淬火回火工藝

1、滲碳淬火目錄原理分類滲碳工藝滲碳工藝新發(fā)展?jié)B碳的常見缺陷及其防止淬火目的淬火工藝淬火工件的硬度*滲碳：是對(duì)金屬表面處理的一種，采用滲碳的多為低碳鋼或低合金鋼，具體方法是將工件置入具有活性滲碳介質(zhì)中，加熱到900-950攝氏度的單相奧氏體區(qū),保溫足夠時(shí)間后，使?jié)B碳介質(zhì)中分解出的活性碳原子滲入鋼件表層，從而獲得表層高碳，心部仍保持原有成分相似的還有低溫滲氮處理。這是金屬材料常見的一種熱處理工藝，它可以使?jié)B過碳的工件表面獲得很高的硬度，提高其耐磨程度。滲碳(carburizing/carburization)滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過 淬火和低

2、溫回火，使工件的表面層具有高 硬度和耐磨性，而工件的 中心 部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。滲碳工件的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼(含碳量小于 0.25 % )。滲碳后，鋼件表面的化學(xué)成分可接近高碳鋼。工件滲碳后還要經(jīng)過淬火，以得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度，并保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。滲碳工藝廣泛用于飛機(jī)、汽車和拖拉機(jī)等的機(jī)械零件，如齒輪、軸、凸輪軸等。滲碳工藝在中國(guó)可以上溯到2000年以前。最早是用固體滲碳介質(zhì)滲碳。液體和氣體滲碳是在20世紀(jì)出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用的。美國(guó)在20年代開始采用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳。30年代，連續(xù)式氣體滲碳爐開始在工業(yè)上應(yīng)用。60

3、年代高溫(9601100 C )氣體滲碳得到發(fā)展。至70年代，出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。編輯本段原理滲碳與其他 化學(xué)熱處理一樣，也包含 3個(gè)基本過程。 分解滲碳介質(zhì)的分解產(chǎn)生活性碳原子。 吸附活性碳原子被鋼件表面吸收后即溶到表層奧氏體中，使奧氏體中含碳量增加。 擴(kuò)散表面含碳量增加便與心部含碳量出現(xiàn)濃度差，表面的碳遂向內(nèi)部擴(kuò)散。碳在鋼中的擴(kuò)散速度主要取決于溫度，同時(shí)與工件中被滲元素內(nèi)外濃度差和鋼中合金元素含量有關(guān)。滲碳零件的材料一般選用低碳鋼或低碳合金鋼（含碳量小於 0.25 % ）。滲碳后必須進(jìn)行淬火才能充分發(fā)揮滲碳的有利作用。工件滲碳淬火后的表層顯微組織主要為高硬度的馬氏體加上殘余奧氏體和少

4、量碳化物，心部組織為韌性好的低碳馬氏體或含有非馬氏體的組織，但應(yīng)避免出現(xiàn)鐵素體。一般滲碳層深度范圍為0.81.2毫米，深度滲碳時(shí)可達(dá) 2毫米或更深。表面硬度可達(dá) HRC5863，心部硬度為 HRC3042。 滲碳淬火后，工件表面產(chǎn)生壓縮內(nèi)應(yīng)力，對(duì)提高工件的疲勞強(qiáng)度有利。因此滲碳被廣泛用以提高零件強(qiáng)度、沖擊韌性和耐磨性，借以延長(zhǎng)零件的使用壽命。編輯本段分類按含碳介質(zhì)的不同，滲碳可分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳和碳氮共滲。編輯本段滲碳工藝1、直接淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：不能細(xì)化鋼的晶粒。工件淬火變形較大，合金鋼滲碳件表面殘余奧氏體量較多，表面硬度較低適用范圍：操作簡(jiǎn)單，成本低廉用來處理對(duì)變形

