《機械基礎》第3章 鋼的熱處理

3.1熱處理概述3.2熱處理的基本原理3.3鋼的熱處理3.4鋼的表面熱處理和化學熱處理思考題

3.1.1熱處理的概念

鋼的熱處理就是在固態(tài)下，采用適當?shù)姆椒?，對鋼進行加熱、保溫、冷卻，以改變其組織，從而獲得所需性能的一種工藝。熱處理的工藝方法較多，但都由加熱、保溫、冷卻三階段組成。因此，熱處理工藝可用一溫度-時間為坐標的曲線圖來表示，如圖3-1所示，該曲線又稱為熱處理工藝曲線。3.1熱處理概述圖3-1鋼的熱處理工藝曲線示意圖3.1.2熱處理的目的

鋼的熱處理主要有以下兩個目的：

(1)消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為切削加工或熱處理做組織和性能上的準備。這也稱為預先熱處理。

(2)提高金屬材料的力學性能，充分發(fā)揮材料的潛力，節(jié)約材料，延長零件的使用壽命。這也稱為最終熱處理。3.1.3熱處理的方法

鋼的熱處理按工藝方法的不同可分為整體熱處理、表面熱處理等。

整體熱處理包括退火、正火、淬火、回火等四種方法。

表面熱處理包括表面淬火和化學熱處理等兩種方法。熱處理之所以能夠使鋼的性能發(fā)生很大變化，主要是由于在加熱和冷卻過程中，鋼的內(nèi)部組織發(fā)生了變化。Fe-Fe3C相圖是表示鐵碳合金在接近平衡狀態(tài)下相與成分和溫

度之間的關系圖，圖中的臨界點A1、A3和Acm也只是在這樣的條件下才適用的。然而，生產(chǎn)中不可能以無限緩慢的速度加熱和冷卻，其相變是在非平衡的條件下進行的，研究發(fā)

現(xiàn)這種非平衡的組織轉變有滯后現(xiàn)象。3.2熱處理的基本原理對于加熱，非平衡條件下的相變溫度高于平衡條件下的相變溫度，稱過熱度。對于冷卻，非平衡條件下的相變溫度低于平衡條件下的相變溫度，這個溫差叫滯后度，對應的轉

變溫度稱過冷度。

加熱與冷卻速度越大，溫度提高與下降的幅度就越大，導致過熱度與過冷度越大。此外，過熱度與過冷度的增大會導致相變驅動力的增大，從而使相變?nèi)菀装l(fā)生。

平衡條件下的臨界點：A1A3

Acm

非平衡加熱的臨界點：Ac1Ac3

Accm

非平衡冷卻的臨界點：Ar1Ar3

Arcm

相圖表示如圖3-2所示。圖3-2鋼在加熱和冷卻時的相變臨界點3.2.1鋼在加熱時的轉變

大多數(shù)熱處理工藝需要將鋼加熱到臨界溫度以上才能進行，所以加熱轉變主要包括奧氏體的形成和晶粒長大兩個過程。

1.奧氏體的形成

以共析鋼為例(ωC=0.77%)，其奧氏體的形成過程如圖3-3所示。圖3-3共析鋼奧氏體的形成過程影響奧氏體形成的因素具體如下：

(1)溫度。溫度越高，原子的擴散能力越強，加速了奧氏體的形成。

(2)原始組織。原始組織越細，相界面越多，提供的奧氏體晶核就越多，碳原子的擴散距離也越短，加速了奧氏體的形成。

(3)鋼的成分。含碳量增加，鐵素體和滲碳體相界面越多，加速了奧氏體的形成。

加入合金元素后不改變奧氏體形成的基本過程，但會減緩奧氏體的形成速度。

2.奧氏體晶粒的長大(粗化)

隨著溫度的升高，奧氏體晶粒會逐漸長大(粗化)。

粗大的奧氏體晶粒冷卻后得到粗大的晶粒組織，使材料的力學性能和工藝性能變差，因此，在對材料進行熱處理時應合理選擇加熱溫度和保溫時間，以得到細小的奧氏體晶粒。

3.2.2鋼在冷卻時的轉變

室溫下，鋼的力學性能不僅與經(jīng)過加熱、保溫后獲得的奧氏體晶粒大小有關，而且取決于奧氏體經(jīng)冷卻轉變后所獲得的組織。而冷卻方式、冷卻速度對奧氏體組織的轉變有直接影響。奧氏體化的鋼冷卻至室溫存在以下兩種方式：

