鋼的熱處理工藝

第四章鋼的熱處理技術(shù)所謂鋼的熱處理技術(shù)是將鋼在固態(tài)下以適當?shù)姆绞竭M行加熱，保溫和冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝方法.熱處理是強化金屬材料，提高產(chǎn)品質(zhì)量和壽命的主要途徑之一.絕大部分重要的機械零件，在制造過程中都必須進行熱處理.根據(jù)加熱和冷卻方法不同，將鋼的常用熱處理分類如下：盡管熱處理種類繁多，但其基本過程都是由加熱，保溫和冷卻三個階段組成.圖4-1為最基本的熱處理工藝曲線形式.改變加熱溫度，保溫時間，冷卻速度等參數(shù)，會在一定程度上發(fā)生相應(yīng)的預(yù)期組織轉(zhuǎn)變,從而改變材料的性能.由此可知,控制加熱溫度，保溫時間和冷卻速度就可以控制鋼的組織和性能.鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變（奧氏體化）加熱是熱處理的第一道工序.大多數(shù)熱處理工藝首先要將鋼加熱到相變點（又稱臨界點）以上,目的是獲得奧氏體.Fe-Fe3C相圖相變點A1，A3，Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻情況下測定的.但在實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻并不是極其緩慢的，因此，鋼的實際相變點都會偏離平衡相變點.即:加熱轉(zhuǎn)變相變點在平衡相變點以上，而冷卻轉(zhuǎn)變相變點在平衡相變點以下.通常把實際加熱溫度標為Ac1，Ac3，Accm，，實際冷卻溫度標為Ar1，Ar3，Arcm.如圖4-1所示.鋼的相變點是制定熱處理工藝參數(shù)的重要依據(jù)，各種鋼的相變點可在熱處理手冊中查到.1.1奧氏體的形成過程鋼加熱到Ac1點以上時會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變,加熱到Ac3和Accm以上時，便全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，這種加熱轉(zhuǎn)變過程稱為鋼的奧氏體化.奧氏體的形成過程是珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的一個重新結(jié)晶的過程.由于珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，鐵素體與滲碳體的晶格類型不同，含碳量差別很大，轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體必須進行晶格的改組和鐵碳原子的擴散.下面以共析鋼為例說明奧氏體化大致可分為四個過程，如圖4-2所示.1.1.1奧氏體形核奧氏體的晶核上首先在鐵素體和滲碳體的相界面上形成的.由于界面上的碳濃度處于中間值，原子排列也不規(guī)則，原子由于偏離平衡位置處于畸變狀態(tài)而具有較高的能量.同時位錯和空間密度較高鐵素體和滲碳體的交接處在濃度結(jié)構(gòu)和能量上為奧氏體形核提供了有利條件.1.1.2奧氏體長大奧氏體一旦形成，便通過原子擴散不斷張大在于鐵素體接觸的方向上，鐵素體逐漸通過改組晶胞向奧氏提轉(zhuǎn)化;在與滲碳體接觸的方向上,滲碳體不斷溶入奧氏體.1.1.3殘余滲碳體溶解由于鐵素體的晶格類型和含碳量的差別都不大,因而鐵素體向奧氏體的轉(zhuǎn)變總是先完成.當珠光體中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后，仍有少量的滲碳體尚未溶解.隨著保溫時間的延長，這部分滲碳體不斷溶入奧氏體，直至完全消失.1.1.4奧氏體均勻化剛形成的奧氏體晶粒中，碳濃度是不均勻的.原先滲碳體的位置，碳濃度較高;原先屬于鐵素體的位置，碳濃度較低.因此，必須保溫一段時間，通過碳原子的擴散獲得成分均勻的奧氏體.這就是熱處理應(yīng)該有一個保溫階段的原因.應(yīng)當指出，在生產(chǎn)中鋼的熱處理并非都要求達到奧氏體均勻化，而是根據(jù)熱處理的目的，控制奧氏體形成的不同階段..應(yīng)當指出，在生產(chǎn)中鋼的熱處理并非都要求達到奧氏體均勻化，而是根據(jù)熱處理的目的，控制奧氏體形成的不同階段.亞共析鋼和過共析鋼的奧氏體形成過程與共析鋼基本相似，不同之處是亞共析鋼和過共析鋼需加熱到Ac3或Accm以上時，才能獲得單一的奧氏體組織，即完全奧氏體化.但對過共析鋼而言，此時奧氏體晶粒已粗化.共析鋼碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體，碳溶解到a——鐵中的固溶體叫鐵素體，溶解到Y(jié)——鐵中的固溶體叫奧氏體。鐵素體與奧氏體都具有良好的塑性。當鐵碳合金中的碳不能全部溶入鐵素體或奧氏體中時，剩余出來的碳將與鐵形成化合物一一碳化鐵（Fe3C）這種化合物的晶體組織叫滲碳體，它的硬度極高，塑性幾乎為零。從反映鋼的組織結(jié)構(gòu)與鋼的含碳量和鋼的溫度之間關(guān)系的鐵碳平衡狀態(tài)圖上可見，當碳的含量正好等于0.77%時，即相當于合金中滲碳體（碳化鐵）約占12%，鐵素體約占88%時，該合金的相變是在恒溫下實現(xiàn)的。