热处理Microsoft Word 文档 (2)

1 明咪咪 智者 淬火 金属和玻璃的一种热处理工艺 把合金制品或玻璃加热到一定温度 随即在 水 油或空气中急速冷却 一般用以提高合金的硬度和强度 通称 蘸火 将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间 随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处 理工艺 常用的淬冷介质有盐水 水 矿物油 空气等 淬火可以提高金属工件的硬度及耐 磨性 因而广泛用于各种工 模 量具及要求表面耐磨的零件 如齿轮 轧辊 渗碳零件 等 通过淬火与不同温度的回火配合 可以大幅度提高金属的强度 韧性及疲劳强度 并 可获得这些性能之间的配合 综合机械性能 以满足不同的使用要求 另外淬火还可使一些 特殊性能的钢获得一定的物理化学性能 如淬火使永磁钢增强其铁磁性 不锈钢提高其耐蚀 性等 淬火工艺主要用于钢件 常用的钢在加热到临界温度以上时 原有在室温下的组织将 全部或大部转变为奥氏体 随后将钢浸入水或油中快速冷却 奥氏体即转变为马氏体 与钢 中其他组织相比 马氏体硬度最高 钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马 氏体 获得高硬度 然后在适当温度下回火 使工件具有预期的性能 淬火时的快速冷却会 使工件内部产生内应力 当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂 为此必须选 择合适的冷却方法 根据冷却方法 淬火工艺分为单液淬火 双介质淬火 马氏体分级淬火 和贝氏体等温淬火 4 类 淬火效果的重要因素 淬火工件硬度要求和检测方法 淬火工件的硬度影响了淬火的效果 淬火工件一般采用洛氏硬度计 测试 HRC 硬度 淬火的 薄硬钢板和表面淬火工件可测试 HRA 的硬度 厚度小于 0 8mm 的淬火钢板 浅层表面淬火工 件和直径小于 5mm 的淬火钢棒 可改用表面洛氏硬度计 测试 HRN 硬度 在焊接中碳钢和某些合金钢时 热影响区中可能发生淬火现象而变硬 易形成冷裂纹 这是 在焊接过程中要设法防止的 由于淬火后金属硬而脆 产生的表面残余应力会造成冷裂纹 回火可作为在不影响硬度的基 础上 消除冷裂纹的手段之一 淬火对厚度 直径较小的零件使用比较合适 对于过大的零件 淬火深度不够 渗碳也存在 同样问题 此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度 回火是將淬火鋼加熱到奧氏體 austenite 轉變溫度以下 保溫 1 到 2 小時候冷卻的工藝 回火往往是與淬火向伴 並且是熱處理的最後一道工序 經過回火 鋼的組織趨於穩定 淬 火鋼的脆性降低 韌性與塑性提高 消除或者減少淬火應力 穩定鋼的形狀與尺寸 防止淬 火零件變形和開裂 高溫回火還可以改善切削加工性能 依據加熱溫度不同 回火分為 1 低溫回火 加熱溫度 150 200 淬火產生的馬氏體 martensite 保持不變 但是鋼 的脆性降低 淬火應力降低 主要用於工具 滾動軸承 滲碳零件和表面淬火零件等要求高 硬度的零件 2 中溫回火 加熱溫度 350 500 回火組織為針狀鐵素體 ferrite 和 細粒狀滲碳體 FeC 的混合物 稱為回火屈氏體 中溫回火能獲得較高的彈性極限和韌性 主要用於彈簧和熱作磨具回火 3 高溫回火 加熱溫度 500 600 淬火加高溫回火的 連續工藝稱為調質處理 高溫回火組織為多邊形的鐵素體 ferrite 和細粒狀滲碳體 FeC 的混合組織 稱為回火索氏體 高溫回火為了得到強度 硬度和塑性韌性等性能的 均衡狀態 主要用於重要結構零件的熱處理 如軸 齒輪 曲軸等 2 先知 钢的热处理工艺包括退火 正火 淬火 回火和表面热处理等方法 1 退火 把钢加热到一定温度并在此温度下保温 然后缓慢冷却到室温 退火有完全退火 球化退火 去应力退火等几种 