鋼淬火與回火知識要點

鋼淬火與回火知識要點第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2、淬火的目的：提高零件的硬度，強度，耐磨性。結構鋼通過淬火，回火獲得良好的綜合機械性能。少數工件可以改善鋼的物理和化學性能。3、淬火必要條件：臨界點以上，獲得奧氏體；大于臨界冷速，得到馬氏體或下貝氏體。例如：提高高磁鋼的磁性；不銹鋼淬火以消除第二相，從而改善其耐蝕性。第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

第二節(jié)淬火介質淬火介質：為實現淬火目的用的冷卻介質。理想淬火介質：在A1～650℃緩慢冷卻，以減少熱應力；在過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)域（650～400℃

），快速冷卻；而在MS附近的溫度區(qū)域冷速比較緩慢，它可以減少淬火內應力，避免淬火變形開裂。第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二一、淬火介質的冷卻作用1、分類（1）按聚集狀態(tài)分類：淬火介質有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。最常用介質為液態(tài)介質，淬火時不僅發(fā)生傳熱作用，還會產生物態(tài)變化，因此過程較為復雜。（2）按液態(tài)淬火介質是否具有物態(tài)變化：分為有物態(tài)變化的和無物態(tài)變化的。2、有物態(tài)變化的淬火介質淬火冷卻過程可分為三個階段：（1）蒸氣膜階段：工件表面產生大量過熱蒸汽，緊貼工件形成連續(xù)的蒸汽膜；冷卻主要靠輻射傳熱，冷卻速度較緩慢。第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（2）沸騰階段：進一步冷卻時，工件放出的熱量減少，蒸汽膜厚度減薄并在越來越多的地方破裂，使工件與液體直接接觸，并形成大量氣泡逸出。冷卻速度較快，取決于淬火介質的汽化熱，汽化熱越大，從工件帶走的熱量越多，冷卻速度也越快。（3）對流階段：當工件表面的溫度降至介質的沸點或分解溫度以下時，工件的冷卻主要靠介質的對流進行，隨工件和介質間的溫差減小，冷速也逐漸降低，此時對流傳熱起主導作用第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3、無物態(tài)變化的淬火介質：淬火冷卻主要靠對流散熱。溫度較高時輻射散熱占有很大比例，也有傳導傳熱。二、淬火介質冷卻特性的測定淬火介質冷卻能力最常用的表示方法是所謂的淬火烈度H。1、概念：規(guī)定靜止水的淬火烈度H＝1，其它淬火介質的淬火烈度由與靜止水的冷卻能力比較而得。2、實質：反映鋼內部的熱傳導系數以及鋼與介質間的給熱系數的關系，即淬火介質的冷卻能力。注意：不同淬火介質，在工件淬火過程中其冷卻能力是變化的。幾種常見淬火介質的淬火烈度H，如下表所示。第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三、常用淬火介質及其冷卻特性1．水：

具有良好的物理化學性能，而且來源豐富，價格便宜。冷卻特性：（1）水的冷卻速度在650~400℃溫度范圍內的冷卻速度較??；在馬氏體轉變溫度區(qū)的冷卻速度特別快。不同溫度純水的冷卻特性第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二（2）水溫對冷卻特性影響很大隨水溫提高，水的冷卻速度降低。（3）循環(huán)水的冷卻能力大于靜止水的冷卻能力。不同溫度純水的冷卻特性第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

2．堿或鹽的水溶液水中溶入鹽、堿等物質，減少了蒸汽膜的穩(wěn)定性，使蒸汽膜階段縮短，特性溫度提高從而加速冷卻速度。食鹽水溶液在食鹽濃度較低時隨食鹽濃度的增加而提高，冷速均大于純水的。堿溶液也具有很高的冷卻能力，隨溫度提高冷卻能力降低，工件表面銀白色、好的外觀，但腐蝕嚴重。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3．油冷卻能力比水差，油的冷卻過程也具有三個階段。(1)在高溫區(qū)冷卻速度低；(2)油在500℃～350℃間冷卻速度最快。(3)油在低溫區(qū)（350℃下）冷速較慢。(4)油在20℃～80℃使用，對工件冷速影響不大。第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

