工程材料及熱加工鋼的熱處理工藝

1、兔處銀工藝、鋼的退火與正火二、鋼的淬火三、鋼的回火四、鋼的表面熱處理一、鋼的退火與正火在機器零件或工模具等工件的加工制造過程中，退火和正火經(jīng)常作為預(yù)備熱處理工序，即安排在鑄造、鍛 造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所帶來的某 些缺陷，為隨后的工序作準(zhǔn)備。目的：調(diào)整硬度以便切削；消除內(nèi)應(yīng)力減少變形；細(xì)化晶粒，改善組織，提高力學(xué)性能；為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。1退火1.1定義：將鋼加熱至適當(dāng)?shù)臏囟龋３忠欢〞r間后緩慢 冷卻至550以下空冷，以獲得接近平衡組織的熱處理工 藝。1.2分類：退火的種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為兩大類: 一類是在臨界溫度（acl或ac3）以上的退火，又稱為 相變重結(jié)晶退

2、火，包括完全退火、不完全退火、球化 退火和擴散退火等；另一類是在臨界溫度以下的退火，包括再結(jié)晶退火及去 應(yīng)力退火等。"cl1 100i 000900800700600500球化退火w/7w/7o込亠完全退火777/77刀去應(yīng)力退火0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 l2 l4叫a%)(a)圖4 - 12域鋼各種退火的工藝規(guī)范示意國3）加熱溫度也國b）匚藝曲線完全退火工藝：是將亞共析鋼加熱到ac3以上3050°c,保溫，后 緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。應(yīng)用：亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼。等溫退火工藝：將亞共析鋼鋼加熱到ac3以上3050°c或?qū)?/p>

3、過共析 鋼加熱至acl以上3050°c ,保溫后快冷到ad以下的某一 溫度，并停留至相變結(jié)束出爐空冷。應(yīng)用：所有鋼。球化退火是不完全退火的一種，通常的加熱溫度是acl以上20-30°c, 使二次滲碳體轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罨蛄?，然后隨爐緩冷至略低于 an保溫，使p中滲碳體球化，再出爐空冷。主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼。近年來球化退火應(yīng) 用于亞共析鋼也取得成功。擴散退火是指將鋼加熱到ac3或accm以上150300°c,長時間保 溫，然后隨爐緩慢冷卻的熱處理工藝。實質(zhì)是使鋼中的各元素在奧氏體中進行充分?jǐn)U散，達 到成分均勻化。再結(jié)晶退火是指將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以

4、上，保溫 適當(dāng)時間后，使變形晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)闊o應(yīng)變的等軸新晶粒, 從而消除加工硬化和殘余內(nèi)應(yīng)力的熱處理工藝。去應(yīng)力退火又稱為回復(fù)退火，其加熱溫度范圍很寬，通常是在再 結(jié)晶溫度以下。2、正火工藝：將鋼件加熱到ac3或accm以上，保溫一定時間 后，在空氣中冷卻得到細(xì)片狀珠光體組織(s)的熱處理 工藝。正火與退火的明顯差異是正火冷卻速度稍快。應(yīng)用：低碳鋼提高硬度；中碳鋼正火帶退火；高碳鋼 消除網(wǎng)狀碳化物。二、鋼的淬火定義：是將鋼件加熱到acl或ac3以上保溫一定時間后, 快速冷卻（通常大于臨界冷卻速度vc）,以得到馬氏 體（或下貝氏體）組織的熱處理工藝。目的：獲得馬氏體，提高鋼的硬度和耐磨性。是強化鋼材

5、的最重要的手段。時間,ai兀正火乙追火min2.1淬火溫度淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到均勻細(xì)小的奧氏體 晶粒為原則，以便淬火后得到細(xì)小的馬氏體組織。對于亞共析鋼通常加熱到ac3以上3050°c對共析鋼和過共析鋼為acl以上3050°c o （未溶f®c 阻止晶粒長大；提高硬度、耐磨性）i 2001 1001 0009008000 77wj(%)2.2淬火冷卻221理想的冷卻速度圖4 - u 理擔(dān)冷卻速度冷卻是淬火工藝的另一個重要因素，由c曲線可知, 最好是鼻尖處快冷，而在ms點附近和鼻尖以上應(yīng)盡量 慢冷。2.2.2淬火冷卻介質(zhì)最常用的是水、鹽水、油、熔鹽。水：形狀簡

