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2019/12/251第五章钢的热处理工艺§5-3钢的退火和正火§5-4钢的淬火§5-5钢的回火§5-6钢的表面淬火§5-7钢的化学热处理§5－3钢的退火与正火一、钢的退火钢的退火：将（组织偏离平衡状态的）钢加热到适当温度，保温一定的时间，然后缓慢冷却（一般为炉冷至550℃后空冷），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。（一）退火的目的1．细化晶粒（使热加工造成的粗大不均匀组织均匀化、细化；2．使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态组织，降低硬度，以利于切削加工。3．由于冷却速度缓慢，可消除内应力，防止淬火变形与开裂。4.为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备。（二）退火种类及应用又称重结晶退火，一般简称退火。它是把钢加热至Ac3以上30~50℃（Ac3+30~50℃），保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。应用：完全退火主要用于亚共析钢铸、锻件及热轧型材；组织：退火后的组织为P+F。目的：细化组织；HB↓；消除内应力。加热温度：T＝AC3+(30℃～50℃)适用钢种：适用于亚共析钢优、缺点：工艺简单但生产周期较长，生产效率低1、完全退火工艺（完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火）如：冷轧后的15钢板，为HB↓采用完全退火工艺。ZG35铸造齿轮为消除组织应力采用完全退火工艺。锻造过热的60钢坯为了细化晶粒，消除锻造应力也可采用完全退火工艺，一般采用正火。完全退火举例2019/12/256等温退火一般是将钢件加热到Ac3+（30~50）℃（亚共析钢）或Ac1+（30~50）℃（过共析钢）保温后，在Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变为珠光体型组织。等温退火的目的与完全退火相同。与普通退火相比的优点：1）由于珠光体转变在恒温下完成，易于控制，并能获得均匀的预期组织；2）对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，由于等温处理前后可较快冷却，常可大大缩短退火周期。如图5-22给出了高速钢的等温退火与普通退火工艺。组织：P型组织等温退火工艺图2高速钢等温退火工艺路线2019/12/258球化退火工艺定义：为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的：碳化物（Fe3CⅡ、P中的Fe3C）球状化，细化晶粒，HB↓利于切削加工。加热温度：T＝Ac1+(30～50℃)适用钢种：适用于共析及过共析碳钢或合金钢。退火前的组织状态：细片状的P退火后组织：细小均匀的球状渗碳体分布在连续的铁素体基体上。2019/12/259球化退火工艺球化退火工艺过程将钢加热到略高于Acl的某一温度并保温较长时间，使钢中未溶碳化物（共析Fe3C与Fe3CⅡ）由片状变成球状，然后随炉缓冷或在略低于Ar1的一定温度等温，使A进行共析转变时，以未溶渗碳体粒子为核心形成球状Fe3C。T8钢球化退火后的粒状珠光体扩散退火（均匀化退火）定义：是将钢加热到略低于固相线的温度，长时间保温（10~20h），以消除成分偏析的热处理工艺。加热温度；略低于固相线温度。亚共析钢：T＝Ac3+（150℃～300℃)过共析钢：T＝Accm+（150℃～300℃)目的：为了消除晶内偏析，使成分均匀化实质：使合金元素的原子充分扩散。适用于：合金钢铸铁和铸锭。后续处理：保温10～20小时退火后晶粒较粗大，一般还须进行完全退火或正火处理。2019/12/2512扩散退火工艺2019/12/2513去应力退火又称低温退火，是将钢加热至低于Ac1的某一温度（一般是500~650℃），保温后随炉缓冷至低于300~200℃出炉空冷的热处理工艺。目的：不发生相变，常用于消除铸、锻、焊及机加工后工件的残余应力，以稳定尺寸，减少变形。T=200℃～300℃保温缓冷弹簧去应力退火再结晶退火，用于消除冷变形加工产生的加工硬化现象。其工艺过程是将这类工件加热到再结晶温度以上150~250℃，保温后缓慢冷却，其目的是消除残余应力、改善组织、降低硬度和提高塑性。