钢的回火淬火正火退火

钢的热处理工艺 出炉油淬 钢的热处理 加热 保温 冷却目的 改变材料整体或表面的组织 从而获得所需的性能 再施以冷却再发生相变 将材料加热到相变温度以上发生相变 相变与再相变材料的内部组织发生变化性能变化 保证工件烧透 防止脱碳 氧化等 例如 碳素工具钢T8在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为20HRC 作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60 63HRC 内部组织由粒状珠光体 淬火前 回火马氏体 淬火加低温回火后 例如 45钢经退火 正火 淬火加低温回火以及淬火加高温回火的不同热处理后的机械性能 同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大 热处理工艺 或制度 选择要根据材料的成份 材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺 材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化 材料成份 加工工艺 组织结构 材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中 热处理的基本类型 各类热处理在材料加工工序中的位置如下 热处理工艺制定流程图 合金元素对钢临界点温度的影响 自学 HRC珠光体25Pearlite4045贝氏体55Bainite马氏体 60Martensite 珠光体 索氏体 屈氏体 马氏体 片状 板条状 针状 贝氏体 钢的热处理多数需要先加热得到奥氏体 然后以不同速度冷却使奥氏体转变为不同的组织 得到钢的不同性能 一 加热时奥氏体的形成过程1 共析钢的加热转变 两个必要而充分条件 一是温度条件 要在Ac1以上加热 二是时间条件 要求在Ac1以上温度保持足够时间 在一定加热速度条件下 超过Ac1的温度越高 奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短 在一定的温度 高于Ac1 条件下 保温时间越长 奥氏体成分越均匀 奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程 在Ac1以上的一定加热温度下 过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并 尺寸变大 奥氏体晶粒尺寸过大 或过粗 往往导致热处理后钢的强度降低 工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒 为此可以采用 途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度 途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒 2 非共析钢的加热转变 二 钢的加热工艺选择 钢的加热工艺包含加热温度与加热时间 加热温度的选择 原则上可根据钢的相图参考确定 实际生产中还要考虑加热方式 不同热处理类型 以及钢的具体成分等因素作必要调整 加热时间指的是升温与保温时间的总和 加热工件到要求的温度 实为零件表面温度 所需时间为升温时间 保温时间是工件表面与心部都达到要求的温度所需时间 升温时间主要取决于加热速度 保温时间取决于钢的化学成分 工件尺寸与形状以及加热炉类型等诸因素 二 钢的加热工艺选择 加热速度快 升温时间短 生产效率高 但是对于高合金钢 以及形状复杂的工件过快的加热速度会导致升温过程中工件变形甚至开裂报废 保温时间以工件心部热透 到达要求温度 及成分均匀化合乎要求进行计算 一般碳素结构钢在温度800 左右的箱式电炉中加热 以每1毫米直径或1毫米厚度保温1 0min 1 5min为宜 若采用盐浴炉加热 保温时间可以缩短 每1毫米直径或1毫米厚度保温时间可为0 3min 0 45min 三 钢的加热缺陷 1 氧化加热时的氧化性气氛 如空气 气氛中O2 CO2 H2O等 氧化钢铁 在工件表面形成FeO Fe2O3 Fe3O4等氧化物 在温度560 以下 主要形成Fe3O4这类比较致密的氧化物 使钢表面与氧化性气氛隔离 阻止钢表进一步氧化 在560 以上 钢被氧化形成以FeO为主的疏松的氧化物层 依加热温度升高 加热时间增长其氧化物层厚度增加 不仅导致钢的烧损加大 而且使零件尺寸变小 表面粗糙 更重要的还严重影响后序热处理的质量 三 钢的加热缺陷 2 脱碳钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象 由于脱碳使钢件表面含碳量下降 导致钢件机械强度下降 特别是工件的疲劳强度下降 耐磨损性能降低 3 过热加热温度比正常温度偏高 出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大 即晶粒变粗 钢的塑性 韧性 强度降低 工件热处理后变形加大 还可能导致热处理裂纹 使工件报废 过热的工件一般可再在较低温度加热 重新使奥氏体晶粒细化 予以补救 4 过烧加热温度太高 奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象 处理的工件很脆 如果锻造一锻即裂 过烧的工件只能报废 无法挽救 2 加热缺陷的防止办法 1 真空加热防止氧化脱碳的最有效措施 是热处理工艺的发展方向 在发达国家应用普遍 问题 真空加热用的设备投资大 工艺成本较高 2 可控气氛加热工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛 保证钢在不脱碳 