4．有機物的水溶液及乳化液。水的冷卻能力很大，但冷卻特性很不理想；油的冷卻特性比較理想，但其能確能力有小一些；因此需要尋找冷卻能力介于兩者之間，而冷卻特性又比較理想的介質。有機物的水溶液是較理想的淬火介質，即在水中加入有機物或礦物鹽，改變（降低）水的冷卻性能。常用的有聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蝕劑。工業(yè)生產中常用乳化液，是礦物油與水經強烈攪拌及振動而成。冷卻能力可通過調配濃度來調節(jié)。常用于表面淬火。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第三節(jié)鋼的淬透性一.淬透性的概念及影響因素1．概念：鋼材被淬透的能力，或者說淬火時獲得馬氏體的能力。不同的鋼種，淬透性是不同的，因此工件表面到內部的截面上淬成馬氏體組織的厚度也不同；淬成馬氏體組織的厚度越大，表示該鋼中的淬透性愈高。這種馬氏體組織厚度通常稱為硬化層厚度或淬透深度、淬硬層深度等。第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2．淬透性與淬硬性的區(qū)別（1）淬透性概念：系指淬火時獲得馬氏體的難易程度；影響因素：主要和鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關，淬透性是鋼材本身固有的一個屬性。（2）淬硬性概念：是指淬成馬氏體可得到的硬度，影響因素：主要和鋼中含碳量有關。淬硬性是鋼淬火后獲得馬氏體的最高硬度。第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二工件淬硬層與冷卻速度的關系第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3．影響鋼的淬透性的因素(1)鋼的化學成分①過共析鋼在正常淬火溫度區(qū)間（低于Accm溫度）加熱含碳量低于1%的鋼，隨含碳量的升高，臨界冷速降低，淬透性提高；含碳量高于1%的鋼，隨含碳量的增加，單調下降,淬透性降低。②鋼在高于Ac3或Accm加熱隨著含碳量的增加，臨界冷速降低，淬透性增加。③合金元素的影響除Co、Ti、Zr以外，大多數合金元素溶入奧氏體后使C曲線右移，提高鋼的淬透性。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

2．奧氏體晶粒度的影響奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高，奧氏體晶粒尺寸對珠光體轉變的延遲作用比貝氏體的大。

3．奧氏體化溫度不僅可以促進奧氏體晶粒增大，而且可以促使碳化物及其它非金屬夾雜物溶入，并使奧氏體成分均勻化，這將提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而提高淬透性。

4．第二相的存在和分布奧氏體中未溶的非金屬夾雜物和碳化物的存在，以及大小和分布，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而影響淬透性。第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二5．鋼的原始組織的影響鋼的原始組織中，由于珠光體的類型（片狀或粒狀）及彌散度的不同，在奧氏體化時，將會影響到奧氏體的均勻性，從而影響到鋼的淬透性。碳化物愈細小，溶入奧氏體愈迅速，從而有利于提高鋼的淬透性。第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第五節(jié)確定淬火工藝規(guī)范的原則淬火工藝方法及應用

淬火工藝規(guī)范包括淬火加熱方式、加熱溫度、加熱時間、冷卻介質及冷卻方式等。確定規(guī)范的依據工件圖紙及技術要求;所用材料牌號;相變點;過冷奧氏體等溫或連續(xù)冷卻曲線;端淬曲線;原始組織;加工工藝路線。第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二一、淬火加熱方式及加熱溫度的確定原則1、加熱方式保護氣氛或鹽浴加熱。裝爐方式：一般是熱爐裝料。對尺寸較大，形狀復雜高合金鋼件采用預熱（預熱爐）或分段式加熱爐加熱。2、淬火加熱溫度主要根據鋼的相變點確定。第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二亞共析鋼加熱溫度為Ac3+30~50℃

；原因：若在Ac1~Ac3加熱，則得到A+F兩相組織,淬火冷卻后,鐵素體保存下來，導致硬度不均勻,強度和硬度降低。若在Ac3以上30~50℃加熱得到A組織，冷卻后得到細小的馬氏體，強度和硬度較高。若加熱溫度在在Ac3以上,得到粗大的奧氏體晶粒，冷卻后得到粗大馬氏體，降低強度和硬度。第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二例題：已知45鋼，Ac1=730℃,AC3=780℃,試確定其淬火加熱溫度，并分析原因。第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二過共析鋼Ac1+30~50OC原因：若加熱溫度在Ac1~Accm之間,得到細小的奧氏體晶粒和未溶解碳化物,淬火后得到隱晶馬氏體和顆粒狀碳化物，提高強度、硬度和耐磨性。若加熱溫度高于Accm，碳化物溶解，得到粗大的奧氏體晶粒，并且含碳量增加；第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二一方面，淬火后得到粗大的片狀馬氏體（孿晶馬氏體），顯微裂紋增加，脆性增大，淬火開裂傾向也增大。另一方面，由于碳化物的溶解，奧氏體中含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二例題：已知T12鋼，Ac1=730℃,ACcm=820℃,試確定其淬火加熱溫度，并分析原因。第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二在工件尺寸大，加熱速度快的情況下，淬火溫度可取Ac3+50~80℃；另外，加熱速度快，起始晶粒細，也允許采用較高的加熱溫度，細晶粒鋼Ac3+100℃。形狀復雜件，易變形工件，加熱速度較慢，淬火溫度取下限?？紤]原始組織時，如果先共析鐵素體比較大或珠光體片間距較大，為加速奧氏體的均勻化過程，淬火溫度取高一些。對合金含量較高的鋼，為加速合金碳化物的溶解，合金元素（均勻化）,采用較高的淬火加熱溫度。第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二二、淬火加熱時間的確定原則τ=αDk

