第04章金屬材料熱處理

第四章金屬材料熱處理

金屬材料的熱處理是金屬材料在固態(tài)下，通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻．改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而改善材料性能的一種工藝方法，也稱之為金屬材料的改性處理。

金屬材料的熱處理4.1退火與正火在機(jī)械零件或工具的加工制造過程中，退火與正火常作為預(yù)備熱處理。對于一些不重要或受力不大的零件，退火和正火也可作為最終熱處理。作用：

4.1.1退火退火是將鋼加熱到預(yù)定溫度，保溫一定時問后緩慢冷卻(通常隨爐冷卻)，獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。目的：(I)降低硬度，改善切削加工性。(2)消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與開裂傾向。(3)細(xì)化品粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。

1．完全退火完全退火是將鋼加熱到Ac3，以上30—50℃，保溫一定時問后隨爐冷卻到500℃以下．再出爐空冷的熱處理工藝。

完全退火主要適用于亞共析鋼和鑄件、鍛件及焊接件等．將其加熱到Ac3以上使鋼材完全奧氏體化．緩慢冷卻后獲得接近于平衡狀態(tài)的鐵素體和珠光體組織。使熱加工過程中造成的粗大不均勻組織均勻細(xì)化，降低硬度，提高塑性，改善加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。等溫退火亞共析鋼加熱到Ac3+30~50℃,共析、過共析鋼加熱到Ac1+30~50℃，保溫后快冷到Ar1以下的某一溫度下停留，待相變完成后出爐空冷。等溫退火可縮短工件在爐內(nèi)停留時間，更適合于孕育期長的合金鋼.

2.球化退火

球化退火是將鋼加熱到Ac1，以上10—30℃，保溫較長時間后以極其緩慢的速度冷卻到600℃以下，再出爐空冷的熱處理工藝。

球化退火主要適用于共析和過共析鋼及合金工具鋼的退火。目的：使鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體球化，降低材料硬度，改削切削加工性，并可減小最終淬火變形和開裂。球化退火的組織為鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱球狀珠光體,用P球表示。球狀珠光體對于有網(wǎng)狀二次滲碳體的過共析鋼，球化退火前應(yīng)先進(jìn)行正火，以消除網(wǎng)狀.3.擴(kuò)散退火（均勻化退火）擴(kuò)散退火的特點(diǎn)是，加熱溫度高，一般在Ac3或Accm以上150～200℃（1050～1150℃），長時間保溫（10～15h以上），隨爐冷卻。擴(kuò)散退火適用于合金鋼大型鑄、鍛件。目的是消除其化學(xué)成分的偏析和組織的不均勻性。4.去應(yīng)力退火

將工件隨爐緩慢加熱至500～650℃，經(jīng)一段時間保溫后隨爐緩慢冷卻至300～200℃以下出爐。在退火過程中無組織變化目的是為了消除毛坯和零件中的殘余應(yīng)力加熱溫度低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間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒。目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。特點(diǎn)：加熱溫度通常比理論再結(jié)晶溫度高100~150℃，通常在去應(yīng)力退火溫度之上。5.再結(jié)晶退火4.1.2正火

正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(共析和過共析鋼)以上30—50℃，保溫適當(dāng)時間后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。由于正火比退火的冷卻速度大，故珠光體的片層間距較小，因而正火后強(qiáng)度、硬度較高。

正火的目的：(1)對普通碳素鋼、低合金鋼和力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)件，可作為最終熱處理。（提高強(qiáng)度）(2)對低碳素鋼用來調(diào)整硬度，避免切削加工中“粘刀”現(xiàn)象，改善切削加工性。(3)對共析、過共析鋼用來消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作好組織上的準(zhǔn)備。要改善切削性能，低碳鋼用正火，中碳鋼用退火或正火,高碳鋼用球化退火.4.2鋼的淬火

淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30~50度，經(jīng)過保溫后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻的熱處理工藝。加熱溫度類似退火（完全、球化）目的：淬火可以使鋼件獲得馬氏體和貝氏體組織，以提高鋼的力學(xué)性能。淬火是強(qiáng)化鋼件的最主要的而且是最常用的熱處理方法。4.2.1淬火加熱溫度和加熱時間亞共析鋼的淬火加熱溫度為加熱到Ac3以上30~50度。淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體。過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1以上30~50度，淬火后的組織為均勻細(xì)小的馬氏體和粒狀二次滲碳體，有利于增加鋼的硬度和耐磨性。合金鋼的淬火加熱溫度相應(yīng)要高些，一般高于臨界點(diǎn)50—100度。加熱時間(包括零件的升溫時間和保溫時間)也是影響淬火質(zhì)量的因素之一。4.2.2淬火冷卻介質(zhì)