5、和承受沖擊載荷不大的零件，適用于氣體滲碳和液體滲碳工藝。2、 預(yù)冷直接淬火、低溫回火，淬火溫度800-850 C組織及性能特點(diǎn)：可以減少工件淬火變形，滲層中殘余奧氏體量也可稍有降低，表面硬度略有提高，但奧氏體晶粒沒有變化。適用范圍：操作簡(jiǎn)單，工件氧化、脫碳及淬火變形均小，廣泛應(yīng)用于細(xì)晶粒鋼制造的各種工具。3、 一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度820-850 C或780-810 C組織及性能特點(diǎn)：對(duì)心部強(qiáng)度要求較高者，采用820-850 C淬火，心部為低碳 M,表面要求硬度高者，采用780-810 C淬火可以細(xì)化晶粒。適用范圍：適用于固體滲碳后的碳鋼和低合金鋼工件、氣體、液體滲碳的粗晶粒鋼，某些

6、滲碳后不宜直接淬火的工件及滲碳后需機(jī)械加工的零件。4、 滲碳高溫回火，一次加熱淬火，低溫回火，淬火溫度840-860 C組織及性能特點(diǎn)：高溫回火使M和殘余A分解，滲層中碳和合金元素以碳化物形式析出，便于切削加工及淬火后殘余A減少。適用范圍：主要用于 Cr Ni合金滲碳工件5、二次淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：第一次淬火（或正火），可以消除滲碳層網(wǎng)狀碳化物及細(xì)化心 部組織（850-870 C）,第二次淬火主要改善滲層組織，對(duì)心部性能要求不高時(shí)可在 材料的Ac1 Ac3之間淬火，對(duì)心部性能要求高時(shí)要在Ac3以上淬火。適用范圍：主要用于對(duì)力學(xué)性能要求很高的重要滲碳件，特別是對(duì)粗晶粒鋼。但在滲碳后需經(jīng)過

7、兩次高溫加熱，使工件變形和氧化脫碳增加，熱處理過程較復(fù)雜。6、二次淬火冷處理低溫回火組織及性能特點(diǎn)：高于Ac1或Ac3 （心部）的溫度淬火，高合金表層殘余A較多，經(jīng)冷處理（-70 C /-80 C）促使 A轉(zhuǎn)變從而提高表面硬度和耐磨性。適用范圍：主要用于滲碳后不進(jìn)行機(jī)械加工的高合金鋼工件。7、滲碳后感應(yīng)加熱淬火低溫回火組織及性能特點(diǎn)：可以細(xì)化滲層及靠近滲層處的組織。淬火變形小，不允許硬化 的部位不需預(yù)先防滲。適用范圍：各種齒輪和軸類編輯本段滲碳工藝新發(fā)展?jié)B碳工藝是一個(gè)十分古老的工藝，在中國(guó)，最早可上溯到2000年以前。起先是用固體滲碳介質(zhì)滲碳。在20世紀(jì)出現(xiàn)液體和氣體滲碳并得到廣泛應(yīng)用。后來又

8、出現(xiàn)了真空滲碳和離子滲碳。到現(xiàn)在，滲碳工藝仍然具有非常重要的實(shí)用價(jià)值，原因就在 于它的合理的設(shè)計(jì)思想，即讓鋼材表層接受各類負(fù)荷（磨損、疲勞、機(jī)械負(fù)載及化學(xué) 腐蝕）最多的地方，通過滲入碳等元素達(dá)到高的表面硬度、高的耐磨性和疲勞強(qiáng)度及 耐蝕性，而不必通過昂貴的合金化或其它復(fù)雜工藝手段對(duì)整個(gè)材料進(jìn)行處理。這不僅能用低廉的碳鋼或合金鋼來代替某些較昂貴的高合金鋼，而且能夠保持心部有低碳鋼淬火后的強(qiáng)韌性，使工件能承受沖擊載荷。因此，完全符合節(jié)能、降耗，可持續(xù)發(fā)展 的方向。近年來，出現(xiàn)了高濃度滲碳工藝，與傳統(tǒng)工藝在完全奧氏體區(qū)（溫度在900950 C,滲碳后表面碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%1.05% ）進(jìn)行滲碳不

