材料与热处理(项目五)

项目五钢的整体热处理5.1钢的退火5.2钢的正火5.3钢的淬火5.4钢的回火5.1钢的退火退火是将钢件加热到适当温度、保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。下一页返回5.1钢的退火5.1.1退火的目的(1)降低钢件的硬度以利于切削加工。(2)消除残余应力，以防钢件变形与开裂。(3)细化晶粒，改善组织，以提高钢的力学性能，并为最终热处理做好组织准备。上一页下一页返回5.1钢的退火5.1.2退火的方法与应用根据钢的成分、退火的工艺与目的不同，退火常分为完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火几种。1.完全退火将钢件加热到完全奥氏体化Ae3+(30℃~50℃)以上，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。生产中为提高生产率，一般随炉缓冷至600℃左右，将工件出炉空冷。完全退火可降低钢的硬度，以利于切削加工;消除残余应力，稳定工件尺寸，以防变形或开裂;细化晶粒，改善组织，以提高力学性能和改善工艺性能，为最终热处理做好组织准备。完全退火所需时间很长，上一页下一页返回5.1钢的退火特别是对于某些合金钢往往需要数十数十小时，甚至数天时间，因此是一种费时的工艺。完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构件等。不能用于过共析钢，因为加热到Accm温度以上，在随后缓冷过程时，会沿奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，使钢的强度和韧性降低。等温退火的加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏体化后，等温退火以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度，等温一定时间，使过冷奥氏体发生珠光体转变，然后以较快的速度(一般为空冷)冷至室温。图5-1所示为高速工具钢完全退火与等温退火工艺曲线。可见完全退火需要15-20h以上，而等温退火所需要的时间则明显缩短。上一页下一页返回5.1钢的退火3.球化退火将共析钢或过共析钢加热到Ac1，以上20℃~30℃，保温一定时间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于Ar1温度，保温后出炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺。球化退火主要目的是降低共析钢或过共析钢硬度，提高塑性，改善切削加工性能、获得均匀的组织，改善热处理工艺性能，为以后的淬火做好组织准备。球化退火主要用于共析钢或过共析钢工件的热加工之后，因为这些钢的组织中常出现粗片状珠光体和二次渗碳体，使钢的切削加工性能变差，且淬火时易产生变形和开裂。采用球化退火可使珠光体中的片状渗碳体和网状二次渗碳体球状化，上一页下一页返回5.1钢的退火变成球状(颗粒状)的渗碳体。这种在铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体的组织，称为球状珠光体，如图5-2所示。对于存在有严重网状二次渗碳体的钢，可在球化退火前先进行一次正火处理，将渗碳体网破碎。4.均匀化退火（扩散退火）将铸锭、铸件或锻坯加热到Ae3+(150℃~200℃)以上，保温10~15h，然后再随炉缓冷至350℃，出炉空冷的工艺。均匀化退火主要用于优质合金钢的铸锭、铸件或锻坯，目的是使钢中成分能进行充分扩散而达到均匀化。均匀化退火因为加热温度高、加热时间长，造成晶粒粗大，所以随后往往还要进行一次完全退火来细化晶粒。上一页下一页返回5.1钢的退火5.去应力退火又称低温退火将工件缓慢加热到Ae1-(100℃~200℃)(一般为500℃~600℃)，保温一定时间，随炉缓冷至200℃出炉空冷的工艺。由于加热温度低于Ae1点，钢在去应力退火过程中不发生组织变化。其主要目的是消除工件在铸、锻、焊和切削加工过程中产生的内应力，稳定尺寸，减少变形。去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及机加工工件中的残余应力。如果这些残余应力不消除，工件在随后的机械加工或长期使用过程中，将引起变形或开裂。