第6章 钢的热处理工艺

6.4钢的退火与正火•应用：铸、锻、焊毛坯的预备热处理，以及改善机械零件毛坯的切削加工性能;•性能要求不高的机械零件的最终热处理。6.4.1钢的退火•退火(annealing)：将钢件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。真空退火炉•性能变化：降低硬度，提高塑性,以利于切削加工或继续冷变形；细化晶粒，消除组织缺陷，改善钢的性能，并为最终热处理作组织准备；消除内应力，稳定工作尺寸，防止变形与开裂。•方法分类：完全退火、球化退火、去应力退火等。1．完全退火•定义：将钢加热到完全奥氏体化后，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为完全退火。•完全退火的加热温度：为Ac3以上30～50℃，保温时间按钢件的有效厚度计算。•保温时间:在箱式电炉中加热时，碳钢厚度不超过25毫米保温一小时，以后每增加25毫米厚度延长半小时；合金钢每20毫米保温一小时。•冷却方式:一般是关闭电源让钢件在炉中缓慢冷却，当冷至500～600℃时即可出炉空冷。•性能变化:降低钢的硬度，细化晶粒，充分消除内应力。2•定义：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。•组织特征：获得由大致呈球形的渗碳体颗粒弥散分布于铁素体基体上的球状组织，称为球状珠光体，如右图所示。球状珠光体•工艺①加热：球化退火的加热温度为Ac1以上20～30℃，保温后的冷却有两种方式。②冷却：普通球化退火时采用随炉缓冷，至500～600℃出炉空冷；等温球化退火则先在Ar1以下20℃等温足够时间，然后再随炉缓冷至500～600出炉空冷。•机理：球化退火时，由于加热温度较低，渗碳体开始溶解但未全部溶解，层状碳化物断开为许多细小的点状碳化物，弥散分布在奥氏体的基体上。在随后的缓冷过程中，以未溶碳化物质点为核心，均匀地长成颗粒状的碳化物，形成球状组织。•性能特征①与层状珠光体相比，球状珠光体硬度低，塑性好，有利于切削加工;②在以后的淬火过程中，奥氏体晶粒不容易长大;③冷却时钢件产生变形和裂纹的倾向也小。•应用：球化退火主要用于共析钢和过共析钢的锻轧件。3．去应力退火•定义：以消除内应力为目的热处理操作。•工艺：去应力退火的加热温度一般为500～600℃，保温后随炉缓冷至室温。•特点：由于加热温度在A1以下，退火过程中一般不发生相变。•应用：去应力退火广泛用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。6.4.2钢的正火•定义：将钢件加热到Ac3(或Accm)以上30～50℃，保温，空冷的热处理工艺称为正火。•正火的目的与退火相比：正火冷却速度较快，晶粒比较细小，强度、硬度比退火后要略高。•正火的主要应用范围有：（1）消除过共析钢中的碳化物网，为球化退火作好组织准备；（2）作为低、中碳钢和低合金结构钢消除应力，细化组织，改善切削加工性和淬火前的预备热处理；(3)对于力学性能要求不太高的普通结构零件，正火也可代替调质处理作为最终热处理使用。正火温度6.4.3退火和正火的选择•防止内应力，导致变形和裂纹，采用退火。•缩短生产周期短，尽量采用正火。6.5钢的淬火•定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当的方式冷却获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。真空淬火炉6.5.1钢的淬火工艺1．淬火加热温度的选择•淬火温度：亚共析钢为Ac3+(30～100)℃，共析钢、过共析钢为Ac1+(30～70)℃。2．加热保温时间的选择•影响因素：钢件的材料、有效厚度、加热介质、装炉方式、装炉量等具体情况而定。•计算：τ＝KαD式中：τ——保温时间，min；K——装炉系数(通常取1～1.5)；α——加热系数，min／mm；D——钢件有效厚度，mm。3．淬火介质•定义：钢件进行淬火冷却时所使用的介质称为淬火介质。•要求：具有足够的冷却能力、良好的冷却性能和较宽的使用范围，同时还应具有不易老化、不腐蚀零件、不易燃、易清洗、无公害、价廉等特点。•理想淬火介质：过冷奥氏体在C曲线的鼻尖处（550℃左右）需要快冷，而在650℃以上或400℃以下并不需要快冷。