鋼材的熱處理工藝基礎(chǔ)

表1為鋼鐵材料的基本組織。表2為鋼鐵材料的一般熱處理。

1.晶粒和晶界：金屬結(jié)晶后形成的外形不一致、內(nèi)部品格排列方向一致的小晶體，稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的分界面，稱為晶界。

2.相和相界：在金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并有界面相互隔開的均勻組成部分，稱為相。相與相之間的界面，稱為相界。

3.固溶體：在組成合金的一種金屬元素的晶體中溶有另一種元素的原子形成的固態(tài)相，稱為固溶體。固溶體一般有較高的強度、良好的塑性、耐蝕性以及較高的電阻和磁性。表1鋼鐵材料的基本組織序號名

稱含

義1晶粒和晶界金屬結(jié)晶后形成的外形不一致、內(nèi)部品格排列方向一致的小晶體，稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的分界面，稱為晶界。2相和相界在金屬或合金中，凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并有界面相互隔開的均勻組成部分，稱為相。相與相之間的界面，稱為相界。3固溶體在組成合金的一種金屬元素的晶體中溶有另一種元素的原子形成的固態(tài)相，稱為固溶體。固溶體一般有較高的強度、良好的塑性、耐蝕性以及較高的電阻和磁性。4金屬化合物合金中不同元素的原子相互作用形成的、晶格類型和性能完全不同于其組成元素的、具有金屬特性的固態(tài)相，稱為金屬化合物。5奧氏體奧氏體是碳和其他元素溶解在y-Fe中的固溶體。奧氏體具有面心立方晶體，塑性好，一般在高溫下存在。6鐵索體鐵素體是碳和其他元素溶解于a-Fe中的固溶體。鐵素體具有體心立方晶格，含碳量極少，其性能與純鐵極為相似，也叫純鐵體。7滲碳體滲碳體是鐵和碳的化合物，也稱碳化三鐵，含碳量6.69％，具有復雜的品格結(jié)構(gòu)。其性能硬而脆，幾乎沒有塑性。8珠光體珠光體是鐵索體和滲碳體相間的片層狀組織。因其顯微組織有指紋狀的珍珠光澤而得名。其性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度、硬度適中，并具有良好的塑性和韌性。9索氏體亦稱細珠光體，是奧氏體在低于珠光體形成溫度分解而成的鐵素體和滲碳體的混合物。其層片比珠光體細，僅在高倍顯微鏡下才能辨別。硬度、強度和沖擊韌性均高于珠光體。10屈氏體亦稱極細珠光體，由奧氏體在低于珠光體形成溫度分解而成的鐵素體和滲碳體的混合體。其層片比索氏體更細。其硬度和強度均高于索氏體。11貝氏體貝氏體是過飽和鐵素體和滲碳體的混合物。貝氏體又分為上貝氏體和下貝氏體。在較高溫度形成的稱“上貝氏體”，呈羽毛狀；在較低溫度形成的稱“下貝氏體”，呈針狀或竹葉狀。下貝氏體與上貝氏體相比，其硬度和強度更高，并保持一定的韌性和塑性。12馬氏體馬氏體通常是指碳在a-Fe中的過飽和固溶體。鋼中馬氏體的硬度隨碳含量的增加而提高。高碳馬氏體硬度高而脆，低碳馬氏體則有較高的韌性。馬氏體在奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中硬度最高。13萊氏體是碳合金中的一種共晶組織。在高溫時由奧氏體和滲碳體構(gòu)成；在低溫時(727℃以下)，由珠光體和滲碳體構(gòu)成。含碳量為4.3％，組織中含有大量滲碳體，所以硬度高，塑性、韌性低。14斷口檢驗斷口組織是鋼材質(zhì)量標志之一。將試樣刻槽或折斷后用肉眼或10倍放大鏡檢查斷口情況，稱為斷口檢驗。從斷口可以看出金屬的缺陷。15塔形車削發(fā)紋檢驗將鋼材鋸成規(guī)定的塔形或階梯形試樣，然后用酸蝕或磁粉法檢驗發(fā)紋，簡稱塔形檢驗。注：含碳量皆指質(zhì)量分數(shù)

表2鋼鐵材料的一般熱處理名稱熱處理過程熱處理目的1．退火將鋼件加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻到室溫。①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。②細化晶粒，均勻鋼的組織，改善鋼的性能及為以后的熱處理做準備。③消除鋼中的內(nèi)應力。防止零件加工后變形及開裂。退火類別(1)完全退火將鋼件加熱到臨界溫度(不同鋼材臨界溫度也不同，一般是710~750℃，個別合金鋼的臨界溫度可達800~900oC)以上30~50oC，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻(或埋在沙中冷卻)。細化晶粒，均勻組織，降低硬度，充分消除內(nèi)應力完全退火適用于含碳量(質(zhì)量分數(shù))在0.8％以下的鍛件或鑄鋼件。(2)球化退火將鋼件加熱到臨界溫度以上20～30oC，經(jīng)過保溫以后，緩慢冷卻至500℃以下再出爐空冷。降低鋼的硬度，改善切削性能，并為以后淬火做好準備，以減少淬火后變形和開裂,球化退火適用于含碳量(質(zhì)量分數(shù))大于0.8％的碳素鋼和合金工具鋼。(3)去應力退火將鋼件加熱到500～650oC，保溫一定時間，然后緩慢冷卻(一般采用隨爐冷卻)。消除鋼件焊接和冷校直時產(chǎn)生的內(nèi)應力，消除精密零件切削加工時產(chǎn)生的內(nèi)應力，以防止以后加工使用過程中發(fā)生變形。去應力退火適用于各種鑄件、鍛件、焊接件和冷擠壓件等。2．正火將鋼件加熱到臨界溫度以上40～60℃，保溫一定時間，然后在空氣中冷卻。①改善組織結(jié)構(gòu)和切削加工性能。②對機械性能要求不高的零件，常用正火作為最終熱處理。③消除內(nèi)應力。3.