上一页返回5.2钢的正火将钢件加热到Ae3(或Accm)+(30℃~50℃），完全奥氏体化后，再在空气中冷却以得到较细珠光体组织的热处理工艺。正火与退火的主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。目前正火主要应用于以下几个方面。(1)作为普通结构零件的最终热处理。因为正火可消除铸造、锻造中产生的过热缺陷，细化组织，提高力学性能，能满足普通结构零件的使用性能的要求。(2)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性能。正火后组织为细珠光体，其硬度提高，从而改善切削加工中的“黍占刀”现象，并使工件表面粗糙度值也提高。下一页返回5.2钢的正火(3)作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。通过正火可消除中碳结构钢热加工所造成的魏氏组织、晶粒粗大等过热组织缺陷，细化晶粒，均匀组织，消除内应力。(4)消除过析钢中的二次渗碳体网。主要是为球化退火做好组织准备。(5)特定情况下代替淬火、回火对某些大型的或较复杂的零件。当淬火有可能开裂或淬不透时，正火往往可以替代淬火、回火，而作为这类零件的最终热处理。钢的几种退火、正火加热温度范围与Fe-Fe3C相同的关系及热处理工艺曲线可由Fe-Fe3C相图选择得到，如图5-3所示。上一页返回5.3钢的淬火将钢件加热到Ae3(Ae1)+(30℃~50℃)，保温一定的时间使之奥氏体化后，以大于马氏体临界冷却速度快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺，称为淬火。其主要目的是为了获得马氏体，与适当的回火工艺配合，以得到零件所要求的机械性能。这是强化钢材最重要的热处理工艺方法。下一页返回5.3钢的淬火5.3.1淬火工艺1.淬火加热温度钢的化学成分是决定其淬火加热温度的最主要因素。因此碳钢的淬火加热温度可利用FeFe3C相图来选择，如图5-4所示。其淬火加热温度原则为:亚共析钢一般加热到式Ae3+(30℃~50℃)进行完全淬火。这是因为亚共析钢如果在Ae1~Ae3加热，组织中必然有一部分先析相铁素体存在，淬火后由于铁素体不能转变而被保留在淬火组织中。块状的铁素体分布在马氏体中间，降低了钢的强度，同时还影响回火后的力学性能;淬火加热温度不能过高，否则，奥氏体晶粒粗化，钢的氧化脱碳严重。上一页下一页返回5.3钢的淬火淬火后会出现粗大的马氏体组织，使钢的性能变坏。共析钢、过共析钢一般加热到Ae1+(30℃~50℃)进行不完全淬火，淬火后得到细小的马氏体和少量残留奥氏体(共析钢)，或细小的马氏体、少量渗碳体和残留奥氏体。由于渗碳体的存在，钢的硬度与耐磨性得以提高。对于过共析钢而言，若加热温度高于Accm时，由于渗碳体全部溶于奥氏体中，奥氏体含碳量提高，Ms点降低，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。此外，因温度高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，脆性增大。若加热温度低于Ac1点，组织没发生相变，达不到淬火目的。实际生产中，淬火加热温度的确定，尚需考虑工件形状尺寸、淬火冷却介质和技术要求等因素。上一页下一页返回5.3钢的淬火2.淬火加热时间淬火加热时间包括升温时间和保温时间。加热时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等因素影响。一般用下述经验公式确定t=αD式中，t为加热时间，min;α为加热系数，min/mm;D为工件有效厚度，mm。加热系数与工件的有效厚度的数值可查阅有关资料。上一页下一页返回5.3钢的淬火3.淬火冷却介质工件进行快速冷却时所用的介质称为淬火介质。为保证工件淬火后得到马氏体，又要减小变形和防止开裂，必须正确选择冷却介质。由C形曲线可知，要得到马氏体，并不需要在整个冷却过程都进行快速冷却，理想淬火介质的冷却速度曲线如图5-5所示，在650℃以上由于过冷奥氏体比较稳定，冷却速度可慢些，以减小工件内外温差引起的热应力，防止变形;400℃~650℃范围内(C形曲线鼻尖附近)，过冷奥氏体最不稳定，应快速冷却，淬火冷却速度应大于:K，使过冷奥氏体不发生分解形成珠光体;在200℃~300℃范围内，过冷奥氏体已进入马氏体转变区，应缓慢冷却。