熱處理工藝基本知識

1、.,第九章鋼的熱處理工藝,鋼的退火和正火鋼的淬火和回火其它熱處理,.,9.1鋼的退火與正火,9.1.1退火操作及其應(yīng)用,退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟龋匾欢〞r間，然后緩慢冷卻(例如隨爐冷卻)，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做“退火”。,.,1完全退火,方法：將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫一定時間緩慢冷卻(隨爐冷卻或埋入石灰、干沙中自然冷卻)到500以下，取出空冷。,目的：先得到均勻的奧氏體，緩慢冷卻轉(zhuǎn)變基本接近相圖描述轉(zhuǎn)變過程，得到接近平衡組織，降低硬度，便于加工，消除內(nèi)應(yīng)力。用途：碳鋼和合金鋼的鍛、鑄、軋制型材，可作為一般要求工件的最終熱處理，大多為重要零件

2、的預(yù)先熱處理。適用對象：0.30.6%C。低碳或過共析鋼不適用。保溫時間：t=KD(min)，D為工件有效厚度(mm)，一般K=1.52.0min/mm。,.,2等溫退火,完全退火需要的時間很長，尤其是過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，可以采用等溫退火工藝取代完全退火。方法：加熱方法同上(將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050，保溫一定時間)，在溫度到珠光體轉(zhuǎn)變開始前快速冷卻(打開爐門，甚至吹風(fēng))到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)保溫到珠光體轉(zhuǎn)變完畢后，取出空冷。,目的和用途同完全退火，效率和組織控制較好。,.,3.球化退火,方法：將過共析鋼加熱到Ac1以上3050，保溫2-4h，時間，冷卻到Ar1溫度附近時要足夠慢的

3、冷卻(保溫冷卻，比隨爐冷卻還要緩慢)。目的：最終組織為鐵素體的基體上均勻分布顆粒狀的滲碳體，稱為球狀珠光體。用途：降低過共析鋼材料的硬度，保證足夠的韌性，便于進(jìn)行機(jī)械加工，均勻組織為以后淬火作好組織準(zhǔn)備。,.,4.去應(yīng)力退火,方法：將鋼較慢(100150/hr)加熱到500650(低于A1)，保溫后隨爐慢冷(50100/hr)到200300以下出爐。,目的：無相變發(fā)生，組織沒有明顯變化，可完全消除殘余內(nèi)應(yīng)力。如果材料原始有大的彈性應(yīng)變能存在，可發(fā)生再結(jié)晶，組織也會有對應(yīng)的變化。用途：鍛造冷卻未全恢復(fù)塑性變形，鑄件的冷卻熱應(yīng)力，焊接構(gòu)件的熱應(yīng)力，拉、拔、擠壓的加工硬化等都會存在殘余內(nèi)應(yīng)，利用去應(yīng)

4、力退火可以消除變形或其它原因產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。,.,9.1.2正火,將鋼加熱到Ac3和Accm以上3050，保溫得到均勻的奧氏體后，從爐中取出自然空冷，發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變的熱處理工藝稱為“正火”。由于冷速大于退火，得到的珠光體組織較細(xì)，材料硬度和強(qiáng)度均比退火要高。合金鋼在空氣中冷卻可能發(fā)生珠光體型、貝氏體型甚至馬氏體型相變，但正火一般是指空冷時珠光體轉(zhuǎn)變的這一部分。,用途：,中低碳鋼用正火代替退火進(jìn)行預(yù)先熱處理，改善加工性能。普通結(jié)構(gòu)鋼(中碳鋼)正火盡管未達(dá)到最佳性能，但可達(dá)到希望的強(qiáng)度和韌性，可以進(jìn)行機(jī)械加工，作為最終熱處理的成本較低。過共析鋼正火時，可抑制二次滲碳體網(wǎng)狀析出，對已經(jīng)存在網(wǎng)狀碳化物