即在這種特定比例下的滲碳體和鐵素體，在發(fā)生相變時，如果消失兩者同時消失（加熱時），如果出現(xiàn)則兩者又同時出現(xiàn)，在這一點上這種組織與純金屬的相變類似?；谶@個原因，人們就把這種由特定比例構(gòu)成的兩相組織當作一種組織來看待，并且命名為珠光體，這種鋼就叫做共析鋼。即含碳量正好是0.77%的鋼就叫做共析鋼，它的組織是珠光體。亞共析鋼常用的結(jié)構(gòu)鋼含碳量大都在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，所以組織中的滲碳體量也少于12%，于是鐵素體除去一部分要與滲碳體形成珠光體外，還會有多余的出現(xiàn)，所以這種鋼的組織是鐵素體+珠光體。碳含量越少，鋼組織中珠光體比例也越小，鋼的強度也越低，但塑性越好，這類鋼統(tǒng)稱為亞共析鋼。過共析鋼工具用鋼的含碳量往往超過0.77%，這種鋼組織中滲碳體的比例超過12%，所以除與鐵素體形成珠光體外，還有多余的滲碳體，于是這類鋼的組織是珠光體+滲碳體。這類鋼統(tǒng)稱為過共析鋼。1.2奧氏體晶粒長大及其影響因素在高溫下，奧氏體晶粒長大是一個自發(fā)過程.奧氏體化溫度越高，保溫時間越長,奧氏體晶粒長大越明顯.隨著鋼中奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒長大的傾向也增大.但當301.2%時,奧氏體晶界上存在未溶的滲碳體能阻礙晶粒的長大.鋼中加入能生成穩(wěn)定碳化物的元素（如鈮，鈦，帆,鋯等）和能生成氧化物及氮化物的元素（如鋁）,都會阻止奧氏體晶粒長大，而錳和磷是增加奧氏體晶粒長大傾向的元素.奧氏體晶粒長大的結(jié)果,對零件的熱處理質(zhì)量有很大的影響.為了控制奧氏體晶粒長大應(yīng)采取以下措施:熱處理加熱時要合理選擇并嚴格控制加熱溫度和保溫時間，合理選擇鋼的原始組織及選用含有一定量合金元素的鋼材等.鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)奧氏體化后，由于冷卻條件不同，其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物在組織和性能上有很大差別.由表7-1可以看出,45鋼在同樣奧氏體化條件下，由于冷卻速度不同，其力學(xué)性能有明顯差別.表4-145鋼經(jīng)840°C加熱后，不同條件冷卻后的力學(xué)性能冷卻方法sob/MPasgS/Mpad5（%）yw（%）HRC隨爐冷卻空氣冷卻油中冷卻水中冷卻519657?706882107827233360870632.515?1818?207?84945?504812?1415?1818?2440?5052?60冷卻是鋼熱處理的生產(chǎn)過程中影響性能的最重要環(huán)節(jié)，所以冷卻轉(zhuǎn)變是熱處理的關(guān)鍵.熱處理冷卻方式通常有兩種，即等溫冷卻和連續(xù)冷卻.所謂等溫轉(zhuǎn)變是指將奧氏體化的鋼件迅速冷卻至Ar1以下某一溫度并保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，然后再冷卻至室溫，連續(xù)冷卻則是將奧氏體化的鋼件連續(xù)冷卻至室溫，并在連續(xù)冷卻過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變.見圖4-3所示.2.1過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變所謂”過冷奧氏體”是指在相變溫度A1以下，未發(fā)生轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體(A').在不同的過冷度下，反映過冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與時間關(guān)系的曲線稱為過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的曲線.由于曲線形狀像字母C，故又稱為C曲線.如圖4-4所示.共析鋼過冷奧氏體在Ar1線以下不同溫度會發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變,即珠光體轉(zhuǎn)變，貝氏體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變.2.1.1珠光體轉(zhuǎn)變共析成分的奧氏體過冷到Ar1?550°C高溫區(qū)等溫停留時，將發(fā)生共析轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體型組織,都是由鐵素體和滲碳體的層片組成的機械混合物.由于過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變溫度不同，珠光體中鐵素體和滲碳體片厚度也不同.在Ar1?650C范圍內(nèi)，片間距較大，稱為珠光體(P)；在650C?600C范圍內(nèi)，片間距較小，稱為索氏體⑶:在600C?550C范圍內(nèi)，片間距很小，稱為托氏體(T).