a 将钢加热到预定温度 保温一段时间 然后随炉缓慢冷却称为完全退火 目的是降低钢的 硬度 消除钢中不均匀组织和内应力 b 把钢加热到 750 保温一段时间 缓慢冷却至 500 下 最后在空气中冷却叫球化退 火 目的是降低钢的硬度 改善切削性能 主要用于高碳钢 c 去应力退火又叫低温退火 把钢加热到 500 600 保温一段时间 随炉缓冷到 300 以下 再室温冷却 退火过程中组织不发生变化 主要消除金属的内应力 2 正火 将钢件加热到临界温度以上 30 50 保温适当时间后 在静止的空气中冷却的热处理工艺 称为正火 正火的主要目的是细化组织 改善钢的性能 获得接近平衡状态的组织 正火与退火工艺相比 其主要区别是正火的冷却速度稍快 所以正火热处理的生产周期短 故退火与正火同样能达到零件性能要求时 尽可能选用正火 3 淬火 将钢件加热到临界点以上某一温度 45 号钢淬火温度为 840 860 碳素工具钢的淬火温度 为 760 780 保持一定的时间 然后以适当速度在水 油 中冷却以获得马氏体或贝氏 体组织的热处理工艺称为淬火 淬火与退火 正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快 目的是为了获得马氏体组织 马 氏体组织是钢经淬火后获得的不平衡组织 它的硬度高 但塑性 韧性差 马氏体的硬度随 钢的含碳量提高而增高 4 回火 钢件淬硬后 再加热到临界温度以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处理 工艺称为回火 淬火后的钢件一般不能直接使用 必须进行回火后才能使用 因为淬火钢的硬度高 脆性大 直接使用常发生脆断 通过回火可以消除或减少内应力 降低脆性 提高韧性 另一方面可 以调整淬火钢的力学性能 达到钢的使用性能 根据回火温度的不同 回火可分为低温回火 中温回火和高温回火三种 A 低温回火 150 250 降低内应力 脆性 保持淬火后的高硬度和耐磨性 B 中温回火 350 500 提高弹性 强度 C 高温回火 500 650 淬火钢件在高于 500 的回火称为高温回火 淬火钢件经高温淬火 后 具有良好综合力学性能 既有一定的强度 硬度 又有一定的塑性 韧性 所以一般 中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理 轴类零件应用最多 淬火 高温回火称为调质处理 淬火 高温回火 调质 3 编辑本段钢的回火 回火是工件淬硬后加热到 AC1 以下的某一温度 保温一定时间 然后冷却到室温的热处 理工艺 回火一般紧接着淬火进行 其目的是 a 消除工件淬火时产生的残留应力 防止变形和开裂 b 调整工件的硬度 强度 塑性和韧性 达到使用性能要求 c 稳定组织与尺寸 保证精度 d 改善和提高加工性能 因此 回火是工件获得所需性能的最后一道重要工序 按回火温度范围 回火可分为低温回火 中温回火和高温回火 1 低温回火 工件在 250 以下进行的回火 目的是保持淬火工件高的硬度和耐磨性 降低淬火残留应力和脆性 回火后得到回火马氏体 指淬火马氏体低温回火时得到的组织 力学性能 58 64HRC 高的硬度和耐磨性 应用范围 刃具 量具 模具 滚动轴承 渗碳及表面淬火的零件等 2 中温回火 工件在 250 500 之间进行的回火 目的是得到较高的弹性和屈服点 适当的韧性 预先热处理 回火后得到回火托氏体 指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化 物 或渗碳体 的复相组织 力学性能 35 50HRC 较高的弹性极限 屈服点和一定的韧性 应用范围 弹簧 锻模 冲击工具等 3 高温回火 工件在 500 以上进行的回火 目的是得到强度 塑性和韧性都较好的综合力学性能 回火后得到回火索氏体 指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物 包括渗碳体 