金属热处理知识

金属材料与金属热处理 热处理是指通过对工件的加热 保温和冷却 使金属或合金的组织结构发生变化 从而获得预期的性能 如机械性能 加工性能 物理性能和化学性能等 的操作工艺称为热处理 工件热处理的目的是通过热处理这一重要手段 来改变 或改善 工件内部组织结构 从而获得所需要的性能并提高工件的使用寿命 热处理工艺一般包括加热 保温 冷却三个过程 有时只有加热和冷却两个过程 这些过程互相衔接 不可间断 加热是热处理的重要工序之一 1金属热处理工艺基本知识 热处理过程中四个重要因素 在热处理时 因工件的大小不同 形状不同 材料的化学成分不同 所以在具体热处理过程中 要用不同的加热速度 最高的加热温度 保温时间和冷却速度 通常把加热速度 最高加热温度 保温时间和冷却速度称为工件热处理的四个要素 也称工艺参数 正确地确定和保证实施好工艺 就能获得预期的效果 并将得到满意的性能 从数学的观点看 热处理的质量是温度和时间的函数 所以工件的热处理工艺规范可用时间一温度为坐标表示出来 任何工件的热处理 都应包括 1金属热处理工艺基本知识 图1热处理规范示意图 a 简单的热处理规范 b 复杂的热处理规范 都应包括四个重要因素 1 加热速度V 2 最高加热温度T 3 保温时间h 4 冷却速度Vt 2钢的组织 六种组织 相 1 铁素体 ferrite 缩写 FN 即 Fe和以它为基础的固溶体 具有体心立方点阵 纯铁在912 以下为具有体心立方晶格 注1 的 Fe 碳溶于 Fe中的间隙固溶体称为铁素体 以符号F表示 由于 Fe是体心立方晶格结构 它的晶格间隙很小 因而溶碳能力极差 在727 时溶碳量最大 可达0 0218 随着温度的下降溶碳量逐渐减小 在600 时溶碳量约为0 0057 在室温时溶碳量几乎等于零 因此其性能几乎和纯铁相同 其数值如下 抗拉强度180 280MN 平方米 延伸率30 50 硬度HB50 80由此可见 铁素体的强度 硬度不高 但具有良好的塑性与韧性 2 渗碳体 cementite 铁碳合金按亚稳定平衡系统凝固和冷却转变时析出的Fe3C型碳化物 渗碳体是碳钢中主要的强化相 它的形状与分布对钢的性能有很大的影响 同时Fe3C又是一种介 亚 稳定相 在一定条件下会发生分解 2钢的组织 它的含碳量为6 69 熔点为1227 左右 不发生同素异晶转变 但有磁性转变 它在230 以下具有弱铁磁性 而在230 以上则失去铁磁性 其硬度很高 相当于HB800 而塑性和冲击韧性几乎等于零 脆性极大 3 奥氏体 是碳溶解在 Fe 面心立方晶格 中的间隙固溶体 常用符号A表示 它仍保持 Fe的面心立方晶格 其溶碳能力较大 在727 时溶碳为 c 0 77 1148 时可溶碳2 11 奥氏体是在大于727 高温下才能稳定存在的组织 奥氏体塑性好 是绝大多数钢种在高温下进行压力加工时所要求的组织 奥氏体是没有磁性的 4 马氏体 M 是碳溶于 Fe 体心立方晶格 的过饱和的固溶体 是奥氏体通过无扩散型相变转变成的亚稳定相 其比容大于奥氏体 珠光体等组织 这是产生淬火应力 导致变形开裂的主要原因 马氏体最初是在钢 中 高碳钢 中发现的 将钢加热到一定温度 形成奥氏体 后经迅速冷却 淬火 得到的能使钢变硬 增强的一种淬火组织 2钢的组织 5 珠光体是 u体 氏体是碳溶解在 Fe中的间隙 u体 生共析转变所形成的 u体 u体 析体 珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间 强韧性较好 其抗拉强度为750 900MPa 180 280HBS 伸长率为20 25 冲击功为24 32J 力学性能介于铁素体与渗碳体之间 强度较高 硬度适中 塑性和韧性较好 b 770MPa 180HBS 20 35 AKU 24 32J 6 索氏体 sorbite 钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物 索氏体组织属于珠光体类型的组织 但其组织比珠光体组织细 索氏体具有良好的综合机械性能 回火索氏体中的碳化物分散度很大 呈球状 故回火索氏体比索氏体具有更好的机械性能 这就是为什么多数结构零件要进行调质处理 淬火 高温回火 的原因 索氏体的定义及组织特征 索氏体 是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体 GB T7232标准 其实质是一种珠光体 是钢的高温转变产物 是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织 其层片间距较小 30 80nm 碳在铁素体中已无过饱和度 是一种平衡组织 四把火 退火 正火 淬火 回火1 钢的退火与正火 3钢的热处理基本工艺及应用 退火与正火的目的 调整硬度以便进行切削加工 消除残余应力 细化晶粒 改善组织 为最终热处理做好组织上的准备 退火 将钢加热 保温 然后缓慢冷却的热处理工艺 退火工艺可分为完全退火 等温退火 球化退火 去应力退火 再结晶退火等 如图所示 图3箱式炉 图2各种退火及正火的加热范围 完全退火将亚共析钢加热到Ac3 30 50 保温后缓冷的退火工艺称为完全退火 目的 降低硬度 消除内应力 等温退火将亚共析钢加热到Ac3 30 50 过共析钢加热到Ac1 30 50 保温后快冷到Ar1以下某一温度保温 