熱處理工藝基本知識

1、2021/3/231p 鋼的退火和正火p 鋼的淬火和回火p 其它熱處理2021/3/2329.1 鋼的退火與正火 9.1.1 退火操作及其應用 退火:將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當?shù)臏囟?保溫一定時間,然后緩慢冷卻(例如隨爐冷卻),以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做“退火”。 2021/3/2331完全退火完全退火 方法方法:將亞共析鋼加熱到將亞共析鋼加熱到Ac3以上以上3050,保溫一定時間緩慢冷卻保溫一定時間緩慢冷卻(隨隨 爐冷卻或埋入石灰、干沙中自然冷卻爐冷卻或埋入石灰、干沙中自然冷卻)到到500以下以下,取出空冷。取出空冷。 目的目的:先得到均勻的奧氏體先得到均勻的奧氏體,緩慢冷

2、緩慢冷 卻卻轉變基本接近相圖描述轉變過程轉變基本接近相圖描述轉變過程,得到得到接近平衡組織接近平衡組織,降低硬度降低硬度,便于加工便于加工,消除消除內應力。內應力。 用途用途:碳鋼和合金鋼的鍛、鑄、軋制型碳鋼和合金鋼的鍛、鑄、軋制型材材,可作為一般要求工件的最終熱處理可作為一般要求工件的最終熱處理,大多為重要零件的預先熱處理。大多為重要零件的預先熱處理。 適用對象適用對象:0.30.6%C。低碳或過共。低碳或過共 析鋼不適用。析鋼不適用。 保溫時間保溫時間:t=KD (min),D為工件有效為工件有效厚度厚度(mm),一般一般K=1.52.0min/mm。2021/3/2342等溫退火等溫退火

3、 完全退火需要的時間很長,尤其是過冷奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼,可以采用等溫退火等溫退火工藝取代完全退火。方法方法:加熱方法同上(將亞共析鋼加熱到Ac3以上3050,保溫一定時間),在溫度到珠光體轉變開始前快速冷卻(打開爐門,甚至吹風)到珠光體轉變溫度區(qū)保溫到珠光體轉變完畢后,取出空冷。 目的和用途目的和用途同完全退火,效率和組織控制較好。2021/3/2353. 球化退火 方法:將過共析鋼加熱到Ac1以上3050,保溫2-4h,時間,冷卻到Ar1溫度附近時要足夠慢的冷卻(保溫冷卻,比隨爐冷卻還要緩慢)。 目的:最終組織為鐵素體的基體上均勻分布顆粒狀的滲碳體,稱為球狀珠光體。用途:降低過共析鋼材料

4、的硬度,保證足夠的韌性,便于進行機械加工,均勻組織為以后淬火作好組織準備。 2021/3/2364. 去應力退火去應力退火 方法方法:將鋼較慢將鋼較慢(100150/hr)加熱到加熱到500650(低于低于A1),保溫后隨爐慢冷保溫后隨爐慢冷(50100/hr)到到200300以下出爐。以下出爐。 目的目的:無相變發(fā)生無相變發(fā)生,組織沒有明顯變化組織沒有明顯變化,可完全消除殘余內應力?？赏耆龤堄鄡葢?。如果材料原始有大的彈性應變能存在如果材料原始有大的彈性應變能存在,可發(fā)生再結晶可發(fā)生再結晶,組織也會有對應的組織也會有對應的變化。變化。 用途用途: 鍛造冷卻未全恢復塑性變形鍛造冷卻未全恢復

5、塑性變形,鑄件的冷卻熱應力鑄件的冷卻熱應力,焊接構件的熱焊接構件的熱應力應力,拉、拔、擠壓的加工硬化等都會存在殘余內應拉、拔、擠壓的加工硬化等都會存在殘余內應,利用去應力退火可利用去應力退火可以消除變形或其它原因產(chǎn)生的內應力。以消除變形或其它原因產(chǎn)生的內應力。 2021/3/2379.1.2 正火正火將鋼加熱到將鋼加熱到Ac3和和Accm以上以上3050,保溫得到均勻的奧氏體后保溫得到均勻的奧氏體后,從爐從爐中取出自然空冷中取出自然空冷,發(fā)生珠光體型轉變的熱處理工藝稱為發(fā)生珠光體型轉變的熱處理工藝稱為“正火正火”。由于冷速大于退火由于冷速大于退火,得到的珠光體組織較細得到的珠光體組織較細,材料

