實(shí)驗(yàn)三碳鋼的熱處理

1、實(shí)驗(yàn)三 碳鋼的熱處理一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解碳鋼的基本熱處理（退火、正火、淬火及回火）工藝方法。2. 研究冷卻條件與鋼性能的關(guān)系。3. 分析淬火及回火溫度對(duì)鋼性能的影響。二、概述 熱處理是一種很重要的熱加工工藝方法，也是充分發(fā)揮金屬材料性能潛力的重要手段。熱處理的主要目的是改變鋼的性能，其中包括使用性能及工藝性能。鋼的熱處理工藝特點(diǎn)是將鋼加熱到一定的溫度，經(jīng)一定時(shí)間的保溫，然后以某種速度冷卻下來，通過這樣的工藝過程能使鋼的性能發(fā)生改變。熱處理之所以能使鋼的性能發(fā)生顯著變化，主要是由于鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)可以發(fā)生一系列變化。采用不同的熱處理工藝過程，將會(huì)使鋼得到不同的組織結(jié)構(gòu)，從而獲得所需要的性能。鋼

2、的熱處理基本工藝方法可分為退火、正火、淬火和回火等。三、鋼的退火和正火表3-1 碳鋼在退火及正火狀態(tài)下的機(jī)械性能性能熱處理狀態(tài)含碳量（%）0.10.20.30.40.6硬度（HB）退火120150160180200正火130140160180220250強(qiáng)度（MN/m2）退火200330420500360670正火340360480550660760鋼的退火通常是把鋼加熱到臨界溫度或以上，保溫一段時(shí)間，然后緩緩地隨爐冷卻。此時(shí)，奧氏體在高溫區(qū)發(fā)生分解而得到比較接受平衡狀態(tài)的組織。一般中碳鋼（如40、45鋼）經(jīng)退火后組織穩(wěn)定，硬度較低（HB180220）有利于下一步進(jìn)行切削加工。正火則是將鋼加熱

3、到或以上3050，保溫后進(jìn)行空冷。由于冷卻速度稍快，與退火組織相比，組織中的珠光體相對(duì)量較多，且片層較細(xì)密，所以性能有所改善。對(duì)低碳鋼來說，正火后提高硬度可改善切削加工性，提高零件表面光潔度；對(duì)高碳鋼，正火可消除網(wǎng)狀滲碳體，為下一步球化退火及淬火作組織上的準(zhǔn)備。不同含碳量的碳鋼在退火及正火狀態(tài)下的強(qiáng)度和硬度值見表3-1。四、鋼的淬火所謂淬火就是將鋼加熱到（亞共析鋼）或（過共析鋼）以上3050，保溫后放入各種不同的冷卻介質(zhì)中快速冷卻（應(yīng)大于K），以獲得馬氏體組織。碳鋼經(jīng)淬火后的組織由馬氏體及一定數(shù)量的殘余奧氏體所組成。為了正確地進(jìn)行鋼的淬火，必須考慮下列三個(gè)重要因素：淬火加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻

4、速度。圖3-1正常淬火溫度范圍1. 淬火溫度的選擇表3-2 各種碳鋼的臨界溫度（近似值）類別鋼號(hào)臨界溫度（）或碳素結(jié)構(gòu)鋼207358556808353073281367783540724790680796457247806827605072576069075060727766695721碳素工具鋼T7730770700743T8730-700-T10730800700-T12730820700-正確選定加熱溫度是保證淬火質(zhì)量的重要一環(huán)。淬火時(shí)的具體加熱溫度主要取決于鋼的含碳量，可根據(jù)Fe-Fe3C相圖確定，如圖3-1所示。對(duì)亞共析鋼，其加熱溫度為+3050，若加熱溫度