連續(xù)冷卻:使奧氏體化后的鋼在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉變，包括水冷、油冷、爐冷、空冷等。

等溫冷卻：將奧氏體化后的鋼迅速冷卻到臨界點A1以下某一溫度，恒溫停留一段時間，在這段保溫時間內(nèi)發(fā)生組織轉變，然后再冷卻下來。

1.過冷奧氏體的等溫轉變曲線

以共析鋼為例：

由于過冷溫度和等溫時間不同，過冷奧氏體的等溫轉變過程及轉變產(chǎn)物也不相同，表示過冷奧氏體不同的等溫冷卻溫度、等溫時間與轉變過程及產(chǎn)物之間關系的曲線叫做過冷奧氏體的等溫轉變曲線，也稱為C曲線。

1)C曲線的建立

·共析鋼奧氏體的等溫轉變曲線是通過一系列不同過冷的等溫冷卻實驗建立的。

·通過實驗測出不同的過冷奧氏體在恒溫下開始轉變和轉變終了的時間，畫到溫度-時間坐標系中，然后把開始時間和轉變終了時間分別連接起來，即得到圖3-4所示的共析鋼C曲線。圖3-4共析鋼C曲線

2)共析鋼過冷奧氏體等溫轉變產(chǎn)物的組織和性能

(1)珠光體類型(高溫轉變產(chǎn)物)：

共析鋼A過冷到723~550℃之間，A等溫轉變產(chǎn)物屬于P型組織。

727~650℃保溫轉變得到P，因為過冷度小，

所以片層大。

性能：強度、硬度較低，塑韌性較高。

650~600℃保溫轉變得到細P，又稱索氏體

(S)，因為過冷度較大，所以片層較細小。

性能：強度、硬度高于P，塑韌性較高。

600~550℃保溫轉變得到極細P，又稱屈氏體

(T)，因為過冷度很大，所以片層極細小。

性能：強度、硬度高，但韌性低。P型組織類型

(2)貝氏體類型轉變(中溫轉變產(chǎn)物)：

A在550~230℃保溫轉變?yōu)樨愂象w，其組織類型為貝氏體組織，該組織是含碳過飽和的F+Fe3C兩相混合物。

(3)馬氏體類型轉變(低溫轉變產(chǎn)物)：

230~-60℃保溫轉變?yōu)轳R氏體，其組織類型為馬氏體組織。分為板狀和片狀馬氏體，馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。

3)影響過冷奧氏體等溫轉變的因素

·碳的影響：ωC增加，亞共析鋼的C曲線右移；過共析鋼的C曲線左移。

·合金元素的影響：除含碳量外，所有合金元素加入奧氏體后會增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。

2.過冷A的連續(xù)冷卻轉變

與等溫冷卻曲線相比，連續(xù)冷卻曲線都處于圖3-5中的右下方，說明轉變溫度低、孕育期長。

共析鋼連續(xù)冷卻時，只有珠光體轉變而無貝氏體轉變。亞共析鋼可以產(chǎn)生貝氏體組織。

合金鋼可以有珠光體及貝氏體轉變，有珠光體而無貝氏體，或有貝氏體而無珠光體轉變等多種情況。圖3-5共析鋼的連續(xù)冷卻曲線當連續(xù)冷卻速度達到某一值時，冷卻曲線與C曲線相切，不發(fā)生珠光體轉變，而在低溫區(qū)發(fā)生馬氏體轉變，通常稱為臨界冷卻速度。冷速小時，得到珠光體與馬氏體的混合組織；冷速更小時，則得到珠光體組織。3.3.1鋼的退火

鋼的退火是指將鋼加熱、保溫后緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的工藝過程。根據(jù)退火的不同目的有完全退火、普通退火、等溫退火、球化退火、去應力退火及再結晶退火等。這里僅介紹完全退火、球化退火和去應力退火。3.3鋼的熱處理