5、的工具鋼，利用正火先溶化后抑制，用來消除網(wǎng)狀碳化物，為下一部的球化處理作組織準(zhǔn)備。,.,9.2鋼的淬火,淬火：將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫一定時間進(jìn)行奧氏體化，然后快速冷卻到Ms點(diǎn)以下，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝，叫作“淬火”。目的：鋼的淬火組織主要是馬氏體，可以提高鋼的高硬度，保證高的耐磨性和承受高的接觸應(yīng)力。雖然馬氏體不是熱處理所要得到的最終組織，但馬氏體再經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕鼗穑梢缘玫叫枰慕M織和使用性能，最終達(dá)到理想的性能。,.,9.2.1淬火加熱溫度,淬火加熱溫度的確定應(yīng)以獲得晶粒細(xì)小、成分均勻的奧氏體為原則，以便得到細(xì)小的馬氏體組織。,亞共析鋼：Ac3以上3050，鐵素體可以全部溶解得到得

6、到單一的奧氏體，從而消除未溶鐵素體而帶來的軟相。也不宜過高，防止奧氏體晶粒粗大帶來馬氏體粗大，并且溫度高帶來的熱變形也將嚴(yán)重。,過共析鋼：含碳量在0.8以上時，Ac1以上3050。這時得到的馬氏體有了足夠的硬度同時保持未溶解的顆粒狀碳化物也可以提高材料的硬度和耐磨性。如果加熱溫度過高，淬火開裂的傾向加大，淬火后殘余奧氏體量增加反而降低硬度；合金鋼：合金元素大多可以阻止奧氏體晶粒長大，為了合金元素的均勻，加熱溫度和保溫時間都要比碳鋼稍微提高一些。,.,9.2.2淬火冷卻介質(zhì),理想的淬火冷卻速度為保證得到多的馬氏體，冷卻速度應(yīng)該大于臨界冷卻速度Vc；為防止零件變形、開裂，冷卻應(yīng)慢一些。所以理想的冷

7、卻速度如圖，開始冷卻慢一些，在快要發(fā)生組織轉(zhuǎn)變時快冷，以躲開鼻子尖，隨后又慢冷讓馬氏體轉(zhuǎn)變慢慢的進(jìn)行。,常用淬火介質(zhì),鹽水、堿水1015的NaCl水溶液是最強(qiáng)的冷卻介質(zhì)。清水直接冷卻和沸騰的蒸汽冷卻，冷卻能力也很強(qiáng)。堿浴、硝鹽浴熔融的氫氧化鈉、硝酸鹽、亞硝酸鹽導(dǎo)熱能力很強(qiáng)，在120180以上的高溫下有好的冷卻能力。礦物油冷卻能力約為水的1/41/8，用于奧氏體較穩(wěn)定鋼，如大多數(shù)合金鋼，可以有效防止零件的變形開裂。,.,9.2.3淬火方法,單液淬火直接放入某介質(zhì)(水或油)中冷卻到室溫。方法簡單，易于操作。雙液淬火(水淬油冷)對復(fù)雜碳鋼零件，先在水或鹽水中快速冷卻，躲開鼻子溫度，估計溫度低于500

8、時立即轉(zhuǎn)入油中，放慢冷卻速度繼續(xù)冷卻到室溫。,分級淬火淬入150260硝鹽浴中躲過了鼻尖，停留一段時間讓表面和心部溫度均勻，熱應(yīng)力松弛。取出空冷。等溫淬火直接淬入硝鹽浴中保溫，發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變。局部淬火局部加熱法或局部冷卻法冷處理冷卻到室溫以下的過程稱為“冷處理”。,.,9.2.4淬火組織缺陷,加熱缺陷過熱、過燒、氧化脫碳、奧氏體晶粒過大等。硬度不足或出現(xiàn)軟點(diǎn)前者是整體硬度低于要求，后者是個別部位硬度低于要求。產(chǎn)生原因有加熱不足，冷卻介質(zhì)的冷卻能力不夠，工件表面不干凈，局部散熱不良等。變形與開裂零件淬火后發(fā)生變形是熱應(yīng)力和組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)構(gòu)，完全不變形是困難的，但超量的變形甚至開裂則是要防止