冷卻是決定鋼的淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。根據(jù)過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線可知，冷卻速度必須大于臨界冷卻,才能全部進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。使零件獲得某種冷卻速度的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)，最常用的淬火冷卻介質(zhì)一般分為水、鹽(堿)水和油三類。水、鹽(堿)水和油冷卻介質(zhì)有不同的特點(diǎn)2.淬火冷卻介質(zhì)理想淬火曲線示意圖MsMf常用淬火介質(zhì)是水和油.水的冷卻能力強(qiáng)，但低溫卻能力太大，只使用于形狀簡單的碳鋼件。油在低溫區(qū)冷卻能力較理想，但高溫區(qū)冷卻能力太小，使用于合金鋼和小尺寸的碳鋼件。熔鹽作為淬火介質(zhì)稱鹽浴，冷卻能力在水和油之間,用于形狀復(fù)雜件的分級淬火和等溫淬火。淬火方法采用不同的淬火方法可彌補(bǔ)介質(zhì)的不足。1、單液淬火法加熱工件在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻到室溫的淬火方法。操作簡單，易實(shí)現(xiàn)自動化。各種淬火方法示意圖1—單液淬火法2—雙液淬火法3—分級淬火法4—等溫淬火法2、雙液淬火法工件先在一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷，卻躲過鼻尖后，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的方法。如水淬油冷，油淬空冷.優(yōu)點(diǎn)是冷卻理想，缺點(diǎn)是不易掌握。用于形狀復(fù)雜的碳鋼件及大型合金鋼件。3、分級淬火法在Ms附近的鹽浴或堿浴中淬火，待內(nèi)外溫度均勻后再取出緩冷。馬氏體可減少內(nèi)應(yīng)力，用于小尺寸工件。4、等溫淬火法將工件在稍高于Ms的鹽浴或堿浴中保溫足夠長時間，從而獲得下貝氏體組織的淬火方法。經(jīng)等溫淬火零件具有良好的綜合力學(xué)性能，淬火應(yīng)力小.適用于形狀復(fù)雜及要求較高的小型件。5．冷處理鋼件淬火冷卻到室溫后，繼續(xù)在0度以下的介質(zhì)中冷卻的熱處理工藝．稱為冷處理。4.3鋼的表面淬火表面淬火方法是將淬火零件表層金屬迅速加熱至相變溫度以上．而心部末被加熱．然后迅速冷卻，使零件表層獲得馬氏體而心部仍為原始組織的“外硬內(nèi)韌”狀態(tài)。表面淬火法所用零件材料的含碳量:0.40％—0.50％。中碳鋼：表面淬火前應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理

外硬內(nèi)韌4.3.1感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱是將鋼件置于通人交變電流的線圈中，由于電磁感應(yīng)，鋼件產(chǎn)生頻率相同、方向相反的交變電流。由于集膚效應(yīng)，集中在鋼件表層的高密度電流．在具有較大電阻的鋼件表層呈渦旋流動并產(chǎn)生熱效應(yīng)，將鋼件表層迅速加熱至淬火溫度．而鋼件中心電流幾乎為零．溫度變化很小，這時經(jīng)噴水冷卻．鋼件表面快冷淬火，得到一定深度的馬氏體層。160-200℃低溫回火，提高韌性，降低淬火殘余應(yīng)力。感應(yīng)加熱分為：①高頻感應(yīng)加熱頻率為250-300KHz，淬硬層深度0.5-2mm②中頻感應(yīng)加熱頻率為2500-8000Hz，淬硬層深度2-10mm③工頻感應(yīng)加熱頻率為50Hz,淬硬層深度10-15mm各種感應(yīng)器4.3.2火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火法是用乙炔—氧或其他可燃?xì)怏w燃燒時形成的高溫火焰將工件表面加熱到相變溫度以上，然后立即噴水淬火冷卻的方法。特點(diǎn)：①操作簡單，無需特殊設(shè)備②淬硬層一般為2-6mm③淬火質(zhì)量不易穩(wěn)定④適于單件或小批量生產(chǎn)激光熱處理:

