鑄鋼件常見熱處理工藝

1、鑄鋼件常見熱處理按加熱和冷卻條件不同， 鑄鋼件的主要熱處理方式有： 退火 （工藝 代號：5111） 、正火（工藝代號： 5121） 、均勻化處理、 淬火（工藝代號： 5131） 、回火（工藝代號： 5141） 、固溶處理 （工藝代號： 5171） 、沉淀 硬化、消除應(yīng)力處理及除氫處理。1退火（工藝代號： 5111） 退火是將鑄鋼件加熱到 Ac3 以上 2030，保溫一定時間，冷卻的熱處理工藝。退火的目的是為消 除鑄造組織中的柱狀晶、粗等軸晶、魏氏組織和樹枝狀偏析，以改善 鑄鋼力學(xué)性能。碳鋼退火后的組織：亞共析鑄鋼為鐵素體和珠光體， 共析鑄鋼為珠光體， 過共析鑄鋼為珠光體和碳化物。 適用于所有牌

2、號 的鑄鋼件。圖 114 為幾種退火處理工藝的加熱規(guī)范示意圖。 表 ll1 為鑄鋼件常用退火工藝類型及其應(yīng)用。2正火（工藝代號： 5121） 正火是將鑄鋼件目口熱到 Ac3溫 度以上 3050 保溫，使之完全奧氏體化，然后在靜止空氣中冷卻 的熱處理工藝。圖 115 為碳鋼的正火溫度范圍示意圖。正火的目 的是細(xì)化鋼的組織， 使其具有所需的力學(xué)性能， 也司作為以后熱處理 的預(yù)備處理。 正火與退火工藝的區(qū)別有兩個： 其一是正火加熱溫度要 偏高些；其二是正火冷卻較快些。 經(jīng)正火的鑄鋼強(qiáng)度稍高于退火鑄鋼， 其珠光體組織較細(xì)。 一般工程用碳鋼及部分厚大、 形狀復(fù)雜的合金鋼 鑄件多采用正火處理。正火可消除共

3、析鑄鋼和過共析鑄鋼件中的網(wǎng)狀碳化物， 以利于 球化退火； 可作為中碳鋼以及合金結(jié)構(gòu)鋼淬火前的預(yù)備處理， 以細(xì)化 晶粒和均勻組織，從而減少鑄件在淬火時產(chǎn)生的缺陷。3淬火 (工藝代號： 5131) 淬火是將鑄鋼件加熱到奧氏體化 后(Ac。或 Ac#8226; 以上)，保持一定時間后以適當(dāng)方式冷卻，獲 得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。 常見的有水冷淬火、 油冷淬火 和空冷淬火等。 鑄鋼件淬火后應(yīng)及時進(jìn)行回火處理， 以消除淬火應(yīng)力 及獲得所需綜合力學(xué)性能。圖 116 為淬火回火工藝示意圖。鑄鋼件淬火工藝的主要參數(shù)：(1)淬火溫度：淬火溫度取決于鑄鋼的化學(xué)成分和相應(yīng)的臨界 溫度點(diǎn)。圖 117 為鑄鋼件

4、淬火工藝溫度范圍示意圖。原則上，亞 共析鑄鋼淬火溫度為 Ac。以上 20 30，常稱之為完全淬火。共析 及過共析鑄鋼在 Ac。以上 30 50淬火，即所謂亞臨界淬火或兩相 區(qū)淬火。這種淬火也可用于亞共析鋼， 所獲得的組織較一般淬火的細(xì)， 適用于低合金鑄鋼件韌化處理。(2)淬火介質(zhì)：淬火的目的是得到完全的馬氏體組織。為此， 鑄件淬火時的冷卻速率必須大于鑄鋼的臨界冷卻速率。 否則不能獲得 馬氏體組織及其相應(yīng)的性能。 但冷卻速率過高易于導(dǎo)致鑄件變形或開 裂。為了同時滿足上述要求， 應(yīng)根據(jù)鑄件的材質(zhì)選用適當(dāng)?shù)拇慊鸾橘|(zhì)， 或采用其他冷卻方法 （如分級冷卻等 ）。在 650 400 區(qū)間鋼的過冷 奧氏體等

