第七章鋼的退回和正火

山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院第二篇熱處理工藝熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)淬火火焰淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;復(fù)合熱處理形變熱處理；真空熱處理；可控氣氛熱處理；輝光離子熱處理熱處理工藝熱處理:

金屬材料在固態(tài)下加熱到預(yù)定的溫度，保溫預(yù)定的時(shí)間，然后以預(yù)定的方式冷卻。通過這一工藝過程，改變了金屬材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而使工件的性能發(fā)生了預(yù)期的變化。熱處理概述熱處理工藝中有三大基本要素：加熱、保溫、冷卻。

加熱：不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。分為兩種，一種是在臨界點(diǎn)A1以下的加熱，此時(shí)不發(fā)生組織變化。另一種是在A1以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。

保溫：目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長。

冷卻：熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。熱處理的基本要素?zé)崽幚淼哪康?

改變工件的性能，即改善材料的工藝性能，提高材料的使用性能。但不能通過熱處理改變工件的形狀和尺寸。應(yīng)用：

機(jī)床制造中，熱處理零件占60%~70%，

汽車制造中，熱處理零件占70%~80%。熱處理目的及應(yīng)用箱式電阻爐臺(tái)車式電阻爐連續(xù)式熱處理爐鋼的臨界點(diǎn)：平衡臨界點(diǎn)：加熱臨界點(diǎn)：冷卻臨界點(diǎn)：A1、

A3、

AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm主要內(nèi)容1.金屬的加熱2.鋼的退火3.鋼的正火重點(diǎn)內(nèi)容退火、正火的概念、目的及其應(yīng)用第七章鋼的退火和正火第七章鋼的退火和正火§7-1金屬的加熱工件在加熱過程中，除了和周圍介質(zhì)發(fā)生熱交換以外，還發(fā)生其它的物理化學(xué)過程。本節(jié)討論鋼在熱處理時(shí)的加熱過程、加熱時(shí)工件表面與周圍介質(zhì)的作用、加熱缺陷及其防止。熱源：1.從鄰近的發(fā)熱體進(jìn)行熱交換而獲得，如一般加熱爐加熱；2.從其它形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぜ臒崮?，如直接通電加熱、離子轟擊加熱或感應(yīng)加熱等金屬的加熱1.加熱介質(zhì)與工件表面的傳熱過程1）對(duì)流傳熱：單位時(shí)間內(nèi)加熱介質(zhì)傳輸給工件的熱量為影響αc的因素：①流體運(yùn)動(dòng)的情況（靜止和強(qiáng)迫流動(dòng)）；②流體的物理性質(zhì)：導(dǎo)熱系數(shù)、比熱及密度越大，對(duì)流給熱系數(shù)越大；③工件表面形狀及其在爐內(nèi)放置的位置。一、金屬加熱的物理過程及其影響因素2.輻射傳熱：物體在單位時(shí)間內(nèi)表面積輻射的能量為

E=C（T/100）4J/（m2.h）

T—物體的絕對(duì)溫度C—輻射系數(shù)3.傳導(dǎo)傳熱：熱傳導(dǎo)過程的強(qiáng)弱以單位時(shí)間內(nèi)通過單位等溫面的熱量即熱流量密度q表示

