第五章 钢的热处理

34第五章钢的热处理热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。建国以来，我国的热处理技术有了很大的发展，目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。为促进我国热处理技术的发展，我们应全面了解热处理技术的现状和水平，掌握其发展趋势，大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备，用高新技术改造传统的热处理技术，实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。§5-1概述一、热处理的定义——把固态金属材料通过一定的加热，保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。二、热处理的目的——热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。35三、热处理的分类——常规热处理(退火、正火、淬火和回火)表面淬火及化学热处理。真空、可控气氛、形变热处理等。四、热处理的应用——重要的零（构）件都要进行适当热处理才能使用。工模具、轴承100%；机床中60%-70%的零件；汽车中约80%的零件都须热处理。§5-2钢在加热时的转变加热、冷却速度对临界点的影响加热时：Ac1Ac3Accm冷却时：Ar1Ar3Arcm共析钢只有一个临界点Ac1——加热时P→A转变的开始温度Ar1——冷却时A→P转变的开始温度Ac3——加热时游离F全部转变为A的终了温度Ar3——冷却时A开始析出游离F的温度Accm——加热时Fe3CII全部溶入A的终了温度Arcm——冷却时A开始析出Fe3CII的温度。36一、奥氏体的形成（晶格改组和Fe，C原子的扩散过程，遵循形核、长大规律）共析钢奥氏体化温度Ac1——F(0.0218)+Fe3C→A(0.77)共析钢奥氏体化过程奥氏体化是一个重结晶的过程，分为四个阶段：——形核、长大、渗碳体完全溶解、碳的均匀化。1.奥氏体晶核形成晶核易于在F和Fe3C相界面形成，这是因为此处原子排列紊乱，位错、空位密度高。2.奥氏体晶核的长大含碳量不同出现碳浓度梯度，引起F→A及Fe3C溶解。3.残余奥氏体的溶解F先转变完，Fe3C完全溶解4.奥氏体成分均匀化:碳扩散使A含C量趋于均匀。二、亚（过）共析钢的奥氏体化对亚共析钢或过共析钢，其奥氏体的形成过程与共析钢基本相同。但由于它们的组织中除有P外，还分别有先析F相或Fe3CII,所以必须相应加热到Ac3、Accm、线以上才能全部转变为单一均匀的奥氏体。三、影响奥氏体化的因素1.加热温度T↑→A化速度↑（见右图）372.加热速度加热速度V↑→转变开始温度↑转变时间↓（见右图）3.含碳量——C%↑→界面多→核心多→转变快4.合金元素——Cr、Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，↓A化速度。5.原始组织——P片间距小→相界面多→碳原子扩散距离短→A化速度↑奥氏体的晶粒大小是评定加热质量的指标之一。（超过A晶粒尺寸视为加热缺陷——“过热”）（重要的刀、刃具淬火时一定要对A晶粒度进行金相评级）四、奥氏体晶粒大小及控制1.晶粒度——晶粒大小的量度，常用晶粒平均直径或晶粒度级别表示。起始晶粒度、实际晶粒度。（晶粒度级别见下图）382.奥氏体晶粒度的控制（1）加热工艺(加热温度、保温时间)高温、快速、短时加热可获得细小晶粒（2）钢的成分①添加合金元素（Ti、V、Mo、Si、Al、W、Cr等）阻碍奥氏体长大；Mn、P加速奥氏体长大②A中的C%↓，则晶粒尺寸↓。C是促进A晶粒长大的元素，若C以未溶碳化物的形式存在于A中，则阻碍晶粒长大§5-3钢在冷却时的转变Ar1热处理中加热固然重要，但冷却更为重要。冷却是热处理的关键工序，它决定钢在冷却后的组织与性能。连续冷却——包括炉冷、空冷、油冷、水冷连续冷却就连续冷却——是将加热后组织为全部奥氏体的钢，先以较快Ar1的冷却速度冷却到Ar1线以下某一温度，这时奥氏体尚未来得及转变，但已成为过冷奥氏体。然后进行保温，使奥氏体在等温下发生组织转变。再继等温冷却续冷却到室温，如等温退火、等温淬火等一、奥氏体等温转变曲线（TTT曲线C曲线）A1以上——A稳定A1以下——A不稳定，（过冷奥氏体）鼻尖区（最小孕育期）——T↓→A转变的驱动力↑，但原子扩散能力↓39二、过冷奥氏体等温转变产物的组织与性能（一）珠光体转变——A1～鼻尖温度（550℃）过冷A→p(索氏体s、屈氏体T——薄片状的P)T↓——原子扩散能力↓长大慢→片间距薄；强、硬度，塑、韧性↑扩散型相变，综合性能好，HB较低，韧性好。（二）贝氏体转变——550～230℃（Ms温度），Fe不扩散，C扩散。过冷A→B（碳化物+含过饱和碳的F）550～350℃,上贝氏体——羽毛状碳化物在F间，韧性差。350℃～Ms,下贝氏体——针状碳化物在F内，韧性高，综合机械性能好。（上贝氏体、下贝氏体组织见下图）上贝氏体(B上)下贝氏体(B下)（三）马氏体转变——Ms～Mf温度范围内连续冷却完成的。过冷A→马氏体M+残余奥氏体A’马氏体M——碳在α-Fe中的过饱和固溶体，强度、硬度高。板条状M——C%＜0.23%，强度高，塑性，韧性好。（组织形态见下左图）片（针）状M——C%＞1.0%，硬而脆，塑、韧性差。（组织形态见下右图）40板条状M片（针）状MM转变与含碳量的关系M的形态——C%↑→针状M%↑M的硬度——C%↑→HRC↑M转变温度——C%↑→A’%↑残余A含量——C%↑→A’%↑M转变特征——无扩散性、瞬时性、不完全性（存在Ms,Mf）、体积膨胀。