5、溫轉(zhuǎn)變速率最快，因此鑄件淬火時應(yīng)保證在此溫度內(nèi)快冷。 在 Ms 點(diǎn)以下希望冷卻緩慢一些，以防止淬火變形或開裂。淬火介質(zhì) 通常采用火、水溶液、油和空氣。在分級淬火或等溫淬火時，采用熱 油、熔融金屬、熔鹽或熔堿等。4回火 （工藝代號： 5141） 回火是將淬火或正火后的鑄鋼件 加熱到 Ac ，以下的某一選定溫度，保溫一定時間后，以適宜的速率 冷卻，使淬火或正火后得到的不穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織， 消除淬火 （或正火 ）應(yīng)力以及提高鑄鋼的塑性和韌性的一種熱處理工藝。通常淬 火加高溫回火處理的工藝稱之為調(diào)質(zhì)處理。 淬火后的鑄鋼件必須及時 進(jìn)行回火， 而正火后的鑄鋼件必要時才予以回火處理。 回火后鑄鋼件

6、的性能取決于回火溫度、 時間及次數(shù)。 隨著回火溫度的提高和時間的 延長，除使鑄鋼件的淬火應(yīng)力消除外， 還使不穩(wěn)定的淬火馬氏體轉(zhuǎn)變 成回火馬氏體、托氏體或索氏體，使鑄鋼的強(qiáng)度和硬度降低，而塑性 顯著地提高。對一些含有強(qiáng)烈形成碳化物的合金元素 （如鉻、鉬、釩 和鎢等）的中合金鑄鋼， 在400500回火時出現(xiàn)硬度升高、 韌性下 降的現(xiàn)象，稱為二次硬化， 即回火狀態(tài)鑄鋼的硬度達(dá)到最大值。一般 有二次硬化特性的中合金鑄鋼需要進(jìn)行多次 （13 次 ）回火處理。鑄鋼件的回火按溫度不同可分為低溫回火和高溫回火（1）低溫回火：一般在 150 250 溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。回火后可 空冷、油冷或水冷。其目的是在保留鑄件

7、高強(qiáng)度和硬度的條件下，消 除淬火應(yīng)力。主要用于滲碳、表面淬火及要求高硬度的耐磨鑄鋼件。（2）高溫回火：高溫回火溫度為 500 650，保溫適當(dāng)時間后 冷卻。主要用于在淬火或正火后調(diào)鑄鋼的組織， 使之兼有高強(qiáng)度和良 好韌性的碳鋼和低、 中合金鋼鑄件。 回火脆性是制定合金鋼鑄件回火 工藝時必須注意的問題。在下列兩個溫度范圍內(nèi)均可發(fā)生。在 250400 發(fā)生的脆性：經(jīng)淬火成為馬氏體組織的鑄鋼， 在此溫度范圍內(nèi)都會產(chǎn)生回火脆性。 如稍高于此脆性溫度區(qū)回火， 則 可消除此回火脆性。 而且以后再在上述溫度范圍內(nèi)回火時， 也不會再 出現(xiàn)回火脆性，故常稱之為第一類回火脆性。在 400500 （甚至 650）發(fā)

8、生的脆性：這對多數(shù)低合金鑄 鋼都會發(fā)生， 即發(fā)生鑄鋼的高溫回火脆性。 如將已在此溫度范圍內(nèi)產(chǎn) 生脆性的鑄鋼件再加熱到 600。C（或 650 ）以上，之后在水或油中 快冷，即可消除此種脆性。 然而已消除脆性的鑄件，如又加熱到產(chǎn)生 回火脆性的溫度，脆性又會出現(xiàn)。這常稱之為第二類回火脆性。5固溶處理 （工藝代號： 5171） 固溶處理是將鑄件加熱至適 當(dāng)溫度并保溫， 使過剩相充分溶解， 然后快速冷卻以獲得過飽和固溶 體的熱處理工藝。 固溶處理的主要目的是使碳化物或其他析出相溶解 于固溶體中，獲得過飽和的單相組織。一般奧氏體不銹耐熱鋼、奧氏 體錳鋼及沉淀硬化不銹耐熱鋼鑄件均需經(jīng)固溶處理。 固溶溫度的