珠光體組織中的片間距愈小，相界面愈多，強度和硬度愈高;同時由于滲碳體變薄，使得塑性和韌性也有所改善.2.1.2貝氏體轉(zhuǎn)變共析成分的奧氏體過冷到550C?Ms的中溫區(qū)停留時，將發(fā)生過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變，形成貝氏體(B).由于過冷度較大，轉(zhuǎn)變溫度較低,貝氏體轉(zhuǎn)變時只發(fā)生碳原子的擴散而不發(fā)生鐵原子的擴散.因而，貝氏體是由于含過飽和碳的鐵素體和碳化物組成的兩相混合物.按組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度，可將貝氏體組織分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)兩種.上貝氏體是在550?350C溫度范圍內(nèi)形成的.由于脆性較高，基本無實用價值，這里不予討論;下貝氏體是在350C?Ms點溫度范圍內(nèi)形成的.它由含過飽和的細小針片狀鐵素體和鐵素體片內(nèi)彌散分布的碳化物組成，因而，它具有較高的強度和硬度，塑性和韌性.在實際生產(chǎn)中常采用等溫淬火來獲得下貝氏體.2.1.3馬氏體轉(zhuǎn)變當過冷奧氏體被快速冷卻到Ms點以下時，便發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成馬氏體(M),它是奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變最重要的產(chǎn)物.奧氏體為面心立方晶體結(jié)構(gòu).當過冷至Ms以下時，其晶體結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶體結(jié)構(gòu).由于轉(zhuǎn)變溫度較低，原奧氏體中溶解的過多碳原子沒有能力進行擴散，致使所有溶解在原奧氏體中的碳原子難以析出，從而使晶格發(fā)生畸變,含碳量越高，畸變越大,內(nèi)應(yīng)力也越大.馬氏體實質(zhì)上就是碳溶于a-Fe中過飽和間隙固溶體.馬氏體的強度和硬度主要取決于馬氏體的碳含量.當Wc低于0.2%時，可獲得呈一束束尺寸大體相同的平行條狀馬氏體，稱為板條狀馬氏體，如圖4-5a所示.珠光體組織中的片間距愈小，相界面愈多，強度和硬度愈高;同時由于滲碳體變薄，使得塑性和韌性也有所改善.當鋼的組織為板條狀馬氏體時，具有較高的硬度和強度，較好的塑性和韌性.當馬氏體中Wc大于0.6%時，得到針片狀馬氏體，如圖4-5b所示.片狀馬氏體具有很高的硬度,但塑性和韌性很差,脆性大.當Wc在0.2%?0.6%之間時，低溫轉(zhuǎn)變得到板條狀馬氏體與針狀馬氏體混合組織.隨著碳含量的增加，板條狀馬氏體量減少而針片狀馬氏體量增加.與前兩種轉(zhuǎn)變不同的是，馬氏體轉(zhuǎn)變不是等溫轉(zhuǎn)變，而是在一定溫度范圍內(nèi)(Ms?Mf)快速連續(xù)冷卻完成的轉(zhuǎn)變.隨溫度降低，馬氏體量不斷增加.而實際進行馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火處理時，冷卻只進行到室溫,這時奧氏體不能全部轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，還有少量的奧氏體未發(fā)生轉(zhuǎn)變而殘余下來，稱為殘余奧氏體.過多的殘余奧氏體會降低鋼的強度，硬度和耐磨性,而且因殘余奧氏體為不穩(wěn)定組織，在鋼件使用過程中易發(fā)生轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致工件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起變形，尺寸變化，從而降低工件精度.因此，生產(chǎn)中常對硬度要求高或精度要求高的工件，淬火后迅速將其置于接近Mf的溫度下，促使殘余奧氏體進一步轉(zhuǎn)變成馬氏體，這一工藝過程稱為”冷處理”.亞共析鋼和過共析鋼過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變曲線與共析鋼的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線相比，它們的C曲線分別多出一條先析鐵素體析出線或先析滲碳體析出線.通常，亞共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向右移，過共析鋼的C曲線隨著含碳量的增加而向左移.故在碳鋼中，共析鋼的C曲線最靠右，其過冷奧氏體最穩(wěn)定.2.2過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變在實際生產(chǎn)中，奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進行，故有必要對過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線有所了解.它也是由實驗方法測定的，它與等溫轉(zhuǎn)變曲線的區(qū)別在于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線位于曲線的右下側(cè),且沒有C曲線的下部分，即共析鋼在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時，得不到貝氏體組織.