材料與熱處理(項(xiàng)目五)

項(xiàng)目五鋼的整體熱處理5.1鋼的退火5.2鋼的正火5.3鋼的淬火5.4鋼的回火5.1鋼的退火退火是將鋼件加熱到適當(dāng)溫度、保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。下一頁返回5.1鋼的退火5.1.1退火的目的(1)降低鋼件的硬度以利于切削加工。(2)消除殘余應(yīng)力，以防鋼件變形與開裂。(3)細(xì)化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學(xué)性能，并為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。上一頁下一頁返回5.1鋼的退火5.1.2退火的方法與應(yīng)用根據(jù)鋼的成分、退火的工藝與目的不同，退火常分為完全退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火和去應(yīng)力退火幾種。1.完全退火將鋼件加熱到完全奧氏體化Ae3+(30℃~50℃)以上，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，一般隨爐緩冷至600℃左右，將工件出爐空冷。完全退火可降低鋼的硬度，以利于切削加工;消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸，以防變形或開裂;細(xì)化晶粒，改善組織，以提高力學(xué)性能和改善工藝性能，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。完全退火所需時(shí)間很長，上一頁下一頁返回5.1鋼的退火特別是對(duì)于某些合金鋼往往需要數(shù)十?dāng)?shù)十小時(shí)，甚至數(shù)天時(shí)間，因此是一種費(fèi)時(shí)的工藝。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件等。不能用于過共析鋼，因?yàn)榧訜岬紸ccm溫度以上，在隨后緩冷過程時(shí)，會(huì)沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀二次滲碳體，使鋼的強(qiáng)度和韌性降低。等溫退火的加熱工藝與完全退火相同。但鋼經(jīng)奧氏體化后，等溫退火以較快速度冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的某一溫度，等溫一定時(shí)間，使過冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，然后以較快的速度(一般為空冷)冷至室溫。圖5-1所示為高速工具鋼完全退火與等溫退火工藝曲線。可見完全退火需要15-20h以上，而等溫退火所需要的時(shí)間則明顯縮短。上一頁下一頁返回5.1鋼的退火3.球化退火將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1，以上20℃~30℃，保溫一定時(shí)間后，隨爐緩冷至室溫，或快冷到略低于Ar1溫度，保溫后出爐空冷，使鋼中碳化物球狀化的退火工藝。球化退火主要目的是降低共析鋼或過共析鋼硬度，提高塑性，改善切削加工性能、獲得均勻的組織，改善熱處理工藝性能，為以后的淬火做好組織準(zhǔn)備。球化退火主要用于共析鋼或過共析鋼工件的熱加工之后，因?yàn)檫@些鋼的組織中常出現(xiàn)粗片狀珠光體和二次滲碳體，使鋼的切削加工性能變差，且淬火時(shí)易產(chǎn)生變形和開裂。采用球化退火可使珠光體中的片狀滲碳體和網(wǎng)狀二次滲碳體球狀化，上一頁下一頁返回5.1鋼的退火變成球狀(顆粒狀)的滲碳體。這種在鐵素體基體上均勻分布著球狀滲碳體的組織，稱為球狀珠光體，如圖5-2所示。對(duì)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)行一次正火處理，將滲碳體網(wǎng)破碎。4.均勻化退火（擴(kuò)散退火）將鑄錠、鑄件或鍛坯加熱到Ae3+(150℃~200℃)以上，保溫10~15h，然后再隨爐緩冷至350℃，出爐空冷的工藝。均勻化退火主要用于優(yōu)質(zhì)合金鋼的鑄錠、鑄件或鍛坯，目的是使鋼中成分能進(jìn)行充分?jǐn)U散而達(dá)到均勻化。均勻化退火因?yàn)榧訜釡囟雀?、加熱時(shí)間長，造成晶粒粗大，所以隨后往往還要進(jìn)行一次完全退火來細(xì)化晶粒。上一頁下一頁返回5.1鋼的退火5.去應(yīng)力退火又稱低溫退火將工件緩慢加熱到Ae1-(100℃~200℃)(一般為500℃~600℃)，保溫一定時(shí)間，隨爐緩冷至200℃出爐空冷的工藝。由于加熱溫度低于Ae1點(diǎn)，鋼在去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生組織變化。其主要目的是消除工件在鑄、鍛、焊和切削加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形。