M21鐵碳合金熱處理

模塊二鐵碳合金的熱處理內(nèi)容一熱處理的基本概念內(nèi)容二退火與正火

內(nèi)容一熱處理的基本概念改善鋼的性能，是零件加工、使用中的主要需求，且主要有兩個(gè)途徑：

1、調(diào)整鋼的化學(xué)成分，加入合金元素，即合金化的辦法；

2、鋼的熱處理，兩者關(guān)系相輔相成。1、鋼的熱處理：鋼在固態(tài)下，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行加熱、保溫以及冷卻的操作，使鋼的組織結(jié)構(gòu)按照人們的需要發(fā)生變化，從而獲得所需性能的一種工藝方法。2、熱處理的特點(diǎn)：與鑄造、鍛壓、焊接、切削加工不同，熱處理只改變金屬材料的組織和性能，而不改變其形狀和大小。因而熱處理工藝可用于零件、工具等制成品的處理。3、熱處理的重要性：（1）提高硬度、強(qiáng)度、韌性、彈性、增加耐磨性。（2）改變?cè)牧希鳎┑那邢餍阅?，易于加工。?）保證產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際生產(chǎn)中，60%~70%機(jī)械零件、70%~80%的汽車、拖拉機(jī)零件、100%的各種刃具、模具、量具和滾動(dòng)軸承等零件在制造中需要熱處理。4、影響熱處理的三大要素（1）加熱溫度：不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。（2）保溫時(shí)間：保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。（3）冷卻時(shí)間：鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織。這三大基本要素決定了材料熱處理后的組織和性能。5、常見(jiàn)的熱處理方法（3）熱處理在加工過(guò)程中所處的環(huán)節(jié)中間工序：消除前道工序的某些缺陷，為后續(xù)工序做準(zhǔn)備的熱處理。如鍛、軋、鑄毛坯組織的退火或正火，消除內(nèi)應(yīng)力，降低工件硬度，改善切削加工性能的退火等。最終工序：獲得零件所需要的使用性能的熱處理如經(jīng)淬火和高溫回火，達(dá)到最為良好的綜合機(jī)械性能等。鍛造毛坯切削加工退火淬火回火中間工序最終工序6、熱處理的依據(jù)熱處理的依據(jù)是鐵碳合金狀態(tài)圖。當(dāng)鐵碳合金加熱到臨界溫度以上，原有的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻膴W氏體A后，再以不同的冷卻方法使之轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，以獲得所需性能。加熱后保溫一段時(shí)間，其實(shí)質(zhì)是加熱的繼續(xù)，使工件內(nèi)外溫度趨于一致，鐵碳合金組織充分轉(zhuǎn)變。

7、熱處理能夠改變鋼的性能的根本原因由于鐵有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而使鋼在加熱和冷卻過(guò)程中發(fā)生了組織與結(jié)構(gòu)的變化。

圖2-2鋼在加熱或冷卻時(shí)各臨界點(diǎn)的位置冷卻臨界線——Ar1、Ar3、Arcm加熱臨界線——Ac1、Ac3、Accm、8、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

A1、A3、Acm是鋼在極緩慢加熱和冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)，但在實(shí)際的加熱和冷卻條件下，鋼的組織轉(zhuǎn)變總有滯后現(xiàn)象，在加熱時(shí)高于而在冷卻時(shí)低于相圖上的臨界點(diǎn)。鋼加熱時(shí)常見(jiàn)的缺陷：1）氧化：加熱時(shí)的氧化性氣體（如空氣、氣體中O2、CO2、H2O等）氧化鋼鐵，在工件表面形成FeO，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4等氧化物。2）脫碳：鋼中的碳被燒損使鋼表面含碳量降低的現(xiàn)象。3）過(guò)熱：加熱溫度比正常溫度偏高，出現(xiàn)的現(xiàn)象是鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。4）過(guò)燒：加熱溫度太高，奧氏體晶界或部分晶界氧化甚至熔化的現(xiàn)象。加熱缺陷的防止辦法1、真空加熱：即將工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施。2、可控氣體加熱：工件加熱過(guò)程中向爐內(nèi)充入一定保護(hù)性氣體，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣體下加熱。3、鹽浴加熱：工件置于一熔化了的中性鹽液中加熱，鹽液進(jìn)行充分脫氧，保證工件加熱過(guò)程中少氧化，甚至無(wú)氧化。

9.鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

過(guò)冷奧氏體——暫時(shí)保留在A1以下的奧氏體。

冷卻方法

1）連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變——使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變2）等溫冷卻轉(zhuǎn)變——使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到A1以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組織和性能（1）高溫轉(zhuǎn)變（A1~550℃）：珠光體型轉(zhuǎn)變

