鋼的熱處理工藝

鋼的熱處理工藝熱處理是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞郊訜?、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。熱處理工藝它能提高零件的使用性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長(zhǎng)零件的使用壽命，此外，熱處理還可改善工件的工藝性能﹑提高加工質(zhì)量﹑減小刀具磨損。鋼的熱處理方法可分為：退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等五種。熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段所組成的，因此，熱處理工藝過(guò)程可用在溫度一時(shí)間坐標(biāo)系中的曲線(xiàn)圖表示，如下圖所示，這種曲線(xiàn)稱(chēng)為熱處理工藝曲線(xiàn)。退火與正火一、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(chēng)為退火。退火的主要目的是：降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。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(kāi)裂。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應(yīng)力退火等幾種。（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)組織的工藝方法。在完全退火加熱過(guò)程中，鋼的組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，在冷卻過(guò)程中，奧氏體變?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)鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材等，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)件，過(guò)共析鋼不宜采用完全退火，因過(guò)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。（2）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(lái)，使鋼中碳化物呈球狀的工藝方法。球化退火適用于共析鋼及過(guò)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，同時(shí)為最后的淬火處理作好組織準(zhǔn)備。（3）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，其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。工件和零件中存在的內(nèi)應(yīng)力是十分有害的，如不及時(shí)消除，會(huì)在加工和使用過(guò)程中發(fā)生變形，影響其精度，因此，鑄造、鍛造、焊接及切削加工后（精度要求高）的工件應(yīng)采用去應(yīng)力退火。由于去應(yīng)力退火溫度低于A1，所以在去應(yīng)力退火時(shí)鋼的組織不會(huì)發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。二、正火正火是將鋼加熱到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。正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火鋼高。正火主要用于如下場(chǎng)合：改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性，一般認(rèn)為硬度在160～230HBS范圍內(nèi)的鋼材，其切削加工性最好，硬度過(guò)高時(shí)難以加工，而且刀具容易磨損，硬度過(guò)低，切削時(shí)容易“粘刀”，使刀具發(fā)熱而磨損，而且工件的表面質(zhì)量較低，低碳鋼和低碳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。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)，正火可作最終熱處理，也能滿(mǎn)足普通結(jié)構(gòu)零件的性能要求。消除過(guò)共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體，改善鋼的力學(xué)性能，并為球化退火作組織準(zhǔn)備。代替中碳鋼和低碳合金結(jié)構(gòu)鋼的退火，改善它們的組織結(jié)構(gòu)和切削加工性能。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)，由于正火的速度較快，有引起開(kāi)裂的危險(xiǎn)，則采用退火為宜。淬火將鋼加熱到AC3或AC1以上某溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱(chēng)為淬火。淬火的主要目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。淬火冷卻介質(zhì)淬火要求得到馬氏體組織，故淬火的冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，但冷卻過(guò)快，工件的體積收縮及組織轉(zhuǎn)變劇烈，從而引起很大的內(nèi)應(yīng)力，容易造成工件變形及開(kāi)裂，因此，淬火介質(zhì)的選擇是個(gè)重要的問(wèn)題。常用的淬火冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水、堿水等，其冷卻能力依次增加，鹽水在650～550℃范圍內(nèi)冷卻速度快，但在300～200℃的溫度范圍內(nèi)冷卻速度仍然很快，容易引起開(kāi)裂，所以常用作形狀簡(jiǎn)單的碳鋼零件的淬火。油在300～200℃的溫度范圍內(nèi)冷卻速度比較慢，但在650～500℃范圍內(nèi)冷卻速度過(guò)慢，一般用于臨界冷卻速度較小的合金鋼零件的淬火。淬火方法：淬火時(shí)為了最大限度地減小變形和避免開(kāi)裂，除了正確的進(jìn)行加熱及合理地選擇介質(zhì)，還應(yīng)根據(jù)工件的材料、尺寸、形狀和技術(shù)要求選擇合理的淬火方法。常用的淬火方法有：1、單液淬火法：將鋼體奧氏體化后，在單一淬火介質(zhì)中冷卻到室溫的處理，稱(chēng)為單液淬火。單液淬火時(shí)碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。單液淬火操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，但單獨(dú)用水或油進(jìn)行冷卻，綜合的冷卻特性不夠理想，容易產(chǎn)生硬度不足或開(kāi)裂等淬火缺陷。