《金屬學(xué)與熱處理》第五章 鋼的熱處理

第五章鋼的熱處理

5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變5.3鋼的退火與正火5.4鋼的淬火5.5鋼的回火5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理5.7典型零件的熱處理分析5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段組成。因此，熱處理工藝過程可用溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線。如圖5-1所示，是鋼的熱處理工藝曲線。在熱處理工藝中，加熱是熱處理的第一道工序，大多數(shù)情況下是要將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，以獲得奧氏體組織。奧氏體雖然是鋼在高溫狀態(tài)時(shí)的組織，但其晶粒大小、成分及其均勻程度，對(duì)鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此了解鋼在加熱時(shí)組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，是對(duì)鋼進(jìn)行正確熱處理的先決條件。熱處理中，通常將鐵碳相圖中的PSK線稱為A1線，將GS線稱為A3線，將ES線稱為Acm線。這些線上每一成分合金的臨界點(diǎn)稱為A1點(diǎn)、A3點(diǎn)、Acm點(diǎn)。鐵碳相圖中的A1,A3,Acm是鋼在極緩慢加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)，但在實(shí)際的加熱和冷卻條件下，鋼的組織轉(zhuǎn)變總有滯后現(xiàn)象，在加熱時(shí)高于而在冷卻時(shí)低于相圖上的臨界點(diǎn)。下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榱吮阌趨^(qū)別，通常把加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)分別用Ac1,Ac3,Accm表示，冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)分別用Ar1,Ar3,Arcm來表示，如圖5-2所示。常用鋼的臨界點(diǎn)見附錄3。

一、鋼的奧氏體化下面以共析鋼為例說明鋼的奧氏體化過程。共析鋼在室溫時(shí)的平衡組織為珠光體，當(dāng)加熱到Ac1以上時(shí)，鋼中珠光體將向奧氏體轉(zhuǎn)變。生成的奧氏體相不僅晶格類型與鐵素體相和滲碳體相不同，而且含碳量也有很大的差異。由此可知，鋼的奧氏體化過程必然伴隨著鐵原子晶格的改變和碳原子的擴(kuò)散，其轉(zhuǎn)變過程遵循結(jié)晶過程的基本規(guī)律，也是通過形核及晶核長(zhǎng)大的過程來進(jìn)行的，如圖5-3所示。

1.奧氏體晶核的形成奧氏體晶核最容易在鐵素體與滲碳體的界面處生成。如圖5-3(a)所示。這是由于界面處原子排列紊亂，位錯(cuò)密度較高，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)界面處的碳濃度處于中間值而接近奧氏體的成分，為奧氏體的形核提供了有利條件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2.奧氏體的長(zhǎng)大奧氏體晶核生成后逐漸長(zhǎng)大，如圖5-3(b)所示。與奧氏體相鄰的鐵素體中的鐵原子通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到奧氏體晶核上來，使奧氏體晶核長(zhǎng)大。同時(shí)與奧氏體相鄰的滲碳體通過分解不斷地溶人新生成的奧氏體中，也使奧氏體逐漸長(zhǎng)大，直至珠光體全部消失。

3.殘余滲碳體的溶解由于奧氏體在化學(xué)成分和晶格類型上與鐵素體差別較小，而與滲碳體差別較大，故鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變速度大于滲碳體向奧氏體的溶解速度，這使得珠光體中鐵素體完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，仍有部分滲碳體尚未溶解。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，殘余滲碳體繼續(xù)向奧氏體中溶解，直至全部消失，如圖5-3(c)所示。

4.奧氏體的均勻化由于珠光體中的鐵素體和滲碳體是兩種含碳量相差懸殊的相，所以當(dāng)殘余滲碳體剛剛?cè)芙馔旰?，奧氏體中的碳濃度仍是不均勻的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?cè)谠瓉頋B碳體區(qū)域碳濃度高，在原來鐵素體區(qū)域碳濃度低，需要一定的保溫階段，通過碳原子進(jìn)一步的擴(kuò)散，才能使奧氏體的成分趨于均勻化。因此，熱處理的保溫階段，不僅是為了使工件熱透，也是為了使組織轉(zhuǎn)變完全及奧氏體成分均勻。亞共析鋼室溫組織由珠光體和鐵素體組成，當(dāng)加熱到Ac1時(shí)，其組織中的珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，溫度繼續(xù)升高，鐵素體不斷轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，直到Ac3時(shí)才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏膴W氏體組織。過共析鋼的室溫組織是珠光體和二次滲碳體，當(dāng)加熱到Ac1時(shí)，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，溫度繼續(xù)升高，滲碳體逐漸溶解到奧氏體中，直至Accm線時(shí)，才全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗鄪W氏體組織。二、奧氏體晶粒的長(zhǎng)大當(dāng)珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變剛剛完成時(shí)，奧氏體晶粒是比較細(xì)小的。這是由于珠光體內(nèi)鐵素體和滲碳體的相界面很多，有利于形成數(shù)目眾多的奧氏體晶核。不論原來鋼的晶粒是粗還是細(xì)，通過加熱的奧氏體化，都能得到細(xì)小晶粒的奧氏體。但是隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒會(huì)自發(fā)地長(zhǎng)大。加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

奧氏體晶粒的大小對(duì)冷卻轉(zhuǎn)變后鋼的組織和性能有明顯影響。若奧氏體晶粒細(xì)小，則冷卻后產(chǎn)物組織的晶粒也細(xì)小，其力學(xué)性能也越高;若奧氏體晶粒粗大，則冷卻后產(chǎn)物組織的晶粒也粗大，其力學(xué)性能變差，特別是沖擊韌性下降較多。細(xì)晶粒組織不僅強(qiáng)度、塑性比粗晶粒高，而且沖擊韌性也有明顯提高。因此，鋼在加熱時(shí)，為了得到細(xì)小而均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間。奧氏體晶粒的大小用奧氏體晶粒度級(jí)別來表示。晶粒度是指將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間后所獲得的奧氏體晶粒大小。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，在金相顯微鏡下放大100倍，把顯微鏡下看到的晶粒與標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)圖(圖5-4)比較以確定其等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)分為8級(jí)，其中1~4級(jí)為粗晶粒,5~8級(jí)為細(xì)晶粒。據(jù)粗略估算，4級(jí)晶粒度的晶粒直徑約為0.091mm,8級(jí)的晶粒直徑約為0.022mm。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