9、的。減小變形的途徑有：零件結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)對稱，避免過大的尺寸突變；淬火前組織要均勻，必要時經(jīng)過退火或正火；加熱溫度適當(dāng)，不要過熱；冷卻介質(zhì)和方法適當(dāng)，包括入水的角度；及時回火，防止當(dāng)時未裂在放置時開裂。,.,9.2.5鋼的淬透性,當(dāng)試樣尺寸較大時，從表面向內(nèi)冷卻速度逐漸減小，當(dāng)冷卻速度低于Vc，就不能得到全部馬氏體，隨著深度的加深，馬氏體的數(shù)量愈來愈少，到達(dá)一定的深度后，冷卻速度低于Vc，根本不能發(fā)生馬氏體相變。所以大尺寸試樣想全部得到馬氏體是不可能的，隨著馬氏體數(shù)量的減少，對應(yīng)的硬度也不斷下降，通常把淬火鋼從表面到馬氏體組織占50處的距離成為淬透層深度。實際淬透層的深度除了與材料本身有關(guān)

10、外，還與試樣的大小、冷卻方式有密切的關(guān)系。,淬透層深度,1.淬透性的概念,.,同樣形狀和尺寸的工件，在同樣加熱和冷卻條件下淬火，由于鋼種類不同，淬透層的深度將不同，把鋼在淬火后能獲得淬透層深度的一種性質(zhì)或獲得馬氏體的能力叫淬透性。它是一種材料特性，與零件的尺寸和淬火工藝無關(guān)，并不直接表明鋼淬火能得到多大的淬透層深度，同樣淬透性的鋼，用不同冷卻方法得到的淬透層深度是不一樣的。,淬透性,.,淬硬性指在正常情況下，淬火后能得到多高的硬度，也就是形成全部馬氏體所能達(dá)到的最高硬度。顯然它決定于淬火時奧氏體的含碳量。淬火后的實際硬度決定于鋼的淬硬性和實際獲得的馬氏體比例。,鋼的淬透性好壞取決于鋼的過冷奧氏

11、體的穩(wěn)定性，即C曲線上的臨界冷卻速度?？偟膩碚f有：,鋼的含碳量，共析鋼的淬透性最高；合金元素中除Co外，絕大部分都使C曲線右移，提高淬透性；鋼的成分組織不均勻，或因含有某些微量雜質(zhì)，組成第二相質(zhì)點(diǎn)存在，可促使奧氏體分解，降低鋼的淬透性；奧氏體化的溫度、時間參數(shù)影響奧氏體的均勻性和穩(wěn)定性，影響淬透程度，但這不全部為材料特征。,影響淬透性的因素,.,2.淬透性的測定方法,目前普遍采用的是“末端淬火法”(簡稱端淬)方法，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB22563執(zhí)行。,將f25100的試樣加熱奧氏體化后，迅速放在專門的設(shè)備中噴水冷卻。噴水條件：噴水管孔直徑f12.5，水溫23-30，自由水柱高度655mm，噴水口到端

12、面距離12.5mm。測量出到端面不同距離的硬度，作出硬度距離曲線，即淬透性曲線。,淬透性的表示方法：JHRC-d，其中J表示端淬法，HRC為硬度，d到端面的距離。J40-6表示在淬透性帶上距末端6mm處的硬度為40HRC。顯然J40-6比J35-6淬透性好。,.,3.淬透性的意義,鋼的淬透性不同，淬火后表層和心部的組織、性能也有一定的差別，在機(jī)械設(shè)計和施工工藝主要注意以下問題：,重要零件對心部性能要求較高的，如連桿、鍛模等，為保證心部的性能需要淬透，選用淬透性較高的鋼；對焊接件為減小熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，造成變形開裂，應(yīng)用淬透性較低的鋼為宜。根據(jù)鋼的淬透性不同，在淬火時選用合適的淬火冷卻介質(zhì)