不增碳 不氧化的气氛下加热 实践证明它是行之有效与可靠的方法 也是发达国家应用十分普遍的工艺 是现代热处理的发展方向之一 但需要一套制取可控气氛的发生装置 由于成本较高 原材料来源不广泛限制了它的应用 3 盐浴加热工件置于一熔化了的中性盐液中加热 盐液进行充分脱氧 保证工件加热过程中少氧化 甚至无氧化 问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净 清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈 此外操作过程中盐液遇水易炸 不小心易使人体灼伤 四钢在冷却时的转变 五钢的热处理基本工艺及应用 一 退火和正火 1 退火 将钢加热到高于或低于A1点温度 保温一定时间后 随炉缓慢冷却 以获得接近于平衡状态的组织 层片状珠光体 的工艺 正火 将钢加热到Ac3点以上奥氏体区域 保持一定时间后在空气中冷却 以获得细珠光体组织 3 退火工艺分类 2 退火的目的总体 改善组织 提高性能 降低硬度 改善切削加工性能 细化晶粒 改善或消除铸 锻 焊件中各种组织缺陷 如偏析 带状组织 魏氏组织等 消除内应力 正火的目的与退火基本相同 正火还可用来改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能 消除过共析钢中的网状渗碳体 并为以后的热处理作好组织准备 对力学性能不太高的普通结构零体 正火可作为最终的热处理 完全退火a 工艺特点 加热到Ac3 30 50 发生完全A相变重结晶 b 目的 改善组织 降低硬度 细化晶粒 消除内应力 c 适用范围 中碳钢 c 0 3 0 6 的铸 锻 焊件 在中碳结构铸件 锻 轧 件中 常见的缺陷组织有魏氏组织 晶粒粗大和带状组织等 在焊接工件焊缝处的组织也不均匀 热影响区具有过热组织和魏氏组织 造成很大的内应力 魏氏组织和晶粒粗大能显著降低钢的塑性和冲击韧性 而带状组织使钢的机械性能出现各向异性 断而收缩率较低 尤其是横向冲击韧性很低 通过完全退火或正火 组织发生重结晶 使钢的晶粒细化 组织均匀 魏氏组织难以形成 并能消除带状组织 低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火 低碳钢完全退火后硬度偏低 不利于切削加工 过共析钢加热至完全奥氏体化状态缓冷退火时 获得的片状珠光体 硬度偏高 切削加工性能不理想 且较高碳量的过共析钢完全退火中还会有网状二次渗碳体析出 使钢的强度 塑性和冲击韧性显著降低 完全退火的工艺参数由加热温度 加热速度 保温时间和冷却速度等组成 其工艺要点如下 加热温度 一般情况下碳钢的完全退火温度选用Ac3 30 50 而合金钢选用Ac3 50 90 为了加快奥氏体化的过程 减少工艺时间 在生产中往往来用较高的温度 而对于含有多种合金元素的合金钢 常采用更高的温度 加热速度 形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温 不控制加热速度 但形状复杂或中 高合金钢则应控制加热速度 合金元素含量高 导热性差 所以升温不易过快 一般应进行预热 或采用低温入炉 随炉升温的方式 其加热速度一般控制在80 100 h 低于600 700 时控制在30 70 h 保温时间 一般按有效截面厚度计算 实际生产中按1 5 2 5min mm估算 保温时间的确定 应考虑钢的成分 工件的尺寸形状 装炉量及采用的加热炉特性等因素 如 合金钢的保温时间比碳钢长一些 工件越大 装炉量越多 保温时间也越长 冷却速度 在实际生产中 如冷却速度过慢 会造成工件过软 如冷却速度过快 会造成硬度偏高 一般情况下碳钢的冷却速度为100 150 h 低合金钢冷却速度为50 100 h 高合金钢为20 70 h 工件随炉冷却到500 左右可出炉空冷 也可埋入砂 灰堆中或冷却坑中冷却 过共析钢不能采用完全迟火 因为处理后将出现网状渗碳体 硬度升高 脆性增加 切削性能变坏 过共折钢应采用不完全退火或球化退火 完全退火生产周期很长 加热炉效率低 因而不少厂家采用正火加高温回火的工艺代替完全退火 以提高加热炉的使用率 不完全退火a 工艺特点 加热到Ac1 30 50 发生不完全A相变重结晶b 目的 获得球状珠光体 降低高碳钢的硬度 便于切削加工 c 适用范围 多用于过共析钢的球化退火 不完全退火主要用于过共析钢 获得球状珠光体组织 以消除内应力 降低硬度 改善切削加工性 故不完全退火又称球化退火 不完全退火的加热温度 保温时间 冷却速度等工艺参数的确定与完全退火基本相同实际上球化退火是不完全退火的一种 球化退火a 定义 使钢中碳化物球化 获得粒状珠光体的一种热处理工艺粒状珠光体的形成关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点 以造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性 b 用于 共析钢 过共析钢和合金工具钢 c 目的 降低硬度 均匀组织 改善切削加工性 为淬火作组织准备 1 片状P的表面能高于粒状P 自由能降低 过程自发进行 2 片状P内的渗碳体中有位错 形成亚晶界 铁素体与渗碳体亚晶界接触处有凹陷的沟槽 沟槽两侧的渗碳体具有较小的曲率半径 具有更高的动力学能 在足够的动力学因素作用下 曲率半径小的地方先发生渗碳体的溶解 使连续的碳化物熔断 为此 球化退火加热温度一般在Ac1以上20 30 不高的温度下 保温时间亦不能太长 一般以2 4h为宜 冷却方式通常采用炉冷 或在Ar1以下20 左右进行较长时间等温 这样可使未溶碳化物粒子和局部高碳区形成碳化物核心并局部聚集球化 得到粒状珠光体组织 d 分类 一般的球化退火 加热温度一般在Ac1以上20 30 