金屬學及熱處理 第八章 鋼的熱處理工藝

金屬學及熱處理

第8章

鋼的熱處理工藝1編輯課件鋼的熱處理工藝是指根據(jù)鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律制定的熱處理具體加熱、保溫、冷卻的工藝參數(shù)。普通熱處理包括：退火、正火、淬火和回火。表面熱處理有：表面淬火和化學熱處理等。還有預備熱處理、最終熱處理、形變熱處理、真空熱處理。第8章鋼的熱處理工藝2編輯課件8.1鋼的退火和正火加熱溫度高于臨界溫度的退火稱為相變重結(jié)晶退火。包括完全退火、不完全退火、球化退火和擴散退火等。加熱溫度低于臨界溫度的退火包括去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火。正火是退火的一種特殊形式。3編輯課件8.1鋼的退火和正火完全退火是將鋼加熱到Ac3溫度以上，保溫足夠時間，緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的熱處理工藝。退火的目的是細化晶粒、均勻組織，消除應(yīng)力和熱加工缺陷、降低硬度、改善切削加工和冷塑性變形性能。8.1.1完全退火完全退火的加熱溫度一般在Ac3以上20－30℃。4編輯課件8.1鋼的退火和正火中碳結(jié)構(gòu)鋼鍛軋件中常有魏氏組織、晶粒粗大的過熱組織，和帶狀組織等缺陷，經(jīng)過完全退火后，組織發(fā)生重結(jié)晶，魏氏組織和帶狀組織消除，晶粒細化，切削加工性能得到改善。焊接工件中焊縫處組織不均勻，熱影響區(qū)具有過熱組織和魏氏組織，且存在很大內(nèi)應(yīng)力。焊后經(jīng)完全退火，組織均勻，晶粒細化，魏氏組織消除，內(nèi)應(yīng)力下降。8.1.1完全退火5編輯課件8.1鋼的退火和正火8.1.1完全退火退火加熱溫度：碳鋼：Ac3點以上20~30℃，如：20#鋼進行完全退火時，加熱溫度為900-950℃。合金鋼：Ac3點以上50~70℃。6編輯課件8.1鋼的退火和正火退火保溫時間取決于工件透燒所需要的時間和組織轉(zhuǎn)變所需要的時間，與鋼的化學成分、工件的形狀和尺寸、加熱設(shè)備類型、裝爐量和裝爐方式有關(guān)。通?？梢杂霉ぜ挠行Ш穸葋碛嬎慵訜釙r間。對于碳素鋼或低合金鋼構(gòu)件，當裝爐量不大時，在箱式爐中的保溫時間（τ）可按下式計算：τ＝KD

（min）（K＝1.5－2min/mm）D為工件有效厚度（mm），K為加熱系數(shù)。8.1.1完全退火7編輯課件8.1鋼的退火和正火退火后的冷卻速度應(yīng)該緩慢，保證在較高溫度發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，避免硬度過高。一般碳鋼的冷卻速度應(yīng)小于200℃/h，低合金鋼的冷卻速度應(yīng)小于100℃/h，高合金鋼的冷卻速度應(yīng)小于50℃/h。當工件在爐內(nèi)控制冷卻到600℃以下后就可以出爐空冷。8.1.1完全退火8編輯課件8.1鋼的退火和正火將奧氏體化后的鋼快冷至稍低于Ac1溫度，等溫一定時間，使奧氏體發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變，得到珠光體后，再空冷至室溫，可以縮短退火時間，使退火組織更加均勻。這種退火方法稱為等溫退火。等溫退火適用于高碳鋼、合金工具鋼、高合金鋼等。對于大截面工件和大批量爐料，工件內(nèi)部不易達到等溫程度，不適合進行等溫退火。8.1.1完全退火9編輯課件8.1鋼的退火和正火不完全退火是將鋼加熱到Ac1~Ac3（Acm）溫度，保溫等溫一定時間后緩慢冷卻，得到接近平衡組織的熱處理工藝。加熱保溫過程中，珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，先共析鐵素體或滲碳體的形態(tài)及分布基本不變。不完全退火的目的是降低硬度，減小應(yīng)力。不完全退火溫度低，能耗小，成本低，效率高。不完全退火主要應(yīng)用于大批量生產(chǎn)的亞共析鋼鍛件，20#鋼不完全退火加熱溫度為800℃。8.1.2不完全退火10編輯課件8.1鋼的退火和正火球化退火是使鋼中的碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。