热处理工艺技术参考

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1、第第一一章章 金金属属的的加加热热 1 1. .1 1 金金属属加加热热的的物物理理过过程程及及其其影影响响因因素素 一：加热介质和工件表面传热过程 热处理加热工序大多在各种热处理炉中进行， 在加热过程中炉膛和工件之间建立温 度梯度 在温度场中，工件主要依靠辐射.对流.传导传热。 1：传导传热： 热量直接由工件的一部分传递至另一部分， 或由加热介质把热量传递到与其相邻的 工件而无需媒介质点移动的传热过程。 热传导的唯象规律由傅立叶热传导定律描述 上式中热传导系数，；-温度梯度。负号表示热流量方 向和温度梯度方向相反。 2：辐射传热： 是由电磁波传递能量过程。物体受热后向各个方向放射辐射能，被另

2、一物体吸收后 又转化为热能而实现加热。 注意：在高于 700 度主要是辐射传热。 3：对流传热： 主要在 600700 度以下进行，它主要依靠工件四周气体或液体质点的相对移动将 受热质点传到给较冷的金属表面进行加热。 一般有 上式中单位时间内通过热交换表面对流传热给工件的热量，J/h; -介质温度， 工件表面温度， 对流给热系数，； 热交换面积（工件与流体接触面积）；。 影响的因素： （1）流体流动情况 （2）流体的物理性质:导热系数，比热 C，及密度等。 （3）工件在炉中位置情况：放置位置不同，给热系数也不同。工件形状和放置位 置对流体流动越有利，则给热系数愈大。 4：需要说明的是：实际工件

3、在传热过程中，三种传热方式同时存在，所不同的是 有这种传热方式为主，有的场合以另一种传热方式为主。 二：工件内部的热传到过程： 工件内部传热主要以传导传热，工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心 部存在温度梯度，发生传导传热。传热强度以比热流量表示 为热传导系数：表示材料具有单位温度梯度时所允许通过的流量密度。 影响的因素： 1：钢的化学成分:合金元素及碳含量一般降低传热系数。 2：组织状态：随钢中组织组成物，按 AM 淬M 回P 顺序增大 3：加热温度：热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系 上面 温度为 t 度时的热传导系数； 温度为 0 度时的热传导系数； b热传导温度系数，与钢的

4、化学成分与组织状态有关。 1 1- -2 2 金金属属及及合合金金在在不不同同介介质质中中加加热热时时常常见见的的物物理理化化学学 现现象象及及加加热热介介质质选选择择 工件在不同介质中加热时，必定要和周围介质发生作用，即化学反应，最典型是氧 化，脱碳。 一：金属在加热时的氧化反应及氧化过程： 1：氧化: 材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化物层。其危害是不仅使工件表面 便色，失去光泽，而且使机械性能变坏（如疲劳性能）因此要防止氧化。 2：氧化反应：对于铁来说，根据加热温度不同，常见的氧化反应也不同。 在加热温度570 度时，发生如下反应 3Fe2 3/4Fe+1/4+ 3/4Fe+3/4+ 在

5、加热温度570 度时，发生下列反应： Fe1/2FeO Fe+FeO+ Fe+FeO+ 3:氧化物的组织形式： （1）： 磁性氧化铁，在 570 度以下形成，组织严密，一旦形成氧化速度较 慢，如步枪枪支要氧化处理。 （2）： 当T570度时， 由于氧原子扩散加快，逐渐形成无磁性氧化铁。 （3）FeO： 温度继续升高，O，Fe 原子相对扩散，形成疏松 FeO，氧化速度加剧。 4：生锈肿胀: 钢铁工件在氧化性介质加热时， 沿表面下的晶界及石墨夹杂迅速发生氧化因氧化物 体积大，从而导致肿胀的现象。它是一种特殊的内氧化形式。 第第二二章章 退退火火和和正正火火 2 2. .1 1 退退火火、正正火火的