左右 然后以3 5 h的速度控制冷却到Ar1以下 进行较长时间等温 等温球化退火 加热温度一般在Ac1以上20 30 左右 然后在Ar1的温度等温保持 随后冷却 周期球化退火 A1上下20 30 左右交替保温 随后冷却 等温退火将工件或毛坯加热到高于Ac3 或Acl 温度保温适当时间后 较快地冷却到珠光体区间的某一温度并等温保持 使奥氏体转变为珠光体型组织 然后在空气中冷却的退火工艺 称为等温退火 等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢 可以减少合金钢的退火时间 等温退火工艺参数的选择 退火温度 一般亚共析钢的退火温度为Ac3 30 50 共析钢或过共析钢的退火温度为Acl 20 40 等温温度和等温时间 在满足性能要求的前提下 尽量选择珠光体转变最快的速度 在实际生产中常用Ar1 20 30 的温度进行等温 等温时间根据钢种和装炉量而定 一般合金钢常用3 4h 高合金钢可长一些 冷却方法 从加热温度较快地冷却至Arl以下温度等温 等温后在空气中进行冷却或缓慢冷却 高温 扩散退火 均匀化退火 将钢锭 铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温 然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺 a 工艺特点 加热温度为Ac3或Accm 150 250 b 保温时间 几十个小时的长时间保温 c 目的 消除枝晶偏析 均匀化学成分d 适用范围 合金钢铸锭或铸件e 目的 消除化学成分的不均匀性 减少偏析 消除内应力 改善加工性能 均匀化退火工艺参数的选择 加热温度 加热温度一般为Ac3 或Acm 十 150 200 根据经验 碳钢铸件一般为950 1000 低合金钢铸件为1000 1050 高合金钢铸件为1050 1100 高合金钢锭为1000 1200 加热速度 加热速度一般控制在每小时100 120 保温时间 通常按有效截面厚度2 3min mm 冷却方法 随炉缓冷至500 350 后出炉空冷 高温扩散退火对电机轴切向机械性能的影响 高温扩散退火生产周期长 能量消耗大 工件氧化 脱碳严重 成本很高 只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺 对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件 因其偏析程度较轻 可采用完全退火来细化晶粒 消除铸造应力 再结晶退火把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间 使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺a 工艺特点 加热温度 A1T再 150 250 T再 0 4T熔 b 目的 发生再结晶 消除加工硬化c 适用范围 既可作为钢材或其它合金多道冷形变之间的软化退火 也可作为冷变形钢材或其它合金成品的最终热处理 冷变形钢的再结晶温度与化学成分和形变度等因素有关 纯铁的再结晶温度为450 纯铜为270 纯铝为100 一般来说 形变量越大 再结晶温度越低 再结晶退火温度也越低 例如 16Mn钢深冲件 多次冷冲成型 去应力退火定义 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 目的 消除铸 锻 焊的内应力 适用 铸件 焊接件 锻轧件及机械加工件 铸件及焊接件一般用500 650 机械加工件则可用稍低的温度 二 正火 加热 保温 空冷 1 正火工艺 将钢加热到Ac3 或Accm 以上适当温度 保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺加热温度 Ac3或Accm 30 50oC保温时间 和完全退火相同 应以工件烧透 心部达到要求的加热温度为准 还应考虑钢材成分 原始组织 装炉量和加热设备等因素 通常根据具体开件尺寸和经验数据加以确定 2 正火后组织与性能组织 亚共析钢 F S 共析钢 S 过共析钢 S Fe3C性能 冷却速度快 晶粒细小 强度 硬度 韧性更好 3 应用 作为普通结构零件的最终热处理 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性碳的含量低于0 25 的碳素钢和低合金钢 退火后硬度较低 切削加工时易于 粘刀 通过正火处理 可以减少自由铁素体 获得细片状珠光体 使硬度提高至140 190HB 可以改善钢的切削加工性 提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度 作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理正火作为预备热处理 为机械加工提供适宜的硬度 又能细化晶粒 消除应力 消除魏氏体组织和一定程度减轻带状组织 为最终热处理提供合适的组织状态 消除过共析钢中二次渗碳体网 对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件 用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂 注 对所有零件的预先热处理 能正火不退火 正火的加热速度 保温时间与完全退火相似 冷却方式应根据钢的成分 工件的尺寸和形状以及正火的性能要求而确定 对于一般小件可在空气中冷却 大件可用吹风冷却或喷雾冷却 但对于一些高合金钢 空气冷却已超过其临界冷却速度 属于淬火而非正火 主要是要根据工件的钢种和尺寸来选择合适的冷却方式 正火的冷却速度比退火要快 相同钢材正火后可得到细密的珠光体 