13、。對于大尺寸、低淬透性的鋼，反正淬不透，進(jìn)行淬火后回火的意義不大，經(jīng)常直接用正火來代替調(diào)質(zhì)，可以減少因淬火帶來的可能開裂，工藝簡單經(jīng)濟(jì)。,.,.,9.3鋼的回火,9.3.1回火概念,消除內(nèi)應(yīng)力鋼在淬火后，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，加上淬火馬氏體性能較脆時，容易出現(xiàn)開裂，有的零件淬火當(dāng)時未裂，在大的內(nèi)應(yīng)力作用下，放置或稍有受力就開裂。利用回火可以消除或減小內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到防止以后變形開裂。,將淬火后的工件，加熱到A1以下的某一溫度，保溫一段時間，然后冷卻到室溫的一種熱處理工藝操作叫“回火”。,目的,.,9.3.5回火種類及其應(yīng)用,回火溫度為150250，得到的組織為回火馬氏體，保留淬火時的高硬度，消除淬火的

14、殘余應(yīng)力。這時鋼有好的耐磨性，常用于軸承、冷作模具的熱處理，回火溫度低于200時，硬度可達(dá)到5864HRC。,低溫回火,.,回火溫度為350500，得到的組織是回火屈氏體，在具有一定韌性的同時，有高的彈性極限和屈服強(qiáng)度。主要用于彈簧類和要求較高強(qiáng)度硬度又要一定韌性的工件，如刀桿、軸套等。,中溫回火,.,回火溫度為500650，得到的組織是回火索氏體，目的是使鋼得到強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性有良好配合的綜合力學(xué)性能，尤其是沖擊韌性高，且可以直接進(jìn)行機(jī)械加工。淬火后進(jìn)行高溫回火的工藝通常稱為“調(diào)質(zhì)”處理。主要用于承受較大應(yīng)力，特別是有沖擊應(yīng)力場合下的結(jié)構(gòu)零件，如各種軸、連桿、齒輪等，對具有第二類回火脆

15、性的鋼注意回火后應(yīng)在水或油中冷卻。,高溫回火,.,9.4鋼的表面熱處理,機(jī)械零件在服役時，常常要求表面與心部具有不同的力學(xué)性能，能更好的發(fā)揮材料的潛力作用。例如在機(jī)械中常用的齒輪，表面承受巨大的接觸應(yīng)力，希望有高的硬度來提高其耐磨性和接觸疲勞抗力，同時又要傳遞動力，齒部經(jīng)受彎曲疲勞，要求材料有高的韌性，但一般材料當(dāng)硬度高時韌性就差，然而若材料表面具有高硬度，心部有高的韌性就可以兼顧二者的需求，內(nèi)燃機(jī)的曲軸也是同樣的情況，傳遞動力且軸頸處耐磨。達(dá)到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多種：一種是相同的材料，表面和心部經(jīng)過不同方式的熱處理；另一種方法是通過改變材料表面成分的方法來達(dá)到具有不同的性能

16、。,.,9.4.1表面淬火,基本原理：首先對零件進(jìn)行整體熱處理，讓零件心部達(dá)到要求的性能，例如軸、機(jī)床齒輪類先進(jìn)行調(diào)質(zhì)，再利用快速加熱的方法，只將工件的部分表層奧氏體化，然后淬火。表面淬火不改變材料的化學(xué)成分，只表面獲得馬氏體組織，得到強(qiáng)化和硬化心部組織并不發(fā)生變化，保持高的韌性。淬火組織：加熱時，從表面到心部的溫度不同，淬火后組織也不同，最表層加熱溫度到Ac3以上，為細(xì)小的馬氏體，可能有少量未溶的鐵素體；次表層溫度在Ac1Ac3之間，加熱組織為鐵素體加奧氏體，淬火組織為鐵素體加馬氏體或鐵素體加屈氏體；里層溫度在Ac1以下，未奧氏體化，不可能形成馬氏體，心部依然保留原始組織。,.,3.加熱方法

17、,感應(yīng)加熱表面淬火,工件置于中頻或高頻(500-500kHz)的交變磁場中，在工件上有感應(yīng)電流，由于電流的集膚效應(yīng)，電流集中于表層，大的電流產(chǎn)生的熱量將工件表面迅速達(dá)到8001000，然后迅速置于水中或噴水冷卻，達(dá)到表層淬硬的結(jié)果。由于加熱速度快，溫度高，奧氏體晶粒細(xì)，硬度高于普通淬火硬度23HRC，象45、40Cr、40MnB經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)后表面淬火，表層硬度大于50HRC。,.,感應(yīng)加熱表面淬火,感應(yīng)功率越大，頻率越高，淬硬層越淺。如20-500kHz獲得的淬硬層2mm，而0.510kHz下淬硬層為26mm。此外感應(yīng)圈的形狀和結(jié)構(gòu)對淬火質(zhì)量也有很大的影響。,火焰加熱表面淬火,用氧乙炔(或其它

