鋼的熱處理基本工藝及應(yīng)用

1、5.4 鋼的熱處理基本工藝及應(yīng)用鋼的熱處理基本工藝及應(yīng)用 一、鋼的退火與正火一、鋼的退火與正火1退火與正火的目的退火與正火的目的 調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工 消除殘余應(yīng)力 細(xì)化晶粒，改善組織 為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備2退火退火退火：將鋼加熱、保溫，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 退火工藝可分為完全退火、等溫退火、球化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等，如圖所示。1） 完全退火完全退火 將亞共析鋼加熱到Ac3+3050，保溫后緩冷的退火工藝稱為完全退火。目的：降低硬度，消除內(nèi)應(yīng)力。2）等溫退火）等溫退火 將亞共析鋼加熱到 Ac3 +3050、過共析鋼加熱到Ac1+3050，保溫后快冷到Ar1以下某一溫

2、度保溫，然后出爐空冷。如圖是高速鋼等溫退火與普通退火的比較3）球化退火）球化退火 將共析鋼或過共析鋼加熱到 Ac1 +2030，保溫適當(dāng)時間后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為球化退火。目的：目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球狀珠光體（如 圖所示），為后面的淬火作組織準(zhǔn)備。4）擴(kuò)散退火）擴(kuò)散退火 將工件加熱到略低于固相線溫度，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為擴(kuò)散退火。目的：目的：消除成份偏析。5）去應(yīng)力退火）去應(yīng)力退火 將工件加熱到 Ac1以下某一溫度，保溫后隨爐冷卻的 熱處理工藝稱為去應(yīng)力退火。 目的：消除鑄、鍛、焊的內(nèi)應(yīng)力。3正火正火 正火是將鋼加熱到 Ac3或Accm 以上3050，保溫后空氣

3、中冷 卻的熱處理工藝。正火具有以下幾方面的應(yīng)用： 含碳量0.25%經(jīng)正火后硬度提高，改善了切削加工性能。 消除過共析鋼中的二次滲碳體。 作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。 正火的冷卻速度稍快于退火，由C曲線可知，二者的組織是不一樣的。正火后的組織比退火細(xì)，如圖所示。二、鋼的淬火二、鋼的淬火 淬火是將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，保溫后以大于Vk的速度冷卻的熱處理工藝。目的：目的：為了獲得馬氏體，提高鋼的力學(xué)性能。1淬火溫度淬火溫度 選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細(xì)小的奧氏體。如圖所示，一般淬火溫度在臨界點(diǎn)以上。 對亞共析鋼，淬火溫度為Ac3+3050，淬火組織為馬 氏體，如圖所示。 亞溫淬火：加熱溫度在Ac1

4、 Ac3之間，淬火組織為馬氏 體加鐵素體，如圖所示。亞溫淬火也是一種強(qiáng)韌化處理方法。 對共析鋼和過共析鋼，淬火溫度為Ac1+3050，組織 為細(xì)馬氏體加顆粒狀滲碳體和少量殘余奧氏體，如圖所示。 對合金鋼，一般淬火溫度為臨界點(diǎn)以上50100。提高淬 火溫度有利于合金元素在奧氏體中充分溶解和均勻化。2淬火介質(zhì)淬火介質(zhì) 為了保證得到馬氏體組織，淬火速度必須大于臨界冷卻速 度Vk，但往往會引起工件變形和開裂。 要想既得到馬氏體又避免變形和開裂，理想的淬火冷卻曲 線如圖所示。 最常用的淬火介質(zhì)是水和油。 油主要用于合金鋼或小尺寸碳鋼工件的淬火。 熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴。這類介質(zhì)只 適用于

5、形狀復(fù)雜和變形要求嚴(yán)格的小件的分級淬火和等溫 淬火。 近年來出現(xiàn)聚乙烯醇水溶液、三乙醇銨水溶液、高濃度硝 鹽水溶液等淬火介質(zhì)。 水是經(jīng)濟(jì)且冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。如表所示3淬火方法淬火方法常用淬火方法如圖所示。1）單液淬火法）單液淬火法 將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法，如水淬、油淬等。2）雙液淬火法）雙液淬火法 將加熱的工件放入一種冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，然后轉(zhuǎn)入另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)冷卻的淬火方法。如水淬油冷或油淬空冷。 雙液淬火主要用于形狀復(fù)雜的高碳鋼工件及大型合金鋼工件。3）分級淬火法）分級淬火法 將加熱的工件在Ms點(diǎn)附近的鹽浴或堿浴中淬火，然后取出緩冷的淬火