9、選擇取決于鋼種的化學(xué)成分和相圖。 奧氏體錳鋼鑄件一般為 1000 1100C；奧氏體鎳鉻不銹鋼鑄件為 1000 1250 。鑄鋼中含碳量越高， 難熔合金元素越多，則其固溶溫度應(yīng)越高。含銅的沉淀硬化鑄鋼，由 于鑄態(tài)有硬質(zhì)富銅相在冷卻過程中沉淀， 致使鑄鋼件硬度升高。 為軟 化組織、改善加工性能，鑄鋼件需經(jīng)固溶處理。其固溶溫度為 900 950。經(jīng)快冷后可得到銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10 15的過飽和單 相組織。6沉淀硬化處理 （時效處理 ） 鑄件經(jīng)固溶處理或淬火后， 在室 溫或高于室溫的適當(dāng)溫度保溫， 在過飽和固溶體中形成溶質(zhì)原子偏聚 區(qū)和（或）析出彌散分布的強(qiáng)化相而使金屬硬化的處理稱為沉淀硬化 處理

10、（或時效處理 ）。在高于室溫下進(jìn)行的稱為人工時效。其實(shí)質(zhì)是： 在較高的溫度下，自過飽和固溶體中析出碳化物、氮化物、金屬間化 合物及其他不穩(wěn)定的中間相， 并彌散分布于基體中， 因而使鑄鋼的綜 合力學(xué)性能和硬度提高。時效處理的溫度直接影響鑄鋼件的最終性 能。時效溫度過低，沉淀硬化相析出緩慢；溫度過高，則因析出相的 聚集長大引起過時效， 而得不到最佳的性能。 所以應(yīng)根據(jù)鑄鋼件的牌 號及規(guī)定的性能要求選用時效溫度。 奧氏體耐熱鑄鋼時效溫度一般為 550 850 ，高強(qiáng)度沉淀硬化鑄鋼為 500，時間為 14h。含銅 的低合金鋼和奧氏體耐熱鋼鑄件以及低合金的奧氏體錳鋼鑄件多采 用時效處理。圖 11-8 為

11、截面 25mm 試樣的時效效果。7消除應(yīng)力處理其目的是消除鑄造應(yīng)力、淬火應(yīng)力和機(jī)械加 工形成的應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸。一般加熱到 Ac，以下 100200 保溫一 定時間，隨爐慢冷。鑄件的組織沒有變化。碳鋼、低合金鋼或高合金 鋼鑄件均可以進(jìn)行處理。8除氫處理 目的是去除氫氣， 提高鑄鋼的塑性。加熱到 l70200 或 280 320 ，長時間保溫進(jìn)行處理。沒有組織變化。主要 用于易于產(chǎn)生氫脆傾向的低合金鋼鑄件。二、 鋼的整體熱處理整體熱處理是對工件整體進(jìn)行穿透加熱。常用的方法有退火、正 火、淬火和回火1鋼的退火與正火（1）退火與正火的目的在機(jī)器零件和工模具等工件的加工制造過程中，退火和正火經(jīng)常 作為預(yù)

12、備熱處理工序，安排在鑄、鍛、焊工序之后、切削（粗）加工 之前，用以消除前一工序所帶來的某些缺陷，為隨后的工序做準(zhǔn)備。 例如，在鑄造或鍛造等熱加工以后，鋼件中不但存在殘余應(yīng)力，而且 組織粗大不均勻，成分也有偏析，這樣的鋼件力學(xué)性能低劣，淬火時 也容易造成變形和開裂。又如，在鑄造或鍛造等熱加工以后，鋼件硬 度經(jīng)常偏低或偏高，而且不均勻，嚴(yán)重影響切削加工性能。退火和正火的主要目的有： 調(diào)整硬度以便進(jìn)行切削加工； 消除殘余應(yīng)力，防止鋼件的變形、開裂； 細(xì)化晶粒，改善組織以提高鋼的力學(xué)性能； 為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。（2）退火工藝及應(yīng)用鋼的退火是將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷 卻，以獲

13、得接近平衡組織狀態(tài)的熱處理工藝。 完全退火與等溫退火 完全退火是指將鋼件完全奧氏體化（加 熱至 Ac3 以上 3050）后，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的 退火工藝。生產(chǎn)中為提高生產(chǎn)率，一般隨爐冷至 600 左右，將工件 出爐空冷。完全退火的主要缺點(diǎn)：完全退火主要用于：圖 3-15 高速工具鋼的完全退火與等溫退火工藝曲線為縮短完全退火時間， 生產(chǎn)中常采用等溫退火工藝， 即將鋼件加熱 到 Ac3 以上 3050（亞共析鋼）或 Ac1 以上 1020（共析鋼、 過共析鋼），保溫適當(dāng)時間后，較快冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的適 當(dāng)溫度并保持等溫， 使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織， 然后在空氣中冷 卻的退火

