第四章鋼的熱處理基礎(chǔ)

第四章鋼的熱處理基礎(chǔ)一、概述二、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變?nèi)?、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變四、鋼的熱處理工藝五、熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性六、熱處理技術(shù)要求的標(biāo)注

熱處理是采用適當(dāng)?shù)姆绞綄饘俨牧匣蚬ぜM行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。根據(jù)熱處理的目的和工藝方法的不同，熱處理可分為：4.1概述

熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫、和冷卻三個階段所組成的。熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標(biāo)系中的曲線圖表示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線，見圖2-5。4.2鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變在熱處理工藝中，鋼的加熱目的是為了獲得奧氏體，奧氏體是鋼在高溫狀態(tài)時的組織，其強度及硬度高，塑性良好，晶粒的大小、成分及其均勻化程度，對鋼冷卻后的組織和性能有重要影響。因此，鋼在加熱時，為了得到細小均勻的奧氏體晶粒，必須嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時間，以求在冷卻后獲得高性能的組織。4.2.1、鋼的臨界轉(zhuǎn)變溫度Fe-Fe3C相圖是平衡狀態(tài)圖，在實際的熱處理過程中，加熱或冷卻都是按一定的速度進行，因此相變是在非平衡條件下進行的；必然要產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，即有一定的過熱度或過冷度。因此在加熱時，鋼發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的實際溫度比相圖中的A1、A3、Acm點高，分別用Ac1、Ac3、Accm表示。同樣，在冷卻時奧氏體分解的實際溫度要比A1

、A3

、Acm點低，分別用Ar1、Ar3、Arcm表示，1.奧氏體形成的基本過程1）奧氏體核的形成2）奧氏體核的長大3）殘余滲碳體的溶解4）奧氏體的均勻化4.2.2.鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變2.奧氏體晶粒的大小及影響因素1）奧氏體的晶粒度2）影響奧氏體晶粒度的因素最主要是加熱溫度，其次是合金元素4.2.2.鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變鋼在高溫時所形成的均勻奧氏體，奧氏體在A1以上的溫度是穩(wěn)定的。當(dāng)溫度處于臨界點A1以下時，奧氏體就變得不穩(wěn)定，要發(fā)生分解和轉(zhuǎn)變。但在實際冷卻過程中，處在臨界點以下的奧氏體并不立即發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種在臨界點以下存在的奧氏體，稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體冷卻時可以兩種方式進行，即在等溫條件下轉(zhuǎn)變，和在連續(xù)冷卻條件下進行轉(zhuǎn)變。現(xiàn)以共析鋼為例討論過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變。4.3鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變—把奧氏體化后的鋼件迅速冷卻到臨界點以下某一溫度，等溫保持一定時間后再冷卻至室溫。在保溫過程中完成的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈葴剞D(zhuǎn)變4.3.1過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變1.共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，通常稱為C曲線?？砂l(fā)生三種不同類型的轉(zhuǎn)變：高溫珠光體型轉(zhuǎn)變、中溫貝氏體型轉(zhuǎn)變和低溫馬氏體型轉(zhuǎn)變2.等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能根據(jù)過冷奧氏體在不同溫度下轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的不同，可分為三種不同類型的轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變。（1）珠光體型轉(zhuǎn)變—高溫轉(zhuǎn)變（A1-550℃）溫度：A1~550℃A1~650℃→珠光體→P＜25650℃~600℃→索氏體→S25~35600℃→550℃→托氏體→T35~402）貝氏體型轉(zhuǎn)變貝氏體型轉(zhuǎn)變：550℃~Ms→貝氏體→B40~45550℃→350℃→上貝氏體→B上350℃~Ms→下貝氏體→B下45~554.3.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變回到主頁C曲線在連續(xù)冷卻中的應(yīng)用V1－緩慢的隨爐冷卻V2－靜止空氣中冷卻V3－油中冷卻V4－水中快速冷卻Vk

－臨界冷卻速度4.4鋼的熱處理工藝熱處理的目的一是消除前道工序產(chǎn)生的某種缺陷，改善鋼材的工藝性能，確保后續(xù)加工順利進行。常用有退火、正火。二是提高零件或工、模具的使用性能。4.4.1鋼的退火將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)的熱處理工藝。(爐冷）

