钢淬火与回火知识要点

第三章钢的淬火及回火,第一节淬火的定义、目的、淬火的必要条件1、淬火定义：把钢加热到临界点Ac3或Ac1以上，保温并随之以大于临界冷却速度Vk冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。,2、淬火的目的：提高零件的硬度，强度，耐磨性。结构钢通过淬火，回火获得良好的综合机械性能。少数工件可以改善钢的物理和化学性能。,3、淬火必要条件：临界点以上，获得奥氏体；大于临界冷速，得到马氏体或下贝氏体。,例如：提高高磁钢的磁性；不锈钢淬火以消除第二相，从而改善其耐蚀性。,第二节淬火介质淬火介质：为实现淬火目的用的冷却介质。理想淬火介质：,在A1650缓慢冷却，以减少热应力；在过冷奥氏体最不稳定区域（650400），快速冷却；而在MS附近的温度区域冷速比较缓慢，它可以减少淬火内应力，避免淬火变形开裂。,一、淬火介质的冷却作用1、分类（1）按聚集状态分类：淬火介质有固态、液态、气态。最常用介质为液态介质，淬火时不仅发生传热作用，还会产生物态变化，因此过程较为复杂。（2）按液态淬火介质是否具有物态变化：分为有物态变化的和无物态变化的。2、有物态变化的淬火介质淬火冷却过程可分为三个阶段：（1）蒸气膜阶段：工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜；冷却主要靠辐射传热，冷却速度较缓慢。,（2）沸腾阶段：进一步冷却时，工件放出的热量减少，蒸汽膜厚度减薄并在越来越多的地方破裂，使工件与液体直接接触，并形成大量气泡逸出。冷却速度较快，取决于淬火介质的汽化热，汽化热越大，从工件带走的热量越多，冷却速度也越快。（3）对流阶段：当工件表面的温度降至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流进行，随工件和介质间的温差减小，冷速也逐渐降低，此时对流传热起主导作用,3、无物态变化的淬火介质：淬火冷却主要靠对流散热。温度较高时辐射散热占有很大比例，也有传导传热。二、淬火介质冷却特性的测定淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度H。1、概念：规定静止水的淬火烈度H1，其它淬火介质的淬火烈度由与静止水的冷却能力比较而得。2、实质：反映钢内部的热传导系数以及钢与介质间的给热系数的关系，即淬火介质的冷却能力。注意：不同淬火介质，在工件淬火过程中其冷却能力是变化的。几种常见淬火介质的淬火烈度H，如下表所示。,三、常用淬火介质及其冷却特性,1水：具有良好的物理化学性能，而且来源丰富，价格便宜。冷却特性：（1）水的冷却速度在650400温度范围内的冷却速度较小；在马氏体转变温度区的冷却速度特别快。,不同温度纯水的冷却特性,（2）水温对冷却特性影响很大随水温提高，水的冷却速度降低。（3）循环水的冷却能力大于静止水的冷却能力。,不同温度纯水的冷却特性,2碱或盐的水溶液水中溶入盐、碱等物质，减少了蒸汽膜的稳定性，使蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高从而加速冷却速度。食盐水溶液在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提高，冷速均大于纯水的。碱溶液也具有很高的冷却能力，随温度提高冷却能力降低，工件表面银白色、好的外观，但腐蚀严重。,3油冷却能力比水差，油的冷却过程也具有三个阶段。,(1)在高温区冷却速度低；(2)油在500350间冷却速度最快。(3)油在低温区（350下）冷速较慢。(4)油在2080使用，对工件冷速影响不大。,4有机物的水溶液及乳化液。水的冷却能力很大，但冷却特性很不理想；油的冷却特性比较理想，但其能确能力有小一些；因此需要寻找冷却能力介于两者之间，而冷却特性又比较理想的介质。