5、不足（低于），則淬火組織中將出現(xiàn)鐵素體，造成強(qiáng)度及硬度的降低。對(duì)過共析鋼，加熱溫度為+3050，淬火后可得到細(xì)小的馬氏體與粒狀滲碳體，后者的存在可提高鋼的硬度和耐磨性。過高的加熱溫度（如超過）不僅無助于強(qiáng)度、硬度的增加，反而會(huì)由于產(chǎn)生過多的殘余奧氏體而導(dǎo)致硬度和耐磨性的下降。需要指出，不論在退火、正火及淬火時(shí)，均不能任意提高加熱溫度。溫度過高晶粒容易長(zhǎng)大，而且增加氧化脫碳和變形的傾向。各種不同成分碳鋼的臨界溫度列于表3-2中。2. 保溫時(shí)間的確定淬火加熱時(shí)間實(shí)際上是將試樣加熱到淬火所需的時(shí)間及淬火溫度停留所需時(shí)間的總和。加熱時(shí)間與鋼的成分、工件的形狀尺寸、所用的加熱介質(zhì)、加熱方法等因素有關(guān)，一

6、般按照經(jīng)驗(yàn)公式加以估算，碳鋼在電爐中加熱時(shí)間列于表3-3。 表3-3 碳鋼在箱式電爐中加熱時(shí)間的確定加熱溫度（）工件形狀圓柱形方形板形保溫時(shí)間分鐘/每毫米直徑分鐘/每毫米厚度分鐘/每毫米厚度70080090010001.51.00.80.42.21.51.20.6321.60.8 3. 冷卻速度的影響冷卻是淬火的關(guān)鍵工序，它直接影響到鋼淬火后的組織和性能。冷卻時(shí)應(yīng)使冷卻速度大于臨界冷卻速度，以保證獲得馬氏體組織。在這個(gè)前提下又應(yīng)盡量緩慢冷卻，以減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開裂。為此，可根據(jù)C曲線（如圖3-2所示），使淬火工件在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的溫度范圍（650550）進(jìn)行快冷（即與C曲線的“鼻尖”

7、相切），而在較低溫度（300100）時(shí)的冷卻速度則盡可能小些。為了保證淬火效果，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)睦鋮s介質(zhì)（如水、油等）和冷卻方法（如雙液淬火、分級(jí)淬火等）。不同的冷卻介質(zhì)在不同的溫度范圍內(nèi)的冷卻能力有所差別。各種冷卻介質(zhì)的特性見表3-4。圖3-2 在共析鋼C曲線估計(jì)的連續(xù)冷卻速度的影響 表3-4 幾種常用淬火介質(zhì)的冷卻能力冷卻介質(zhì)在下列溫度范圍內(nèi)的冷卻速度（/秒）65055030020018的水60027026的水50027050的水10027074的水3020010%NaCl水溶液（18）110030010%NaOH水溶液（18）120030010%Na2CO3水溶液（18）800270蒸餾水2

8、50200蒸餾水30200菜籽油（50）20035礦物機(jī)器油（50）15030變壓器油（50）12025五、鋼的回火鋼經(jīng)淬火后得到的馬氏體組織質(zhì)硬而脆，并且工件內(nèi)部存在很大的內(nèi)應(yīng)力，如果直接進(jìn)行磨削加工往往會(huì)出現(xiàn)龜裂。一些精密的零件在使用過程中將會(huì)引起尺寸變化而失去精度，甚至開裂。因此淬火鋼必須進(jìn)行回火處理。不同的回火工藝可以使鋼獲得所需的各種不同性能。表3-5為45鋼淬火后經(jīng)不同溫度回火后的組織及性能。 表3-5 45鋼經(jīng)淬火及不同溫度回火后的組織和性能類型回火溫度（）回火后的組織回火后硬度（BHC）性能特點(diǎn)低溫回火150250回火馬氏體+殘余奧氏體+碳化物6057高硬度，內(nèi)應(yīng)力減小中溫回火