A1~650℃片層珠光體

<25HRC650℃~600℃細(xì)珠光體（索氏體

S）25~30HRC600℃~550℃極細(xì)珠光體（托氏體T）35~40HRC（2）貝氏體型轉(zhuǎn)變——中溫轉(zhuǎn)變（550℃~Ms）

550℃~350℃（上貝氏上B）平行條狀鐵素體上分布細(xì)微滲碳體

40~45HRC350℃~Ms（上貝氏下B）針狀鐵素體分布極細(xì)小碳化物50~55HRC（3）MS線（220℃）低溫轉(zhuǎn)變馬氏體M開(kāi)始轉(zhuǎn)變線

內(nèi)容二退火和正火一、退火將鋼加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保溫一定的時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。退火后獲得珠光體型組織。1、退火的主要目的是：

1）軟化鋼材以利于切削加工；2）消除內(nèi)應(yīng)力以防止工件變形；3）細(xì)化晶粒，改善組織，為零件的最終熱處理做好準(zhǔn)備。2、退火種類完全退火主要對(duì)象：亞共析成分的碳鋼及合金鋼的鑄件、鍛件和熱軋型材。工藝過(guò)程：將鋼加熱到Ac3線以上（30~50℃)，保溫一定時(shí)間，完全奧氏體化，隨爐冷至600℃以下，出爐空冷。主要目的：1）細(xì)化晶粒，消除過(guò)熱組織，為零件的最終熱處理做好準(zhǔn)備；2）消除殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂；3）降低硬度，便于切削加工。

