鋼的熱處理工藝

1、第二章第二章 鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝第一節(jié)第一節(jié) 加熱工藝加熱工藝一、金屬加熱的物理過(guò)程一、金屬加熱的物理過(guò)程 1.1.加熱熱量的傳遞方式加熱熱量的傳遞方式 傳導(dǎo)傳導(dǎo): :熱量直接由工件的一部分傳遞給另一部分，或由加熱熱量直接由工件的一部分傳遞給另一部分，或由加熱介質(zhì)把熱量傳遞到與其相鄰的工件，無(wú)需媒介質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)介質(zhì)把熱量傳遞到與其相鄰的工件，無(wú)需媒介質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的加熱過(guò)程。的加熱過(guò)程。 對(duì)流：對(duì)流：依靠工件四周氣體或液體相對(duì)移動(dòng)，將受熱質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)依靠工件四周氣體或液體相對(duì)移動(dòng)，將受熱質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)給較冷金屬表面進(jìn)行加熱。給較冷金屬表面進(jìn)行加熱。 輻射輻射: : 靠電磁波來(lái)傳遞熱量的過(guò)程?？侩姶挪▉?lái)傳

2、遞熱量的過(guò)程。2.2.加熱方式及加熱介質(zhì)加熱方式及加熱介質(zhì)直接加熱：直接加熱：利用金屬內(nèi)部電能利用金屬內(nèi)部電能-熱能轉(zhuǎn)換熱能轉(zhuǎn)換 電磁電磁-熱能轉(zhuǎn)換熱能轉(zhuǎn)換 低能粒子轟擊能量低能粒子轟擊能量-熱能轉(zhuǎn)換熱能轉(zhuǎn)換 不需要加熱介質(zhì)不需要加熱介質(zhì)間接加熱：間接加熱：利用媒介（如固體、液體、氣體或真空利用媒介（如固體、液體、氣體或真空度度1010-3-3mmmm稀薄氣體），以對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射方式向稀薄氣體），以對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射方式向工件表面?zhèn)鬟f熱量方式。工件表面?zhèn)鬟f熱量方式。二、加熱目的與要求二、加熱目的與要求 熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以

3、上，目的是為了得到奧氏體組織。加熱質(zhì)量的好壞，是否形成目的是為了得到奧氏體組織。加熱質(zhì)量的好壞，是否形成缺陷，不僅關(guān)系到整個(gè)熱處理的成敗，而且還直接影響到缺陷，不僅關(guān)系到整個(gè)熱處理的成敗，而且還直接影響到工件的加工工藝和使用性能。工件的加工工藝和使用性能。評(píng)定加熱質(zhì)量的好壞，一般有如下指標(biāo)：評(píng)定加熱質(zhì)量的好壞，一般有如下指標(biāo)： 奧氏體的碳濃度和合金濃度奧氏體的碳濃度和合金濃度 奧氏體成分的均勻性?shī)W氏體成分的均勻性 奧氏體的晶粒度奧氏體的晶粒度 第二相的數(shù)量、大小和分布第二相的數(shù)量、大小和分布 表面氧化、脫碳或增碳的程度表面氧化、脫碳或增碳的程度 變形開(kāi)裂的程度變形開(kāi)裂的程度不同鋼種、不同工件、

4、不同的熱處理工藝，對(duì)上述指標(biāo)不同鋼種、不同工件、不同的熱處理工藝，對(duì)上述指標(biāo)的要求是不同的。的要求是不同的。 淬火加熱時(shí)，要求奧氏體的碳濃度要適當(dāng)，合淬火加熱時(shí)，要求奧氏體的碳濃度要適當(dāng)，合金濃度盡可能高，成分盡可能均勻，晶粒盡可能細(xì)小；不允金濃度盡可能高，成分盡可能均勻，晶粒盡可能細(xì)?。徊辉试S表面氧化、脫碳或增碳；要嚴(yán)防變形，不允許開(kāi)裂。許表面氧化、脫碳或增碳；要嚴(yán)防變形，不允許開(kāi)裂。 球化退火時(shí)，則要求奧氏體的碳濃度與合金濃度要低，球化退火時(shí)，則要求奧氏體的碳濃度與合金濃度要低，成分不能太均勻，要保留大量的未溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，并彌散成分不能太均勻，要保留大量的未溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，并彌散分布在奧