三、影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素

1.加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，晶粒長(zhǎng)大速度越快，奧氏體晶粒越易粗化。保溫時(shí)間越長(zhǎng)，也會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，但后者的影響要比前者小。為了獲得細(xì)小的奧氏體晶粒，應(yīng)合理地選擇加熱溫度和保溫時(shí)間。

2.加熱速度加熱速度越快，轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)間越寬，實(shí)際奧氏體化溫度越高，形核率越大，晶粒越細(xì)小?？焖偌訜岷投虝r(shí)間保溫是生產(chǎn)上細(xì)化晶粒的常用方法。例如高頻感應(yīng)加熱表面淬火就是利用這一原理來獲得細(xì)晶粒的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.1鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

3.鋼的組織和成分鋼的原始組織越細(xì)小，相界面的數(shù)量越多，越有利于奧氏體晶核的形成，并且奧氏體晶粒越細(xì)小。鋼中的化學(xué)成分對(duì)晶粒大小也有影響。一般來說，鋼中的含碳量越高，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向也增加。但當(dāng)奧氏體晶界上存在殘余滲碳體時(shí)，有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。當(dāng)鋼中含有鎢、鉬、釩、鈮、鈦等合金元素時(shí)，會(huì)生成氧化物或碳化物，均有阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，而錳、磷等合金元素則有促進(jìn)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用。上一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

冷卻過程是鋼熱處理的關(guān)鍵，對(duì)熱處理后的組織與性能起著極其重要的作用。采用不同的冷卻速度或冷卻方式，對(duì)同一種鋼用相同的加熱條件獲得奧氏體組織，可使鋼獲得不同的組織和性能。例如45鋼制造的直徑為15mm的軸，經(jīng)840℃加熱后，在空氣中冷卻，其表面硬度小于209HBS;在油中冷卻，其表面硬度可達(dá)45HRC左右;在水中冷卻，其表面硬度則可達(dá)56HRC左右?？梢?，同樣的材料，加熱條件相同，但由于冷卻條件不同，它們?cè)谛阅苌蠒?huì)產(chǎn)生明顯差別。為了弄清產(chǎn)生差別的原因，就要了解奧氏體在冷卻過程中的組織變化規(guī)律。在熱處理工藝中，鋼奧氏體化后的冷卻方式有兩種，如圖5-5所示。一種是等溫冷卻，即將奧氏體化的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度保溫，使奧氏體在此溫度發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變結(jié)束后，再空冷到室溫;另一種是連續(xù)冷卻，即奧氏體化的鋼以不同冷卻速度從高溫連續(xù)冷卻到室溫，使奧氏體在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變下面以共析鋼為例，說明冷卻方式對(duì)鋼組織和性能的影響。一、過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變由鐵碳相圖可知，奧氏體在臨界點(diǎn)A1溫度以上時(shí)是穩(wěn)定的。奧氏體在臨界點(diǎn)A1以下是不穩(wěn)定的，組織要發(fā)生轉(zhuǎn)變，但并不是一冷卻到A1溫度以下立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，而是要經(jīng)過一段時(shí)間后才開始轉(zhuǎn)變。這種在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變，實(shí)質(zhì)上就是過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體在不同溫度下進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將獲得不同的組織。表示過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系曲線圖稱為等溫轉(zhuǎn)變圖。

1.等溫轉(zhuǎn)變圖的建立奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是用實(shí)驗(yàn)方法建立的。下面以共析鋼為例來說明等溫轉(zhuǎn)變圖的建立。其步驟如下。

.制備若干個(gè)一定尺寸的共析鋼試樣，將其加熱到Ac1以上的溫度，使其組織轉(zhuǎn)變成為均勻的奧氏體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

.將奧氏體化的試樣分別迅速地放入低于A1的不同溫度(例如700℃,650℃,600℃,550℃,500℃,450℃,350℃，…)熔鹽槽中，迫使奧氏體過冷，發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變。

.剛出過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變開始和終了時(shí)間，把它們記在時(shí)間一溫度的坐標(biāo)圖上，然后分別連接各開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)(a點(diǎn))和轉(zhuǎn)變終了點(diǎn)(b點(diǎn))，便得到如圖5-6所示的曲線圖，這一曲線圖稱為奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖。不同鋼種的等溫轉(zhuǎn)變圖略有差異，圖5-7為共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖。由于奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的形狀類似英文字母“C”，故亦稱為C曲線。在共析鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖中，A1線與Ms線之間為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變區(qū)間。其中，在A1線以上是奧氏體穩(wěn)定區(qū)域。aa‘為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的開始線，在轉(zhuǎn)變開始線左方是過冷奧氏體區(qū)(這一段時(shí)間稱為孕育期);bb‘為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變終了線，在轉(zhuǎn)變終了線右方，轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成，是轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū);在aa’線與bb’線之間是過渡區(qū)，為過冷奧氏體及其等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物共存區(qū)。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變時(shí)都要經(jīng)過一段孕育期，孕育期長(zhǎng)短隨過冷度的變化而變化。在C曲線拐彎處(約550℃)，孕育期最短，此時(shí)奧氏體最不穩(wěn)定，最容易發(fā)生轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變速度也最快，這里常稱為等溫轉(zhuǎn)變圖的“鼻尖”。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?cè)诘葴剞D(zhuǎn)變圖的下方Ms線與Mf線之間為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，馬氏體是奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的一種組織，而不是等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。Ms線為過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變開始線，約230℃;Mf線為過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變終了線，約-50℃。

2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能過冷奧氏體在A1以下等溫轉(zhuǎn)變的溫度不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。在Ms點(diǎn)以上，可發(fā)生以下兩種類型的轉(zhuǎn)變:(1)珠光體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在A1~550℃范圍內(nèi)等溫分解為鐵素體和滲碳體的片層狀混合物—珠光體，如圖5-8所示。由于轉(zhuǎn)變的溫度高，它可以通過奧氏體晶格的改組和鐵、碳原子的擴(kuò)散，來實(shí)現(xiàn)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和滲碳體，這是一個(gè)擴(kuò)散型相變。在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)變溫度越低(過冷度越大)，形成的珠光體片層越薄。通常又根據(jù)形成的珠光體片層的間距大小，把珠光體分為3類:一是A1~650℃溫度范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變所獲得的粗片層狀的滲碳體與鐵素體構(gòu)成的共析體，仍稱為珠光體，用符號(hào)P表示，在光學(xué)顯微鏡下就能分辨出片層狀的形態(tài);二是650℃~600℃溫度范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變所獲得的較薄片層狀珠光體，稱為索氏體，用符號(hào)S表示，上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?cè)诖笥?000倍的光學(xué)顯微鏡下才能分辨出其片層狀的形態(tài);三是600℃~550℃溫度范圍內(nèi)等溫轉(zhuǎn)變所獲得的更細(xì)片層狀珠光體，稱為托氏體，用符號(hào)T表示，它要在2000倍以上的電子顯微鏡下才能分辨出其片層狀的形態(tài)。