6、的定定义义、目目的的和和分分类类 一:退火： 将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷 却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。 1：退火目的： 目的在与均匀化学成分.达到改善机械性能及工艺性能.消除或减少内应力， 并为零 件最终热处理准备合适的内部组织。 2:退火工艺: 按加热分为两类：一类是在临界温度（或）以上的退火，包括完全退火.不 完全退火，扩散火和球化退火，另一类是在临界温度以下的退火，包括软化退火，再结 晶退火及去应力退火等 二：正火： 将钢材或钢件加热到（或） 以上适当温度， 保温适当时间后在空气中冷却， 得到珠光体组织的热处理艺。 正火目的

7、：目的在于获得一定的硬度，细化晶粒，并获得比较均匀的组织和性能。 2 2. .2 2常常用用退退火火工工艺艺方方法法 一：扩散退火： 1：定义： 扩散退火又称均匀化退火。将金属铸锭或锻坯， 在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学 成分偏析及显维组织的不均匀性，以达到均匀化的目 的的热处理工艺。 偏析的主要表现： （1）化学成分的不均匀性. （2）非金属夹杂物的不均匀性分布. （3） 偏析区还形成大量显维及宏观的气泡， 气孔。 (观看常用退火工艺动画演示） 偏析的危害：由于偏析存在使大量铸，锻件成分及组织不均匀存在很大组织应力， 它直接涉及到钢的热处理及其机械性能。 2：工艺： a):一

8、般均匀化温度可选择在高于 0.80.9T 熔，但低于固相线温度。 b):碳钢一般选择 11001200 度. c):合金钢维使其共晶炭化物充分溶解，温度允许提高到 11501250 度。 二：完全退火 1：定义：将钢件或钢材加热到点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却， 获得接近于平衡组织的热处理工艺。 2：目的：细化晶粒，降低硬度，改善 33 切削性能以及消除内力。因此，完全退火 不宜太高，一般在 AC3 点以上 20-30,适用于含碳的中碳钢， 三： 不完全退火 1：定义：将钢件加热之和 之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织。这 种热处理工艺成为不完全退火。 四： 球化退火 定义:

9、 将钢中的碳化物球状化，或获得球状珠光体的退火工艺称维球化退火。 1：方案 1 低于点温度的球化退火。该种工艺方法是把退火钢材加热到略低于的温 度，经长时间保温，使碳化物又片状变成球状的方法。 2：方案 2 往复球化退火。这是一种周期退火，目的是加速球化过程。 3：方案 3 一次球化退火法。此种退火工艺是目前生产上最常用 的球化退火工艺。实际上是 一种不完全退火。 五：再结晶退火和消除应力退火 1：定义：经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持势道时间，使形变晶 粒重新转变维均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺，称为再结晶 退火。 再结晶退火在高于再结晶温度进行。 再结晶温

10、度随着合金成分及冷塑性变形量而有 所变化。为产生再结晶所需的最小变形量称为临界变形量钢的临界变形量为 6 10。再结晶温度随变形量增加而降低，到一定值时不再变化。 纯金属的再结晶温度：铁为 450，铜为 270，铝为 100。一般钢材再结晶退 火温度常取 650700，铜合金为 600700，铝合金为 350400。 2：定义：为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余应 力(但不引起组织的变化)而进行的退火，称为去应力退火， 由于材料成分，加工方法、内应力大小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应 力退火的加热温度范围很宽，应根据具体情况决定。例如低碳结构钢热锻后，如硬度不

11、 高，适于切削加工，可不进行正火，而在 500左右进行去应力退火；中碳结构钢为避 免调质时的淬火变形，需在切削加工或最终热处理前进行 500650的去应力退火； 对切削加工量大，形状复杂而要求严格的刀具、模具等，在粗加工及半精加工之间，淬 火之前，常进行 600700、24 小时的去应力退火； 对经索氏体化处理的弹簧钢丝，在盘制成弹簧后，虽不经淬火回火处理，但应进行 去应力退火， 以防止制成成品后因应力状态改变而产生变形， 常用温度一般在250350 之间，此时还可产生时效作用，使强度有所提高铸件由于铸造应力的存在，可能发 生几何形状不稳定，甚至开裂。尤其在机械加工后，由于应力平衡的破坏，常会