球化退火主要針對共析鋼、過共析鋼、合金工具鋼。加熱溫度在Ac1溫度以上20~30℃，保溫時間不易太長，使奧氏體中保留大量未溶碳化物質(zhì)點，并且奧氏體中碳濃度分布不均勻。爐冷或Ac1以下20℃保溫等溫處理，析出粒狀碳化物。8.1.3球化退火11編輯課件8.1鋼的退火和正火球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，組織均勻化，為以后淬火作準備。T10鋼的球化退火工藝：加熱溫度是760-780℃，保溫2-4小時，再爐冷到680℃，保溫4-6小時，出爐空冷。球化退火前，如有網(wǎng)狀碳化物存在，需正火消除網(wǎng)狀碳化物，再進行球化退火。8.1.3球化退火12編輯課件8.1鋼的退火和正火球化退火工藝有以下三種：（1）一次球化退火：Ac1以上20~30℃，緩冷至600℃后出爐空冷。（2）等溫球化退火：Ac1以上20~30℃，保溫2~4h，快冷至Ac1以下20℃，等溫3~6h，爐冷至600℃后空冷。（3）往復球化退火：略高Ac1溫度保溫，隨爐冷至略低于Ac1溫度等溫，如此多次反復加熱冷卻，600℃出爐空冷。球化效果好。8.1.3球化退火13編輯課件8.1鋼的退火和正火擴散退火又稱均勻化退火，將鋼錠加熱至略低于固相線溫度，長時間保溫，隨爐緩慢冷卻。加熱溫度一般為Ac3和Acm以上150~300℃，固相線以下100℃；保溫時間可根據(jù)鋼件最大界面厚度計算：每1mm保溫1.5~2.5min。一般不超過15h。隨爐冷至350℃后出爐。擴散退火的目的：消除晶內(nèi)偏析，使成分均勻化。8.1.4擴散退火14編輯課件8.1鋼的退火和正火擴散退火后，奧氏體晶粒十分粗大，必須進行一次完全退火或正火來細化晶粒。擴散退火周期長、能耗大、成本高、工件燒損嚴重，只有一些優(yōu)質(zhì)合金和偏析較嚴重的合金鋼鑄件才使用這種工藝。加熱溫度：碳鋼1100-1200℃，合金鋼1200-1300℃。8.1.4擴散退火15編輯課件8.1鋼的退火和正火去應(yīng)力退火的目的：消除鑄件、鍛件、焊接件、機加件的殘余內(nèi)應(yīng)力，提高工件的尺寸穩(wěn)定性，防止變形和開裂，在精加工或淬火之前，將工件加熱至AC1以下某一溫度，保溫一定時間，緩慢冷卻。加熱溫度：碳鋼500-650℃，彈簧鋼250-300℃。保溫時間：鋼件：3min/mm，鑄鐵件：6min/mm。冷卻方式：緩冷至250-300℃出爐空冷。8.1.5去應(yīng)力退火16編輯課件8.1鋼的退火和正火再結(jié)晶退火是將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫適當時間后，使變形晶粒重新變成新的等軸晶粒，消除加工硬化，降低殘余應(yīng)力。加熱溫度：碳鋼650-700℃，純鐵450℃，純鋁100℃

。冷卻方式：空冷。臨界變形度（鋼：2－10％）時，再結(jié)晶晶粒異常長大，應(yīng)該用正火或完全退火來代替再結(jié)晶退火。兩次冷變形工序之間的再結(jié)晶退火：中間退火。8.1.6再結(jié)晶退火17編輯課件8.1鋼的退火和正火正火是將鋼加熱到Ac3（Acm）以上適當溫度，保溫一定時間，完全奧氏體化，空冷，得到珠光體組織。加熱溫度：高于退火加熱溫度，Ac3(Acm)以上30-50℃。保溫時間：與完全退火相同，工件心部達到加熱溫度。冷卻方式：空冷，大件可用風冷或噴霧冷。正火適用于碳素鋼和低、中合金鋼，不適用于高合金鋼，高合金鋼空冷易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。8.1.7正火18編輯課件8.1鋼的退火和正火正火冷速較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，珠光體片層間距較小，鋼的強度、硬度和韌性較高。亞共析鋼：析出的鐵素體數(shù)量較少，珠光體數(shù)量較多；過共析鋼：先共析網(wǎng)狀滲碳體析出受到抑制。鋼的碳含量為0.6-1.4％，正火組織中不存在先共析相，只存在偽共析珠光體和索氏體。8.1.7正火19編輯課件8.1鋼的退火和正火正火工藝較簡單，有以下幾方面應(yīng)用：（1）改善低碳鋼的切削加工性能。（2）消除中碳鋼熱加工缺陷。（3）消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體。（4）提高普通結(jié)構(gòu)件的機械性能。20#鋼，正火溫度為：920~950℃；45#鋼，正火溫度為，850℃，抗拉強度≥600MPa8.1.7正火20編輯課件小結(jié)處理工藝：完全退火，不完全退火，球化退火，擴散退火，去應(yīng)力退火，再結(jié)晶退火，正火。工藝參數(shù)：