珠光體的力學(xué)性能主要取決于片層間距的大小，片層間距越小，則相界面越多，塑性變形抗力越大，強(qiáng)度和硬度越高，同時(shí)，塑性和韌性也有所改善。

(2)貝氏體型轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在550℃~Ms溫度范圍內(nèi)，由于轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動(dòng)能力較弱，在此轉(zhuǎn)變過程中鐵原子不發(fā)生擴(kuò)散，而只進(jìn)行晶格改組，碳原子雖發(fā)生擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度較慢，轉(zhuǎn)變后得到的組織為含碳量具有一定過飽和度的鐵素體和分散的滲碳體(或碳化物)的混合物，稱為貝氏體，用符號(hào)B表示。貝氏體有上貝氏體和下貝氏體兩種，通常把550~350℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用符號(hào)B上表示。上貝氏體中滲碳體以不連續(xù)的細(xì)條狀分布于平行排列的鐵素體片層之間，在顯微鏡下呈羽毛狀，如圖5-9(a)所示。上貝氏體的硬度為40~45HRC，但塑性很差，基本上無實(shí)用價(jià)值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變?cè)?50℃~Ms范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用符號(hào)B上表示。下貝氏體中的碳化物呈細(xì)小顆粒狀或短桿狀，均勻分布在針葉狀的鐵素體內(nèi)，在顯微鏡下呈黑色針狀的組織，如圖5-9(b)所示。下貝氏體的硬度可達(dá)45~55HRC，且強(qiáng)度、塑性、韌性均高于上貝氏體，具有良好的綜合力學(xué)性能，是一種實(shí)用價(jià)值很高的組織，對(duì)于強(qiáng)度、韌性要求較高而且形狀復(fù)雜的零件常需使用下貝氏體組織。共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和力學(xué)性能如表5-1所示。

3.馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)鋼從奧氏體區(qū)急冷到Ms以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這是一種非擴(kuò)散過程。在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力小，只能發(fā)生γ一Fe向α一Fe的晶格改變，碳原子不發(fā)生擴(kuò)散，碳原子全部保留在α一Fe晶格中，因此，固溶在奧氏體中的碳，轉(zhuǎn)變后原封不動(dòng)地保留在鐵的晶格中，形成碳在α一Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號(hào)M表示。過飽和的碳使馬氏體的體心立方晶格發(fā)生畸變，形成體心正方晶格，如圖5-10所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用

1.在等溫轉(zhuǎn)變圖上估計(jì)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在實(shí)際生產(chǎn)中，過冷奧氏體轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻條件下進(jìn)行的。由于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖的測(cè)定比較困難，故常用等溫轉(zhuǎn)變圖近似地分析連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的過程。下面以共析鋼為例說明過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用。把代表連續(xù)冷卻的冷卻曲線疊畫在等溫轉(zhuǎn)變圖上，根據(jù)它們同C曲線相交的位置，便可大致估計(jì)其冷卻轉(zhuǎn)變情況，如圖5-13所示。例如，圖中冷卻速度v1相當(dāng)于隨爐冷卻速度，奧氏體將在A1以下附近的溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)變，得到粗片的珠光體組織;v2相當(dāng)于在空氣中的冷卻速度，可估計(jì)出它將轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w;v3相當(dāng)于在油中的冷卻速度，奧氏體在“鼻尖”附近分解一小部分轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，而其余的奧氏體則冷卻到Ms~Mf范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，最后得到托氏體和馬氏體組織;v4相當(dāng)于在水中冷卻速度，它不與C曲線相交，奧氏體將全部過冷到Ms以下向馬氏體轉(zhuǎn)變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.2鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

2.確定馬氏體臨界冷卻速度為了使奧氏體過冷至Ms之前不發(fā)生任何轉(zhuǎn)變，冷卻后得到馬氏體組織，就必須使其冷卻速度大于v臨(圖5-13)。顯然，應(yīng)恰好與C曲線“鼻尖”相切。表示鋼中奧氏體在連續(xù)冷卻時(shí)不發(fā)生分解而全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的最小冷卻速度，稱為馬氏體臨界冷卻速度。上一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火

在機(jī)械零件或工具、模具等工件的制造過程中，一般要經(jīng)過各種冷、熱加工等工序，而且在各工序之間往往要穿插各種熱處理工序。在實(shí)際生產(chǎn)中常把熱處理分為預(yù)備熱處理和最終熱處理兩類。為了消除前道工序造成的某些缺陷，或?yàn)殡S后的切削加工及最終熱處理作準(zhǔn)備的熱處理，稱為預(yù)備熱處理;為了使工件滿足使用條件下的性能要求而進(jìn)行的熱處理，稱為最終熱處理。退火與正火工藝常用作預(yù)備熱處理。

一、退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻(一般隨爐冷卻)的熱處理工藝稱為退火。退火的主要目的有:·降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工;下一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火

.細(xì)化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鳒?zhǔn)備;.消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。根據(jù)鋼的化學(xué)成分和退火目的不同，常用的退火方法可分為完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火、等溫退火、均勻化退火等。

1.完全退火完全退火是將鋼加熱到完全奧氏體化(Ac3以上30℃~50℃)，隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝方法。在完全退火加熱過程中，鋼的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在冷卻過程中，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小而均勻的平衡組織(鐵素體+珠光體)，從而達(dá)到降低鋼的硬度、細(xì)化晶粒、充分消除內(nèi)應(yīng)力的目的。完全退火主要用于中碳鋼及低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼等亞共析成分的鍛件、鑄件、熱軋型材及焊接件等。過共析鋼不宜采用完全退火，因?yàn)檫^共析鋼完全退火需加熱到Accm以上，在緩慢冷卻時(shí)，鋼中將析出網(wǎng)狀滲碳體，使鋼的力學(xué)性能變壞。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火

2.球化退火球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20℃~30℃，保溫一定時(shí)間，以不大于50℃/h的冷卻速度隨爐冷卻下來，使鋼中碳化物呈球狀的工藝方法。

球化退火后的組織為鐵素體基體上彌散分布球狀(粒狀)滲碳體的組織，稱為球狀珠光體。如圖5-14所示。球狀珠光體同片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時(shí)工件的變形和開裂傾向小。球化退火適用于共析鋼及過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。這些鋼在鍛造加工后進(jìn)行球化退火，一方面有利于切削加工;另一方面也為最后的淬火處理作好組織準(zhǔn)備。