淬火將鋼件加熱到淬火溫度，保溫一段時間，然后在水、鹽水或油(個別材料在空氣中)中急速冷卻。①使鋼件獲得較高的硬度和耐磨性。②使鋼件在回火以后得到某種特殊性能，如較高的強度、彈性和韌性等。淬火類別(1)單液淬火將鋼件加熱到淬火溫度，經(jīng)過保溫以后，在一種淬火劑中冷卻。單液淬火只適用于形狀比較簡單，技術(shù)要求不太高的碳素鋼及合金鋼件。淬火時，對于直徑或厚度大于5～8mm的碳素鋼件，選用鹽水或水冷卻。合金鋼件選用油冷卻。(2)雙液淬火將鋼件加熱到淬火溫度，經(jīng)過保溫以后，先在水中快速冷卻至300~400℃，然后移入油中冷卻。(3)火焰表面淬火用乙炔和氧氣混合燃燒的火焰噴射到零件表面，使零件迅速加熱到淬火溫度，然后立即用水向零件表面噴射，火焰表面淬火適用于單件或小批生產(chǎn)、表面要求硬而耐磨，并能承受沖擊載荷的大型中碳鋼和中碳合金鋼件，如曲軸、齒輪和導軌等。(4)表面感應淬火將鋼件放在感應器中，感應器在一定頻率的交流電的作用下產(chǎn)生磁場，鋼件在磁場作用下產(chǎn)生感應電流，使鋼件表面迅速加熱(2~10min)到淬火溫度，這時立即將水噴射到鋼件表面。經(jīng)表面感應淬火的零件，表面硬而耐磨，而心部保持著較好的強度和韌性。表面感應淬火適用于中碳鋼和中等含碳量的合金鋼件。4．回火將淬火后的鋼件加熱到臨界溫度以下，保溫一段時間，然后在空氣或油中冷卻。回火是緊接著淬火以后進行的，也是熱處理的最后一道工序。①獲得所需的力學性能。在通常情況下，零件淬火后的強度和硬度有很大提高，但塑性和韌性卻有明顯降低，而零件的實際工作條件要求有良好的強度和韌性。選擇適當?shù)幕鼗饻囟冗M行回火后，可以獲得所需的力學性能。②穩(wěn)定組織，穩(wěn)定尺寸。③消除內(nèi)應力。(1)低溫回火將淬硬的鋼件加熱到150~500℃，并在這個溫度保溫一定時間，然后在空氣中冷卻，低溫回火多用于切削刀具、量具、模具、滾動軸承和滲碳零件等。消除鋼件因淬火而產(chǎn)生的內(nèi)應力。類別(2)中溫回火將淬火的鋼件加熱到350～450℃，經(jīng)保溫一段時間冷卻下來，一般用于各類彈簧及熱沖模等零件。使鋼件獲得較高的彈性、一定的韌性和硬度。(3)高溫回火將淬火后的鋼件加熱到500～650℃，經(jīng)過保溫以后冷卻，主要用于要求高強度、高韌性的重要結(jié)構(gòu)零件，如主軸、曲軸、凸輪、齒輪和連桿等。使鋼件獲得較好的綜合力學性能，即較高的強度和韌性及足夠的硬度，消除鋼件因淬火而產(chǎn)生的內(nèi)應力。5．調(diào)質(zhì)將淬火后的鋼件進行高溫(500～600℃)回火多用于重要的結(jié)構(gòu)零件，如軸類、齒輪、連桿等調(diào)質(zhì)一般是在粗加工之后進行的。細化晶粒，使鋼件獲得較高韌性和足夠的強度，使其具有良好的綜合力學性能。6．時

效

處

理(1)人工時效將經(jīng)過淬火的鋼件加熱到100～160℃，經(jīng)過長時間的保溫，隨后冷卻。消除內(nèi)應力，減少零件變形，穩(wěn)定尺寸，對精度要求較高的零件更為重要。(2)自然時效將鑄件放在露天；鋼件(如長軸、絲杠等)放在海水中或長期懸吊或輕輕敲打要經(jīng)自然時效的零件，最好先進行粗加工。7．化學熱處理將鋼件放到含有某些活性原子(如碳、氮、鉻等)的化學介質(zhì)中，通過加熱、保溫、冷卻等方法，使介質(zhì)中的某些原子滲入到鋼件的表層，從而達到改變鋼件表層的化學成分，使鋼件表層具有某種特殊的性能化學熱處理(1)鋼滲的碳將碳原子滲入鋼件表層。常用于耐磨并受沖擊的零件，如：輪、齒輪、軸、活塞銷等。使表面具有高的硬度(HRC60～65)和耐磨性，而中心仍保持高的韌性。(2)鋼滲的氮將氮原子滲入鋼件表層。常用于重要的螺栓、螺母、銷釘?shù)攘慵?。提高鋼件表層的硬度、耐磨性、耐蝕性。類別(3)鋼的氰化將碳和氮原子同時滲入到鋼件表層適用于