加熱溫度，保溫時間，冷卻方式。處理目的很重要。21編輯課件8.2鋼的淬火將鋼加熱到Ac3（Acm）或Ac1臨界溫度以上的一定溫度，保溫一定時間，然后以大于臨界淬火速度的速度冷卻，使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體（或貝氏體）組織的熱處理工藝為淬火。淬火后得到的組織是馬氏體（或下貝氏體）和少量的殘余奧氏體及未溶的第二相。淬火的目的是提高工件的強度、硬度和耐磨性。22編輯課件8.2鋼的淬火淬火冷卻過程中由于工件表面和心部的冷卻和相變的不同時性，會導致不同部位殘余應(yīng)力不同。各種原因?qū)е碌臍堄鄳?yīng)力之和就是淬火應(yīng)力。當淬火應(yīng)力超過材料的屈服極限時，工件會產(chǎn)生塑性變形；當淬火應(yīng)力超過材料的強度極限，工件將產(chǎn)生開裂。淬火應(yīng)力包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。8.2.1淬火應(yīng)力23編輯課件8.2鋼的淬火工件在加熱或冷卻時，由于不同部位的溫度差異，導致熱脹冷縮的不一致性而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。冷卻初期，表層先收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力；冷卻后期，內(nèi)部收縮，表面形成壓應(yīng)力，成為殘余應(yīng)力。8.2.1淬火應(yīng)力（1）熱應(yīng)力及其變化規(guī)律工件冷卻時熱應(yīng)力變化示意圖24編輯課件8.2鋼的淬火熱應(yīng)力的產(chǎn)生原因：快速冷卻時工件截面上存在的溫差造成的。影響熱應(yīng)力大小的因素：①冷卻速度越大，截面上溫差越大，熱應(yīng)力越大。②淬火溫度越高、工件截面尺寸越大，熱應(yīng)力越大。③鋼材導熱性越差、線膨脹系數(shù)越大，熱應(yīng)力越大。8.2.1淬火應(yīng)力（1）熱應(yīng)力及其變化規(guī)律25編輯課件8.2鋼的淬火工件在冷卻時，由于溫差造成的不同部位組織轉(zhuǎn)變不同時而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為組織應(yīng)力。淬火初期工件表面冷卻到Ms以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而引起體積膨脹，而內(nèi)部不發(fā)生相變體積不變，導致表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。繼續(xù)冷卻，心部發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，體積膨脹，而表面轉(zhuǎn)變已經(jīng)結(jié)束，不再有體積變化，使表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此組織應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力為表面拉應(yīng)力，與熱應(yīng)力相反。8.2.1淬火應(yīng)力（2）組織應(yīng)力及其變化規(guī)律26編輯課件8.2鋼的淬火①亞共析鋼：Ac3+(30-50℃)。②共析鋼和過共析鋼：Ac1+(30-50℃)

。③合金鋼的加熱溫度要高一些。加熱溫度高，將導致淬火應(yīng)力增大、表面氧化和脫碳嚴重。8.2.2淬火加熱（1）加熱溫度的確定淬火加熱溫度的確定以得到均勻細小的奧氏體晶粒為原則。完全淬火不完全淬火27編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（2）加熱時間的確定將升溫和保溫所需要的時間之和稱為加熱時間。影響加熱時間的因素有：加熱介質(zhì)、爐溫、工件尺寸和裝爐量。加熱時間可由以下經(jīng)驗公式確定：τ＝αKD（min）α