3.去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火是將鋼加熱到略低于A1的溫度(一般取500℃~650℃)，保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻的工藝方法。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火去應(yīng)力退火的目的是消除由于塑性變形、焊接、切削加工、鑄造等形成的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸并防止其變形與開裂。

4.等溫退火等溫退火是指將鋼加熱到Ac3以上30℃~50℃(亞共析鋼)或Ac1以上20℃~30℃(共析鋼和過共析鋼)，保溫一定時(shí)間后以較快速度冷卻到珠光體溫度區(qū)間內(nèi)的某一溫度，經(jīng)等溫保持使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后出爐空冷的退火工藝。等溫退火的目的與完全退火或球化退火相同。但等溫退火后組織粗細(xì)均勻，性能一致，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)率高。主要用于高碳鋼、高合金鋼及合金工具鋼等。

5.均勻化退火均勻化退火是指將鋼的鑄錠或鑄件加熱到Ac3以上150℃~200℃，保持10~15h后隨爐冷卻的退火工藝。均勻化退火的目的是消除鑄造結(jié)晶過程中產(chǎn)生的枝晶偏析，使成分和組織均勻化。由于加熱溫度高、保持時(shí)間長(zhǎng)，奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，因此，均勻退火后還需進(jìn)行一次完全退火或正火。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火二、正火將鋼加熱到Ac3或Accm以上30℃~50℃，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，在空氣中冷卻的工藝方法，稱為正火。正火與退火的主要區(qū)別在于正火的冷卻速度較快，過冷度較大，所以正火后所獲得的組織比較細(xì)小，組織中珠光體的數(shù)量較多，因而強(qiáng)度、硬度比退火后的高。正火主要用于以下幾個(gè)方面。

.改善低破鋼和低破合金鋼的切削加工性。一般認(rèn)為硬度在160~230HBS范圍內(nèi)的塑性材料，其切削加工性最好。硬度過高時(shí)難以加工，而且刀具容易磨損。硬度過低，切削時(shí)容易“私刀”，使刀具發(fā)熱而磨損，而且工件的表面質(zhì)量較低。低破鋼和低破合金鋼退火后的硬度在160HBS以下，切削加工性不良，而正火能適當(dāng)提高其硬度，改善切削加工性。

.消除過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體。正火加熱時(shí)可使網(wǎng)狀二次滲碳體溶入奧氏體中，在空氣中冷卻時(shí)，由于過冷度較大，二次滲破體來不及析出，因而可消除網(wǎng)狀二次滲破體，改善鋼的力學(xué)性能，并為球化退火作組織準(zhǔn)備。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.3鋼的退火與正火

.作為重要零件的預(yù)備熱處理。正火可以消除由于熱加工造成的組織缺陷，細(xì)化晶粒，改善切削加工性能，減小工件在淬火時(shí)的變形與開裂傾向，所以正火常作為重要工件的預(yù)備熱處理。

.作為普通零件的最終熱處理。正火可細(xì)化晶粒，其組織力學(xué)性能較高，所以當(dāng)力學(xué)性能要求不太高時(shí)，正火可作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復(fù)雜時(shí)，由于正火的冷卻速度較快，有開裂的危險(xiǎn)，則采用退火為宜。各種退火與正火工藝的加熱溫度與熱處理工藝曲線如圖5-15所示。上一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

淬火是指將鋼加熱到Ac3或Ac1點(diǎn)以上某一溫度，保持一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻獲得馬氏體和(或)下貝氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是為了得到馬氏體(或下貝氏體)組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，再經(jīng)適當(dāng)回火后使工件獲得良好使用性能，更好地發(fā)揮鋼材的潛力。因此，重要的結(jié)構(gòu)零件及各種工具等都要進(jìn)行淬火處理。

一、淬火工藝

1.淬火加熱溫度的選擇不同的鋼，其淬火加熱溫度也不同。碳鋼的淬火加熱溫度可由Fe~Fe3C相圖來確定，如圖5-16所示。亞共析碳鋼的淬火加熱溫度一般為Ac1點(diǎn)以上30℃~50℃，在此溫度范圍內(nèi)，可獲得全部細(xì)小的奧氏體晶粒，淬火后得到細(xì)小均勻的馬氏體組織。若加熱溫度過高，則會(huì)引起奧氏體晶粒粗大，淬火后鋼的性能變差，而且還容易引起鋼的氧化與脫碳現(xiàn)象;若加熱溫度過低，淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，使淬火后鋼的硬度及耐磨性下降。下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

共析碳鋼和過共析碳鋼的淬火加熱溫度一般為Ac1點(diǎn)以上30℃~50℃，此時(shí)的組織為奧氏體和粒狀滲碳體，淬火后獲得細(xì)小馬氏體和粒狀滲碳體組織，能保證達(dá)到高硬度和高耐磨性的要求。若淬火加熱溫度超過Accm點(diǎn)，將導(dǎo)致滲碳體消失，奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大片狀馬氏體，殘留奧氏體量增多，硬度及耐磨性下降，脆性增加，而且鋼的氧化與脫碳現(xiàn)象嚴(yán)重;若淬火加熱溫度過低，可能得到非馬氏體組織，達(dá)不到淬火的要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮各種因素，結(jié)合具體條件通過試驗(yàn)來確定合適的淬火加熱溫度。

2.加熱時(shí)間的選擇通常工件淬火加熱時(shí)，其升溫與保溫所需時(shí)間的總和稱為加熱時(shí)間。工件淬火的加熱時(shí)間與鋼的化學(xué)成分、原始組織、工件的形狀及尺寸、加熱介質(zhì)、加熱溫度等許多因素有關(guān)。生產(chǎn)中常根據(jù)工件的有效厚度由經(jīng)驗(yàn)公式來確定，即:τ=αD上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火式中τ—加熱時(shí)間，min;α—加熱系數(shù)，min/mm;D—工件的有效厚度，mm。工件有效厚度是指工件加熱時(shí)，在最快傳熱方向上的截面厚度。加熱系數(shù)是指工件的單位有效厚度所需的加熱時(shí)間，其值與鋼的化學(xué)成分、工件形狀、工件尺寸及加熱介質(zhì)等因素有關(guān)。有效厚度的取值方法和加熱系數(shù)可查有關(guān)熱處理手冊(cè)。

