八.热处理工艺

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1、热 处 理 工 艺,一.退火 二.正火(常化处理) 三.淬火 四.淬透性和淬硬性 五.回火 六.钢的化学热处理,组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度,保温一定时间,然后缓慢冷却（一般为随炉冷却）,以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火. 钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等.,一.退火,扩散退火,球化退火,去应力退火,完全退火,正火,1. 完全退火（重结晶退火）,完全退火是把亚共析钢（含铸钢）加热至Ac3+20 30 , 保温后炉冷(或埋入石灰和砂中冷却), 以获得接近平衡组织的热处理工艺. 目的:使热加工造成的粗大,不均匀的组织均匀化和细化,以提高性能;使中碳以

2、上的碳钢(0.5 0.75%C)和中碳合金钢降低硬度,改善切削加工性能.消除内应力.,等温退火是将钢件加热到高于Ac3 (或Ac1 ) 的温度, 保温适当时间后, 较快地冷却到珠光体区的某一温度, 并等温保持, 使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。 等温退火的目的与完全退火相同, 能获得均匀的预期组织。,2. 等温退火,球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺.目的：使Fe3C及P中的渗碳体球状化(退火前正火将网状渗碳体破碎),以降低硬度,改善切削加工性能,为以后的淬火作组织准备. 球化退火用于过共析钢 (0.75%C).球化退火后 的显微组织为在F基体上 分布着细小均匀的球状渗 碳体

3、. 球化退火的加热温度为Ac1+ 20 30 ,保温24小时,保温后炉冷至600 出炉.,3. 球化退火,为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100 200 ）的温度，长时间保温（10 h15 h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。 扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。,4. 扩散退火,为消除冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。 去应力退火是将工件加热温度低于Ac1 (一般为500 650 )，保温后随炉冷却, 这种处理可以消除约50%80%的内应力, 不引起组织变化。 铸

4、造过程中产生很大的内应力,降低铸造强度并产生变形,铸铁件须进行去应力退火（人工时效）.即缓慢加热至500-560,每10mm截面保温2h后,炉冷至150-200出炉空冷,5. 去应力退火,二.正火(常化处理),将亚共析钢加热到Ac3(过共析钢Accm)以上 30 50 (含V.Ti.Nb的合金钢100 150 ) 适当保温后, 在自由流动的空气中均匀冷却的热处理称为正火. 正火后的组织：亚共析钢为F+S, 共析钢为S, 过共析钢为S+Fe3CII。 正火目的： 1.正火使0.25%C低碳钢、低合金钢提高硬度,改善切削加工性能. (正火成本低,生产率高,用于0.5%C碳钢),2.消除热加工缺陷,

5、魏氏组织(铸钢) 铸钢的浇注温度很高,而且冷却较慢,所 以1.奥氏体晶粒粗大,2.在冷却过程中,铁 素体首先沿着奥氏体晶界呈网状析出,然 后沿一定方向以片状生长,并呈针状插入 珠光体内,即形成“魏氏组织”. 另外3.偏析严重,4.内应力大,使钢的塑性和韧性下降,不能直接使用.必须进行完全退火或正火. 带状组织(热轧钢) 夹杂物在热轧过程中被碾 成流线,先共析F在富P区域形 核长大,形成F带, F带两侧富 碳形成P带.形成“带状组织”,使 横向韧性 塑性明显下降.,3.截面较大的合金结构钢件,在淬火或调质处理前常进行正火,以消除魏氏组织和带状组织,并获得细小而均匀的组织.对于过共析钢可减少二次渗

6、碳体量,并使其不形成连续网状,为球化退火作组织准备. 4.提高普通结构零件的机械性能作为零件的最终热处理 正火可以细化晶粒,使组织均匀化,减少亚共析钢中铁素体含量,并使珠光体含量增多、细化,以提高钢的强度硬度和韧性.,三.淬火,1. 亚共析钢加热到Ac3+30 50 ,共析钢和过共析钢加热到Ac1+30 50 ,保温一定时间后快速冷却以获得马氏体的热处理工艺称为淬火. 2.目的:获得马氏体 (或下贝氏体) 3.淬火分为: 淬火 表面淬火 等温淬火,钢的淬火温度范围,4.淬火冷却介质 常用的冷却介质是水(30)和矿物油(60-80).水冷却能力大,容易造成淬火工件变形或开裂,用于大截面的碳钢.油

7、在300-200范围冷却能力小,有利于减小淬火件变形.在650-550范围冷却能力也小,不利于钢的淬硬,用于合金钢和球铁.为了减少零件淬火时的变形,可用盐浴作介质. 5.常用的淬火方法有单介质淬 火1，双介质淬火2，分级淬火3 和等温淬火4等。,1,2,3,4,钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性.淬硬性主要决定于M的碳含量.,四.淬透性和淬硬性 (一).淬硬性,1. 钢接受淬火时形成马氏体的能力为钢的淬透性. 淬透性用“末端淬火法”测定(GB225-63) 淬透性表示方法: HRC d 淬透性曲线 生产中测定淬透 层深度(试样表面到 半M区的距离),(二).淬透性,J,(1) 碳含量 在碳