2、雙介質(zhì)淬火將鋼件奧氏體化后，先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中，冷卻至接近MS點(diǎn)溫度即鋼的組織還未開(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)迅速取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱(chēng)為雙介質(zhì)淬火。如先水后油，先水后空氣等。雙介質(zhì)淬火的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)應(yīng)力小，變形及開(kāi)裂小。缺點(diǎn)是操作困難，不易掌握，故主要應(yīng)用于由碳素工具鋼制造的易開(kāi)裂工件，如絲錐等。3、馬氏體分級(jí)淬火鋼材奧氏體化后，隨之浸入溫度稍高或稍低于鋼的MS點(diǎn)的液態(tài)介質(zhì)中，保溫適當(dāng)時(shí)間，待工件的內(nèi)外層均達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷或油冷，從而獲得馬氏體組織，稱(chēng)為馬氏體分級(jí)淬火。4、貝氏體等溫淬火鋼材料奧氏體化后，放入溫度稍高于MS點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保溫足夠時(shí)間，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，這種熱處理工藝稱(chēng)為貝氏體等溫淬火。貝氏體等溫淬火的主要目的是強(qiáng)化鋼材，使工件獲得強(qiáng)度和韌性的良好配合，以及較高硬度和較好的耐磨性。貝氏體等溫淬火可以顯著地減小淬火應(yīng)力和變形，基本上避免了工件的淬火開(kāi)裂，故常用來(lái)處理形狀復(fù)雜的各種模具、成形刀具等。鋼的淬硬性和淬透性：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材料的臨界冷卻速度，則沿工件的整個(gè)截面均能獲得馬氏體組織，即鋼被完全淬透了，如中心部分低于臨界冷卻速度，則表面得到馬氏體，心部則獲得非馬氏體的組織。淬透性是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力，顯然，淬透性好的鋼較淬透性差的鋼易于整體淬硬。鋼的淬透性與鋼的臨界冷卻速度有密切的關(guān)系，臨界冷卻速度越低，鋼的淬透性越好，所以，能增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學(xué)成分）均可以提高鋼的淬透性，例如：合金鋼的淬透性比碳鋼好。淬透性是鋼重要的熱處理要求，其主要表現(xiàn)在兩方面：其一是淬透性好的鋼，經(jīng)淬火回火后，截面上組織均勻一致，綜合力學(xué)性能好。其二是淬透性好的鋼，在淬火冷卻時(shí)可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減小工件淬火的變形及開(kāi)裂傾向。淬硬性是指鋼在理想條件下，淬火成馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度，鋼的淬硬性主要取決于鋼的含碳量，低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好，淬硬性和淬透性是具有不同意義的兩個(gè)概念。淬火缺陷：1、氧化與脫碳鋼加熱時(shí)，爐內(nèi)氧化氣氛與鋼材料表面的鐵或碳相互作用，引起氧化和脫碳。所謂氧化，是指鐵的氧化，即在工件表面形成一層松脆的氧化鐵皮，氧化不僅造成金屬的損耗，還影響工件的承載能力和表面質(zhì)量等。所謂脫碳，是指氣體介質(zhì)和鋼表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低，脫碳會(huì)降低工件表層的強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度，對(duì)于彈簧、軸承和各種工具、模具等，脫碳是嚴(yán)重的缺陷。為了防止氧化和脫碳，對(duì)重要受力零件和精密零件，通常應(yīng)在鹽浴爐中加熱，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。2、過(guò)熱和過(guò)燒鋼在淬火加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高或高溫下停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而發(fā)生奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象，稱(chēng)為過(guò)熱。加熱溫度達(dá)到固相線(xiàn)附近，使晶界氧化并部分熔化的現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)燒。工件過(guò)熱后，晶粒粗大，不僅降低鋼的力學(xué)性能（尤其是韌性），也容易引起變形和開(kāi)裂，過(guò)熱可以用正火處理予以糾正，而過(guò)燒后的工件只能報(bào)廢。為防止工件的過(guò)熱和過(guò)燒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間。3、變形與開(kāi)裂淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開(kāi)裂的原因，對(duì)于變形量小的工件可采取某些措施予以糾正，而變形量太大或開(kāi)裂的工件只能報(bào)廢。為了防止變形和開(kāi)裂的產(chǎn)生，可采用不同的淬火方法（如分級(jí)淬火或等溫淬火）或在設(shè)計(jì)上采取一些措施（如結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、截面均勻、避免尖角等）。4、硬度不足這是由于加熱溫度過(guò)低，保溫時(shí)間不足，冷卻速度過(guò)低或表面脫碳等原因造成的，一般情況下，可采用重新淬火消除，但淬火前要進(jìn)行一次退火或正火處理。鋼的回火將淬火后的鋼，再加熱到AC1點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱(chēng)為回火。淬火鋼回火的目的如下：消除內(nèi)應(yīng)力通過(guò)回火減少或消除工件在淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止工件在使用過(guò)程中的變形。獲得所需要的力學(xué)性能通過(guò)回火可提高鋼的韌性，適當(dāng)調(diào)整鋼的強(qiáng)度和硬度，使工件具有較好的綜合力學(xué)性能。穩(wěn)定組織和尺寸回火可使鋼的組織穩(wěn)定，從而保證工件在使用過(guò)程中尺寸穩(wěn)定。回火的分類(lèi)及應(yīng)用：回火時(shí)，決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度，回火溫度可根據(jù)工件要求的力學(xué)性能來(lái)選擇。