图1-34热处理工艺曲线示意图.doc

二、钢的热处理 金属材料在固体范围内进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，获得所需性能的一 种方法称热处理。 热处理的种类很多，根据其目的、加热和冷却方法的不同，可以分为：普通热处理、 表面热处理及其他热处理方法。普通热处理有退火、正火、淬火、回火；表面热处理有表面 淬火（感应加热、火焰加热等）、化学热处理（渗碳、渗氮等）；其他热处理有真空热处理、 变形热处理和激光热处理等。 热处理方法虽然很多，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，通常用热处理工 艺曲线表示。 图-34 热处理工艺曲线示意图 一、钢的普通热处理 根据加热及冷却的方法不同，获得金属材料的组织及性能也不同。普通热处理可分为退 火、正火、淬火和回火四种。普通热处理是钢制零件制造过程中非常重要的工序。 退火 1退火工艺及其目的 退火是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，实际生产 中常采取随炉冷却的方式。 退火的主要目的：降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能；均匀钢的化学成分和 组织；消除内应力。 2常用退火工艺方法 根据处理的目的和要求的不同，钢的退火可分为完全退火、球化退火和去应力退火等。 表1-4 为主要退火工艺方法及其应用。 表1-4 常用退火方法的工艺、目的与应用 名称 工艺 目的 应用 完全退火 将钢加热至Ac 3 以上3050，保 温一定时间，炉冷至室温 （或炉冷至600以下，出炉空冷） 细化晶粒，消除过热组织， 降低硬度和改善切削加工性 能 主要用于亚共析钢 的铸、锻件，有时也 用于焊接结构 球化退火 将钢加热至Ac 1 以上2040， 保温一定时间，炉冷至室温，或 快速冷至略低于Ar 1 温度，保温 后出炉空冷，使钢中碳化物球状 化的退火工艺 使钢中的渗碳体球状化，以降低 钢的硬度，改善切削加工性，并 为以后的热处理做好组织准备。 若钢的原始组织中有严重的渗碳 体网，则在球化退火前应进行正 火消除，以保证球化退火效果 主要用于共析钢和 过共析钢 均匀化退火 （扩散退火） 将钢加热到略低于固相线温度 （Ac 3 或Ac cm 以上150300）， 长时间保温（1015h），随炉冷却。 使钢的化学成分和组织均匀 化 主要用于质量要求 高的合金铸锭、铸件 或锻胚 去应力退火 （低温退火） 将钢加热至 Ac 1 以下某一温度 （一般约为500600），保温一 段时间，然后炉冷至室温 为了消除残余应力 主要用于消除铸、锻、 焊接件、冷冲压件以及 机加工件中的残余应力 再结晶退火 将钢加热至再结晶温度以上 100-200，保温一定时间，然 后随炉冷却 为了消除冷变形强化，改善 塑性 主要用于经冷变形 的钢 正火 1. 正火工艺及其目的 正火是将钢加热到Ac 3 （或Ac cm ）以上3050，保温一定时间，出炉后在空气中冷却 的热处理工艺。对于含有 V、Ti、Nb 等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度 （Ac 3 +100150），为了消除过共析钢的网状碳化物，亦可酌情提高加热温度，让碳化物 充分溶解。其主要目的是： （1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火作为最终热处理，以提高其强度、 硬度和韧性。 （2）对低、中碳素钢，可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性 （3）对于过共析钢，正火可抑制渗碳体网的形成，为球化退火作好组织准备 2. 退火与正火的选用 正火与退火的主要差别是，前者冷却速度较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍 高一些。 （1）从改善钢的切削加工性能方面考虑。一般认为，钢的硬度在170230HBS 时具有 良好的切削加工性能。 （2）从使用性能方面考虑。一些受力不大的工件，力学性能要求不高，可用正火作为 最后热处理，对某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、 回火处理。 （3）从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低。