钢的普通热处理

钢的普通热处理钢的热处理工艺是根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律制定的具体加热、保温和冷却的工艺。可分为预先热处理和最终热处理。一、钢的退火和正火1、钢的退火将钢加热到适当温度（临界温度以上3050），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。退火和正火的主要目的1）调整硬度以便进行切削加工。2）消除残余内应力，减少工件在后续加工中的变形和开裂。3）细化晶粒，改善组织，提高力学性能。（正火可消除过共析钢中的网状Fe3C）4）为最终热处理（如淬火）做好准备。退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火。,1）完全退火完全退火又称重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030,保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却),以获得接近平衡组织（铁素体+珠光体）的热处理工艺。完全退火一般用于亚共钢。目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。2）等温退火等温退火是将钢件加热到高于Ac3(或Ac1)的温度,保温适当时间后,较快地冷却到珠光体区的某一温度,并等温保持,使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。等温退火的目的与完全退火相同,能获得均匀的预期组织;对于奥氏体较稳定的合金钢,可大大缩短退火时间。,3）球化退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。过共析钢球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。,球状珠光体,4）扩散退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100200）的温度，长时间保温（10h15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。5）去应力退火为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温度(一般为500650)，保温后随炉冷却,这种处理可以消除约50%80%的内应力,不引起组织变化。,2、正火钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和Accm(对于过共析钢)以上3050,保温适当时间后,在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火。正火后的组织：亚共析钢为F+S,共析钢为S,过共析钢为S+Fe3CII。正火的目的是使钢的组织正常化，一般应用于以下方面：1作为最终热处理正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。2作为预先热处理截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理（淬火加高温回火）前常进行正火，以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于过共析钢可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。3.改善切削加工性能,正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火高。,碳钢的各种退火、正火加热温度范围、工艺曲线,二、淬火将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢为Ac1以上3050），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。1、淬火温度的确定,钢的淬火温度范围,2、淬火冷却介质理想淬火冷却曲线,常用的淬火冷却介质,3、常用的淬火方法为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火、局部淬火、冷处理等。1）单液淬火将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。优点：操作简单，容易实现自动化缺点：易产生淬火缺陷，水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。,2）双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近Ms点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。（油淬水冷）优点：内应力小，变形及开裂小。缺点：操作困难，不易掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。,3）马氏体分级淬火：定义：将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再取出空冷以获得马氏体。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织应用：尺寸小，形状复杂工件,4）贝氏体等温淬火：定义：将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉空冷。优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的综合力学性能。应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等。,各种淬火方法示意图,单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火,不同冷却条件下的转变产物,等温退火,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),淬火,P,P,均匀A,细A,？,？,？,4、钢的淬透性1）淬透性的概念指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体或半马氏体组织深度的能力。,2）影响淬透性的因素:(1)碳含量在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。(2)合金元素除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。(3)奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。(4)钢中未溶第二相钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。,3）淬透性的应用:淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火质，减小工件淬火的变形及开裂倾向。,淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响,4）淬透性的测定及其表示方法:,用末端淬火法测定钢的淬透性,根据GB225-63规定,钢的淬透性值用JHRC/d表示。其中J表示末端淬火的淬透性,表示距水冷端的距离,HRC为该处的硬度。例如,淬透性值J42/5,即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。淬透性曲线的应用,5）钢的淬硬性钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，它主要决定于M的碳含量。,6）淬火缺陷,氧化与脱氧钢加热时，炉内氧化气氛于钢材料表面的铁或碳相互作用，引起氧化和脱氧。氧化，是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮。氧化不仅造成金属的损耗，还影响工件的承载能力和表面质量等。脱碳，是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度，对于弹簧、轴承和各种工具、模具等，脱碳是严重的缺陷。为了防止氧化和脱碳，对重要受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。,过热和过烧钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能（尤其是韧性），也容易引起变形和开裂。过热可以用正火处理予以纠正，而过烧后的工件只能报废。为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间。变形与开裂淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因。对于变形量小的工件可采取某些措施予以纠正，而变形量太大或开裂的工件只能报废。为了防止变形和开裂的产生，可采用不同的淬火方法（如分级淬火或等温淬火等）或在设计上采取一些措施（如结构对称、截面均匀、避免尖角等）。,硬度不足由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度过低或表面脱碳等原因造成的。一般情况下，可采用重新淬火消除，但淬火前要进行一次退火或正火处理。,三、回火钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。1低温回火回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多可忽略。所以亚共析钢低温回火后组织为回火马氏体(M回火)。过共析钢低温回火后组织为回火马氏体碳化物残余奥氏体。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。主要用于处理各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火的零件。,2、中温回火回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火托氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。回火托氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。主要用于处理各类弹簧。3、高温回火回火温度为500650,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体(回火S)。,回火索氏体综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。广泛用于各种重要的机器结构件，是受交变载荷的零件，如连杆、轴、齿轮等。也可作为某些精密工件如量具、模具等的预先热处理。钢在回火时会产生回火脆性现象,即在250400和450650两个温度区间回火后,钢的冲击韧性明显下降。,第三节钢的表面热处理钢的表面热处理是用来强化零件表面（表硬里韧）的热处理方法。常用的热处理工艺可分为两类：一是只改变表面组织而不改变表面化学成分的表面淬火。另一类是同时改变表面化学成分和组织的表面化学热处理。一、钢的表面淬火1、定义：是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织，且心部组织不发生变化的局部热处理工艺。2、工艺特征：通过快速加热至淬火温度，使钢的表层奥氏体化，然后急冷以大于Vc的速度冷却，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。,3、表面淬火应用选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。4、表面淬火加工的方法:感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热、激光加热等。（一）感应加热表面淬火,1、感应加热的基本原理,2、工艺要求表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。2.感应加热表面热处理的特点(1)高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150)进行的,因此晶核多,且不易长大。(2)表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。(3)因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。(4)加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。,感应加热表面淬火实例,（二）火焰加热表面淬火（生产过程）1、火焰加热表面淬火的基本方法2、火焰加热表面淬火的特点:设备简单,操作方便,成本低。淬火质量不稳定。适于单件、小批量及大型零件的生产（如大型齿轮、轴、轧辊等）。,火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气氧等火焰加热工件表面，进行淬火。,二、钢的化学热处理(ChemicalHeatTreatment）1、定义：将零件置于一定的化学介质中,通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。2、化学热处理的基本过程:分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2COCO2+C吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。（钢不吸收铜）扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。,（一）、钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。,1、渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。2、渗碳用钢,为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。,经渗碳的机车从动齿轮,低碳钢渗碳缓冷后的显微组织,3、渗碳方法（1）气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。（2）固体渗碳法,4.渗碳后的热处理(1)直接淬火渗碳后直接淬火，由于渗碳温度高,奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体较粗,残余奥氏体也较多,所以耐磨性较低,变形较大。为了减少淬火时的变形,渗碳后常将工件预冷到830850后淬火。,渗碳后热处理示意图,(2)一次淬火是在渗碳缓慢冷却之后,重新加热到临界温度以上保温后淬火。心部组织要求高时，一次淬火的加热温度略高于Ac3。对于受载不大但表面性能要求较高的零件,淬火温度应选用Ac1以上3050,使表层晶粒细化,而心部组织无大的改善,性能略差一些。(3)渗碳、淬火后进行低温(150200)回火以消除淬火应力和提高韧性。此时组织为：表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)心部：M回+F（淬透时）,3.钢渗碳、淬火、回火后的性能(1)表面硬度高达58HRC64HRC以上,耐磨性较好；心部韧性较好,硬度较低，可达30HRC45HRC。(2)