有机物的水溶液是较理想的淬火介质，即在水中加入有机物或矿物盐，改变（降低）水的冷却性能。常用的有聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蚀剂。工业生产中常用乳化液，是矿物油与水经强烈搅拌及振动而成。冷却能力可通过调配浓度来调节。常用于表面淬火。,第三节钢的淬透性,一.淬透性的概念及影响因素1概念：钢材被淬透的能力，或者说淬火时获得马氏体的能力。不同的钢种，淬透性是不同的，因此工件表面到内部的截面上淬成马氏体组织的厚度也不同；淬成马氏体组织的厚度越大，表示该钢中的淬透性愈高。这种马氏体组织厚度通常称为硬化层厚度或淬透深度、淬硬层深度等。,2淬透性与淬硬性的区别（1）淬透性概念：系指淬火时获得马氏体的难易程度；影响因素：主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关或者说与钢的临界淬火冷却速度有关，淬透性是钢材本身固有的一个属性。（2）淬硬性概念：是指淬成马氏体可得到的硬度，影响因素：主要和钢中含碳量有关。淬硬性是钢淬火后获得马氏体的最高硬度。,工件淬硬层与冷却速度的关系,3影响钢的淬透性的因素(1)钢的化学成分过共析钢在正常淬火温度区间（低于Accm温度）加热含碳量低于1%的钢，随含碳量的升高，临界冷速降低，淬透性提高；含碳量高于1%的钢，随含碳量的增加，单调下降,淬透性降低。钢在高于Ac3或Accm加热随着含碳量的增加，临界冷速降低，淬透性增加。合金元素的影响除Co、Ti、Zr以外，大多数合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移，提高钢的淬透性。,2奥氏体晶粒度的影响奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高，奥氏体晶粒尺寸对珠光体转变的延迟作用比贝氏体的大。3奥氏体化温度不仅可以促进奥氏体晶粒增大，而且可以促使碳化物及其它非金属夹杂物溶入，并使奥氏体成分均匀化，这将提高过冷奥氏体的稳定性，从而提高淬透性。4第二相的存在和分布奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在，以及大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性。,5钢的原始组织的影响钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时，将会影响到奥氏体的均匀性，从而影响到钢的淬透性。碳化物愈细小，溶入奥氏体愈迅速，从而有利于提高钢的淬透性。,第五节确定淬火工艺规范的原则淬火工艺方法及应用,淬火工艺规范包括淬火加热方式、加热温度、加热时间、冷却介质及冷却方式等。确定规范的依据工件图纸及技术要求;所用材料牌号;相变点;过冷奥氏体等温或连续冷却曲线;端淬曲线;原始组织;加工工艺路线。,一、淬火加热方式及加热温度的确定原则1、加热方式保护气氛或盐浴加热。装炉方式：一般是热炉装料。对尺寸较大，形状复杂高合金钢件采用预热（预热炉）或分段式加热炉加热。2、淬火加热温度主要根据钢的相变点确定。,亚共析钢加热温度为Ac3+3050；原因：若在Ac1Ac3加热，则得到A+F两相组织,淬火冷却后,铁素体保存下来，导致硬度不均匀,强度和硬度降低。若在Ac3以上3050加热得到A组织，冷却后得到细小的马氏体，强度和硬度较高。若加热温度在在Ac3以上,得到粗大的奥氏体晶粒，冷却后得到粗大马氏体，降低强度和硬度。,例题：已知45钢，Ac1=730,AC3=780,试确定其淬火加热温度，并分析原因。,过共析钢Ac1+3050OC原因：若加热温度在Ac1Accm之间,得到细小的奥氏体晶粒和未溶解碳化物,淬火后得到隐晶马氏体和颗粒状碳化物，提高强度、硬度和耐磨性。