3.淬火介質(zhì)為保證奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變以獲得全部馬氏體組織，淬火冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度，但冷卻速度過大會(huì)導(dǎo)致淬火內(nèi)應(yīng)力增大，容易引起工件的變形與開裂。因此，理想的淬火冷卻速度如圖5-17所示。

目前，生產(chǎn)中常用的淬火介質(zhì)主要有水、油、鹽浴、鹽或堿的水溶液等。其中水的冷卻能力較強(qiáng)，但淬火時(shí)易使工件發(fā)生變形或開裂，因此它適合作為形狀簡(jiǎn)單或奧氏體穩(wěn)定性較小的碳鋼工件的淬火介質(zhì);油的冷卻能力較弱，有利于減少工件的變形或開裂傾向，適合作為奧氏體穩(wěn)定性較高的合金鋼的淬火介質(zhì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

4.淬火方法根據(jù)工件的化學(xué)成分、形狀、尺寸和技術(shù)要求等，結(jié)合各種淬火介質(zhì)的特性，應(yīng)選擇簡(jiǎn)便而經(jīng)濟(jì)的淬火方法。生產(chǎn)中常用的淬火方法如圖5-18所示。

(1)單液淬火將已奧氏體化的工件在單一淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻的淬火方法，稱為單液淬火，如圖5-18冷卻曲線①所示。這種方法的特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但由于單一淬火介質(zhì)的冷卻性能不理想，故單液淬火僅適用于形狀簡(jiǎn)單的工件。

(2)雙介質(zhì)淬火將已奧氏體化的工件先浸入一種冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻，當(dāng)溫度降到稍高于Ms點(diǎn)溫度時(shí)，立即將工件轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的淬火介質(zhì)中繼續(xù)冷卻，使其發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火方法，稱為雙介質(zhì)淬火，如圖5-18冷卻曲線②所示。這種方法的特點(diǎn)是能夠?qū)煞N冷卻能力不同的淬火介質(zhì)的長(zhǎng)處結(jié)合起來，克服了單介質(zhì)淬火的缺點(diǎn)，既保證了獲得馬氏體組織，又減小了淬火內(nèi)應(yīng)力，有效地防止了工件的變形或開裂。雙介質(zhì)淬火法可適用于形狀較復(fù)雜及尺寸較大的工件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

(3)馬氏體分級(jí)淬火將已奧氏體化的工件浸人溫度在M。點(diǎn)附近的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時(shí)間，在工件內(nèi)外溫差消除后取出空冷以獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為馬氏體分級(jí)淬火，如圖5-18冷卻曲線③所示。馬氏體分級(jí)淬火可有效地減小淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形或開裂，適用于尺寸較小且形狀復(fù)雜的工件。

(4)貝氏體等溫淬火將已奧氏體化的工件快速冷卻到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火方法，稱為貝氏體等溫淬火，如圖5-18冷卻曲線④所示。貝氏體等溫淬火后工件的淬火內(nèi)應(yīng)力和變形小，具有較高的塑性、韌性和耐磨性，適用于截面尺寸小、形狀復(fù)雜、尺寸精度及綜合力學(xué)性能要求較高的工件。

5.冷處理冷處理是指工件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在低于室溫的介質(zhì)中冷卻的工藝方法。其目的是減少或消除殘留奧氏體，穩(wěn)定工件尺寸，提高硬度及耐磨性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

二、鋼的淬透性與淬硬性淬透性是評(píng)定鋼淬火質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它對(duì)于鋼材的選用及熱處理工藝的制定具有重要意義。淬透性是指在規(guī)定條件下決定鋼材淬硬深度和硬度分布的特性，即鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體組織的能力，獲得馬氏體組織能力強(qiáng)的。淬透性好壞，主要取決于鋼的臨界冷卻速度。因此，凡是能增加過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素，或凡是使鋼的等溫轉(zhuǎn)變圖位置右移，減小臨界冷卻速度的因素，都是提高淬透性的因素。淬透性一般用淬火時(shí)所能得到的淬透層深度(或淬硬層深度)來表示。淬火時(shí)，工件截面上各處的冷卻速度是不同的，表面的冷卻速度最大，越到中心冷卻速度越小。如果工件表面及中心的冷卻速度都大于鋼的臨界冷卻速度，則淬火后沿工件的整個(gè)截面均能獲得馬氏體組織，即鋼被淬透了;如果中心的冷卻速度小于鋼的臨界冷卻速度，則只有工件的表層獲得馬氏體組織，而心部得到非馬氏體組織，即鋼未被淬透，如圖5-19所示。其中工件表層馬氏體區(qū)的深度即為淬透層深度(或淬硬層深度)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火硬化時(shí)所能達(dá)到最高硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于馬氏體中的含碳量，馬氏體中含碳量越高，鋼的淬硬性越好，淬火后鋼的硬度值越高。淬透性與淬硬性是兩個(gè)完全不同的概念，淬透性好的鋼，淬硬性不一定高。

三、淬火缺陷

1.氧化與脫碳氧化是指工件在加熱時(shí)，加熱介質(zhì)中的氧、二氧化碳和水等與工件表層的鐵原子發(fā)生反應(yīng)形成氧化物的過程。其結(jié)果是在工件表面形成一層松脆的氧化鐵皮，造成材料損耗，降低工件的承載能力和表面質(zhì)量。脫碳是指加熱時(shí)，氣體介質(zhì)與工件表層的碳原子相互作用，造成工件表層含碳量降低的現(xiàn)象。其結(jié)果是使工件表層的性能下降，表面質(zhì)量降低。為了防止氧化和脫碳，對(duì)于重要零件，通?？稍邴}浴爐內(nèi)進(jìn)行加熱，要求更高時(shí)，可在工件表面涂覆保護(hù)劑或在保護(hù)氣氛及真空中加熱。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

2.過熱與過燒工件在熱處理加熱時(shí)，由于加熱溫度偏高而使奧氏體晶粒粗化，造成力學(xué)性能顯著下降的現(xiàn)象稱為過熱。工件過熱后所形成的粗大奧氏體晶?？赏ㄟ^退火或正火來消除。由于加熱溫度過高，造成奧氏體晶界氧化和部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。過燒后的工件的無法補(bǔ)救，只能報(bào)廢。為了防止工件的過熱與過燒，必須合理制定加熱規(guī)范，嚴(yán)格控制加熱溫度和加熱時(shí)間。