钢的强度和硬度都比退火高 4 退火和正火的选用生产上退火和正火工艺的选择应当根据钢种 冷 热加工工艺 零件的使用性能及经济性综合考虑 含碳量 c 0 25 的低碳钢 通常采用正火代替退火 因为 a 较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体 从而提高冲压件的冷变形性能 b 用正火可以提高钢的硬度 改善低碳钢的切削加工性能 c 在没有其它热处理工序时 用正火可以细化晶粒 提高低碳钢强度 c 0 25 0 5 的中碳钢也可用正火代替退火 虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高 但尚能进行切削加工 而且正火成本低 生产率高 c 0 5 0 75 的钢 一般采用完全退火 因含碳量较高 正火后难以进行切削加工 c 0 75 以上的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理 如有网状二次渗碳体存在 则应先进行正火消除 一些中碳钢及中碳合金钢正火后硬度偏高 不利于切削加工 应当采用完全退火 因随着钢中碳和合金元素的增多 过冷奥氏体稳定性增加 C曲线右移 尤其是含较多合金元素的钢 过冷奥氏体特别稳定 甚至在缓慢冷却条件下也能得到马氏体和贝氏体组织 因此应当采用高温回火来消除应力 降低硬度 改善切削加工性能 从使用性能考虑 如钢件或零件受力不大 性能要求不高 不必进行淬 回火 可用正火提高钢的机械性能 作为最终热处理 从经济原则考虑 由于正火比退火生产周期短 操作简便 工艺成本低 因此 在钢的使用性能和工艺性能能满足的条件下 应尽可能用正火代替退火 举例1 结构钢热轧后的退火与正火1 消除内应力的退火 消除内应力的退火温度与应力大小间的关系 单纯消除内应力只需加热到低于Ac1 600 700 的低温 均匀热透后炉冷或空冷即可 碳钢在600 保温15小时内应力可基本消除 退火温度越低 保温时间越长 在650 700 较高温度退火 可大大缩短保温时间 但会加剧钢的氧化 碳含量高的钢种脱碳严重 2 消除组织缺陷的完全退火与正火在中碳结构钢铸 锻 轧后的组织中 有时会出现魏氏组织 对钢的塑 韧性影响大 带状组织 产生各向异性 粗大的奥氏体晶粒 影响钢的强度和塑韧性 对最终热处理不利 等组织缺陷 完全退火或正火来消除 30钢铸态和完全退火后性能比较 经850 完全退火后组织缺陷消失 机械性能尤其是钢的塑韧性得到明显提高 40CrNi钢扩散退火前后机械性能比较 退火前钢中存在着严重的带状组织 经1200 保温100小时缓冷后 再经843 五次正火 钢的塑韧性得到明显改善 3 低碳结构钢的正火低于0 25 C的碳钢和低合金钢 由于含碳量少 硬度较低 退火 钢中的珠光体球化 硬度更低 切削加工时易于粘刀 影响切削速度和效率 正火 细片状珠光体 硬度得以提高 适于切削加工 碳钢退火与正火后的硬度 HB 4 工具钢的球化退火 获得球状珠光体组织 适于共析成分的碳素工具钢 如T7 T8 T8Mn和T9等钢种的球化退火 适于过共析成分的碳素工具钢 如T10 T13和合金工具钢9Mn2V CrMn 9CrWMn等钢种的球化退火 适于含Cr的高碳合金工具钢和滚动轴承钢 如Cr Cr2 9Cr2 GCr9 GCr15等钢种的球化退火 加热温度关系到球化退火关系到球化程度完全与否 加热温度适宜 保证原来的片状珠光体溶解 又能保留一部分未完全溶于奥氏体中的碳化物作为非自发晶核 有利于球化的进行和颗粒状碳化物的均匀分布 三 退火及正火的缺陷及补救 1 过烧 由于加热温度过高 出现晶界氧化甚至晶界局部熔化 工件报废 2 黑脆 碳素工具钢或合金钢在退火后 断口呈黑色 硬度低但脆性大 退火温度过高 保温时间过长 冷却慢 3 粗大魏氏组织 加热温度过高 双重正火予以消除4 反常组织 亚共析钢或过共析钢退火时 临界点附近冷速慢 5 网状组织 加热温度过高 冷速过慢 重新正火予以消除 6 球化不均匀 退火前没有消除网状渗碳体 在球化退火时集聚而成 正火和一次球化予以消除 7 硬度过高 加热温度过高 冷速较快 组织中出现索氏体 屈氏体 贝氏体和马氏体 重新退火获得所需的硬度 二 钢的淬火与回火 钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要 也是用途最广泛的工序 淬火可以显著提高钢的强度和硬度 为了消除淬火钢的残余内应力 得到不同强度 硬度和韧性配合的性能 需要配以不同温度的回火 所以淬火和回火又是不可分割的 紧密衔接在一起的两种热处理工艺 淬 回火作为各种机器零件及工 模具的最终热处理是赋于钢件最终性能的关键性工序 也是钢件热处理强化的重要手段之一 1 淬火 将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度 保温以后以大于临界冷却速度的冷速冷却得到马氏体 或下贝氏体 的热处理工艺 目的 使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体 配以不同温度回火 获得各种需要的性能 例如 淬火加低温回火可以提高工具 轴承 渗碳零件或其它零件的强度与耐磨性 弹簧钢通过淬火加中温回火可以显著提高钢的弹性极限 结构钢通过淬火加高温回火可以得到强韧结合的优良综合机械性能 2 淬火加热温度 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则 以便淬火后获得细小的马氏体组织 淬火温度主要根据钢的临界点确定 亚共析钢通常加热至Ac3以上30 50 共析钢 过共析钢加热至Ac1以上30 50 低合金钢 淬火温度亦应根据临界状态点Ac1或Ac3确定 考虑合金元素的作用 为了加速奥氏体化 淬火温度可偏高些 