鋼的熱處理-鋼的熱處理工藝

鋼的熱處理鋼的熱處理工藝§１鋼的回火回火的定義：把淬火鋼件加熱到低于A1溫度，保溫確定時(shí)間后以適當(dāng)方式冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鸬哪康模簻p小淬火工件的內(nèi)應(yīng)力，降低脆性，提高塑性、韌性和組織穩(wěn)定性，以獲得強(qiáng)度與韌性良好協(xié)作的最佳運(yùn)用性能。對(duì)某些含氫量比較高的鋼，回火還能起到除氫、削減氫脆的作用。一、回火過程中鋼的組織狀態(tài)變更１．馬氏體的分解與碳化物的形成碳原子在穩(wěn)定較低時(shí)在位錯(cuò)處偏聚，降低能量。大多數(shù)低碳鋼（＜0.2%C）在淬火時(shí)就發(fā)生碳原子的偏聚。大于0.2%C的碳素鋼，一部分碳原子偏聚在位錯(cuò)處，剩余原子占據(jù)間隙位置，馬氏體顯示出正方性。２．馬氏體分解和ε碳化物的形成大于0.2%C的鋼在20～150℃回火，從馬氏體中析出ε碳化物。ε碳化物：密排六方晶體結(jié)構(gòu)，比Fe3C碳含量高，與α相保持共格關(guān)系，(011)M∥(0001)ε，[101]M∥[1011]ε?；鼗瘃R氏體：馬氏體在250℃以下溫度回火時(shí)，分解為低碳馬氏體和ε碳化物的混合物，稱為回火馬氏體?；鼗瘃R氏體－馬氏體及其中析出的ε碳化物３．滲碳體的析出、球化與聚集長(zhǎng)大約在250℃以上，ε碳化物向滲碳體轉(zhuǎn)變，結(jié)果ε碳化物消逝，滲碳體形成。ε碳化物顆粒漸漸溶入到α相中消逝，滲碳體形成，有放熱現(xiàn)象。有人認(rèn)為ε碳化物的溶解和滲碳體的析出在同一地點(diǎn)形成（滲碳體就地形核）。碳化物形成元素推遲ε碳化物向滲碳體的轉(zhuǎn)化，使ε碳化物存在于更高的溫度。在450℃以上溫度回火時(shí)，含Ti、Nb、V、Mo、Cr的鋼在馬氏體的基體上形成碳化物，起彌散強(qiáng)化作用，有時(shí)引起二次硬化。４．α相的回復(fù)與再結(jié)晶回復(fù)：400℃滲碳體起先球化，鐵素體胞狀結(jié)構(gòu)的邊界和亞晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)密度急劇降低，點(diǎn)陣畸變起先消逝，亞晶粒漸漸長(zhǎng)大變成多邊晶粒。再結(jié)晶：600℃以上溫度，鐵素體由細(xì)小的晶粒長(zhǎng)成為較大的等軸晶粒。碳化物也聚集長(zhǎng)大。二、鋼中殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變

對(duì)碳素鋼來(lái)說(shuō)，在通?；鼗饤l件下，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w或回火馬氏體。殘余奧氏體回火時(shí)，轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物隨回火溫度的不同而異。在珠光體形成溫度范圍內(nèi)，從殘余奧氏體中可以析出先共析相，隨后分解為珠光體。在貝氏體的形成溫度內(nèi)，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w?；鼗鸫嘈缘母拍睿河行╀撛谀承囟确秶鷥?nèi)回火時(shí)，其沖擊韌性比在較低溫度回火時(shí)反而顯著降低，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性?