式中，τ為加熱時間，單位min；α為加熱系數，單位min/mm；K:裝爐修正系數；D:零件有效厚度，單位mm。α可查表得到，根據工件直徑以及加熱溫度確定。K:依裝爐量而定。通常為1.5~2.0min/mm。工件有效厚度計算如下：圓柱體取直徑；正方形截面取邊長；板件取板厚；長方形截面取短邊；套筒類工件取壁厚；圓錐體取離小頭2/3長度處直經；球體取球徑的0.6倍。第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二保溫時間的確定第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二三、淬火介質及冷卻方式的選擇與確定1、滿足工件淬透層深度要求的前提下，選擇淬火烈度最低的淬火介質。2、在被淬火鋼的過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)有足夠的冷卻能力，而在馬氏體轉變區(qū)冷卻速度卻又很緩慢。3、淬火介質在使用過程中，應該穩(wěn)定長期使用，存放；不易變質，價格低廉，來源豐富，無毒，無環(huán)境污染。第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二1．單液淬火法概念：把已加熱到淬火溫度的工件淬入一種淬火介質，使其完全冷卻。如曲線a所示。四、淬火方法及其應用特點：操作簡單；易產生淬火應力，導致工件變形或開裂。第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二適用條件：適用于形狀簡單的碳鋼，合金鋼工件；對碳鋼直徑大于3~5mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬；各類合金鋼則以油為常用淬火介質。第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二2．雙液淬火法概念：把加熱到淬火溫度的工件，先在冷卻能力強的淬火介質中冷卻至接近MS點，然后轉入冷卻能力弱的淬火介質中冷卻至室溫。如曲線b所示。第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二特點：保證了獲得較高的硬度層和淬硬層深度?？蓽p小內應力及防止發(fā)生淬火開裂。分級淬火的停留時間難把握。說明：一般用水做快冷淬火介質，用油或空氣做慢冷淬火介質，但較少采用空氣，在水中停留時間為每5~6mm有效厚度約1秒。適用條件：尺寸較大的碳素鋼工件。第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3．噴射淬火法概念：向工件噴射水流的淬火方法。說明：水流可大可小，視所要求的淬火深度而定；用此法，不會在工件表面形成蒸汽膜，能保證比普通水中淬火更深的淬硬層；水流應細密，工件上下運動或旋轉。適用條件：主要用于局部淬火。第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二4．分級淬火法概念：把工件由奧氏體化溫度淬入高于該鋼種的馬氏體開始轉變溫度的淬火介質（鹽浴或堿浴爐）中，在其中冷卻直至工件各部分溫度達到淬火介質的溫度，然后緩冷至室溫，發(fā)生馬氏體轉變。如曲線C所示。第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二特點：減少了熱應力，且馬氏體轉變前工件各部分溫度已趨于均勻，因而馬氏體轉變的不同時現象也減少。說明：淬火介質的溫度（分級溫度）可高于或略低于馬氏體開始轉變溫度；當淬火介質的溫度低于馬氏體轉變開始溫度時，由于溫度比較低，冷卻較劇烈，故可用于較大工件的淬火。各種碳素工具鋼和合金工具鋼（MS=200~250℃）淬火時，分級溫度選擇在250℃附近，但更經常選用120~150℃，甚至100℃

