XXXX热处理工艺

第一章钢的热处理工艺热处理工艺：通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的技术操作；制定基础：热处理原理种类：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）形变热处理预备热处理，最终热处理第一节钢的退火与正火毛坯生产预备热处理机械加工最终热处理机械精加工预备热处理:退火;正火最终热处理:淬火;回火一般零件生产的工艺路线:（一）、钢的退火１、定义：钢加热到临界点Ac1以上或以下，保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的热处理工艺。２、目的：①消除铸锻焊件的内应力；②均匀成分、组织，细化晶粒；③改善钢的成型性、切削加工性；④为淬火作组织上的准备；３、种类：如图2-1退火重结晶退火完全退火扩散退火不完全退火球化退火低温退火再结晶退火去应力退火按冷却方式分：等温退火和连续退火按加热温度分：图2-1（二）退火工艺：1.完全退火完全退火：将工件加热到Ac3以上20~30℃，保温足够的时间，经完全奥氏体化后，随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。（1）适用钢种：亚共析钢（Wc=0.3~0.6%）或合金钢的锻、铸、焊接件。（2）目的：细化晶粒、消除应力、均匀组织、降低硬度、便于切削加工。低碳钢和过共析钢不适合于完全退火低碳钢：退火后硬度偏低，切削时易粘刀过共析钢：加热至Accm以上奥氏体化后缓冷退火时，会析出网状二次渗碳体，使钢的强度、塑性、韧性大大降低。7（３）工艺参数：加热温度：ＡＣ３＋20～30℃，原则：得到单相的Ａ，又防止Ａ晶粒的粗大；保温时间：（与钢材成分、工件厚度、装炉量及方式有关)在箱式炉中：τ＝ＫＤ（单位为min）K=1.5～2.0min/mm，D-工件有效厚度mm。对锻、轧材：τ=(3～4)+(0.2～0.5)Q(单位为hour,Q为装炉量，单位为t）冷却方式：炉冷，或随炉冷至500℃以后出炉空冷；（4）完全退火后的组织：Ｆ＋Ｐ性能：硬度低，塑性好；２、等温退火：将钢奥氏体化后，快冷至稍低于Ａr１的某一温度等温，使奥氏体转变为珠光体类型组织，转变结束后，空冷至室温的退火方法。适用于：高碳钢、合金工具钢、高合金钢优点：可有效缩短退火时间；保证工件内外在同一温度转变，有利于钢件获得均匀的组织性能；生产中常用等温退火代替完全退火。缺点：对大截面钢件和大批量炉料不适应目的：A转变为P类组织，通常得到索氏体组织等温温度根据钢的成分和要求的硬度，由该种钢的C曲线确定。３、不完全退火：亚共析钢在Ａc１～Ac3之间或过共析钢在Ａc１～Accm之间的两相区加热，保温，得到不完全奥氏体后，缓慢冷却以得到近于平衡组织的热处理工艺。（１）目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，减小内应力，改善切削加工性。（２）适用钢种：共析钢、过共析钢、亚共析钢中无大缺陷；（３）工艺参数：加热温度：ＡC1＋20～30℃优点：加热温度低，易操作，节能、降耗，提高生产率。4、球化退火：是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。用途：主要应用于共析钢、过共析钢和高碳合金工具钢。目的：降低硬度、均匀组织、改善切削加工性能，为淬火做准备。工艺参数：加热温度：Ａc1＋20～30℃；过高-过低-过共析钢球化退火后的组织：铁素体和球状渗碳体的混合物，叫做球状珠光体或粒状珠光体，用P粒表示；加热时间：一般为2～4小时或按公式计算冷却速度：炉冷或Ar1以下±20℃长时间等温，600℃以后出炉空冷。45.8Q12（４）、球化退火工艺类型ａ）、普通球化退火ｂ）、等温球化退火ｃ）、循环球化退火注意：普通球化退火效果较差，等温球化退火效果较好，而循环球化退火的效果最佳，但考虑到生产的成本，一般常用等温球化退火，成本不高，而效果又很好。图2-2为什么将加热温度定于Ac1~Accm？