一般为Ac1或Ac3以上50 100 高合金工具钢含较多强碳化物形成元素 奥氏体晶粒粗化温度高 则可采取更高的淬火加热温度 含碳 锰量较高的本质粗晶粒钢则应采用较低的淬火温度 以防奥氏体晶粒粗化 淬火加热时间的确定淬火加热时间包括工件加热到淬火温度所需的升温时间和使工件烧透及奥氏体均匀化所需的保温时间 一般来说 在满足工件各项技术要求的前提下 应尽量缩短加热时间 以提高生产效率 节约能源 工件的加热时间同以下几个因素有关 a 钢的成分 随着钢中碳或合金元素的增加 钢的导热性降低 应延长加热时间b 工件尺寸及装炉量 工件尺寸越大 装炉量越多 则加热时间越长 c 加热设备 空气电阻炉加热速度比盐浴炉慢 加热时间应长一些 d 装炉情况 工件在炉中的置放间隙大 加热时间短 置放的越密 加热时间越长 e 炉温 提高炉温可缩短加热时间 工件可在淬火温度入炉 亦也可将炉温升到高于正常淬火温度50 100 入炉 工件的有效厚度指能够保证零件得到良好加热条件的厚度 目前 生产中常根据工件的有效厚度来确定加热时间 其经验公式如下 淬火加热速度的确定对形状复杂 要求变形小 或用高合金钢制造的工件 大型合金钢锻件 必须考虑加热速度的问题 以减少淬火变形及开裂倾向 a 一般在钢坯棱角边缘处升温最决 靠近表面次之 而在心部加热速度最慢 这种不均匀的温度分布将在加热过程中形成很大的热应力和组织应力 工件尺寸越大 形状越复杂 加热时导致的应力越大 b 为了限制加热速度 可以采用限速升温或预热升温的方法 但是对形状简单的碳钢 低合金钢则完全可以实施快速加热 在实际生产中 一般都是热炉装炉来提高加热速度和生产效率 3 淬火冷却 淬火介质a 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 b 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 在达到C曲线的 鼻尖 附近 即在550 650 温度范围内以极快的冷却速度 迅速冷却到 鼻尖 以下 以避开C曲线的 鼻尖 在650 以上或在400 以下 过冷奥氏体稳定 这两个阶段应尽量减慢冷却速度 以减少淬火应力 特别在Ms点附近发生马氏体转变时 尤其不应快冷 否则容易造成变形及开裂 生产中 常用的淬火介质有水及水溶液 油类 熔盐 熔碱等 a 水及水溶液 水是应用比较广泛的淬火冷却介质 因为它便宜 安全 无污染 而且具有较高的冷却能力 所以常用于形状简单 尺寸较大的中碳钢零件 但水并不是理想的介质 工件淬火时 水在需要快冷的550 650 鼻尖 区域 处于蒸气膜阶段 冷却速度较慢 在200 300 需要慢冷的马氏体转变区 却处于沸腾阶段 冷却速度很快 产生极大的淬火应力 使工件易变形 开裂 水温的提高会使冷却能力急剧下降 为了克服这些缺点 工件淬入水后要不停地运动 破坏工件表面蒸气膜的形成 同时水温控制在40 以下 还必须不断补充新水 冷却水要保持清洁 否则也会降低冷却能力 水中加入食盐 NaCl 或碱类 NaoH KoH Na2CO3 就形成了盐或碱的水溶液 工件淬人后 盐或碱的颗粒在工件表面再结晶析出 并发生爆裂 破坏了蒸气膜 提高了高温区的冷却能力 但是盐或碱在工件表面易产生腐蚀 因此淬火后应清洗干净 b 油类 油在高温阶段 550 650 的冷却能力比水小 故常用于淬透性较高的合金钢或尺寸较小的碳钢零件 随着油温的升高 油会变稀而增加流动性 冷却能力增强 改善了淬火效果 油在200 300 马氏体转变区冷却非常缓慢 减少了工件的变形和开裂倾向 但油温太高又易着火 所以使用时一般把油温控制在80 以下 不宜超过100 120 油存在老化问题 须采用澄清 过滤及更换新油等方法 以维持其冷却能力 用油淬火的工件 淬火后需清洗干净 c 盐浴和碱浴盐浴 碱浴 是指盐类 碱类 加热溶化后的液体介质 盐浴和碱浴的冷却能力介于水 油之间 主要用于复杂形状的45钢 碳素工具钢以及合金工具钢小件的淬火 盐浴和碱浴加入一定比例的水 可使熔点降低 增加冷却速度 但水不能太多 一般控制在2 6 上述几种淬火介质各有优缺点 均不属于理想的冷却介质 水的冷却能力很大 但冷却特性不好 油冷却特性较好 但其冷却能力又低 由于水是价廉 容易获得 性能稳定的淬火介质 因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质 美国应用浓度为15 聚乙烯醇 0 4 抗粘附剂 0 1 防泡剂的淬火介质 其它国家也在应用类似的淬火介质 国内使用比较广泛的新型淬火介质有水玻璃 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 它们的共同特点是冷却能力介于水 油之间 接近于理想淬火介质 其中合成淬火剂是目前最常用的有机物水溶液淬火剂 其主要成分是聚乙烯醇加少量防腐剂 防锈剂和消泡剂 它的冷却能力介于水 油之间 并可通过改变浓度进行调节 例如398 时最大冷速为418 s 650 550 区间的平均冷速为80 s 300 200 时的平均冷速为190 s 淬火介质的选用原则 满足工件淬透层深度的要求下选择淬火烈度最低的淬火介质同时要结合过冷奥氏体连续冷却转变曲线及淬火本质选择淬火介质 考虑介质冷却特性 淬火介质应作如下选择 淬火钢过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力 而在马氏体转变区冷速缓慢 淬火冷却方法工件淬火时 既要保证组织和性能 又要减少变形和开裂等缺陷 因此 除了正确地进行加热 合理地选择淬火介质外 也要选择合适的冷却方法 冷却方法按特点分为单液淬火 双介质淬火 分级淬火 等温淬火和延时淬火等 a 单液淬火将奥氏体状态的工件放入淬火介质中一直冷却至150 100 或冷至室温的淬火方法 主要用于形状简单的碳钢和合金钢工件 