12、造成变 形超差，使工件报废。因此各类铸件在机械加工前应进行消除应力处理。铸铁件去应力 退火温度不应太高，否则造成珠光体的石墨化。去应力退火后，均应缓慢冷却，以免产 生新的应力 2 2. .3 3 钢钢的的正正火火 正火是工业上常用的热处理工艺之一，正火既可作为预备热处理工艺，为下续热处 理工艺提供适宜的组织状态，例如为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体，消除网状 碳化物等；也可作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能， 例如碳素结构钢零件的正火处理等。此外，正火处理也常用 来消除某些处理缺陷。例如，消除粗大铁素体块，消除魏氏 组织等。 一般正火加热温度为 Ac3+(3050)因为正火时一般 采用

13、热炉装料，加热过程中工件内温差较大，为了缩短工件 在高温时的停留时间，而心部又能达到要求的加热温度，所 以采用稍高于完全退火的温度.一般正火保温时间以工件透 烧(即心部达到要求的加热温度)为准。 正火时应考虑如下问题（请观看正火视频演示） 1 低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能。但是对有些含碳量低于 020 的钢， 即使按通常正火温度正火后， 自由铁索体量仍过多， 硬度过低， 切削性能仍较差 为了适当提高硬度， 应提高加热温度(可比Ac3高100)， 以增大过冷奥氏体的稳定性， 而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体。 2中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷

14、却方式。含碳量较高，含 有合金元素，可采用较缓慢冷却速度，如在静止空气中或成堆堆放冷却，反之则采用较 快冷却速度。 3过共析钢正火，一般是为了消除网状碳化物，故加热时必须保证碳化物全部溶 入奥氏体中。为了抑制自由碳化物的析出，使其获得伪共析组织，必须采用较大冷却速 度，如鼓风冷却、喷雾冷却，甚至油冷或水冷至 Ar1 点以下的温度取出空冷。 4双重正火。有些锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织，一次正火不能达到细化 组织的目的，为此采用二次正火，始可获得良好结果第一次正火在高于 Ac3 点以上 150200的温度加热，以扩散办法消除粗大组织，使成分均匀；第二次正火以普通条 件进行，其目的是细化组织

15、2 2. .4 4 退退火火、正正火火后后钢钢的的组组织织和和性性能能 退火和正火所得到的均是珠光体型组织，或者说是铁素体和渗碳体的机械混合物。 但是正火与退火比较时，正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的，因而对亚共析钢来 说，析出的先共析铁素体较少，珠光体数量较多(伪共析)，珠光体片间距较小此外， 由于转变温度较低，珠光体成核串较大，因而珠光体团的尺寸较小对过共析钢来说， 若与完全退火相比较，正火的不仅珠光体的片间距及团直径较小，而且可以抑制先共析 网状渗碳体的析出，而完全退火的则有网状渗碳体存在。由于退火(主要指完全退火)与 正火在组织上有上述差异，因而在性能上也不同。 对亚共析钢，若以

16、40Cr 钢为例，正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑 性相仿。对过共析钢，完全退火的因有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正 火的。只有球化退火的，因其所得组织为球状珠兜体，故其综合性能忧于正火的。 在生产上对退火、正火工艺的选用，应该根据钢种、前后连接的冷、热加工工艺、 以及最终零件使用条件等来进行。根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选择： （1）含 025C 以下的钢，在没有其它热处理工序时，可用正火来提高强度。 （2）对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。但对含碳低于020 的钢，如前所述，应采用高温正火。对这类钢，只有形状复杂的大型铸件，才用退火消 除铸造应力。 （3）对含碳 0250。50的钢，一般采用正火。其中含碳 0250，35钢， 正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度。对含碳较高的钢，硬度虽稍高(200HB)，但 由于正火生产率高，成本低，仍采用正火。只有对合金元素含量