第2章钢的热处理工艺

金属材料及热处理主讲教师：赵忠魁第二章钢的热处理工艺钢的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一种热加工技术。热处理设备分类普通热处理（退火、正火、淬火、回火）表面热处理（表面淬火、化学热处理）形变热处理一、退火什么是退火？将钢加热到相变温度Ac1以上或以下，保温以后缓慢冷却（一般随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。目的：均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形和切削加工性能，为淬火做好组织准备。（1）按加热温度分为临界温度以上或以下临界温度以上完全退火扩散退火不完全退火球化退火临界温度以下再结晶退火去应力退火（2）按冷却方式等温退火连续冷却退火分类加热温度范围1.完全退火概念将钢件或钢材加热到Ac3以上20℃～30℃，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。AC3+30～50℃AC3500℃，空冷目的均匀组织，细化晶粒降低硬度，消除内应力改善钢的切削加工性能实际生产中，600℃出炉空冷。适用钢材:中碳钢（消除魏氏组织、晶粒粗大、带状组织等）AC3+30～50℃中碳钢：珠光体+铁素体等温退火将奥氏体化后的钢较快地冷却到稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷到室温的热处理工艺。缩短退火时间适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢。（1）概念（2）目的（3）适用钢种2.不完全退火概念将钢加热到Ac1～Ac3(亚共析钢)或Ac1～Accm(过共析钢)之间的双相区，保温后缓慢冷却的热处理工艺。对亚共析钢，可代替完全退火。对过共析钢，即为球化退火。3.球化退火概念钢随炉升温加热到Ac1～Accm以下的双相区，保温后缓慢冷却的热处理工艺。目的:让其中的碳化物球化（粒化）和消除网状的二次渗碳体。（因此叫做球化退火。）主要适用于共析或过共析的工模具钢适用钢种T10钢球化退火组织(化染)5004.扩散退火（均匀化退火）概念将工件加热到略低于固相线的温度（亚共析钢通常为1050℃～1150℃），长时间（一般10～20h）保温，然后随炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。（也叫均匀化退火。）目的均匀钢内部的化学成分，消除偏析。主要于铸造后的高合金钢。适用情况扩散退火去应力退火退火5.去应力退火概念为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。退火温度不超过Ac1，一般500～650℃。6.再结晶退火概念把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶而消除加工硬化的热处理工艺。二、正火概念将钢材或钢件加热到临界温度以上，保温后空冷的热处理工艺。亚共析钢的加热温度为Ac3＋30℃～50℃过共析钢的加热温度为Accm＋30℃～50℃。索氏体正火与退火的主要区别冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。应用（1）消除网状二次渗碳体（2）作为最终热处理，提高工件的力学性能（3）改善切削加工性能（4）消除热加工缺陷。三、退火和正火的选用含碳量0.25%的钢，选用正火代替退火含碳量0.25-0.5%钢，也可选用正火代替退火含碳量0.5-0.75%钢，也可选用完全退火含碳量0.75钢，选用球化退火中碳钢、合金钢正火硬度高不易切削，选用完全退火在要求不高时，尽量选用正火。2.1.3淬火概念淬火是指将钢加热到临界温度Ac3或Ac1以上30℃～50℃，保温后以大于临界冷却速度的冷速冷却，得到马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。目的获得马氏体，并与适当的回火工艺相配合，提高钢的力学性能。组织：淬火组织在大多数情况下为马氏体，有时也可能得到贝氏体或者马氏体与贝氏体的混合组织。此外还有少量残余奥氏体与未溶第二相。1.淬火条件及分类条件：合金能否淬火主要主要体现在合金在相图上有没有多型性改变或固溶度改变。分类：分为无多型性转变的合金淬火和有多型性转变合金的淬火。无多型性转变合金的淬火，又称为固溶处理以铝合金为代表有多型性转变合金的淬火，简称淬火以钢为代表2.淬火工艺参数的选择淬火加热温度、保温时间和冷却方式过共析钢淬火温度：一般为Ac1以上30℃～50℃图6-14是碳钢的淬火温度范围。亚共析钢的淬火温度：一般为Ac3以上30℃～50℃，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。钢的化学成分对加热温度的影响工件尺寸及形状的影响小工件采用较低的淬火温度。反之，采用高的淬火温度。小工件加热快，温度高可能引起棱、角处过热和增大变形，故淬火温度取下限。大工件加热慢，温度低容易造成加热不足及延长工时，故应适当提高淬火温度。对形状复杂，容易变形和开裂的工件，应在保证性能要求的前提下，尽量采用较低的淬火温度。淬火介质和淬火方法的影响采用冷却能力很强的淬火剂时，为减少应力，可适当降低淬火温度。采用等温淬火或分级淬火时，因所用热浴的冷却能力差，故应当适当提高淬火温度，以保证工件淬硬。奥氏体晶粒长大倾向的影响对本质细晶粒钢，其淬火加热温度范围较宽，所以为了提高加热速度，缩短整个处理周期，可适当提高淬火温度。2）加热时间保温时间指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度时起，至出炉止所需时间。保温时间包括两段时间：一段是整个工件温度达到淬火温度所需要的时间，称为工件透热时间；另一段为整个工件组织完全转变所需要的时间，称为组织转变所需时间。保温时间为工件透热时间与组织转变所需时间之和。保温时间按照零件最大厚度或条件厚度来确定。最大厚度指零件最厚截面处的尺寸或叠放零件的总厚度。条件厚度指零件实际厚度（壁厚）乘以形状系数。球形、正方形零件的形状系数为0.75；棒状零件的形状系数为1.0。保温时间的影响因素钢的化学成分的影响钢中碳及合金元素含量越高，合金的导热性下降，保温时间适当延长。高碳钢的保温时间大于低碳钢，合金钢的保温时间大于碳素钢，高合金钢的保温时间大于低合金钢。工件的形状与尺寸的影响当加热条件相同时，保温时间随其有效厚度的增大而延长。有效厚度指工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度。加热炉类型的影响加热炉类型不同，加热速度不同，保温时间也不同。铅浴炉、盐浴炉、空气电阻炉加热速度依次降低，当其它条件相同时，三者的保温时间之比大致为2:3:6。