退火目的：降低硬度，改善切削性能；消除或減少內(nèi)應(yīng)力；細化晶粒；改善組織，為零件的最終熱處理做好準(zhǔn)備。退火種類（臨界溫度以上)：完全退火、不完全退火、球化退火、擴散退火

(臨界溫度以下)：再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火完全退火球化退火正火1)

完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡稱退火。它是把鋼加熱至Ac3以上30～50℃，并保溫一定時間，然后隨爐緩冷。完全退火的“完全”是指工件被加熱到臨界點以上獲得完全的奧氏體組織。它主要用于亞共析鋼和合金鋼。目的是使熱加工造成的粗大、不均勻組織均勻細化；或使中碳以上的碳鋼及合金鋼降低硬度、改善切削加工性能；由于冷卻緩慢，還可消除殘余應(yīng)力。

是將鋼加熱至亞共析鋼或過共析鋼之間，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝目的：降低硬度，改善切削性能，消除應(yīng)力2）不完全退火是將鋼加熱至亞共析鋼或過共析鋼以上30-50℃，保溫一段時間，冷卻到稍低于Ar1以下某一溫度進行等溫轉(zhuǎn)變，以獲得珠光體組織，然后空冷的工藝。目的：獲得較為均勻的組織和硬度3）等溫退火4）球化退火球化退火屬于不完全退火。它是將鋼加熱到略高于Ac1的溫度并保溫，使鋼中未溶碳化物自發(fā)地由片狀變成球狀。球化退火主要用于過共析鋼及合金工具鋼等熱處理，目的是使網(wǎng)狀的二次滲碳體及珠光體中的片狀滲碳體球化，以降低硬度，改善切削加工性能，并為以后的淬火做好組織準(zhǔn)備。過共析鋼球化退火的顯微組織是在鐵素體基體上分布著細小均勻的球狀滲碳體是將鋼加熱到Ac3或Acm線以上150-300℃，保溫10-15h，然后隨爐緩慢冷卻到350℃，再出爐冷卻。目的：消除化學(xué)成分的偏析及顯微組織的不均勻性，使成分均勻化。5）擴散退火6)去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火。將鋼加熱至低于A1的某一溫度，保溫后隨爐緩冷。去應(yīng)力退火常用于消除鑄、鍛、焊工件的殘余應(yīng)力。與去應(yīng)力退火類似的另一種低溫退火—再結(jié)晶退火，用于消除冷變形加工產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象。其工藝過程是將這類工件加熱到再結(jié)晶溫度以上150～250℃，即500～650℃保溫后緩慢冷卻，其目的是改善組織，降低硬度和提高塑性。把冷變形金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫一段時間，使形變晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒的熱處理工藝。目的：消除冷變形加工產(chǎn)品的加工硬度，提高塑性。7)再結(jié)晶退火4.4.2鋼的正火

工件加熱到奧氏體化后，保溫一段時間，使之完全奧氏體化，在靜止的空氣中冷卻，以得到珠光體型組織的熱處理工藝（空冷）目的與完全退火相似，但冷卻速度比退火快、操

作簡便、生產(chǎn)率高（1）取代完全退火，用于

低碳鋼和含碳較低的中

碳鋼

（2）用于普通鋼結(jié)構(gòu)件的

最終熱處理

（3）用于為球化退火作準(zhǔn)備去應(yīng)力退火完全退火球化退火正火4.4.3淬火

工件加熱到奧氏體化后，以適當(dāng)方式冷卻的熱處理工藝（快冷）目的主要是為了得到馬氏體或（和）下貝氏體組織，以便通過回火獲得所需的組織和性能。（1）嚴(yán)格控制加熱溫度

（2）合理選擇淬火介質(zhì)