满足理想冷却曲线。•淬火介质种类：水、水溶性的盐类和碱类、矿物油。6.5.2淬火方法1．单介质淬火法•浸入某一种淬火介质中连续冷却到室温的热处理。2．双介质淬火法•先水后油、先水后空气。3．分级淬火法•分级淬火法是把加热好的钢件先放入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保持一定的时间，使钢件内外的温度达到均匀一致，然后取出钢件在空气中冷却，使之转变为马氏体组织。4．等温淬火法•等温淬火法是将钢件加热奥氏体化后，随即快冷到贝氏体转变温度区间(260～400℃)等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。6.5.3钢的淬透性与淬硬性1．淬透性的概念•淬透现象：截面冷却速度不一致，钢件中心部分低于临界冷却速度，没有得到马氏体的现象。•淬透性：钢在规定条件下淬火时获得淬硬深度的能力。2．影响淬透性的因素(1)钢的化学成分碳钢中含碳量越接近于共析成分，钢的淬透性越好。合金钢中绝大多数合金元素溶于奥氏体后，都能提高钢的淬透性。(2)奥氏体化温度及保温时间适当提高钢的奥氏体化温度或延长保温时间，提高钢的淬透性。3．淬透性的实用意义•钢件被淬透，整个截面上的性能均匀一致；材料能力得到充分发挥。4．淬硬性的概念•定义：淬硬性是钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。•影响因素：钢中含碳量愈高，则其淬硬性越好。6.6淬火钢的回火•定义：将淬火钢件重新加热到A1以下的某一温度，保温一定的时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火(tempering)。6.6.1回火的目的1.降低脆性，减少或消除内应力，防止工件的变形和开裂。2.稳定组织，调整硬度，获得工艺所要求的力学性能。3.稳定工件尺寸，满足各种工件的使用性能要求。螺杆表面的淬火裂纹6.6.2淬火钢的回火原理1．淬火钢回火时的组织转变•可以分为马氏体的分解、残余奥氏体的转变、碳化物类型的转变和渗碳体的聚集长大等四个阶段（1）马氏体的分解（200℃）马氏体中过饱和的碳原子将以ε碳化物（FexC）的形式析出。组织：马氏体（低饱和）+ε碳化物+A残透射电镜下的回火马氏体形貌（2）残余奥氏体的转变（200～300℃）残余奥氏体分解为过饱和α固溶体和ε碳化物。•组织：马氏体（低饱和）+ε碳化物回火马氏体（3）碳化物的转变（250～400℃）ε碳化物变成细粒状渗碳体，马氏体饱和。组织：马氏体饱和+细粒状渗碳体=回火托氏体（“T回”）回火托氏体（4）渗碳体的聚集长大和铁素体的再结晶（450℃）•组织：颗粒状渗碳体+铁素体组成的组织=回火索氏体，（“S回”）回火索氏体2．淬火钢回火时的性能变化•在回火过程中，随着淬火钢的组织变化，钢的力学性能也会发生相应的变化。随着回火温度的升高，钢的强度和硬度下降，而塑性和韧性提高。淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系6.6.3回火的分类与应用1．低温回火•温度：150～250℃•组织：回火马氏体，其硬度一般为58～64HRC。•用于：刃具、量具、冷作模具、滚动轴承、渗碳淬火件等。2．中温回火•温度：350～500℃，•组织：回火托氏体，其硬度一般为35～50HRC。•用于：弹性零件及热锻模具等。3．高温回火•温度：500～650•组织：回火索氏体，硬度一般为220～330HBS。•用于：各种重要的结构零件，如螺栓、连杆、齿轮及轴类等。•调质处理：淬火+高温回火广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等预备热处理。适用于各种高碳钢、渗碳件及表面淬火件。应用获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。提高e及s，同时使工件具有一定韧性。在保留高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力。回火目的S回T回M回回火组织500-650℃350-500℃150-250℃回火温度高温回火中温回火低温回火适用于弹簧热处理•谢谢!