鋼的熱處理

§1 概述

一 鋼的熱處理: 把鋼在固態(tài)下加熱到一定的溫度進(jìn)行必要的保溫,并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s到室溫,以改變鋼的內(nèi)部組織,從而得到所需性能的工藝方法

* 只改變組織和性能,而不改變其形狀和大小.熱處理是改善材料性能的重要手段之一,能提高產(chǎn)品質(zhì)量,延長(zhǎng)機(jī)件壽命,節(jié)約金屬材料,所以,重要機(jī)件都要經(jīng)過(guò)熱處理.

應(yīng)用廣泛:機(jī)械制造業(yè)中70%零件需熱處理.汽車 拖拉機(jī) 制造業(yè)70~80%

量具 刃具 模具 滾動(dòng)軸承等99%

二 目的

1 冶金 鍛 鑄 焊毛坯或成品,消除缺陷,改善工藝性能.為后續(xù)加工(如機(jī)加)做好組織,性能,準(zhǔn)備. 退火 正火

2 是鋼件的機(jī)械性能提高,達(dá)到鋼件的最終使用性能指標(biāo),以滿足機(jī)械零件或工具使用性能要求. 淬火+回火 表面淬火 化學(xué)處理

2組織轉(zhuǎn)變

1) 共析鋼: P(F+Fe3C)---A

(1) A晶核形成:F和Fe3C界面上先形成A晶核

(因界面原子排列不規(guī)則,缺陷多,能量低)

(2) A晶核長(zhǎng)大:F晶格轉(zhuǎn)變,Fe3C不斷溶入A, A晶核不斷生成,長(zhǎng)大.F轉(zhuǎn)變快, 先消失.

(3) 殘余滲碳體的溶解:隨保溫時(shí)間加長(zhǎng), 殘余Fe3C逐漸溶入A

(4)A成分均勻化: A轉(zhuǎn)變完成后,各處含C濃度不均勻,繼續(xù)保溫,C充分?jǐn)U散,得到單一的均勻A

這個(gè)過(guò)程是A重結(jié)晶的過(guò)程.

2) 亞共析鋼: F+P—Ac1—F+A—Ac3---A

3) 過(guò)共析鋼: P+ Fe3CⅡ--Ac1—A+ Fe3CⅡ--Accm---A(晶粒粗化)

二 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

(鋼在室溫時(shí)的機(jī)械性能不僅與加熱,保溫有關(guān),與冷卻過(guò)程也有關(guān))

1 冷卻方式

1) 連續(xù)冷卻: 時(shí)加熱到A的鋼,在溫度連續(xù)下降的過(guò)程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變.

水冷 油冷 空冷(正火) 爐冷(退火)

2)

等溫冷卻: 使加熱到A的鋼,先以較快的速度冷卻到Ar1線下某一溫度,成為過(guò)冷A,保溫,使A在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變完,再冷卻到室溫.

等溫退火 等溫淬火

2 共析鋼冷卻時(shí)的等溫轉(zhuǎn)變

以共析鋼為例,進(jìn)行一系列不同過(guò)冷度的等溫冷卻實(shí)驗(yàn),可以測(cè)出過(guò)冷奧氏體在恒溫下開(kāi)始轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變終了的時(shí)間,畫(huà)到”溫度—時(shí)間”坐標(biāo)系中,然后,把開(kāi)始轉(zhuǎn)變的時(shí)間和轉(zhuǎn)變終了的時(shí)間分別連接起來(lái),即得到共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線.又叫C曲線.