过共析钢的室温平衡组织为：P+Fe3CⅡ，不仅硬度高，而且增大了钢的脆性，所以切削加工困难，淬火时易变形、开裂；；加热温度为Ac1以上20~30℃，在A中保留大量的未溶渗碳体质点，并造成A的碳浓度分布不均匀，在随后的缓冷过程中，或以原有的渗碳体质点为核心，或在A富碳区产生新的核心，均匀的形成颗粒状渗碳体；球化退火前，若二次渗碳体网较厚，可先正火。共析钢球化退火组织(化染)700T10钢球化退火组织(化染)500５、扩散退火（均匀化退火）定义：将钢锭、铸件或锻坯加热到稍低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。（１）目的：消除有害气体的危害，如氢致白点；使合金元素扩散均匀，改善或消除铸锭中的枝晶偏析及区域偏析，轧锻材中的带状组织；消除轴承钢中的液析碳化物，均匀成分，均匀组织（２）适用钢种：一些优质中、高合金钢或偏析严重的合金钢铸件及铸锭（３）工艺参数：加热温度：Ac3（Accm）+150～300℃碳钢1100～1200℃；合金钢1200～1300℃。18保温时间：与钢种和偏析程度有关，一般为（30～60）min/25mm，或（1.5～2.5）min/mm按装炉量Q计算：τ＝８.5＋Ｑ/４（小时）Ｑ—装炉量（吨）一般为10～15ｈ（４）、问题：一般扩散退火加热温度高，时间长，晶粒会粗大（不能作为淬火的预备组织），扩散退火之后要进行一次完全退火或正火来进行细化晶粒，消除过热缺陷。高温扩散退火周期长、能耗大、氧化脱碳严重、成本高故：尺寸不大的铸件或碳钢铸件，有时可采用完全退火来代替（偏析轻）。６、去应力退火和再结晶退火（１）去应力退火（低温退火）一般是将工件随炉缓慢加热（100~150℃/h）至500~650℃（＜Ac1），保温一定时间后随炉缓冷（50~100℃/h）至200℃出炉。目的：消除铸件、锻件你、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力，稳定尺寸，防止变形和开裂；工艺：加热温度：铸件为500～550℃，焊件为500～600℃（大焊件用火焰或工频感应加热局部退火）。保温时间：由工件的尺寸和装炉量决定。钢3min/mm，铸铁6min/mm。冷却：缓冷，以免产生新的应力。特点：在退火过程中没有相变；残余应力主要是通过钢在500~650℃保温后缓冷过程中消除的；（２）、再结晶退火是将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，使变形的晶粒转变为均匀细小的等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺过程。加热温度：T再＋150～250℃T再：成分、变形度、加热速度、保温时间有关。纯铁：450℃钢：650～700℃。保温时间：1-3h。冷却方式：空冷。中间退火或最终热处理。二、钢的正火（正常化或常化）１、定义：是指将钢加热到Ａc3（或ＡCcm）以上约30~50℃，保温，完全Ａ化后，从炉中取出空冷以得到珠光体类型组织的热处理工艺，称为正火。２、应用：①改善切削加工性能：预备热处理（含碳低于0.25%的---HB140-190）低碳钢②消除热加工缺陷，为淬火做组织准备：（中碳结构钢铸、锻、轧件、焊接件的魏氏组织、粗大晶粒、带状组织）③消除过共析钢中的Fe3CⅡ，有利于球化退火的进行（抑制二次碳化物的析出，获得伪共析体。）④提高普通结构件的机械性能：作为最终热处理，代替调质处理，力学性能要求不高的中低碳钢和中低合金钢件３、适用钢种：碳钢，低、中合金钢；４、工艺参数：加热温度：Ａc3（或ＡCcm）＋30～50℃一些合金钢，Ａc3＋100～150℃(20CrMnTi)；原则：晶粒不粗化的前提；加热时间：工件烧透，采用经验公式即可，考虑成分、原始组织、装炉量和加热设备。冷却：空冷、风冷、５、正火后的组织：①Ｐ（S)＋少量Ｆ(Wc＜0.6%)②Ｐ(S)(Wc=0.6～1.4%)正火的实质：奥氏体化加伪共析转变；６、正火与退火的比较：实质上：正火是退火的一个特例；共同点：Ａ→Ｐ；扩散型相变，得到软韧组织；不同点：工艺上：冷却速度快些，转变温度低组织上：比退火组织细，性能上：钢的强度、硬度也较高三、退火和正火的选取原则（1）Ｗｃ＜0.25％的低碳钢，正火代替退火，利于切削加工；防止游离三次渗碳体的析出，提高工件的冷变形性。