6、硬度和強度均比退火材料硬度和強度均比退火要高。合金鋼在空氣中冷卻可能發(fā)生珠光體型、貝氏體型甚至馬氏要高。合金鋼在空氣中冷卻可能發(fā)生珠光體型、貝氏體型甚至馬氏體型相變體型相變,但正火一般是指空冷時珠光體轉變的這一部分。但正火一般是指空冷時珠光體轉變的這一部分。用途用途:1)中低碳鋼用正火代替退火進行預先熱處理,改善加工性能。2)普通結構鋼(中碳鋼)正火盡管未達到最佳性能,但可達到希望的強度和韌性,可以進行機械加工,作為最終熱處理的成本較低。3)過共析鋼正火時,可抑制二次滲碳體網(wǎng)狀析出,對已經(jīng)存在網(wǎng)狀碳化物的工具鋼,利用正火先溶化后抑制,用來消除網(wǎng)狀碳化物,為下一部的球化處理作組織準備。2021/

7、3/2389.2 鋼的淬火 淬火:將鋼加熱到臨界點以上,保溫一定時間進行奧氏體化,然后快速冷卻到Ms點以下,發(fā)生馬氏體轉變的熱處理工藝,叫作“淬火”。 目的:鋼的淬火組織主要是馬氏體,可以提高鋼的高硬度,保證高的耐磨性和承受高的接觸應力。雖然馬氏體不是熱處理所要得到的最終組織,但馬氏體再經(jīng)過適當?shù)幕鼗?可以得到需要的組織和使用性能,最終達到理想的性能。 2021/3/2399.2.1 淬火加熱溫度 淬火加熱溫度的確定應以獲得晶粒細小、成分均勻的奧氏體為原則,以便得到細小的馬氏體組織。 亞共析鋼:Ac3以上3050,鐵素體可以全部溶解得到得到單一的奧氏體,從而消除未溶鐵素體而帶來的軟相。也不宜過

8、高,防止奧氏體晶粒粗大帶來馬氏體粗大,并且溫度高帶來的熱變形也將嚴重。過共析鋼:含碳量在0.8以上時, Ac1以上3050。這時得到的馬氏體有了足夠的硬度同時保持未溶解的顆粒狀碳化物也可以提高材料的硬度和耐磨性。如果加熱溫度過高,淬火開裂的傾向加大,淬火后殘余奧氏體量增加反而降低硬度;合金鋼:合金元素大多可以阻止奧氏體晶粒長大,為了合金元素的均勻,加熱溫度和保溫時間都要比碳鋼稍微提高一些。 2021/3/23109.2.2 淬火冷卻介質 理想的淬火冷卻速度 為保證得到多的馬氏體,冷卻速度應該大于臨界冷卻速度Vc;為防止零件變形、開裂,冷卻應慢一些。所以理想的冷卻速度如圖,開始冷卻慢一些,在快要

9、發(fā)生組織轉變時快冷,以躲開鼻子尖,隨后又慢冷讓馬氏體轉變慢慢的進行。 常用淬火介質p鹽水、堿水 1015的NaCl水溶液是最強的冷卻介質。p清水 直接冷卻和沸騰的蒸汽冷卻,冷卻能力也很強。 p堿浴、硝鹽浴 熔融的氫氧化鈉、硝酸鹽、亞硝酸鹽導熱能力很強,在120180以上的高溫下有好的冷卻能力。 p礦物油 冷卻能力約為水的1/41/8,用于奧氏體較穩(wěn)定鋼,如大多數(shù)合金鋼,可以有效防止零件的變形開裂。 2021/3/23119.2.3 淬火方法 1. 單液淬火 直接放入某介質(水或油)中冷卻到室溫。方法簡單,易于操作。 2. 雙液淬火(水淬油冷) 對復雜碳鋼零件,先在水或鹽水中快速冷卻,躲開鼻子溫

