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4 3热处理的基本方法 退火和正火一般作为预先热处理 其作用是 消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力 为随后的切削加工及热处理作好组织准备 对于某些不太重要的工件 正火也可作为最终热处理工序 机器零件和工具一般要经过的加工过程 选原料 锻造 预先热处理 退火和正火 机械加工 最后热处理 退火的定义 退火是将钢加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却 一般随炉冷却 的热处理工艺 一 退火 正火 退火的目的 1 降低硬度 提高塑性 以利于切削加工和冷变形加工 2 细化晶粒 均匀组织 为后续热处理做好组织准备 3 消除参与内应力 防止工件变形与开裂 退火的种类 按加热温度 在临界温度以上的退火 相变重结晶退火 完全退火 不完全退火 扩散退火 球化退火 在临界温度以下的退火 软化退火 再结晶退火 去应力退火 1 完全退火 细化晶粒 降低硬度 改善切削性能以及消除内应力 将钢件或钢材加热到Ac3以上 使之完全奥氏体化 然后缓慢冷却 获得接近于平衡组织的热处理工艺称为完全退火 定义 目的 不宜过高 一般在Ac3以上20 30 适用于0 3 0 6 C的中碳钢 退火温度 一般较长 因为完全退火时加热温度超过Ac3不多 相变进行得较慢 特别是粗大铁素体或碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀过程 均需要较长时间 保温时间 加热速度 常用结构钢 弹簧钢及热作模具钢钢锭 加热速度100 200 h 常用结构钢 弹簧钢及热作模具钢钢锭 保温时间 冷却速度 缓慢 以保证奥氏体在Ar1点以下不大的过冷度情况下进行珠光体转变 以免硬度过高 完全退火不能用于过共析钢 因为加热到Accm以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体 使钢的机械性能变坏 完全退火主要用于亚共析钢的铸件 锻件 热轧件 有时也用于焊件 注意 2 球化退火 使钢中碳化物呈球状化 以降低硬度 改善切削加工性能 并为以后的淬火做好组织准备 将过共析钢工件加热到Ac1以上 20 30 保温后 以极慢的冷速通过A1 使珠光体P中的渗碳体和二次渗碳体成为球状或粒状的热处理工艺称为球化退火 定义 目的 球化退火中的珠光体变化 过共析钢的球化退火 T12钢球化退火组织F Fe3C 为了便于球化过程的进行 对于网状严重的过共析钢 应在球化退火之前进行一次正火 以消除网状渗碳体 注意 1 低于Ac1点温度的球化退火 2 往复球化退火 周期退火 目的是加速球化过程 3 一次球化退火 目前生产上最常用的球化退火工艺 是不完全退火 退火前的原始组织为细片状珠光体 不允许有渗碳体网存在 球化退火工艺 球化退火工艺 3 去应力退火 为了去除由于形变加工 锻造 焊接等所所引起的及铸件内存在的残余应力 但不引起组织的变化 而进行的退火 称为去应力退火 定义 退火温度 退火温度范围很宽 由于材料成分 加工方法 内应力大小及分布的不同 以及去除程度的不同 去应力退火的加热温度范围很宽 钢500 650 铸件500 550 焊件500 600 去应力退火后 应缓慢冷却 以免产生新的应力 一般在A1以下进行 组织并未发生变化 在缓慢冷却的过程中 工件各部分均匀冷却和收缩 消除了铸件 锻件 焊接件 热轧件 冷拉件等的残余内应力 避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂 去应力退火工艺曲线及其特点 常用退火工艺制度小结 正火 1 作为预备热处理工艺 为下续热处理工艺提供适宜的组织状态 2 作为最终热处理工艺 提供合适的机械性能 2 钢的正火 将钢加热到AC3以上温度并保温 出炉空冷至室温的热处理工艺 由于正火比退火加热温度略高 冷却速度大 故珠光体的分散度大 