：加熱系數(shù)，表示單位有效厚度需要的加熱時間，單位：min/mm，碳鋼在800－900℃的箱式爐中加熱時，α＝1-1.5；若在鹽浴爐中加熱，α＝0.3-0.5。28編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（2）加熱時間的確定τ＝αKD（min）K：裝爐修正系數(shù)，裝爐量較大時，K值取得較大，一般由經(jīng)驗確定。D：工件有效厚度（mm）。剛在加熱淬火過程中，由于加熱溫度和時間選擇不當，可能產(chǎn)生過熱、過燒、表面氧化、表面脫碳等缺陷。29編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（3）過熱與過燒過熱是指工件在淬火加熱時，由于溫度過高或時間過長，造成奧氏體晶粒長大的缺陷。過熱將導致馬氏體組織粗大，工件強度和韌性降低，易產(chǎn)生淬火裂紋。對于過熱工件，可進行細化晶粒的退火或正火，然后再進行正確的淬火，可以糾正過熱組織。30編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（3）過熱與過燒過燒是指工件在淬火加熱時，溫度過高，使奧氏體晶界發(fā)生氧化或局部熔化的現(xiàn)象。過燒工件無法補救，只能報廢。31編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（4）表面氧化淬火加熱時，工件和加熱介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生氧化現(xiàn)象。氧化使工件尺寸減小，表面粗糙度降低，淬火冷卻速度減慢。氧化反應(yīng)機理有：2Fe+O2=2FeOFe+CO2=FeO+COFe+H2O=FeO+H2氧化速度一般用氧化增重來衡量。溫度越高，氧化速度越快。32編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（4）表面脫碳脫碳是工件在加熱和保溫過程中，鋼中的碳與爐氣中的介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，生成含碳氣體，逸出鋼外，使工件表面碳含量降低的過程。主要反應(yīng)有：C+O2=CO2C+CO2=2COC+H2O=CO+H2C+2H2=CH4脫碳速度取決于化學反應(yīng)速度和碳原子擴散速度。加熱溫度越高，加熱時間越長，脫碳層越深。33編輯課件8.2鋼的淬火8.2.2淬火加熱（5）表面氧化和脫碳的防止方法①鹽浴加熱：常采用氯化鹽或硝酸鹽做加熱介質(zhì)。②保護氣氛加熱：加熱爐中通入中性或還原性氣體。③真空加熱：主要用于要求較高的工具和精密零件。④裝箱加熱：將工件裝入箱中，周圍填充鑄鐵屑或木炭，加熱時間長，操作不方便，適于單件熱處理。⑤工件表面涂層：熱涂硼酸等。34編輯課件8.2鋼的淬火8.2.3淬火冷卻為了使鋼獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，但冷卻速度過大，淬火應(yīng)力增大，易產(chǎn)生變形和開裂。選擇合適的淬火冷卻速度十分重要。冷卻速度與冷卻介質(zhì)有關(guān)：鹽水（NaCl）和堿水（NaOH）的冷卻速度最快；普通水的冷速次之，與水溫有關(guān)；礦物油（機油）的冷速較低。35編輯課件8.2鋼的淬火8.2.3淬火方法單液淬火法是將加熱至奧氏體狀態(tài)的工件淬入某種淬火介質(zhì)中，連續(xù)冷卻至介質(zhì)溫度的淬火方法。一般情況下，碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火。為減小淬火應(yīng)力，可將奧氏體化工件先慢冷至臨界點附近溫度，再淬入淬火介質(zhì)中冷卻。單液淬火法操作簡單，易實現(xiàn)自動化，但組織應(yīng)力較大，工件易變形開裂，適于形狀簡單小尺寸工件。