3.變形與開裂變形是指工件在淬火后出現(xiàn)形狀或尺寸改變的現(xiàn)象。開裂是指工件在淬火時(shí)出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。變形與開裂是由于工件在淬火時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生較大淬火內(nèi)應(yīng)力造成的。淬火內(nèi)應(yīng)力包括熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。熱應(yīng)力是指工件在加熱或冷卻時(shí)，由于不同部位存在溫度差異而導(dǎo)致熱脹或冷縮不均勻所產(chǎn)生的應(yīng)力;相變應(yīng)力是指在熱處理過程中，因工件不同部位組織轉(zhuǎn)變不同步而產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)淬火內(nèi)應(yīng)力大于鋼的屈服點(diǎn)時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生變形;淬火內(nèi)應(yīng)力超過鋼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生開裂。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.4鋼的淬火

為了減少工件在淬火時(shí)的變形，防止開裂，應(yīng)制定合理的淬火工藝規(guī)范，采用適當(dāng)?shù)拇慊鸱椒ǎ⑶以诖慊鸷蠹皶r(shí)進(jìn)行回火處理。

4.硬度不足

工件在淬火后硬度未達(dá)到技術(shù)要求，稱為硬度不足。產(chǎn)生的原因有加熱溫度偏低，保溫時(shí)間過短、淬火介質(zhì)的冷卻能力不夠、工件表面氧化或脫碳等。工件淬火后，表面存在硬度偏低的局部區(qū)域，則稱為軟點(diǎn)。一般情況下，可在退火或正火后，重新進(jìn)行正確的淬火予以消除。上一頁(yè)返回5.5鋼的回火

回火是指工件淬火后，再加熱到Ac1點(diǎn)以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹗蔷o接淬火的一道熱處理工序，其目的是獲得工件所需組織，以改善性能;消除殘留奧氏體，穩(wěn)定工件尺寸;消除淬火內(nèi)應(yīng)力，防止工件變形與開裂。一、淬火鋼在回火時(shí)組織和性能的變化淬火鋼中的馬氏體和殘留奧氏體都是不穩(wěn)定組織，它們?cè)诨鼗疬^程中都會(huì)向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體兩相組織轉(zhuǎn)變，其回火過程一般可分為以下4個(gè)階段。

1.馬氏體分解淬火鋼在100℃以下回火時(shí)，其組織和性能基本保持不變。當(dāng)回火溫度超過100℃以后，馬氏體開始分解，馬氏體中過飽和碳原子以一種極細(xì)小的碳化物形式析出，使馬氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，過飽和程度下降，晶格畸變程度降低。下一頁(yè)返回5.5鋼的回火但由于這一階段溫度較低，馬氏體中僅析出了一部分過飽和碳原子，所以它仍是碳在α一Fe中的過飽和固溶體。所析出的細(xì)小碳化物均勻地分布在馬氏體基體上。這種過飽和α固溶體和細(xì)小碳化物所組成的混合組織稱為回火馬氏體，如圖5-20所示。由于回火馬氏體中的碳化物極為細(xì)小，呈彌散分布，且α固溶體仍是過飽和狀態(tài)，所以在回火第一階段淬火鋼的硬度并不降低。但由于碳化物的析出，使晶格畸變程度降低，淬火內(nèi)應(yīng)力有所減小。

2.殘留奧氏體的轉(zhuǎn)變當(dāng)回火溫度在200℃~300℃范圍內(nèi)時(shí)，殘留奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變。殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變與過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變時(shí)的性質(zhì)相同，所以在這一溫度區(qū)間殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w。由于回火第一階段馬氏體的分解尚未結(jié)束，所以在回火第二階段，殘留奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w的同時(shí)，馬氏體繼續(xù)分解。雖然馬氏體的繼續(xù)分解會(huì)使淬火鋼的硬度下降，但由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，提高了硬度，淬火鋼的整體硬度并沒有明顯的降低，淬火內(nèi)應(yīng)力卻進(jìn)一步減小。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.5鋼的回火

3.碳化物的轉(zhuǎn)變回火溫度在250℃~400℃范圍內(nèi)時(shí)，由于原子的活動(dòng)能力增強(qiáng)，碳原子繼續(xù)從過飽和的a固溶體中析出，同時(shí)，所析出的細(xì)小碳化物也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀滲碳體。經(jīng)第三階段回火后，鋼的組織是由鐵素體和細(xì)小顆粒狀滲碳體組成的，稱為回火托氏體，如圖5-21所示。此時(shí)淬火鋼的硬度降低，淬火內(nèi)應(yīng)力基本消除。

4.滲碳體的聚集長(zhǎng)大與鐵素體再結(jié)晶當(dāng)回火溫度在400℃以上時(shí)，滲碳體顆粒將聚集長(zhǎng)大。滲碳體顆粒的聚集長(zhǎng)大是通過小顆粒滲碳體不斷溶人鐵素體中，而鐵素體中的碳原子借助于擴(kuò)散不斷地向大顆粒滲碳體上沉積來實(shí)現(xiàn)的?；鼗饻囟仍礁撸瑵B碳體顆粒越粗大，鋼的強(qiáng)度、硬度越低?；鼗鸬谌A段結(jié)束后，鋼的組織雖然已是鐵素體和顆粒狀滲碳體，但鐵素體仍然保持著原來馬氏體的片狀或板條狀形態(tài)，當(dāng)回火溫度升高到500℃~600℃范圍內(nèi)時(shí)，鐵素體逐漸發(fā)生再結(jié)晶，失去原來片狀或板條狀形態(tài)，而成為多邊形晶粒。此時(shí)鋼的組織為鐵素體基體上分布顆粒狀滲碳體，這種組織稱為回火索氏體，如圖5-22所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.5鋼的回火

淬火鋼在回火過程中，由于組織發(fā)生了變化，鋼的性能也隨之發(fā)生改變。一般隨回火溫度升高，強(qiáng)度、硬度降低，而塑性、韌性升高，如圖5-23所示。二、回火方法及其應(yīng)用回火是最終熱處理步驟，回火溫度是決定鋼的組織和性能的主要因素。回火溫度可根據(jù)工件的力學(xué)性能要求進(jìn)行選擇。按回火溫度的不同，回火可分為以下3種。

1.低溫回火低溫回火的溫度范圍是250℃以下，所得組織為回火馬氏體。目的是使工件保持淬火組織的高硬度和高耐磨性，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性。低溫回火后的硬度一般為58~64HRC，主要用于各種切削刃具、量具、冷沖模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳件等。

2.中溫回火

中溫回火的溫度范圍是350℃~500℃，所得組織為回火托氏體。目的是使工件獲得高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和韌性。中溫回火后的硬度一般為35~50HRC，主要用于各種彈簧及模具的熱處理。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.5鋼的回火