10、度,估計溫度低于500時立即轉入油中,放慢冷卻速度繼續(xù)冷卻到室溫。3. 分級淬火 淬入150260硝鹽浴中躲過了鼻尖,停留一段時間讓表面和心部溫度均勻,熱應力松弛。取出空冷。 4. 等溫淬火 直接淬入硝鹽浴中保溫,發(fā)生貝氏體轉變。 5. 局部淬火 局部加熱法或局部冷卻法6. 冷處理 冷卻到室溫以下的過程稱為“冷處理”。 2021/3/23129.2.4 淬火組織缺陷 1.加熱缺陷 過熱、過燒、氧化脫碳、奧氏體晶粒過大等。2.硬度不足或出現(xiàn)軟點 前者是整體硬度低于要求,后者是個別部位硬度低于要求。產(chǎn)生原因有加熱不足,冷卻介質的冷卻能力不夠,工件表面不干凈,局部散熱不良等。 3.變形與開裂 零件淬

11、火后發(fā)生變形是熱應力和組織應力綜合作用的結構,完全不變形是困難的,但超量的變形甚至開裂則是要防止的。減小變形的途徑有:零件結構設計合理,結構對稱,避免過大的尺寸突變;淬火前組織要均勻,必要時經(jīng)過退火或正火;加熱溫度適當,不要過熱;冷卻介質和方法適當,包括入水的角度;及時回火,防止當時未裂在放置時開裂。 2021/3/23139.2.5 鋼的淬透性 當試樣尺寸較大時,從表面向內冷卻速度逐漸減小,當冷卻速度低于Vc,就不能得到全部馬氏體,隨著深度的加深,馬氏體的數(shù)量愈來愈少,到達一定的深度后,冷卻速度低于Vc,根本不能發(fā)生馬氏體相變。所以大尺寸試樣想全部得到馬氏體是不可能的,隨著馬氏體數(shù)量的減少,

12、對應的硬度也不斷下降,通常把淬火鋼從表面到馬氏體組織占50處的距離成為淬透層深度。實際淬透層的深度除了與材料本身有關外,還與試樣的大小、冷卻方式有密切的關系。 淬透層深度1. 淬透性的概念2021/3/2314同樣形狀和尺寸的工件,在同樣加熱和冷卻條件下淬火,由于鋼種類不同,淬透層的深度將不同,把鋼在淬火后能獲得淬透層深度的一種性質或獲得馬氏體的能力叫淬透性。它是一種材料特性,與零件的尺寸和淬火工藝無關,并不直接表明鋼淬火能得到多大的淬透層深度,同樣淬透性的鋼,用不同冷卻方法得到的淬透層深度是不一樣的 。淬透性2021/3/2315淬硬性淬硬性 指在正常情況下指在正常情況下,淬火后能得到多高的

13、硬度淬火后能得到多高的硬度,也就是形也就是形成全部馬氏體所能達到的最高硬度。顯然它決定于淬火時成全部馬氏體所能達到的最高硬度。顯然它決定于淬火時奧氏奧氏體的含碳量體的含碳量。淬火后的實際硬度決定于鋼的淬硬性和實際獲得。淬火后的實際硬度決定于鋼的淬硬性和實際獲得的馬氏體比例。的馬氏體比例。 鋼的淬透性好壞取決于鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性,即C曲線上的臨界冷卻速度。總的來說有:1) 鋼的含碳量,共析鋼的淬透性最高;2) 合金元素中除Co外,絕大部分都使C曲線右移,提高淬透性;鋼的成分組織不均勻,或因含有某些微量雜質,組成第二相質點存在,可促使奧氏體分解,降低鋼的淬透性;3) 奧氏體化的溫度、時間參數(shù)影