若加热温度高于Accm，碳化物溶解，得到粗大的奥氏体晶粒，并且含碳量增加；,一方面，淬火后得到粗大的片状马氏体（孪晶马氏体），显微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大。另一方面，由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。,例题：已知T12钢，Ac1=730,ACcm=820,试确定其淬火加热温度，并分析原因。,在工件尺寸大，加热速度快的情况下，淬火温度可取Ac3+5080；另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较高的加热温度，细晶粒钢Ac3+100。形状复杂件，易变形工件，加热速度较慢，淬火温度取下限。考虑原始组织时，如果先共析铁素体比较大或珠光体片间距较大，为加速奥氏体的均匀化过程，淬火温度取高一些。对合金含量较高的钢，为加速合金碳化物的溶解，合金元素（均匀化）,采用较高的淬火加热温度。,二、淬火加热时间的确定原则,=Dk式中，为加热时间，单位min；为加热系数，单位min/mm；K:装炉修正系数；D:零件有效厚度，单位mm。可查表得到，根据工件直径以及加热温度确定。K:依装炉量而定。通常为1.52.0min/mm。工件有效厚度计算如下：圆柱体取直径；正方形截面取边长；板件取板厚；长方形截面取短边；套筒类工件取壁厚；圆锥体取离小头2/3长度处直经；球体取球径的0.6倍。,保温时间的确定,三、淬火介质及冷却方式的选择与确定1、满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。2、在被淬火钢的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却速度却又很缓慢。3、淬火介质在使用过程中，应该稳定长期使用，存放；不易变质，价格低廉，来源丰富，无毒，无环境污染。,1单液淬火法概念：把已加热到淬火温度的工件淬入一种淬火介质，使其完全冷却。如曲线a所示。,四、淬火方法及其应用,特点：操作简单；易产生淬火应力，导致工件变形或开裂。,适用条件：适用于形状简单的碳钢，合金钢工件；对碳钢直径大于35mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬；各类合金钢则以油为常用淬火介质。,2双液淬火法概念：把加热到淬火温度的工件，先在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近MS点，然后转入冷却能力弱的淬火介质中冷却至室温。如曲线b所示。,特点：保证了获得较高的硬度层和淬硬层深度。可减小内应力及防止发生淬火开裂。分级淬火的停留时间难把握。说明：一般用水做快冷淬火介质，用油或空气做慢冷淬火介质，但较少采用空气，在水中停留时间为每56mm有效厚度约1秒。适用条件：尺寸较大的碳素钢工件。,3喷射淬火法概念：向工件喷射水流的淬火方法。说明：水流可大可小，视所要求的淬火深度而定；用此法，不会在工件表面形成蒸汽膜，能保证比普通水中淬火更深的淬硬层；水流应细密，工件上下运动或旋转。适用条件：主要用于局部淬火。,4分级淬火法概念：把工件由奥氏体化温度淬入高于该钢种的马氏体开始转变温度的淬火介质（盐浴或碱浴炉）中，在其中冷却直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后缓冷至室温，发生马氏体转变。如曲线C所示。,特点：减少了热应力，且马氏体转变前工件各部分温度已趋于均匀，因而马氏体转变的不同时现象也减少。说明：淬火介质的温度（分级温度）可高于或略低于马氏体开始转变温度；当淬火介质的温度低于马氏体转变开始温度时，由于温度比较低，冷却较剧烈，故可用于较大工件的淬火。各种碳素工具钢和合金工具钢（MS=200250）淬火时，分级温度选择在250附近，但更经常选用120150，甚至100。