（3）正確選擇淬火方法

（4）淬火后應(yīng)回火一、淬火鋼的淬火是以獲得馬氏體組織為目的的熱處理工藝。它是將工件加熱至奧氏體化或部分奧氏體化的溫度，然后以大于臨界冷卻速度（Vk）冷到Ms點以下，使鋼發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。淬火的目的1）提高鋼的硬度和耐磨性工具、軸承等工件一般用高碳鋼制造，并淬火得到馬氏體（部分下貝氏體），再配以低溫回火，以提高其硬度和耐磨性2）獲得優(yōu)異的綜合力學(xué)性能齒輪（心部）、軸類、結(jié)構(gòu)件等重要機器零件，都要求具有良好的綜合力學(xué)性能，即高強度和高韌性，一般用中、低碳鋼制造并淬火得到馬氏體，再進行高溫回火3）獲得某些特殊的物理和化學(xué)性能例如不銹鋼、耐熱鋼、磁鋼等，都可通過淬火使之得到一定的物理或化學(xué)性能。1.淬火的加熱溫度

對亞共析鋼，適宜的淬火加熱溫度為Ac3以上30～50℃，淬火后可獲得細小均勻的馬氏體組織。如果淬火加熱溫度不足（＜Ac3），則淬火后的組織中將會出現(xiàn)鐵素體，造成硬度不足、強度降低。若淬火加熱溫度過高，淬火后獲得粗大的馬氏體組織，零件的性能變壞，同時容易引起零件變形和開裂。過共析鋼：淬火加熱溫度為Ac1以上30～50℃，淬火后的組織為：細小均勻的馬氏體和粒狀滲碳體，硬度和耐磨性都比較高。如果淬火加熱溫度過高（＞Accm），將獲得粗大的馬氏體組織，同時引起較嚴(yán)重的變形或開裂。2.淬火的加熱時間加熱時間包括：加熱升溫時間與保溫時間常用經(jīng)驗公式估算，通過試驗最終確定3.淬火冷卻介質(zhì)水堿或鹽的水溶液油4.淬火方法單液淬火等溫淬火雙液淬火局部淬火分級淬火5.鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層（又稱為淬透層）深度的能力，反映了鋼在淬火時能夠獲得馬氏體的能力，是鋼的固有的屬性。一定尺寸的圓柱形工件，淬火時工件表面冷卻較快，心部冷卻較慢，如果工件表面和心部冷卻速度V表和V心都大于臨界冷卻速度V臨時，則整個工件的截面上都可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，即被淬透了。如果工件心部的冷卻速度小于V臨，心部就不能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，而是索氏體或托氏體組織，則沒有被淬透。影響淬透性的因素

合金元素

除鈷以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后均使C曲線向右移，降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。奧氏體化溫度

提高奧氏體化溫度將使奧氏體晶粒長大，成分更均勻化，提高鋼的淬透性。鋼中未溶第二相未溶入奧氏體的碳化物、氮化物及其它非金屬夾雜促進奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形核，減少過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使淬透性降低。6.鋼的淬火變形與開裂1）變形與開裂2）減少變形與開裂的措施（1）合理選擇鋼材與正確設(shè)計零件（2）正確鍛造和進行預(yù)先熱處理（3）采用合理的熱處理工藝4.4.4回火鋼的回火是指將淬火后的鋼，在組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的臨界溫度以下加熱，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。回火

工件淬硬后加熱到Ac1以下的某一溫度，保溫一定時間后冷卻到室溫的熱處理工藝低溫回火：250℃以下進行的回火保持淬火后的高硬度（58～62HRC）和耐磨

性，且降低內(nèi)應(yīng)力和脆性

用于處理各種工、量、模具、滲碳件和表面淬火件

中溫回火：350～500℃之間進行的回火降低硬度（35～45HRC），提高彈性、屈服強度和韌性

用于處理各種彈簧和鍛模

高溫回火：500℃以上進行的回火

使硬度降得更低（25～35HRC），得到較好的綜合力學(xué)性能

用于處理如軸、齒輪等重要的結(jié)構(gòu)零件

（工件淬火+高溫回火）稱為調(diào)質(zhì)