14、響奧氏體的均勻性和穩(wěn)定性,影響淬透程度,但這不全部為材料特征。 影響淬透性的因素影響淬透性的因素2021/3/23162. 淬透性的測定方法淬透性的測定方法 目前普遍采用的是“末端淬火法”(簡稱端淬)方法,按國家標準GB22563執(zhí)行。 將f25100的試樣加熱奧氏體化后,迅速放在專門的設備中噴水冷卻。噴水條件:噴水管孔直徑f12.5,水溫23-30,自由水柱高度655mm,噴水口到端面距離12.5mm。測量出到端面不同距離的硬度,作出硬度距離曲線,即淬透性曲線。 淬透性的表示方法淬透性的表示方法:JHRC-d,其中J表示端淬法,HRC為硬度,d到端面的距離。J40-6表示在淬透性帶上距末端6

15、mm處的硬度為40HRC。顯然J40-6比J35-6淬透性好。2021/3/23173. 淬透性的意義淬透性的意義 鋼的淬透性不同,淬火后表層和心部的組織、性能也有一定的差別,在機械設計和施工工藝主要注意以下問題:1) 重要零件對心部性能要求較高的,如連桿、鍛模等,為保證心部的性能需要淬透,選用淬透性較高的鋼;對焊接件為減小熱影響區(qū)內出現(xiàn)淬火組織,造成變形開裂,應用淬透性較低的鋼為宜。 2) 根據(jù)鋼的淬透性不同,在淬火時選用合適的淬火冷卻介質。 3) 對于大尺寸、低淬透性的鋼,反正淬不透,進行淬火后回火的意義不大,經(jīng)常直接用正火來代替調質,可以減少因淬火帶來的可能開裂,工藝簡單經(jīng)濟。 2021

16、/3/23182021/3/23199.3 鋼的回火鋼的回火 9.3.1 回火概念回火概念 p 消除內應力消除內應力 鋼在淬火后,存在較大的內應力,加上淬火馬氏體性能較脆時,容易出現(xiàn)開裂,有的零件淬火當時未裂,在大的內應力作用下,放置或稍有受力就開裂。利用回火可以消除或減小內應力,達到防止以后變形開裂。將淬火后的工件,加熱到A1以下的某一溫度,保溫一段時間,然后冷卻到室溫的一種熱處理工藝操作叫“回火”。 目的目的2021/3/23209.3.5 回火種類及其應用回火種類及其應用 回火溫度為回火溫度為150250,得到的組織為得到的組織為回火馬氏體回火馬氏體,保保留淬火時的高硬度留淬火時的高硬度

17、,消除淬火的殘余應力。這時鋼有消除淬火的殘余應力。這時鋼有好的耐磨性好的耐磨性,常用于軸承、冷作模具的熱處理常用于軸承、冷作模具的熱處理,回火溫回火溫度低于度低于200時時,硬度可達到硬度可達到5864HRC。 低溫回火低溫回火2021/3/2321 回火溫度為回火溫度為350500,得到的組織是回火屈氏體,在具有一定韌性的同時,有高的彈性極限和屈服強度。主要用于彈簧類和要求較高強度硬度又要一定韌性的工件,如刀桿、軸套等。 中溫回火中溫回火2021/3/2322 回火溫度為500650,得到的組織是回火索氏體,目的是使鋼得到強度、硬度、塑性、韌性有良好配合的綜合力學性能,尤其是沖擊韌性高,且可

18、以直接進行機械加工。淬火后進行高溫回火的工藝通常稱為“調質”處理。主要用于承受較大應力,特別是有沖擊應力場合下的結構零件,如各種軸、連桿、齒輪等,對具有第二類回火脆性的鋼注意回火后應在水或油中冷卻。 高溫回火2021/3/23239.4 鋼的表面熱處理 機械零件在服役時,常常要求表面與心部具有不同的力學性能,能更好的發(fā)揮材料的潛力作用。例如在機械中常用的齒輪,表面承受巨大的接觸應力,希望有高的硬度來提高其耐磨性和接觸疲勞抗力,同時又要傳遞動力,齒部經(jīng)受彎曲疲勞,要求材料有高的韌性,但一般材料當硬度高時韌性就差,然而若材料表面具有高硬度,心部有高的韌性就可以兼顧二者的需求,內燃機的曲軸也是同樣的