先共析铁素体的数量少 因而正火后强度 硬度较高 3 用来消除某些处理缺陷 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理 亚共析钢采用正火来调整硬度 改善切削加工性能 过共析钢的正火可消除网状碳化物 细化晶粒 双重正火 正火的应用 3 退火 正火后钢的组织和性能 加热时钢的组织转变 1 奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化 以共析钢的奥氏体形成过程为例 3 残留渗碳体的溶解 铁素体全部消失以后 仍有部分剩余渗碳体未溶解 随着时间的延长 这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去 直至全部消失 1 奥氏体形核 奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成 2 奥氏体晶核长大 奥氏体晶核形成以后 依靠铁 碳原子的扩散 使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的 4 奥氏体均匀化 渗碳体全部溶解完毕时 奥氏体的成分是不均匀的 只有延长保温时间 通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体 亚共析钢的加热过程 过共析钢的加热过程 各种退火和正火工艺示意图 退火 正火后钢的组织差别 正火 退火 珠光体 亚共析钢 先共析铁素体少 珠光体数量较多 珠光体片间距较小 珠光体团的尺寸较小 过共析钢 珠光体片间距较小及团的尺寸较小 可以抑制先共析网状渗碳体的析出 亚共析钢 先共析铁素体多 珠光体数量较少 珠光体片间距较大 珠光体团的尺寸较大 过共析钢 珠光体片间距较大及团的尺寸较大 有网状渗碳体存在 由于退火 主要指完全退火 与正火在组织上有着差异 因而性能也有所不同 表4 1正火与退火的40Cr钢的机械性能 正火与退火相比较 正火的强度与韧性较高 塑性基本相同 但对于过共析钢 完全退火的钢中因为有网状渗碳体的存在 其硬度 韧性均低于正火的 而球化退火的钢 因其所得组织是球状P 故其综合性能优于正火的 由表可得出结论 退火与正火的选用 C 0 25 的低碳钢 正火代替退火 C 0 25 0 5 的中碳钢 也可正火代替退火 C 0 5 0 75 的中高碳钢 用完全退火 C 0 5 的高碳钢或工具钢 用球化退火 如有网状二次渗碳体 则应先正火消除 生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种 冷 热的使用热加工工艺 零件的使用性能及经济综合考虑 表4 2为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺 热处理工艺与切削工艺性的关系 4 退火 正火缺陷 碳素 低合金工具钢在退火后虽硬度很低 但脆性却很大 断口呈灰黑色 故称 黑脆 主要原因是退火温度过高 保温时间过长 冷却缓慢 珠光体转变按Fe C进行即碳石墨化 发生黑脆的工具不能返修 退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常组织 造成缺陷 常见的如下 1 过烧 由于加热温度过高 晶界被氧化 甚至晶界局部溶解 使工件报废 2 黑脆 3 粗大魏氏组织 主要是由于加热温度过高 魏氏组织不仅晶粒粗大 而且由于铁素体针片形成的脆面 使金属的韧性急剧下降 4 反常组织 亚 过共析钢在Ar1附近冷却缓慢 结果在亚共析钢中形成非共析渗碳体 再过共析钢中形成游离的铁素体或渗碳体 5 网状组织 由于加热温度过高 冷却速度过慢引起的 网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能 特别是网状渗碳体 一般重新正火可消除 6 球化不均匀 由于退火前没有消除网状渗碳体 在球化退火时聚集而成 可通过正火和一次球化退火消除 7 硬度过高 