回火的分類和應(yīng)用1）低溫回火（150～250℃）低溫回火的目的是在保證淬火后工件的高硬度和耐磨性的基礎(chǔ)上，降低淬火應(yīng)力，提高工件韌性。低溫回火得到的是回火馬氏體組織，硬度可達58～64HRC。常用于處理高碳工具鋼、模具鋼、滾動軸承鋼及滲碳鋼等零件。2）中溫回火（350～500℃）中溫回火得到的組織為回火托氏體，它具有高的彈性極限、屈服極限及屈強比，同時具有一定的塑性和韌性，硬度一般為35～45HRC。常作為各種彈簧的熱處理。高溫回火（500～650℃）通常把淬火后再進行高溫回火處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理得到的是回火索氏體組織，具有良好的綜合力學(xué)性能。在許多重要的機械結(jié)構(gòu)件中，如受力比較復(fù)雜的連桿，重要的螺栓、齒輪及軸類零件得到了廣泛應(yīng)用。中碳鋼調(diào)質(zhì)處理后的硬度一般為200～350HBS。調(diào)質(zhì)處理后的力學(xué)性能與正火相比，不僅強度高，而且塑性和韌性也較好。.

4.4.5鋼的表面淬火

常用的表面熱處理方法有表面淬火及化學(xué)熱處理兩種。

1．表面淬火（1）火焰加熱表面淬火（如圖2-8所示）（2）感應(yīng)加熱表面淬火（如圖2-9所示）鋼的表面淬火表面淬火是將工件的表面層淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火狀態(tài)的一種局部淬火法。它是利用快速加熱使工件表面奧氏體化，然后迅速予以冷卻，這樣工件的表層組織為馬氏體，而心部仍保持原來的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火一般適用于中碳鋼和中碳合金鋼，也可用于高碳工具鋼、低合金工具鋼以及球墨鑄鐵等。目前應(yīng)用最多的是火焰加熱和感應(yīng)加熱表面淬火法。感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱的基本原理：在感應(yīng)線圈中通以高頻率的交流電，線圈內(nèi)外即產(chǎn)生高頻交變磁場。若把鋼制工件置于通電線圈內(nèi)，在高頻磁場的作用下，鋼的內(nèi)部將產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），在本身電阻的作用下工件被加熱。這種感應(yīng)電流密度在工件的橫截面上分布是不均勻的，即在工件表面電流密度極大，而心部電流密度幾乎為零，這種現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)。頻率愈高，電流密度極大的表面層愈薄。感應(yīng)加熱的速度很快，在幾秒鐘內(nèi)即可使溫度上升至800～1000℃，而心部仍接近室溫。當(dāng)表層溫度達到淬火加熱溫度，立即噴水冷卻，使工件表層淬硬感應(yīng)加熱表面淬火的特點感應(yīng)加熱時相變的速度極快，過熱度大，淬火后得到的是細小隱晶馬氏體組織，表面硬度比一般淬火高2～3HRC，而且脆性較低表面淬火后，工件的表層殘余壓應(yīng)力較高，可提高工件的疲勞強度。小工件可提高2～3倍，大工件也可提高20%～30%工件表面氧化和脫碳少，而且由于心部未被加熱，淬火變形小.加熱溫度和淬硬層厚度易于控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化.加熱溫度和淬硬層厚度易于控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化感應(yīng)加熱的缺點是設(shè)備較貴，感應(yīng)圈的設(shè)計和制造難度較大，生產(chǎn)成本比較高感應(yīng)加熱表面淬火后要進行180～200℃的低溫回火，以降低淬火應(yīng)力，保持高硬度和耐磨性。

4.4.6鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是指將鋼件放入一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其表層化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝?；瘜W(xué)熱處理種類很多，最常用的是滲碳和滲氮。（1）鋼的滲碳將工件置于滲碳介質(zhì)中加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理工藝，如圖2-10所示。鋼的滲碳滲碳是將工件置于滲碳介質(zhì)中，在一定的溫度下使其表面層滲入碳原子的化學(xué)熱處理工藝。滲碳可以使工件的表面具有高硬度和高耐磨性，并具有較高的疲勞極限，而心部仍保持良好的塑性和韌性。主要用于表面受嚴(yán)重磨損，并在較大沖擊載荷、交變載荷，較大的接觸應(yīng)力條件下工作的零件，如齒輪、活塞銷、套筒等。滲碳件一般采用低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Cr、20