19、情況,傳遞動力且軸頸處耐磨。達到材料表面和心部具有不同性能的方法可能多種:一種是相同的材料,表面和心部經(jīng)過不同方式的熱處理;另一種方法是通過改變材料表面成分的方法來達到具有不同的性能。 2021/3/23249.4.1 表面淬火表面淬火 1.基本原理基本原理: 首先對零件進行整體熱處理首先對零件進行整體熱處理,讓零件心部達到要讓零件心部達到要求的性能求的性能,例如軸、機床齒輪類先進行調質例如軸、機床齒輪類先進行調質,再利用快速加熱再利用快速加熱的方法的方法,只將工件的部分表層奧氏體化只將工件的部分表層奧氏體化,然后淬火。表面淬火然后淬火。表面淬火不改變材料的化學成分不改變材料的化學成分,只表面

20、獲得馬氏體組織只表面獲得馬氏體組織,得到強化和得到強化和硬化心部組織并不發(fā)生變化硬化心部組織并不發(fā)生變化,保持高的韌性。保持高的韌性。2.淬火組織淬火組織: 加熱時加熱時,從表面到心部的溫度不同從表面到心部的溫度不同,淬火后組織也淬火后組織也不同不同,最表層加熱溫度到最表層加熱溫度到 Ac3以上以上,為細小的馬氏體為細小的馬氏體,可能有少可能有少量未溶的鐵素體量未溶的鐵素體;次表層溫度在次表層溫度在Ac1Ac3之間之間,加熱組織為加熱組織為鐵素體加奧氏體鐵素體加奧氏體,淬火組織為鐵素體加馬氏體或鐵素體加屈淬火組織為鐵素體加馬氏體或鐵素體加屈氏體氏體;里層溫度在里層溫度在 Ac1以下以下,未奧氏

21、體化未奧氏體化,不可能形成馬氏體不可能形成馬氏體,心部依然保留原始組織。心部依然保留原始組織。2021/3/23253. 加熱方加熱方法法感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火工件置于中頻或高頻工件置于中頻或高頻(500-500kHz)的交的交變磁場中變磁場中,在工件上有感應電流在工件上有感應電流,由于電由于電流的集膚效應流的集膚效應,電流集中于表層電流集中于表層,大的電大的電流產(chǎn)生的熱量將工件表面迅速達到流產(chǎn)生的熱量將工件表面迅速達到 8001000,然后迅速置于水中或噴水冷然后迅速置于水中或噴水冷卻卻,達到表層淬硬的結果。由于加熱速度達到表層淬硬的結果。由于加熱速度快快,溫度高溫度高,奧氏體晶粒

22、細奧氏體晶粒細,硬度高于普通硬度高于普通淬火硬度淬火硬度23HRC,象象45、40Cr、40MnB經(jīng)正火或調質后表面淬火經(jīng)正火或調質后表面淬火,表層表層硬度大于硬度大于50HRC。2021/3/2326感應加熱表面淬火感應加熱表面淬火感應功率越大感應功率越大,頻率越高頻率越高,淬硬層越淺。如淬硬層越淺。如20-500kHz獲獲得的淬硬層得的淬硬層2mm,而而0.510kHz下淬硬層為下淬硬層為26mm。此外感應圈的形狀和結構對淬火質量也有很大的影響。此外感應圈的形狀和結構對淬火質量也有很大的影響。 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火用氧乙炔用氧乙炔(或其它燃料氣或其它燃料氣)的高溫火焰的高溫火焰

23、,可達近可達近3000,快快速加熱工件的表面速加熱工件的表面,使表層迅速達到淬火溫度使表層迅速達到淬火溫度,噴水冷卻噴水冷卻,也也能達到表面淬火的目的。根據(jù)操作者控制能達到表面淬火的目的。根據(jù)操作者控制,淬硬層深度可在淬硬層深度可在0.86mm范圍。優(yōu)點是簡單、方便、價廉范圍。優(yōu)點是簡單、方便、價廉,特別是大型工特別是大型工件件,但質量的控制完全決定于操作者。但質量的控制完全決定于操作者。 2021/3/23279.4.2 化學熱處理簡介化學熱處理簡介 化學熱處理是將材料置于一定的化學介質中加熱、保溫化學熱處理是將材料置于一定的化學介質中加熱、保溫,使介質中一使介質中一種或幾種元素的原子滲入工