利用高能量密度的激光對工件表面進(jìn)行加熱的方法。效率高，質(zhì)量好。激光表面熱處理激光表面淬火淬火引起的變形組織應(yīng)力熱應(yīng)力4.4鋼的回火回火就是把經(jīng)過淬火的零件重新加熱到低于Ac1，的某一溫度，適當(dāng)保溫后，冷卻到室溫的熱處理工藝。4.4.1回火目的(1)消除或降低內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，防止變形和開裂。(2)穩(wěn)定組織．穩(wěn)定尺寸和形狀，保證零件使用精度和性能。(3)通過不同回火方法，來調(diào)整零件的強(qiáng)度、硬度，獲得所需要的韌性和塑性。鋼在淬火后一般很少直接使用未經(jīng)淬火的鋼回火無意義。鋼經(jīng)淬火后應(yīng)立即進(jìn)行回火。4.4.2回火組織轉(zhuǎn)變及性能變化

1．鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變(1)馬氏體的分解(200℃以下)彌散的ε碳化物和與它保持共格聯(lián)系的低碳馬氏體稱為回火馬氏體。(2)殘余奧氏體分解(200~300℃)回火馬氏體(3)滲碳體的形成(250~400℃)由體心正方晶格變?yōu)轶w心立方晶格，即鐵素體。碳化物也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)顆粒狀的滲碳體，并與母相失去共格關(guān)系。回火托氏體。(4)滲碳體聚集長大(400℃以上）主要是回火索氏體2.回火后的組織和性能

(1)回火馬氏體(250℃以下)是由淬火馬氏體分解的極細(xì)小的高度彌散的ε碳化物分布在針狀的低過飽和固溶體基體上，并保持共格關(guān)系。(2)回火托氏體(350~450℃)是由高度彌散的滲碳體分布在鐵素體基體上

(3)回火索氏體(500~650℃)是由較細(xì)的滲碳體顆粒分布在鐵素體基體上

回火組織與過冷奧氏體直接分解約組織相比，均具有較優(yōu)的性能。在硬度相同時，回火托氏體與回火索氏體比托氏體、索氏體具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。

回火組織與過冷奧氏體直接分解的組織相比有何區(qū)別？調(diào)質(zhì)處理其主要原因是過冷里氏體直接分解出來的滲碳體是片狀滲碳體．而回火組織轉(zhuǎn)變的是顆粒狀滲碳體。片狀滲碳體在受力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋和具有較大的脆性，所以受交變應(yīng)力和沖擊作用的重要零件應(yīng)采用淬火和高溫回火處理．以獲得較高的力學(xué)性能。硬度和強(qiáng)度隨回火溫度升高而下降．其塑性和韌性隨回火溫度升高而提高。其原因是由于回火溫度的提高，產(chǎn)生馬氏體分解．滲碳體析出和聚集長大，固溶強(qiáng)化消失，彌散強(qiáng)化減弱，內(nèi)應(yīng)力消除。性能4.4.3回火工藝及應(yīng)用1．低溫回火

回火溫度范圍為150~250℃，回火組織是回火馬氏體，硬度為55~64HRC。低溫回火的主要目的是降低鋼的淬火應(yīng)力和減少脆性，并保持其高硬度和高耐磨性．適用于刃具、量具、模具、滾動軸承及滲碳、表面淬火的零件。

回火溫度范圍為350～500℃，回火組織是回火托氏體，硬度為35—45HRC。中溫回火的目的是獲得高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，并具有一定的韌性和抗疲勞能力。適應(yīng)于各種彈簧和鍛模等。

2.中溫回火

回火溫度范圍為500—650℃，回火組織是回火索氏體，硬度為25—35HRC。高溫回火的目的是獲得較高強(qiáng)度的同時．還有較好的塑性和韌性。

3．高溫回火淬火和高溫回火相結(jié)合的熱處理方法稱為調(diào)質(zhì)處理。

廣泛適應(yīng)于處理各種重要的零件，特別是受交變裁荷和沖擊作用力的連稈、曲軸、齒輪和機(jī)床主軸等。也常作為精密零件和模具、量具的預(yù)備熱處理，以獲得均勻組織、減小淬火變形，為后續(xù)的表面淬火、滲氮等作好組織準(zhǔn)備。根據(jù)鋼的回火溫度范圍，可將回火分為三類。●淬火加高溫回火的熱處理稱作調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì).廣泛用于各種結(jié)構(gòu)件如軸、齒輪等熱處理。也可作為要求較高精密件、量具等預(yù)備熱處理。適用于各種高碳鋼、滲碳件及表面淬火件。應(yīng)用獲得良好的綜合力學(xué)性能，即在保持較高的強(qiáng)度同時，具有良好的塑性和韌性。