上一页下一页返回5.3钢的淬火因为此时相变应力占主导地位，可防止内应力过大而使零件产生变形，甚至开裂。目前为止，符合这一特性要求的理想淬火介质还没有找到。生产中常用的淬火冷却介质有水、盐或碱的水溶液。(1)水及水溶液。在400℃~650℃范围内需要快冷时，水的冷却速度相对较小;200℃~300℃范围内需要慢冷时，其冷却速度又相对较大。但因水价廉安全，故常用于形状简单、截面较大的碳钢工件的淬火。淬火时随着水温升高，冷却能力降低，故使用时应控制水温低于40℃。为提高水在400℃~650℃范围内的冷却能力，常加入少量(5%~10%)的盐(或碱)制成盐(或碱)水溶液。碱水溶液对工件、设备及操作者腐蚀性大，主要用于易产生淬火裂纹工件的淬火。上一页下一页返回5.3钢的淬火(2)油。常用的有机油、变压器油、柴油等。油在200℃~300℃范围内的冷却速度比水小，有利于减小工件的变形和开裂，但油在400℃~650℃范围内冷却速度也比水小，因此只能用于低合金钢与合金钢的淬火，使用时油温应控制在40℃~100℃范围内。上一页下一页返回5.3钢的淬火5.3.2淬火方法为了保证淬火质量，除正确选用淬火冷却介质外，还应采用合理的淬火方法。生产中常用的淬火方法如下。1.单液淬火将奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中，一直冷至室温的淬火，称为单液淬火，如图5-6中曲线①所示。例如，一般碳钢在水或水溶液中淬火，合金钢在油中淬火等均属单液淬火。2.双液淬火先把奥氏体化的工件投入冷却能力较强的介质中，冷却到稍高于Ms的温度，再立即投入另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变的淬火工艺，称为双液淬火，如图5-6中曲线②所示。上一页下一页返回5.3钢的淬火3.分级淬火把奥氏体化的工件投入温度稍高于或低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，称为分级淬火，如图5-6中曲线③所示。4.等温淬火把奥氏体化的工件投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中，保温足够的时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷，这种工艺称为等温淬火，如图5-6中曲线④所示。上一页返回5.4钢的回火将淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。钢在淬火后一般都要进行回火处理，回火决定了钢在使用状态的组织和性能，因此回火是很重要的热处理工序。下一页返回5.4钢的回火5.4.1回火的目的(1)获得工件所要求的力学性能。工件经淬火后，具有高的硬度，但塑性和韧性却显著降低。为了满足各种工件的不同性能要求，可通过适当回火来改变淬火组织，获得所要求的力学性能。(2)稳定工件尺寸。淬火工件中的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在室温下会自发的发生分解，从而引起工件尺寸和形状的改变。通过回火使淬火组织转变为稳定组织，从而保证工件在以后的使用过程中不再发生尺寸和形状的改变。(3)消除或减少淬火内应力。工件淬火后存在很大的内应力，如不及时回火，往往会使工件发生变形甚至开裂。上一页下一页返回5.4钢的回火5.4.2淬火钢的回火转变淬火马氏体与残余奥氏体在回火过程中，会逐渐向稳定的铁素体和渗碳体(或其他结构碳化物)的两相组织转变。随着回火温度的不同，将发生以下转变。1.马氏体的分解(≤200℃)在80℃以下回火时，淬火钢中没有明显的组织转变，此时只发生马氏体中碳原子的偏聚。在80℃~200℃范围内回火时马氏体开始分解。马氏体中过饱和碳原子以亚稳定的碳化物(化学式Fe2C，称为碳化物)形式析出，故降低了马氏体中碳的过饱和度。由于这一阶段温度较低，从马氏体中仅析出上一页下一页返回5.4钢的回火了一部分过饱和碳原子，故它仍是碳在α-Fe中的过饱和固溶体。析出的亚稳定碳化物(Fe2C极为细小并弥散于过饱和固溶体相界面上，且与α固溶体保持共格(即两相界面上的原子，恰好是两相晶格的共用结点原子)关系。这一阶段的回火组织是由过饱和的a固溶体与其晶格相联系的二碳化物所组成，这种组织称为回火马氏体(如图5-7)。由于该组织中二碳化物极为细小且弥散度