也可用于局部淬硬的工件 单液淬火的冷却介质主要是水和油 一般情况下 碳钢工件的有效厚度小于5mm用油作淬火介质 大于5mm时用水作淬火介质 绝大部分合金钢都用油作淬火介质 尺小大的合金钢工件也可以用水作淬火介质 优点 操作简便 易实现机械化和自动化 缺点 不能保证工件淬硬 且易产生变形和裂纹 对于形状比较复杂的 且用高碳钢或合金钢制作的工件不能采用单液淬火 为了减小单液淬火时的淬火应力 常采用预冷淬火法 即将奥氏体的工件从炉中取出后 先在空气中或预冷炉中冷却一定时间 待工件冷至临界点稍上一点的一定温度后再放入淬火介质中冷却 预冷淬火法降低了工件进入淬火介质前的温度 减少了工件与淬火介质间的温差 可以减少热应力和组织应力 从而减小工件变形或开裂倾向 但操作上不易控制预冷温度 需要靠经验来掌握 b 双介质淬火将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中先冷却至接近Ms点温度时 再转入另一种冷却能力较弱的淬火介质中冷却 直至完成马氏体转变 如先水后油 先水后空气 先油后空气等 先快冷可避免过冷奥氏体的分解 后换冷可减少马氏体转变而产生的内应力 防止工件变形和开裂 常用来处理形状较复杂的工件 如碳素工具钢中的钻头 铰刀等优点 组织应力小 降低了变形开裂的倾向 缺点 操作难度大 从一种淬火介质转入另一种淬火介质的时间不好控制 生产中大多凭经验进行操作 水中停留时间过短会引起奥氏体分解 导致淬火硬度不足 水中停留时间过长 工件某些部分已在水中发生马氏体转变 从而失去双液淬火的意义 具体如下 计算法 按工件的直径和厚度在水中停留3mm min计算 水声法 注意工件在水中发出的声音 当水中发出的声音变微弱时 迅速从水中转入油中继续冷却 振动法 通过夹持工件的工具感觉工件在水中的振动情况 当手中振动的感觉减弱时 应迅速从水中转人油中继续冷却 双介质淬火一般对碳钢采用水淬油冷 合全钢采用油淬空冷 合金钢或高速钢用油淬火时 从油中取出如见闪光 则冷却时间不足 如无闪光冒青烟 则时间刚好 c 喷射淬火法向工件喷射急速水流的淬火方法 这种方法主要用于局部淬火的工件 由于这种淬火方法不会在工件表面形成蒸汽膜 故可保证比普通水淬得到更深的淬硬层 采用细密水流并使工件上下运动或旋转可保证实现工件均匀冷却淬火 d 分级淬火将奥氏体化钢件 先淬入温度略高于或略低于钢Ms点的液态介质 盐浴或碱浴 中 保持适当时间 当钢件的内 外层都达到介质的温度后取出空冷 以获得马氏体组织的淬火 使用了较高温度的冷却介质 又称热浴 缩小了工件与介质之间的温差 有利于减少热应力 通过分级保温 使工件内外温度均匀 消除已产生的应力 马氏体转变主要是在随后的空气缓冷中进行 所以 组织应力和热应力都较小 从而大大减少了工件变形和开裂倾向 优点 利于减少变形开裂倾向 要求附加设备 操作较为复杂 淬火介质较贵 处理费用较高 一般适用于合全钢及截面不大的碳钢 e 等温淬火 贝氏体等温淬火和马氏体等温淬火 将工件加热到奥氏体化后 取出置于温度稍高于Ms点的热浴中 等温停留一段较长的时间 使奥氏体在此温度下发生等温转变 转变后的产物为下贝氏体 或下贝氏体与马氏体的混合组织 而后再取出于空气中冷却下来 贝氏体综合力学性能较高 同时内应力较小 所以工件不易变形 开裂 而且淬火后的碳钢和低合金钢不需回火处理 适用于处理要求变形小 韧度和强度高 尺寸不大的工件 f 预冷淬火 延时淬火 将奥氏体化后的工件 出炉后先放置一段时间 使工件的温度降低一些 特别是使薄壁处和尖角处的温度降低一些 但仍应高于组织转变温度 然后再浸入各种淬火介质中冷却到室温的处理适用于淬透性好 奥氏体比较稳定 临界冷却速度较低的钢材操作的关键是掌握好延时温度 对于共析钢和过共析钢 由于在A1附近过冷奥氏体的稳定性较大 一般可以延时降温到720 左右 延时的时间 可以工件薄壁 尖角处的温度作为参考 延时降温并不局限于在空气中进行 也可以在720 左右的炉子中进行 可以减小温差 有效地减小应力和变形开裂 适用于厚薄悬殊 形状复杂 要求变形小的工件 4 钢的冷处理淬火是将工件急冷至室温的工艺 但是多数钢马氏体转变终了点Mf的温度低于室温 淬火后还有相当数量的残余奥氏体 为了使残余奥氏体继续转变为马氏体 还应将工件继续冷却至室温以下 淬火过程的继续 淬火后及时进行 工件淬火至室温后 继续在0 以下的介质中冷却的热处理工艺 称为冷处理 也称深冷处理 目的 是提高硬度 稳定尺寸以及提高钢的磁性 因奥氏体无磁性 5 淬火操作 淬火设备的选用 加热炉型的考虑 一般留有充分加工余量 而又不易变形的调质零件应在箱型炉中加热 加工余量较少 要求一般性防氧化措施的工件适合于盐炉加热 容易变形的 数量少的零件适合于盐炉加热 工件批量大又要求防氧化脱碳的零件宜在保护气氛炉中加热 大量成批生产的零件宜在连续加热炉中加热 精密零件 严格要求防氧化脱碳的零件可在真空炉中加热 轴类零件 特别是长轴类零件宜在井式炉中加热 淬火前的准备和装炉方法 淬火前的准备 a 按工件委托单核对零件数量 材料 尺寸等 检查工件表面 不允许有碰伤 裂纹 锈蚀 刀痕 折叠和其他污物 b 根据图纸和工艺卡 明确淬火零件的具体要求 如硬度 尺寸 余量等 c 选用合适的工夹具 进行适当的绑扎 对易产生裂纹的部位 采取适当的防护措施 如包扎铁皮 石棉绳 堵孔等 如非工作孔 可用石棉绳 耐火泥堵塞 降低冷却速度 减少淬火应力与变形 截面急变处用铁丝或石棉绳绑扎 尖角处用铁皮套上 容易变形的部分 如槽形工件 用螺丝等加以机械固定 d 表面不允许氧化脱碳的零件 可在保护气氛炉 盐炉或真空炉中加热 如在普通空气炉加热 必须采取防护措施 e 按盐炉操作规程使用校正剂 对盐炉进行定期校正 f 有力学性能要求的工件 应检查有无试棒 还应注意试棒大小和数量是否符合规范 装炉方法a 