3.高溫回火高溫回火得到的組織是回火索氏體，其具有良好的綜合力學(xué)性能(足夠的強(qiáng)度與高韌性相配合)，硬度達(dá)200~330HBS。生產(chǎn)中常把淬火及高溫回火的復(fù)合熱處理工藝稱為“調(diào)質(zhì)”。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于受力構(gòu)件，如螺栓、連桿、齒輪、曲軸等。對(duì)于在交變載荷下工作的重要零件，要求其整個(gè)截面得到均勻的回火索氏體組織，首先必須使零件淬透，因此，隨著調(diào)質(zhì)零件尺寸不同，要求鋼的淬透性也不同。大零件要求選用高淬透性的鋼，小零件則可以選用淬透性較低的鋼。調(diào)質(zhì)鋼與正火鋼相比，不僅強(qiáng)度較高，而且塑性、韌性遠(yuǎn)高于后者，這是由于調(diào)質(zhì)后鋼的組織是回火索氏體，其滲碳體呈球粒狀，而正火后的索氏體中滲碳體呈薄片狀，因此，重要零件均應(yīng)采用調(diào)質(zhì)處理。表5-2為45鋼經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能的比較。上一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

在機(jī)械設(shè)備中，一些在彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊載荷、摩擦條件下工作的齒輪、凸輪、曲軸等機(jī)器零件表面要求須具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性，僅從選材方面去考慮是很難達(dá)到此要求的。如用高碳鋼，雖然硬度高，但心部韌性不足，若用低碳鋼，雖然心部韌性好，但表面硬度低，不耐磨，所以為滿足這類零件的性能要求，就要進(jìn)行表面熱處理。常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。

一、表面淬火表面淬火是指僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝，這是一種只改變工件表層組織與性能的局部熱處理方法。根據(jù)淬火加熱方法的不同，常用的表面淬火有火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火兩種。

1.火焰加熱表面淬火下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

應(yīng)用氧一乙炔(或其他可燃?xì)怏w)火焰對(duì)零件表面進(jìn)行快速加熱，隨之快速冷卻的工藝，稱為火焰加熱表面淬火，如圖5-24所示?；鹧娲慊鸬拇阌矊由疃纫话銥?~6mm。若要獲得更深的淬硬層，往往會(huì)引起零件表面嚴(yán)重的過熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋。由于火焰表面淬火方法簡(jiǎn)便，無須特殊設(shè)備，可適用于單件或小批生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火的工具和零件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪、錘子等。但火焰表面淬火較易過熱，淬火質(zhì)量往往不夠穩(wěn)定，工作條件差，因此限制了它在機(jī)械制造業(yè)中的應(yīng)用范圍。

2.感應(yīng)加熱表面淬火利用電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生感應(yīng)電流，使工件表面局部快速加熱，然后快速冷卻的淬火工藝，稱為感應(yīng)加熱表面淬火。它的原理如圖5-25所示:在一個(gè)線圈中通過一定頻率的交流電時(shí)，在它周圍便產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。若把工件放人線圈中，工件中就會(huì)產(chǎn)生與線圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理這種感應(yīng)電流在工件中的分布是不均勻的，主要集中在表面層，越靠近表面，電流密度越大;頻率越高，電流集中的表面層越薄。這種現(xiàn)象稱為“集膚效應(yīng)”，它是感應(yīng)電流能使工件表面層加熱的基本依據(jù)。大量的電阻熱，使工件表層迅速達(dá)到淬火溫度(心部溫度仍接近室溫)，隨即快速冷卻，就可達(dá)到表面淬火的目的。為了得到不同的淬硬層深度，可采用不同頻率的電流進(jìn)行加熱，電流頻率與淬硬層深度的關(guān)系，如表5-3所示。

二、化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將工件置于一定介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而使工件表面具有某些特殊的機(jī)械或物理化學(xué)性能的一種熱處理工藝。化學(xué)熱處理與其他熱處理相比，不僅改變了鋼的組織，而且改變了鋼表層的化學(xué)成分。化學(xué)熱處理的種類很多，根據(jù)滲入元素不同，化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲金屬等多種。由于滲入元素不同，會(huì)使工件表面所具備的性能也不同。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理如滲碳和碳氮共滲可提高鋼的硬度、耐磨性及疲勞強(qiáng)度;氮化、滲硼、滲鉻使表面特別硬，顯著提高耐磨性和耐蝕性;滲硫可提高減摩性;滲硅可提高耐酸性;滲鋁可提高耐熱和抗氧化性，等等。不論哪一種方法，都是通過以下3個(gè)基本過程來完成的。

.分解:介質(zhì)在一定的溫度下，發(fā)生化學(xué)分解，產(chǎn)生滲入元素的活性原子。

.吸收:活性原子被工件表面吸收。例如活性原子溶入鐵的晶格中形成固溶體或與鐵化合形成金屬化合物等。

.擴(kuò)散:滲入的活性原子，由表面向中心擴(kuò)散，形成一定厚度的擴(kuò)散層(滲層)。常用的化學(xué)熱處理方法有以下幾種。

1.鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳，其目的是提高工件表層的含碳量。滲碳后，經(jīng)淬火及低溫回火，使零件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強(qiáng)度及較高的塑性和韌性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

為了達(dá)到上述要求，滲碳零件必須用低碳鋼或低碳合金鋼來制造。按照采用的滲碳劑不同，滲碳法可分為氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳3種，常用的是前面兩種，尤其是氣體滲碳。氣體滲碳法生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件較好，滲碳質(zhì)量容易控制，并易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，故在當(dāng)前工業(yè)中得到極廣泛的應(yīng)用。氣體滲碳是將工件置于氣體滲碳劑中進(jìn)行滲碳的工藝。圖5-26所示為氣體滲碳示意圖:工件置于密封的加熱爐中，加熱到900℃~950℃，滴入煤油、丙酮、甲醇等滲碳劑。這些滲碳劑在高溫下分解，產(chǎn)生活性原子，其反應(yīng)式如下:2C0→[C]+CO2CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入鋼表面奧氏體中，并向內(nèi)部擴(kuò)散，最后形成一定深度的滲碳層。滲碳時(shí)最主要的工藝參數(shù)是滲碳溫度和保溫時(shí)間。加熱溫度越高，滲碳速度就越大，且擴(kuò)散層的厚度也越大。但溫度過高會(huì)引起鋼件中晶粒長(zhǎng)大，使鋼變脆，故加熱溫度應(yīng)選擇適當(dāng)，一般在900~950℃范圍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理保溫時(shí)間主要取決于所需要的擴(kuò)散層的厚度，不過當(dāng)保溫時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，厚度增長(zhǎng)速度會(huì)逐漸減慢。一般可按每小時(shí)滲人0.2~0.25mm/h的速度估算。零件滲碳后，其表面含碳量可達(dá)0.85%~1.05%，并從表面到心部逐漸減小，心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。在緩慢冷卻條件下，滲碳層的組織由表面向中心依次為:過共析區(qū)、共析區(qū)、亞共析區(qū)(過渡層)，中心仍為原來組織。圖5-27為低碳鋼滲碳后緩冷的滲碳層組織。