去應(yīng)力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機(jī)加工工件中的殘余應(yīng)力。如果這些殘余應(yīng)力不消除，工件在隨后的機(jī)械加工或長期使用過程中，將引起變形或開裂。上一頁返回5.2鋼的正火將鋼件加熱到Ae3(或Accm)+(30℃~50℃），完全奧氏體化后，再在空氣中冷卻以得到較細(xì)珠光體組織的熱處理工藝。正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，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。目前正火主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面。(1)作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理。因?yàn)檎鹂上T造、鍛造中產(chǎn)生的過熱缺陷，細(xì)化組織，提高力學(xué)性能，能滿足普通結(jié)構(gòu)零件的使用性能的要求。(2)改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能。正火后組織為細(xì)珠光體，其硬度提高，從而改善切削加工中的“黍占刀”現(xiàn)象，并使工件表面粗糙度值也提高。下一頁返回5.2鋼的正火(3)作為中碳結(jié)構(gòu)鋼制作的較重要零件的預(yù)先熱處理。通過正火可消除中碳結(jié)構(gòu)鋼熱加工所造成的魏氏組織、晶粒粗大等過熱組織缺陷，細(xì)化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力。(4)消除過析鋼中的二次滲碳體網(wǎng)。主要是為球化退火做好組織準(zhǔn)備。(5)特定情況下代替淬火、回火對(duì)某些大型的或較復(fù)雜的零件。當(dāng)淬火有可能開裂或淬不透時(shí)，正火往往可以替代淬火、回火，而作為這類零件的最終熱處理。鋼的幾種退火、正火加熱溫度范圍與Fe-Fe3C相同的關(guān)系及熱處理工藝曲線可由Fe-Fe3C相圖選擇得到，如圖5-3所示。上一頁返回5.3鋼的淬火將鋼件加熱到Ae3(Ae1)+(30℃~50℃)，保溫一定的時(shí)間使之奧氏體化后，以大于馬氏體臨界冷卻速度快速冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝，稱為淬火。其主要目的是為了獲得馬氏體，與適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に嚺浜?，以得到零件所要求的機(jī)械性能。這是強(qiáng)化鋼材最重要的熱處理工藝方法。下一頁返回5.3鋼的淬火5.3.1淬火工藝1.淬火加熱溫度鋼的化學(xué)成分是決定其淬火加熱溫度的最主要因素。因此碳鋼的淬火加熱溫度可利用FeFe3C相圖來選擇，如圖5-4所示。其淬火加熱溫度原則為:亞共析鋼一般加熱到式Ae3+(30℃~50℃)進(jìn)行完全淬火。這是因?yàn)閬喒参鲣撊绻贏e1~Ae3加熱，組織中必然有一部分先析相鐵素體存在，淬火后由于鐵素體不能轉(zhuǎn)變而被保留在淬火組織中。塊狀的鐵素體分布在馬氏體中間，降低了鋼的強(qiáng)度，同時(shí)還影響回火后的力學(xué)性能;淬火加熱溫度不能過高，否則，奧氏體晶粒粗化，鋼的氧化脫碳嚴(yán)重。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火淬火后會(huì)出現(xiàn)粗大的馬氏體組織，使鋼的性能變壞。共析鋼、過共析鋼一般加熱到Ae1+(30℃~50℃)進(jìn)行不完全淬火，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。由于滲碳體的存在，鋼的硬度與耐磨性得以提高。對(duì)于過共析鋼而言，若加熱溫度高于Accm時(shí)，由于滲碳體全部溶于奧氏體中，奧氏體含碳量提高，Ms點(diǎn)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。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。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火2.淬火加熱時(shí)間淬火加熱時(shí)間包括升溫時(shí)間和保溫時(shí)間。加熱時(shí)間受工件形狀尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質(zhì)等因素影響。一般用下述經(jīng)驗(yàn)公式確定t=αD式中，t為加熱時(shí)間，min;α為加熱系數(shù)，min/mm;D為工件有效厚度，mm。加熱系數(shù)與工件的有效厚度的數(shù)值可查閱有關(guān)資料。