因此。 在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。 淬火 淬火是将钢件加热到奥氏体化后以适当方式冷却，获得马氏体或（和）贝氏体组织的热 处理工艺。淬火可以显著提高钢的强度和硬度，是赋予钢件最终性能的关键性工序。 1. 淬火工艺 （1）淬火加热温度：钢的淬火加热温度可按Fe-Fe 3 C 相图（图1-20）来选定。 亚共析钢：亚共析钢淬火加热温度一般在 Ac 3 以上 3050，得到单一细晶粒的奥 氏体，淬火后为均匀细小的马氏体和少量残留奥氏体。若加热温度在 Ac 1 Ac 3 之间，淬火 后组织为铁素体、马氏体和少量残留奥氏体，由于铁素体的存在，钢的硬度降低。若加热温 度超过 Ac 3 +3050，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢性能变差，且淬火 应力增大，易导致变形和开裂。 共析钢和过共析钢：共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac 1 以上3050，淬火后得到 细小的马氏体和少量残留奥氏体，或细小的马氏体、少量渗碳体和残留奥氏体。由于渗碳体 的存在，钢的硬度和耐磨性提高。若加热温度在 Ac cm 以上，由于渗碳体完全溶于奥氏体， 奥氏体含碳量提高，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。此外，因温度高， 奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，脆性增大。若加热温度低于Ac 1 点，组织没发 生相变，达不到淬火目的。 实际生产中，淬火加热温度的确定，尚需要考虑工件形状尺寸、淬火冷却介质和技术 要求等因素。 （2）淬火冷却介质 工件进行淬火冷却所用的介质称为冷却介质。为保证工件淬火后得到马氏体，又要减小 变形和防止开裂，必须正确选用冷却介质。 表1-5 常用的几种冷却介质的对比 名称 水 油 食盐水溶液 碱水溶液 优点 水价廉易得，且具 有较强的冷却能力。 使用安全，无燃烧、 腐蚀等危险 在 300200 温度范围内，冷却 速度远小于水，这 对减少淬火工件的 变形与开裂的是很 有利的 冷却能力提高到约 为水的十倍，而且最 大冷却速度所在温度 正好处于 650400 温度范围内 在 650400温度 范围内冷却速度比食 盐水溶液还大，而在 300200温度范围 内，冷却速度比食盐水 溶液稍低 缺点 在 650400范 围内需要快冷时，水 的冷却速度相对比 较小；300200范 围内需要慢冷时，其 冷却速度又相对较 大 在 650400 温度范围内，冷却 速度比水小得多 在 300200温度 范围内的冷却速度过 大，使淬火工件中相 变应力增大，而且食 盐水溶液对工件有一 定的锈蚀作用 ，淬火 后工件必须清洗干净 腐蚀性大 应用 主要用于碳素钢 主要用于合金钢 主要用于形状简单 而尺寸较大的低、中 碳素钢零件 主要用于易产生淬 火裂纹的零件 目前，一些冷却特性接近于理想淬火介质的新型淬火介质，如水玻璃-碱水溶液、过饱 和硝盐水溶液、氧化锌-碱水溶液、合成淬火剂等已被广泛使用。 回火 1. 回火工艺 回火是将钢件淬硬后，再加热到Ac 1 以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理。回火 一般在淬火后随即进行。淬火与回火常作为零件的最终热处理。 2. 回火目的 （1） 减小和消除淬火时产生的应力和脆性，防止和减小工件变形和开裂； （2） 获得稳定组织，保证工件在使用中形状和尺寸不发生改变； （3） 获得工件所要求的使用性能。 3. 淬火钢在回火时的组织转变 淬火后钢的组织是不稳定的，具有向稳定组织转变的自发倾向。回火加速了自发转变的 过程。淬火钢在回火时，随着温度的升高，组织转变可分四个阶段。 第一阶段（80200）：马氏体分解 马氏体内过饱和的碳原子，以 碳化物形式析出，使马氏体的过饱和度降低。 碳化 物是弥散度极高的薄片状组织。这种马氏体和 碳化物的回火组织称回火马氏体。此阶段钢 的淬火内应力减小，韧性改善，但硬度并未明显降低。 第二阶段（200300）：残余奥氏体分解 在马氏体分解的同时，降低了对残余奥氏体的压力，使其转变为下贝氏体。这个阶段 转变后的组织是下贝氏体和回火马氏体。