9、同，它是在 Ac1 -Accm之間的不均勻奧氏體狀態(tài)下進(jìn)行，其滲層表面碳濃度可高達(dá)2 %4 %。其結(jié)果可獲得細(xì)小顆粒碳化物均勻、彌散分布的滲層。其滲碳溫度降至800 C860 C溫度范圍，可實(shí)現(xiàn)一般鋼材滲碳后直接淬火；由于高濃度滲碳層含有很高數(shù)量（20 %50 %）的彌散分布的碳化物，故顯示出比普通滲碳更優(yōu)異的耐磨性、耐蝕性，更高的 接觸與彎曲疲勞強(qiáng)度，較高的沖擊韌度、較低的脆性及較好的回火穩(wěn)定性。該工藝還 具有適用性廣、對(duì)設(shè)備無特殊要求等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用價(jià)值，近年來 在國(guó)內(nèi)外獲得競(jìng)相研究與開發(fā)。為了防止?jié)B碳過程中奧氏體晶粒的粗化，一般都在鋼材中添加適量的鈦，通過形成碳氮化鈦粒子

10、釘扎晶界而阻止晶粒長(zhǎng)大。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定滲碳鋼中鈦添加量為0.04 /0.08wt%。然而，最近有研究工作表明，當(dāng)鈦含量超過0.032%，就會(huì)在滲碳鋼冶煉鑄錠凝固時(shí)析出氮化鈦。這種氮化鈦尺寸達(dá)到微米數(shù)量級(jí)，起不到阻止奧氏體晶粒長(zhǎng) 大的作用，反而由于這種呈立方體的粒子的尖角效應(yīng)以及與基體組織的不連續(xù)性而成 為微裂紋的策源地和裂紋擴(kuò)展的中繼站，嚴(yán)重?fù)p害鋼材的韌塑性。工作還表明，將鈦含量降至0.020.032%，仍然能夠同樣有效地起到控制奧氏體晶粒長(zhǎng)大的作用，而又可避免有害氮化鈦粒子的形成，因此是值得推薦的合理的選擇范圍。編輯本段滲碳的常見缺陷及其防止（一）碳濃度過高1產(chǎn)生原因及危害：如果滲碳時(shí)急劇加熱

11、，溫度又過高或固體滲碳時(shí)用全新滲碳劑，或用強(qiáng)烈的催滲劑過多都會(huì)引起滲碳濃度過高的現(xiàn)象。隨著碳濃度過高，工件表面出現(xiàn)塊狀粗大的碳化物或網(wǎng)狀碳化物。由于這種硬脆組織產(chǎn)生，使?jié)B碳層的韌性急劇下降。并且淬火時(shí)形成高碳馬氏體，在磨削時(shí)容易出現(xiàn)磨削裂紋。2防止的方法 不能急劇加熱，需采用適當(dāng)?shù)募訜釡囟?，不使鋼的晶粒長(zhǎng)大為好。如果滲碳時(shí)晶粒粗大，則應(yīng)在滲碳后正火或兩次淬火處理來細(xì)化晶粒。 嚴(yán)格控制爐溫均勻性，不能波動(dòng)過大，在反射爐中固體滲碳時(shí)需特別注意。 固體滲碳時(shí)，滲碳劑要新、舊配比使用。催滲劑最好采用4 7%的BaCO3 ,不使用Na2CO3作催滲劑。（二）碳濃度過低產(chǎn)生的原因及危害：溫度波動(dòng)很大或催滲

12、劑過少都會(huì)引起表面的碳濃度不足。最理想的碳濃度為0.9 1.0%之間，低于 0.8%C，零件容易磨損。2防止的方法： 滲碳溫度一般采用920 940 C,滲碳溫度過低就會(huì)引起碳濃度過低，且延長(zhǎng)滲碳時(shí)間；滲碳溫度過高會(huì)引起晶粒粗大。 催滲劑（BaCO3）的用量不應(yīng)低于4%。（三）滲碳后表面局部貧碳：產(chǎn)生的原因及危害：固體滲碳時(shí)，木炭顆粒過大或夾雜有石塊等雜質(zhì)，或催滲劑與木炭拌得不均勻，或工件所接觸都會(huì)引起局部無碳或貧碳。工件表面的污物也可 以引起貧碳。2防止的方法 固體滲碳劑一定要按比例配制，攪拌均勻。 裝爐的工件注意不要有接觸。固體滲碳時(shí)要將滲碳劑搗實(shí)，勿使?jié)B碳過塌而使工件接觸。 卻除表面的污