這是因為共析鋼貝氏體轉(zhuǎn)變的孕育期很長，當過冷奧氏體連續(xù)冷卻通過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生轉(zhuǎn)變時就已過冷到Ms點而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，所以不出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變.連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線又稱CCT圖，如圖4-6所示.圖中Ps和Pf表示A—P的開始線和終了線,K線表示A-P的終止線，若冷卻曲線碰到K線，這時A-P轉(zhuǎn)變停止，繼續(xù)冷卻時奧氏體一直保持到Ms點溫度以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體.稱為臨界冷卻速度，也稱為上臨界冷卻速度,它是獲得全部馬氏體組織的最小冷卻速度.愈小,鋼在淬火時越容易獲得馬氏體組織，即鋼接受淬火的能力愈大.為下臨界冷卻速度,是保證奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度.越小，則退火速度所需時間越長.鋼的普通熱處理普通熱處理是將工件整體進行加熱,保溫和冷卻,以使其獲得均勻的組織和性能的一種操作.它包括退火，正火，淬火和回火等.3.1鋼的退火退火是將工件加熱到某一溫度，保溫一定時間,然后以十分緩慢的冷卻速度（爐冷，坑冷，灰冷）進行冷卻的一種操作.根據(jù)鋼的成分，組織狀態(tài)和退火目的不同,退火工藝可分為:完全退火，等溫退火，球化退火，去應(yīng)力退火等.3.1.1完全退火和等溫退火完全退火方法:將工件加熱到Ac3以上30?50°C，保溫一定時間后，隨爐緩慢冷卻到500r以下,然后在空氣中冷卻.目的:細化晶粒，降低硬度，改善切削加工性能.這種工藝過程比較費時間.為克服這一缺點，產(chǎn)生了等溫退火工藝.應(yīng)用:用于亞共析鋼成分的碳鋼和合金鋼的鑄件，鍛件及熱軋型材.有時也用于焊接結(jié)構(gòu).等溫退火方法:先以較快的冷速,將工件加熱到Ac3以上30?50C，保溫一定時間后，先以較快的冷速冷到珠光體的形成溫度等溫，待等溫轉(zhuǎn)變結(jié)束再快冷.這樣就可大大縮短退火的時間.等溫退火的目的和應(yīng)用與完全退火.完全退火工藝方法實例太紅機械股份公司生產(chǎn)一批鑄鐵支架，年產(chǎn)15000件，材料HT200,經(jīng)檢測硬度約為300HBS,組織粗大，有鑄造應(yīng)力，其熱處理工藝方法如下：加熱設(shè)備:120KW箱式電阻中溫爐;加熱溫度:860C?880C;保溫時間:3H;隨爐緩慢冷卻到500C以下，然后空冷.3.1.2球化退火球化退火方法:將鋼件加熱到Ac1以上30?50C,保溫一定時間后隨爐緩慢冷卻至600C后出爐空冷.同樣為縮短退火時間，生產(chǎn)上常采用等溫球化退火，它的加熱工藝與普通球化退火相同，只是冷卻方法不同.等溫的溫度和時間要根據(jù)硬度要求，利用C曲線確定.可見球化退火（等溫）可縮短退火時間.目的:在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火做準備.應(yīng)用:主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼.實質(zhì):通過球化退火，使層狀滲碳體和網(wǎng)狀滲碳體變?yōu)榍驙顫B碳體，球化退火后的組織是由鐵素體和球狀滲碳體組成的球狀珠光體.T12鋼球化退火工藝實例3.1.3去應(yīng)力退火（低溫退火）去應(yīng)力退火方法:將工件隨爐緩慢加熱（100?150C/h）至500?650C（A1以下），保溫一段時間后隨爐緩慢冷卻（50-100C/h）,至200C出爐空冷.目的:消除應(yīng)力，防止變形和形成裂紋.應(yīng)用:主要用于消除鑄件,鍛件,焊接件，冷沖壓件（或冷拔件）及機加工的殘余內(nèi)應(yīng)力.這些應(yīng)力若不消除會導(dǎo)致隨后的切削加工或使用中的變形開裂.降低機器的精度，甚至?xí)l(fā)生事故.在去應(yīng)力退火中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變.焊接件退火工藝實例鋼的正火正火的方法:將工件加熱到Ac3或Accm以上30?50C，保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火.如圖4-7所示.與退火的區(qū)別是冷速快，組織細,強度和硬度有所提高.當鋼件尺寸較小時，正火后組織為S,而退火后組織為P鋼的退火與正火工藝曲線見圖4-8.正火的應(yīng)用:（1）用于普通結(jié)構(gòu)零件，作為最終熱處理，細化晶粒提高機械性能.（2） 用于低，中碳鋼作為預(yù)先熱處理，得合適的硬度便于切削加工.（3） 用于過共析鋼，消除網(wǎng)狀Fe3ClI,有利于球化退火的進行.