材工—熱處理原理3

1、9.2.2 鋼的淬火與回火淬火:淬火方法分類按加熱溫度不同完全淬火：加熱溫度高于Ac3，全部A化后冷卻，適用于亞共析鋼和共析鋼；不完全淬火：加熱溫度高于Ac1，適用于過共析鋼。按冷卻方式不同單介質淬火、雙介質淬火、分級淬火、等溫淬火9.2.2.1 淬火工藝參數(shù)及加熱介質的選定一、淬火溫度的選擇 淬火溫度即鋼的奧氏體化溫度，是淬火的主要工藝參數(shù)之一。選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。1、確定淬火溫度的一般依據(jù)鋼的化學成分（主要是臨界點Ac1、Ac3），是最主要的因素；工件的尺寸、形狀與技術參數(shù)；A的晶粒長大傾向；采用的淬火介質與淬火方法。2、碳鋼的淬火溫度亞共析鋼 亞共析鋼的淬火溫度

2、一般為Ac3以上30 50，原因：亞共析鋼加熱到Ac3以下時，淬火組織中會保留先共析F，淬火后會出現(xiàn)軟點，使硬度達不到要求；同時由于這種組織的不均勻性，還可能影響回火后的機械性能。但為了不致于引起A晶粒的粗化以及盡可能減小淬火缺陷，溫度還不能過高，一般為Ac3以上30 50。過共析鋼 過共析鋼的淬火溫度一般為Ac1以上30 50，原因：過共析鋼在淬火加熱前都要經(jīng)過球化處理（如果網(wǎng)狀滲碳體存在，則應先正火予以消除，然后再加熱淬火），故加熱至Ac1以上時，其組織是A和一部分未溶的粒狀碳化物（滲碳體）。淬火后，A轉變?yōu)镸，未溶碳化物被保留下來，這不但不會降低鋼的硬度，反而對提高耐磨性有利。 如果把過

3、共析鋼加熱到Acm以上，從單相A狀態(tài)淬火，結果不但無益，反而有害，原因：A中溶入C量增加使Ms點降低，淬火后殘余A量增多，使鋼的硬度下降；A的晶粒粗化，淬火后得到粗大M，增大脆性；鋼的脫碳氧化嚴重，降低淬火鋼的表面質量；增大淬火應力，從而增大工件變形與開裂傾向。3、合金鋼淬火溫度 合金鋼的淬火溫度也根據(jù)其臨界點確定，但考慮合金元素的作用，為了加速A化，一般選為Ac1或Ac350100. 4、確定淬火溫度的其它考慮因素 工件尺寸：小工件采用較低的淬火溫度，大工件采用較高的淬火溫度。工件形狀：形狀復雜、容易變形或開裂的工件，在保證性能要求的前提下盡量采用較低的淬火溫度。淬火介質與淬火方法A晶粒長大

4、傾向：對本質細晶粒鋼，可采用較高的淬火溫度。二、加熱時間的確定 加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。升溫時間：由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時間，并以此作為保溫時間的開始。保溫時間：指零件溫度均勻化并完成奧氏體化過程所需要的時間。 加熱時間通常根據(jù)經(jīng)驗公式估算或通過實驗確定。生產中往往要通過實驗確定合理的加熱及保溫時間，以保證工件質量。保溫時間的影響因素化學成分：含C量和合金元素增加都會使保溫時間延長，原因：含C量和合金元素增加會降低鋼的導熱性，而且合金元素一般均阻礙C原子的擴散，其本身的擴散速度也比C小得多，顯著延緩鋼中的組織轉變，故高碳鋼比低碳鋼、合金鋼比碳素鋼、高合金鋼比低合金鋼的保溫時

5、間要長些。工件的形狀與尺寸：保溫時間隨工件厚度或直徑的增大而延長，對形狀復雜或尺寸較大的工件應進行預熱。加熱介質：在常用的加熱介質中，以鉛浴爐加熱最快，鹽浴爐次之，空氣電阻爐最慢。裝爐情況：工件在爐中的放置方法及排列情況對工件的受熱條件有明顯影響，從而影響到保溫時間。實際裝爐時應照顧到最大的裝爐量、最短的加熱時間以及工件最均勻的加熱條件等幾方面。爐溫：提高爐溫時縮短加熱保溫時間的有效措施之一。三、加熱介質的選擇 采用不同的加熱設備，與工件接觸的介質也就不同。目前常用的加熱介質有空氣、氣體燃燒產物、各種鹽浴與可控氣氛等。 工件在淬火加熱過程中，必須重視其氧化脫碳問題并應盡量減少或防止，故需要合理