2019/12/2514去应力退火二.钢的正火正火：正火是将钢加热到Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）点以上30~50℃，保温一定时间，完全奥氏体化后在自由流动的空气中冷却从而得到珠光体类组织的的热处理工艺。加热温度亚共析钢：T＝Ac3+（30℃～50℃）过共析钢：T＝Accm+（30℃～50℃）2019/12/2516正火的主要应用（一）（1）作为预先热处理；可消除中碳结构钢铸、锻、焊等热加工产生的组织缺陷（如晶粒粗大、魏氏组织、带状组织等），细化晶粒，均匀化组织，消除内应力，为后序热处理作组织准备。对过共析钢正火可消除或抑制网状二次渗碳体量的形成，为球化退火作组织准备。如：T12钢退火组织中的Fe3CⅡ网（连续网），球化退火前必须先进行正火以消除Fe3CⅡ网，得到片层状P然后再进行球化退火。2019/12/2517正火的主要应用（二）（2）改善切削加工性。一般来说，钢的硬度为170~230HB，组织中无大块铁素体时，切削加工性较好。对于低、中碳结构，正火可得到合适的硬度，改善切削加工性。（3）作为最终热处理。正火可以细化晶粒，均匀化组织，减少亚共析钢中的铁素体含量，从而增加珠光体含量；而由于冷却较快，正火组织中珠光体片层较细，提高了钢的强度和硬度。因此，对于机械性能要求不高的普通结构钢零件，可以用正火作为最终热处理。退火与正火对比1)为↑35钢的硬度，采用正火以提高切削加工性能。2)为↑T8钢的切削加工性能采用球化退火，目的是↓HB。3)T12钢中存在连续的网状Fe3CⅡ，为提高切削加工性能，先正火目的是消除网Fe3CⅡ，再球化退火得到粒状的P，↓HB。§5－4钢的淬火钢的淬火是将工件加热到Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度（vK）快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织为目的的热处理工艺。1、淬火的目的（淬火＋回火）淬火的目在于提高材料的强度、硬度和耐磨性，与回火配合后可赋予工件最终的使用性能。1.提高强度、硬度和耐磨性-采用淬火＋低回组织为M回＋ε-碳化物，用于各种工模具。2.提高弹性-采用淬火＋中回；组织为T回火（α+θ），用于各种弹簧。3.提高综合性能－采用淬火＋高回；组织为S回火（α+θ），用于各种轴类。一、钢的淬火（二）淬火温度的选择图4钢的淬火温度范围2、淬火温度的选择亚共析钢:TA＝Ac3＋（30℃～50℃）T过高晶粒粗大；T过低欠热，有自由F硬度不足。过共析钢:TA＝Ac1＋（30℃～50℃）(1)T过高，碳化物溶解，M片％↑易于变形和开裂(2)选择TA＝Ac1＋（30～50℃）温度加热保留部分未熔碳化物，以提高钢的硬度与耐磨性，同时由于降低了A中的C含量，使基体的C％↓，使M条％↑，b↑，δ↑、αk↑。合金钢：奥氏体化温度可以适当升高。因为大多数合金元素都能阻碍A晶粒的长大，使A化温度升高。如：W18Cr4V钢，Ac1＝860℃～880℃，TA=1280℃,晶粒度为9级。2019/12/25223、加热与保温时间加热时间包括升温和保温两个阶段。通常以装炉后炉温达到淬火设定温度所需时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始。保温时间则指工件温度均匀并完成奥氏体化所需的时间。加热与保温时间的长短受钢的化学成分、工件形状和尺寸、加热炉类型等多种因素的影响。保证工件透热、内部组织充分转变的前提下，尽量缩短加热与保温时间。4、淬火冷却介质图5理想冷却速度理想冷却速度：1）在Ac1～650℃之间慢冷，以↓热应力2）在650℃～400℃之间快冷，以避开“鼻尖；防发生非M相变3）在400℃以下慢冷，以↓组织应力。常用淬火介质介绍1．自来水（30℃以下）冷却特性：在650-550℃冷却能力大、在Ms附近点冷速极快，淬硬能力较强。应用：自来水主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件淬火，且组织应力较大。优点：经济、便宜、易于实现自动化。2．盐水（10％～15％NaCl（或NaOH,Na2CO3)水溶液、30℃）冷却特性：在650～300℃时冷速是自来水的10倍；在200℃时仍然很快。应用：用于水淬不透的形状简单的碳素钢。结论：碳素钢一般采用水冷或盐水冷却。油——20#机油，40～80℃冷却特性：600～550℃及200℃时冷却速度低于水；缺点：１）淬硬能力低；２）易于老化。