鋼淬火與回火知識(shí)要點(diǎn)

鋼淬火與回火知識(shí)要點(diǎn)第2頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2、淬火的目的：提高零件的硬度，強(qiáng)度，耐磨性。結(jié)構(gòu)鋼通過淬火，回火獲得良好的綜合機(jī)械性能。少數(shù)工件可以改善鋼的物理和化學(xué)性能。3、淬火必要條件：臨界點(diǎn)以上，獲得奧氏體；大于臨界冷速，得到馬氏體或下貝氏體。例如：提高高磁鋼的磁性；不銹鋼淬火以消除第二相，從而改善其耐蝕性。第4頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

第二節(jié)淬火介質(zhì)淬火介質(zhì)：為實(shí)現(xiàn)淬火目的用的冷卻介質(zhì)。理想淬火介質(zhì)：在A1～650℃緩慢冷卻，以減少熱應(yīng)力；在過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)域（650～400℃

），快速冷卻；而在MS附近的溫度區(qū)域冷速比較緩慢，它可以減少淬火內(nèi)應(yīng)力，避免淬火變形開裂。第6頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、淬火介質(zhì)的冷卻作用1、分類（1）按聚集狀態(tài)分類：淬火介質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)。最常用介質(zhì)為液態(tài)介質(zhì)，淬火時(shí)不僅發(fā)生傳熱作用，還會(huì)產(chǎn)生物態(tài)變化，因此過程較為復(fù)雜。（2）按液態(tài)淬火介質(zhì)是否具有物態(tài)變化：分為有物態(tài)變化的和無物態(tài)變化的。2、有物態(tài)變化的淬火介質(zhì)淬火冷卻過程可分為三個(gè)階段：（1）蒸氣膜階段：工件表面產(chǎn)生大量過熱蒸汽，緊貼工件形成連續(xù)的蒸汽膜；冷卻主要靠輻射傳熱，冷卻速度較緩慢。第7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（2）沸騰階段：進(jìn)一步冷卻時(shí)，工件放出的熱量減少，蒸汽膜厚度減薄并在越來越多的地方破裂，使工件與液體直接接觸，并形成大量氣泡逸出。冷卻速度較快，取決于淬火介質(zhì)的汽化熱，汽化熱越大，從工件帶走的熱量越多，冷卻速度也越快。（3）對(duì)流階段：當(dāng)工件表面的溫度降至介質(zhì)的沸點(diǎn)或分解溫度以下時(shí)，工件的冷卻主要靠介質(zhì)的對(duì)流進(jìn)行，隨工件和介質(zhì)間的溫差減小，冷速也逐漸降低，此時(shí)對(duì)流傳熱起主導(dǎo)作用第8頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3、無物態(tài)變化的淬火介質(zhì)：淬火冷卻主要靠對(duì)流散熱。溫度較高時(shí)輻射散熱占有很大比例，也有傳導(dǎo)傳熱。二、淬火介質(zhì)冷卻特性的測(cè)定淬火介質(zhì)冷卻能力最常用的表示方法是所謂的淬火烈度H。1、概念：規(guī)定靜止水的淬火烈度H＝1，其它淬火介質(zhì)的淬火烈度由與靜止水的冷卻能力比較而得。2、實(shí)質(zhì)：反映鋼內(nèi)部的熱傳導(dǎo)系數(shù)以及鋼與介質(zhì)間的給熱系數(shù)的關(guān)系，即淬火介質(zhì)的冷卻能力。注意：不同淬火介質(zhì)，在工件淬火過程中其冷卻能力是變化的。幾種常見淬火介質(zhì)的淬火烈度H，如下表所示。第9頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第10頁,共55頁，2024年2月25日，星期天三、常用淬火介質(zhì)及其冷卻特性1．水：

具有良好的物理化學(xué)性能，而且來源豐富，價(jià)格便宜。冷卻特性：（1）水的冷卻速度在650~400℃溫度范圍內(nèi)的冷卻速度較??；在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)的冷卻速度特別快。不同溫度純水的冷卻特性第11頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（2）水溫對(duì)冷卻特性影響很大隨水溫提高，水的冷卻速度降低。（3）循環(huán)水的冷卻能力大于靜止水的冷卻能力。不同溫度純水的冷卻特性第12頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