的复相组织 力学性能 200 350HBS 较好的综合力学性能 应用范围 广泛用于各种较重要的受力结构件 如连杆 螺栓 齿轮及轴类零件等 工件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质 调质不仅作最终热处理 也可作一些 精密零件或感应淬火件预先热处理 45 钢正火和调质后性能比较见下表所示 45 钢 20mm 40mm 正火和调质后性能比较 热处理方法 力学性能 力学性能 力学性能 力学性能 组织 b Mpa 4 100 Ak J HBS 正火 700 800 15 20 40 64 163 220 索氏体 铁素体 调质 750 850 20 25 64 96 210 250 回火索氏体 由于百度的表格功能太差 所以这里不够美观 钢淬火后在 300 左右回火时 易产生不可逆回火脆性 为避免它 一般不在 250 350 范围内回火 含铬 镍 锰等元素的合金钢淬火后在 500 650 回火 缓冷易产生可逆回火脆性 为防止它 小零件可采用回火时快冷 大零件可选用含钨或钼的合金钢 编辑本段注意事项 将淬火成马氏体的钢加热到临界点 A1 以下某个温度 保温适当时间 再冷到室温的一 种热处理工艺 回火的目的在于消除淬火应力 使钢的组织转变为相对稳定状态 在不降低 或适当降低钢的硬度和强度的条件下改善钢的塑性和韧性 以获得所希望的性能 中碳和高 碳钢淬火后通常硬度很高 但很脆 一般需经回火处理才能使用 钢中的淬火马氏体 是碳 在 Fe 中的过饱和固溶体 具有体心正方结构 其正方度 c a 随含碳量的增加而增大 c a 1 0 045wt C 马氏体组织在热力学上是不稳定的 有向稳定组织过渡的趋势 许多 钢淬火后还有一定量的残留奥氏体 也是不稳定的 回火过程中将发生转变 因此 回火过 程本质上是在一定温度范围内加热粹火钢 使钢中的热力学不稳定组织结构向稳定状态过渡 的复杂转变过程 转变的内容和形式则视淬火钢的化学成分和组织 以及加热温度而有所不 同 见马氏体相变 二次预热 碳钢的回火过程 淬火碳钢回火过程中的组织转变对于各种钢来说都有代表性 回火过程包括马氏体分解 碳化物的析出 转化 聚集和长大 铁素体回复和再结晶 残留奥氏体分解等四类反应 低 中碳钢回火过程中的转变示意地归纳在图 1 中 根据它们的反应温度 可描述为相互交叠的 四个阶段 回火 第一阶段回火 250 以下 马氏体在室温是不稳定的 填隙的碳原子可以在马氏体内 进行缓慢的移动 产生某种程度的碳偏聚 随着回火温度的升高 马氏体开始分解 在中 高 碳钢中沉淀出 碳化物 图 2 马氏体的正方度减小 高碳钢在 50 100 回火后观察到 的硬度增高现象 就是由于 碳化物在马氏体中产生沉淀硬化的结果 见脱溶 碳 5 化物具有密排六方结构 呈狭条状或细棒状 和基体有一定的取向关系 初生的 碳化物 很可能和基体保持共格 在 250 回火后 马氏体内仍保持含碳约 0 25 含碳低于 0 2 的马氏体在 200 以下回火时不发生 碳化物沉淀 只有碳的偏聚 而在更高的温度回火 则直接分解出渗碳体 回火 第二阶段回火 200 300 残留奥氏体转变 回火到 200 300 的温度范围 淬火钢 中原来没有完全转变的残留奥氏体 此时将会发生分解 形成贝氏体组织 在中碳和高碳钢 中这个转变比较明显 含碳低于 0 4 的碳钢和低合金钢 由于残留奥氏体量很少 所以这 一转变基本上可以忽略不计 第三阶段回火 200 350 马氏体分解完成 正方度消失 碳化物转化为渗碳体 Fe3C 这一转化是通过 碳化物的溶解和渗碳体重新形核长大方式进行的 最初形成的 渗碳体和基体保持严格的取向关系 渗碳体往往在 碳化物和基体的界面上 马氏体界面 上 高碳马氏体片中的孪晶界上和原始奥氏体晶粒界上形核 图 3 形成的渗碳体开始时 呈薄膜状 然后逐渐球化成为颗粒状的 Fe3C 回火 第四阶段回火 350 700 渗碳体球化和长大 铁素体回复和再结晶 渗碳体从 400 开始球化 600 