然后出炉空冷 如图是高速钢等温退火与普通退火的比较 图3高速钢等温退火与普通退火的比较 球化退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1 20 30 保温适当时间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火 目的 降低硬度 改善切削加工性能 形成球状珠光体 为后面的淬火作组织准备 扩散退火将工件加热到略低于固相线温度 保温后缓慢冷却的热处理工艺称为扩散退火 目的 消除成份偏析 去应力退火将工件加热到Ac1以下某一温度 保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火 目的 消除铸 锻 焊的内应力 正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30 50 保温后空气中冷却的热处理工艺 正火具有以下几方面的应用 含碳量 0 25 经正火后硬度提高 改善了切削加工性能 消除过共析钢中的二次渗碳体 作为普通结构零件的最终热处理 正火的冷却速度稍快于退火 由C曲线可知 二者的组织是不一样的 正火后的组织比退火细 如图所示 图3正火与退火后组织的比较 2 钢的淬火 淬火是将钢加热到临界点以上 保温后以大于Vk的速度冷却的热处理工艺 目的 为了获得马氏体 提高钢的力学性能 淬火温度选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体 如图所示 一般淬火温度在临界点以上 图4碳钢的淬火温度范围 对亚共析钢 淬火温度为Ac3 30 50 淬火组织为马氏体 如图所示 亚温淬火 加热温度在Ac1 Ac3之间 淬火组织为马氏体加铁素体 如图所示 亚温淬火也是一种强韧化处理方法 图6马氏体加铁素体 图5马氏体 图7 对共析钢和过共析钢淬火温度为Ac1 30 50 组织为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体 如图所示 对合金钢 一般淬火温度为临界点以上50 100 提高淬火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化 3 淬火介质 为了保证得到马氏体组织 淬火速度必须大于临界冷却速度Vk 但往往会引起工件变形和开裂 要想既得到马氏体又避免变形和开裂 理想的淬火冷却曲线如图所示 最常用的淬火介质是水和油 图8理想的淬火冷却曲线 水是经济且冷却能力较强的淬火介质 如表所示 油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火 熔融状态的盐也常用作淬火介质 称作盐浴 这类介质只适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温淬火 近年来出现聚乙烯醇水溶液 三乙醇铵水溶液 高浓度硝盐水溶液等淬火介质 表1 4 淬火方法 常用淬火方法如图所示 图9各种淬火方法示意图 单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法 如水淬 油淬等 将加热的工件放入一种冷却能力较强的介质中冷却 然后转入另一种冷却能力较弱的介质冷却的淬火方法 如水淬油冷或油淬空冷 双液淬火主要用于形状复杂的高碳钢工件及大型合金钢工件 双液淬火法 分级淬火法 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火 然后取出缓冷的淬火方法 其特点是显著减少淬火变形与开裂 是用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件 等温淬火 将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法 其特点是工件具有良好的综合力学性能 一般不必回火 多用于形状复杂和要求较高的小件 5 钢的淬透性 淬透性淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力 一般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度 淬透性对钢力学性能的影响 钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能 图10 淬透性高的钢 其力学性能沿截面均匀分布 淬透性低的钢 其截面心部的力学性能低 淬透性的测定及其表示方法 测定钢的淬透性最常用的方法是末端淬火法 将 25 100mm的标准试样经奥氏体化后 对末端进行喷水冷却 如图所示 图11末端淬火法 按规定方法测定硬度值 作出淬透性曲线 利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图 和淬透性曲线图可找出其淬透性的大小 淬透性的表示方法 淬透性值可用表示 其中J表示末端淬透性 d表示至水冷端的距离 HRC为该处测得的硬度值 钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径 即临界直径D0表示 淬透性的应用 