滲碳只改變工件表面化學(xué)成分。要使?jié)B碳件表層具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韌性，滲碳后還必須進(jìn)行熱處理，常用的是淬火后低溫回火。滲碳零件經(jīng)淬火及低溫回火后，表層顯微組織為細(xì)針回火馬氏體和均勻分布的細(xì)粒滲碳體，硬度高達(dá)58~64HRC;心部是低碳鋼，其顯微組織仍為鐵素體和珠光體(某些低碳合金鋼，其心部組織為低碳回火馬氏體及鐵素體)，具有較高的韌性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

2.鋼的滲氮在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝稱為滲氮，其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強(qiáng)度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的是氣體滲氮。工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮稱為氣體滲氮。滲氮時(shí)將工件放入密閉的爐內(nèi)，加熱到500℃~600℃后通入氨氣(NH3)，氨氣分解出活性氮原子:2NH3→2[N]+3H2

活性氮原子與鋼表面的合金元素Al,Cr,Mo形成氮化物，并向心部擴(kuò)散形成一定深度的滲氮層。滲氮層深度一般為0.1~0.6mm。滲氮與滲碳相比，有如下特點(diǎn)。

.滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，疲勞強(qiáng)度高，并具有一定熱硬性，工件滲氮后不用淬火表面就可得到高硬度。如38CrMoAl鋼滲氮層硬度高達(dá)69~72HRC，而且在600℃~650℃時(shí)仍可保持;.滲氮溫度低(一般約570℃)，工件變形小;.滲氮零件具有很好的耐蝕性，可防止水、蒸汽、堿性溶液的腐蝕。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

滲氮雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但因其生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，滲氮層薄而脆，不宜承受集中的重載荷，使?jié)B氮的應(yīng)用受到一定限制。在生產(chǎn)中滲氮主要用來處理重要和復(fù)雜的精密零件，如精密絲杠、鏗桿、排氣閥、精密機(jī)床的主軸等。滲氮用鋼是含有Al,Cr,Mo等合金元素的鋼，通常用的是38CrMoAl，其次是35CrMo,18CrNiW等。

3.碳氮共滲在一定溫度下，將碳、氮同時(shí)滲人工件表層奧氏體中(以滲碳為主)的化學(xué)熱處理工藝，稱為碳氮共滲。常用的方法為氣體碳氮共滲。

氣體碳氮共滲的溫度為820℃~870℃，共滲層表面含碳量0.7%~1.0%，含氮量0.15%~0.5%。熱處理后，表層組織為含碳、氮的馬氏體及均勻分布的細(xì)小碳氮化合物。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.6鋼的表面熱處理與化學(xué)熱處理

碳氮共滲同滲碳相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)。它不僅加熱溫度低，零件變形小，生產(chǎn)周期短，而且滲層具有較高的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。目前工廠里常用碳氮共滲來處理汽車和機(jī)床上的齒輪、蝸桿和軸類等零件。以滲氮為主的碳氮共滲，也稱為“軟氮化”。其常用的共滲介質(zhì)是尿素[(NH2)2CO]，加熱溫度一般不超過570℃，處理時(shí)間僅為1~3h。與一般滲氮相比，滲層硬度較低，脆性較小。軟氮化常用于處理模具、量具、高速鋼刀具等。上一頁(yè)返回5.7典型零件的熱處理分析

熱處理是機(jī)械制造過程中的重要工序，正確理解熱處理的技術(shù)條件，合理安排熱處理工藝在整個(gè)加工過程中的位置，對(duì)于改善鋼的切削加工性能、保證零件的質(zhì)量、滿足使用要求，具有重要的意義。

一、熱處理的技術(shù)條件工件在熱處理后組織應(yīng)當(dāng)達(dá)到的力學(xué)性能、精度和工藝性能等要求，統(tǒng)稱為熱處理技術(shù)條件。熱處理的技術(shù)條件是根據(jù)零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作為熱處理技術(shù)條件;對(duì)滲碳零件應(yīng)標(biāo)注滲碳層深度，對(duì)某些性能要求較高的零件還須標(biāo)注力學(xué)性能指標(biāo)或金相組織要求。熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注，可用文字在零件圖樣上扼要說明，也可用附錄4所規(guī)定的熱處理工藝代號(hào)來表示。下一頁(yè)返回5.7典型零件的熱處理分析二、熱處理的工序位置零件的加工是沿一定的工藝路線進(jìn)行的，合理安排熱處理的工序位置，對(duì)于保證零件質(zhì)量，改善切削加工性能具有重要意義。根據(jù)熱處理的目的和工序位置的不同，熱處理可分為預(yù)備熱處理和最終熱處理兩大類，兩者工序位置安排的一般規(guī)律如下。

1.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生產(chǎn)之后、切削加工之前，以消除毛坯的內(nèi)應(yīng)力、均勻組織、改善切削加工性，并為以后的熱處理作組織準(zhǔn)備。對(duì)于精密零件，為了消除切削加工的殘余應(yīng)力，在半精加工以后還安排去應(yīng)力退火。調(diào)質(zhì)工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是獲得良好的綜合力學(xué)性能，為以后的熱處理作組織準(zhǔn)備。調(diào)質(zhì)一般不安排在粗加工之前，以免表面調(diào)質(zhì)層在粗加工時(shí)大部分被切削，失去調(diào)質(zhì)處理的作用。這對(duì)于淬透性差的碳鋼零件尤為重要。上一頁(yè)下一頁(yè)返回5.7典型零件的熱處理分析

2.最終熱處理最終熱處理包括淬火、回火及表面熱處理等。零件經(jīng)這類熱處理后，獲得所需的使用性能。因其硬度較高，除磨削外，不宜進(jìn)行其他形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，在毛坯時(shí)進(jìn)行退火、正火或調(diào)質(zhì)即可滿足要求，這時(shí)退火、正火和調(diào)質(zhì)也可作為最終熱處