2．堿或鹽的水溶液水中溶入鹽、堿等物質(zhì)，減少了蒸汽膜的穩(wěn)定性，使蒸汽膜階段縮短，特性溫度提高從而加速冷卻速度。食鹽水溶液在食鹽濃度較低時(shí)隨食鹽濃度的增加而提高，冷速均大于純水的。堿溶液也具有很高的冷卻能力，隨溫度提高冷卻能力降低，工件表面銀白色、好的外觀，但腐蝕嚴(yán)重。第13頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3．油冷卻能力比水差，油的冷卻過程也具有三個(gè)階段。(1)在高溫區(qū)冷卻速度低；(2)油在500℃～350℃間冷卻速度最快。(3)油在低溫區(qū)（350℃下）冷速較慢。(4)油在20℃～80℃使用，對(duì)工件冷速影響不大。第14頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

4．有機(jī)物的水溶液及乳化液。水的冷卻能力很大，但冷卻特性很不理想；油的冷卻特性比較理想，但其能確能力有小一些；因此需要尋找冷卻能力介于兩者之間，而冷卻特性又比較理想的介質(zhì)。有機(jī)物的水溶液是較理想的淬火介質(zhì)，即在水中加入有機(jī)物或礦物鹽，改變（降低）水的冷卻性能。常用的有聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蝕劑。工業(yè)生產(chǎn)中常用乳化液，是礦物油與水經(jīng)強(qiáng)烈攪拌及振動(dòng)而成。冷卻能力可通過調(diào)配濃度來調(diào)節(jié)。常用于表面淬火。第15頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)鋼的淬透性一.淬透性的概念及影響因素1．概念：鋼材被淬透的能力，或者說淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。不同的鋼種，淬透性是不同的，因此工件表面到內(nèi)部的截面上淬成馬氏體組織的厚度也不同；淬成馬氏體組織的厚度越大，表示該鋼中的淬透性愈高。這種馬氏體組織厚度通常稱為硬化層厚度或淬透深度、淬硬層深度等。第16頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2．淬透性與淬硬性的區(qū)別（1）淬透性概念：系指淬火時(shí)獲得馬氏體的難易程度；影響因素：主要和鋼的過冷奧氏體的穩(wěn)定性有關(guān)或者說與鋼的臨界淬火冷卻速度有關(guān)，淬透性是鋼材本身固有的一個(gè)屬性。（2）淬硬性概念：是指淬成馬氏體可得到的硬度，影響因素：主要和鋼中含碳量有關(guān)。淬硬性是鋼淬火后獲得馬氏體的最高硬度。第17頁,共55頁，2024年2月25日，星期天工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系第18頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3．影響鋼的淬透性的因素(1)鋼的化學(xué)成分①過共析鋼在正常淬火溫度區(qū)間（低于Accm溫度）加熱含碳量低于1%的鋼，隨含碳量的升高，臨界冷速降低，淬透性提高；含碳量高于1%的鋼，隨含碳量的增加，單調(diào)下降,淬透性降低。②鋼在高于Ac3或Accm加熱隨著含碳量的增加，臨界冷速降低，淬透性增加。③合金元素的影響除Co、Ti、Zr以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體后使C曲線右移，提高鋼的淬透性。第19頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

2．奧氏體晶粒度的影響奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高，奧氏體晶粒尺寸對(duì)珠光體轉(zhuǎn)變的延遲作用比貝氏體的大。

3．奧氏體化溫度不僅可以促進(jìn)奧氏體晶粒增大，而且可以促使碳化物及其它非金屬夾雜物溶入，并使奧氏體成分均勻化，這將提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而提高淬透性。

4．第二相的存在和分布奧氏體中未溶的非金屬夾雜物和碳化物的存在，以及大小和分布，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而影響淬透性。第20頁,共55頁，2024年2月25日，星期天5．鋼的原始組織的影響鋼的原始組織中，由于珠光體的類型（片狀或粒狀）及彌散度的不同，在奧氏體化時(shí)，將會(huì)影響到奧氏體的均勻性，從而影響到鋼的淬透性。碳化物愈細(xì)小，溶入奧氏體愈迅速，從而有利于提高鋼的淬透性。第21頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)確定淬火工藝規(guī)范的原則淬火工藝方法及應(yīng)用

淬火工藝規(guī)范包括淬火加熱方式、加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻介質(zhì)及冷卻方式等。確定規(guī)范的依據(jù)工件圖紙及技術(shù)要求;所用材料牌號(hào);相變點(diǎn);過冷奧氏體等溫或連續(xù)冷卻曲線;端淬曲線;原始組織;加工工藝路線。第22頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、淬火加熱方式及加熱溫度的確定原則1、加熱方式保護(hù)氣氛或鹽浴加熱。裝爐方式：一般是熱爐裝料。對(duì)尺寸較大，形狀復(fù)雜高合金鋼件采用預(yù)熱（預(yù)熱爐）或分段式加熱爐加熱。2、淬火加熱溫度主要根據(jù)鋼的相變點(diǎn)確定。第23頁,共55頁，2024年2月25日，星期天亞共析鋼加熱溫度為Ac3+30~50℃

