八.熱處理工藝

1、熱熱 處處 理理 工工 藝藝一.退火二.正火(?；幚?三.淬火四.淬透性和淬硬性五.回火六.鋼的化學(xué)熱處理 組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當(dāng)溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）,以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火. 鋼的退火分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火和去應(yīng)力退火等. 一.退火擴散退火球化退火去應(yīng)力退火完全退火正火 1. 完全退火（重結(jié)晶退火） 完全退火是把亞共析鋼（含鑄鋼）加熱至Ac3+20 30 , 保溫后爐冷(或埋入石灰和砂中冷卻), 以獲得接近平衡組織的熱處理工藝. 目的:使熱加工造成的粗大,不均勻的組織均勻化和細化,以提高性能;使中碳以上的碳鋼(0

2、.5 0.75%C)和中碳合金鋼降低硬度,改善切削加工性能.消除內(nèi)應(yīng)力. 等溫退火是將鋼件加熱到高于Ac3 (或Ac1 ) 的溫度, 保溫適當(dāng)時間后, 較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度, 并等溫保持, 使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 等溫退火的目的與完全退火相同, 能獲得均勻的預(yù)期組織。2. 等溫退火 球化退火是使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝.目的：使Fe3C及P中的滲碳體球狀化(退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎),以降低硬度,改善切削加工性能,為以后的淬火作組織準備. 球化退火用于過共析鋼(0.75%C).球化退火后的顯微組織為在F基體上分布著細小均勻的球狀滲碳體. 球化退火的加熱溫度

3、為Ac1+ 20 30 ,保溫24小時,保溫后爐冷至600 出爐. 3. 球化退火 為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線（固相線以下100 200 ）的溫度，長時間保溫（10 h15 h），并進行緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為擴散退火或均勻化退火。擴散退火后鋼的晶粒很粗大，因此一般再進行完全退火或正火處理。 4. 擴散退火 為消除冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進行的低溫退火，稱為去應(yīng)力退火。 去應(yīng)力退火是將工件加熱溫度低于Ac1 (一般為500 650 )，保溫后隨爐冷卻, 這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應(yīng)力, 不引起組織變化。 鑄造過程中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力

4、,降低鑄造強度并產(chǎn)生變形,鑄鐵件須進行去應(yīng)力退火（人工時效）.即緩慢加熱至500-560,每10mm截面保溫2h后,爐冷至150-200出爐空冷 5. 去應(yīng)力退火二.正火(?；幚? 將亞共析鋼加熱到Ac3(過共析鋼Accm)以上 30 50 (含V.Ti.Nb的合金鋼100 150 ) 適當(dāng)保溫后, 在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火. 正火后的組織：亞共析鋼為F+S, 共析鋼為S, 過共析鋼為S+Fe3CII。 正火目的： 1.正火使0.25%C低碳鋼、低合金鋼提高硬度,改善切削加工性能.(正火成本低,生產(chǎn)率高,用于0.5%C碳鋼)2.消除熱加工缺陷魏氏組織(鑄鋼) 鑄鋼的澆注溫度

5、很高,而且冷卻較慢,所以1.奧氏體晶粒粗大,2.在冷卻過程中,鐵素體首先沿著奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出,然后沿一定方向以片狀生長,并呈針狀插入珠光體內(nèi),即形成“魏氏組織”. 另外3.偏析嚴重,4.內(nèi)應(yīng)力大,使鋼的塑性和韌性下降,不能直接使用.必須進行完全退火或正火.帶狀組織(熱軋鋼) 夾雜物在熱軋過程中被碾成流線,先共析F在富P區(qū)域形核長大,形成F帶, F帶兩側(cè)富碳形成P帶.形成“帶狀組織”,使橫向韌性 塑性明顯下降.3.截面較大的合金結(jié)構(gòu)鋼件,在淬火或調(diào)質(zhì)處理前常進行正火,以消除魏氏組織和帶狀組織,并獲得細小而均勻的組織.對于過共析鋼可減少二次滲碳體量,并使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀,為球化退火作組織準備.

6、4.提高普通結(jié)構(gòu)零件的機械性能作為零件的最終熱處理 正火可以細化晶粒,使組織均勻化,減少亞共析鋼中鐵素體含量,并使珠光體含量增多、細化,以提高鋼的強度硬度和韌性.三.淬火 1. 亞共析鋼加熱到Ac3+30 50 ,共析鋼和過共析鋼加熱到Ac1+30 50 ,保溫一定時間后快速冷卻以獲得馬氏體的熱處理工藝稱為淬火.2.目的:獲得馬氏體 (或下貝氏體)3.淬火分為: 淬火 表面淬火 等溫淬火鋼的淬火溫度范圍4.淬火冷卻介質(zhì) 常用的冷卻介質(zhì)是水(30)和礦物油(60-80).水冷卻能力大,容易造成淬火工件變形或開裂,用于大截面的碳鋼.油在300-200范圍冷卻能力小,有利于減小淬火件變形.在650-