焊接件正火工藝實例寶山金屬結(jié)構(gòu)廠生產(chǎn)一批焊接結(jié)構(gòu)件，材料25鋼，焊接生產(chǎn)檢驗時發(fā)現(xiàn)管板連接焊縫，組織粗大,應(yīng)力大.解決方法:正火處理.正火處理熱處理方法為:加熱設(shè)備:60KW電阻爐，加熱溫度900?920°C，保溫時間3小時，出爐空冷.鋼的淬火5.1淬火的目的淬火就是將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30?50C，保溫一定時間，然后快速冷卻（一般為油冷或水冷）,從而得馬氏體的一種操作.因此淬火的目的就是獲得馬氏體.但淬火必須和回火相配合，否則淬火后得到了高硬度，高強度，但韌性,塑性低，不能得到優(yōu)良的綜合機械性能.5.2鋼的淬火工藝淬火是一種復(fù)雜的熱處理工藝，又是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，（淬火后要得到細小的馬氏體組織又不致于產(chǎn)生嚴重的變形和開裂）就必須根據(jù)鋼的成分，零件的大小，形狀等，結(jié)合C曲線合理地確定淬火加熱和冷卻方法.5.2.1淬火加熱溫度的選擇馬氏體組織的粗細取決于奧氏體晶粒大小.為了使淬火后得到細而均勻的馬氏體，首先要在淬火加熱時得到細而均勻的奧氏體.因此，不同的鋼材具有不同的淬火加熱溫度.淬火工藝參數(shù)如圖4-9所示.對于亞共析鋼:Ac3+（30?50C）,淬火后的組織為均勻而細小的馬氏體對于過共析鋼:Ac1+（30?50C），淬火后的組織為均勻而細小的馬氏體和顆粒狀滲碳體及殘余奧氏體的混合組織.如果加熱溫度過高，滲碳體溶解過多，奧氏體晶粒粗大，會使淬火組織中馬氏體針變粗,滲碳體量減少，殘余奧氏體量增多，從而降低鋼的硬度和耐磨性.5.2.2淬火冷卻介質(zhì)淬火冷卻是決定淬火質(zhì)量的關(guān)鍵，為了使工件獲得馬氏體組織，淬火冷卻速度必須大于臨界冷卻速度，而快冷會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力,容易引起工件的變形和開裂.所以既不能冷速過大又不能冷速過小，理想的冷卻速度應(yīng)是如圖4-10所示的速度.但到目前為止還沒有找到十分理想的冷卻介質(zhì)能符合這一理想的冷卻速度的要求.最常用的冷卻介質(zhì)是水和油，水在650?550C范圍內(nèi)具有很大的冷卻速度（＞600C/s）,可防止珠光體的轉(zhuǎn)變，但在300?200C時冷卻速度仍然很快（約為270C/s）,這時正發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變具有如此高的冷速，必然會引起淬火鋼的變形和開裂.若在水中加入10%的鹽（NaCl）或堿（NaOH）,可將650?550C范圍內(nèi)的冷卻速度提高到1100C/s,但在300?200C范圍內(nèi)冷卻速度基本不變,因此水及鹽水或堿水常被用作碳鋼的淬火冷卻介質(zhì),但都易引起材料變形和開裂.而油在300?200C范圍內(nèi)的冷卻速度較慢（約為20C/s）,可減少鋼在淬火時的變形和開裂傾向，但在650?550C范圍內(nèi)的冷卻速度不夠大（約為150C/s），不易使碳鋼淬火成馬氏體，只能用于合金鋼.常用淬火油為10#,20#機油.5.2.3淬火方法為了使工件淬火成馬氏體并防止變形和開裂，單純依靠選擇淬火介質(zhì)是不行的,還必須采取正確的淬火方法.最常用的淬火方法有如下四種：5.2.3.1單液淬火法（單介質(zhì)淬火）將加熱的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷到室溫.這種方法操作簡單，容易實現(xiàn)機械化，自動化，如碳鋼在水中淬火，合金鋼在油中淬火.但其缺點是不符合理想淬火冷卻速度的要求，水淬容易產(chǎn)生變形和裂紋，油淬容易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象.5.2.3.2雙液淬火法（雙介質(zhì)淬火）將加熱的工件先在快速冷卻的介質(zhì)中冷卻到接近馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms時，立即轉(zhuǎn)入另一種緩慢冷卻的介質(zhì)中冷卻至室溫，以降低馬氏體轉(zhuǎn)變時的應(yīng)力,防止變形開裂.如形狀復(fù)雜的碳鋼工件常采用水淬油冷的方法，即先在水中冷卻到300°C后在油中冷卻;而合金鋼則采用油淬空冷,即先在油中冷卻后在空氣中冷卻.5.2.3.3分級淬火法將加熱的工件先放入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保溫2?5min,使零件內(nèi)外的溫度均勻后，立即取出在空氣中冷卻.這種方法可以減少工件內(nèi)外的溫差和減慢馬氏體轉(zhuǎn)變時的冷卻速度，從而有效地減少內(nèi)應(yīng)力,防止產(chǎn)生變形和開裂.但由于鹽浴或堿浴的冷卻能力低，只能適用于零件尺寸較小,要求變形小,尺寸精度高的工件,如模具，刀具等.5.2.3.4等溫淬火法將加熱的工件放入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中,保溫足夠長的時間使其完成B轉(zhuǎn)變.