5、氏體中，晶粒不粗大即可。分布在奧氏體中，晶粒不粗大即可。三、加熱工藝規(guī)范選擇原則三、加熱工藝規(guī)范選擇原則 加熱溫度加熱溫度T T 加熱時(shí)間加熱時(shí)間 加熱速度加熱速度V VTCFe1.1.加熱溫度加熱溫度基本依據(jù)：基本依據(jù)：材料相變的臨界點(diǎn)材料相變的臨界點(diǎn)各種鋼的加熱溫度，各種鋼的加熱溫度， 都是根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)都是根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)Ac1、Ac3和和Accm來(lái)確定的。來(lái)確定的。TCFe在生產(chǎn)實(shí)踐中，已經(jīng)總結(jié)出一套加熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公在生產(chǎn)實(shí)踐中，已經(jīng)總結(jié)出一套加熱溫度的經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式主要適用于碳鋼及低合金鋼。式，這些公式主要適用于碳鋼及低合金鋼。正火：亞共析正火：亞共析AC33050 過(guò)共析過(guò)共析A

6、Ccm以上以上退火：亞共析退火：亞共析AC33050 過(guò)共析過(guò)共析AC12030淬火：亞共析淬火：亞共析AC33070 過(guò)共析過(guò)共析AC13070 一般不限制加熱速度（考慮經(jīng)濟(jì)性）一般不限制加熱速度（考慮經(jīng)濟(jì)性） 對(duì)合金含量高、大型鑄、鍛件需特別規(guī)定對(duì)合金含量高、大型鑄、鍛件需特別規(guī)定分級(jí)等分級(jí)等溫、控制加熱速度。溫、控制加熱速度。2.2.加熱速度加熱速度加熱制度的分類(lèi)（按溫度）：加熱制度的分類(lèi)（按溫度）：含義含義：一段式加熱制度也稱(chēng)一期加熱制度，是把鋼料放在：一段式加熱制度也稱(chēng)一期加熱制度，是把鋼料放在 爐溫基本不變的爐內(nèi)加熱。爐溫基本不變的爐內(nèi)加熱。特點(diǎn)特點(diǎn)：加熱不分階段：加熱不分階段;

7、;爐溫與鋼料表面溫差大爐溫與鋼料表面溫差大; ; 加熱速度快，加熱時(shí)間短。爐子的結(jié)構(gòu)和操作加熱速度快，加熱時(shí)間短。爐子的結(jié)構(gòu)和操作比較簡(jiǎn)單。比較簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：廢氣溫度較高，熱利用率較差。這種加熱制度適用：廢氣溫度較高，熱利用率較差。這種加熱制度適用于加熱斷面尺寸不大、導(dǎo)熱性和塑性較好的鋼料。有時(shí)于加熱斷面尺寸不大、導(dǎo)熱性和塑性較好的鋼料。有時(shí)熱裝入爐的鋼料也可采用這種加熱制度。熱裝入爐的鋼料也可采用這種加熱制度。（2 2）二段式加熱制度）二段式加熱制度含義：含義：使鋼料先后在兩個(gè)不同的溫使鋼料先后在兩個(gè)不同的溫度度區(qū)域區(qū)域內(nèi)加熱。兩個(gè)不同的內(nèi)加熱。兩個(gè)不同的溫度區(qū)域可由預(yù)熱期和加熱期組成，也