—熱傳導(dǎo)系數(shù)dT/dx—溫度梯度4.綜合傳熱實(shí)際工件加熱過程中，上述三種傳熱方式并存即Q=Qc+Qr+Qcd一、金屬加熱的物理過程及其影響因素2.工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程：表面與心部的溫度梯度傳熱強(qiáng)度用比熱流量表示熱傳導(dǎo)系數(shù)的數(shù)值，對(duì)鋼來說和它的化學(xué)成分、組織狀態(tài)及加熱溫度有關(guān)熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度關(guān)系近似呈線性關(guān)系一、金屬加熱的物理過程及其影響因素3.熱處理加熱時(shí)間的確定1）工件達(dá)到熱處理規(guī)范所要求溫度的時(shí)間（整體熱處理應(yīng)為工件心部達(dá)到要求溫度的時(shí)間）2）完成組織轉(zhuǎn)變所要求的組織狀態(tài)變化所需時(shí)間：經(jīng)驗(yàn)+計(jì)算3）熱處理加熱過程時(shí)間=升溫時(shí)間+透熱時(shí)間+保溫時(shí)間一、金屬加熱的物理過程及其影響因素4.影響熱處理工件加熱的因素1）加熱方式的影響：隨爐加熱、預(yù)熱加熱、到溫入爐加熱、高溫入爐加熱加熱方式不同—加熱速度不同2）加熱介質(zhì)及工件放置方式的影響一、金屬加熱的物理過程及其影響因素1.金屬加熱時(shí)的氧化反應(yīng)工件在熱處理加熱時(shí)和氧化性氣體發(fā)生作用，使表面氧化，并在表面形成氧化皮二、加熱時(shí)的物理化學(xué)現(xiàn)象2.鋼加熱時(shí)的脫碳過程1）加熱時(shí)的脫碳、增碳平衡常見反應(yīng)：二、加熱時(shí)的物理化學(xué)現(xiàn)象爐氣碳勢的測定：CO2:常用的儀器是紅外線CO2分析儀H2O：含量常用露點(diǎn)表示—露點(diǎn)測量儀氧探頭測量是利用氧含量與CO、CO2、H2O含量有關(guān)，從而通過測氧分壓來測碳勢2）爐氣碳勢及其測定3）鋼加熱的脫碳過程及脫碳層的結(jié)構(gòu)①脫碳過程分兩個(gè)階段：※鋼件表面的碳與爐氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成含碳?xì)怏w逸出；※工件表面與內(nèi)部產(chǎn)生碳濃度差，從而發(fā)生碳由內(nèi)部向表面擴(kuò)散的過程。②根據(jù)脫碳程度可分為全脫碳層和半脫碳層全脫碳層：當(dāng)鋼件表面碳基本被燒毀，表層呈現(xiàn)全部鐵素體晶粒半脫碳層：當(dāng)鋼材表面的碳未完全燒毀，但表層含碳量低于鋼材平均含碳量二、加熱時(shí)的物理化學(xué)現(xiàn)象二、加熱時(shí)的物理化學(xué)現(xiàn)象選擇原則：避免工件表面與加熱介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即應(yīng)降低氧化性氣體在爐氣中的分壓，使反應(yīng)朝還原方向進(jìn)行。1.真空加熱：在低于一個(gè)大氣壓的稀薄空氣中加熱，可避免氧化、脫碳，達(dá)到光亮熱處理的目的。2.保護(hù)氣氛--在工件加熱時(shí)保護(hù)其表面不氧化和脫碳的氣氛A:吸熱式氣氛（天然氣、煤氣及其他有機(jī)物）B:放熱式氣氛（原料氣與充足空氣混合）三、加熱介質(zhì)的選擇3.氨熱分解氣：把液氨汽化后并通入有觸媒的反應(yīng)罐使氨氣在高溫下發(fā)生分解，從而獲得氨熱分解氣。主要成分：75%H2和25%N24.氮基保護(hù)氣氛—以氮?dú)鉃橹饕煞值谋Ｗo(hù)氣氛氮-氫混合氣體，在400~700℃不會(huì)析出碳黑氮-天然氣混合氣，作碳鋼或低合金鋼保護(hù)氣氛氮-甲醇混合氣，可作無氧化保護(hù)氣氛5.液滴式保護(hù)氣氛：由甲醇、乙醇和丙酮分解的氣體6.其他加熱介質(zhì)—沸騰床（流態(tài)化爐）加熱、鹽浴加熱等三、加熱介質(zhì)的選擇§7-2鋼的退火一、概述1.定義：將鋼加熱至臨界點(diǎn)AC1以上或以下溫度，保溫后隨爐緩冷以獲得近于平衡組織的熱處理工藝2.目的：①均勻鋼的化學(xué)成分及組織；②細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度；③消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能；④為淬火作組織準(zhǔn)備。1、完全退火

應(yīng)用：亞共析碳鋼和合金鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材、焊接結(jié)構(gòu)目的：細(xì)化晶粒，改善組織，消除殘余應(yīng)力，降低