油适用于合金钢淬火（因合金钢的C曲线靠右，vc较小）（三）常用淬火方式（三）常用淬火方式（三）常用淬火方式（三）常用淬火方式盐浴和碱浴盐浴和碱浴（由溶融的NaNO3+KNO3，KOH+NaOH，KCl+NaCl+BaCl2等组成）主要用作等温淬火、分级淬火的冷却介质。2019/12/25265、常用淬火方式单液淬火指在一种淬火介质中冷却到底的工艺。优点：单液淬火法操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点：单液淬火组织应力、热应力都较大，淬火变形较大。水淬变形开裂倾向大，油淬冷却能力低，大件淬不硬。双液淬火将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却，避免珠光体转变，当工件冷至300℃左右时，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却发生马氏体转变。目的：在650℃～Ms之间快冷：使v＞vＫ在Ms以下慢冷以↓组织应力.碳钢：先水淬后油冷；合金钢：先油后空气优点：淬火应力小，减少了变形和开裂的可能性。缺点：在水中停留的时间不易控制，对操作技术要求较高。分级淬火2019/12/2528分级淬火先将奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms点的盐浴（或碱浴）中，保温适当的时间，待工件内外都达到介质温度，在奥氏体转变前取出空冷完成马氏体转变。分级淬火是在空冷中发生M相变的，内应力小。等温淬火指在B温度区域等温，发生下B转变。内应力↓↓，变形小图6不同淬火法示意图1－单液淬火2－双液淬火3－分级淬火4－等温淬火不同淬火方法产生的内应力大小为:单液淬火应力双液淬火分级淬火等温淬火(应力最小)2019/12/2530其它淬火5.局部淬火6.冷处理：用干冰（固态CO2）和酒精混合获得-70~-80℃的低温，也可使用液化乙烯（-130℃）或液氮（-192℃）等介质---提高硬度、耐磨性，稳定尺寸，但应力较大，应注意及时回火。钢的淬透性钢淬透性：指钢在同一热处理条件下所测得的淬透层深度的能力。或淬火时形成马氏体的能力。淬透层深度（δ）表层（100％M）至半M层（50％M）的深度。淬透层深度（δ）越大，钢的淬透性越好淬透性与淬透层深度关系：在尺寸、形状均相同的条件下，淬透性大的钢，淬透层深度越深。钢的淬透性主要取决于钢的临界淬火速度大小，与工件尺寸、淬火介质无关。钢的临界淬火速度越小，C曲线越靠右，钢的淬透性越好。因此凡能提高过冷A稳定性，使C曲线右移，从而降低临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。（1）碳含量在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随碳含量的增加向右移，临界冷却速度降低，淬透性增大；过共析钢的C曲线随碳含量的增加向左移，临界冷却速度增大，淬透性降低。（2）合金元素除钴以外，大多数合金元素溶入奥氏体后均使C曲线向右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。（3）加热条件提高加热温度或延长保温时间一方面可使更多的合金元素溶入奥氏体；同时使奥氏体晶粒长大，成分均匀化，从而减少了形核率，二者都能稳定过冷奥氏体，使C曲线向右移，提高钢的淬透性。（4）钢中未溶第二相未溶入奥氏体的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，由于能促进奥氏体转变产物的形核，减少过冷奥氏体的稳定性，使淬透性降低。影响淬透性的因素2019/12/2533钢的淬硬性钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性。钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量，也就是淬火前奥氏体中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。淬硬性与钢的淬透性是两个不同的概念2019/12/2534淬透性的实际应用1、大截面零件或动载荷下工作应选高淬透性钢。如：W18Cr4V、9CrSi2.形状复杂的或形状简单，尺寸较大的零件应选高淬透性钢。3.焊接零件应选低淬透性钢。2019/12/2535§5-5钢的回火定义：回火