13、物。（四）滲碳濃度加劇過渡1產(chǎn)生的原因及危害：滲碳濃度突然過渡就是表面與中心的碳濃度變化加劇，不是由高到低的均勻過渡，而是突然過渡。產(chǎn)生此缺陷的原因是滲碳劑作用很強(qiáng)烈（如新配制的木炭，舊滲碳劑加得很少），同時(shí)鋼中有 Cr、Mn、Mo等合金元素是促使碳化物形成強(qiáng)烈，而造成表面高濃度，中心低濃度，并無過渡層。產(chǎn)生此缺陷后造成表里相當(dāng)大的內(nèi)應(yīng)力，在淬火過程中或磨削過程中產(chǎn)生裂紋或剝落現(xiàn)象。2防止的方法：滲碳劑新舊按規(guī)定配比制，使?jié)B碳緩和。用BaCO3作催滲劑較好，因?yàn)?Na2CO3比較急劇。（五）磨加工時(shí)產(chǎn)生回火及裂紋產(chǎn)生的原因：滲碳層經(jīng)磨削加工后表面引起軟化的現(xiàn)象，稱之為磨加工產(chǎn)生的回火。這是由于

14、磨削時(shí)加工進(jìn)給量太快，砂輪硬度和粒度或轉(zhuǎn)速選擇不當(dāng)，或磨削過程中冷卻不充分，都易產(chǎn)生此類缺陷。這是因?yàn)槟ハ鲿r(shí)的熱量使表面軟化的緣故。磨 削時(shí)產(chǎn)生回火缺陷則零件耐磨性降低。表面產(chǎn)生六角形裂紋。這是因?yàn)橛糜操|(zhì)砂輪表面受到過份磨削，而發(fā)熱所致。也與熱處理回火不足，殘余內(nèi)應(yīng)力過大有關(guān)。用酸浸蝕后，凡是有缺陷部位呈黑色，可與沒有缺陷處區(qū)別開來。這是磨削時(shí)產(chǎn)生熱量回火。使馬使體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w組織的緣故。其實(shí)，裂紋在磨削后肉眼即可看見。2防止的方法： 淬火后必須經(jīng)過充分回火或多次回火，消除內(nèi)應(yīng)力。 采用4060粒度的軟質(zhì)或中質(zhì)氧化鋁砂輪，磨削進(jìn)給量不過大。 磨削時(shí)先開冷卻液，并注意磨削過程中的充分冷卻淬火：編

15、輯本段淬火目的淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體 或貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨 性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求。也可以通 過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。編輯本段淬火工藝將金屬工件加熱到某一適當(dāng)溫度并保持一段時(shí)間，隨即浸入淬冷介質(zhì)中快速冷卻的金屬熱處理工藝 。常用的淬冷介質(zhì)有鹽水、水、礦物油、空氣等。淬火可以提高金 屬工件的硬度及耐磨性，因而廣泛用于各種工、模、量具及要求表面耐磨的零件（如齒輪、軋輥、 滲碳零件等）。通過淬火與不同溫度的回火配合，可以大幅度提高金屬

16、的強(qiáng)度、韌性及疲勞強(qiáng)度，并可獲得這些性能之間的配合（綜合機(jī)械性能）以滿足不 同的使用要求。另外淬火還可使一些特殊性能的鋼獲得一定的物理化學(xué)性能，如淬火 使永磁鋼增強(qiáng)其鐵磁性、不銹鋼提高其耐蝕性等。淬火工藝主要用于鋼件。常用的鋼 在加熱到臨界溫度以上時(shí)，原有在室溫下的組織將全部或大部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。隨后將 鋼浸入水或油中快速冷卻，奧氏體即轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。與鋼中其他組織相比，馬氏體硬 度最高。淬火時(shí)的快速冷卻會(huì)使工件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)其大到一定程度時(shí)工件便會(huì) 發(fā)生扭曲變形甚至開裂。為此必須選擇合適的冷卻方法。根據(jù)冷卻方法，淬火工藝分 為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火和貝氏體等溫淬火4類。淬火效果