1) 高溫產(chǎn)物:

Ar1 ～650℃ P 層片較厚 500X 顯微鏡 HRC10-20

650～600℃ 細(xì)珠光體 索氏體S HRC25~35 層片較薄 800~1000X

600～550℃ 極細(xì)珠光體 屈氏體T HRC30~40 層片極薄

l a）以上三種均為F+ Fe3C 層片相間的珠光體，只是層片厚度不同。

l b）由于過(guò)冷度從小到大，原子活動(dòng)能力由強(qiáng)到弱，致使析出的滲 碳體和鐵素體層片越來(lái)越來(lái)薄。

l c）珠光體層片越薄，塑變抗力越大，強(qiáng)，硬越大。

2）中溫產(chǎn)物

550~350℃ 上貝氏體 B上 電鏡下觀察，滲碳體不連續(xù)，短桿狀，分布于許多平行而密集的鐵素體條之間。

350 ~ 230℃ 下貝氏體 B下 比B上 有較高強(qiáng)、硬、韌、塑。片狀過(guò)飽和F和其內(nèi)部沉淀的碳化物組織（因?yàn)檫^(guò)飽和F有析出Fe3C傾向，但過(guò)冷度太大，導(dǎo)致碳原子沒(méi)能擴(kuò)散超出F片，只是在片內(nèi)沿一定晶面聚集，沉淀出碳化物粒子）

3）低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物：

230 ~ -50℃ 馬氏體（M）+殘余A 馬氏體：過(guò)飽和的α固溶體“M”

（由于溫度低，原子活動(dòng)能力低，晶格轉(zhuǎn)變完成，但是，C原子不能從面心中擴(kuò)散出來(lái)，仍留在體心中，形成過(guò)飽和α固溶體）

∵ 晶格嚴(yán)重畸形，∴ M硬↑ HRC65 塑 韌 →0

3 共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變

連續(xù)冷卻可能發(fā)生幾種轉(zhuǎn)變，很復(fù)雜。

共析鋼連續(xù)冷卻，只有珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。

珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)：三條線構(gòu)成：開(kāi)始，終了，終止線

冷卻速度過(guò)“開(kāi)始”“終了”線，組織為珠光體

冷卻速度過(guò)“開(kāi)始”“終止”線，組織為珠光體和馬氏體

冷卻速度不過(guò)珠光體區(qū)，則為M

§3 鋼的熱處理工藝

熱處理: 整體熱處理: 退火 正火 淬火 回火

表面熱處理: 表面淬火 化學(xué)熱處理—滲碳 滲氮

一 退火

將鋼件加熱到高于或低于鋼的臨界點(diǎn),保溫一定時(shí)間,隨后在爐內(nèi)或埋入導(dǎo)熱性較差的介質(zhì)中緩慢冷卻,以獲得接近平衡的組織,這種工藝叫—

目的: 1) 降低硬度—切削加工

2) 細(xì)化晶粒,改善組織—提高機(jī)械性能

3) 消除內(nèi)應(yīng)力—淬火準(zhǔn)備

4) 提高塑性,韌性—冷沖壓, 冷拉拔

1 退火:將鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時(shí)間后,緩慢冷卻以獲得接近平衡狀態(tài)組織(P+F)的熱處理工藝.

目的:通過(guò)重結(jié)晶,使鍛,鑄,焊件降低硬度,便于切削加工,同時(shí)可消除內(nèi)應(yīng)力,使A充分轉(zhuǎn)變成正常的F和P.

應(yīng)用: 亞共析鋼

* 不能用于共析鋼,∵在Accm以上緩冷,會(huì)析出網(wǎng)狀滲碳體(Fe3CⅡ),脆性↑

2 不退火:將共析鋼或過(guò)共析鋼加熱到Ac1以上20~30℃,適當(dāng)保溫,緩慢冷卻的熱處理工藝-- 又叫球化退火.

目的:使珠光體組織中的片狀滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榱罨蚯驙?/span>,這種組織能將低硬度,改善切削加工性.并為以后淬火做準(zhǔn)備.減小變形和開(kāi)裂的傾向.

應(yīng)用:共析鋼,過(guò)共析鋼(球化退火)

3 等溫退火：將鋼件加熱到Ac3A（亞共析鋼）或Ac1(共析鋼或過(guò)共析鋼)以上,保溫后較快地冷卻到稍低于Ar1的溫度,再等溫處理,A轉(zhuǎn)變成P后,出爐空冷.

