模塊三　鋼的熱處理

第一篇金屬材料及熱加工基礎(chǔ)模塊三鋼的熱處理課題一概述任務(wù)明確熱處理工藝的目的任務(wù)說明◎明確熱處理工藝的目的。技能點(diǎn)◎明確熱處理后的組織與性能的關(guān)系。知識點(diǎn)◎熱處理的定義、分類及工藝曲線。◎鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。◎鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變。一、任務(wù)實(shí)施熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。（一）任務(wù)引入說明熱處理工藝在生產(chǎn)中的作用。（二）分析及解決問題熱處理工藝在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。它能提高零件的使用性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長零件的使用壽命。此外，熱處理還可以改善零件的工藝性能，提高加工質(zhì)量，減小刀具磨損等。二、知識鏈接（一）熱處理工藝的分類（二）熱處理工藝的基本階段及工藝曲線任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成的。（三）鋼的熱處理的依據(jù)熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生變化，其根本原因是鐵有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而使鋼在加熱和冷卻過程中組織與結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。（四）鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變在熱處理工藝中，鋼的加熱是為了獲得奧氏體。奧氏體的晶粒大小、成分及其均勻程度對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。1．鋼在加熱和冷卻時(shí)的臨界溫度。2．奧氏體的形成將鋼加熱到一定溫度，以獲得全部或部分奧氏體組織的過程稱為鋼的奧氏體化。（1）奧氏體晶核的形成及長大（2）殘余滲碳體的溶解（3）奧氏體成分的均勻化3．奧氏體晶粒大小的控制（五）鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變在熱處理工藝中，常采用連續(xù)冷卻和等溫冷卻兩種冷卻方式，其工藝曲線如圖3-5所示。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，稱為等溫轉(zhuǎn)變，如圖3-5中的曲線2所示。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變是將奧氏體化的鋼從高溫冷卻到室溫，使奧氏體在連續(xù)冷卻條件下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如圖3-5中的曲線1所示。1．共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖由圖可知，過冷奧氏體在各種溫度下的等溫轉(zhuǎn)變并非瞬間就開始的，而需經(jīng)過一段孕育期（即轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的水平距離）。在C曲線拐彎處（約550℃，俗稱“鼻尖”），孕育期最短，此時(shí)奧氏體最不穩(wěn)定，最容易分解。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖是用試驗(yàn)方法建立的，由于其形狀類似英文字母“C”，故又稱為C曲線。2．共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物（2）貝氏體型轉(zhuǎn)變（1）珠光體型轉(zhuǎn)變在A1

～550℃溫度范圍內(nèi)，過冷奧氏體等溫分解為鐵素體和滲碳體的片層狀混合物——珠光體，即奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。在550℃～Ms

溫度范圍內(nèi)，因轉(zhuǎn)變溫度較低，原子的活動能力較弱，過冷奧氏體雖然仍分解成鐵素體和滲碳體（或碳化物）的混合物。但鐵素體中溶解的碳已超過正常的溶解度，轉(zhuǎn)變后得到的組織為碳含量過飽和的鐵素體與分散的滲碳體（或碳化物）組成的混合物，稱為貝氏體，用符號B表示。圖3-7貝氏體的顯微組織a）上貝氏體b）下貝氏體貝氏體有上貝氏體和下貝氏體之分，通常把550～350℃范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為上貝氏體，用符號B

上表示。在350℃～Ms

范圍內(nèi)形成的貝氏體稱為下貝氏體，用符號B下表示。3．馬氏體轉(zhuǎn)變奧氏體化后的鋼被迅速過冷到Ms

以下時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于轉(zhuǎn)變溫度低，原子擴(kuò)散能力小，在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中，只有γ-Fe向α-Fe晶格的改變，而不發(fā)生碳原子的擴(kuò)散。因此，固溶在奧氏體中的碳轉(zhuǎn)變后原封不動地保留在鐵的晶格中，形成碳在α-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體，用符號M表示。（1）馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)1）轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms

～Mf）連續(xù)冷卻過程中進(jìn)行的，馬氏體的數(shù)量隨轉(zhuǎn)變溫度的下降而不斷增多，如果冷卻在中途停止，則奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變也停止。2）轉(zhuǎn)變速度極快。3）轉(zhuǎn)變時(shí)體積發(fā)生膨脹，因而產(chǎn)生很大內(nèi)應(yīng)力。4）轉(zhuǎn)變不能進(jìn)行到底，即使過冷到Mf

以下的溫度，仍有一定量奧氏體存在，這部分奧氏體稱為殘余奧氏體。（2）馬氏體的顯微組織圖3-8a所示為碳含量高（wC>1.0%）的馬氏體，在顯微鏡下呈針片狀，故稱為片狀馬氏體，又稱高碳馬氏體。圖3-8b所示為碳含量低（wC<0.2%）的馬氏體，其形狀為一束束相互平行的細(xì)條，故稱為板條狀馬氏體，又稱低碳馬氏體。而碳含量wC=0.2%～1.0%的奧氏體，則形成片狀馬氏體和板條狀馬氏體的混合組織。馬氏體的硬度主要取決于馬氏體中的碳含量。馬氏體的碳含量越高，其硬度也越高，但當(dāng)鋼中碳含量大于0.6%時(shí)，淬火鋼的硬度增加很慢，如圖3-9所示為碳含量與淬火硬度的關(guān)系。課題二鋼的退火與正火任務(wù)絲錐的預(yù)先熱處理任務(wù)說明◎確定絲錐的預(yù)先熱處理工藝，并說明其作用。技能點(diǎn)◎退火與正火的合理選用。知識點(diǎn)◎各種退火的工藝特點(diǎn)及合理選用?！蛘鸬墓に囂攸c(diǎn)及合理選用。一、任務(wù)實(shí)施（一）任務(wù)引入現(xiàn)制造T12鋼（wC=1.2%）手用絲錐，成品要求硬度達(dá)到60HRC以上，加工工藝路線為：軋制→熱處理（一）→機(jī)械加工→熱處理（二）→機(jī)械加工。試寫出熱處理（一）工序的具體內(nèi)容及其作用。（二）分析及解決問題絲錐是用來加工內(nèi)螺紋的刀具，為了滿足使用性能的要求，成品要求硬度在60HRC以上。因此，要進(jìn)行預(yù)先熱處理，以便于切削加工，同時(shí)為淬火做好組織準(zhǔn)備。1．工藝將鋼加熱到750～760℃（Ac1

以上20～30℃），保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻至600℃以下，再出爐空冷。由于隨爐緩冷至600℃以下，鋼的組織轉(zhuǎn)變已經(jīng)結(jié)束，為提高生產(chǎn)率，即可出爐空冷。2．作用使鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體呈球狀（粒狀），降低硬度，以利于切削加工，同時(shí)為淬火做好組織準(zhǔn)備。二、知識鏈接（一）退火將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。1．主要目的（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(xì)化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或?yàn)橐院蟮臒崽幚碜鰷?zhǔn)備。（3）消除鋼中的殘余內(nèi)應(yīng)力，以防止變形和開裂。2．常用方法（1）完全退火1）工藝。將鋼加熱到Ac3

以上30～50℃（完全奧氏體化），保溫一定時(shí)間，隨后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的工藝方法。2）目的。降低鋼的硬度、細(xì)化晶粒、充分消除內(nèi)應(yīng)力的目的。（2）球化退火1）工藝。將鋼加熱到Ac1

以上20～30℃，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻，使鋼中碳化物呈球狀（粒狀）的工藝方法。2）目的。球狀珠光體同片狀珠光體相比，不但硬度低、塑性好，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。3）應(yīng)用。適用于共析及過共析成分的鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、滾動軸承鋼等。4）注意事項(xiàng)。對網(wǎng)狀滲碳體偏多的鋼，應(yīng)在球化退火前進(jìn)行一次正火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。3）應(yīng)用。主要用于亞共析成分的非合金鋼和合金鋼的鍛件、鑄件、熱軋型材等，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)件。（3）去應(yīng)力退火1）工藝。將鋼加熱到Ac1

