金属热处理工艺1-2

《材料科学与工程基础》钢的热处理工艺2钢的普通热处理4、钢的淬火定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。目的：为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性。淬火必要条件：V=Vk(临界淬火速度)1、碳钢⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+30-50℃。预备热处理组织为退火或正火组织。(一)淬火温度碳钢的淬火加热温度范围得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则亚共析钢淬火组织：0.5%C时为M0.5%C时为M+A’。65MnV钢(0.65%C)淬火组织45钢(含0.45%C)淬火组织⑵共析钢淬火温度为Ac1+30-50℃；淬火组织为M+A’。碳钢的淬火加热温度范围共析钢(0.77%C)淬火组织碳钢的淬火加热温度范围⑶过共析钢•淬火温度:Ac1+30-50℃。•温度高于Accm，则奥氏体晶粒粗大、含碳量高，淬火后马氏体晶粒粗大、A’量增多，使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。•淬火组织:M+Fe3C颗粒+A’。(预备组织为P球)T12钢（含1.2%C）淬火组织热处理后的组织:M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种2、合金钢由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。⑴亚共析钢淬火温度为Ac3+50-100℃。⑵共析钢、过共析钢淬火温度为Ac1+50-100℃。(二)淬火介质①理想淬火介质的冷却能力时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度(℃)0400A1MsMf在A1～650℃缓慢冷却，以减少热应力；在过冷奥氏体最不稳定区域（650～400℃），快速冷却而在MS附近的温度区域冷速比较缓慢，它可以减少淬火组织应力，避免淬火变形开裂。②常用的淬火冷却介质名称最大冷却速度时平均冷却速度/(℃•s-1)所在温度/℃冷却速度/(℃•s-1)650～550℃300～200℃20℃静止水34077513545040℃静止水28554511041060℃静止水2202758018510%NaCl溶液58020001900100010%NaOH溶液5602830275077520℃10号机油430230606580℃10号机油430230705520℃3号锭子油50012010050•理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。•常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只使用于形状简单的碳钢件。•油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，使用于合金钢和小尺寸的碳钢件。•熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。•聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业常用的淬火介质.（三）常用的淬火方法单液淬火双液淬火分级淬火等温淬火时间温度MsA11、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。易产生淬火应力，导致工件变形或开裂。适用于形状简单的碳钢，合金钢工件；对碳钢直径大于3~5mm的工件水中淬火，更小的可采用油淬；各类合金钢则以油为常用淬火介质。适用条件2、双液淬火法工件先在一种冷却能力强的介质中冷却躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷。优点是冷却理想，缺点是不易掌握。必须严格控制工件在水中的停留时间。尺寸较大的碳素钢工件。适用条件3、分级淬火法将奥氏体状态的工件在Ms附近的盐浴或碱浴中保温，待内外温度均匀后再取出空冷，完成马氏体转变。特点工件内外温度均匀并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，减小了热应力和组织应力，减小变形与开裂倾向。克服双液淬火出水入油时间难以控制的缺点。适用条件尺寸较小的工件，如刀具、量具和要求变形小的精密工件。4、等温淬火法将工件在高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，淬火应力小，等温淬火后不需要回火。适用于形状复杂及要求较高的小型件，如模具、刀具、齿轮。适用条件网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。（四）钢的淬透性淬透性的概念淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。工件淬硬层与冷却速度的关系未淬透钢淬透钢HRCHRC淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响M量和硬度随深度的变化淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力.淬透性与淬硬性的区别（1）淬透性概念：指淬火时获得马氏体的难易程度；影响因素：主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关或者说与钢的临界淬火冷却速度有关。淬透性是钢材本身固有的一个属性。（2）淬硬性概念：是指淬成马氏体可得到的硬度，影响因素：主要和钢中含碳量有关。淬硬性是钢淬火后获得马氏体的最高硬度。淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T12A)大低低碳合金结构钢(20Cr2Ni4A)大高高碳高合金工具钢(W18Cr4V)钢的淬透性——钢材本身的固有属性，与外部因素无关工件的淬透深度——取决于钢材淬透性,还与冷却介质工件尺寸等外部因素有关。同一材料的淬硬层深度与工件的尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料之间的比较。是在尺寸、冷却介质相同时，用不同材料的淬硬层深度来进行比较的。注意区别：端淬试样冷却后，沿其长度方向磨出一狭条平面，每隔一定距离测量硬度值，绘出淬透性曲线.淬透性端淬法测定dHRCJ淬透性表示方法：d——测试点至水冷端的距离（mm）HRC——测试点处的硬度值J——表示末端淬透性例如：即表示：距水冷端5mm处试样硬度值为42HRC即表示：距水冷端10mm处试样硬度值为30～35HRC1035~30542JJ淬透性的实际意义1、对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。——选用高淬透性钢2、对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透（淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3），如轴类。——低淬透性钢淬硬层深度与工件尺寸有关，设计时应注意尺寸效应。高强螺栓柴油机连杆齿轮5、钢的回火(1)定义:把淬火后的零件重新加温到Ac1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到室温。(2)目的:（1）减小或消除淬火应力，防零件变形和开裂。（2）稳定组织，防止组织转变引起的零件形状、尺寸和性能变化。（3）获得所需力学性能。淬火回火1、低温回火（150-250ºC）组织：M回=α0.3%C+ε目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火力，减少钢的脆性。硬度为58-64HRC。应用：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火件。回火马氏体组织金相图2、中温回火（350-500ºC）组织：T回=F针+Fe3C粒目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。又称弹性处理。硬度为35-45HRC。应用：弹性零件及热锻模具等。回火托氏体组织金相图3、高温回火（500-650ºC）组织：S回=F块+Fe3C球目的：获得良好的综合力学性能。硬度为25-35HRC.应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。淬火+高温回火=调质处理回火索氏体组织金相图(4)回火脆性1、第一类回火脆性（250-350ºC）不可逆回火脆性回火时应避开这一温度范围2、第二类回火脆性（500-650ºC）可逆回火脆性回火后快冷，加入合金元素W、Mo。马氏体分解时沿马氏体片界面析出断续的薄壳状碳化物，降低了晶界的断裂强度，使之成为裂纹扩展路径回火时杂质元素向奥氏体晶界偏聚，减弱了奥氏体晶界上原子的结合力，降低晶界断裂强度。淬火缺陷与防止措施氧化，是指铁的氧化，即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮。氧化不仅造成金属的损耗，还影响工件的承载能力和表面质量等。脱碳，是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低。脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度，对于弹簧、轴承和各种工具、模具等，脱碳是严重的缺陷。为了防止氧化和脱碳，对重要受力零件和精密零件，通常应在盐浴炉内加热。真空加热或可控气氛加热。1、氧化与脱碳2、过热和过烧钢在淬火加热时，由于加热温度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为过热。加热温度达到固相线附近，使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。工件过热后，晶粒粗大，不仅降低钢的力学性能（尤其是韧性），也容易引起变形和开裂。过热可以用正火处理予以纠正，而过烧后的工件只能报废。为了防止工件的过热和过烧，必须严格控制加热温度和保温时间。淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因。对于变形量小的工件可采取某些措施予以纠正，而变形量太大或开裂的工件只能报废。为了防止变形和开裂的产生，可采用不同的淬火方法（如分级淬火或等温淬火等）或在设计上采取一些措施（如结构对称、截面均匀、避免尖角等）。由于加热温度过低、保温时间不足、冷却速度过低或表面脱碳等原因造成的。可采用重新淬火消除，但淬火前要进行一次退火或正火处理。3、变形与开裂4、硬度不足