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火3.淬火冷卻介質(zhì)工件進(jìn)行快速冷卻時(shí)所用的介質(zhì)稱為淬火介質(zhì)。為保證工件淬火后得到馬氏體，又要減小變形和防止開裂，必須正確選擇冷卻介質(zhì)。由C形曲線可知，要得到馬氏體，并不需要在整個(gè)冷卻過程都進(jìn)行快速冷卻，理想淬火介質(zhì)的冷卻速度曲線如圖5-5所示，在650℃以上由于過冷奧氏體比較穩(wěn)定，冷卻速度可慢些，以減小工件內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力，防止變形;400℃~650℃范圍內(nèi)(C形曲線鼻尖附近)，過冷奧氏體最不穩(wěn)定，應(yīng)快速冷卻，淬火冷卻速度應(yīng)大于:K，使過冷奧氏體不發(fā)生分解形成珠光體;在200℃~300℃范圍內(nèi)，過冷奧氏體已進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，應(yīng)緩慢冷卻。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火因?yàn)榇藭r(shí)相變應(yīng)力占主導(dǎo)地位，可防止內(nèi)應(yīng)力過大而使零件產(chǎn)生變形，甚至開裂。目前為止，符合這一特性要求的理想淬火介質(zhì)還沒有找到。生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)有水、鹽或堿的水溶液。(1)水及水溶液。在400℃~650℃范圍內(nèi)需要快冷時(shí)，水的冷卻速度相對(duì)較小;200℃~300℃范圍內(nèi)需要慢冷時(shí)，其冷卻速度又相對(duì)較大。但因水價(jià)廉安全，故常用于形狀簡單、截面較大的碳鋼工件的淬火。淬火時(shí)隨著水溫升高，冷卻能力降低，故使用時(shí)應(yīng)控制水溫低于40℃。為提高水在400℃~650℃范圍內(nèi)的冷卻能力，常加入少量(5%~10%)的鹽(或堿)制成鹽(或堿)水溶液。堿水溶液對(duì)工件、設(shè)備及操作者腐蝕性大，主要用于易產(chǎn)生淬火裂紋工件的淬火。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火(2)油。常用的有機(jī)油、變壓器油、柴油等。油在200℃~300℃范圍內(nèi)的冷卻速度比水小，有利于減小工件的變形和開裂，但油在400℃~650℃范圍內(nèi)冷卻速度也比水小，因此只能用于低合金鋼與合金鋼的淬火，使用時(shí)油溫應(yīng)控制在40℃~100℃范圍內(nèi)。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火5.3.2淬火方法為了保證淬火質(zhì)量，除正確選用淬火冷卻介質(zhì)外，還應(yīng)采用合理的淬火方法。生產(chǎn)中常用的淬火方法如下。1.單液淬火將奧氏體化的工件投入一種淬火冷卻介質(zhì)中，一直冷至室溫的淬火，稱為單液淬火，如圖5-6中曲線①所示。例如，一般碳鋼在水或水溶液中淬火，合金鋼在油中淬火等均屬單液淬火。2.雙液淬火先把奧氏體化的工件投入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，冷卻到稍高于Ms的溫度，再立即投入另一冷卻能力較弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火工藝，稱為雙液淬火，如圖5-6中曲線②所示。上一頁下一頁返回5.3鋼的淬火3.分級(jí)淬火把奧氏體化的工件投入溫度稍高于或低于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時(shí)間，待工件內(nèi)外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法，稱為分級(jí)淬火，如圖5-6中曲線③所示。4.等溫淬火把奧氏體化的工件投入溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保溫足夠的時(shí)間，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后取出空冷，這種工藝稱為等溫淬火，如圖5-6中曲線④所示。上一頁返回5.4鋼的回火將淬火后的工件重新加熱到A1以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。鋼在淬火后一般都要進(jìn)行回火處理，回火決定了鋼在使用狀態(tài)的組織和性能，因此回火是很重要的熱處理工序。下一頁返回5.4鋼的回火5.4.1回火的目的(1)獲得工件所要求的力學(xué)性能。工件經(jīng)淬火后，具有高的硬度，但塑性和韌性卻顯著降低。為了滿足各種工件的不同性能要求，可通過適當(dāng)回火來改變淬火組織，獲得所要求的力學(xué)性能。(2)穩(wěn)定工件尺寸。