三、影响C曲线的因素1.碳的影响亚（过）共析钢的C曲线合金元素的影响（见下图）2.合金元素的影响1.除Co以外，过冷A中的合金元素，增大其稳定性→C曲线右移2.强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti,改变C曲线形状3.除Co，Al外，均使Ms，Mf下降→残余A↑413.加热温度和保温时间的影响A化温度↑，时间↑（成分均匀，晶粒大，未溶碳化物少，形核率降低）→A稳定性↑，C曲线右移。四、奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）1．CCT曲线Ps——A→P开始线Pf——A→P终止线K——珠光体型转变终止线Vk——临界冷却速度（马氏体转变的最小冷速）2．CCT和TTT的比较CCT位于TTT曲线右下方，A→P转变的温度低一些，时间长一些。CCT没有A→B转变423．C曲线的应用CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析，选定热处理工艺、确定工件淬火时的临界冷速。C曲线对选择淬火介质与淬火方法有指导。C曲线还可以作为选择钢材的依据——碳及合金成分的选择。C曲线可以指导连续冷却操作（见图5-18）：V1——炉冷（退火）PV2——空冷，S，TV3——空冷，S，TV4——油冷，T+M+A'V5——M+A'5-4钢的退火与正火钢的退火与正火是应用非常广泛的热处理工艺，例如各类铸、锻、焊生产的毛坯或半成品的预备热处理，目的在于消除冶金及热加工过程中产生的某此缺陷，改善组织和工艺性能，为以后的机加工及最终热处理做好组织与性能准备。对于某些性能要求不高的机械零件，经退火或正火后可直接使用。此时，退火或正火也就成为最终热处理。一、钢的退火退火——将钢件加热到适当温度(Ac1以上或以下)，保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。缓冷是退火的主要特点，退火件一般随炉冷却至550℃以下时出炉空冷。43退火是应用非常广泛的热处理，在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。目的：（1）降低钢的硬度，改善切削加工性；（2）提高钢的塑韧性，便于成形加工；（3）细化晶粒（4）消除工件内的残余应力。二、钢的正火——将钢加热到Ac3或Accm以上30-50℃，适当保温后，从炉中取出在静止的空气中冷却至室温的热处理工艺称为钢的正火。1.目的：（1）细化晶粒，消除缺陷（2）调整钢的硬度（3）消除内应力既可做为中间热处理，也可用作最终热处理2.组织——共析钢S、亚共析钢F+S、过共析钢Fe3CⅡ＋S（见右图）3.应用：⑴改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25％碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状珠光体，使硬度提高，可以改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。44⑵消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。⑶消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。⑷提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。三、退火与正火的选择：１、含碳量＜0.25％的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以提高钢的硬度，低碳钢的切削加工性能；在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。２、含碳量在0.25～0.5％之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。３、含碳量在0.5～0.75％之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。４、含碳量＞0.75％的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除§5-5钢的淬火淬火——将钢加热到Ac3或Ac1线以上30-50℃，保温一定时间后，在水或油中快速冷却，以获得马氏体组织。目的——主要是获得高硬度的马氏体（如下图），提高钢的硬度和耐磨性。45针片状马氏体（200×）针片状马氏体（500×）板条状马氏体下贝氏体注意：钢的淬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、硬度和耐磨性，是强化钢的最重要手段。但淬火后得到的M淬是硬度高、脆性大的不稳定组织，使得材料的塑性和韧性显著降低，此外，淬火工件内部有较大内应力，如不及时处理，会进一步变形至开裂，为此，淬火后要及时回火。另外，由于各类工具和零件的工作条件不同，所要求的性能差别很大，也使得淬火工件必须配以适当的回火，满足各零件的使用要求。一、淬火工艺1.淬火温度亚共析钢Ac3+30～50℃过共析钢Ac1+30～50℃保留一定的Fe3CII→HRC↑，耐磨性↑为何过共析钢要Ac1+30～50℃？A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓A中C