；原因：若在Ac1~Ac3加熱，則得到A+F兩相組織,淬火冷卻后,鐵素體保存下來，導(dǎo)致硬度不均勻,強(qiáng)度和硬度降低。若在Ac3以上30~50℃加熱得到A組織，冷卻后得到細(xì)小的馬氏體，強(qiáng)度和硬度較高。若加熱溫度在在Ac3以上,得到粗大的奧氏體晶粒，冷卻后得到粗大馬氏體，降低強(qiáng)度和硬度。第24頁,共55頁，2024年2月25日，星期天例題：已知45鋼，Ac1=730℃,AC3=780℃,試確定其淬火加熱溫度，并分析原因。第25頁,共55頁，2024年2月25日，星期天過共析鋼Ac1+30~50OC原因：若加熱溫度在Ac1~Accm之間,得到細(xì)小的奧氏體晶粒和未溶解碳化物,淬火后得到隱晶馬氏體和顆粒狀碳化物，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性。若加熱溫度高于Accm，碳化物溶解，得到粗大的奧氏體晶粒，并且含碳量增加；第26頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一方面，淬火后得到粗大的片狀馬氏體（孿晶馬氏體），顯微裂紋增加，脆性增大，淬火開裂傾向也增大。另一方面，由于碳化物的溶解，奧氏體中含碳量增加，淬火后殘余奧氏體量增多，鋼的硬度和耐磨性降低。第27頁,共55頁，2024年2月25日，星期天例題：已知T12鋼，Ac1=730℃,ACcm=820℃,試確定其淬火加熱溫度，并分析原因。第28頁,共55頁，2024年2月25日，星期天在工件尺寸大，加熱速度快的情況下，淬火溫度可取Ac3+50~80℃；另外，加熱速度快，起始晶粒細(xì)，也允許采用較高的加熱溫度，細(xì)晶粒鋼Ac3+100℃。形狀復(fù)雜件，易變形工件，加熱速度較慢，淬火溫度取下限?？紤]原始組織時(shí)，如果先共析鐵素體比較大或珠光體片間距較大，為加速奧氏體的均勻化過程，淬火溫度取高一些。對(duì)合金含量較高的鋼，為加速合金碳化物的溶解，合金元素（均勻化）,采用較高的淬火加熱溫度。第29頁,共55頁，2024年2月25日，星期天二、淬火加熱時(shí)間的確定原則τ=αDk