6、選擇加熱介質。1、液體介質 液體加熱介質中常用的是鹽浴加熱。其優(yōu)點是與空氣介質相比液體介質爐溫容易控制、工件受熱均勻、加熱速度快、工件不易氧化脫碳、變形小且易于局部加熱等。 鹽雖然是中性的，但使用不當仍會使工件產生脫碳或麻點（受腐蝕），故必須對鹽浴進行脫氧處理。常用的脫氧劑有TiO2、SiO2（硅膠）、Na2B4O7（硼砂）、及硅鈣鐵等。2、流動粒子（流態(tài)化粒子） 采用固體粒子（石墨、石英砂或剛玉等）作為加熱介質，當通入一定流速的氣流時，粒子就會呈懸浮狀象流體一樣地運動（在粒子堆表面呈沸騰狀態(tài)，內部粒子則呈快速湍流運動），這種狀態(tài)稱為流化狀態(tài)（或稱粒子被流態(tài)化）。一般均通過電加熱（內熱或外熱式

7、）使流動粒子很快被加熱到所需溫度，靠它們來加熱工件。 流動粒子具有升溫快、使用范圍廣等優(yōu)點. 淬火冷卻介質：為實現(xiàn)淬火目的所用的冷卻介質。9.2.2.2 淬火介質一、淬火的要求 淬火過程是冷卻非?？斓倪^程。為了得到馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度Vk。但是，冷卻速度快必然產生很大的淬火內應力，這往往會引起工件變形。 淬火的目的是得到馬氏體組織，同時又要避免產生變形和開裂，即達到理想淬火冷卻方式。 只要在“鼻尖”溫度附近快冷，使冷卻曲線躲過“鼻尖”，不碰上C曲線，就能得到馬氏體。也就是說，在“鼻尖”溫度以上，在保證不出現(xiàn)珠光體類型組織的前提下，可以盡量緩冷；在“鼻尖”溫度附近則必須快

8、冷，以躲開“鼻尖”，保證不產生非馬氏體相變；而在Ms點附近又可以緩冷，以減輕馬氏體轉變時的相變應力。但是到目前為止，還找不到完全理想的淬火冷卻介質。水：650550和300200范圍內冷卻能力較大，易造成零件變形和開裂。淬火用水溫度一般控制在30以下，主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。礦物油：300200范圍內冷卻能力低，有利于減少工件變形；但在650550范圍內冷卻能力也低，不利于淬硬，油一般用于合金鋼的淬火。鹽浴：特點是沸點高，冷卻能力介于水和油之間，可減少零件淬火時的變形，主要用于分級淬火和等溫淬火，以處理形狀復雜、尺寸較小、變形要求嚴格的工具等。新型淬火劑水玻璃淬火劑過飽和硝

9、鹽水溶液3號淬火劑氯化鋅堿溶液合成淬火劑9.2.2.3 鋼的淬透性一、基本概念1、鋼的淬透性 鋼的淬透性：鋼接受淬火時形成馬氏體的能力 。 不同成分的鋼淬火時形成馬氏體的能力不同，容易形成馬氏體的鋼淬透性高（好），反之則低（差）。 例如：40CrNiMo比45鋼的淬透性好。2、淬透層深度淬透層深度 從試樣表面至半馬氏體區(qū)(馬氏體和非馬氏體組織各占一半)的距離。在同樣淬火條件下，淬透層深度越大，則反映鋼的淬透性越好。半馬氏體組織的確定 A、硬度測試法：M中含非M組織不多時，硬度變化不大；非M組織量增至50%時，硬度陡然下降，曲線出現(xiàn)明顯轉折點。 B、斷口觀察法：淬火試樣的斷口上，以馬氏體為界，發(fā)

10、生由脆性斷裂向韌性斷裂的變化，并且其酸蝕斷面呈現(xiàn)明顯的分界線。半馬氏體組織的硬度主要與碳質量分數(shù)有關，而與合金元素質量分數(shù)關系不大. 淬透性、淬透層深度和淬硬性的區(qū)別淬透性是鋼在淬火時形成馬氏體的能力，是鋼在規(guī)定條件下的一種工藝性能。淬透層深度是指實際工件在具體條件下淬火得到表面馬氏體到半馬氏體處的距離，它與鋼的淬透性、工件的截面尺寸和淬火介質的冷卻能力有關。淬透性好，工件截面尺寸小，淬火介質的冷卻能力強，則淬透層深度越大。淬硬性指鋼淬火后能達到的最高硬度，主要取決于馬氏體的含碳量。 二、影響淬透性的因素 鋼的淬透性由其臨界冷卻速度決定，臨界冷卻速度越小，即奧氏體越穩(wěn)定，則鋼的淬透性越好。因此

11、，凡影響奧氏體穩(wěn)定性的因素，均影響鋼的淬透性。1、碳含量 在碳鋼中，碳含量影響鋼的臨界冷卻速度。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。? 原因：亞共析鋼含碳量越低，先共析鐵素體量越多，提高了A分解時P的形核率，降低A穩(wěn)定性，提高臨界冷卻速度，降低淬透性；過共析鋼含碳量越高，先共析Fe3C越多，同樣降低A穩(wěn)定性，提高臨界冷卻速度，降低淬透性。2、合金元素 除Co和Al以外，其余合金元素溶于奧氏體后，使C曲線右移，降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，因此合金鋼往往比碳鋼的淬透性要好。3、奧氏體化溫度 提高奧氏