7、550范圍冷卻能力也小,不利于鋼的淬硬,用于合金鋼和球鐵.為了減少零件淬火時的變形,可用鹽浴作介質(zhì).5.常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火1，雙介質(zhì)淬火2，分級淬火3和等溫淬火4等。 鹽浴或堿浴成分 熔點使用溫度55%KNO3+45%NaNO3218230-55080%KOH+20%NaOH+外6%水130140-2501234 鋼淬火后能夠達到的最高硬度叫鋼的淬硬性.淬硬性主要決定于M的碳含量.四.淬透性和淬硬性(一).淬硬性1. 鋼接受淬火時形成馬氏體的能力為鋼的淬透性. 淬透性用“末端淬火法”測定(GB225-63) 淬透性表示方法: HRC d 淬透性曲線 生產(chǎn)中測定淬透層深度(試樣表面到半M

8、區(qū)的距離) (二).淬透性J(1) 碳含量 在碳鋼中,共析鋼的臨界冷速最小,淬透性最好 (亞共析鋼隨碳含量減少,臨界冷速增加,淬透性降低, 過共析鋼隨碳含量增加,臨界冷速增加,淬透性降低).(2) 合金元素 除鈷以外,其余合金元素溶于奧氏體后,降低臨界冷卻速度,使C曲線右移,提高鋼的淬透性,因此合金鋼比碳鋼的淬透性要好.常用提高淬透性的元素:Mn、Cr、Ni、Si、B2.影響淬透性的因素 注意: 加入的合金元素,只有完全溶于A時,才能提高淬透性.若未完全溶解,碳化物會成為P的核心,則降低鋼的淬透性.) 兩種或多種合金元素同時加入比單個元素對淬透性的影響要強得多. (除Co Al外,多數(shù)合金元素

9、都使Ms和Mf點下降. 作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、WSi. Ms和Mf點的下降, 使淬火后鋼中殘余奧氏體量增多)(3) 奧氏體化溫度 提高奧氏體化溫度,將使奧氏體晶粒長大、成分均勻,可減少珠光體的生核率,降低鋼的臨界冷卻速度,增加其淬透性。(4) 鋼中未溶第二相 鋼中未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物及其它非金屬夾雜物,可成為奧氏體分解的非自發(fā)核心,使臨界冷卻速度增大,降低淬透性。 3.淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后的力學(xué)性能 鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后, 淬透性好的鋼棒整個截面都是回火索氏體, 機械性能均勻, 強度高, 韌性好,而淬透性差的鋼心部為片狀索氏體+鐵素體, 只表層為回火索氏體,心部強韌性

10、差. 淬透性不同的鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后, 沿截面的組織和機械性能差別很大. 利用半馬氏體硬度曲線和淬透性曲線,找出鋼的半馬氏體區(qū)所對應(yīng)的距水冷端距離.該距離越大,則淬透性越好. 截面較大、形狀復(fù)雜以及受力較苛刻的螺栓、拉桿、鍛模、錘桿等工件,要求截面機械性能均勻,應(yīng)選用淬透性好的鋼.而承受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷的軸類零件、外層受力較大,心部受力較小,可選用淬透性較低的鋼種. 4.淬透性是鋼材選用的重要依據(jù)之一 五.回火 鋼件淬火后, 為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1以下某一溫度, 保溫一定時間, 然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。 淬火鋼不直接使用,必須進行回火.原因: M組織

11、硬脆,并存在內(nèi)應(yīng)力,容易變形和開裂. M和殘余A是不穩(wěn)定組織,在工作中會發(fā)生分 解,導(dǎo)致零件尺寸變化. 回火能得到所要求的強度、硬度、塑性和韌性，以滿足零件的使用性能要求。 在低溫回火時,從淬火馬氏體內(nèi)部會析出碳化物薄片（Fe2.4C),馬氏體的過飽和度減小.部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w. 亞共析鋼低溫回火后組織為回火M. 過共析鋼低溫回火后組織為回火MFe3C?殘余A. 低溫回火的目的： 1.降低淬火應(yīng)力 2.提高工件韌性 3. 回火后保持高硬度(58 64 HRC)和高耐磨性. 碳素工具鋼最終熱處理為淬火淬火+低溫回火低溫回火.1.淬火淬火+低溫回火低溫回火低溫回火 溫度：150 250

12、表面淬火+低溫回火 表面淬火是將工件快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面獲得淬火組織的熱處理方法. 火焰加熱、高 工頻感應(yīng)加熱、激光加熱等都可用于表面淬火。加熱后,采用水、乳化液等噴射淬火。 得到鐵素體基體與大量彌散分布的細粒狀滲碳體的混合組織，叫做回火屈氏體(回火T)。鐵素體仍保留馬氏體的形態(tài)，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗。 回火屈氏體具有高的彈性極限和屈服強度，同時也具有一定的韌性，硬度一般為35 HRC45 HRC。 彈簧鋼最終熱處理為淬火+中溫回火2淬火+中溫回火中溫回火溫度:350 500 通常把淬火加高溫回火稱為調(diào)質(zhì)處理。 得到粒狀滲碳體和鐵素體基體的混和組織, 稱回火索氏