式中，τ為加熱時(shí)間，單位min；α為加熱系數(shù)，單位min/mm；K:裝爐修正系數(shù)；D:零件有效厚度，單位mm。α可查表得到，根據(jù)工件直徑以及加熱溫度確定。K:依裝爐量而定。通常為1.5~2.0min/mm。工件有效厚度計(jì)算如下：圓柱體取直徑；正方形截面取邊長(zhǎng)；板件取板厚；長(zhǎng)方形截面取短邊；套筒類工件取壁厚；圓錐體取離小頭2/3長(zhǎng)度處直經(jīng)；球體取球徑的0.6倍。第30頁,共55頁，2024年2月25日，星期天保溫時(shí)間的確定第31頁,共55頁，2024年2月25日，星期天三、淬火介質(zhì)及冷卻方式的選擇與確定1、滿足工件淬透層深度要求的前提下，選擇淬火烈度最低的淬火介質(zhì)。2、在被淬火鋼的過冷奧氏體最不穩(wěn)定區(qū)有足夠的冷卻能力，而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)冷卻速度卻又很緩慢。3、淬火介質(zhì)在使用過程中，應(yīng)該穩(wěn)定長(zhǎng)期使用，存放；不易變質(zhì)，價(jià)格低廉，來源豐富，無毒，無環(huán)境污染。第32頁,共55頁，2024年2月25日，星期天1．單液淬火法概念：把已加熱到淬火溫度的工件淬入一種淬火介質(zhì)，使其完全冷卻。如曲線a所示。四、淬火方法及其應(yīng)用特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單；易產(chǎn)生淬火應(yīng)力，導(dǎo)致工件變形或開裂。第33頁,共55頁，2024年2月25日，星期天適用條件：適用于形狀簡(jiǎn)單的碳鋼，合金鋼工件；對(duì)碳鋼直徑大于3~5mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬；各類合金鋼則以油為常用淬火介質(zhì)。第34頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2．雙液淬火法概念：把加熱到淬火溫度的工件，先在冷卻能力強(qiáng)的淬火介質(zhì)中冷卻至接近MS點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)入冷卻能力弱的淬火介質(zhì)中冷卻至室溫。如曲線b所示。第35頁,共55頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：保證了獲得較高的硬度層和淬硬層深度?？蓽p小內(nèi)應(yīng)力及防止發(fā)生淬火開裂。分級(jí)淬火的停留時(shí)間難把握。說明：一般用水做快冷淬火介質(zhì)，用油或空氣做慢冷淬火介質(zhì)，但較少采用空氣，在水中停留時(shí)間為每5~6mm有效厚度約1秒。適用條件：尺寸較大的碳素鋼工件。第36頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3．噴射淬火法概念：向工件噴射水流的淬火方法。說明：水流可大可小，視所要求的淬火深度而定；用此法，不會(huì)在工件表面形成蒸汽膜，能保證比普通水中淬火更深的淬硬層；水流應(yīng)細(xì)密，工件上下運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。適用條件：主要用于局部淬火。第37頁,共55頁，2024年2月25日，星期天4．分級(jí)淬火法概念：把工件由奧氏體化溫度淬入高于該鋼種的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的淬火介質(zhì)（鹽浴或堿浴爐）中，在其中冷卻直至工件各部分溫度達(dá)到淬火介質(zhì)的溫度，然后緩冷至室溫，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。如曲線C所示。第38頁,共55頁，2024年2月25日，星期天特點(diǎn)：減少了熱應(yīng)力，且馬氏體轉(zhuǎn)變前工件各部分溫度已趨于均勻，因而馬氏體轉(zhuǎn)變的不同時(shí)現(xiàn)象也減少。說明：淬火介質(zhì)的溫度（分級(jí)溫度）可高于或略低于馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度；當(dāng)淬火介質(zhì)的溫度低于馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度時(shí)，由于溫度比較低，冷卻較劇烈，故可用于較大工件的淬火。各種碳素工具鋼和合金工具鋼（MS=200~250℃）淬火時(shí)，分級(jí)溫度選擇在250℃附近，但更經(jīng)常選用120~150℃，甚至100℃

。適用條件：只適用于尺寸較小的工件。第39頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

5．等溫淬火法概念：工件淬火加熱后，若長(zhǎng)期保持在下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度使之完成奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，獲得下貝氏體組織，這種淬火方法稱等溫淬火法。如曲線d所示。第40頁,共55頁，2024年2月25日，星期天等溫淬火與分級(jí)淬火的區(qū)別在于前者是獲得下貝氏體組織。等溫淬火目的：獲得變形小，硬度高并兼有良好韌性的工件。原因：下貝氏體的硬度較高，而韌性又好，在等溫淬火時(shí)，冷卻又較慢，貝氏體的比容也比較小，熱應(yīng)力、組織應(yīng)力均很小，所以形狀變形和體積變形也較小。等溫淬火所用淬火介質(zhì)與分級(jí)淬火相同。等溫時(shí)間的確定：可根據(jù)心部冷卻至等溫溫度所需時(shí)間；再加“C”曲線在該溫度完成等溫轉(zhuǎn)變所需時(shí)間而定。等溫后一般采用空冷。第41頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第六節(jié)鋼的回火概述1、回火概念：將淬火零件重新加熱到低于臨界點(diǎn)某一溫度，保溫后空冷到室溫的熱處理工藝稱為回火?；鼗饡r(shí)的轉(zhuǎn)變稱為回火轉(zhuǎn)變。2、回火原因淬火后得到的是馬氏體或馬氏體與殘余奧氏體，在室溫下為亞穩(wěn)定狀態(tài)，都趨于向鐵素體加滲碳體（碳化物）的穩(wěn)定狀態(tài)變化。第42頁,共55頁，2024年2月25日，星期天3、回火目的：減少或消除內(nèi)應(yīng)力，放止變形和開裂；獲得穩(wěn)定組織；提高塑性、韌性，獲得硬度、強(qiáng)度、塑性與韌性的適當(dāng)配合。一、淬火鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變(一)、馬氏體中碳原子的偏聚馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，存在于體心立方扁八面體中的碳原子將使晶體點(diǎn)陣產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，使馬氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了降低能量，在100℃左右，碳原子就偏聚于位錯(cuò)或?qū)\晶界面，或板條界，形成微小的碳的富集區(qū)。第43頁,共55頁，2024年2月25日，星期天例如：含碳0.21%的Fe-C合金，奧氏體化后淬火，150℃回火10分鐘，用原子探針測(cè)得α基底含碳0.03%，而板條馬氏體的條界碳含量為0.42%，說明淬火或回火過程中，碳偏聚于板條。(二)、馬氏體的分解此過程發(fā)生在溫度高于100℃時(shí)，隨回火溫度的升高及時(shí)間的延長(zhǎng)，富集區(qū)的碳原子發(fā)生有序化然后轉(zhuǎn)變?yōu)樘蓟?。高碳鋼在?50℃以下回火時(shí)，馬氏體分解后形成的低碳α相和彌散ε碳化物組成的復(fù)相組織稱為回火馬氏體。在光學(xué)顯微鏡下呈黑色針狀。第44頁,共55頁，2024年2月25日，星期天(三)、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變殘余奧氏體在250℃～300℃間回火時(shí)發(fā)生分解；殘余A分解成為ε碳化物和過飽和α，但組織仍是回火馬氏體（或下貝氏體）；在回火第二階段中，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體的同時(shí)，M還在繼續(xù)分解；M的繼續(xù)分解會(huì)使鋼的硬度降低，但由于較弱的殘余A轉(zhuǎn)變成較硬的下貝氏體，因此鋼的硬度并沒有明顯降低，但淬火內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步減小。第45頁,共55頁，2024年2月25日，星期天(四)、碳化物的轉(zhuǎn)變馬氏體分解及殘余奧氏體轉(zhuǎn)變形成的ε－碳化物是亞穩(wěn)定的過渡相。當(dāng)回火溫度升高到250～400℃時(shí)，ε－碳化物則向更穩(wěn)定的碳化物轉(zhuǎn)變。碳鋼中比ε－碳化物穩(wěn)定的碳化物由兩種：一種是x－碳化物，分子式Fe5C2，具有單斜晶格。另一種是更穩(wěn)定的θ－碳化物，即滲碳體。含C1.34%高碳馬氏體回火時(shí)三種碳化物的析出范圍第46頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