6、方法。其特點(diǎn)是顯著減少淬火變形與開裂，是用于截面尺寸較小淬透性較高的鋼件。4）等溫淬火）等溫淬火 將加熱工件在稍高于Ms點(diǎn)附近溫度的鹽浴或堿浴中冷卻并保溫足夠時間而獲得下貝氏體組織的淬火方法。其特點(diǎn)是工件具有良好的綜合力學(xué)性能，一般不必回火。多用于形狀復(fù)雜和要求較高的小件。4鋼的淬透性鋼的淬透性1）淬透性）淬透性 淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。一般規(guī)定由工件表面到半馬氏體區(qū)的深度作為淬硬層深度。2）淬透性對鋼力學(xué)性能 的影響鋼的淬透性直 接影響其熱處理后的 力學(xué)性能。 淬透性高的鋼，其力學(xué)性能沿截面均勻分布 淬透性低的鋼，其截面心部的力學(xué)性能低3）淬透性的測定及其表示方法）淬透性的

7、測定及其表示方法 淬透性的測定方法 測定鋼的淬透性最常用的方法是末端淬火法。 A 將25100mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣經(jīng)奧氏體化后，對末端進(jìn)行噴水冷卻。如圖所示。B 按規(guī)定方法測定硬度值，作出淬透性曲線；C 利用鋼的半馬氏體區(qū)硬度與鋼的含碳量關(guān)系圖，和淬透性 曲線圖可找出其淬透性的大小。 淬透性的表示方法淬透性值可用 表示。其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距離，HRC為該處測得的硬度值。dHRCJ鋼的淬透性還可用鋼在某種冷卻介質(zhì)中完全淬透的最大直徑，即臨界直徑D0表示。4）淬透性的應(yīng)用）淬透性的應(yīng)用 對于截面尺寸較大和形狀較復(fù)雜的重要零件以及要求機(jī)械 性能均勻的零件，應(yīng)選用高淬透性的鋼制造。 對于

8、承受彎曲和扭轉(zhuǎn)的軸類、齒輪類零件，可選用低淬透 性的鋼制造。 在設(shè)計(jì)和制造零件時，必須考慮鋼的熱處理尺寸效應(yīng)。三、鋼的回火三、鋼的回火1回火的目的回火的目的 降低脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力 獲得工藝所要求的力學(xué)性能 穩(wěn)定工件尺寸 對某些高淬透性的合金鋼，可降低硬度，以利加工2淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變淬火鋼在回火時的轉(zhuǎn)變1）回火時的組織轉(zhuǎn)變 淬火鋼組織發(fā)生以下四階段的變化： 馬氏體分解：主要發(fā)生在100200， 馬氏體中的碳以碳化物（Fex）的形 式析出，析出的碳化物以極小片狀分布 在馬氏體基體上，這種組織稱為回火馬 氏體，用“M回”表示。如圖所示。 殘余奧氏體分解 主要發(fā)生在200300，殘余奧氏體分

9、解 為碳化物和過飽和，但組織仍是回火馬氏體。 碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)镕e3 主要發(fā)生在250400，此時回火馬氏 體轉(zhuǎn)變?yōu)樵诒３竹R氏體形態(tài)的鐵素體基體上分布著細(xì)粒狀滲 碳體的組織，稱為回火屈氏體，用“T回”表示。如圖所示。 滲碳體的聚集長大及相再結(jié)晶 主要發(fā)生在400以上,此時 形成顆粒狀滲碳體，鐵素體由針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅?，這種組 織稱為回火索氏體，用“S回”表示。如圖所示。2）回火過程中的性能變化）回火過程中的性能變化 總的規(guī)律是：隨回火溫度升高，強(qiáng)度、硬度下降，塑性、韌性上升。如圖為硬度與回火溫度的關(guān)系。 回火溫度在200以下,鋼的硬度不降低,對高碳鋼，甚至略有 升高。 回火溫度在200300,高碳