18、燃料氣)的高溫火焰，可達(dá)近3000，快速加熱工件的表面，使表層迅速達(dá)到淬火溫度，噴水冷卻，也能達(dá)到表面淬火的目的。根據(jù)操作者控制，淬硬層深度可在0.86mm范圍。優(yōu)點(diǎn)是簡單、方便、價廉，特別是大型工件，但質(zhì)量的控制完全決定于操作者。,.,9.4.2化學(xué)熱處理簡介,化學(xué)熱處理是將材料置于一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱、保溫，使介質(zhì)中一種或幾種元素的原子滲入工件表層，以改變工件表層化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，來獲得心部和表層兼顧有不同性能要求的熱處理方法。,過程：,介質(zhì)分解出活性原子介質(zhì)加熱分解釋放出待滲活性原子；界面上的原子交換活性原子被材料表面吸收和溶解；材料內(nèi)原子的擴(kuò)散吸收滲入的原子向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散

19、層，以保溫時間來控制擴(kuò)散層的深度。,種類：鋼利用化學(xué)熱處理能改變的成分有C、N、O、H、B等原子尺寸較小的元素或少數(shù)活性元素，如Al。在熱處理中無論有意或無意使鋼表層發(fā)生成分變化的有氧化還原、脫碳、滲碳、氮化、滲硼、滲鋁等。,.,9.4.3滲碳,1.目的及用途：提高鋼制工件表面的含碳量然后淬火，達(dá)到提高工件表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞性，并使心部具有良好的塑性和韌性。主要用于承受強(qiáng)摩擦、沖擊應(yīng)力及易發(fā)生接觸疲勞損傷的零件，如汽車齒輪、銷軸、鏈條、套筒、摩擦片等。,2.滲碳用鋼低碳鋼或低碳合金鋼，淬火后心部得到低碳馬氏體，保持好的塑性和韌性。,3.滲碳方法：,為了環(huán)保和便于控制，目前基本上都采用

20、氣體滲碳法。通入爐內(nèi)的有丙烷、天然氣或滴入甲醇、乙醇、丙酮、煤油等，經(jīng)過一次高溫分解后，氣體的主要成分有CO、CO2、H2、H2O、CH4、N2等。按化學(xué)平衡原理，存在一定量的活性碳C，可以向奧氏體中溶解。,.,4.基本原理,分解、吸附、擴(kuò)散三過程活性原子的產(chǎn)生2COCO2+C；CH42H2+C;CO+H2H2O+C對于滲氮：2NH33H2+2N;由于活性原子處于高能狀態(tài)，能克服鋼件表面鐵原子的結(jié)合力進(jìn)入其表層晶格。加入催化劑促進(jìn)活性原子的產(chǎn)生，如Na2CO3、BaCO3等分解放出CO2,CO2再和碳粒反應(yīng)生成CO,CO在鋼表面反應(yīng)分解出C?；钚栽拥奈胶蛿U(kuò)散鋼件表面存在很多位錯和晶界露頭，為活性原子滲入提供了通道。表面越干凈、越新鮮，粗糙度高，吸附能力越強(qiáng)。一般滲前對鋼件表面采用化學(xué)方法進(jìn)行輕微侵蝕，促進(jìn)原子吸附和擴(kuò)散。,.,5.控制參數(shù),控制氣體的成分決定表層的含碳量；滲碳溫度高，原子的活動能力強(qiáng)，滲碳速度快，同樣滲層深度可節(jié)省時間，提高生成率；過高的溫度會使?jié)B碳時間內(nèi)奧氏體晶粒過快長大，一般鋼件常用920；滲層深度用滲碳保溫的時間來保證。,.,.,6.滲碳后的熱處理,為保證表層的