06钢的热处理工艺

1.1第6章钢的热处理工艺1.1第6章钢的热处理工艺返回总目录1.2第6章钢的热处理工艺1.2教学提示：钢的热处理是提高机械产品质量，充分发挥现有材料的潜力的重要工艺方法，是钢的热处理理论在生产实践中的具体应用。运用钢的热处理基本原理，结合C曲线，分析过冷奥氏体转变产物的组织和性能是掌握钢在热处理过程中工艺—组织—性能变化规律的前提。根据零件的使用条件和性能要求，结合零件的加工工艺过程，采用合理的热处理手段，是提高零件力学性能、提高零件使用寿命的必要条件。教学要求：本章要求学生在掌握钢的热处理原理的基础上，熟悉常用热处理工艺(退火、正火、淬火、回火、表面淬火和化学热处理)的目的及其应用范围；明确热处理在机械零件加工制造过程中的地位和作用，并能合理地制定典型零件(齿轮、轴)的加工工艺路线。掌握淬透性的概念以及淬透性曲线在选材中的实际应用。1.3第6章钢的热处理工艺1.3钢的热处理工艺是指根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律所制定的钢在热处理时具体的加热、保温和冷却的工艺参数。热处理工艺种类很多，根据加热、冷却方式及获得组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为：普通热处理(退火、正火、淬火和回火)、表面热处理(表面淬火和化学热处理等)及特殊热处理(形变热处理、磁场热处理等)。根据热处理在零件生产工艺流程中的位置和作用，热处理又可分为预备热处理和最终热处理。1.4第6章钢的热处理工艺1.4本章内容●6.1钢的普通热处理●6.2钢的表面热处理●6.3钢的化学热处理●6.4钢的热处理新技术●小结●本章习题1.5第6章钢的热处理工艺1.56.1钢的普通热处理6.1.1退火普通热处理主要包括退火、正火、淬火和回火，一般也称为热处理的“四把火”。普通热处理是最基本、最重要、应用最为广泛的热处理方式。通常用来改变零件整体的组织和性能。退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到工艺预定的某一温度，经保温后缓慢冷却下来(一般为随炉冷却或埋入石灰中)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。根据钢的成分和退火的目的、要求的不同，退火又可分为完全退火、等温退火、球化退火、再结晶退火、去应力退火等。各种退火的加热温度范围和工艺曲线如图6.1所示。1.完全退火将钢件或毛坯加热到Ac3以上20℃～30℃，保温一段时间，使钢中组织完全转变成奥氏体后，缓慢冷却(一般为随炉冷却)到500℃～600℃以下出炉，在空气中冷却下来。所谓“完全”是指加热时获得完全的奥氏体组织。1)完全退火的目的1.6第6章钢的热处理工艺1.6改善热加工造成的粗大、不均匀的组织；中碳以上碳钢和合金钢降低硬度从而改善其切削加工性能(一般情况下，工件硬度在170HB～230HB之间时易于切削加工，高于或低于这个硬度范围时，都会使切削困难)；消除铸件、锻件及焊接件的内应力。图6.1各种退火和正火工艺示意图6.1钢的普通热处理1.7第6章钢的热处理工艺1.72)适用范围完全退火主要适用于含碳量为0.25%～0.77%的亚共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件和热轧型材。过共析钢不宜采用完全退火，因为过共析钢加热至Accm以上缓慢冷却时，二次渗碳体会以网状沿奥氏体晶界析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著下降。2.等温退火将钢件或毛坯加热至Ac3(或Ac1)以上20℃～30℃，保温一定时间后，较快地冷却至过冷奥氏体等温转变曲线“鼻尖”温度附近并保温(珠光体转变区)，使奥氏体转变为珠光体后，再缓慢冷却下来，这种热处理方式为等温退火。等温退火的目的与完全退火相同，但是等温退火时的转变容易控制，能获得均匀的预期组织，对于大型制件及合金钢制件较适宜，可大大缩短退火周期。3.球化退火球化退火是将钢件或毛坯加热到略高于Ac1的温度，经长时间保温，使钢中二次渗碳体自发转变为颗粒状(或称球状)渗碳体，然后以缓慢的速度冷却到室温的工艺方法。