提高e及s，同時使工件具有一定韌性。在保留高硬度、高耐磨性的同時，降低內(nèi)應(yīng)力。

回火目的S回

T回

M回

回火組織500-650℃350-500℃150-250℃回火溫度高溫回火中溫回火低溫回火適用于彈簧熱處理回火脆性淬火鋼的韌性并不總是隨溫度升高而提高。在某些溫度范圍內(nèi)回火時，會出現(xiàn)沖擊韌性下降的現(xiàn)象，稱回火脆性。

回火脆性

第一類回火脆性又稱為不可逆回火脆性或低溫回火脆性，是淬火鋼在250-350℃回火時所產(chǎn)生的回火脆性。低溫回火脆性不易消除，應(yīng)避免在此溫度區(qū)回火。

第二類回火脆性，又稱為可逆回火脆性或高溫回火脆性。是含有鉻、錳、鉻—鎳等元素的合金鋼淬火后，在脆化溫度區(qū)(500～650℃)回火，或經(jīng)更高溫度回火后緩慢冷卻通過脆化溫度區(qū)所產(chǎn)生的脆性。

這種脆性可通過以下消除：高于脆化溫度的再次回火后快冷；加入合金元素W(約1%)、Mo(約0.5%)。（大截面的零部件）

4.5鋼的淬透性

鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）表示4.5.1鋼的淬透性淬透性是鋼的主要熱處理性能。是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。淬透層的深度（有效淬硬深度）

淬硬層深度是從淬硬的工件表面量至規(guī)定硬度值處的垂直距離。而規(guī)定硬度值處是指馬氏體和非馬氏體組織各占50％的半馬氏體區(qū)。鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。鋼的淬硬性鋼的淬透性的影響因素

影響鋼的淬透性主要是鋼的臨界冷卻速度，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越大。影響臨界冷卻速度的原因主要是：(1)鋼的含碳量(2)合金元素(3)鋼中未溶物質(zhì)工件的截面尺寸和淬火的冷卻速度影響淬透性的因素1）含碳量亞共析鋼，含碳量增加，奧氏體的穩(wěn)定性增大，Ｃ曲線右移，淬透性提高過共析鋼，隨著含碳量增加，奧氏體的穩(wěn)定性降低，Ｃ曲線左移，淬透性降低(未溶滲碳體促進(jìn)奧氏體分解)2）合金元素除Co外，絕大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后，都使Ｃ曲線右移，形狀也可能會發(fā)生改變，使淬透性提高3）加熱溫度和保溫時間隨加熱溫度的提高和保溫時間的延長，碳化物溶解充分，奧氏體成分均勻，晶粒粗大（總形核部位減少），這些都增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使Ｃ曲線右移，提高了鋼的淬透性4）鋼中未溶第二相未溶第二相越多，作為結(jié)晶核心，使奧氏體不穩(wěn)定，C曲線左移，淬透性下降4.5.3淬透性與選材的關(guān)系選擇機(jī)械零件的材料時主要考慮材料的力學(xué)性能，鋼的淬透性是選擇材料的重要根據(jù)之一.(1)在承受交變載荷和動載荷下，整體截面均勻受力、應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜的大型重要零件，要求零件表面和心部力學(xué)性能一致。如：連桿、鍛模、錘桿等零件，應(yīng)選用淬透性高的鋼材。(2)受交變應(yīng)力和振動的彈簧類零件，不允許在工作時產(chǎn)生塑性變形．要求較高的屈強(qiáng)比和疲勞強(qiáng)度，也應(yīng)選用淬透性好的鋼材。(3)受彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的軸類零件．受力時應(yīng)力分布不均勻，最大應(yīng)力集中在表層，心部受力很小。如汽車半軸、機(jī)床主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸等，只要保證淬進(jìn)零件半徑或厚度的1／3—1／2即可，可以選用較低淬透性的鋼。(4)工具類工件，特別是各種刃具，為保證刃具的強(qiáng)度、硬度均勻一致，要求高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高淬透性的材料。4.6固溶熱處理與時效強(qiáng)化固溶熱處理是將合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻，以達(dá)到過飽和固溶體的工藝。時效處理是合金工件經(jīng)固溶熱處理后在室溫和稍高于室溫保溫，以達(dá)到沉淀硬化的目的，這時在金屬的過飽和固溶體中形成溶質(zhì)原子偏聚區(qū)和由之脫溶出微粒彌散分布于基體中而導(dǎo)致硬化，提高材料的性能。奧氏體不銹鋼的固溶熱處理非鐵金屬．可以充分利用時效強(qiáng)化的作用，提高力學(xué)性能。4.7鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使介質(zhì)中的一種或幾種元素原子滲入工件表面，以改變鋼件表層化學(xué)成分和組織，進(jìn)而達(dá)到改進(jìn)表面性能，滿足技術(shù)要求的熱處理工藝。①化學(xué)介質(zhì)的分解即活性原子的產(chǎn)生；②活性原子被鋼件表面吸收和溶解；③活性原子由表面向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定的擴(kuò)散層?；瘜W(xué)熱處理基本過程：分解→吸收→擴(kuò)散化學(xué)熱處理的基本過程:4.7.1滲碳將鋼放入滲碳的介質(zhì)中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具有一定的強(qiáng)度和良好的韌性配合。應(yīng)用：汽車主軸和變速齒輪等。滲碳材料是低碳鋼和低合金鋼注意和表面淬火的區(qū)別經(jīng)滲碳的機(jī)車從動齒輪1．滲碳方法