；鼗鸫嘈钥煞譃榈蜏鼗鼗鸫嘈院透邷鼗鼗鸫嘈?。三、鋼的回火脆性及其本質(zhì)１．低溫回火脆性碳鋼和低合金鋼在250~400℃回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，或第一類回火脆性。幾乎所用淬火后形成馬氏體組織的碳鋼及合金鋼，在300℃左右溫度回火時(shí)都會(huì)或多或少地發(fā)生這種脆性。特點(diǎn)：在此溫度范圍內(nèi)回火，無(wú)論接受何種回火方法或回火后接受何種冷卻速度，都不行避開地使韌性降低。假如將這種已經(jīng)產(chǎn)生脆性的工件在更高一些溫度回火后，其脆性將消逝。在置于300℃左右溫度重新回火時(shí)，脆性不再重復(fù)出現(xiàn)。不同含碳量鋼的沖擊韌性隨回火溫度變更關(guān)系低溫回火脆性產(chǎn)生的緣由回火脆性的機(jī)理目前不特別清晰。以往大多認(rèn)為，低溫回火脆性是韌性較高的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈暂^大的馬氏體造成的。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在低碳和中碳鋼內(nèi)，由于原奧氏體晶界在高溫加熱時(shí)溶有氮、碳和氧，低溫回火時(shí)這些元素以化合物的形式析出，使脆性增大。目前大多認(rèn)為，低溫回火脆性可能與馬氏體分解初期析出的滲碳體具有特殊的形態(tài)有關(guān)。影響低溫回火脆性的因素及消退方法鋼的碳含量越高，脆化的程度越嚴(yán)峻。合金元素一般都不能抑制第一類回火脆性，但可變更脆性產(chǎn)生的溫度范圍。目前無(wú)有效方法消退低溫回火脆性。（１）盡量避開在這一溫度范圍內(nèi)回火是最好方法；（２）用快速加熱回火的方法可以減小脆性；（３）用等溫淬火的方法代替淬火；（４）Ti、Al、B等元素對(duì)低溫回火脆性有確定的抑制作用。２．高溫回火脆性（其次類回火脆性）概念：鋼在450~550℃或更高溫度（650℃左右）回火時(shí)出現(xiàn)的脆性，稱為高溫回火脆性或其次類回火脆性。特點(diǎn)：在上述溫度范圍內(nèi)回火，假如快速冷卻（水冷或油冷），韌性并不降低；反之，慢冷（空冷或爐冷）則韌性顯著下降，冷卻越慢，韌性降低的越顯著。一般都是沿晶斷裂。高溫回火脆性產(chǎn)生的緣由迄今無(wú)一樣看法。（１）α相中的氮、碳和氧，低溫回火時(shí)這些元素以化合物的形式沿晶界析出，使脆性增大。（２）碳化物從α相中析出導(dǎo)致體積變更，從而在原來(lái)的奧氏體晶界產(chǎn)生應(yīng)力集中引起。（３）晶界富集和偏析理論。合金元素或微量的的雜質(zhì)元素（P、Sb、Sn、As）偏聚到原來(lái)的奧氏體晶界上，減弱了原奧氏體晶界上原子間的結(jié)合力，使鋼變脆。防止和消退高溫回火脆性的方法（１）兩次淬火法，第一次在正常的Ac3點(diǎn)以上溫度淬火，其次次是在Ac1～Ac3之間不完全淬火；（２）變形熱處理，高溫鍛、軋后馬上進(jìn)行熱處理；（３）細(xì)化奧氏體晶粒；（４）快速加熱回火；（５）縮短產(chǎn)生回火脆性溫度下的保溫時(shí)間。最常用的方法：回火后快冷或向鋼中加入0.3~0.5%的鉬?！欤蹭摰耐嘶鹋c正火退火：將鋼加熱到低于或高于Ac1點(diǎn)溫度，保持確定時(shí)間后隨爐緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織。正火：將鋼加熱到Ac3點(diǎn)以上30~50℃或更高溫度的奧氏體區(qū)域，保持確定時(shí)間后在空氣中進(jìn)行冷卻，以獲得珠光體類的組織。