當(dāng)回火溫度升高到400℃以后，淬火馬氏體完全分解，但α相仍保持針狀外形，先前形成的ε－碳化物以及χ－碳化物此時(shí)已經(jīng)消失，全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣龋蓟?，即滲碳體。當(dāng)回火溫度升高到400℃以上時(shí)，片狀滲碳體長(zhǎng)度和寬度之比逐漸縮小，最終形成細(xì)小的粒狀滲碳體。這種由針狀α相和細(xì)顆粒狀滲碳體組成的機(jī)械混合物稱為回火屈氏體。第47頁,共55頁，2024年2月25日，星期天(五)滲碳體的聚集長(zhǎng)大以及α相再結(jié)晶當(dāng)回火溫度超過600℃時(shí)，細(xì)粒狀滲碳體迅速聚集并粗化。在碳化物聚集長(zhǎng)大的同時(shí)，α相狀態(tài)在不斷變化。當(dāng)回火溫度為400～600℃時(shí)，由于馬氏體分解、碳化物轉(zhuǎn)變以及聚集長(zhǎng)大，使α相的晶格畸變大大減少，因此殘余應(yīng)力基本消除。碳含量為0.3%鋼回火時(shí)第一類內(nèi)應(yīng)力的變化第48頁,共55頁，2024年2月25日，星期天在回火過程中，α相也會(huì)發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶。在400℃以上時(shí)，開始回復(fù)，即板條界的位錯(cuò)通過攀移、滑移而消失。位錯(cuò)密度下降，板條合并、變寬。當(dāng)亞結(jié)構(gòu)為孿晶時(shí)，經(jīng)400℃回火后也消失，但片狀特征仍存在。在600℃以上時(shí)，開始再結(jié)晶，位錯(cuò)密度低的板條塊長(zhǎng)大，形成多邊形（等軸）鐵素體晶粒和粗粒狀碳化物的機(jī)械混合物，稱為回火索氏體。孿晶馬氏體在600℃以上回火時(shí)，片狀特征也消除，得到回火索氏體。第49頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

總結(jié)：淬火碳鋼在不同溫度回火，可得到不同的組織：350℃以下回火，得到針狀α相+ε碳化物，即回火馬氏體(碳化物存在于板條或片內(nèi))，記作M′；400℃～500℃回火，得到針狀α相+細(xì)粒狀θ碳化物，即回火屈氏體記作T′；500℃～650℃回火，得到多邊