淬火工件中的馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定組織，在室溫下會(huì)自發(fā)的發(fā)生分解，從而引起工件尺寸和形狀的改變。通過回火使淬火組織轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定組織，從而保證工件在以后的使用過程中不再發(fā)生尺寸和形狀的改變。(3)消除或減少淬火內(nèi)應(yīng)力。工件淬火后存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如不及時(shí)回火，往往會(huì)使工件發(fā)生變形甚至開裂。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火5.4.2淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變淬火馬氏體與殘余奧氏體在回火過程中，會(huì)逐漸向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體(或其他結(jié)構(gòu)碳化物)的兩相組織轉(zhuǎn)變。隨著回火溫度的不同，將發(fā)生以下轉(zhuǎn)變。1.馬氏體的分解(≤200℃)在80℃以下回火時(shí)，淬火鋼中沒有明顯的組織轉(zhuǎn)變，此時(shí)只發(fā)生馬氏體中碳原子的偏聚。在80℃~200℃范圍內(nèi)回火時(shí)馬氏體開始分解。馬氏體中過飽和碳原子以亞穩(wěn)定的碳化物(化學(xué)式Fe2C，稱為碳化物)形式析出，故降低了馬氏體中碳的過飽和度。由于這一階段溫度較低，從馬氏體中僅析出上一頁下一頁返回5.4鋼的回火了一部分過飽和碳原子，故它仍是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。析出的亞穩(wěn)定碳化物(Fe2C極為細(xì)小并彌散于過飽和

固溶體相界面上，且與

α固溶體保持共格(即兩相界面上的原子，恰好是兩相晶格的共用結(jié)點(diǎn)原子)關(guān)系。這一階段的回火組織是由過飽和的a固溶體與其晶格相聯(lián)系的二碳化物所組成，這種組織稱為回火馬氏體(如圖5-7)。由于該組織中二碳化物極為細(xì)小且彌散度極高，所以在小于200℃回火時(shí)，鋼的硬度并不降低，但由于二碳化物的析出，晶格畸變程度降低，使淬火應(yīng)力有所減小。2.殘余奧氏體的分解(200℃~300℃)殘余奧氏體本質(zhì)上與原過冷奧氏體并無不同。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火在相同的等溫溫度下，殘余奧氏體的回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與原過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相同，即在不同溫度下可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體和珠光體。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)回火溫度在200℃~300℃時(shí)，殘余奧氏體發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，在此區(qū)間轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為下貝氏體。應(yīng)當(dāng)指出，在此溫度范圍內(nèi)，馬氏體分解可延續(xù)到350℃左右，因而淬火應(yīng)力進(jìn)一步減小，硬度無明顯下降。3.碳化物轉(zhuǎn)變(250℃~450℃)

250℃以上碳化物逐漸向滲碳體轉(zhuǎn)變，到400℃全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬⒎植嫉摹O細(xì)小的滲碳體。因碳化物的不斷析出，a固溶體的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降到平衡成分，即實(shí)際上已轉(zhuǎn)變成鐵素體，但形態(tài)仍為針狀。這時(shí)鋼的組織由針狀鐵素體和上一頁下一頁返回5.4鋼的回火高度彌散分布的、極細(xì)小的滲碳體組成，稱為回火托氏體，如圖5-8所示。這時(shí)鋼的硬度降低，淬火應(yīng)力基本消除。4.滲碳體的聚集長大和a相再結(jié)晶(450℃~700℃)450℃以上，高度彌散分布的、極細(xì)小的滲碳體逐漸球化成粒狀滲碳體，并隨溫度升高，滲碳體顆粒逐漸長大。在滲碳體球化、長大的同時(shí)，鐵素體在500℃~600℃發(fā)生再結(jié)晶，也就是鐵素體由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅尉Я！