6、單、截面尺寸較大的碳鋼。（高溫慢，低溫快） 鹽水：高溫快，低溫快。油：合金鋼或小尺寸碳鋼件。（高溫太慢，低溫慢）熔鹽（鹽?。盒螤顝?fù)雜、變形要求嚴(yán)格的件。最接近理 想冷卻介質(zhì)。2.2.3淬火方法單液淬火：在一種介質(zhì)中連續(xù)冷卻獲得馬氏體。操作簡單，易于自動化，易于產(chǎn)生缺陷，適 用于形狀簡單的小件。雙液淬火：先后在兩種介質(zhì)中冷卻。操作復(fù)雜，難以控制。分級淬火:淬入稍高于ms的介質(zhì)中，待內(nèi)外溫差一致后 取出，緩冷得到馬氏體。減少應(yīng)力和變形，適用于小件。等溫淬火：淬入稍高于ms的介質(zhì)中，等溫轉(zhuǎn)變?yōu)橄耣。強度高，塑性、韌性好，應(yīng)力小，變形小, 多用于形狀復(fù)雜、要求高的工件。圖4 - 15 各種淨(jìng)衣力肚示

7、總圖224鋼的淬透性定義：淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。它是 鋼的固有屬性，也是選材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù) 之一。(a)工件截面上不同冷卻速度表面馬氏體區(qū)(b)淬硬區(qū)與未淬硬區(qū)示息圖1iil jiz 、xxv非馬氏體區(qū)影響因素：鋼的臨界冷卻速度；過冷奧氏體的穩(wěn)定性。評定方法：用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深 度或臨界淬透直徑(dk)來表示。淬透層的深度定義為由表面至半馬氏體區(qū)的深度。半馬氏體區(qū)的組織是由50%馬氏體和50%分解產(chǎn)物所組 成。指圓柱狀鋼試樣在規(guī)定的淬火介質(zhì)中能全部淬透的 最大直徑。當(dāng)冷卻介質(zhì)一定時，dk愈大，淬透性愈好。測定方法：最常用的方法是末端淬火法，簡稱為端

8、淬 法。onh) g50406030)05 0107 5()w紅:出fir距表面距離/mmi025 4gj鬥畀y777r硬度試驗2030 40506070 mm端淬距離意義：截面較大或形狀復(fù)雜及受力特殊的零件（各類齒輪、 軸類），希望整個截面都能被淬透，從而保證零件在 整個截面上的機械性能均勻一致。選用淬透性較高的 鋼即能滿足這一要求。（如果鋼的淬透性低，零件整個截面 不能全部淬透，則表而到心部的組織不一樣，機械性能也不相同,對于形狀復(fù)雜、要求淬火變形小的工件，如果選用淬 透性較高的鋼，就可以在較緩和的介質(zhì)中淬火，因而 工件變形較小。但是并非任何工件都要求選用淬透性高的鋼，在有些 情況下反而希

9、望鋼的淬透性低些。（例如表面淬火用鋼就 是一種低淬透性鋼，淬火時只是表面層得到馬氏體。焊接用的鋼 也希望淬透性小，目的是為了避免焊縫及熱影響區(qū)在焊后冷卻過 程中得到馬氏體組織，從而防止焊接構(gòu)件的變形和開裂）淬透性與淬硬性的區(qū)別：后者是指鋼淬火后形成的淬 火態(tài)組織（由馬氏體和殘余奧氏體相組成）所能達到 的硬度，顯然，它取決于馬氏體的含碳量和殘余奧氏 體的數(shù)量。224鋼的淬火變形和開裂 淬火變形：起因為淬火冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力（熱應(yīng)力、相變（組織）應(yīng)力）a）熱應(yīng)力：由溫差而導(dǎo)致的熱脹和冷縮不一致引起的。b）相變應(yīng)力：冷速不一致而導(dǎo)致相變不一致引起的。淬火開裂：內(nèi)應(yīng)力超過工件的強度極限。、鋼的回火

10、定義：是將淬火后的鋼加熱到acl以下某一溫度，保 溫一定時間，然后冷卻至室溫的一種熱處理工藝。目的：減小或消除淬火應(yīng)力；提高鋼的塑性和韌性，獲得良好的綜合力學(xué)性能;穩(wěn)定組織和工件尺寸。分類及應(yīng)用：低溫回火(150250°c) 組織為回火馬氏體。(5864hrc )部分降低鋼中殘余應(yīng)力和脆性，而保持鋼在淬 后所得到的高強度、硬度和耐磨性。廣泛應(yīng)用于工具、量具、滾動軸承、滲碳工件 以及表面淬火工件等。中溫回火(350500°c)組織為回火屈氏體。(3545hrc )經(jīng)中溫回火后是具有極高的彈性極限和良好的韌性。用于各種彈性元件及熱鍛模具的處理。高溫回火(500650°