硬度，提高塑性，便于切削加工。工藝：將亞共析鋼加熱到Ac3+20-30℃，保溫一定

時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋入沙或石灰中）

到500℃以下，空冷。二、常用的退火工藝方法2、等溫退火

等溫退火的目的與完全退火相同。由于完全退火所需要的時(shí)間很長，尤其對(duì)于某些奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，往往需要數(shù)十小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間，采用等溫退火可明顯縮短退火時(shí)間。二、常用的退火工藝方法工藝：加熱過程與完全退火相同，Ac3+20-30℃，保溫一定時(shí)間后，開爐門較快速冷卻到稍低于A1的某一溫度（550-700℃），在該溫度下保溫到奧氏體完全轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，然后空冷。優(yōu)點(diǎn)：（?。┛s短了退火時(shí)間

（ⅱ）可以較好地控制組織與硬度（通過選擇保溫溫度）

（ⅲ）工件氧化、脫碳傾向較小二、常用的退火工藝方法3.不完全退火將鋼加熱至Ac1~Ac3（亞共析鋼）或Ac1~Accm（過共析鋼），經(jīng)保溫緩慢冷卻以獲得近于平衡組織亞共析鋼—軟化退火過共析鋼—球化退火二、常用的退火工藝方法過共析組織為珠光體和網(wǎng)狀的二次滲碳體。由于網(wǎng)狀二次滲碳體的存在，增加了鋼的硬度和脆性，不僅給切削加工帶來困難，而且會(huì)引起淬火時(shí)工件產(chǎn)生變形和開裂。球化退火工藝：將過共析鋼加熱到Ac1+30-50℃，保溫后，緩慢冷卻。4、球化退火

應(yīng)用：過共析碳鋼和合金鋼的刀具、模具、量具、軸承等零件。

目的：降低硬度，改善切削加工性，為最終淬火作準(zhǔn)備。4、球化退火由于加熱到Ac1+30-50℃，此時(shí)未溶的滲碳體小質(zhì)點(diǎn)可作為冷卻時(shí)滲碳體析出的核心，使?jié)B碳體發(fā)生球化，變成球狀或粒狀滲碳體長大，故稱為球化退火。由于加熱溫度在Ac1+30-50℃，鋼組織沒有全部奧氏體化，故稱為不完全退火。4、球化退火經(jīng)過球化退火的過共析鋼，可獲得鐵素體與球狀滲碳體的混合組織，叫做“球化體”，163HB。有的鋼種一次球化退火難以達(dá)到球化目的，可采用循環(huán)退火法（或稱周期退火法）進(jìn)行球化。4、球化退火影響碳化物球化的因素①化學(xué)成分的影響含碳越高—碳化物數(shù)量越多，在較寬的奧氏體化溫度范圍內(nèi)加熱易與球化；②原始組織的影響（類型、晶粒粗細(xì)、自由鐵素體等）；③加熱溫度與保溫時(shí)間：T↑、t↑→易出現(xiàn)片P；4、球化退火常見的球化退火工藝①一次球化退火:加熱至Ac1以上20℃，以3~5℃/h冷卻；②等溫球化退火：加熱至Ac1以上20℃，＜Ar1等溫；③往復(fù)（周期）球化退火：Ac1、Ar1上下交替保溫去應(yīng)力退火又叫消除內(nèi)應(yīng)力退火，低溫退火。目的：主要用于消除鑄件、鍛件及焊接件、

熱軋件的內(nèi)應(yīng)力。否則，會(huì)引起鋼件在一定時(shí)間后產(chǎn)生變形，降低耐蝕性。消除因冷加工或切削加工及熱加工后，快冷而引起的殘余應(yīng)力，避免變形和開裂

5、去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火工藝：將鋼件隨爐緩慢加熱（100-150℃/小時(shí)），到500-600℃（<A1），經(jīng)過一段時(shí)間保溫后，隨爐緩慢冷卻（冷速50-100℃/小時(shí)）到300-200℃以下出爐。