等溫淬火后獲得組織.下貝氏體與回火馬氏體相比,在含碳量相近，硬度相當?shù)那闆r下，前者比后者具有較高的塑性與韌性,而且等溫淬火后一般不需進行回火，適用于尺寸較小，形狀復(fù)雜，要求變形小，具有高硬度和強韌性的工具，模具等.5.3鋼的淬透性：5.3.1淬透性和淬硬性的概念所謂淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層的能力.淬硬層一般規(guī)定為工件表面至半馬氏體（馬氏體量占50%）之間的區(qū)域，它的深度叫淬硬層深度.不同的鋼在同樣的條件下淬硬層深度不同，說明不同的鋼淬透性不同，淬硬層較深的鋼淬透性較好.淬硬性是指鋼以大于臨界冷卻速度冷卻時，獲得的馬氏體組織所能達到的最高硬度.鋼的淬硬性主要決定于馬氏體的含碳量，即取決于淬火前奧氏體的含碳量.淬透性好，淬硬性不一定好,同樣淬硬性好，淬透性亦不一定好.5.3.2影響淬透性的因素5.3.2.1化學(xué)成分C曲線距縱坐標愈遠，淬火的臨界冷卻速度愈小，則鋼的淬透性愈好.對于碳鋼,鋼中含碳量愈接近共析成分，其C曲線愈靠右,臨界冷卻速度愈小,則淬透性愈好，即亞共析鋼的淬透性隨含碳量增加而增大，過共析鋼的淬透性隨含碳量增加而減小.除Co和Al以外的大多數(shù)合金元素都使C曲線右移，使鋼的淬透性增加，因此合金鋼的淬透性比碳鋼好.5.3.2.2奧氏體化的條件奧氏體化溫度越高，保溫時間越長,所形成的奧氏體晶粒也就越粗大,使晶界面積減少,這樣就會降低過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的形核率,不利于奧氏體的分解，使其穩(wěn)定性增大，淬透性增加.5.3.2.3淬透性的應(yīng)用淬透性是機械零件設(shè)計時選擇材料和制定熱處理工藝的重要依據(jù).淬透性不同鋼材，淬火后得到的淬硬層深度不同，所以沿截面的組織和機械性能差別很大.如圖4-11所示，表示淬透性不同的鋼制成直徑相同的軸，經(jīng)調(diào)質(zhì)后機械性能的對比.左圖表示全部淬透，整個截面為回火索氏體組織，機械性能沿截面是均勻分布的;右圖表示僅表面淬透，由于心部為層片狀組織（索氏體）,沖擊韌性較低.由此可見，淬透性低的鋼材機械性能較差.因此機械制造中截面較大或形狀較復(fù)雜的重要零件，以及應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜的螺栓，連桿等零件，要求截面機械性能均勻應(yīng)選用淬透性較好的鋼材.受彎曲和扭轉(zhuǎn)力的軸類零件，應(yīng)力在截面上的分布是不均勻的，其外層受力較大,心部受力較小，可考慮選用淬透性較低的，淬硬層較淺（如為直徑的1/3?1/2）的鋼材.有些工件（如焊接件）不能選用淬透性高的鋼件,否則容易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，選成焊縫變形和開裂.5.4淬火鋼的回火5.4.1鋼的回火及回火的目的回火是將淬火鋼重新加熱到A1點以下的某一溫度，保溫一定時間后，冷卻到室溫的一種操作.由于淬火鋼硬度高,脆性大，存在著淬火內(nèi)應(yīng)力，且淬火后的組織馬氏體和殘余奧氏體都處于非平衡狀態(tài)，是一種不穩(wěn)定的組織,在一定條件下，經(jīng)過一定的時間后，組織會向平衡組織轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致工件的尺寸形狀改變,性能發(fā)生變化，為克服淬火組織的這些弱點而采取回火處理.回火的目的:降低淬火鋼的脆性，減少或消除內(nèi)應(yīng)力，使組織趨于穩(wěn)定并獲得所需要的性能.5.4.2淬火鋼在回火時組織和性能的變化淬火鋼在回火過程中，隨著加熱溫度的提高,原子活動能力增大,其組織相應(yīng)發(fā)生以下四個階段性的轉(zhuǎn)變：第一階段（80?200°C）:馬氏體開始的分解.由淬火馬氏體中析出薄片狀細小的￡碳化物（過渡相分子式Fe2.4C）使馬氏體中碳的過飽和度降低.通常把這種馬氏體和￡碳化物的組織稱為回火馬氏體（如圖4-12所示），用表示.這一階段內(nèi)應(yīng)力逐漸減小.第二階段（200?300C）:殘余奧氏體分解.在馬氏體分解分解的同時，降低了殘余奧氏體的壓力,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w.這個階段轉(zhuǎn)變后的組織是下貝氏體和回火馬氏體，亦稱為回火馬氏體.這個階段應(yīng)力進一步降低，但硬度并未明顯降低.第三階段（300?400C）:馬氏體分解完成和滲碳體的形成.這一階段馬氏體繼續(xù)分解，直到過飽和的碳原子幾乎全部由固溶體內(nèi)析出.與此同時,￡碳化物轉(zhuǎn)變成極細的穩(wěn)定的滲碳體.此階段后的回火組織為尚未鐵結(jié)晶的針狀鐵素體和細球狀滲碳體的混合組織，稱為回火托氏體（如圖4-12所示），用表示.此時鋼的淬火內(nèi)應(yīng)力基本消除，硬度有所降低.第四階段（400C以上）:a固溶體的再結(jié)晶與滲碳體的聚集長大.回火溫度超過400C時,具有平衡濃度的a相開始回復(fù),500C以上時發(fā)生再結(jié)晶，從針葉狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅蔚牧?