常用的滲碳方法是氣體滲碳和固體滲碳。目前廣泛應(yīng)用的是氣體滲碳法。氣體滲碳是將工件放人井式氣體滲碳爐內(nèi)進(jìn)行。密封后通人滲碳?xì)怏w，如煤氣、液化石油氣等，或者是易分解的液體有機(jī)物，如煤油、甲醇等，這些滲碳介質(zhì)在高溫發(fā)生分解，生成活性碳原子?；钚蕴荚颖还ぜ砻嫖?、擴(kuò)散，形成滲碳層。滲碳時，加熱溫度為900度并保溫，氣體滲碳時間短，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量好，滲碳過程容易控制，是應(yīng)用最普遍的滲碳方法。固體滲碳2C+O2

→2CO2CO→[C]+CO22．滲碳工藝參數(shù)滲碳時主要工藝參數(shù)是加熱溫度和保溫時間。加熱溫度高可以使?jié)B碳速度加快，但溫度過高會使鋼件品粒粗大，滲碳溫度一般在900～950度。而滲碳后零件表面含碳量最好在0.85％～1．05％范圍內(nèi)。滲碳后的組織常用于滲碳的鋼為合金滲碳鋼含碳量0.15～0.25％之間的低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體+Fe3CⅡ）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體+鐵素體）的過渡區(qū)，直至心部的原始組織（F+P少量）。注意和滲碳后的熱處理－－淬火＋低溫回火的聯(lián)系3.滲碳后的熱處理

滲碳后的工件表面為過共析鋼組織，其硬度和耐磨性滿足不了零件要求，必須進(jìn)行淬火和低溫回火。細(xì)化晶粒和消除網(wǎng)狀滲碳體滲碳件在淬火后必須要進(jìn)行低溫回火，回火溫度為150～200度，以減少應(yīng)力和脆性。回火后零件表面組織為回火馬氏體和滲碳體滲碳后的熱處理淬火+低溫回火,回火溫度為160-180℃。淬火方法有：1.直接淬火法滲碳后預(yù)冷到略高于Ar1溫度直接淬火。2.一次淬火法：即滲碳緩冷后重新加熱淬火。3.二次淬火法：即滲碳緩冷后第一次加熱為心部Ac3+30-50℃，細(xì)化心部；第二次加熱為Ac1+30-50℃，細(xì)化表層。常用方法是滲碳緩冷后，重新加熱到Ac1+30-50℃淬火+低溫回火。此時組織為：表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)心部：M回+F（淬透時）滲碳淬火后的表層組織M+F一般滲