目的: 節(jié)省退火時(shí)間,得到更均勻的組織,性能.

應(yīng)用: 合金工具鋼,高合金鋼

4 去應(yīng)力退火:將鋼加熱到Ac1以下某一溫度(約500~650℃)保溫后緩冷.

(又叫低溫退火)

目的:消除內(nèi)應(yīng)力

應(yīng)用:鑄,鍛,焊

*不發(fā)生相變,重結(jié)晶 例子:杯裂

5 再結(jié)晶退火:將鋼件加熱到再結(jié)晶溫度以上150~250℃,即650~750℃,保溫,空冷.

目的: 發(fā)生再結(jié)晶,消除加工硬化.

應(yīng)用: 冷扎,冷拉,冷壓等

* 可能相變

6 擴(kuò)散退火: 均勻化退火,高溫進(jìn)行

目的:消除偏析,應(yīng)用:鑄件

二 正火

鋼件加熱到Ac3(亞)或Accm(過(guò)共)以上30~50℃,保溫,空冷

* 正火作用與退火相似,區(qū)別是正火冷速快,得到非平衡的珠光體組織,細(xì)化晶粒,效果好,能得到片層間距較小的珠光體組織.

與退火對(duì)比

實(shí)踐表明:工件硬度HB170-230時(shí),對(duì)切削有利

正火目的:1 提高機(jī)械性能

2 改善切削加工性

3 為淬火作組織準(zhǔn)備—大晶粒易開(kāi)裂

對(duì)于過(guò)共析鋼,正火能減少二次滲碳體的析出,使其不形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),有利于縮短過(guò)共析鋼的球化退火過(guò)程,經(jīng)正火和球化退火的過(guò)共析鋼有較高的韌性,淬火就不易開(kāi)裂,用于生產(chǎn)過(guò)共析鋼的工具的工藝路線:

鍛造—正火—球化退火—切削加工—淬火, 回火—磨

低碳鋼,正火代替退火,中C鋼: 正火代調(diào)質(zhì)(但晶粒不均)

三 淬火

將鋼件加熱到Ac3(亞)或Ac1(過(guò))以上30-50℃,經(jīng)過(guò)保溫,然后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻,以獲得高硬度組織的一種熱處理工藝.

目的:提高硬度,耐磨性

應(yīng)用:工具,模具,量具,滾動(dòng)軸承.

組織:馬氏體.下貝氏體

淬火冷卻:決定質(zhì)量,理想冷卻速度兩頭慢中間快.減少內(nèi)應(yīng)力.

1 常用淬火法:

1) 單液淬火(普通淬火):在一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫.如碳鋼水冷

缺點(diǎn): 水冷,易變形,開(kāi)裂. 油冷:易硬度不足,或不均

優(yōu)點(diǎn): 易作,易自動(dòng)化.

2) 雙液淬火:先在冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻到300℃左右,再放入冷卻到冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻,獲得馬氏體.

對(duì)于形狀的碳鋼件,先水冷,后空冷.

優(yōu)點(diǎn): 防低溫時(shí)M相變開(kāi)裂.

3) 分級(jí)淬火:工件加熱后迅速投入溫度稍高于Ms點(diǎn)的冷卻介質(zhì)中,(如言浴火堿浴槽中)停2-5分(待表面與心部的溫差減少后再取出)取出空冷.

應(yīng)用:小尺寸件(如刀具淬火) 防變形,開(kāi)裂

優(yōu)點(diǎn): 工藝?yán)硐?/span>,操作容易

缺點(diǎn): ∵在鹽浴中冷卻,速度不夠大 ∴只適合小件

4) 等溫淬火:將加熱后的鋼件放入稍高于Ms溫度的鹽浴中保溫足夠時(shí)間, 使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變,隨后空冷.

應(yīng)用: 形狀復(fù)雜的小零件,硬度較高,韌性好,防變形,開(kāi)裂.