对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械性能均匀的零件 应选用高淬透性的钢制造 对于承受弯曲和扭转的轴类 齿轮类零件 可选用低淬透性的钢制造 在设计和制造零件时 必须考虑钢的热处理尺寸效应 6 钢的回火 回火的目的 降低脆性 减少或消除内应力 获得工艺所要求的力学性能 稳定工件尺寸 对某些高淬透性的合金钢 可降低硬度 以利加工 淬火钢在回火时的转变 回火时的组织转变淬火钢组织发生以下四阶段的变化 马氏体分解 主要发生在100 200 马氏体中的碳以 碳化物 Fex 的形式析出 析出的碳化物以极小片状分布在马氏体基体上 这种组织称为回火马氏体 用 M回 表示 如图所示 图12回火马氏体 图14 残余奥氏体分解主要发生在200 300 残余奥氏体分解为 碳化物和过饱和 但组织仍是回火马氏体 碳化物转变为Fe3 主要发生在250 400 此时回火马氏体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体的组织 称为回火屈氏体 用 T回 表示 图13 渗碳体的聚集长大及 相再结晶主要发生在400 以上 此时形成颗粒状渗碳体 铁素体由针片状转变为多边形 这种组织称为回火索氏体 用 S回 表示 如图所示 回火过程中的性能变化 总的规律是 随回火温度升高 强度 硬度下降 塑性 韧性上升 如图为硬度与回火温度的关系 回火温度在200 以下 钢的硬度不降低 对高碳钢 甚至略有升高 回火温度在200 300 高碳钢的硬度再次升高 中 低碳钢硬度缓慢降低 回火温度300 以上 钢的硬度呈直线下降 注意 回火屈氏体 回火索氏体和球状珠光体与过冷奥氏体直接分解得到的屈氏体 索氏体和珠光体的力学性能有显著区别 图15 回火的种类 中温回火 350 500 组织为回火索氏体 具有较高弹性和一定韧性 主要用于弹簧的处理 高温回火 500 650 组织为回火索氏体 具有良好的综合机械性能 习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理 简称 调质 调质广泛用于处理重要的结构零件 如轴 齿轮等 低温回火 150 250 组织为回火马氏体 能降低内应力和脆性 并保持高硬度和耐磨性 用于工具 模具 轴承 渗碳件及经表面淬火的工件 图16 淬火钢出现冲击韧性显著下降的现象称为 回火脆性 如图 回火脆性 在250 350 回火时出现的脆性称为低温回火脆性 一般不在此温度范围内进行回火 高温回火脆性 在500 650 回火时出现的脆性称为高温回火脆性 主要发生在含Cr Ni Mn等合金元素的结构钢中 快冷可防止高温脆性 在钢中加入 约1 o 约0 5 等合金元素可有效抑制这类脆性的产生 图17 淬火回火的工艺缺陷 硬度不足是由淬火加热温度低 表面脱碳 冷速不够 钢材淬透性低等原因造成的 可采用相应措施加以防治 硬度不均匀是由原始组织粗大且不均匀 冷却不均匀等原因造成的 可通过正火后重新淬火来消除 过热和过烧过热组织可通过重新淬火来消除 工件一旦过烧则只能报废 7 钢的表面淬火 利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火 以强化零件表面的热处理方法 表面淬火用材料含碳量为0 4 0 5 的中碳钢及铸铁 预备热处理预备热处理为表面淬火作准备 以获得最终的心部组织 方法有调质和正火等 表面淬火后的组织表层组织为回火马氏体 心部组织为回火索氏体 调质 或铁素体加索氏体 正火 感应加热表面淬火 感应加热的基本原理感应加热表面淬火的装置如图 交变磁场使工件内部感生出巨大的涡流 感应电流在工件表层密度最大 而心部密度为零 这种现象称为集肤效应 电流透入的深度与感应电流的频率有关 电流频率越高 感应电流透入深度越浅 图18感应加热表面淬火的装置 高频感应加热电流频率范围250 300kHz 淬硬层深度为0 5 2 0mm 适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件 中频感应加热电流频率范围2500 800kHz 淬硬层深度2 10mm 适用于较大的轴和大中模数齿轮 工频感应加热电流频率50Hz 淬硬层深度可达10 15mm 适用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊 火车车轮的表面淬火 感应加热表面淬火后的回火一般只进行低温回火 回火温度一般不高于200 感应加热的分类 加热温度高 感应加热表面淬火后工件表层硬度高 脆性较低 工件表面质量好 生产效率高 感应加热表面淬火的特点 特点及应用 设备简单 成本低 灵活性大 但淬火质量较难控制 主要用于单件小批量生产件及大型零件的表面淬火 图20 图19 火焰加热表面淬火 电接触加热的原理如图 电接触加热表面淬火 特点及应用 工件变形小 工艺简单 不需回火 但硬化层薄 形状复杂的工件不宜采用 图21 4铝合金热处理的特点 与钢比较具有如下特点1 强化形式不同钢淬火属于非扩散型的 组织不扩散 而形成高强度 低塑性的过饱和固溶体 马氏体 而铝合金是扩散强化 淬火 时效 淬火时 因固溶体分解被阻止 而得到形成低强度 高塑性的过饱和固溶体 时效时内部组织扩散而形成许多强化相微粒 弥散于固溶体基体上 使合金强化 称为弥散强化 4铝合金热处理的特点 2 淬火后的铝合金 时效时有