退火时加热温度过高 冷却速度过快 使硬度高于规定的范围 重新退火即可 a b 图4 8反常组织a 0 5 C 加热温度为850 b 1 2 C 加热温度为970 粗大的渗碳体 渗碳体网很宽 二 淬火与回火 1 淬火2 回火 当锉刀 铣刀完成机械粗加工后 为满足其使用性能 必须再提高它们的强度 硬度并保持一定的韧性 以承受工作时受到挤压 摩擦和冲击 为此 粗加工之后 精加工之前 还要对它们进行淬火和回火 1 淬火 钢的淬火 将钢加热到 A1或A3 以上 经保温后快速冷却 以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火 淬火目的 提高硬度和耐磨性 刀具 量具 磨具提高强韧性 轴类 杆件 销 受力件提高硬磁性 高碳钢 磁钢指的永久磁性 马氏体磁性 提高弹性 各类弹簧提高耐蚀和耐热性 耐热钢和不锈钢获得M组织 一 淬火方法及工艺1 淬火方法淬火分类按加热温度 完全淬火 不完全淬火 循环加热淬火 二次淬火按加热速度 普通淬火 快速加热淬火 超快速加热淬火按加热介质及热源条件 光亮淬火 真空淬火 流态层加热淬火 铅浴加热淬火 盐浴加热淬火 火焰加热淬火 感应加热淬火 高频脉冲淬火 接触电加热淬火 电解液加热淬火 电子束加热淬火 激光加热淬火按淬火部位 整体淬火 局部淬火 表面淬火按冷却方式 有单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火 预冷淬火等直接淬火 马氏体等温淬火 贝氏体等温淬火 形变等温淬火 冷处理等 2 淬火工艺 淬火加热温度亚共析钢 Ac3 30 50 共析和过共析钢 Ac1 30 50 为什么过共析钢淬火加热温度在Ac1 30 50 而不是Acm 30 50 2 淬火工艺 加热时间加热时间 升温时间 心表温度一致时间 保温时间加热介质对保温时间影响较大 保温时间 达到热处理工艺规范要求的恒温保温时间 保温时间 KD 冷却方式冷却方式最大限度减少工件应力集中和变形 使工件冷却充分均匀 冷却介质 2 淬火工艺 时间 温度 Ms A1 二 淬火介质理想淬火介质具备 高温慢冷 奥氏体鼻子温度快冷 马氏体转变慢冷 理想淬火冷却介质 1 有物态变化的淬火介质介质冷却特性的测试 二 淬火介质 冷却机理第一阶段 蒸汽膜阶段 冷却速度慢第二阶段 沸腾阶段 冷却速度快第三阶段 对流阶段 冷却速度慢常用的冷却介质水 盐水 碱水 油 合成淬火液等 二 淬火介质 2 无物态变化的淬火介质传热方式 介质传导和对流将工件的热量带走 使工件获得淬火要求 常用的淬火介质 硝酸盐和碱 使用温度在150 550 之间 3淬火介质的新发展环保 优效 高温快速 低温慢速 安全 经济为发展方向 植物油基生态淬火油 使蒸汽膜阶段短 提高高温阶段冷速 聚合物水基淬火介质 降低水的冷速 环保 固 气流化介质 固体细粒与压缩空气混合 常用的淬火冷却介质 时间 温度 Ms A1 三 钢的淬透性 淬透性是钢的主要热处理性能 是选材和制订热处理工艺的重要依据之一 三 钢的淬透性1 概念淬透性 钢在淬火时能够获得马氏体的能力 其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示 工件淬硬层与冷却速度的关系示意图 a 零件截面的不同冷却速度 b 未淬透区的示意图 a b M量和硬度随深度的变化 淬硬层深度 由工件表面到半马氏体区 50 M 50 P 的深度 如果工件中心在淬火后获得了50 以上的M 则认为工件已经被淬透 淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响 2 影响淬透性的因素 决定因素 临界冷却速度 取决于A成分 因此使C曲线右移的元素均使淬透性提高 奥氏体化温度越高 保温时间越长 则晶粒越粗大 成分越均匀 过冷奥氏体越稳定 C曲线越向右移 淬火临界冷却速度越小 钢的淬透性越好 注意区别 钢的淬透性 钢材本身的固有属性 与外部因素无关工件的淬透深度 取决于钢材淬透性 还与冷却介质 工件尺寸等外部因素有关 