12、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。 三、淬透性曲線的應用可比較不同鋼種的淬透性，方便選材。 淬透性不同的鋼材經(jīng)調質處理后，沿截面的組織和機械性能差別很大。 40CrNiMo40Cr40鋼全部回火S回火S回火SSF回火S回火SSF 截面較大、形狀復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，應選用淬透性好的鋼。而承受彎曲或扭轉載荷的軸類零件、外層受力較大，心部受力較小，可選

13、用淬透性較低的鋼種。 9.2.2.4 淬火方法預冷淬火1、單介質淬火定義：將奧氏體狀態(tài)的工件放入一種淬火介質中一直冷卻到室溫的淬火方法。優(yōu)點：操作簡單，容易實現(xiàn)機械化，應用較廣；缺點是水淬變形開裂傾向大，油淬冷卻速度小，淬透直徑小，大件淬不硬。適用性：單介質淬火適用于形狀簡單的碳鋼和合金鋼工件。2、雙介質淬火定義：先將奧氏體狀態(tài)的工件在冷卻能力強的淬火介質中冷卻至接近Ms點溫度時，再立即轉入冷卻能力較弱的淬火介質中冷卻，直至完成馬氏體轉變。關鍵工序：控制工件在第一種介質中的停留時間，或者說工件由第一種介質轉入第二種介質時的溫度。優(yōu)點：既保證淬硬，又不出現(xiàn)較大變形和開裂。適用性：碳鋼制造的中型零

14、件和合金鋼制造的較大尺寸零件。3、分級淬火定義：將奧氏體狀態(tài)的工件首先淬入略高于鋼的Ms點的鹽浴或堿浴爐中保溫，當工件內外溫度均勻后，再從浴爐中取出空冷至室溫，完成馬氏體轉變。優(yōu)點：分級淬火能有效地減少熱應力和相變應力，降低工件變形和開裂的傾向。缺點：在200左右冷速較慢，淬透性鋼中的過冷A容易分解，故一般只適用于于形狀復雜和截面不大的工件的淬火。4、等溫淬火（或稱貝氏體淬火）定義：將奧氏體化后的工件在稍高于Ms溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。優(yōu)點：該方法大大降低內應力，減少變形。適用性：適合處理復雜和精度要求高的小件，如彈簧、螺栓等。缺點是生產周期長、生

15、產效率低。 5、預冷淬火（或稱冷待淬火）定義：將奧氏體化后的工件先在空氣或熱水中經(jīng)過一段時間的預冷，待工件溫度降至臨界點稍上一點溫度后再淬入冷卻介質中的淬火方法。優(yōu)點：減少熱應力，減小變形與開裂。關鍵工序：控制預冷時間或預冷溫度，具體工件的預冷時間由實驗確定。 9.2.2.5 淬火應力、變形及開裂淬透9.2.2.6 鋼的回火工藝為什么淬火鋼需要進行回火處理？ 原因：淬火雖然使鋼獲得了較高的硬度和強度，但鋼的彈性、塑性、韌性較低，淬火內應力較大，組織也不穩(wěn)定。淬火件未經(jīng)回火在室溫下長期放置，淬火組織將由亞穩(wěn)定狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)轉變，并伴隨有應力的變化及體積的改變，可能導致工件變形、裂紋甚至斷裂?；鼗?/p>

16、可以減小淬火鋼件的內應力、降低脆性，提高塑性、韌性和組織穩(wěn)定性，得到強韌性良好配合的最佳使用性能。對某些含氫量較高易于產生氫脆的鋼件，回火還可以起到除氫的作用。回火：將淬火的合金過飽和固溶體加熱到低于相變臨界點（A1）溫度，保溫一段時間后再冷卻到室溫的熱處理工藝方法。回火的目的獲得所需組織以改善性能；穩(wěn)定組織與尺寸；消除內應力。 回火基本上是熱處理的最后一道工序，其工藝參數(shù)基本上決定了工件的使用性能和壽命。鋼的回火轉變過程M中C的偏聚與群集化；M的分解；殘余A的轉變；碳化物的析出和變化；相的回復、再結晶。除了組織變化外，回火過程中還產生回火脆性和二次硬化等現(xiàn)象。 獲得回火M組織回火M：高碳鋼在350以下回火時，M分解后形成的相（相仍保持針狀形態(tài)）和彌散的碳化物組成的復相組織。注意避免回火脆性注意避免回火脆性回火T：針狀相和與之無共格關系的細小粒狀與片狀滲碳體組成的機械混合物。 回火T：針狀相和與之無共格關系的細小粒狀與片狀滲碳體組成的機械混合物。 回火S：淬火鋼在500600回火時，滲碳體聚集成較大的顆粒，同時M的針狀形態(tài)消失，形成多邊形的F，