适用条件：只适用于尺寸较小的工件。,5等温淬火法概念：工件淬火加热后，若长期保持在下贝氏体转变区的温度使之完成奥氏体的等温转变，获得下贝氏体组织，这种淬火方法称等温淬火法。如曲线d所示。,等温淬火与分级淬火的区别在于前者是获得下贝氏体组织。等温淬火目的：获得变形小，硬度高并兼有良好韧性的工件。原因：下贝氏体的硬度较高，而韧性又好，在等温淬火时，冷却又较慢，贝氏体的比容也比较小，热应力、组织应力均很小，所以形状变形和体积变形也较小。等温淬火所用淬火介质与分级淬火相同。等温时间的确定：可根据心部冷却至等温温度所需时间；再加“C”曲线在该温度完成等温转变所需时间而定。等温后一般采用空冷。,第六节钢的回火,概述1、回火概念：将淬火零件重新加热到低于临界点某一温度，保温后空冷到室温的热处理工艺称为回火。回火时的转变称为回火转变。2、回火原因淬火后得到的是马氏体或马氏体与残余奥氏体，在室温下为亚稳定状态，都趋于向铁素体加渗碳体（碳化物）的稳定状态变化。,3、回火目的：减少或消除内应力，放止变形和开裂；获得稳定组织；提高塑性、韧性，获得硬度、强度、塑性与韧性的适当配合。一、淬火钢在回火时的组织转变(一)、马氏体中碳原子的偏聚马氏体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，存在于体心立方扁八面体中的碳原子将使晶体点阵产生严重畸变，使马氏体处于不稳定状态。为了降低能量，在100左右，碳原子就偏聚于位错或孪晶界面，或板条界，形成微小的碳的富集区。,例如：含碳0.21%的Fe-C合金，奥氏体化后淬火，150回火10分钟，用原子探针测得基底含碳0.03%，而板条马氏体的条界碳含量为0.42%，说明淬火或回火过程中，碳偏聚于板条。(二)、马氏体的分解此过程发生在温度高于100时，随回火温度的升高及时间的延长，富集区的碳原子发生有序化然后转变为碳化物。,高碳钢在在350以下回火时，马氏体分解后形成的低碳相和弥散碳化物组成的复相组织称为回火马氏体。在光学显微镜下呈黑色针状。,(三)、残余奥氏体的转变残余奥氏体在250300间回火时发生分解；残余A分解成为碳化物和过饱和，但组织仍是回火马氏体（或下贝氏体）；在回火第二阶段中，残余A转变为回火马氏体的同时，M还在继续分解；M的继续分解会使钢的硬度降低，但由于较弱的残余A转变成较硬的下贝氏体，因此钢的硬度并没有明显降低，但淬火内应力进一步减小。,(四)、碳化物的转变马氏体分解及残余奥氏体转变形成的碳化物是亚稳定的过渡相。当回火温度升高到250400时，碳化物则向更稳定的碳化物转变。碳钢中比碳化物稳定的碳化物由两种：一种是x碳化物，分子式Fe5C2，具有单斜晶格。另一种是更稳定的碳化物，即渗碳体。,含C1.34%高碳马氏体回火时三种碳化物的析出范围,当回火温度升高到400以后，淬火马氏体完全分解，但相仍保持针状外形，先前形成的碳化物以及碳化物此时已经消失，全部转变为碳化物，即渗碳体。,当回火温度升高到400以上时，片状渗碳体长度和宽度之比逐渐缩小，最终形成细小的粒状渗碳体。这种由针状相和细颗粒状渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体。,(五)渗碳体的聚集长大以及相再结晶当回火温度超过600时，细粒状渗碳体迅速聚集并粗化。在碳化物聚集长大的同时，相状态在不断变化。当回火温度为400600时，由于马氏体分解、碳化物转变以及聚集长大，使相的晶格畸变大大减少，因此残余应力基本消除。,碳含量为0.3%钢回火时第一类内应力的变化,在回火过程中，相也会发生回复与再结晶。在400以上时，开始回复，即板条界的位错通过攀移、滑移而消失。位错密度下降，板条合并、变宽。当亚结构为孪晶时，经400回火后也消失，但片状特征仍存在。,在600以上时，开始再结晶，位错密度低的板条块长大，形成多边形（等轴）铁素体晶粒和粗粒状碳化物的机械混合物，称为回火索氏体。孪晶马氏