17、的重要因素，淬火工件硬度要求和檢測(cè)方法：編輯本段淬火工件的硬度淬火工件的硬度影響了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRC硬度。淬火的薄硬 鋼板和表面淬火工件可測(cè)試 HRA的硬度。厚度小于 0.8mm的淬火 鋼板、淺層表面淬火工件和直徑小于5mm的淬火鋼棒，可改用表面洛氏硬度計(jì)，測(cè)試HRN硬度。在焊接中碳鋼和某些合金鋼時(shí)，熱影響區(qū)中可能發(fā)生淬火現(xiàn)象而變硬，易形成冷裂紋，這是在焊接過程中要設(shè)法防止的。由于淬火后金屬硬而脆，產(chǎn)生的表面殘余應(yīng)力會(huì)造成冷裂紋，回火可作為在不影響硬度的基礎(chǔ)上，消除冷裂紋的手段之一。淬火對(duì)厚度、直徑較小的零件使用比較合適，對(duì)于過大的零件，淬火深度不夠，滲碳也存在

18、同樣問題，此時(shí)應(yīng)考慮在鋼材中加入鉻等合金來增加強(qiáng)度。淬火是鋼鐵材料強(qiáng)化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相（表1），故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強(qiáng)度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火 后鋼件內(nèi)部有較大的 淬火內(nèi)應(yīng)力，因而不宜直接應(yīng)用，必須進(jìn)行回火。表1鋼中鐵基固溶體的 顯微硬度值編輯本段淬火工藝的應(yīng)用淬火工藝在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)械中重要零件，尤其在汽車、飛機(jī)、火箭中應(yīng)用的鋼件幾乎都經(jīng)過淬火處理。為滿足各種零件干差萬(wàn)別的技術(shù)要求，發(fā)展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火；按加熱時(shí)相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火（對(duì)于亞共析鋼， 該法

19、又稱亞臨界淬火 ）；按冷卻時(shí)相變的內(nèi)容，有分級(jí)淬火，等溫淬火和欠速淬火等。工藝過程 包括加熱、保溫、冷卻3個(gè)階段。下面以鋼的淬火為例，介紹上述三個(gè)階段工藝參數(shù)選擇的原則。淬火加熱溫度以鋼的相變臨界點(diǎn)為依據(jù)，加熱時(shí)要形成細(xì)小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織。碳素鋼 的淬火加熱溫度范圍如圖1所示。由本圖示出的淬火溫度選擇原則也適用于大多數(shù)合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱溫度為 Ac3溫度以上 3050 C。從圖上看，高溫下鋼的狀態(tài)處在單相奧氏體 (A)區(qū)內(nèi)，故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高于Ac1、低于Ac3溫度，則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉(zhuǎn)變成奧氏體，即為不完全(或亞臨界)淬

20、火。過共析鋼淬火溫度為 Ac1溫度以上 3050 C,這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區(qū)。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這-組織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。對(duì)于過共析鋼，若加熱溫度過高，先共 析滲碳體溶解過多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發(fā)生長(zhǎng)大，奧氏體碳含量也增加。淬火后，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態(tài)微區(qū)內(nèi)應(yīng)力增加，微裂紋增多，零件的變形和 開裂傾向增加；由于奧氏體碳濃度高，馬氏體點(diǎn)下降，殘留奧氏體 量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用鋼種淬火的溫度參見表2。表2常用鋼種淬火的加熱溫度實(shí)際生產(chǎn)中，加熱溫度的選擇要根據(jù)具體情況加以調(diào)整。

21、如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時(shí)可選用溫度上限；若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限。淬火保溫淬火保溫時(shí)間由設(shè)備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。對(duì)整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對(duì)各類 淬火，其保溫時(shí)間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶?？刂圃?8級(jí)。淬火冷卻要使鋼中高溫相 一一奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相一一馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中，表面與心部的冷卻速度有-定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變成馬氏體的情況。為保證整個(gè)截面上都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強(qiáng)的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng) 力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷 去卩方式。冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達(dá)到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。編輯本段淬火方式單介質(zhì)淬火工件在一種介質(zhì)中冷卻，如