以后发生集聚性长大 过程进行中 较小的渗碳体颗粒溶于基体 而将碳 输送给选择生长的较大颗粒 位于马氏体晶界和原始奥氏体晶粒间界上的碳化物颗粒球化和 长大的速度最快 因为在这些区域扩散容易得多 铁素体在 350 600 发生回复过程 此时在低碳和中碳钢中 板条马氏体的板条内和 板条界上的位错通过合并和重新排列 使位错密度显著降低 并形成和原马氏体内板条束密 切关联的长条状铁素体晶粒 原始马氏体板条界可保持稳定到 600 在高碳钢中 针状马 氏体内孪晶消失而形成的铁素体 此时也仍然保持其针状形貌 在 600 700 间铁素体内 发生明显的再结晶 形成了等轴铁素体晶粒 此后 Fe3C 颗粒不断变粗 铁素体晶粒逐渐 长大 合金元素的影响 对一般回火过程的影响 合金元素硅能推迟碳化物的形核和长大 并有力地阻滞 碳化 物转变为渗碳体 钢中加入 2 左右硅可以使 碳化物保持到 400 在碳钢中 马氏体 的正方度于 300 基本消失 而含 Cr Mo W V Ti 和 Si 等元素的钢 在 450 甚至 500 回火后仍能保持一定的正方度 说明这些元素能推迟铁碳过饱和固溶体的分解 反之 Mn 和 Ni 促进这个分解过程 见合金钢 合金元素对淬火后的残留奥氏体量也有很大影响 残留奥氏体围绕马氏体板条成细网络 经 300 回火后这些奥氏体分解 在板条界产生渗碳体薄膜 残留奥氏体含量高时 这种连续 薄膜很可能是造成回火马氏体脆性 300 350 的原因之一 合金元素 尤其是 Cr Si W Mo 等 进入渗碳体结构内 把渗碳体颗粒粗化温度由 350 400 提高到 500 550 从而抑制回火软化过程 同时也阻碍铁素体的晶粒长大 特殊碳化物和次生硬化 当钢中存在浓度足够高的强碳化物形成元素时 在温度为 450 650 范围内 能取代渗碳体而形成它们自己的特殊碳化物 形成特殊碳化物时需要合 金元素的扩散和再分配 而这些元素在铁中的扩散系数比 C N 等元素要低几个数量级 因 此在形核长大前需要一定的温度 回火 条件 基于同样理由 这些特殊碳化物的长大速度很低 在 450 650 形成的高度弥散的 特殊碳化物 即使长期回火后仍保持其弥散性 图 4 表明 在 450 650 之间合金碳化物的 形成对基体产生强化作用 使钢的硬度重新升高 出现峰值 这一现象称为次生硬化 回 火 6 钢在回火后的性能 淬火钢回火后的性能取决于它的内部显微组织 钢的显微组织又随其化学成分 淬火工 艺及回火工艺而异 碳钢在 100 250 之间回火后能获得较好的力学性能 合金结构钢在 200 700 之间回火后的力学性能的典型变化如图 5 所示 从图 5 可以看出 随着回火温度 的升高 钢的抗拉强度 b 单调下降 屈服强度 0 3 先稍升高而后降低 断面收缩率 和伸长率 不断改善 韧性 用断裂韧度 K1c 为指标 总的趋势是上升 但在 300 400 之 间和 500 550 之间出现两个极小值 相应地被称为低温回火脆性与高温回火脆性 因此 为了获得良好的综合力学性能 合金结构钢往往在三个不同温度范围回火 超高强度钢约在 200 300 弹簧钢在 460 附近 调质钢在 550 650 回火 碳素及合金工具钢要求具有 高硬度和高强度 回火温度一般不超过 200 回火时具有次生硬化的合金结构钢 模具钢 和高速钢等都在 500 650 范围内回火 回火 回火脆性 低温回火脆性 许多合金钢淬火成马氏体后在 250 400 回火中发生的脆化现象 已经 发生的脆化不能用重新加热的方法消除 因此又称为不可逆回火脆性 引起低温回火脆性的 回火软化性 原因已作了大量研究 普遍认为 淬火钢在 250 400 范围内回火时 渗碳体在原奥氏体 晶界或在马氏体界面上析出 形成薄壳 是导致低温回火脆性的主要原因 钢中加入一定量 的硅 推迟回火时渗碳体的形成 可提高发生低温回火脆性的温度 所以含硅的超高强度钢 可在 300 320 回火而不发生脆化 有利于改进综合力学性能 高温回火脆性 许多合金钢淬火后在 500 55