以下某一溫度（一般取500～650℃），保溫一定時(shí)間后緩慢冷卻的工藝方法。2）目的。消除由于塑性變形、鑄造、焊接、切削加工等形成的殘余應(yīng)力。由于去應(yīng)力退火溫度低于Ac1，所以鋼的組織不發(fā)生變化，只是消除內(nèi)應(yīng)力。3）應(yīng)用。主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件等的內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定工件尺寸，防止變形或開裂。（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。1．正火與退火的區(qū)別2．正火的主要作用主要區(qū)別是正火的冷卻速度比退火稍快，故正火后得到的組織比較細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度比退火鋼高一些。（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能。（2）對于力學(xué)性能要求不太高的普通結(jié)構(gòu)零件，正火也可作為最終熱處理。（3）消除過共析鋼中的網(wǎng)狀滲碳體，改善鋼的力學(xué)性能，并為球化退火做好組織準(zhǔn)備。（三）退火與正火的選用1．從切削加工性考慮一般來說，對于低碳成分的鋼選用正火為宜；對于中碳成分的鋼，應(yīng)考慮其具體的碳含量及合金元素含量，從而決定是選用正火還是完全退火；對于高碳工具鋼、滾動軸承鋼則應(yīng)選用球化退火作為預(yù)先熱處理。2．從零件的結(jié)構(gòu)形狀考慮對于形狀復(fù)雜或尺寸較大的工件，若采用正火，因冷卻速度較快，可能會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致變形和開裂，所以宜采用退火。3．從經(jīng)濟(jì)性考慮因正火比退火的生產(chǎn)周期短，成本低，操作簡單，故在可能條件下應(yīng)盡量采用正火，以降低生產(chǎn)成本。課題三鋼的淬火與回火任務(wù)絲錐的最終熱處理任務(wù)說明◎確定絲錐的最終熱處理工藝，并說明其作用。技能點(diǎn)◎能合理選擇淬火和回火的方法。知識點(diǎn)◎淬火的目的、加熱溫度的確定和冷卻介質(zhì)的選擇，各種淬火方法的工藝規(guī)范和特點(diǎn)?！蚧鼗鸬姆N類及應(yīng)用?！蚺R界淬火冷卻速度、淬透性、淬硬性的概念。一、任務(wù)實(shí)施（一）任務(wù)引入制造T12鋼（wC=1.2%）手用絲錐，成品要求硬度達(dá)到60HRC以上，加工工藝路線為：軋制→球化退火→機(jī)械加工→熱處理（二）→機(jī)械加工。試寫出熱處理（二）工序的具體內(nèi)容及其作用。（二）分析及解決問題熱處理（二）為淬火加低溫回火。1．淬火（1）工藝將鋼加熱到760～780℃（Ac1以上30～50℃），保溫一定時(shí)間，然后先在水中冷卻至接近Ms

點(diǎn)的溫度，再放入油中冷卻。（2）作用獲得馬氏體，提高硬度和耐磨性。2．低溫回火（1）工藝將鋼加熱到180～200℃，保溫一定時(shí)間，然后空冷到室溫。（2）作用獲得回火馬氏體，保持鋼的高硬度及高耐磨性，而降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性。二、知識鏈接（一）鋼的淬火將鋼加熱到Ac3

或Ac1

以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)方式冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。1．淬火加熱溫度鋼的淬火加熱溫度可根據(jù)Fe-Fe3C相圖來選擇，如圖3-10所示為非合金鋼淬火溫度范圍。亞共析鋼的淬火加熱溫度應(yīng)選擇在Ac3以上30～50℃。共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度應(yīng)選擇在Ac1