允许不同材料 但具有相同加热温度和加热速度的零件 装入同一炉中加热 b 截面大小不同的零件装入同一炉时 大件应放在炉膛里面 以便小件先出炉 c 零件装炉时 应放在炉内均匀温区 多方面采取措施 力求提高均温程度 d 装炉时必须将零件放在装料架或炉底板上 用钩 钳堆的不准将零件直接抛入炉内 以免碰伤零件或损坏零件 e 入炉零件均应干燥无油污 f 细长零件应尽量垂直吊挂 以免变形 g 对某些工件要合理绑扎 以免因自重而变形 h 盐炉的装炉量 零件放入盐浴后 盐浴液面应低于盐炉规定的液面线 还要使零件之间有大于或等于10mm的距离 I 零件入盐炉前要预热或烘干 对于薄而长的工件 应设法避免盐浴翻滚时工件互相撞击 还要防止工件碰撞电极或离电极大近 造成烧伤或过热 J 箱式炉的装炉 一般为单层排列 零件间距10 30mm 小件允许堆放 加热时间需酌量增加 每炉的零件数应基本一致 k 有力学性能要求的工件 试捧与工件同时装炉 试棒应放在有代表性的位置 连续加热炉由加热炉的炉体 燃烧室 出料口 烟道和迭料推钢机构成 加热炉的炉体由加热段 预热段和炉尾扩张段组成 2500kw80圆钢连续加热炉应用现场 淬火冷却方法正确地选择淬火冷却方法是保证淬火质量 避免或减少变形及开裂的重要措施 淬火冷却方法主要根据淬火钢的化学成分 力学性能要求以及工件的形状尺寸等条件来选择 一般可以下列原则作依据 a 碳素结构钢 碳素工具钢多采用水淬 b 碳钢的厚度在5 6mm以下 形状复杂的工件 可采用油淬 c 一般的合金钢工件多采用油淬 d 对于形状简单 厚度较大的低 中合金钢工件 为了保证硬度 形状复杂 厚度较大的碳钢工件 为了防止变形开裂 可采用水 油双介质淬火 e 为了减少变形和开裂的危险 根据工件自身的条件 可分别选用延时淬火 分级淬火和等温淬火 工件浸入淬火介质的方式a 工件从炉中取出时 必须保持平稳 防止摇晃或互相碰撞 除细小的工件外 一般不必急于投入淬火介质中 可在冷却池上静置几秒钟 既可达到保持垂直淬入的目的 又起到延时冷却的效果 b 工件浸入淬火介质时 应保证得到均匀的冷却 使蒸气膜能尽快破坏 气泡最易逸出 具体方法如下 轴类零件 厕柱形 长方形和扁平的工件应垂直淬入 c 薄片件应垂直淬入 大型薄片件更应快速垂直淬入 速度越快 变形越小c 例如圆盘铣刀不能平着放入 而必须立着投入淬火介质d 圆筒类 从轴线方向垂直淬入 e 一端大一端小的零件 应该大端先淬入 f 横向厚薄不均的零件 应尽可能从厚的一面向下淬火 例如半圆挫刀 可采取半圆面向下 倾斜45 淬入 或将挫刀半圆面迎向水面摆动淬火 都能有效地减少变形 g 有盲孔或凹面的工件 一般应将开口部位朝上淬火 否则将在凹处形成蒸气膜 阻碍该处淬硬h 具有十字形和H形的工件 不能垂直地浸入淬火介质应当斜着浸入为好 I 沿轴线方向截面不均匀的零件 应斜着放下去 使工件各部分的冷却速度趋于一致 J 长方形有通孔的零件 可以倾斜浸入淬火介质 以增加孔部的冷却 6 钢的淬透性和淬硬性 淬透性 可淬性 钢在淬火时获得淬硬层深度的能力 反映钢的过冷奥氏体稳定性 即与钢的临界冷却速度有关 淬硬性 可硬性 钢淬火时的硬化能力 淬火后的硬度越高 钢的淬硬性越高 取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的碳含量 P178图7 7 淬透性和淬硬性并无必然联系 例如 高碳工具钢的淬硬性高 但淬透性很低 而低碳合金钢的淬硬性不高 但淬透性却很好 实际工件的淬透层深度是指具体条件下测定的半马氏体区至工件表面的深度 它与钢的淬透性 工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关 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 它反映钢在淬火时 奥氏体转变为马氏体的容易程度 淬硬层越深 表示钢的淬透性越好 淬透性是钢的一种属性 相同奥氏体化温度下的同一钢种 其淬透性是确定不变的 不随工件形状 尺寸和介质冷却能力而变化其大小用规定条件下的淬透层深度表示 7 淬透性和实际条件下淬透层深度 例如 同一钢种在相同介质中淬火 小件比大件的淬透层深 一定尺寸的同一钢种 水淬比油淬的淬透层深 工件的体积越小 表面积越小 则冷却速度越快 淬透层越深决不能说 同一钢种水淬时比油淬时的淬透性好 小件淬火时比大件淬火时淬透性好 淬透性是钢的一种属性 不随工件形状 尺寸和介质冷却能力而变化的 钢的淬透性 淬透深度和淬硬性三者之间的区别何在 钢的淬透性是指钢在淬火时能够获得马氏体的能力 它是钢材本身固有的一种属性 它主要与钢的过冷奥氏体稳定性或与钢的临界淬火冷却速度有关 而这些影响因素又与合金元素含量密切相关 淬透深度除取决于钢材的淬透性之外 还与所采用的冷却介质 工件尺寸等外部因素有关 淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火所能达到最高硬度的能力 主要与钢中的含碳量有关 或者与固溶于马氏体中的含碳量有关 8 淬透性对钢力学性能的影响 淬透性高的钢 其力学性能沿截面均匀分布 例如各类齿轮 轴类零件 希望整个截面都能被淬透 从而保证这些零件在整个截面上得到均匀的机械性能 选择淬透性较高的钢即能满足这一性能要求 淬透性低的钢 其截面心部的力学性能低 特别是冲击韧性更低 钢的淬透性直接影响其热处理后的力学性能 9 淬透性的测定方法 断口检验法据断口呈现的状态来评定 如碳素工具钢 淬硬层 马氏体 晶粒细小 绢状断口 未淬硬层 珠光体或贝氏体 粗晶粒状断口 U型曲线法长度为直径4 6倍的圆柱试样 奥氏体化后淬火冷却 试样中部由里至内测定硬度值淬透性的高低用h或DH D表示多用于结构钢 直观 准确 但繁琐费时 不适合批量生产 临界直径法一组不同直径的圆柱试样 