例子:螺絲刀(T7鋼制造)

用淬火+低溫回火 HRC55, 韌性不夠,扭10°時(shí)易斷

如用等溫淬火, HRC55~58 韌性好, 扭90°不斷

等溫淬火后如有殘余A,需回火, A-F. 如沒(méi)有殘余A,不需回火

缺點(diǎn):時(shí)間長(zhǎng)

2 鋼的淬透性與淬硬性

淬透性:鋼在淬火時(shí)具有獲得淬硬層深度的能力.

淬硬性:在淬火后獲得的馬氏體達(dá)到的硬度,它的大小取決于淬火時(shí)溶解在奧氏體中的碳含量.

四 回火

將淬火后的鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一定時(shí)間,后冷卻到室溫的熱處理工藝.

目的:消除淬火后因冷卻快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,降低脆性,使其具有韌性,防止變形,開(kāi)裂,調(diào)整機(jī)械性能.

1 低溫回火:加熱溫度 150~250℃

組織: 回火馬氏體—過(guò)飽和度小的α-固溶體,片狀上分布細(xì)小ε-碳化物

目的: 消除內(nèi)應(yīng)力,硬度不降.HRC58~64

應(yīng)用: 量具,刃具

低碳鋼: 高塑性,韌性,較高強(qiáng)度配合

2 中溫回火:加熱溫度 350~500℃

組織: 極細(xì)的球(粒)狀Fe3C和F機(jī)械混合物. (回火屈氏體)

目的:減少內(nèi)應(yīng)力,提高彈性,硬度略降.

應(yīng)用:(0.45~0.9%)彈簧,模具 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

3 高溫回火:500~650℃

組織: 回火索氏體—較細(xì)的球(粒)狀Fe3C和F機(jī)械混合物.

目的: 消除內(nèi)應(yīng)力,較高韌性,硬度更低.

應(yīng)用: 齒輪,曲軸,連桿等(受交變載荷)

淬火+高溫回火---調(diào)質(zhì)

五 表面淬火

表面層淬透到一定深度而中心部仍保持原狀態(tài).

應(yīng)用:既受摩擦,又受交變,沖擊載荷的件.

目的:提高表面的硬度,有利的殘余應(yīng)力.

提高表面耐磨性,疲勞強(qiáng)度

加熱方法:1 火焰: 單間小批局部,質(zhì)量不穩(wěn)

2 感應(yīng)加熱: 質(zhì)量不穩(wěn)

六 化學(xué)熱處理

工件放在某種化學(xué)介質(zhì)中加熱,保溫,使化學(xué)元素滲入工件表面,改善工件表面性能.

應(yīng)用: 受交變載荷,強(qiáng)烈磨損,或在腐蝕,高溫等條件下工作的工件.

滲C: 表面成高碳鋼,細(xì)針狀高碳馬氏體(0.85~1.05%),心部又有高韌性的受力較大的齒輪,軸類件

固體滲碳, 液體滲碳,氣體滲碳(常用:滲碳劑如甲醇+丙酮 900~930℃)

如: 低碳鋼,表層:P+Fe3CⅡ 內(nèi)部:P+F

熱處理:淬火+低溫回火 得到回火M(細(xì)小片狀)+ Fe3CⅡ

表面含C: 0.85~1.05% 若表面含C低,得到低含C的回火M,硬度低

含C高,網(wǎng)狀或大量塊狀滲C體,脆性↑

滲N: 表面硬度,耐磨性,耐蝕性,疲勞強(qiáng)度↑

溫度: 500~570℃ 最后工序. 為保證內(nèi)部性能,氮化前調(diào)質(zhì)

優(yōu)點(diǎn): 氮化后不淬火,硬度高(>HV850),氮化層殘余壓應(yīng)力,疲勞強(qiáng)度↑

氮化物抗腐蝕. 溫度低,變形小.

碳氮共滲: 硬度高,滲層較深,硬度變化平緩,具有良好的耐磨性,較小的表面脆性.