1.完全退火

工藝：加熱Ac3以上30~50℃并保溫一段時間后隨爐冷到500℃以下，然后在空氣中冷卻至室溫。

目的：細化晶粒，均勻組織，提高塑性和韌性，消除內(nèi)應力，便于機械加工。該工藝常作為亞共析鋼的預先熱處理。

2.球化退火

球化退火是使鋼中的滲碳體球化的工藝過程。球化退火的對象主要為共析鋼和過共析鋼。工藝：加熱到Ac1以上20~30℃后保溫一段時間，然后極緩慢冷卻至600℃左右再出爐空冷。

目的：降低硬度，提高塑性和韌性，便于切削加工。

機理：使片狀或網(wǎng)狀滲碳體變成顆粒狀(球狀)。

說明：退火加熱時，組織沒有完全奧氏體化，所以又稱不完全退火。3.去應力退火

工藝：加熱到Ac1以下某一溫度(500~650℃)后保溫一段時間，再緩慢冷卻至室溫。

目的：消除鑄件、鍛件、焊接件等的殘余內(nèi)應力，穩(wěn)定工件尺寸。

想一想：用T12鋼做銼刀，加工前應采用何種退火工藝？目的是什么？3.3.2鋼的正火

1.工藝

正火是指加熱到Ac3或Accm以上30~50℃后保溫一段時間，再出爐空冷。

2.目的

鋼的正火目的在于使亞共析鋼中自由鐵素體減少，過共析鋼中網(wǎng)狀滲碳體消失。

低碳鋼：提高硬度，克服粘刀現(xiàn)象，改善切削加工性。

中碳鋼：細化晶粒，為淬火做好組織準備，對于性能要求不高的零件，可作為最終熱處理。

高碳鋼：消除網(wǎng)狀滲碳體。

比一比：鋼的正火和退火熱處理在工藝上有何不同？

3.正火與退火的選擇

(1)從切削加工性考慮：鋼件適宜的切削加工硬度為170～230HBS。因此，低碳鋼、低碳合金鋼應選用正火為預備熱處理。中碳鋼也可選正火，含碳量超過0.5%的鋼應選用退火作為預備熱處理。

(2)從零件的形狀考慮：對于形狀復雜的零件或大型鑄件，正火可能會因內(nèi)應力過大而造成零件開裂，故應選用退火。

(3)從經(jīng)濟性考慮：因正火比退火的操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本低，在能滿足使用要求的情況下，應盡量選用正火，以降低成本。

析一析：用T12鋼做銼刀，加工前能用正火來代替退火嗎？3.3.3鋼的淬火

1.工藝

淬火就是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30～50℃，保溫后快速冷卻以獲得馬氏體的工藝方法。

2.目的

淬火的目的在于提高鋼的硬度和耐磨性。

3.淬火溫度

亞共析鋼的淬火溫度在Ac3以上30～50℃。過高則淬火后馬氏體粗大，嚴重變形；過低則淬火后組織出現(xiàn)鐵素體，硬度、強度不足，組織不均勻。過共析鋼的淬火溫度在Ac1以上30～50℃。過高則淬火后馬氏體粗大，脆性增大，易變形、開裂，殘余奧氏體增多，硬度、耐磨性降低；過低則奧氏體化不均勻。

一般過共析鋼在淬火前需要正火或球化退火，以消除網(wǎng)狀滲碳體。

4.淬火方法

(1)單液淬火：將奧氏體化的鋼放進水或者油等淬火介質中連續(xù)冷卻至室溫的操作方法。

例如：碳鋼件水冷、合金鋼油冷、厚大碳鋼件鹽水冷等。特點：操作簡便，易實現(xiàn)自動化、機械化，但淬火質量難以保證。

(2)雙液淬火：將奧氏體化的鋼先放進水中冷卻到300～200℃再迅速移到油中(甚至放到空氣中)的冷卻操作方法。

特點：既可淬硬又可避免開裂和變形，但操作困難。

(3)分級淬火：將奧氏體化的鋼放進稍高于Ms點的鹽浴槽中停留2～5min，然后取出在空氣中冷卻。

特點：應力小，避免開裂和變形，但鹽浴冷卻能力有限，只適用于形狀復雜、尺寸較小的零件。

(4)等溫淬火：將奧氏體化的鋼放進稍高于Ms點的鹽浴槽中保溫足夠時間，使過冷奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w，然后取出空冷的方法。