淬火内应力进一步降低，但马氏体分解造成硬度降 低，被残余奥氏体分解引起的硬度升高所补偿，故钢的硬度降低并不明显。 第三阶段（300400）：马氏体分解完成和渗碳体的形成 马氏体继续分解，直至过饱和的碳原子几乎全部由固溶体内析出。与此同时， 碳化 物逐渐转变为极细的稳定碳化物Fe 3 C，此阶段到400全部完成，形成尚未再结晶的针状铁 素体和细球状渗碳体的混合组织，称为回火托氏体。此时钢的淬火内应力基本消除，硬度有 所降低。 第四阶段（400以上）：固溶体的再结晶与渗碳体的聚集长大 温度高于400后， 固溶体发生回复与再结晶，同时渗碳体颗粒不断聚集长大。 当温 度高于500时，形成块状铁素体与球状渗碳体的混合组织，称为回火索氏体。钢的硬度、 强度不断降低，但韧性却明显改善。 必须指出：以上四个阶段是在不同温度范围进行的，但四个温度范围有交叉，所以钢 在回火以后所表现出的性能是这些变化的综合结果。 4. 回火种类及应用 按回火温度不同，回火分为以下三种： （1）低温回火（150250） 回火后组织为回火马氏体。其目的是减小淬火应力和脆性，保持淬火后的高硬（58 64HRC）和耐磨性。主要用于处理量具、刃具 、模具、滚动轴承以及渗碳、表面淬火的零 件。 （2）中温回火（350500） 回火后组织为回火托氏体。其目的是获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。硬度一 般为3550HRC。主要用于处理各种弹簧、锻摸等。 （3）高温回火（500650） 钢件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。调质后的组织为回火索氏体，硬度一 般为 200350HBS。其目的是为获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。广泛用于 各种重要结构件（如轴、齿轮、连杆、螺栓等），也可作为某些精密零件的预先热处理。 钢的表面热处理 象齿轮、轴等这类承受弯扭交变应力及冲击载荷的零件，其表面的应力高于内部应力， 并且还要承受磨损破坏，因此要求这类零件表面具有高的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性， 而心部又要具有足够的塑性和韧性。这就需要进行表面热处理。表面热处理分为表面淬火处 理和化学热处理两种。 钢的表面淬火 表面淬火是通过快速加热钢件表层达到淬火温度，不等热量传至内部就立即淬火冷却， 从而使表面层获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织，而内部仍保持为原始的组织状态及性能 的热处理方法。为保证表层及内部的组织与性能，表面淬火钢一般取含碳量0.40%-0.50%钢 材为宜。 根据加热方法不同，表面淬火方法有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火及激光加 热表面淬火等。最常用的是感应加热表面淬火。 1 感应加热表面淬火的种类及应用范围 感应加热表面淬火的种类及应用范围如表1-6 所示： 表1-6 感应加热种类及应用 感应加热类型 常用频率 一般淬硬层深度/mm 应用范围 高频感应加热 2001000KHZ 0.52.5 中小模数齿轮及中小尺寸的轴 类零件 中频感应加热 25008000HZ 210 较大尺寸的轴和大中模数齿轮 工频感应加热 50HZ 1020 较大直径零件穿透加热，大直径 零件如轧辊、火车车轮的表面淬火 超音频感应加热 3036HZ 淬硬层能沿工件轮廓分布 中小模数齿轮 3感应加热表面淬火的特点 （1）感应加热表面淬火加热速度极快（一般只需几秒几十秒），加热温度高（高频感 应淬火为Ac 3 以上100200）； （2）奥氏体晶粒均匀细小，淬火后可在工件表面获得极细马氏体，硬度比普通淬火高2 3HRC，且脆性低； （3）因马氏体体积膨胀，工件表层产生残留压应力，疲劳强度提高2030%； （4）工件表层不易氧化和脱碳，变形小，淬硬层深度易控制； （5）易实现机械化和自动化，生产率高； （6）设备较贵，维修调整较困难，对形状复杂的零件不易制造感应器，不适于单件生 产。 感应淬火最适宜的钢种是中碳钢（如40 钢、45 钢）和中碳合金钢（如40Cr 钢等），也 可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。 一般表面淬火前应对工件正火或调质，以保证心部有良好的力学性能，并为表层加热作 好组织准备。表面