计算保温时间的经验公式为：DtDkt装炉情况的影响工件的保温时间与工件在炉中的放置及排列情况有较大关系。一般在保温时间公式再乘上装炉方式修正系数k。淬火保温时间经验公式为：。淬火冷却的基本原则淬入时应保证工件得到最均匀的冷却；应以最小阻力方向淬入；还应考虑工件的重心稳定。淬火要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂在“鼻尖”温度（650℃）以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近（650-400℃）则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。常用的淬火冷却介质是水、盐或碱的水溶液和各种矿物油、植物油。3.淬火冷却介质常用的淬火冷却介质：水、油（各种矿物油、植物油）盐或碱的水溶液和有机物质的水溶液及乳化液。实际使用的淬火介质分为两大类。淬火时发生物态变化的淬火介质。这类介质包括水质淬火剂、油质淬火剂和水溶液等淬火时不发生物态变化的淬火介质。这类淬火包括各种熔盐、熔碱、熔融金属等新型淬火介质：有机聚合物淬火剂、无机物水溶液淬火剂、流态床冷却原则：保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。时间温度MsA1单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火4淬火方法1）单液淬火★概念将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。★特点操作简单，容易实现机械化★适用范围形状简单的碳钢和合金钢工件。2）双液淬火工件先在较强冷却能力介质中冷却到300℃左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却，如先水淬后油淬优点：可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件变形开裂的倾向应用：形状复杂、截面不均匀的工件淬火缺点：难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。3）分级淬火工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，停留2～5min，然后取出空冷目的：A.工件内外温度较为均匀B.进行马氏体转变，以大大减小淬火应力，防止变形开裂4）等温淬火分为贝氏体等温淬火和马氏体等温淬火（1）贝氏体等温淬火工件在等温盐浴中淬火，等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷.盐浴温度:贝氏体区的下部(稍高于Ms)目的:获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。应用：用于中、高碳钢2）马氏体等温淬火工件置于温度稍低于Ms点的淬火介质中保持，发生部分马氏体转变，取出空冷。这种等温淬火相当于低于Ms点的分级淬火特点A.冷却速度大，过冷奥氏体不易分解；B.形成的马氏体在等温过程中转变为回火马氏体，使组织应力下降；C.等温过程工件各部分温度趋于一致，空冷冷速较慢，继续形成马氏体量少，组织应力小，变形开裂倾向小。时间温度/℃MsA1表面中心空冷5）预冷淬火法先将试样空冷一定时间后置于淬火介质中冷却。预冷可减小工件在随后快冷时各处之间的温差，变形开裂倾向减小。时间温度/℃MsA1表面中心预冷5.钢的淬透性1）淬透性的概念指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力钢的淬透性大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度来表示。通常采用从淬火工件表面到半马氏体区距离作为淬透层深度。淬透性是钢的固有属性，其大小主要取决于钢的临界冷却速率Vc。50%M表面心部淬硬层大尺寸工件的淬透情况示意图2）淬透性的测量方法(1)断口检验法根据淬火后钢材断口组织的粗细来判断淬透深度。淬透部分的组织较细，呈绢状断口，未淬透部分的组织较粗。该法只适用于非合金钢，特别是碳素工具钢。（2）P-F法这是标准化的断口检验法.主要适用于工具钢。P代表淬透深度，F表示断口的形貌。F根据瑞典标准采用断口晶粒度No.1～10，10个级别加以评定。（3）热盐水试验法把长、宽各25.4mm，厚2.5mm的试样在60～90℃的10％盐水中淬火后，在规定的位置测量其硬度HRC。该方法用于测量低淬透性钢的淬透性。（4）临界直径法。对不同直径的一组圆柱体试样淬火，找出截面中心恰好是含50%马氏体的试样，其直径大小规定为临界淬透直径D0。在相同的冷却条件下，D0越大，则钢的淬透性也越大。冷却介质的冷速不同，临界淬透直径D0也不同。钢材在冷却强度无限大的冷却介质中淬火，试样能够淬透的最大直径，称为理想临界直径Di。Di是排除淬火介质的影响而反映钢固有的淬透性的判据。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化状态，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。(5)末端淬火法，简称端淬法试样冷却完毕后，沿其轴线方向相对的两侧各磨去0.4～0.5mm，在此平面上从试样末端开始，测量1.5mm、3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm前8个测量点和以后每隔5mm的硬度值，绘出硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线。由于同一种钢号的化学成分允许在一定范围内波动，因而相关手册中给出的不是一条曲线，而是一条带，称之为淬透性带钢的淬透性值通常用J××-d表示。J表示末端淬透性，d表示从测量点到淬火端面的距离（单位为mm），××表示该处的硬度值（或为HRC，或为HV30）。J35-15，表示距淬火端15mm处的硬度值为35HRC；JHV450-10表示距淬火端10mm处的硬度值为450HV30。主要因素是化学成分B.合金元素除Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。未溶入奥氏体中的元素，形成碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，使临界冷却速度增大，降低淬透性。奥氏体温度、塑性变形及外加应力都会影响淬透性。4）影响淬透性的因素A.含碳量。共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随含碳量增加，淬透性提高；过共析钢随含碳量增加，淬透性降低。7.冷处理将淬火后已冷到室温的工件继续深冷至零下温度