8、可由加熱期和均熱期溫度區(qū)域可由預(yù)熱期和加熱期組成，也可由加熱期和均熱期組成。組成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：出爐廢氣溫度較高；金屬的加熱速度較慢；鋼的出爐廢氣溫度較高；金屬的加熱速度較慢；鋼的中心和表面的溫差較??；把鋼料直接裝入溫度較高的爐內(nèi)中心和表面的溫差較?。话唁摿现苯友b入溫度較高的爐內(nèi)加熱，速度快，時(shí)間短，鋼的中心與表面溫差較大。由于有加熱，速度快，時(shí)間短，鋼的中心與表面溫差較大。由于有均熱期加熱完后鋼料斷面上溫度比較均勻。均熱期加熱完后鋼料斷面上溫度比較均勻。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：出爐廢氣溫度高，熱的利用效率低。：出爐廢氣溫度高，熱的利用效率低。應(yīng)用：應(yīng)用：適用于加熱一些導(dǎo)熱性較差的鋼種。這種加熱制度因沒(méi)適用于

9、加熱一些導(dǎo)熱性較差的鋼種。這種加熱制度因沒(méi)有均熱期，加熱完后鋼坯斷面上溫度均勻性較差，故不宜于有均熱期，加熱完后鋼坯斷面上溫度均勻性較差，故不宜于加熱斷面大的鋼料，適宜于冷裝或低溫?zé)嵫b的低碳鋼錠加熱加熱斷面大的鋼料，適宜于冷裝或低溫?zé)嵫b的低碳鋼錠加熱或熱裝的合金鋼錠加熱，也適用于小坯料加熱?；驘嵫b的合金鋼錠加熱，也適用于小坯料加熱。（3 3）三段式加熱制度）三段式加熱制度含義：含義：把剛料放在三個(gè)溫度條件不同的區(qū)段內(nèi)加熱，依次是預(yù)把剛料放在三個(gè)溫度條件不同的區(qū)段內(nèi)加熱，依次是預(yù)熱段、加熱段、均熱段（或稱(chēng)應(yīng)力期、快速加熱期、均熱熱段、加熱段、均熱段（或稱(chēng)應(yīng)力期、快速加熱期、均熱期）。期）。特點(diǎn)特

10、點(diǎn)：（因?yàn)橛辛祟A(yù)熱段）出爐廢氣溫度較低；熱能利用因?yàn)橛辛祟A(yù)熱段）出爐廢氣溫度較低；熱能利用效率較高；加熱段則可以強(qiáng)化加熱；提高加熱速度；效率較高；加熱段則可以強(qiáng)化加熱；提高加熱速度；減少鋼的氧化與脫碳，并可使?fàn)t子有較高的生產(chǎn)率。減少鋼的氧化與脫碳，并可使?fàn)t子有較高的生產(chǎn)率。應(yīng)用：應(yīng)用：均熱段則使鋼坯斷面上的溫度比較均勻而保證了鋼的加均熱段則使鋼坯斷面上的溫度比較均勻而保證了鋼的加熱質(zhì)量，因此得到了廣泛的應(yīng)用。熱質(zhì)量，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 （4 4）多段式加熱制度）多段式加熱制度 主要用于一些鋼料的熱處理工藝中，它由幾個(gè)加熱、均熱和冷主要用于一些鋼料的熱處理工藝中，它由幾個(gè)加熱、均熱和冷卻期所

11、組成?，F(xiàn)代化的大型的連續(xù)加熱滬，如熱連軋鋼板車(chē)間卻期所組成?，F(xiàn)代化的大型的連續(xù)加熱滬，如熱連軋鋼板車(chē)間的板坯加熱爐，為保證具有大的生產(chǎn)能力和高的熱效率，也采的板坯加熱爐，為保證具有大的生產(chǎn)能力和高的熱效率，也采用多段加熱制度，但就其熱工特點(diǎn)而言，這種爐子所用的多段用多段加熱制度，但就其熱工特點(diǎn)而言，這種爐子所用的多段 加熱制度仍保留了三段式加熱制度的基本特點(diǎn)。加熱制度仍保留了三段式加熱制度的基本特點(diǎn)。 定義：定義： 升升透透保保升升：加熱工件到要求的溫度：加熱工件到要求的溫度(實(shí)為零件表面溫度實(shí)為零件表面溫度)所需時(shí)間為升所需時(shí)間為升溫時(shí)間。它主要取決于加熱速度，具體涉及到爐子熱功率、加溫時(shí)間