8、钢中,共析钢的临界冷速最小,淬透性最好 (亚共析钢随碳含量减少,临界冷速增加,淬透性降低, 过共析钢随碳含量增加,临界冷速增加,淬透性降低). (2) 合金元素 除钴以外,其余合金元素溶于奥氏体后,降低临界冷却速度,使C曲线右移,提高钢的淬透性,因此合金钢比碳钢的淬透性要好.常用提高淬透性的元素:Mn、Cr、Ni、Si、B,2.影响淬透性的因素,注意: 加入的合金元素,只有完全溶于A时,才能提高淬透性.若未完全溶解,碳化物会成为P的核心,则降低钢的淬透性.) 两种或多种合金元素同时加入比单个元素对淬透性的影响要强得多. (除Co Al外,多数合金 元素都使Ms和Mf点下 降. 作用大小的次序是

9、： Mn、Cr、Ni、Mo、W Si. Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏 体量增多),(3) 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度,将使奥氏体晶粒长大、成分均匀,可减少珠光体的生核率,降低钢的临界冷却速度,增加其淬透性。 (4) 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物,可成为奥氏体分解的非自发核心,使临界冷却速度增大,降低淬透性。,3.淬透性不同的钢调质后的力学性能,钢材经调质处理后, 淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好,而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体, 只表层为回火索氏体,心部强韧性差. 淬透性不同的钢材经调质处

10、理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大.,利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线,找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离.该距离越大,则淬透性越好. 截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件,要求截面机械性能均匀,应选用淬透性好的钢.而承受弯曲 或扭转载荷的轴 类零件、外层受 力较大,心部受力 较小,可选用淬透 性较低的钢种.,4.淬透性是钢材选用的重要依据之一,五.回火 钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。 淬火钢不直接使用,必须进行回火. 原因: M组织硬脆,并存在内应力

11、,容易变形和开裂. M和残余A是不稳定组织,在工作中会发生分 解,导致零件尺寸变化. 回火能得到所要求的强度、硬度、塑性和韧性，以满足零件的使用性能要求。,在低温回火时,从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小.部分残余奥氏体转变为下贝氏体. 亚共析钢低温回火后组织为回火M. 过共析钢低温回火后组织为回火MFe3C残余A. 低温回火的目的： 1.降低淬火应力 2.提高工件韧性 3. 回火后保持高硬度(58 64 HRC)和高耐磨性. 碳素工具钢最终热处理为淬火+低温回火.,1.淬火+低温回火 低温回火 温度：150 250 ,表面淬火+低温回火,表面淬火是将工件快

12、速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面获得淬火组织的热处理方法. 火焰加热、高 工频感应加热、激光加热等都可用于表面淬火。加热后,采用水、乳化液等喷射淬火。,得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35 HRC45 HRC。 弹簧钢最终热处理为淬火+中温回火,2淬火+中温回火 中温回火温度:350 500 ,通常把淬火加高温回火称为调质处理。 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体(回火S). 回火索氏体综合力

13、学性能最好, 即强度、塑性和韧性都比较好,硬度一般为25 HRC35 HRC.,3.调质处理 高温回火温度: 500 650 ,六.钢的化学热处理 (一). 渗碳,1. 工艺 为了增加表层的碳含量 和获得一定碳浓度梯度, 钢件在渗碳介质中加热和保温,使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳. 将工件装在密封的渗碳炉中,加热到900 950 ,向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体,或直接通入煤气、石油液化气等气体,通过化学反应产生活性碳原子,使钢件表面渗碳.,渗碳使低碳(碳质量分数为0.150.30%)钢件表面获得高浓度碳（碳质量分数约1.0%）。,2. 渗碳后的热处理 淬火+低温回火(150-200 )

14、(1) 直接淬火 渗碳后直接淬火，由于渗碳温度高, 奥氏体晶粒长大, 淬火后马氏体较粗, 残余奥氏体也较多, 所以耐磨性较低, 变形较大。 为了减少淬火时的变形, 渗碳后常将工件预冷到830 850 后淬火。,(2) 一次淬火 一次淬火是在渗碳缓慢冷却之后, 重新加热到临界温度以上保温后淬火. 对于受载不大但表面性能要求较高的零件, 淬火温度应选用Ac1以上30 50 , 使表层晶粒细化, 而心部组织无大的改善, 性能略差一些. 心部组织要求高时,淬火温度为略高于Ac3. (3) 二次淬火 对于机械性能要求很高或本质粗晶钢, 应采用二次淬火. 第一次淬火是为了改善心部组织, 加热温度为Ac3+

15、3050。 第二次淬火是为细化表层组织, 获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体, 加热温度为Ac1+30 50 .,3. 钢渗碳、淬火、回火后的性能 (1) 表面硬度高 达58 HRC64 HRC以上, 耐磨性较好；心部韧性较好, 硬度较低，可达30 HRC45 HRC。 (2) 疲劳强度高 表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。,氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。 氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。 常用的氮化钢有35CrAlA, 38CrMoAlA, 38CrWVAlA等。 球墨铸铁制曲轴的轴颈、齿轮可采用氮化强化

16、表面。 1. 工艺 目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原子被钢吸收并溶入表面, 在保温过程中向内扩散, 形成渗氮层。,(二).氮化,（1）氮化温度 一般为500 600 ,氮化时间长,一般为20 h50 h. （2）氮化前零件须经调质处理 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织, 保证较高的强度和韧性.对于形状复杂或精度要求高的零件,在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火,以减少氮化时的变形.,2. 组织： 氮化后,工件的最外层为一白色或相的氮化物薄层,很脆,常用精磨磨去.中间是暗黑色含氮共析体（）层.心部为原始回火索氏体组织.,38CrMoAl钢氮化层的显微组织 400倍,