14、工藝。等溫退火與完全退火目的相同，但轉(zhuǎn)變較易控制，所用時間比 完全退火縮短約 13，并可獲得均勻的組織和性能。特別是對某些 合金鋼，生產(chǎn)中常用等溫退火來代替完全退火或球化退火。圖 3-15 為高速工具鋼完全退火與等溫退火的比較。 球化退火 是指將共析鋼或過共析鋼加熱到 Ac1 點(diǎn)以上 10 20，保溫一定時間后， 隨爐緩冷至室溫， 或快冷到略低于 Ar1溫度， 保溫一段時間， 然后爐空至 600 左右空冷， 使鋼中碳化物球狀化的 退火工藝，如圖 3-16 所示。圖 3-16 T10 鋼的球化退火工藝曲線 圖 3-17 粒狀珠 光體顯微組織過共析鋼及合金工具鋼熱加工后，組織中常出現(xiàn)粗片狀珠光體和

15、 網(wǎng)狀二次滲碳體，鋼的硬度和脆性不僅增加，鋼的切削性變差，且淬 火時易產(chǎn)生變形和開裂。為消除上述缺陷，可采用球化退火，使珠光 體中的片狀滲碳體和鋼中網(wǎng)狀二次滲碳體均呈球（粒）狀，這種在鐵 素體基體上彌散分布著球狀滲碳體的復(fù)相組織，稱為 “球化體 ”，如圖 3-17 所示。對于存在有嚴(yán)重網(wǎng)狀二次滲碳體的鋼，可在球化退火前，先進(jìn)行 一次正火。近些年球化退火的發(fā)展與應(yīng)用（自閱） 去應(yīng)力退火（見書）若采用高溫退火（如完全退火），也可以更徹底地消除應(yīng)力，但 會使氧化、脫碳嚴(yán)重，還會產(chǎn)生高溫變形，故為了消除應(yīng)力，一般是 采用低溫退火。 擴(kuò)散退火（均勻化退火）（見書）（3）正火工藝及應(yīng)用正火是指將鋼件加熱到

16、 Ac3（亞共析鋼）或 Accm（過共析鋼）以 上 3050 ，經(jīng)保溫后在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火與退火的主要區(qū)別是正火冷卻速度稍快，得到的組織較細(xì) 小，強(qiáng)度和硬度有所提高，操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本較低。低碳 鋼和低碳合金鋼經(jīng)正火后，可提高硬度，改善切削加工性能（ 170 230HBS 范圍內(nèi)金屬切削加工性較好） ；對于中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較重 要件，可作為預(yù)先熱處理， 為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備；對于過共析 鋼，可消除網(wǎng)狀二次滲碳體為球化退火作好組織準(zhǔn)備。 對于使用性能 要求不高的零件， 以及某些大型或形狀復(fù)雜的零件， 當(dāng)淬火有開裂危 險時，可采用正火作為最終熱處理。幾種退火與正火的加熱溫度

17、范圍及熱處理工藝曲線，如圖3-18 所示。（a）加熱溫度范圍（ b） 熱處理工藝曲線圖 3-18 幾種退火與正火工藝示意圖2鋼的淬火與回火1）淬火是將鋼加熱至臨界點(diǎn)（ Ac3 或 Ac1）以上，保溫后以大于 VK 的 速度冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝。淬火的目的：為了得到馬氏體組織，是鋼的最主要的強(qiáng)化方式。1）淬火工藝 淬火加熱溫度 在選擇淬火加熱溫度時， 應(yīng)盡量使獲得的組織 硬度越大越好；獲得的晶粒越小越好。圖 3-19 碳鋼淬火加熱溫度范圍示意圖 對于亞共析鋼，淬火溫度一般為 Ac3 以上 30 50 ，淬火后得到均 勻細(xì)小的 M 和少量殘余奧氏體，若淬火溫度過低，

18、則淬火后組織中 將會有 F，使鋼的強(qiáng)度、硬度降低；若加熱溫度超過 Ac3 以上（30 50），奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的 M，鋼的力學(xué)性能變差， 且淬火應(yīng)力增大，易導(dǎo)致變形和開裂。對于共析鋼或過共析鋼， 淬火加熱溫度為 Ac1 以上 3050，淬 火后得到細(xì)小的馬氏體和少量殘留奧氏體（共析鋼），或細(xì)小的馬氏 體、少量滲碳體和殘留奧氏體（過共析鋼），由于滲碳體的存在，鋼 硬度和耐磨性提高。 若溫度過高， 如過共析鋼加熱到 Accm 以上溫度， 由于滲碳體全部溶入奧氏體中，奧氏體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高， Ms 溫 度降低，淬火后殘留奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。此外， 因溫度高，奧氏體晶粒