12、。它主要取決于加熱速度，具體涉及到爐子熱功率、加熱介質(zhì)、裝爐量、零件尺寸、加熱制度熱介質(zhì)、裝爐量、零件尺寸、加熱制度(隨爐升溫、到溫入爐、隨爐升溫、到溫入爐、高溫入爐、高溫入爐到溫出爐、階梯加熱高溫入爐、高溫入爐到溫出爐、階梯加熱)；透透：是工件表面與心部都達(dá)到要求的溫度所需時(shí)間。：是工件表面與心部都達(dá)到要求的溫度所需時(shí)間。取決于取決于零件截面尺寸、材料導(dǎo)熱性、爐溫高低；零件截面尺寸、材料導(dǎo)熱性、爐溫高低；保保：取決于一定的熱處理工藝要求：取決于一定的熱處理工藝要求（消除內(nèi)應(yīng)力、均勻化、（消除內(nèi)應(yīng)力、均勻化、溶解難溶碳化物等）。溶解難溶碳化物等）。3.3.加熱時(shí)間加熱時(shí)間1.1.過(guò)熱和過(guò)燒過(guò)熱

13、和過(guò)燒 過(guò)熱：過(guò)熱：鋼加熱時(shí)由于加熱溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起奧鋼加熱時(shí)由于加熱溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。四、金屬加熱時(shí)的常見(jiàn)缺陷四、金屬加熱時(shí)的常見(jiàn)缺陷 后果：后果：鋼的塑性、韌性、強(qiáng)度降低，同時(shí)工件熱處理后變鋼的塑性、韌性、強(qiáng)度降低，同時(shí)工件熱處理后變形加大，還可能導(dǎo)致熱處理裂紋、使工件報(bào)廢。形加大，還可能導(dǎo)致熱處理裂紋、使工件報(bào)廢。補(bǔ)救措施：正火或退火。補(bǔ)救措施：正火或退火。 過(guò)熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體過(guò)熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細(xì)化，予以補(bǔ)救。晶粒細(xì)化，予以補(bǔ)救。 過(guò)燒：過(guò)燒：加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高，

14、造成晶界氧化或局部加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)高，造成晶界氧化或局部熔化的現(xiàn)象。熔化的現(xiàn)象。 欠熱、加熱不足：欠熱、加熱不足： 導(dǎo)致奧氏體化不充分、第二相溶解不充分、缺陷組織導(dǎo)致奧氏體化不充分、第二相溶解不充分、缺陷組織（偏析、鐵素體或魏氏組織、網(wǎng)狀碳化物）不能消除、淬（偏析、鐵素體或魏氏組織、網(wǎng)狀碳化物）不能消除、淬火不足等?；鸩蛔愕取：蠊汉蠊禾幚淼墓ぜ艽?，如果鍛造一鍛即裂。處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂。 過(guò)燒的工件只能報(bào)廢，無(wú)法挽救。過(guò)燒的工件只能報(bào)廢，無(wú)法挽救。 2. 2.氧化和脫碳氧化和脫碳 氧化氧化 - -鋼鐵在加熱過(guò)程中遇到氧化性氣體（鋼鐵在加熱過(guò)程中遇到氧化性氣體（O O2

15、2、 H H2 2O O 等），使材料氧化腐蝕。等），使材料氧化腐蝕。 3Fe + 2O2 Fe3O4（保護(hù)性） 2Fe + O2 2FeO 4Fe + 3O2 2Fe2O3 Fe + H2O FeO + H2 3 Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2 鋼的氧化分為兩種，一種是鋼鐵的鋼的氧化分為兩種，一種是鋼鐵的表面氧化表面氧化，在鋼鐵，在鋼鐵的表面生產(chǎn)氧化膜；另一種是鋼鐵的的表面生產(chǎn)氧化膜；另一種是鋼鐵的內(nèi)氧化內(nèi)氧化，在一定深度，在一定深度的表面層中發(fā)生晶界氧化。的表面層中發(fā)生晶界氧化。 表面氧化影響工件尺寸，內(nèi)氧化則影響工件的性能。表面氧化影響工件尺寸，內(nèi)氧化則影響工件的性能。研究表