24、件表層種或幾種元素的原子滲入工件表層,以改變工件表層化學成分和組織以改變工件表層化學成分和組織結構結構,來獲得心部和表層兼顧有不同性能要求的熱處理方法。來獲得心部和表層兼顧有不同性能要求的熱處理方法。 過程過程:1)介質分解出活性原子介質分解出活性原子 介質加熱分解釋放出待滲活性原子介質加熱分解釋放出待滲活性原子;2)界面上的原子交換界面上的原子交換 活性原子被材料表面吸收和溶解活性原子被材料表面吸收和溶解;3)材料內原子的擴散材料內原子的擴散 吸收滲入的原子向內部擴散吸收滲入的原子向內部擴散,形成一定的擴散形成一定的擴散層層,以保溫時間來控制擴散層的深度。以保溫時間來控制擴散層的深度。 種類

25、種類: 鋼利用化學熱處理能改變的成分有鋼利用化學熱處理能改變的成分有C、N、O、H、B等原子尺等原子尺寸較小的元素或少數(shù)活性元素寸較小的元素或少數(shù)活性元素,如如Al。在熱處理中無論有意或無意。在熱處理中無論有意或無意使鋼表層發(fā)生成分變化的有氧化還原、脫碳、使鋼表層發(fā)生成分變化的有氧化還原、脫碳、滲碳滲碳、氮化、滲硼、氮化、滲硼、滲鋁等。滲鋁等。 2021/3/23289.4.3 滲滲 碳碳 1.目的及用途目的及用途: 提高鋼制工件表面的含碳量然后淬火提高鋼制工件表面的含碳量然后淬火,達到提高工件表達到提高工件表面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞性面硬度、耐磨性和抗接觸疲勞性,并使心部具有良好的塑性和韌

26、性。并使心部具有良好的塑性和韌性。主要用于承受強摩擦、沖擊應力及易發(fā)生接觸疲勞損傷的零件主要用于承受強摩擦、沖擊應力及易發(fā)生接觸疲勞損傷的零件,如汽如汽車齒輪、銷軸、鏈條、套筒、摩擦片等。車齒輪、銷軸、鏈條、套筒、摩擦片等。2. 滲碳用鋼滲碳用鋼 低碳鋼或低碳合金鋼低碳鋼或低碳合金鋼,淬火后心部得到低碳馬氏體淬火后心部得到低碳馬氏體,保持好的塑性和保持好的塑性和韌性。韌性。3.滲碳方法滲碳方法:為了環(huán)保和便于控制為了環(huán)保和便于控制,目前基本上都采用氣體滲碳法。通入爐內的有目前基本上都采用氣體滲碳法。通入爐內的有丙烷、天然氣或滴入甲醇、乙醇、丙酮、煤油等丙烷、天然氣或滴入甲醇、乙醇、丙酮、煤油等

27、,經(jīng)過一次高溫分解經(jīng)過一次高溫分解后后,氣體的主要成分有氣體的主要成分有CO、CO2、H2、H2O、CH4、N2等。按化學平等。按化學平衡原理衡原理,存在一定量的活性碳存在一定量的活性碳C,可以向奧氏體中溶解?？梢韵驃W氏體中溶解。2021/3/23294. 基本原理基本原理分解、吸附、擴散 三過程a. 活性原子的產(chǎn)生活性原子的產(chǎn)生 2CO CO2+C;CH4 2H2+C; CO+H2 H2O+C 對于滲氮: 2NH3 3H2+2N ; 由于活性原子處于高能狀態(tài),能克服鋼件表面鐵原子的結合力進入其表層晶格。加入催化劑促進活性原子的產(chǎn)生 ,如Na2CO3、BaCO3等分解放出CO2, CO2再和碳粒反應生成CO, CO在鋼表面反應分解出 C。b. 活性原子的吸附和擴散活性原子的吸附和擴散 鋼件表面存在很多位錯和晶界露頭,為活性原子滲入提供了通道。表面越干凈、越新鮮,粗糙度高,吸附能力越強。一般滲前對鋼件表面采用化學方法進行輕微侵蝕,促進原子吸附和擴散。2021/3/23305.