一、退火與正火的目的與用途１．退火的目的及其分類目的：（１）降低鋼的硬度，便于切削加工；（２）消退內(nèi)應(yīng)力或冷作硬化，提高塑性以利于接著冷加工；（３）改善或消退毛坯在鑄、鍛、焊時(shí)所造成的成分或組織不均（偏析、帶狀組織和魏氏組織），以提高其工藝性能和組運(yùn)用性能；（４）細(xì)化晶粒，改善高碳鋼中碳化物的分布和形態(tài)，為最終熱處理作好準(zhǔn)備。退火的類別：（１）低溫退火加熱溫度低于Ac1點(diǎn)，退火過程中沒有相變發(fā)生，其目的在于消退內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，復(fù)原塑性和消退冷作硬化；（２）不完全退火加熱到Ac1點(diǎn)以上20~30℃，使珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，對(duì)亞共析鋼的先共析鐵素體和過共析鋼的先共析滲碳體均無(wú)變更。對(duì)鍛、軋后的亞共析鋼，不完全退火可消退內(nèi)應(yīng)力，降低硬度。對(duì)過共析鋼不完全退火使片狀珠光體球化，降低硬度，改善切削性能。因此，有時(shí)也把這種退火稱為球化退火。（３）完全退火加熱到Ac3點(diǎn)以上30~50℃，目的在于消退組織缺陷，細(xì)化晶粒。主要適用于亞共析鋼，消退鑄造、鍛、軋工藝產(chǎn)生的組織缺陷。過共析鋼一般運(yùn)用正火工藝消退組織缺陷。（４）擴(kuò)散退火加熱到Ac3點(diǎn)以上150~250℃，長(zhǎng)時(shí)間保溫，使鋼的成分和組織在高溫下通過擴(kuò)散勻整化。２．正火的目的和用途目的：（１）對(duì)大型鍛件和較大界面的鋼材，可使組織勻整化，細(xì)化晶粒，為淬火作好組織上的準(zhǔn)備；（２）改善一些鋼種的板材、管材、帶材和型鋼的機(jī)械性能，正火往往是最終熱處理工藝；（３）改善低碳鋼和低碳合金鋼的顯微組織和性能，提高切削加工性能；（４）改善和細(xì)化鑄鋼件的鑄態(tài)組織；（５）對(duì)大型工件，淬火簡(jiǎn)潔產(chǎn)生變形，用正火工藝代替淬火工藝。退火與正火工藝的應(yīng)用（１）冷加工鋼材，一般運(yùn)用再結(jié)晶退火工藝消退加工硬化。包括有色金屬、軟鋼、硅鋼片、精密合金、各種冷加工的板、管、絲、帶、型鋼等金屬材料。（２）結(jié)構(gòu)鋼熱軋后，為了消退內(nèi)應(yīng)力，通常接受低溫（低于Ac1點(diǎn)，約650~700℃)退火，勻整熱透后出爐空冷或隨爐冷卻。（３）為了消退中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄、鍛、軋后組織中的魏氏組織、晶粒粗大、帶狀組織，常接受完全退火或正火工藝進(jìn)行熱處理。（４）低碳結(jié)構(gòu)鋼（小于0.25%C）和低合金鋼，假如接受退火工藝處理，反而使少量的珠光體球化，鋼變的更軟。為了提高硬度和切削加工性能，大多接受正火處理，以獲得細(xì)片狀的珠光體。（５）工具鋼常運(yùn)用球化退火（不完全退火，加熱到加熱到Ac1點(diǎn)以上20~30℃）。碳素工具鋼、一部分合金工具鋼和軸承鋼，在軋（鍛）后的堆冷或空冷時(shí)，組織中會(huì)出現(xiàn)片狀珠光體（甚至網(wǎng)狀滲碳體），淬火過程中工件簡(jiǎn)潔開裂?！欤充摰拇慊鸸に嚧慊鸬亩x：淬火就是把鋼加熱到臨界溫度（Ac1或Ac3）以上，保溫確定時(shí)間使之奧氏體化后，再以大于臨界冷卻速度的冷速急劇冷卻，從而獲得馬氏體組織的熱處理方法。