以上30～50℃。2．淬火冷卻介質(zhì)常用的淬火冷卻介質(zhì)有油、水、鹽水、堿水等。其中水的冷卻能力介于油和鹽水之間。3．淬火方法（1）單介質(zhì)淬火將鋼件奧氏體化后，在單一淬火介質(zhì)中冷卻到室溫的淬火方法稱為單介質(zhì)淬火，如圖3-11a中的曲線1所示。單介質(zhì)淬火時(shí)非合金鋼一般用水作為冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作為冷卻介質(zhì)。（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，稱為雙介質(zhì)淬火，如先水冷后油冷、先油冷后空冷等，如圖3-11a中的曲線2所示。（3）馬氏體分級淬火鋼件奧氏體化后，隨之浸入溫度為Ms

點(diǎn)附近的鹽浴或堿浴中，保溫適當(dāng)時(shí)間，待工件的表面與心部均達(dá)到鹽浴或堿浴溫度后，取出空冷或油冷，從而獲得馬氏體組織，這種淬火方法稱為馬氏體分級淬火，如圖3-11b所示。（4）貝氏體等溫淬火鋼件奧氏體化后，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，這種淬火方法稱為貝氏體等溫淬火，如圖3-11c所示。4．鋼的淬透性和淬硬性（1）淬透性淬透性是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火后獲得淬硬層深度的能力。（2）淬硬性淬硬性是指鋼在淬火后能達(dá)到最高硬度的能力。鋼的淬硬性主要取決于馬氏體的碳含量。低碳鋼淬火后的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火后的最高硬度值高，淬硬性好。5．淬火缺陷（1）氧化與脫碳1）氧化。指鐵的氧化，即在工件表面形成一層松脆的氧化鐵皮。2）脫碳。指氣體介質(zhì)和鋼表面的碳起作用而逸出，使材料表面碳含量降低。（2）過熱和過燒1）過熱。鋼在淬火加熱時(shí)，由于加熱溫度過高或高溫下停留時(shí)間過長而發(fā)生奧氏體晶粒顯著粗化的現(xiàn)象稱為過熱。2）過燒。加熱溫度達(dá)到固相線附近，使晶界氧化并部分熔化的現(xiàn)象稱為過燒。（3）變形與開裂淬火內(nèi)應(yīng)力是造成工件變形和開裂的原因。（4）硬度不足這是由于加熱溫度過低、保溫時(shí)間不足、冷卻速度過低或表面脫碳等原因造成的。（二）鋼的回火將淬火后的鋼再加熱到Ac1

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為回火。（1）減小或消除內(nèi)應(yīng)力（2）獲得所需的組織和性能（3）穩(wěn)定工件的尺寸和形狀1．回火的目的2．回火的分類及應(yīng)用（1）低溫回火（150～250℃）低溫回火得到的組織是回火馬氏體，其性能：具有高的硬度（58～64HRC）、高的耐磨性和一定的韌性。低溫回火主要用于刀具、量具、冷沖壓模具及其他要求硬而耐磨的零件。（2）中溫回火（350～500℃）中溫回火得到的組織是回火托氏體（鐵素體與極細(xì)小的粒狀滲碳體），其性能：具有高的彈性極限、屈服強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性，硬度可達(dá)35～50HRC。中溫回火主要用于彈性零件及熱鍛模具等。（3）高溫回火（500～650℃）高溫回火得到的組織是回火索氏體（鐵素體與細(xì)粒狀滲碳體），其性能：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），硬度可達(dá)200～330HBW。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)廣泛用于承受交變載荷或沖擊的重要零件，如螺栓、連桿、齒輪、曲軸等。45鋼正火與調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能的比較見表3-2。3．淬火鋼在回火時(shí)性能的變化淬火鋼回火后，由于組織發(fā)生了變化，鋼的性能也隨之發(fā)生改變。其基本趨勢是隨著回火溫度的升高，鋼的強(qiáng)度、硬度下降，而塑性、韌性提高。一般來說