。適用條件：只適用于尺寸較小的工件。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

5．等溫淬火法概念：工件淬火加熱后，若長期保持在下貝氏體轉變區(qū)的溫度使之完成奧氏體的等溫轉變，獲得下貝氏體組織，這種淬火方法稱等溫淬火法。如曲線d所示。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二等溫淬火與分級淬火的區(qū)別在于前者是獲得下貝氏體組織。等溫淬火目的：獲得變形小，硬度高并兼有良好韌性的工件。原因：下貝氏體的硬度較高，而韌性又好，在等溫淬火時，冷卻又較慢，貝氏體的比容也比較小，熱應力、組織應力均很小，所以形狀變形和體積變形也較小。等溫淬火所用淬火介質與分級淬火相同。等溫時間的確定：可根據心部冷卻至等溫溫度所需時間；再加“C”曲線在該溫度完成等溫轉變所需時間而定。等溫后一般采用空冷。第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二第六節(jié)鋼的回火概述1、回火概念：將淬火零件重新加熱到低于臨界點某一溫度，保溫后空冷到室溫的熱處理工藝稱為回火?；鼗饡r的轉變稱為回火轉變。2、回火原因淬火后得到的是馬氏體或馬氏體與殘余奧氏體，在室溫下為亞穩(wěn)定狀態(tài)，都趨于向鐵素體加滲碳體（碳化物）的穩(wěn)定狀態(tài)變化。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二3、回火目的：減少或消除內應力，放止變形和開裂；獲得穩(wěn)定組織；提高塑性、韌性，獲得硬度、強度、塑性與韌性的適當配合。一、淬火鋼在回火時的組織轉變(一)、馬氏體中碳原子的偏聚馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，存在于體心立方扁八面體中的碳原子將使晶體點陣產生嚴重畸變，使馬氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了降低能量，在100℃左右，碳原子就偏聚于位錯或孿晶界面，或板條界，形成微小的碳的富集區(qū)。第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二例如：含碳0.21%的Fe-C合金，奧氏體化后淬火，150℃回火10分鐘，用原子探針測得α基底含碳0.03%，而板條馬氏體的條界碳含量為0.42%，說明淬火或回火過程中，碳偏聚于板條。(二)、馬氏體的分解此過程發(fā)生在溫度高于100℃時，隨回火溫度的升高及時間的延長，富集區(qū)的碳原子發(fā)生有序化然后轉變?yōu)樘蓟?。高碳鋼在?50℃以下回火時，馬氏體分解后形成的低碳α相和彌散ε碳化物組成的復相組織稱為回火馬氏體。在光學顯微鏡下呈黑色針狀。第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二(三)、殘余奧氏體的轉變殘余奧氏體在250℃～300℃間回火時發(fā)生分解；殘余A分解成為ε碳化物和過飽和α，但組織仍是回火馬氏體（或下貝氏體）；在回火第二階段中，殘余A轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體的同時，M還在繼續(xù)分解；M的繼續(xù)分解會使鋼的硬度降低，但由于較弱的殘余A轉變成較硬的下貝氏體，因此鋼的硬度并沒有明顯降低，但淬火內應力進一步減小。第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二(四)、碳化物的轉變馬氏體分解及殘余奧氏體轉變形成的ε－碳化物是亞穩(wěn)定的過渡相。當回火溫度升高到250～400℃時，ε－碳化物則向更穩(wěn)定的碳化物轉變。碳鋼中比ε－碳化物穩(wěn)定的碳化物由兩種：一種是x－碳化物，分子式Fe5C2，具有單斜晶格。另一種是更穩(wěn)定的θ－碳化物，即滲碳體。含C1.34%高碳馬氏體回火時三種碳化物的析出范圍第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

當回火溫度升高到400℃以后，淬火馬氏體完全分解，但α相仍保持針狀外形，先前形成的ε－碳化物以及χ－碳化物此時已經消失，全部轉變?yōu)棣龋蓟?，即滲碳體。當回火溫度升高到400℃以上時，片狀滲碳體長度和寬度之比逐漸縮小，最終形成細小的粒狀滲碳體。這種由針狀α相和細顆粒狀滲碳體組成的機械混合物稱為回火屈氏體。第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二(五)滲碳體的聚集長大以及α相再結晶當回火溫度超過600℃時，細粒狀滲碳體迅速聚集并粗化。在碳化物聚集長大的同時，α相狀態(tài)在不斷變化。當回火溫度為400～600℃時，由于馬氏體分解、碳化物轉變以及聚集長大，使α相的晶格畸變大大減少，因此殘余應力基本消除。碳含量為0.3%鋼回火時第一類內應力的變化第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二在回火過程中，α相也會發(fā)生回復與再結晶。在400℃以上時，開始回復，即板條界的位錯通過攀移、滑移而消失。位錯密度下降，板條合并、變寬。當亞結構為孿晶時，經400℃回火后也消失，但片狀特征仍存在。在600℃以上時，開始再結晶，位錯密度低的板條塊長大，形成多邊形（等軸）鐵素體晶粒和粗粒狀碳化物的機械混合物，稱為回火索氏體。孿晶馬氏體在600℃以上回火時，片狀特征也消除，得到回火索氏體。第四十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期二

總結：淬火碳鋼在不同溫度回火，可得到不同的組織：350℃以下回火，得到針狀α相+ε碳化物，即回火馬氏體(碳化物存在于板條或片內)，記作M′；400℃～500℃回火，得到針狀α相+細粒狀θ碳化物，即回火屈氏體記作T′；500℃～650℃