11、c)組織是回火索氏體。(2535hrc )通常將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào) 質(zhì)處理。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后鋼的強度、塑性和韌性具有良好的配 合，即具有較高的綜合機械性能。因而，調(diào)質(zhì)處理 被丿泛應(yīng)用丁中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金經(jīng)構(gòu)鋼制造的各 種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是在交變載荷下工作的連 桿、螺栓以及軸類等?；鼗鸫嘈詀）低溫回火脆性：發(fā)生在250400°c。 不可逆回火脆性對策：避免b）高溫回火脆性：發(fā)生在500650°c。 可逆回火脆性對策：快冷四、鋼的表面熱處理定義：指僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和 性能的工藝。特點：只對一定深度表層進行強化，而心部基本保 持處理前的組織性

12、能，可以獲得強度硬度韌性三者 較滿意的配合。分類：一般分為：表面淬火和化學(xué)熱處理1、表面淬火1.1定義:是通過快速加熱使鋼件表面達到臨界溫度（acl 或ac3）以上，不等熱量傳到工件內(nèi)層就迅速予以冷卻, 只使表面被淬硬為馬氏體，而內(nèi)層仍為塑韌性良好的 調(diào)質(zhì)態(tài)組織。1.2分類：根據(jù)加熱方法不同，可分為感應(yīng)加熱、火焰加 熱、激光加熱、電子束加熱表面淬火等工藝。1.3感應(yīng)加熱表面淬火定義：利用在交變電磁場中工件表面產(chǎn)生的感生電流將 工件表面快速加熱，并淬火冷卻的一種熱處理工藝。原理和工藝方法：是將鋼件放入由紫銅管制作的與零件 外形相似的感應(yīng)圈內(nèi)，隨后將感應(yīng)圈內(nèi)通入一定頻率的 交變電流，這樣在感應(yīng)圈內(nèi)

13、外產(chǎn)生相同頻率的交變磁場, 同時，在零件表面也產(chǎn)生頻率相同，方向相反的感生電 流，該電流在工件表面（集膚效應(yīng)）形成封閉回路，稱 為“渦流”。由此產(chǎn)生的熱效應(yīng)將零件表快速加熱到淬 火溫度，隨即噴水冷卻，使工件表面獲得馬氏體組織。特點：加熱速度快，溫度高，晶粒細(xì)；硬度高，變形小，不易脫碳；易于自動化。0水出水電流集中層1.4火焰加熱表面淬火工藝方法：是利用可燃?xì)怏w（如乙烘）的火焰將工件表 面快速加熱到淬火溫度，然后立即用水噴射冷卻，通過 控制火焰噴嘴的移動速度可獲得不同厚度的淬硬層。此法適于單件或小批量零件的表面淬火。加熱層1.5激光加熱表面淬火是將激光器產(chǎn)生的高功率密度（103105w/cm2）

14、的激 光束照射到工件表面上，使工件表面被快速加熱到臨 界溫度以上，然后移開激光束，利用工件自身的傳導(dǎo) 將熱量從工件表面?zhèn)飨蛐牟慷_到自冷淬火。1.6電子束加熱表面淬火當(dāng)高速的電子流轟擊工件表面時，電子可射入表面一 定深度，電子的動能轉(zhuǎn)化為熱能使工件的表層快速加 熱到臨界溫度以上，電子束移開后工件自冷淬火的熱 處理工藝。電子流射入深度取決于加速電壓的高低。 例如，對鋼鐵材料，電子的加速電壓為120kv時，其 射入深度約為wmo2、化學(xué)熱處理定義：將鋼件放入一定的化學(xué)介質(zhì)中加熱和保溫，使 介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面，使表面化學(xué)成分發(fā) 生變化，從而改變金屬表面組織和性能工藝過程。目的：心部具有足夠

15、的強度和韌性，而表面具有咼的 硬度和耐磨性；提高疲勞性能；提高表面抗蝕性、耐 熱性等。方法：滲碳、滲氮、碳氮共滲等2.1滲碳定義：滲碳通常是指向低碳鋼制造的工件表面滲入碳原子, 使工件表面達到高碳鋼的含碳量。目的：使工件在熱處理后表面具有高硬度和高的耐磨性， 而心部仍保持低碳鋼良好的塑、韌性。工藝：依所用滲碳劑的不同，鋼的滲碳可分為氣體滲碳、 固體滲碳和液體滲碳。最常用的是氣體滲碳，其工藝方法是將工件放入密封的加 熱爐中，加熱到臨界溫度以上（通常為900950°c）按 一定流量滴入液體滲碳劑（如煤油、甲醇和丙酮），并 使之分解，分解產(chǎn)物有cnh2n和cnh2n+2,在鋼的表面發(fā) 生如下的反應(yīng)cnh2n - nh2 + nc cnh2n+2 -（n+l） h2 + nc從而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向鋼的內(nèi)部擴散而 進行滲碳。一風(fēng)扇電動機w 11 e一爐氣火焰j 爐蓋砂封電阻絲-耐熱罐工件爐體氣/ / y 70n:仃門'、2.2氮化定義：與滲碳相似，鋼的氮化是指向鋼的表