特點：下貝氏體硬度較高，韌性較好，變形又小，適于形狀復雜、尺寸精度要求高的零件。

5.淬硬性和淬透性

(1)淬硬性：鋼在正常淬火條件下，淬火形成的馬氏體所能達到的最高硬度。

淬硬性取決于馬氏體的含碳量，含碳量越高，碳的過飽和度就越大，硬度也越高。

(2)淬透性：鋼在規(guī)定的淬火條件下可以達到的淬硬層深度。

影響淬透性的因素為過冷奧氏體的穩(wěn)定性，即臨界冷卻速度。3.3.4鋼的回火

1.工藝

回火就是將淬火后的鋼重新加熱到A1以下某一溫度保溫，然后冷卻(一般為空冷)至室溫的操作方法。

2.目的

回火的目的在于消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應力，穩(wěn)定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。

3.力學性能

隨著回火溫度的升高，硬度、強度下降，塑性、韌性升高。

4.回火種類

(1)低溫回火：150~250℃，減少內(nèi)應力和脆性，提高塑性和韌性，有較高的硬度和耐磨性，用于制作量具、刀具和滾動軸承等。

(2)中溫回火：350~500℃，具有較高的彈性，有一定的塑性和硬度,用于制作彈簧、鍛模等彈性元件。

(3)高溫回火：500~650℃，具有良好的綜合力學性能,用于齒輪、曲軸等機器受力件的最后熱處理以獲得綜合機械性能。淬火后再高溫回火稱為調質處理。

析一析：鋼淬火后是否一定要回火？3.4.1表面淬火

1.工藝

表面淬火就是對零件進行快速加熱，使表面迅速達到淬火溫度，而心部來不及被加熱的情況下立即冷卻，使表面得到高硬度的馬氏體，而心部仍保持原來組織的一種熱處理工藝，包括感應加熱、火焰加熱、電接觸加熱等。本書主要介紹感應加熱表面淬火法。3.4鋼的表面熱處理和化學熱處理2.感應加熱表面淬火

(1)原理：電磁感應、集膚效應。

(2)工藝：高頻淬火、中頻淬火、工頻淬火。

(3)材料：中碳鋼(45)、合金調質鋼(40Cr)。

(4)技術條件：表面50~55HRC。

(5)感應表面淬火方法如圖3-6所示。圖3-6鋼的感應表面淬火①200~300kHz高頻感應淬火，表面硬化層深度為0.5～2mm。

②2500~8000Hz中頻感應淬火，淬硬層深度為3~6mm。③50Hz工頻感應淬火，可獲得10～15mm以上的硬化層。

(6)應用：機床主軸、機床齒輪。

3.典型表面淬火件(機床齒輪)的工藝路線分析

下料—鍛造—正火—機加工(粗、半精)—調質—機加工—表面淬火、低溫回火—精磨

想一想：表面淬火的目的是什么？3.4.2鋼的化學熱處理

1.工藝

化學熱處理就是將零件放入一定的活性介質中，經(jīng)加熱、保溫，使

介質的活性原子滲入零件表層中，從而改變表層化學成分、組織和性能的工藝方法。

2.主要的化學熱處理方法

(1)滲碳。

滲碳是向鋼的表面滲入碳原子，使其表面達到高碳鋼的含碳量，增加耐磨性。常用方法為氣體滲碳法。

①設備:常用井式氣體滲碳爐。

②工藝：滲碳溫度為920~930℃，滲碳時間為3~8h。

③材料：如20、20Cr、20CrMnTi等低碳鋼。

④技術條件：表面含碳量0.85%~1.05%。

⑤滲層深度：0.4~1.5mm(一般為1.0mm)。

⑥滲碳后的熱處理：淬火+低溫回火，得到的組織為M回(回火馬氏體)+Fe3CⅡ。

⑦典型滲碳件(汽車齒輪)的工藝路線：

下料—鍛造—正火—機加工(粗、半精)—滲碳、淬火、低溫回火—機加工(精加工)

(2)滲氮。

滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨、耐蝕和耐疲勞強度等多種性能。

常用方法為氣體滲氮法和離子滲氮法。

①工藝：滲氮溫度一般為500~560℃，滲氮時間一般為30~50h。

②材料：38CrMoAl。

③性能特點：950～1200HV(相當于65～72HRC)