工程材料及熱加工—鋼的熱處理工藝

1、熱處理工藝,一、鋼的退火與正火 二、鋼的淬火 三、鋼的回火 四、鋼的表面熱處理,一、鋼的退火與正火 在機(jī)器零件或工模具等工件的加工制造過(guò)程中，退火和正火經(jīng)常作為預(yù)備熱處理工序，即安排在鑄造、鍛造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所帶來(lái)的某些缺陷，為隨后的工序作準(zhǔn)備。 目的： 調(diào)整硬度以便切削； 消除內(nèi)應(yīng)力減少變形； 細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能； 為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。,1、退火 1.1定義：將鋼加熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋３忠欢〞r(shí)間后緩慢冷卻至550以下空冷，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。 1.2分類：退火的種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為兩大類：一類是在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上的退火

2、，又稱為相變重結(jié)晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和擴(kuò)散退火等； 另一類是在臨界溫度以下的退火，包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火等。,完全退火 工藝：是將亞共析鋼加熱到Ac3以上30 50，保溫，后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。 應(yīng)用：亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼。 等溫退火 工藝：將亞共析鋼鋼加熱到Ac3以上30 50或?qū)⑦^(guò)共析鋼加熱至Ac1以上30 50 ，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度，并停留至相變結(jié)束出爐空冷。 應(yīng)用：所有鋼。 球化退火 是不完全退火的一種，通常的加熱溫度是Ac1以上2030, 使二次滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罨蛄睿缓箅S爐緩冷至略低于Ar1保溫，使P中滲碳體球

3、化，再出爐空冷。 主要用于過(guò)共析的碳鋼及合金工具鋼。近年來(lái)球化退火應(yīng)用于亞共析鋼也取得成功。,擴(kuò)散退火 是指將鋼加熱到Ac3或Accm以上150300，長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。 實(shí)質(zhì)是使鋼中的各元素在奧氏體中進(jìn)行充分?jǐn)U散，達(dá)到成分均勻化。 再結(jié)晶退火 是指將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫適當(dāng)時(shí)間后，使變形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)應(yīng)變的等軸新晶粒，從而消除加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力的熱處理工藝。 去應(yīng)力退火 又稱為回復(fù)退火，其加熱溫度范圍很寬，通常是在再結(jié)晶溫度以下。,2、正火 工藝：將鋼件加熱到Ac3或Accm以上，保溫一定時(shí)間后，在空氣中冷卻得到細(xì)片狀珠光體組織(S)的熱處理工藝。

4、正火與退火的明顯差異是正火冷卻速度稍快。 應(yīng)用：低碳鋼提高硬度；中碳鋼正火帶退火；高碳鋼消除網(wǎng)狀碳化物。,二、鋼的淬火 定義：是將鋼件加熱到Ac1或Ac3以上保溫一定時(shí)間后，快速冷卻（通常大于臨界冷卻速度Vc），以得到馬氏體（或下貝氏體）組織的熱處理工藝。 目的： 獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。 是強(qiáng)化鋼材的最重要的手段。,2.1淬火溫度 淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒為原則，以便淬火后得到細(xì)小的馬氏體組織。 對(duì)于亞共析鋼通常加熱到Ac3以上3050 對(duì)共析鋼和過(guò)共析鋼為Ac1以上3050。（未溶Fe3C阻止晶粒長(zhǎng)大；提高硬度、耐磨性）,2.2淬火冷卻 2.2.1理想的冷卻

5、速度 冷卻是淬火工藝的另一個(gè)重要因素，由C曲線可知，最好是鼻尖處快冷，而在Ms點(diǎn)附近和鼻尖以上應(yīng)盡量慢冷。,2.2.2淬火冷卻介質(zhì) 最常用的是水、鹽水、油、熔鹽。 水：形狀簡(jiǎn)單、截面尺寸較大的碳鋼。（高溫慢，低溫快） 鹽水：高溫快，低溫快。 油：合金鋼或小尺寸碳鋼件。 （高溫太慢，低溫慢） 熔鹽（鹽?。盒螤顝?fù)雜、變形要求嚴(yán)格的件。最接近理想冷卻介質(zhì)。,2.2.3淬火方法 單液淬火：在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻獲得馬氏體。 操作簡(jiǎn)單，易于自動(dòng)化，易于產(chǎn)生缺陷，適 用于形狀簡(jiǎn)單的小件。 雙液淬火：先后在兩種介質(zhì)中冷卻。 操作復(fù)雜，難以控制。 分級(jí)淬火:淬入稍高于Ms的介質(zhì)中，待內(nèi)外溫差一致后 取出，緩冷