10、鋼的硬度再次升高,中、低碳鋼 硬度緩慢降低。 回火溫度300以上，鋼的硬度呈直線下降。 注意： 回火屈氏體、回火索氏體和球狀珠光體 與過冷奧氏體直接分解得到的屈氏體、索氏 體和珠光體的力學(xué)性能有顯著區(qū)別。3回火的種類回火的種類2）中溫回火）中溫回火（350500） 組織為回火索氏體，具有較高彈性和一定韌性，主要 用于彈簧的處理。3）高溫回火）高溫回火（500650） 組織為回火索氏體，具有良好的綜合機(jī)械性能。習(xí)慣 上將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱 “調(diào)質(zhì)”。調(diào)質(zhì)廣泛用于處理重要的結(jié)構(gòu)零件，如軸、齒輪 等。1）低溫回火）低溫回火（150250） 組織為回火馬氏體，能降低 內(nèi)應(yīng)力

11、和脆性，并保持高硬度和 耐磨性。用于工具、模具、軸承、 滲碳件及經(jīng)表面淬火的工件。4回火脆性回火脆性 淬火鋼出現(xiàn)沖擊韌性顯著下降的現(xiàn)象稱為“回火脆性”，如圖所示。1）低溫回火脆性）低溫回火脆性 在250350回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性。一 般不在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行回火。2）高溫回火脆性）高溫回火脆性 在500650回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性。主 要發(fā)生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的結(jié)構(gòu)鋼中。3）快冷可防止高溫脆性，在鋼中加入（約）快冷可防止高溫脆性，在鋼中加入（約1%）、）、o（約（約 0.5%）等合金元素可有效抑制這類脆性的產(chǎn)生。）等合金元素可有效抑制這類脆性的產(chǎn)生。5淬火回火的

12、工藝缺陷淬火回火的工藝缺陷1）硬度不足）硬度不足 是由淬火加熱溫度低、表面脫碳、冷速不夠、鋼材淬 透性低等原因造成的?？刹捎孟鄳?yīng)措施加以防治。2）硬度不均勻）硬度不均勻 是由原始組織粗大且不均勻、冷卻不均勻等原因造成 的?？赏ㄟ^正火后重新淬火來消除。3）過熱和過燒）過熱和過燒 過熱組織可通過重新淬火來消除；工件一旦過燒則只 能報(bào)廢。四、鋼的表面淬火四、鋼的表面淬火1概述概述 利用快速加熱將表面層奧氏體化后進(jìn)行淬火，以強(qiáng) 化零件表面的熱處理方法。 表面淬火用材料 含碳量為0.40.5%的中碳鋼及鑄鐵。 預(yù)備熱處理 預(yù)備熱處理為表面淬火作準(zhǔn)備，以獲得最終的心部 組織。方法有調(diào)質(zhì)和正火等。 表面淬火

13、后的組織 表層組織為回火馬氏體，心部組織為回火索氏體 （調(diào)質(zhì)）或鐵素體加索氏體（正火）。2感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火1）感應(yīng)加熱的基本原理）感應(yīng)加熱的基本原理 感應(yīng)加熱表面淬火的裝置如圖所示。 交變磁場使工件內(nèi)部感生出巨大的 渦流 感應(yīng)電流在工件表層密度最大，而 心部密度為零，這種現(xiàn)象稱為集膚 效應(yīng) 電流透入的深度與感應(yīng)電流的頻率 有關(guān) 電流頻率越高，感應(yīng)電流透入深度 越淺2）感應(yīng)加熱的分類）感應(yīng)加熱的分類 高頻感應(yīng)加熱 電流頻率范圍250300kHz，淬硬層深度為0.5 2.0mm，適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件。 中頻感應(yīng)加熱 電流頻率范圍2500800kHz，淬硬層深度210mm， 適用于較大的軸和大中模數(shù)齒輪。 工頻感應(yīng)加熱 電流頻率50Hz，淬硬層深度可達(dá)1015mm，適用 于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、火車 車輪的表面淬火。3）感應(yīng)加熱表面淬火后的回火）感應(yīng)加熱表面淬火后的回火 一般只進(jìn)行低溫回火，回火溫度一般不高于200。4）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)）感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn) 加熱溫度高。 感應(yīng)加熱表面淬火后工件表層硬度高，脆性較低。 工件表面質(zhì)量好。 生產(chǎn)效率高。3其他表面淬火方法簡介其他表面淬火方法簡介 1）火焰加熱表面淬