，在這一回復(fù)再結(jié)晶的過程中,粒狀滲碳體聚集長大成球狀，即在500C以上（500—650C）得到由粒狀鐵素體和球狀滲碳體的混合組織，稱為回火索氏體（如圖4-12所示），用表示.5.4.3回火的方法及應(yīng)用鋼的回火按回火溫度范圍可分為以下三種：5.4.3.1低溫回火回火溫度范圍150?250C.回火后的組織為回火馬氏體.內(nèi)應(yīng)力和脆性有所降低,但保持了馬氏體的高硬度和高耐磨性.主要應(yīng)用于高碳鋼或高碳合金鋼制造的工,模具,滾動軸承及滲碳和表面淬火的零件.5.4.3.2中溫回火回火溫度范圍為350?500C,回火后的組織為回火托氏體，具有一定的韌性和較高的彈性極限及屈服強度.主要應(yīng)用于各類彈簧和模具等.5.4.3.3高溫回火回火溫度范圍為500?650C，回火后的組織為回火索氏體，具有強度,硬度,塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能.廣泛應(yīng)用于汽車,拖拉機，機床等機械中的重要結(jié)構(gòu)零件，如軸，連桿，螺栓等.通常在生產(chǎn)上將淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為”調(diào)質(zhì)處理”.應(yīng)當指出,工件回火后的硬度主要與回火溫度和回火時間有關(guān)，而與回火后的冷卻速度關(guān)系不大.因此，在實際生產(chǎn)中回件出爐后通常采用空冷.5.4.4回火脆性鋼在某一溫度范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌度比較低溫度回火時反而顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性.在250?350C溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第一類回火脆性.這類回火脆性無論是在碳鋼還是合金鋼中均會出現(xiàn)，它與鋼的成分和冷卻速度無關(guān),即使加入合金元素及回火后快冷或重新加熱到比溫度范圍內(nèi)回火，都無法避免，故又稱”不可逆回火脆性”.防止的辦法常常是避免在此溫度范圍內(nèi)回火.在500?600C溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第二類回火脆性，部分合金鋼易產(chǎn)生這類回火脆性.這類回火脆性如果在回火時快冷就不會出現(xiàn)，另外，如果脆性已經(jīng)發(fā)生，只要再加熱到原來的回火溫度重新回火并快冷,則可完全消除，因此這類回火脆性又稱為”可逆回火脆性”.淬火,回火實例分析零件名稱:齒輪軸，如左圖所示材料:45鋼熱處理方法:調(diào)質(zhì)處理性能:整體240?275HBS,齒部42?46HRC熱處理工藝方法分析選擇:調(diào)質(zhì)處理設(shè)備，中溫電阻爐，水槽等工藝參數(shù):淬火加熱溫度840?860°C,保溫時間90分鐘，冷卻方式:水冷回火溫度540?560C,空冷齒輪表面:感應(yīng)加熱表面淬火6鋼的表面熱處理一些在彎曲，扭轉(zhuǎn)，沖擊載荷，磨擦條件區(qū)工作的齒輪等機器零件,它們要求具有表面硬，耐磨，而心部韌，能抗沖擊的特性,僅從選材方面去考慮是很難達到此要求的.如用高碳鋼，雖然硬度高,但心部韌性不足，若用低碳鋼，雖然心部韌性好，但表面硬度低,不耐磨，所以工業(yè)上廣泛采用表面熱處理來滿足上述要求.6.1鋼的表面淬火僅對工件表層進行淬火的工藝,稱為表面淬火.它是利用快速加熱使鋼件表面奧氏體化，而中心尚處于較低溫度即迅速予以冷卻,表層被淬硬為馬氏體，而中心仍保持原來的退火,正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織.表面淬火一般適用于中碳鋼(WC=0.4?0.5%)和中碳低合金鋼(40Cr,40MnB等),也可用于高碳工具鋼,低合金工具鋼(如T8,9Mn2V,GCr15等).以及球墨鑄鐵等.目前應(yīng)用最多的是感應(yīng)加熱和火焰加熱表面淬火.6.1.1感應(yīng)加熱表面淬火它是工件中引入一定頻率的感應(yīng)電流(渦流),使工件表面層快速加熱到淬火溫度后立即噴水冷卻的方法.6.1.1.1工作原理如圖4-13所示，在一個線圈中通過一定頻率的交流電時，在它周圍便產(chǎn)生交變磁場.若把工件放入線圈中,工件中就會產(chǎn)生與線圈頻率相同而方向相反的感應(yīng)電流.這種感應(yīng)電流在工件中的分布是不均勻的，主要集中在表面層，愈靠近表面，電流密度愈大;頻率愈高，電流集中的表面層愈薄.這種現(xiàn)象稱為”集膚效應(yīng)”，它是感應(yīng)電流能使工件表面層加熱的基本依據(jù).6.1.1.2感應(yīng)加熱的分類根據(jù)電流頻率的不同，感應(yīng)加熱可分為:高頻感應(yīng)加熱(50?300kHz),適用于中小型零件，如小模數(shù)齒輪;中頻感應(yīng)加熱(2.5?10kHz),適用于大中型零件，如直徑較大的軸和大中型模數(shù)的齒輪；工頻感應(yīng)加熱(50Hz),適用于大型零件，如直徑大于300mm的軋輥及軸類零件等.6.1.1.3感應(yīng)加熱的特點加熱速度快，生產(chǎn)率高;淬火后表面組織細，硬度高(比普通淬火高HRC2?3);加熱時間短,氧化脫碳少;淬硬層深易控制，變形小,產(chǎn)品質(zhì)量好;生產(chǎn)過程易實現(xiàn)自動化，其缺點是設(shè)備昂貴，維修，調(diào)整困難,形狀復(fù)雜的感應(yīng)圈不易制造，不適于單件生產(chǎn).