热处理基本知识和材料选用-1

1热处理基本知识和材料选用改善钢的性能，有两个主要途径：一是调整钢的化学成分，加入合金元素，即合金化的办法；另一是对钢实施热处理。这两者之间有着极为密切，相辅相成的关系，这里只介绍“钢的热处理”。一、钢的热处理的一般概念热处理是一种重要的金属加工工艺，在机械制造工业中已被广泛应用。钢经过正确的热处理，可提高使用性能，改善工艺性能，达到充分发挥材料性能潜力，提高产品质量，延长使用寿命，提高经济效益的目的。据初步统计，在机床制造中，约60%~70%零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中需要热处理的零件多达70%~80%；至于减速器齿轮箱的齿轮和工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。所谓钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却三个基本过程，温以改变钢的内部组织结构，从而获得度②所需性能的一种加工工艺。为简明表℃③明表示热处理的基本工艺过程，通常①用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线，如图1所示，曲线①表示钢件在加热时间升温阶段，曲线②表示钢件加热到规图1热处理工艺曲线示意图定温度后处于保温阶段，曲线③表示钢件保温结束后进行淬火冷却。钢热处理的最基本类型可根据加热和冷却方法不同，大致分类如下：退火正火普通热处理-淬火回火火焰加热热处理类型-表面淬火-感应加热表面热处理--渗碳化学热处理--渗氮碳氮共渗控制气氛热处理其他热处理--真空热处理形变热处理2热处理可以是机械零件加工制造工艺中的一个中间工序，如改善锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。也可以是使机械零件性能达到规定技术指标的最终工序，如经淬火加高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。二、普通热处理1、钢的退火和正火1.1钢的退火和正火的定义和目的退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺。图2为GCr15钢等温球化退火典型工艺。温780~810℃度炉冷710~720℃℃3~64~6炉冷600℃出炉空冷时间（h）图2GCr15钢等温球化退火典型工艺正火也是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后以较快冷却速度冷却（通常为空气中冷却），以获得珠光体类型组织的热处理工艺。图3为20CrMnTi正火工艺。温920~950℃度℃650℃2~3空冷1.5时间(h)图320CrMnTi正火工艺由退火和正火的热处理工艺可知，正火的冷却速度比退火快，所以相同钢材正火比退火（主要指完全退火）后获得的珠光体组织较细，钢的强度与韧性、硬度也较高。退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预先热处理工序。机器零件的毛坯一般是轧材、锻件、铸件或焊接件等，毛坯料内部常出现各种组织缺陷，如组织不均匀性、晶粒粗大、成分偏析、带状组织等，这些缺陷不仅影响以后各种冷热加工的进行，还会降低零件的最终性能。3所以退火和正火用于毛坯的预先热处理，可以达到以下目的：1.1.1消除或改善毛坯料的各种组织缺陷。1.1.2获得最有利于切削加工的组织与硬度。1.1.3改善组织中相的形态与分布,细化晶粒,为最终热处理(淬火回火)作好组织上准备。1.1.4消除或降低内应力，以防后继工序加工后变形或开裂倾响。退火和正火经常作为预先热处理工序外，在一些普通铸钢件、焊接件、以及某些不重要的热加工工件上，还作为最终热处理工序，以改善组织，稳定尺寸。1.2退火和正火的正确选用在生产上对退火和正火工艺的选用，应根据钢种、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，一般按如下原则选用：1.2.1低碳钢（≤0.25%C）这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。通过正火使组织均匀，硬度适当提高而易于切削。例如对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。1.2.2中碳钢（0.25%~0.55%C）这类钢一般采用正火，其中含碳量0.25%~0.35%的钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。对含碳量较高的钢，硬度虽稍高（200HBS），但由于正火生产率高，成本低，操作简便，仍采用正火，只有对合金元素含量较高的钢，因正火后硬度过高，使切削加工困难，才采用完全退火。1.2.3高碳钢（＞0.55%C）这类钢一般采用退火最为适宜，因为含碳量较高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。此外，这类钢多在淬火、回火状态下使用，因此一般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。当钢中含有较多合金元素时，上述原则就不适用（由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线），例如低碳合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体类型组织。一般需用高温回火来降低硬度，以便切削加工。2、钢的淬火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬火、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋予钢件最终性能的关键工序，4也是钢件热处理强化的重要手段之一。2.1淬火的定义和目的把钢加热到奥氏体化温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却，这种热处理操作称为淬火。钢件淬火后获得马氏体或下贝氏体组织。图4为渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺。温830℃度℃油冷200℃空冷时间h图4渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺淬火的目的一般有：2.1.1提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、硬度和耐磨性。例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达63HRC，且具有良好的红硬性。渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达58~63HRC。2.1.2结构钢通过淬火和高温回火（又称调质）之后获得良好综合力学性能。例如汽车半轴经淬火和高温回火（280~320HB）及外圆中频淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。通常碳素钢用水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。2.2钢的淬透性2.2.1淬透性的基本概念所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力（即钢材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的有效淬硬层深度来表示，淬透性是每种钢材所固有的属性，淬硬层愈深，就表明钢的淬透性愈好,例如45、40Cr、42CrMo钢三种试样，按相同条件淬火后（油冷却），经检测45钢能被淬透的最大直径（称临界直径）φ10mm；40Cr钢能被淬透的最大直径φ22mm;42CrMo钢能被淬透的最大直径φ40mm。实际工件的有效淬硬深度与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关，例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大件的淬硬层深；同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬的淬硬层深。5同一种钢，其成分和冶炼质量必然在一定范围内波动，因而有关手册上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线，而是一个范围，称淬透性带。图1为40Cr钢的淬透性带。图140Cr钢的淬透性带从上所述，钢材的淬透性包含两方面内容，一是钢材的淬透能力，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；二是淬透性带宽度，要求尽可能小的淬透性带宽度波动，以有利于齿轮热处理变形的控制。德国大众、日本小松、美国休斯通用等国外几大公司对齿轮钢材的淬透性带宽≤8HRC，我国的GB/T5216标准规定的钢材的淬透性带宽为12HRC，2002年在“中国齿轮行业钢材采购通则（试行）”中要求齿轮钢材的淬透性带宽为7HRC。2.2.2、淬透性的表示方法钢的淬透性值可用J（HRC/d）表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。例如淬透性值J（42/5）表示距水冷端5mm处试样硬度值为42HRC；淬透性值J（30~35/10）表示距水冷端10mm处试样硬度值为30~35HRC。对淬透性值有具体要求的钢应根据GB/T5216-2004《保证淬透性结构钢》标准的规定订货，其钢号最后用H表示，例如42CrMoH。3、钢的回火3.1回火的定义和目的钢淬火后必须经过回火，回火是指将淬火钢加热到Ac1（钢件加热时的临界点）以下的某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理工艺，见图4。回火的目的：3.1.1降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。3.1.2获得工艺所要求的力学性能。淬火工件的硬度高且脆性大，通6过适当回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。3.1.3稳定工件尺寸。淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，它们会自发地向稳定的平衡组织转变，从而引起工件尺寸和形状的改变，通过回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定组织，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化。3.1.4对于某些高淬透性的合金钢，空冷便可淬成马氏体，如采用退火软化，则周期很长。此时可采用高温回火，降低硬度，以利切削加工。淬火钢不经回火一般不能直接使用，为了避免工件在放置过程中发生变形和开裂，淬火后应及时回火。3.2、回火的种类淬火钢回火后组织性能决定于回火温度，根据回火温度范围，可将回火分为三类：3.2.1低温回火低温回火的温度为150~250℃，回火后组织为回火马氏体，低温回火主要降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度（一般为58~64HRC）和耐磨性，常用于处理各种工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火工件。3.2.2中温回火中温回火的温度为350~500℃，回火后不仅保持较高硬度（一般为35~45HRC）和强度，而且具有高的弹性极限和足够的韧性。中温回火主要用于各种弹簧的处理，还用于某些塑料模、热锻模以及要求较高强度的轴、轴套等。3.2.3高温回火高温回火的温度为500~650℃。高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能。4、钢的调质习惯上将淬火加高温回火（500~650℃）相结合的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。根据工件不同性能要求，通过调整回火温度，调质硬度可控制在于200~350HB。4.1、调质热处理的目的高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。调质处理广泛应用于重要结构零件，特别是在交变载荷下工作的零件，如汽车、拖拉机、机床上的连杆、连杆螺钉、齿轮和轴类零件等。调质还可作为表面强化零件（高、中频淬火和氮化等）以及某些要求较高的精密零件（如丝杆、量具、模具等）和轧辊的预先热处理。4.2、调质齿轮保证钢材淬透性的措施齿轮调质的目的是要保证齿轮的齿部(特别是齿根部)达到设计要求的硬度,以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求,在我国齿轮制造中,7对大中模数齿轮的调质其齿根处往往达不到要求的硬度,这与钢材选择和淬火冷却有关,其核心是钢材淬透性。为了使齿根处也达到要求硬度，通常采用二种措施：4.2.1、一是以钢材的淬透性选材，常用调质齿轮钢材按其淬透性高低分为五类（Ⅰ~Ⅴ），表1为调质及调质后表淬齿轮用钢。表2为各类调质钢推荐应用范围。表1调质及表面淬火齿轮用钢齿轮种类类别钢号一般载荷不大、截面尺寸也不大、要求不太高齿轮Ⅰ354555Ⅱ40Mn40Cr35SiMn42SiMn50Mn2截面尺寸较大、承受较大载荷、要求比较高齿轮Ⅲ35CrMo42CrMo40CrMnMo