同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸 冷却介质有关 工件尺寸小 介质冷却能力强 淬硬层深 淬透性与工件尺寸 冷却介质无关 它只用于不同材料之间的比较 是在尺寸 冷却介质相同时 用不同材料的淬硬层深度来进行比较的 注意区别 淬透性和淬硬性 影响因素 主要取决于马氏体的含碳量 淬硬性与淬透性 两个完全不同的概念 淬透性 淬硬性 钢种 小 低 碳素结构钢 20 小 高 碳素工具钢 T12A 大 低 低碳合金结构钢 20Cr2Ni4A 大 高 高碳高合金工具钢 W18Cr4V 3 淬透性测量方法 1 断口法 适用碳素工具钢 将上述试样加热到760 800 840 等温度加热15 20分钟 淬入10 30 水中 打断观察淬硬层 即淬硬层 马氏体 和韧软层 珠光体或贝氏体 对照相应标准0 5级 2 U型曲线法 将一组长度是直径4 6倍的圆柱形试样经完全奥氏体化后 在一定介质中冷却后 从试样中部切开 磨平后自表面向心部测量试样硬度 其硬度分布如右 h 淬硬区DH 未淬硬区淬透性表示 淬硬层深度h 或DH D D 直观 准确 但繁琐 用于结构钢 3 临界直径法 D0 钢在某种介质中能够完全淬透的最大直径 按U曲线法取不同直径试样在不同质淬火后 截面中心恰好含50 马氏体 Di 理想临界直径 试样能够淬透的最大直径 含50 马氏体 在相应介质中 绘出Di D0图 4 端淬法 此方法是世界上通用方法 即用表示 J表示末端淬透性 4 淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示 d 至水冷端距离HRC 该处硬度值 用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却 中心被淬成半马氏体的最大直径 用D0表示 D0与介质有关 如45钢D0水 16mm D0油 8mm 只有冷却条件相同时 才能进行不同材料淬透性比较 如45钢D0油 8mm 40CrD0油 20mm 5 淬透性的实际意义 1 对于截面承载均匀的重要件 要全部淬透 如螺栓 连杆 模具等 选用高淬透性钢2 对于承受弯曲 扭转的零件可不必淬透 淬硬层深度一般为半径的1 2 1 3 如轴类 低淬透性钢淬硬层深度与工件尺寸有关 设计时应注意尺寸效应 淬透性曲线应用 求不同直径棒状工件截面上的硬度分布例 采用45Mn2制造 50mm的轴 试求水淬后其截面上硬度分布曲线 淬透性曲线应用例 有一40号钢直径45mm的轴 要求淬火后在距表面3 4R处有80 马氏体 在1 2R处的硬度不低于HRC40 请问采用淬火介质为油还是水 解 确定40钢淬火后80 马氏体组织的硬度 HRC45 淬油后硬度3 4R处 HRC38 1 2R处 HRC30不满足要求 淬水后硬度3 4R处 HRC46 1 2R处 HRC42满足要求 采用水淬 静水中淬火 静油中淬火 四 淬火缺陷1 淬火内应力淬火内应力是造成工件变形和开裂根本原因 淬火内应力超过材料屈服强度 引起工件变形 淬火内应力超过材料断裂强度 引起工件断裂 淬火内应力分 热应力 温度应力 组织应力 相变应力 1 热应力 由于工件心部和表面冷却速度不一致 其冷却收缩不同而造成的内应力 热应力产生过程 冷却初期 表面冷速快 表面收缩 产生拉应力 心部冷速慢 不收缩 产生压应力 冷却后期 表面冷速慢 表面不收缩 产生压应力 心部冷速快 收缩 产生拉应力 最终的淬火热应力 表面压应力 心部拉应力 2 组织应力 由于工件表层和心部发生马氏体转变的不同时性而造成的内应力 组织应力产生过程 冷却初期 表面发生马氏体相变 表面体积膨胀 产生压应力 心部冷速慢牵制表面膨胀 产生拉应力 冷却后期 心部发生马氏体相变 表面体积膨胀 产生压应力 表面牵制心部膨胀 产生拉应力 最终的淬火组织应力 表面拉应力 心部压应力 在发生相变前主要内应力为热应力 当发生相变后主要内应力为组织应力 热应力为辅 2 淬火变形几何形状变化 体积变化热应力使工件沿着最大尺寸方向收缩 