13、體(回火S). 回火索氏體綜合力學(xué)性能最好, 即強度、塑性和韌性都比較好,硬度一般為25 HRC35 HRC.3.調(diào)質(zhì)處理高溫回火溫度: 500 650 六六.鋼的化學(xué)熱處理鋼的化學(xué)熱處理(一). 滲碳 1. 工藝 為了增加表層的碳含量 和獲得一定碳濃度梯度, 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫,使碳原子滲入表面的工藝稱為滲碳. 將工件裝在密封的滲碳爐中,加熱到900 950 ,向爐內(nèi)滴入煤油、苯、甲醇等有機液體,或直接通入煤氣、石油液化氣等氣體,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子,使鋼件表面滲碳. 滲碳使低碳(碳質(zhì)量分數(shù)為0.150.30%)鋼件表面獲得高濃度碳（碳質(zhì)量分數(shù)約1.0%）。2. 滲碳后的熱處理

14、 淬火+低溫回火(150-200 )(1) 直接淬火 滲碳后直接淬火，由于滲碳溫度高, 奧氏體晶粒長大, 淬火后馬氏體較粗, 殘余奧氏體也較多, 所以耐磨性較低, 變形較大。 為了減少淬火時的變形, 滲碳后常將工件預(yù)冷到830 850 后淬火。 (2) 一次淬火 一次淬火是在滲碳緩慢冷卻之后, 重新加熱到臨界溫度以上保溫后淬火. 對于受載不大但表面性能要求較高的零件, 淬火溫度應(yīng)選用Ac1以上30 50 , 使表層晶粒細化, 而心部組織無大的改善, 性能略差一些. 心部組織要求高時,淬火溫度為略高于Ac3.(3) 二次淬火 對于機械性能要求很高或本質(zhì)粗晶鋼, 應(yīng)采用二次淬火. 第一次淬火是為了

15、改善心部組織, 加熱溫度為Ac3+3050。 第二次淬火是為細化表層組織, 獲得細馬氏體和均勻分布的粒狀二次滲碳體, 加熱溫度為Ac1+30 50 .3. 鋼滲碳、淬火、回火后的性能(1) 表面硬度高 達58 HRC64 HRC以上, 耐磨性較好；心部韌性較好, 硬度較低，可達30 HRC45 HRC。(2) 疲勞強度高 表層體積膨脹大，心部體積膨脹小，結(jié)果在表層中造成壓應(yīng)力，使零件的疲勞強度提高。 氮化就是向鋼件表面滲入氮的工藝。 氮化的目的在于更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強度和抗蝕性。 常用的氮化鋼有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA等。 球墨鑄鐵制曲

16、軸的軸頸、齒輪可采用氮化強化表面。 1. 工藝 目前廣泛應(yīng)用的是氣體氮化。氨被加熱分解出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原子被鋼吸收并溶入表面, 在保溫過程中向內(nèi)擴散, 形成滲氮層。(二).氮化（1）氮化溫度 一般為500 600 ,氮化時間長,一般為20 h50 h.（2）氮化前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理 目的是改善機加工性能和獲得均勻的回火索氏體組織, 保證較高的強度和韌性.對于形狀復(fù)雜或精度要求高的零件,在氮化前精加工后還要進行消除內(nèi)應(yīng)力的退火,以減少氮化時的變形.2. 組織： 氮化后,工件的最外層為一白色或相的氮化物薄層,很脆,常用精磨磨去.中間是暗黑色含氮共析體（）層.心部為原始回火索

17、氏體組織. 38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織 400倍：Fe4N：Fe2N Fe-N相圖Fe（1）鋼件氮化后具有很高的硬度(1000 HV1100 HV), 且在600 650 下保持不下降, 所以具有很高的耐磨性和熱硬性. （2）鋼氮化后, 滲層體積增大, 造成表面壓應(yīng)力, 使疲勞強度大大提高.（3）氮化溫度低, 零件變形小.（4）氮化后表面形成致密的化學(xué)穩(wěn)定性較高的相層, 所以耐蝕性好, 在水中、過熱蒸氣和堿性溶液中均很穩(wěn)定. 3.性能(三).碳氮共滲 碳氮共滲就是同時向零件表面滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝,也稱氰(音晴)化. 1. 碳氮共滲工藝將工件放入密封爐內(nèi),加熱到共滲溫度830 850 ,向爐內(nèi)滴入煤油,同時通以氨氣,經(jīng)保溫1 2 h后.共滲層可達0.2 mm0.5 mm. 高溫碳氮共滲主要是滲碳,但氮的滲入使碳濃度很快提高,從而使共滲溫度降低和時間縮短.2.碳氮共滲后淬火+低溫回火. 3.碳氮共滲后的機械性能(1) 共滲及淬火后, 得到的是含氮馬氏體, 耐磨性優(yōu)于滲碳.(2) 共滲層具有比滲碳層更高的壓應(yīng)力, 因而疲勞強度更