5、去應(yīng)力退火將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象目的:消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析加熱溫度：Ac3或Accm以上150~300℃注：高溫加熱—晶粒粗大—需再進(jìn)行一次正常的完全退火或正火6.擴(kuò)散退火—均勻化退火7.再結(jié)晶退火將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒而消除加工硬化目的：恢復(fù)塑韌性、降低硬度形變量T再再結(jié)晶退火溫度§7-3鋼的正火一、概述1.定義:將鋼加熱至Ac3或Accm以上30～50℃保溫，在空氣中冷卻。得到珠光體類組織的熱處理工藝。適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。原因：高合金鋼奧氏體非常穩(wěn)定，C曲線很靠右，空冷也碰不到鼻子，即使在空氣中也能淬火。這些鋼成為“空淬鋼”或“自硬鋼”，也叫“馬氏體鋼”?！?-3鋼的正火2.目的：①細(xì)化組織，消除熱加工造成的過熱缺陷，使組織正?；?；②提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。③用于低碳鋼，提高硬度，改善鋼的切削加工性能；④用于中碳鋼，代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火做準(zhǔn)備，大大降低成本。⑤用于高碳鋼，消除網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火；⑥用于大件熱處理，代替淬火⑦不太重要的的工件，在正火狀態(tài)使用，性能有所提高。應(yīng)用取代部分完全退火用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理用于過共析鋼，以減少或消除二次滲碳體呈網(wǎng)狀析出§7-3鋼的正火二、退火和正火的組織區(qū)別1）正火P組織比退火狀態(tài)的片層間距小，P領(lǐng)域??；2）加熱溫度與完全退火相似，但正火冷速較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，會(huì)出現(xiàn)偽共析組織；3）合金鋼中的cem穩(wěn)定，不易充分固溶到A中，故退火、正火后均不易形成片層狀P，而呈粒狀P。正火后粒狀cem較退火的細(xì)，故硬度較高；4）正常規(guī)范下退火、正火均使鋼的晶粒細(xì)化。但如果加熱溫度過高，使A晶粒粗大，在正火后極易形成魏氏組織，在退火后則形成粗晶粒組織。§7-3鋼的正火三、退火和正火的選用1.c0.25%采用正火代替退火；2.c=0.25~0.5%可用正火代替退火3.c=0.5~0.75%一般采用完全退火4.c0.75%球化退火為預(yù)備熱處理如有網(wǎng)狀二次滲碳體應(yīng)先正火除之5.合金鋼—完全退火§7-3鋼的正火四、退火和正火缺陷1.過燒；由于加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化，甚至局部晶界融化，造成過燒。過燒鋼件只能作廢。過燒現(xiàn)象§7-3鋼的正火2.退火后硬度偏高；出現(xiàn)在含碳量大于0.45%的中高碳鋼，由于退火時(shí)的加熱溫度低，冷卻太快，出現(xiàn)索氏體、托氏體、甚至貝氏體、馬氏體組織?；蛘咔蚧嘶饡r(shí)，等溫溫度過低，球化不充分，碳化物彌散度過大，可通過重新退火加以消除。3.出現(xiàn)粗大W；由于加熱溫度過高造成的。溫度高，晶粒粗大，冷卻速度較低時(shí)。易出現(xiàn)魏氏組織。消除：采用稍高于Ac3的加熱溫度，使先共析相溶解，采用合適的冷卻速度冷卻。W嚴(yán)重時(shí)，采用雙重正火來消除?！?-3鋼的正火4.墨脆（石墨化）:碳素工具鋼或低合金工具鋼在退火后，有時(shí)發(fā)現(xiàn)硬度雖然很低，但脆性卻很大，一折即斷，端口呈灰黑色，所以叫“墨脆”。其實(shí)質(zhì)是部分滲碳體在退火過程中發(fā)生了石墨化。金相組織特點(diǎn)是在石墨碳周圍，形成大塊鐵素體。產(chǎn)生墨脆的原因主要是由于退火溫度過高，保溫時(shí)間過長，冷卻緩慢，珠光體轉(zhuǎn)變按更穩(wěn)定的Fe-C平衡圖進(jìn)行所致。鋼中含碳量過高，含錳量過低，以及石墨化元素Si、A1等含量過多等均能促進(jìn)石墨化。碳素工具鋼的終鍛溫度高（>1000C）且冷卻太慢，多次返修退火也可使部分滲碳體分解成石墨。出現(xiàn)這種缺陷只能報(bào)廢，不能返修?！?-3鋼的正火T12鋼退火黑脆現(xiàn)象5.球化不均勻；工具鋼球化退火時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)球化不完全的組織缺陷。這主要是由于球化溫度過低、保溫時(shí)間太