用： 工、模具鋼；工、模具鋼； 低碳馬氏體鋼低碳馬氏體鋼（2）中溫回火（中溫回火（350500）組織：回火屈氏體組織：回火屈氏體（與屈氏體比較）（與屈氏體比較） 條、針狀條、針狀 (未再結(jié)晶，平衡未再結(jié)晶，平衡C)相相 + 彌散分布細(xì)粒狀彌散分布細(xì)粒狀相相性能：性能： 基體已回復(fù)；內(nèi)應(yīng)力基體已回復(fù)；內(nèi)應(yīng)力； 彈性極限高；較高的強(qiáng)硬度與良好韌性。彈性極限高；較高的強(qiáng)硬度與良好韌性。應(yīng)用：彈簧鋼、熱鍛模。（應(yīng)用：彈簧鋼、熱鍛模。（0.60.9%）（3）高溫回火（高溫回火（550680）組織：回火索氏體組織：回火索氏體（與索氏體比較）（與索氏體比較） 等軸狀等

22、軸狀(再結(jié)晶再結(jié)晶)相相 + 均勻分布粒狀均勻分布粒狀(球化球化)相相性能：內(nèi)應(yīng)力基本消除，強(qiáng)度與韌性最佳配合；性能：內(nèi)應(yīng)力基本消除，強(qiáng)度與韌性最佳配合； 綜合機(jī)械性能高綜合機(jī)械性能高應(yīng)用：重要結(jié)構(gòu)件，軸、齒輪應(yīng)用：重要結(jié)構(gòu)件，軸、齒輪 調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理：淬火：淬火+高溫回火高溫回火bSHRC(0.8%C),片狀片狀粒狀粒狀305020060040080010退火與淬、回火退火與淬、回火組織性能比較組織性能比較五五 鋼的淬、回火缺陷鋼的淬、回火缺陷1 種類：種類： 變形、開裂、氧化、脫碳、變形、開裂、氧化、脫碳、 硬度不足、軟點(diǎn)、過熱、過燒。硬度不足、軟點(diǎn)、過熱、過燒。 過熱過熱：晶粒粗大：晶

23、粒粗大重結(jié)晶重結(jié)晶 過燒過燒：晶界熔化或氧化：晶界熔化或氧化 2 變形與淬火應(yīng)力變形與淬火應(yīng)力 變形方式：體積變化、彎曲翹曲。變形方式：體積變化、彎曲翹曲。 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：加熱或冷卻中熱脹冷縮、加熱或冷卻中熱脹冷縮、 組織轉(zhuǎn)變不同步組織轉(zhuǎn)變不同步內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 種類：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力種類：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力 改進(jìn)方法改進(jìn)方法分級(jí)淬火、等溫淬火分級(jí)淬火、等溫淬火第九章第九章 習(xí)題與思考題習(xí)題與思考題 1 確定下列鋼件的退火方法，并指出退火的目確定下列鋼件的退火方法，并指出退火的目的與退火后的組織：的與退火后的組織： （1）經(jīng)冷軋后的鋼板，要求降低硬度；）經(jīng)冷軋后的鋼板，要求降低硬度； （2）鍛造過熱的）鍛造過熱的60鋼鍛坯；鋼鍛坯； （3）具有片狀滲碳體的）具有片狀滲碳體的T12鋼坯。鋼坯。 2 指出下列零件的鍛造毛坯進(jìn)行正火的主