9、350500回火屈氏體3545硬度適中，有高的彈性高溫回火500650回火索氏體2033具有良好塑性、韌性和一定強(qiáng)度相配合的綜合性能對(duì)碳鋼來說，回火工藝的選擇主要是考慮回火溫度和保溫時(shí)間這兩個(gè)因素?；鼗饻囟龋涸趯?shí)際生產(chǎn)中通常以圖紙上所要求的硬度要求作為選擇回火溫度的依據(jù)。各種鋼材的回火溫度與硬度之間的關(guān)系曲線可從有關(guān)手冊(cè)中查閱?，F(xiàn)將幾種常用的碳鋼（45、T8、T10和T12鋼）回火溫度與硬度的關(guān)系列于表3-6。表3-6 各種不同溫度回火后的硬度值（HBC）回火溫度（）45鋼T8鋼T10鋼T12鋼15020060546460646265622003005450605562566257300400

10、504055455647574940050040334535473849385006003324352738273828 注：由于具體處理?xiàng)l件不同，上述數(shù)據(jù)僅供參考。 也可以采用經(jīng)驗(yàn)公式近似地估算回火溫度。例如45鋼的回火溫度經(jīng)驗(yàn)公式為： 式中K系數(shù)，當(dāng)回火后要求的硬度值>HRC30時(shí)，K=11；<HRC30時(shí)，K=12。 x所要求的硬度值（HRC）。保溫時(shí)間：回火保溫時(shí)間與工件材料及尺寸、工藝條件等因素有關(guān)，通常采用13小時(shí)。由于實(shí)驗(yàn)所用試樣較小，故回火保溫時(shí)間可為30分鐘，回火后在空氣中冷卻。六、實(shí)驗(yàn)方法指導(dǎo)1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1) 淬火部分的內(nèi)容及具體步驟：（1）根據(jù)淬火條件

11、不同，分五個(gè)小組進(jìn)行，見表3-7 表3-7 淬火實(shí)驗(yàn)組別淬火加熱溫度（）冷卻方式20鋼45鋼T12鋼處理前硬度處理后硬度處理前硬度處理后硬度處理前硬度處理后硬度11000水冷2750水冷3860空冷4860油冷5860水冷注：14組每種鋼號(hào)各一塊；5組除20、T12鋼各一塊外，45鋼取五塊，以供回火用。（2）加熱前先將全部試樣測(cè)定硬度。為便于比較，一律用洛氏硬度測(cè)定。（3）根據(jù)試樣鋼號(hào)，按照Fe-Fe3C相圖確定淬火加熱溫度及保溫時(shí)間（可按1分鐘/每毫米直徑計(jì)算）。 （4）各組將淬火及正火后的試樣表面用砂紙（或砂輪）磨平，并測(cè)出硬度值（HRC）填入表3-7中。 2) 回火部分的內(nèi)容及具體步驟：

12、 （1）根據(jù)回火溫度不同，分五個(gè)小組進(jìn)行，見表3-8。各小組將已經(jīng)正常淬火并測(cè)定過硬度的45鋼試樣分別放入指定溫度的爐內(nèi)加熱，保溫30分鐘，然后取出空冷。 （2）用砂紙磨光表面，分別在洛氏硬度機(jī)上測(cè)定硬度值。 （3）將測(cè)定的硬度值分別填入表3-8中 表3-8 回火實(shí)驗(yàn)組 別12345回火溫度200300400500600回火前HRC回火后HRC2. 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料1) 箱式電爐及控溫儀表；2) 水銀溫度計(jì)；3) 洛氏硬度機(jī)；4) 冷卻劑：水，油（使用溫度約20）；5) 試樣：20鋼，45鋼，T12鋼。3. 注意事項(xiàng)1). 本實(shí)驗(yàn)加熱都為電爐，由于爐內(nèi)電阻絲距離爐膛較近，容易漏電，所以電爐一定要接地，在放、取試樣時(shí)必須先切斷電源。2) 往爐中放、取試樣必須使用夾鉗，夾鉗必須擦干，不得沾有油和水。開關(guān)爐門要迅速，爐門打開時(shí)間不宜過長(zhǎng)。3) 試樣由爐中取出淬火時(shí)，動(dòng)作