完全退火應(yīng)注意的問(wèn)題：過(guò)共析鋼不宜采用：因?yàn)檫^(guò)共析鋼在緩慢冷卻時(shí)將得到二次滲碳體Fe3CⅡ

，會(huì)使鋼的組織變壞；必須嚴(yán)格控制退火的加熱溫度：溫度過(guò)高，奧氏體（A）晶粒將會(huì)急劇長(zhǎng)大，冷卻后仍是粗大晶粒；溫度過(guò)低，鋼的原始組織將不能完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體組織。不完全退火工藝：將鋼加熱到臨界溫度（AC1）以上30~50℃，并在該溫度保持一段時(shí)間，然后緩慢冷卻的過(guò)程。目的：消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，提高韌性，改善切削加工條件。應(yīng)用：主要適用于過(guò)共析鋼，但必須在鍛造后，沒(méi)有網(wǎng)狀滲碳體析出或消除了網(wǎng)狀滲碳體后方可進(jìn)行。不完全退火的原理由于加熱溫度低于AC3或ACm，原來(lái)組織中的過(guò)剩鐵素體和二次滲碳體是不發(fā)生轉(zhuǎn)變的，只有珠光體P轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體A。因此退火后得到的是片層距較大的片狀珠光體，鋼的硬度由此降低，利于切削。球化退火：用于過(guò)共析鋼鍛件和合金工具鋼。工藝：將鋼加熱到AC1以上20~30℃，保溫后，以比普通退火更為緩慢的速度（20~30℃/小時(shí)），冷卻到500~600℃再出爐空冷，使鋼中碳化物呈球狀。作用：形成球狀珠光體P，球狀珠光體比片狀珠光體硬度低，節(jié)省刀具；片狀易磨損刀具。目的：降低硬度，改善切削加工性能，為淬火作準(zhǔn)備。原理：當(dāng)鋼加熱到稍高于AC1時(shí)，呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的片狀滲碳體，在溫度緩慢下降時(shí)，片狀滲碳體將鑄件球化，轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的球狀組織。即得到在鐵素體基體上分布著許多顆粒狀態(tài)的滲碳體（球狀珠光體）。球化退火與不完全退火區(qū)別：1）加熱溫度略低；2）冷卻速度更慢。低溫退火：工藝：將鋼加熱到AC1以下某個(gè)溫度后，保溫、緩冷。特點(diǎn)：由于溫度低于臨界溫度，所以組織并不發(fā)生相變。目的：消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，降低硬度，恢復(fù)塑性。分類：去應(yīng)力退火；再結(jié)晶退火。a、去應(yīng)力退火：工藝：加熱到500~650℃，進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，通過(guò)原子擴(kuò)散及塑性變形來(lái)消除內(nèi)應(yīng)力，用于部分鑄件、鍛件及焊件。去應(yīng)力退火加熱溫度與適用材料b、再結(jié)晶退火：工藝：加熱到再結(jié)晶溫度以上150~250℃（即650~750℃）后，保溫空冷。目的：消除冷拔、冷軋、冷沖等產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象。再結(jié)晶退火加熱溫度與適用材料等溫退火（屬高溫轉(zhuǎn)變）工藝：將鋼件加熱到AC3以上30~50℃，保溫一段時(shí)間，然后較快地冷卻到略低于Ar1，（一般在Ar1以下20~30℃）的溫度，在此溫度下等溫到奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w為止，取出空冷的過(guò)程。等溫退火與普通退火相比有下述優(yōu)點(diǎn)：（1）由于等溫后可用任意速度冷卻（一般用空冷），大大縮短了退火時(shí)間；（2）工件的氧化和脫碳傾向減小；（3）得到的組織和性能較均勻。等溫退火的適用范圍：亞共析鋼、共析鋼，特別適合于合金鋼的退火處理。擴(kuò)散退火工藝：將鋼件加熱到1100~1200℃的高溫，在此溫度下保持12~24小時(shí)，然后緩慢冷卻的過(guò)程（一般是在爐內(nèi)緩慢冷卻）。目的：將鋼件的化學(xué)成分均勻，所以擴(kuò)散退火又稱為均勻化。應(yīng)用：因擴(kuò)散退火成本較高，主要用于優(yōu)質(zhì)合金鋼、鑄件的退火。注意事項(xiàng)：擴(kuò)散退火后組織晶粒很粗大，還必須進(jìn)行完全退火以細(xì)化晶粒。擴(kuò)散退火加熱溫度與適用材料二、正火定義：將鋼件加熱到AC3以上30~50℃（亞共析鋼）或ACcm以上35~50℃（過(guò)共析鋼），保溫后在空氣中冷卻（空冷）的熱處理工藝。作用：與退火（完全退火）作用相似，但冷卻速度比退火快，所形成的F+Fe3C機(jī)械混合物比退火得到珠光體片層更薄，這種細(xì)珠光體組織習(xí)慣稱為“索氏體S”。索氏體的強(qiáng)度、硬度較珠光體高，但韌性并未下降。正火的應(yīng)用范圍：①取代部分完全退火：低碳和含碳量較低的中碳鋼用正火取代退火（占用設(shè)備時(shí)間短）。中碳合金鋼，高碳鋼及復(fù)雜件，正火后硬度過(guò)高，切削加工性差，且難以消除內(nèi)應(yīng)力，一般仍以退火為宜。正火的應(yīng)用范圍：②用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理。正火的應(yīng)用范圍：③用于過(guò)共析鋼，以減少或消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作準(zhǔn)備。④用于低碳鋼、低合金鋼提高硬度，改善切削加工性能正火的合理選用：1）對(duì)于低碳鋼或低碳合金鋼，由于完全退火后硬度太低，切削加工性能不好。用正火，則可提高其硬度從而改善切削加工性能，通常采用正火來(lái)代替完全退火，作為預(yù)備熱處理。2）從改善切削加工性能的角度出發(fā)，中碳鋼既可采用退火，也可采用正火；3）含碳0.45%～0.6%的高碳鋼則必須采用完全退火改善切削加工性能；用正火可作終處理以提高硬度。4）過(guò)共析鋼用正火消除網(wǎng)狀滲碳體后再進(jìn)行球化退火。思考題：填表，說(shuō)明各工藝應(yīng)用特點(diǎn)、場(chǎng)合與目的低碳鋼中、高碳鋼過(guò)共析鋼完全退火不完全退火球化退火等溫退火再結(jié)晶退火去應(yīng)力退火正火思考題：填表，說(shuō)明各工藝方法、應(yīng)用特點(diǎn)、場(chǎng)合與目的加熱溫度冷卻方法應(yīng)用鋼材主要目的完全退火不完全退火球化退火等溫退火去應(yīng)力退火再結(jié)晶退火擴(kuò)散退火正火思考題：填表，說(shuō)明各工藝應(yīng)用特點(diǎn)、場(chǎng)合與目的低碳鋼中、高碳鋼過(guò)共析鋼完全退火細(xì)化晶粒、降低硬度、難切削細(xì)化晶粒、降低硬度、好切削不適用不完全退火不適用不適用硬度降低、較好切削球化退火不適用不適用硬度降低、好切削等溫退火細(xì)化晶粒、降低硬度、難切削細(xì)化晶粒、降低硬度、好切削不適用再結(jié)晶退火細(xì)化晶粒、消除加工硬化細(xì)化晶粒、消除加工硬化不適用去應(yīng)力退火消除內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力正火硬度略有提高；好切削提高硬度、好切削、可作終處理降低硬度、為球化退火作準(zhǔn)備思考題：填表，說(shuō)明各工藝方法、應(yīng)用特點(diǎn)、場(chǎng)合與目的加熱溫度冷卻方法應(yīng)用鋼材主要目的完全退火AC3線以上隨爐冷亞共析鋼細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力不完全退火AC1線以上隨爐冷過(guò)共析鋼細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力球化退火AC1線以上隨爐冷—500~