19、粗化，淬火后得到粗大的馬氏體，脆性增大。若加熱溫度低于 Ac1 點(diǎn)，組織沒發(fā)生相變，達(dá)不到淬火目的。碳鋼淬 火加熱溫度范圍如圖 3-19 所示。對于合金鋼，由于大多數(shù)合金元素有阻礙奧氏體晶粒長大的作 用，因而淬火加熱溫度比碳鋼高， 使合金元素在奧氏體中充分溶解和 均勻化，以獲得較好的淬火效果。實(shí)際生產(chǎn)中，淬火加熱溫度的確定，尚需考慮工件形狀尺寸、淬 火冷卻介質(zhì)和技術(shù)要求等因素。 淬火加熱時間 加熱時間包括升溫和保溫時間。通常以裝 爐后溫度達(dá)到淬火加熱溫度所需時間為升溫時間， 并以此作為保溫時 間的開始；保溫時間是指鋼件燒透并完成奧氏體均勻化所需時間。加熱時間受鋼件成分、形狀、尺寸、裝爐方式、裝

20、爐量、加熱爐 類型、爐溫和加熱介質(zhì)等影響。經(jīng)驗(yàn)公式（見書） 淬火冷卻介質(zhì) 鋼進(jìn)行淬火時冷卻是最關(guān)鍵的工序，淬火的 冷卻速度必須大于臨界冷卻速度， 快冷才能得到馬氏體， 但快冷總會 帶來內(nèi)應(yīng)力，往往會引起工件的變形和開裂。那么，怎樣才能既得到 馬氏體而又減小變形和開裂呢？理想的淬火冷卻介質(zhì)如圖 3-20 所 示。生產(chǎn)中，常用的冷卻介質(zhì)是水、油、堿或鹽類水溶液。水是最常用的冷卻介質(zhì)，它有較強(qiáng)的冷卻能力，且成本低，但其 缺點(diǎn)是在 650400范圍內(nèi)冷卻能力不夠強(qiáng)，而在 300 200 范 圍內(nèi)冷卻能力又很大， 因此常會引起淬火鋼的內(nèi)應(yīng)力增大， 導(dǎo)致工件 變形開裂，因此， 水在生產(chǎn)中主要用于形狀簡單、

21、截面較大的碳鋼零 件的淬火。圖 3-20 理想淬火冷卻速度曲線 如在水中加入鹽或堿類物質(zhì)，能增加在 650 400 范圍內(nèi)的冷卻能 力，這對保證工件，特別是碳鋼的淬硬是非常有利的，但鹽水仍具有 清水的缺點(diǎn)，即在 300200 范圍內(nèi)冷卻能力很大，工件變形開裂 傾向很大。常用的鹽水濃度為 10% 15% ，鹽水對工件有銹蝕作用， 淬火后的工件應(yīng)仔細(xì)清洗。 鹽水比較適用于形狀簡單、 硬度要求高而 均勻、表面要求光潔、變形要求不嚴(yán)格的碳鋼零件。淬火常用的油有機(jī)油、變壓器油、柴油等。油在 300 200 范 圍內(nèi)的冷卻速度比水小， 有利于減小工件變形和開裂， 但油在 650 400范圍內(nèi)冷卻速度也比水小，不利于工件淬硬，因此只能用于低 合金鋼與合金鋼的淬火，使用時油溫應(yīng)控制在 40100 內(nèi)。為了減少工件淬火時的變形，可采用鹽浴作為淬火介質(zhì)，如熔化 的 NaN0 3 、KN0 3 等。主要用于貝氏體等溫淬火，馬氏體分級淬火。 其特點(diǎn)是沸點(diǎn)高，冷卻能力介于水于油之間，常用于處理形狀復(fù)雜、 尺寸較小和變形要求嚴(yán)格的工件。2）淬火方法由于目前還沒有理想的淬火介質(zhì)，因而在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)淬火 件的具體情況采用不同的淬火方法， 力求達(dá)到較好的效果。 常用的淬 火方法如圖 3-21 所示。