另外,工件在感應(yīng)加熱前需要進行預(yù)先熱處理，一般為調(diào)質(zhì)或正火，以保證工件表面在淬火后得到均勻細小的馬氏體和改善工件心部硬度，強度和韌性以及切削加工性，并減少淬火變形.工件在感應(yīng)表面淬火后需要進行低溫回火(180?200C)以降低內(nèi)應(yīng)力和脆性，獲得回火馬氏體組織.6.1.2火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是用乙炔一氧或煤氣一氧的混合氣體燃燒的火焰，噴射至零件表面上，使它快速加熱,當達到淬火溫度時立即噴水冷卻,從而獲得預(yù)期的硬度和淬硬層深度的一種表面淬火方法.火焰加熱常用的裝置如圖4-14所示.火焰表面淬火零件的選材,常用中碳鋼如35,45鋼的以及中碳合金結(jié)構(gòu)鋼如40Cr,65Mn等,如果含碳量太低，則淬火后硬度較低;碳和合金元素含量過高，則易淬裂.火焰表面淬火法還可用于對鑄鐵件如灰鑄件，合金鑄鐵進行表面淬火.火焰表面淬火的淬硬層深度一般為2-6mm，若要獲得更深的淬硬層，往往會引起零件表面嚴重的過熱，且易產(chǎn)生淬火裂紋.由于火焰表面淬火方法簡便，無需特殊設(shè)備,可適用于單件或小批生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火的工具和零件，如大型軸類，大模數(shù)齒輪，錘子等.但火焰表面淬火較易過熱，淬火質(zhì)量往往不夠穩(wěn)定，工作條件差，因此限制了它在機械制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用.6.2，鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理是將工件置于活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層，以改變其表面層的化學(xué)成分，組織結(jié)構(gòu)和性能的熱處理工藝.根據(jù)滲入元素的類別，化學(xué)熱處理可分為滲碳,氮化,碳氮共滲等.6.2.1化學(xué)熱處理的主要目的除提高鋼件表面硬度，耐磨性以及疲勞極限外，也用于提高零件的抗腐蝕性，抗氧化性，以代替昂貴的合金鋼.6.2.2化學(xué)熱處理的一般過程任何化學(xué)熱處理方法的物理化學(xué)過程基本相同，都要經(jīng)過分解,吸收和擴散三個過程：介質(zhì)分解:分解出活性的［N］或［C］原子；吸收:活性原子被工件表面吸收，先固溶于基體金屬，當超過固溶度后,便可能形成化合物.原子向內(nèi)擴散:形成具有一定厚度的滲層.6.2.3常用的化學(xué)熱處理方法6.2.3.1滲碳將工件放在滲碳性介質(zhì)中，使其表面層滲入碳原子的一種化學(xué)熱處理工藝稱為滲碳.滲碳的目的是提高工件表層含碳量.經(jīng)過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，提高工件表面的硬度,耐磨性和疲勞強度,而心部仍保持良好的塑性和韌性.工業(yè)生產(chǎn)中滲碳鋼一般都是WC=0.15?0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼.滲碳層深度一般都在0.5?2.5mm.鋼滲碳后表面層的含碳量可達到0.8?1.1%C范圍.滲碳件滲碳后緩冷到室溫的組織接近于鐵碳相圖所反映的平衡組織,從表層到心部依次是過共析組織，共析組織,亞共析過渡層,心部原始組織.滲碳主要用于表面受嚴重磨損,并在較大的沖擊載荷下工作的零件（受較大接觸應(yīng)力）如齒輪,軸類，套角等.滲碳方法有氣體滲碳，液體滲碳，固體滲碳,目前常用的就是氣體滲碳.6.2.3.2滲氮（氮化）向鋼件表面滲入氮，形成含氮硬化層的化學(xué)熱處理過程稱為氮化.氮化實質(zhì)就是利用含氮的物質(zhì)分解產(chǎn)生活性［N］原子,滲入工件的表層.其目的就是提高工件的表面硬度，耐磨性，疲勞強度及熱硬性.滲氮處理有氣體滲氮，離子滲氮等.目前應(yīng)用較廣泛的是氣體氮化法.滲氮用鋼通常是含Al,Cr,Mo等合金元素的鋼,滲氮層由碳,氮溶于o-Fe的固溶體和碳，氮與鐵的化合物組成，還含有高硬度，高彌散度的穩(wěn)定的合金氮化物如AlN,CrN,MoN,TiN,VN等，這些氮化物的存在對氮化鋼的性能起著主要的作用.與滲碳相比，氮化工件具有以下特點：1） 氮化前需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以便使心部組織具有較高的強度和韌性；2） 表面硬度，耐磨性,疲勞強度及熱硬性均高于滲碳層；3） 氮化表面形成致密氮化物組成的連續(xù)薄膜，具有一定的耐腐蝕性；4） 氮化處理溫度低，滲氮后不需再進行其它熱處理，因此工件變形小.氮