（1）單液淬火法36編輯課件8.2鋼的淬火8.2.3淬火方法雙液淬火法是將加熱至奧氏體狀態(tài)的工件先在冷卻能力較強的介質(zhì)中快冷至接近Ms點溫度，再轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的介質(zhì)中繼續(xù)慢冷的淬火方法。一般采用水－油雙液淬火法，要控制好水中冷卻時間，適用于中、高碳鋼工件和合金鋼大型工件。也可采用油－空氣雙介質(zhì)淬火法，適用于合金鋼工件。（2）雙液淬火法37編輯課件8.2鋼的淬火8.2.3淬火方法分級淬火法是將加熱至奧氏體狀態(tài)的工件先淬入高于該鋼Ms點的熱浴中停留一定時間，待工件各部分與熱浴溫度一致后，取出空冷至室溫的淬火方法。緩慢冷卻得到馬氏體，組織應(yīng)力較低。介質(zhì)溫度較高，冷速較慢，不易達到臨界淬火速度，適用于尺寸較小的工件。提高淬火加熱溫度，可提高奧氏體的穩(wěn)定性，降低淬火臨界冷卻速度。（3）分級淬火法38編輯課件8.2鋼的淬火8.2.3淬火方法等溫淬火法是將加熱至奧氏體狀態(tài)的工件淬入溫度稍高于該鋼Ms點的鹽浴中等溫，保持足夠長的時間，使之轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織，然后取出在空氣中冷卻的淬火方法。等溫淬火得到下貝氏體組織，硬度和強度較高，韌性良好。等溫淬火組織應(yīng)力小，適于處理中、高碳鋼和低合金鋼制造的復雜形狀精密構(gòu)件。（4）等溫淬火法39編輯課件8.3鋼的淬透性8.3.1淬透性的基本概念淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。淬透層深度越大，淬透性越好。淬透層深度規(guī)定是由表面至得到馬氏體體積分數(shù)為50％的半馬氏體區(qū)的深度。淬透性是鋼的固有屬性，取決于鋼的奧氏體穩(wěn)定性，是制定鋼的熱處理工藝的重要依據(jù)之一。鋼的淬透性和淬硬性是兩個不同的概念。40編輯課件8.3鋼的淬透性8.3.2淬透性的測定方法測定鋼淬透性常用的方法是末端淬火法，即端淬法。將Φ25mm×100mm的標準試樣加熱至奧氏體狀態(tài)后，迅速對試樣末端噴水冷卻。試樣上距末端越遠，冷卻速度越小，硬度值越低。端淬試驗示意圖41編輯課件8.3鋼的淬透性8.3.2淬透性的測定方法從試樣末端開始，沿軸向每隔1.5mm測一點硬度，得到硬度與至末端距離的關(guān)系曲線，稱為端淬曲線。由于鋼的化學成分波動，有關(guān)手冊中給出的不是一條曲線，而是一條帶，稱之為淬透性帶。45＃鋼的淬透性帶42編輯課件8.3鋼的淬透性8.3.2淬透性的測定方法根據(jù)鋼的淬透性曲線，鋼的淬透性值的表示方法是：其中J表示末端淬透性，d表示至末端的距離，HRC表示在該處測得的硬度值。例如：淬透性值表示在淬透性帶上距末端5mm處的硬度值為HRC40。43編輯課件8.3鋼的淬透性8.3.3淬透性的實際意義選用淬透性較高的鋼，可以保證整個零件截面全部得到馬氏體組織，性能均勻一致。選用淬透性較高的鋼，可以在冷速較緩慢的介質(zhì)中淬火，減小工件的變形。表面淬火用鋼可以選擇淬透性較低的鋼，保證只是表面得到馬氏體組織。焊接用鋼也希望淬透性較低，避免焊縫及熱影響區(qū)在焊后冷卻過程中得到馬氏體組織，防止焊接構(gòu)件的變形和開裂。44編輯課件8.4鋼的回火回火是將淬火后的鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，以一定的方式冷卻的熱處理工藝?；鼗鸬哪康氖欠€(wěn)定組織、減小或消除淬火應(yīng)力、提高鋼的塑性和韌性，獲得強度、硬度和塑性、韌性的適當配合，滿足不同工件的性能要求。回火的主要工藝參數(shù)包括：回火溫度、回火保溫時間、回火后的冷卻速度。45編輯課件8.4鋼的回火8.4.1回火溫度回火溫度是決定回火后工件組織和性能的最重要因素?？煞譃榈蜏鼗鼗?、中溫回火和高溫回火。（1）低溫回火低溫回火溫度范圍是150－250℃。主要用于高碳鋼和高合金鋼。低溫回火的組織是隱晶馬氏體加細粒狀碳化物，即回火馬氏體，具有很高的強度、硬度和耐磨性，淬火應(yīng)力和脆性得到降低，大量用于工具、量具、軸承、滲碳件和表面淬火件等。46編輯課件8.4鋼的回火8.4.1回火溫度（2）中溫回火中溫回火溫度范圍是350－500℃?；鼗鸾M織為回火屈氏體，具有較