按淬火加熱溫度不同可分為完全淬火和不完全淬火。一、淬火溫度的選擇選擇的依據(jù)：１）鋼的化學(xué)成分；２）工件尺寸、形態(tài)與技術(shù)要求；３）奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向；４）接受的淬火介質(zhì)與淬火方法。鋼的化學(xué)成分與淬火溫度亞共析鋼一般選擇在Ac3以上30~50℃淬火加熱。緣由是，假如低于Ac3，組織中會(huì)保留一部分先共析鐵素體，淬火后出現(xiàn)軟點(diǎn)，鋼的硬度達(dá)不到要求。過共析鋼淬火加熱溫度選為Ac1＋30~50℃。因?yàn)檫^共析剛淬火以前，一般都要經(jīng)過球化處理，加熱溫度在Ac1以上時(shí)，鋼的組織是奧氏體和一部分未溶解的粒狀碳化物（滲碳體），淬火后，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，未溶解碳化物保留下來(lái)，提高鋼的耐磨性。二、保溫時(shí)間的確定（１）鋼的化學(xué)成分；（２）工件的形態(tài)與尺寸；（３）加熱介質(zhì)；（４）裝爐狀況（Kt）；（５）爐溫。鹽浴爐：t=0.2~0.4D（D-有效直徑，mm）空氣電阻爐：t=1.0~1.2D（碳鋼）t=1.2~1.5D（合金鋼）三、加熱介質(zhì)的選擇空氣、可控氣氛、燃料氣體、各種鹽浴。液體介質(zhì)主要是鹽浴。優(yōu)點(diǎn)：爐溫簡(jiǎn)潔限制、工件受熱勻整、加熱速度快、工件不易氧化脫碳、變形小。常用鹽浴成分及其運(yùn)用溫度鹽浴的配比熔化溫度（℃）正常使用溫度（℃）100%BaCl29601100~1350100%Na2Ba4O7700800~135020~30%NaCl+BaCl2~650700~100020~30%NaCl+KCl660~670700~100020~30%NaCl+KCl+BaCl2560580~88050%Na2CO3+50%KCl550590~810四、淬火介質(zhì)１．工件在淬火介質(zhì)中的冷卻過程（１）蒸汽膜階段(AB)（２）沸騰冷卻階段(BC)（３）對(duì)流冷卻階段(CD)２．常用淬火介質(zhì)（１）水優(yōu)點(diǎn)：易得、廉價(jià)、冷卻實(shí)力強(qiáng)。缺點(diǎn)：①在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)間冷速太大；②冷卻實(shí)力對(duì)水溫敏感；③不溶雜質(zhì)會(huì)顯著降低其冷卻實(shí)力。（２）鹽水與堿水優(yōu)點(diǎn)：①蒸汽膜因鹽的加入提早裂開，高溫（650～550℃）區(qū)間的冷卻實(shí)力約為水的10倍；②冷卻實(shí)力受溫度的影響較水為小。缺點(diǎn)：①在低溫區(qū)間（200～300℃）的冷速過大；②對(duì)工件有確定的腐蝕作用。（３）油優(yōu)點(diǎn)：①對(duì)流階段起先溫度比水高，在Ms點(diǎn)旁邊已經(jīng)進(jìn)入對(duì)流階段，低溫區(qū)間的冷速遠(yuǎn)小于水，可減小工件的開裂與變形。缺點(diǎn)：①高溫區(qū)間的冷卻實(shí)力小，不能用于淬透性低的碳素鋼；②易老化；③易著火；④工件淬火后須要清洗。五、鋼的淬透性工件斷面不同冷速與未淬透區(qū)示意圖淬硬層深度：從工件表面對(duì)里深化到半馬氏體區(qū)的深度。淬透性：指鋼被淬透的實(shí)力，或者說(shuō)鋼在淬火時(shí)所能得到