1)球化退火的目的降低硬度，均匀组织，改善切削加工性能，为淬火作准备。6.1钢的普通热处理1.8第6章钢的热处理工艺1.82)球化退火的适用范围球化退火主要适用于碳素工具钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和合金工具钢等共析钢和过共析钢(含碳量大于0.77%)。4.扩散退火为减少钢锭、铸件的化学成分和组织的不均匀性，将其加热到略低于固相线温度(钢的熔点以下100℃～200℃)，长时间保温并缓冷，使钢锭等化学成分和组织均匀化。由于扩散退火加热温度高，因此退火后晶粒粗大，可用完全退火或正火细化晶粒5.去应力退火、再结晶退火去应力退火又称低温退火。它是将钢加热到400℃～500℃(Ac1温度以下)，保温一段时间，然后缓慢冷却到室温的工艺方法。其目的是为了消除铸件、锻件和焊接件以及冷变形等加工中所造成的内应力。因去应力退火温度低、不改变工件原来的组织，故应用广泛。再结晶退火主要用于消除冷变形加工(如无冷轧、冷拉、冷冲)产生的畸变组织，消除加工硬化而进行的低温退火。加热温度为再结晶温度(使变形晶粒再次结晶为无变形晶粒的温度)以上150℃～250℃。再结晶退火可使冷变形后被拉长的晶粒重新形核长大为均匀的等轴晶，从而消除加工硬化效果。6.1钢的普通热处理1.9第6章钢的热处理工艺1.96.1.2正火正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)和Accm(过共析钢)以上30℃～50℃，经过保温一段时间后，在空气中或在强制流动的空气中冷却到室温的工艺方法。正火的目的为以下三点。1.作为最终热处理对强度要求不高的零件，正火可以作为最终热处理。正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。2.作为预先热处理截面较大的结构钢件，在淬火或调质处理(淬火加高温回火)前常进行正火，可以消除魏氏组织和带状组织，并获得细小而均匀的组织。对于含碳量大于0.77%的碳钢和合金工具钢中存在的网状渗碳体，正火可减少二次渗碳体量，并使其不形成连续网状，为球化退火作组织准备。3.改善切削加工性能正火可改善低碳钢(含碳量低于0.25%)的切削加工性能。含碳量低于0.25%的碳钢，退火后硬度过低，切削加工时容易“粘刀”，表面粗糙度很差，通过正火使硬度提高至140HB～190HB，接近于最佳切削加工硬度，从而改善切削加工性能。6.1钢的普通热处理1.10第6章钢的热处理工艺1.10正火比退火冷却速度快，因而正火组织比退火组织细，强度和硬度也比退火组织高。当碳钢的含碳量小于0.6%时。正火后组织为铁素体+索氏体，当含碳量大于0.6%时，正火后组织为索氏体。由于正火的生产周期短，设备利用率高，生产效率较高，因此成本较低，在生产中应用广泛。正火工艺示意图如图6.1所示。6.1钢的普通热处理1.11第6章钢的热处理工艺1.116.1.3淬火淬火是指将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。因此，淬火的目的就是为了获得马氏体，并与适当的回火工艺相配合，以提高钢的力学性能。淬火、回火是钢的最重要的强化方法，也是应用最广的热处理工艺之一。作为各种机器零件、工具及模具的最终热处理，淬火是赋予零件最终性能的关键工序1.淬火工艺1)淬火温度亚共析钢淬火加热温度为以上30℃～50℃；共析、过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30℃～50℃。钢的淬火温度范围如图6.2所示。6.1钢的普通热处理1.12第6章钢的热处理工艺1.12图6.2钢的淬火温度范围6.1钢的普通热处理1.13第6章钢的热处理工艺1.13亚共析碳钢在上述淬火温度加热，是为了获得晶粒细小的奥氏体，淬火后可获得细小的马氏体组织。若加热温度过高，则引起奥氏体晶粒粗化，淬火后得到的马氏体组织也粗大，从而使钢的性能严重脆化。若加热温度过低，如在Ac1~Ac3之间，则加热时组织为奥氏体+铁素体；淬火后，奥氏体转变为马氏体，而铁素体被保留下来，此时的淬火组织为马氏体+铁素体(+残余奥氏体)，这样就造成了淬火硬度的不足。共析钢和过共析钢在淬火加热之前已经球化退火了，故加热到Ac1以上30℃～50℃不完全奥氏体化后，其组织为奥氏体和部分未溶的细粒状渗碳体颗粒。