6、得到馬氏體。 減少應(yīng)力和變形，適用于小件。 等溫淬火：淬入稍高于Ms的介質(zhì)中，等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄翨。 強(qiáng)度高，塑性、韌性好，應(yīng)力小，變形小， 多用于形狀復(fù)雜、要求高的工件。,2.2.4鋼的淬透性 定義：淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。它是鋼的固有屬性，也是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。,影響因素：鋼的臨界冷卻速度； 過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性。 評(píng)定方法：用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度或臨界淬透直徑(Dk)來(lái)表示。 淬透層的深度定義為由表面至半馬氏體區(qū)的深度。半馬氏體區(qū)的組織是由50%馬氏體和50%分解產(chǎn)物所組成。 指圓柱狀鋼試樣在規(guī)定的淬火介質(zhì)中能全部淬透的最大直徑。當(dāng)冷卻介質(zhì)一定時(shí)，

7、Dk愈大，淬透性愈好。 測(cè)定方法：最常用的方法是末端淬火法，簡(jiǎn)稱為端淬法。,意義： 截面較大或形狀復(fù)雜及受力特殊的零件（各類齒輪、軸類），希望整個(gè)截面都能被淬透，從而保證零件在整個(gè)截面上的機(jī)械性能均勻一致。選用淬透性較高的鋼即能滿足這一要求。（如果鋼的淬透性低，零件整個(gè)截面不能全部淬透，則表面到心部的組織不一樣，機(jī)械性能也不相同，心部的機(jī)械性能，特別是沖擊韌性很低）,對(duì)于形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件，如果選用淬透性較高的鋼，就可以在較緩和的介質(zhì)中淬火，因而工件變形較小。 但是并非任何工件都要求選用淬透性高的鋼，在有些情況下反而希望鋼的淬透性低些。（例如表面淬火用鋼就是一種低淬透性鋼，淬火時(shí)只

8、是表面層得到馬氏體。焊接用的鋼也希望淬透性小，目的是為了避免焊縫及熱影響區(qū)在焊后冷卻過(guò)程中得到馬氏體組織，從而防止焊接構(gòu)件的變形和開(kāi)裂） 淬透性與淬硬性的區(qū)別：后者是指鋼淬火后形成的淬火態(tài)組織（由馬氏體和殘余奧氏體相組成）所能達(dá)到的硬度，顯然，它取決于馬氏體的含碳量和殘余奧氏體的數(shù)量。,2.2.4鋼的淬火變形和開(kāi)裂 淬火變形：起因?yàn)榇慊鹄鋮s過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力、相變（組織）應(yīng)力） 熱應(yīng)力：由溫差而導(dǎo)致的熱脹和冷縮不一致引起的。 相變應(yīng)力：冷速不一致而導(dǎo)致相變不一致引起的。 淬火開(kāi)裂：內(nèi)應(yīng)力超過(guò)工件的強(qiáng)度極限。,三、鋼的回火 定義：是將淬火后的鋼加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后

9、冷卻至室溫的一種熱處理工藝。 目的： 減小或消除淬火應(yīng)力； 提高鋼的塑性和韌性，獲得良好的綜合力學(xué)性能； 穩(wěn)定組織和工件尺寸。 分類及應(yīng)用： 低溫回火(150250) 組織為回火馬氏體。 （ 5864HRC ） 部分降低鋼中殘余應(yīng)力和脆性，而保持鋼在淬后所得到的高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。 廣泛應(yīng)用于工具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳工件以及表面淬火工件等。,中溫回火(350500) 組織為回火屈氏體。（ 3545HRC ） 經(jīng)中溫回火后是具有極高的彈性極限和良好的韌性。 用于各種彈性元件及熱鍛模具的處理。 高溫回火(500650) 組織是回火索氏體。 （ 2535HRC ） 通常將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱

10、處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。 經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性具有良好的配合，即具有較高的綜合機(jī)械性能。因而，調(diào)質(zhì)處理被廣泛應(yīng)用于中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金經(jīng)構(gòu)鋼制造的各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是在交變載荷下工作的連桿、螺栓以及軸類等。,回火脆性 低溫回火脆性： 發(fā)生在250400。 不可逆回火脆性 對(duì)策：避免 高溫回火脆性： 發(fā)生在500650。 可逆回火脆性 對(duì)策：快冷,四、鋼的表面熱處理 定義：指僅對(duì)工件表層進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的工藝。 特點(diǎn)：只對(duì)一定深度表層進(jìn)行強(qiáng)化，而心部基本保持處理前的組織性能，可以獲得強(qiáng)度硬度韌性三者較滿意的配合。 分類：一般分為：表面淬火和化學(xué)熱處理 1、表面淬火 1.

11、1定義:是通過(guò)快速加熱使鋼件表面達(dá)到臨界溫度（Ac1或Ac3）以上，不等熱量傳到工件內(nèi)層就迅速予以冷卻，只使表面被淬硬為馬氏體，而內(nèi)層仍為塑韌性良好的調(diào)質(zhì)態(tài)組織。 1.2分類：根據(jù)加熱方法不同，可分為感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光加熱、電子束加熱表面淬火等工藝。,1.3感應(yīng)加熱表面淬火 定義：利用在交變電磁場(chǎng)中工件表面產(chǎn)生的感生電流將工件表面快速加熱，并淬火冷卻的一種熱處理工藝。 原理和工藝方法：是將鋼件放入由紫銅管制作的與零件外形相似的感應(yīng)圈內(nèi)，隨后將感應(yīng)圈內(nèi)通入一定頻率的交變電流，這樣在感應(yīng)圈內(nèi)外產(chǎn)生相同頻率的交變磁場(chǎng)，同時(shí)，在零件表面也產(chǎn)生頻率相同，方向相反的感生電流，該電流在工件表面（集膚效

12、應(yīng)）形成封閉回路，稱為“渦流”。由此產(chǎn)生的熱效應(yīng)將零件表快速加熱到淬火溫度，隨即噴水冷卻，使工件表面獲得馬氏體組織。 特點(diǎn)： 加熱速度快，溫度高，晶粒細(xì)； 硬度高，變形小，不易脫碳； 易于自動(dòng)化。,1.4火焰加熱表面淬火 工藝方法：是利用可燃?xì)怏w（如乙炔）的火焰將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后立即用水噴射冷卻，通過(guò)控制火焰噴嘴的移動(dòng)速度可獲得不同厚度的淬硬層。 此法適于單件或小批量零件的表面淬火。,1.5 激光加熱表面淬火 是將激光器產(chǎn)生的高功率密度（103105W/cm2）的激光束照射到工件表面上，使工件表面被快速加熱到臨界溫度以上，然后移開(kāi)激光束，利用工件自身的傳導(dǎo)將熱量從工件表面?zhèn)飨蛐?/p>

13、部而達(dá)到自冷淬火。 1.6電子束加熱表面淬火 當(dāng)高速的電子流轟擊工件表面時(shí)，電子可射入表面一定深度，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能使工件的表層快速加熱到臨界溫度以上，電子束移開(kāi)后工件自冷淬火的熱處理工藝。電子流射入深度取決于加速電壓的高低。例如，對(duì)鋼鐵材料，電子的加速電壓為120KV時(shí)，其射入深度約為40m。,2、化學(xué)熱處理 定義：將鋼件放入一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面，使表面化學(xué)成分發(fā)生變化，從而改變金屬表面組織和性能工藝過(guò)程。 目的：心部具有足夠的強(qiáng)度和韌性，而表面具有高的硬度和耐磨性；提高疲勞性能；提高表面抗蝕性、耐熱性等。 方法：滲碳、滲氮、碳氮共滲等,2.1滲碳

14、定義：滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子，使工件表面達(dá)到高碳鋼的含碳量。 目的：使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。 工藝：依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。 最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為900950）按一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解, 分解產(chǎn)物有CnH2n和CnH2n+2, 在鋼的表面發(fā)生如下的反應(yīng) CnH2n nH2 + nC CnH2n+2 (n+1) H2 + nC 從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。,2.2氮化 定義：與滲碳相似，鋼的氮化是指向鋼的表面層滲入氮原子