组织应力使工件沿着最大尺寸方向伸长 四 淬火缺陷 淬火变形影响因素 淬透性 好 组织应力作用大 差 热应力作用大奥氏体化学成分 C 低 热应力作用大 C 高 组织应力作用大 淬火加热T高 内应力大 变形大 淬火冷速快 内应力大 变形大 工件形状不对称 厚薄不均匀 变形大 淬火变形的纠正 校正 四 淬火缺陷 3 淬火裂纹重要性 淬火变形可以校正 淬火开裂则无法挽回 因此我们要研究淬火开裂原因 进行预防 淬火裂纹产生原因 淬火内应力超过材料断裂强度材料内部缺陷 一定的淬火应力淬火裂纹分类 纵向裂纹横向裂纹网状裂纹剥离裂纹显微裂纹 四 淬火缺陷 减少淬火变形和防止淬火开裂的措施1 正确选材如选择淬透性好的材料2 合理设计工件形状如避免截面形状悬殊的零件3 合理消除材料缺陷如淬火前锻造和预备热处理4 合理制定热处理工艺如加热温度 冷却速度 回火 操作方法等 4 其它淬火缺陷淬火硬度不足氧化和脱碳软点 2 回火 回火 在A1线以下很宽温度范围内进行 是使淬火组织的亚稳定进一步向稳定状态转变过程 获得稳定的组织和性能 减少或消除淬火内应力 回火目的 1 降低淬火钢的脆性和内应力 防止变形或开裂 2 调整和稳定淬火钢的结晶组织 以保证工件不再发生形状和尺寸的改变 3 获得不同需要的机械性能 通过适当的回火来获得所要求的强度 硬度和韧性 以满足各种工件的不同使用要求 淬火钢经回火后 其硬度随回火温度的升高而降低 回火一般也是热处理的最后一道工序 一 回火时钢的组织转变 随温度升高 淬火组织将发生五个阶段变化 马氏体中碳原子偏聚 80 100 马氏体的分解 80 250 产物 M回残余奥氏体的转变 200 300 产物 M回 主要 B下 微量 碳化物析出和转变 250 400 产物 T回 相状态变化及碳化物聚集长大 400 产物 S回 一 回火时组织转变按回火温度划分如下阶段 但各阶段也不是单独发生 而是相互重叠的 1 碳原子偏聚 时效阶段 80 100 以下 由于淬火马氏体为过饱和固溶体 晶格中有大量微观缺陷的亚稳态 对位错马氏体 低温下C N原子短程扩散到位错线附近对孪晶马氏体 低温下C N原子短程扩散聚集到某一晶面 2 马氏体分解 80 250 高碳马氏体发生分解 马氏体中过饱和碳不断以 碳化物形式析出 使马氏体碳含量降低 低碳马氏体 低于150 无碳化物析出 只有C偏聚高于200 马氏体中可析出稳定碳化物 产物 回火马氏体 性能 保留淬火后高硬度 3 残余奥氏体分解 200 300 淬火后的残余奥氏体是不稳定组织 在本阶段 残余奥氏体分解为低碳马氏体和 碳化物 此组织为回火马氏体 回火屈氏体 4 碳化物的转变 250 400 亚稳碳化物将转变成为更加稳定的碳化物形式存在 高碳钢 稳定的回火屈氏体 中碳钢 稳定的回火屈氏体 低碳钢 稳定的回火屈氏体 5 相状态变化和碳化物聚集长大 400 700 铁素体发生回复和再结晶为等轴状 碳化物球化粗化 回火索体 主要发生如下变化 内应力消除 宏观区域性内应力 工件内外 550 全部消除 微观区域性内应力 晶粒之间 500 基本消除 晶格弹性畸变应力 碳过饱和 转变完即消除 回复与再结晶 回火使亚结构 位错 孪晶 消失 板条和片状马氏体特征保留 回复 消失 再结晶 碳化物聚集长大 原棒状 片状 粒状渗碳体消失 溶解 并逐渐球化长大 越来越粗大 回火索氏体 二 回火组织机械性能回火组织机械性能取决于回火组织 请同学们自己根据上述内容进行总结 硬度 强度 三 合金元素对回火的影响 提高钢的回火抗力 引起二次硬化 四 回火脆性 在某些温度区间回火时 钢的韧性显著下降的现象 第一类 低温 回火脆性 是指淬火钢在250 350 回火时出现的脆性 这种回火脆性是不可逆的 只要在此温度范围内回火就会出现脆性 目前尚无有效消除办法 除弹簧钢之外 其它零件淬火后应避免在250 350 回火 第二类 高温 回火脆性 500 650 是指淬火钢在500 650 范围内回火后缓冷时出现的脆性 回火后快冷不出现 多发生在含Cr Ni Mn Si等元素的合金钢中 是一种可逆性的回火脆性 预防措施 1 高温回火后 在