淬火后，奥氏体转变为马氏体，未溶渗碳体颗粒被保留下来。由于渗碳体硬度高，因此它不但不会降低淬火钢的硬度，而且还可以提高它的耐磨性；若加热温度过高，甚至在Accm以上，则渗碳体溶入奥氏体中的数量增大，奥氏体的含碳量增加，这不仅使未溶渗碳体颗粒减少，而且使Ms点下降，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度与耐磨性。同时，加热温度过高，会引起奥氏体晶粒粗大，使淬火后的组织为粗大的片状马氏体，使显微裂纹增多，钢的脆性大为增加。粗大的片状马氏体，还使淬火内应力增加，极易引起工件的淬火变形和开裂。因此加热温度过高是不适宜的。6.1钢的普通热处理1.14第6章钢的热处理工艺1.14过共析钢的正常淬火组织为隐晶(即细小片状)马氏体的基体上均匀分布着细小颗粒状渗碳体以及少量残余奥氏体，这种组织具有较高的强度和耐磨性，同时又具有一定的韧性，符合高碳工具钢零件的使用要求。2)淬火加热保温时间加热保温时间的影响因素比较多，它与加热炉的类型、钢种、工件尺寸大小等有关，一般根据热处理手册中的经验公式确定。3)淬火冷却方式冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接决定了钢淬火后的组织和性能。冷却介质应保证：工件得到马氏体，同时变形小，不开裂。理想的淬火曲线为650℃以上缓冷，以降低热应力。650℃～400℃快速冷却，保证全部奥氏体不分解。400℃以下缓冷，减少马氏体转变时的相变应力。图6.3所示为钢的理想淬火冷却曲线。6.1钢的普通热处理1.15第6章钢的热处理工艺1.15图6.3钢的理想淬火冷却曲线目前工厂中常用的淬火冷却介质，主要是水、油。水：水在650℃～550℃高温区冷却能力较强，在300℃～200℃低温区冷却能力也强。淬火零件易变形开裂，因而适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，水在高温区的冷却能力显著下降，而低温区的冷却能力仍然很强。因此淬火时水温不应超过30℃，通过加强水循环和工件的搅动可以提高工件在高温区的冷却速度。6.1钢的普通热处理1.16第6章钢的热处理工艺1.16在水中加入盐、碱，其冷却能力比清水更强。例如浓度为10%NaCl或10%NaOH的水溶液可使高温区(650℃～550℃)的冷却能力显著提高，10%NaCl水溶液较纯水的冷却能力提高10倍以上，而10%NaOH的水溶液的冷却能力更高。但这两种水基淬火介质在低温区(300℃～200℃)的冷却速度亦很快。因此适用于低碳钢和中碳钢的淬火。油：油也是一种常用的淬火介质。目前工业上主要采用矿物油，如锭子油、机油等。油的主要优点是在300℃～200℃低温区的冷却速度比水小得多，从而可大大降低淬火工件的相变应力，减小工件变形和开裂倾向。油在650℃～550℃高温区间冷却能力低是其主要缺点。但是对于过冷奥氏体比较稳定的合金钢，油是合适的淬火介质。与水相反，提高油温可以降低黏度，增加流动性，故可提高高温区间的冷却能力。但是油温过高，容易着火，一般应控制在60℃～80℃。油适用于形状复杂的合金钢工件的淬火以及小截面、形状复杂的碳钢工件的淬火。为减少工件的变形，熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。其特点是沸点高，冷却能力介于水、油之间，常用于等温淬火和分级淬火，处理形状复杂、尺寸小、变形要求严格的工件等。常用碱浴、盐浴的成分、熔点及使用温度见表6-1。6.1钢的普通热处理1.17第6章钢的热处理工艺1.17表6-1常用碱浴、盐浴的成分、熔点及使用温度熔盐成分熔点/℃使用温度/℃碱浴80%KOH+20%NaOH+6%H2O(外加)130140～250硝盐55%KNO3+45%NaNO2137150～500硝盐55%KNO3+45%NaNO3218230～550中性盐30%KCl+20%NaCl+50%BaCl2560580～8002.淬火方法淬火方法的选择，主要以获得马氏体和减少内应力、减少工件的变形和开裂为依据。常用的淬火方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火。图6.4所示