（2）Ｗｃ＝0.25～0.5％的中碳钢，也采用正火，硬度偏高，但因成本低,生产率高；（3）Ｗｃ＝０.5～０.75%的中高碳钢，一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性；（4）Ｗｃ＞０.75%的高碳钢或工具钢，一般采用球化退火。若有网状二次渗碳体，先正火消除之。（5）含碳量、合金元素高，奥氏体稳定性高，完全退火，易缓冷得到马氏体和贝氏体，应高温回火。工艺参数:第二节钢的淬火和回火一、钢的淬火１、淬火（1）定义：将钢加热到临界点（Ａc3或Ａc1）以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却以获得马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。目的：使奥氏体化的工件获得尽量多的马氏体，提高钢的硬度、强度，并配以不同温度的回火，以获得各种需要的性能。工艺特点：关键：加热温度、冷速足够大；带来的问题：内应力；（2）淬火应力①热应力：工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力。将工件加热到Ac1以下保温后快速冷却，其表面和心部温度及热应力。影响因素---冷速↑、加热温度↑、截面尺寸↑、导热系数↑、线膨胀系数↑，热应力↑。图2-3（2）组织应力工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比容的不同变化，而产生的内应力。奥氏体→珠光体→贝氏体→马氏体，比容逐渐增大，体积膨胀。与热应力正好相反。表面：拉→压影响因素：化学成分、冶金质量、钢件结构尺寸、导热性以及在马氏体温度范围的冷速和钢的淬透性等。（3）实际工件的淬火应力是组织应力和热应力的迭加，很复杂。与钢中的碳和合金元素、工件尺寸、淬火介质、冷却方法有关；A.C%高，马氏体的比容提高，组织应力提高；但C%高，Ms点下降，A残↑，组织应力下降。总之，含碳量越高，组织应力越大。B.合金元素：导热性下降，热、组应力均增加。奥氏体越稳定，组织应力越大。C.工件尺寸大，心部不易得到M，热应力越↑D.淬火介质：高温区冷却快，热应力大；Ms点下冷却快，组织应力大。减小工件淬火应力的方法：温差减小。２、淬火加热温度：原则：得到均匀细小的Ａ组织，以便冷却后得到均匀细小的马氏体组织；亚共析钢：Ａc3＋30～50℃共析钢、过共析钢：Ａc1＋30～50℃合金钢:低合金钢：Ａc1或Ａc3+50～100℃；高合金钢：温度更高；（合金元素的作用，淬火加热温度应相应的提高，以使合金元素的作用能充分地发挥出来）。组织：亚共析钢：细小的板条马氏体+少量残余奥氏体；过共析钢：隐晶马氏体＋细小的碳化物＋残余奥氏体。原因：①若亚共析钢于Ａc3以下温度淬火，在淬火组织中将出现铁素体，造成软点；也不能超过Ac3太多，否则Ａ晶粒粗大，淬火后马氏体粗大。②若过共析钢于Ａcm以上温度淬火，奥氏体的含碳量提高，Ms和Mf点降低，残余奥氏体量增加，钢的硬度耐磨性降低；同时，Ａ粗化，将会在淬火组织中出现粗大的片状高碳孪晶马氏体，增加钢的脆性。例：球状珠光体的T8钢分别在600℃、780℃、1000℃淬火：3、淬火冷却介质1.理想淬火冷却介质时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf•650℃以上应缓冷，以降低淬火的热应力；•650~400℃应快冷，以通过过冷奥氏体最不稳定区；•400℃以下缓冷，以减小马氏体转变时产生的组织应力；（２）常用的冷却介质：如表2-1所示①水：中-慢，低-快。使用温度：＜３０℃；适用于：尺寸不大，形状简单的碳钢工件②盐水、碱水：中-快，低-快。使用温度：＜６０℃；适用于：碳钢、低合金钢；③油：中-慢，低-慢使用温度：＜８０℃；适用于：合金钢；④低温硝盐：50%KNO3+50%NaNO2;熔点：145℃；使用温度：160~500℃;适用于：油淬不硬，水淬开裂的碳钢；表2-14、常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA1由于淬火冷却介质不能完全满足淬火质量的要求，所以在热处理方面还应从淬火方法上去加以解决。37