16、明，鋼研究表明，鋼在在560以下加熱以下加熱時(shí)，表面氧化膜又兩層構(gòu)時(shí)，表面氧化膜又兩層構(gòu)成：內(nèi)層是成：內(nèi)層是Fe3O4，表層是，表層是Fe2O3。由于這種氧化膜結(jié)構(gòu)。由于這種氧化膜結(jié)構(gòu)致密，且與基體牢固結(jié)合，包在鋼的表面可使鋼表面與氧致密，且與基體牢固結(jié)合，包在鋼的表面可使鋼表面與氧化性氣氛隔離，阻止鋼表進(jìn)一步氧化，此時(shí)可以化性氣氛隔離，阻止鋼表進(jìn)一步氧化，此時(shí)可以不考慮防不考慮防止氧化的問(wèn)題止氧化的問(wèn)題。加熱過(guò)程中產(chǎn)生氧化鐵皮有什么害處？加熱過(guò)程中產(chǎn)生氧化鐵皮有什么害處？1)1) 造成金屬損失。鋼坯加熱時(shí)生成的一次氧化鐵皮約占鋼坯造成金屬損失。鋼坯加熱時(shí)生成的一次氧化鐵皮約占鋼坯總重的總重的

17、0.5%-3%0.5%-3%；2)2) 使加熱爐生產(chǎn)率降低。氧化鐵皮覆蓋在鋼的表面會(huì)降低鋼使加熱爐生產(chǎn)率降低。氧化鐵皮覆蓋在鋼的表面會(huì)降低鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，影響加熱速度和加熱效率；的導(dǎo)熱系數(shù)，影響加熱速度和加熱效率；3)3) 影響鋼材質(zhì)量；影響鋼材質(zhì)量；4 4) ) 影響爐底材料壽命；影響爐底材料壽命；5 5) ) 氧化鐵皮大量堆積在爐底上造成爐底升高，惡化操作條件氧化鐵皮大量堆積在爐底上造成爐底升高，惡化操作條件，迫使加熱爐停爐清渣。，迫使加熱爐停爐清渣。1）真空加熱）真空加熱 工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的發(fā)展方向，在

18、發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用普遍，問(wèn)題是，真空處理工藝的發(fā)展方向，在發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用普遍，問(wèn)題是，真空加熱用的設(shè)備投資大，工藝成本較高。加熱用的設(shè)備投資大，工藝成本較高。2）可控氣氛加熱）可控氣氛加熱 工件加熱過(guò)程中向爐內(nèi)充入一定保護(hù)性氣氛，保證鋼在工件加熱過(guò)程中向爐內(nèi)充入一定保護(hù)性氣氛，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。實(shí)踐證明它是行之不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。實(shí)踐證明它是行之有效與可靠的方法，也是應(yīng)用十分普遍的工藝，是現(xiàn)代熱處有效與可靠的方法，也是應(yīng)用十分普遍的工藝，是現(xiàn)代熱處理的發(fā)展方向之一。但需要一套制取可控氣氛的發(fā)生裝置，理的發(fā)展方向之一。但需要一套制取可控氣氛的發(fā)生裝置，由于成本較高，原材料來(lái)源不廣泛限制了它的應(yīng)用。由于成本較高，原材料來(lái)源不廣泛限制了它的應(yīng)用。氧化的防止辦法：氧化的防止辦法：3）鹽浴加熱）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，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。問(wèn)題主要是粘保證工件加熱過(guò)程中少氧化，甚至無(wú)氧化。問(wèn)題主要是粘在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存及應(yīng)在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存及應(yīng)用過(guò)程易于長(zhǎng)銹。此