低溫回火(150-250℃)低溫回火得到的組織是回火馬氏體，其性能是：具有高的硬度(58-64HRC)，高的耐磨性和一定的韌性，低溫回火主要是用于量具、刀具、冷沖壓模及其他要求耐磨而硬的零件。中溫回火(350-650℃)中溫回火得到的組織是回火托氏體，其性能是：具有高的彈性極限、屈服點(diǎn)和適當(dāng)?shù)捻g性，硬度可達(dá)到35-50HRC，中溫回火主要用于彈性零件及熱鍛模具等。高溫回火(500-650℃)高溫回火得到的組織是回火索氏體，其性能是：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(chēng)為“調(diào)質(zhì)”。調(diào)質(zhì)處理廣泛用于受力構(gòu)件，如螺栓、連桿、齒輪、曲軸等。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。鋼的表面熱處理在機(jī)械設(shè)備中，有許多零件（如齒輪、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的，這類(lèi)零件表面須具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性，為滿(mǎn)足這類(lèi)零件的性能要求，就要進(jìn)行表面熱處理。常用表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。一、表面淬火僅對(duì)工件表層進(jìn)行淬火的工藝稱(chēng)為表面淬火，根據(jù)淬火加熱方法的不同，常用的有火焰加熱表面淬火和感應(yīng)加熱表面淬火兩種。1.火焰加熱表面淬火應(yīng)用氧-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(chēng)為火焰加熱表面淬火?；鹧娲慊鸬拇阌矊由疃纫话銥?-6mm，這種方法的特點(diǎn)是：加熱溫度及淬硬層深度不易控制，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，但不需要特殊設(shè)備，一般適用于單件或小批量生產(chǎn)。2.感應(yīng)加熱表面淬火利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱效應(yīng)，使工件表面局部加熱，然后快速冷卻的淬火工藝稱(chēng)為感應(yīng)加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)：﹙1﹚加熱速度快，零件由室溫加熱到淬火溫度僅需幾秒到幾十秒。（2）淬火質(zhì)量好，由于加熱迅速，奧氏體晶粒不易長(zhǎng)大，淬火后表層可獲得細(xì)針馬氏體，硬度比普通淬火高2-3HRC。（3）淬硬層深度易于控制，淬火操作易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適用于大批量生產(chǎn)，但設(shè)備較復(fù)雜。表面淬火主要適用于中碳鋼、中碳合金鋼，如果含碳量太低，淬火后硬度低，而含碳量過(guò)高，則容易淬裂。二、化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度在活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學(xué)成分﹑組織和性能的熱處理工藝，稱(chēng)為化學(xué)熱處理。化學(xué)熱處理與其它熱處理相比，不僅改變了鋼的組織。而且鋼表層的化學(xué)成分也發(fā)生了變化?；瘜W(xué)熱處理的種類(lèi)很多，根據(jù)滲入的元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲﹑滲金屬等多種。不論哪一種方法，都是通過(guò)以下三個(gè)基本過(guò)程來(lái)完成。（1）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。（2）吸收活性原子被工件表面吸收。（3）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(即滲層)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)熱處理稱(chēng)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。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(lái)制造。滲碳方法可分為固體滲碳、鹽浴滲碳及氣體滲碳三種，應(yīng)用較為廣泛的是氣體滲碳。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少。心部仍保持原來(lái)低碳鋼的含碳量。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，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(chēng)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。滲氮分為氣體滲氮、離子滲氮。1.氣體滲氮：工件在氣體介質(zhì)中進(jìn)行滲氮稱(chēng)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，氨氣分解出活性氮原子，活性氮原子與鋼表面的合金原素Al、Cr、Mo形成氮化物，并向心部擴(kuò)散。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)：1）滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，工件滲氮后不用淬火表面就可得到高硬度。2）滲氮溫度低(一般約為570℃)，工件變形小。3）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。滲氮雖具有上述優(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，在生產(chǎn)中滲氮主要用來(lái)處理重要和復(fù)雜的精密零件，如精密絲杠、精密機(jī)床的主軸、排氣閥等。滲氮用鋼是含有Al、Cr、Mo等合金元素的鋼。2.離子滲氮在低于一個(gè)大氣壓的滲氮?dú)夥罩些o利用工件（陰極）和陽(yáng)極之間產(chǎn)生的輝光放電進(jìn)行滲氮的工藝﹐稱(chēng)為離子滲氮。離子滲氮具有速度快﹐生產(chǎn)周期短﹑滲氮質(zhì)量高﹑工件變形小﹑對(duì)材料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)﹐目前離子滲氮還存在投資大﹑裝爐量小﹑測(cè)溫困難及質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題。3.碳氮共滲在一定溫度下﹐將碳﹑氮同時(shí)滲入工件表層奧氏體中（以滲碳為主）的化學(xué)熱處理工藝﹐稱(chēng)為碳氮共滲﹐常用的為氣體碳氮共滲﹑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(chǎng)里