＿@種在多邊形鐵素體基體上分布著粗粒狀滲碳體的組織稱為回火索氏體，如圖5-9所示。如將溫度進(jìn)一步升高到650℃-A1溫度區(qū)間，粒狀滲碳體進(jìn)一步粗化，這種由多邊形鐵素體和較大粒狀滲碳體組成的組織稱為回火珠光體。此時(shí)淬火應(yīng)力完全消除，硬度明顯下降。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火由上可知，淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變，是在不同溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，但多半又是交叉重疊進(jìn)行的，即在同一回火溫度，可能進(jìn)行幾種不同的轉(zhuǎn)變。淬火鋼回火后的性能取決于組織的變化，隨著回火溫度的升高，強(qiáng)度、硬度降低，而塑性、韌性升高，如圖5-10所示。溫度越高，其變化越明顯。為防止回火后重新產(chǎn)生應(yīng)力，一般回火后采用空冷，冷卻方式對(duì)回火后的性能影響不大。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火5.4.3回火的種類及應(yīng)用根據(jù)對(duì)工件性能要求的不同，生產(chǎn)中按回火溫度的高低可將回火分為以下三種。1.低溫回火(150℃~250℃)低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動(dòng)軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為58~64HRC。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火2.中溫回火(350℃~500℃)

中溫回火所得組織為回火托氏體。其目的是獲得高的屈服強(qiáng)度、彈性極限和較高的韌性。它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為35~50HRC。3.高溫回火(500℃~650℃)高溫回火所得組織為回火索氏體。習(xí)慣上，將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強(qiáng)度、硬度和塑性、韌性都較好的綜合力學(xué)性能。因此，廣泛用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿、螺柱、齒輪及軸類?；鼗鸷笥捕纫话銥?00~330HBS。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火應(yīng)當(dāng)指出，鋼經(jīng)正火和調(diào)質(zhì)處理后的硬度值很相近，但重要的結(jié)構(gòu)零件一般都進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理而不采用正火。這是由于調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體，其中滲碳體呈粒狀，而正火得到的索氏體中滲碳體呈層片狀。因此，鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后不僅強(qiáng)度較高，而且塑性與韌性更顯著地超過了正火狀態(tài)。表5-1所示為45鋼(20~40mm)經(jīng)調(diào)質(zhì)處理和正火后的力學(xué)性能比較。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火調(diào)質(zhì)處理一般作為最終熱處理，也可以作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)先熱處理。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)后鋼的硬度不高，便于切削加工并能獲得較好的表面光潔度。除了以上三種常用的回火方法外，某些高合金鋼還在A1以下(20℃~40℃)進(jìn)行高溫軟化回火。其目的是獲得回火珠光體，以代替球化退火。必須指出，回火時(shí)間的確定是保證工件穿透加熱，以及組織轉(zhuǎn)變能夠充分進(jìn)行。實(shí)際上，組織轉(zhuǎn)變所需時(shí)間一般不大于0.5h，而穿透加熱時(shí)間則隨溫度、工件的有效厚度、裝爐量及加熱方式等的不同而波動(dòng)較大，一般為1-3h。上一頁下一頁返回5.4鋼的回火5.4.4回火脆性由如圖5-11所示鋼的沖擊韌性與回火溫度的關(guān)系曲線可見，淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火時(shí)沖擊韌度明顯下降。這種淬火鋼在某些溫度區(qū)間回火或從回火溫度緩慢冷卻通過該溫度區(qū)間的脆化現(xiàn)象稱為回火脆性?；鼗鸫嘈钥煞譃榈谝活惢鼗鸫嘈院偷诙惢鼗鸫嘈浴Ｓ蓤D5-11可知，工件淬火后在300℃