按规定条件淬火 找出中截面上含50 马氏体的一根 该试样的直径定义为临界淬透直径 D0 小于D0的均能被淬透 大于D0的不能被淬透 D0受化学成分和冷却速度影响较大 Di 理想临界直径 假设钢材在冷却强度强度无限大的介质中淬火 当试样投入介质中时 试样表面温度变立即与介质温度相等 此时试样能够淬透的最大直径 试样直径大于理想临界直径Di时不能完全淬透 Di是一个排除淬火介质的影响而反应钢固有淬透性的判据 末端淬火法 端淬法 图7 12端淬设备 将加热好的试样末端冷却淬火 磨平试样两端 沿长度方向 从水冷端到空冷端每隔一定距离测定硬度 绘出硬度 距离关系曲线 及淬透性曲线 如J 42 5 距离冷水端5mm处试样的硬度值为42HRC 世界上应用最广泛的淬透性试验 淬透性曲线的应用 据淬透性曲线 求出不同直径棒材 圆柱形工件 截面上的硬度分布 P183图7 15 16 据对工件的硬度要求 应用淬透性曲线选择适当的钢种及热处理工艺 P184图7 17 确定临界淬透直径 图7 18 需借助碳含量与半马氏体硬度关系图 淬透性线解图 合理选择钢材 预测钢材的组织与性能 制定合理的热处理工艺 10 淬火加热缺陷及其防止 淬火内应力材料变形 内应力超过屈服强度 和开裂 内应力超过断裂强度 的根本原因 据内应力产生的原因 内应力分为热应力 温度应力 和组织应力 相变应力 P186图7 20 I 热应力 由于工件表层和心部冷缩的不同时性而造成的内应力 II 组织应力 由于工件表层和心部发生组织转变的不同时性而造成的内应力 图7 21 22 淬火变形I 扭曲 翘曲 工件几何形状的变化 表现为尺寸及外形的变化 组织应力和热应力共同作用 II 比容差效应 工件体积的变化 表现为工件体积按比例胀大或缩小 组织转变时比容变化 图7 23热应力作用下引起的轴向变形图7 24组织应力作用下引起的轴向变形图7 25比容差引起的变形趋势 淬火裂纹工件淬火冷却时 如其瞬间内应力超过该钢材的断裂强度 则出现淬火裂纹 影响淬火变形的因素I 钢的淬透性淬透性好 组织应力和比容差效应大 淬火时需选择冷速较为缓和的淬火介质 II 奥氏体的化学成分碳 含碳量低 淬火后得到的低碳马氏体比容小 组织应力小 合金元素 合金钢的淬透性差 淬火时采用冷却较为缓和的淬火介质 淬火变形小 合金元素同时影响Ms的高低 Ms高 组织应力导致变形 Ms低 组织应力变形抗力增大 热应力影响变形 III 淬火加热温度淬火加热温度高 热应力大 同时淬透性增加 组织应力也增大 V 原始组织钢中夹杂物的等级 带状组织等级 成分偏析 游离碳化物质点分布及不同预备热处理后的组织等对零件的淬火质量影响很大 如碳素工具钢 合金工具钢 轴承钢等 锻造后必须进行球化退火 将片状珠光体变为球状珠光体 淬火加热时 奥氏体晶粒不易长大 淬火时工件的变形 开裂倾向小 偏析现象 网状组织等对淬火工件的变形影响很大 总之 材料的本质晶粒度越细 屈服强度越高 变形抗力就越大 工件淬火后的变形量就相应的减小 IV 淬火冷却速度冷速大 淬火内应力大 淬火变形大 为了抑制非马氏体转变的发生 鼻子 附近需要快冷 Ms线附近需慢冷 减小马氏体转变时的热应力和组织应力 VII 淬火前的残余应力大小及分布淬火前得残余应力将促使淬火后的变形进一步增加 VI 工件形状零件设计最好采用对称结构 尽量避免尖角 且截面过度均匀 必要时可开设工艺槽 减小热处理变形 对于形状复杂的零件 尖角处易形成应力集中 必须合理选材 避免淬火裂纹 淬火开裂 图7 27 影响淬火开裂的因素I 原材料缺陷白点 缩孔 大块的非金属夹杂 碳化物偏析 机加留下的刀痕等 会破坏钢基体的连续性 造成应力集中 成为淬火裂纹源 II 锻造缺陷锻造裂纹 淬火时裂纹扩展 III 热处理工艺不当a 加热温度过高 奥氏体晶粒粗大 淬火马氏体粗大且脆性大 易产生淬火裂纹 b 加热速度过快或工件各部分加热速度不均匀 尤其是导热性能差的高合金钢或形状复杂 尺寸大的工件 易产生淬火裂纹 c 在Ms点下冷却过快 组织应力大 易开裂d 回火温度过低 回火时间过短 淬火后未及时回火 淬火应力导致开裂 减少淬火变形和防止开裂的措施I 正确选择材料和合理设计工件形状据碳及合金元素含量合理选择冷却方式 工件形状设计时尽量减少截面的厚薄悬殊 避免薄边尖角 力求平滑过度 轴类零件减少长度与直径的比值 大型工件宜采用分离镶拼结构 II 正确锻造和预备热处理锻造 消除疏松 夹杂 发纹 偏析 带状组织等预备热处理 满足机械加工和最终热处理的要求 III 采用合适的热处理工艺据材料成分 预热 均匀加热 合适的淬火加热温度 合适的淬火介质和淬火方法 及时回火 IV 合理的热处理操作措施辅助工序的使用 防止材料因自重而变形 V 使用压床淬火薄壁圈类零件 薄板零件 形状复杂的凸轮盘和伞齿轮等 其他淬火缺陷及其防止 a 过热 工件在淬火加热时 由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷 淬火过热得到粗大马氏体组织 且易引起淬火裂纹 因此 淬火过热的工件强度和韧性降低 易于产生脆性断裂 轻微的过热可用延长回火时间来补救 严重的过热则需进行一次细化晶粒退火 然后再重新淬火 b 过烧 淬火加热温度太高 使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫做 过烧是严重的加热缺陷 工件一旦过烧就无法补救 只能报废 c 硬度不足 淬火冷速不够 淬火加热温度过低或保温时间过短奥氏体中碳及合金含量不够或奥氏体成分不均匀 转变不完全 淬火组织中残存珠光体或铁素体 装炉量过大或炉温不均匀 工件欠热或加热不均匀 淬火操作不当IV 表面脱碳d 软点 工件内硬度不足的小区域 工件磨损或疲劳断裂的中心 I 工件原始组织不均匀 偏析 带状组织 大块铁素体 局部脱碳或渗碳不均匀 淬