第十章-钢的热处理工艺

本章目的：介绍钢的常用热处理工艺及其应用。本章重点：（1）各类热处理（退火、正火、淬火、回火）工艺—组织－性能－应用的规律和特点；（2）淬透性、淬硬性的概念与应用第十章钢的热处理工艺金属材料加工过程：冶炼→铸造铸锭板棒型管焊接机加工冷轧冷拔深冲锻件铸件机加工零件或构件↑工艺性能预备热处理↑使用性能最终热处理热轧→热锻→热处理分类•普通热处理：退火、正火、淬火、回火•表面热处理：表面淬火化学热处理•形变热处理：控制轧制§10-1钢的退火与正火一退火1定义：钢加热到适当温度，保温一定时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡组织的工艺~。2分类（1）高温退火（相变重结晶退火）T加热AC1（2）低温退火T加热AC1完全退火不完全退火与球化退火等温退火扩散退火去应力退火再结晶退火.3退火目的总体：改善组织，提高性能①降低硬度，改善切削加工性能；适合机加工的硬度范围：150~250HB②细化晶粒；均匀组织；③消除内应力.注：当为目的②时，往往用正火代替退火工艺规范特点目的适用范围①工艺：完全奥氏体化②组织：层片状珠光体①↓硬度，改善切削加工性能；②细化晶粒；消除内应力；减轻组织不均匀性(消除魏氏组织等)亚共析钢、合金钢的铸、锻、热轧、焊件的预备热处理(切削加工前或热处理前的预备热处理)4退火工艺及特点AC3+20~30℃AC3AC1tT(1)完全退火注：目的不同，组织控制(珠光体片间距)不同原因：粗片状P原因：重结晶45钢锻造后与完全退火后机械性能状态σb(Mpa)σs(Mpa)δ(%)ψ(%)αk(kJ.m-2)HB锻造650~750300~4005~1520~40200~400230完全退火600~700300~35015~2040~50400~600200.完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高——主要目的：改善组织与加工性能晶粒细化的原因：完全退火→相变重结晶过程.α→γ→ααγα40钢退火前后金相组织——晶粒细化工艺规范特点目的适用范围①工艺：不完全奥氏体化②组织：球状(粒状)珠光体①降低(过)共析钢硬度,适合切削；②为最终热处理做组织准备含碳量较高的工、模具钢的预备热处理AC1+20~30℃ACm或AC3AC1tT(2)球化退火——不完全退火的一种。工艺关键：①Fe3C形态控制②球的大小控制←控制奥氏体化程度←控制过冷奥氏体冷却转变的温度片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体粒(球)状珠光体刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较：球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工状态σb(Mpa)δ(%)ψ(%)HB完全退火8101530230球化退火6202040160T12钢完全退火与球化退火后组织与性能比较完全退火、球化退火工艺缺陷：周期长；且为变温转变——组织大小不均(3)等温退火——是完全退火、球化退火工艺的改进——等温完全退火——等温球化退火AC3+20~30℃AC3Ar1tTAc1AC1+20~30℃Ar1-20~30℃高速钢等温退火与普通退火工艺曲线870~880℃tT4h3h等温退火普通退火720~740℃等温退火优势：(1)缩短工艺时间：高速钢40h→20h（2）组织均匀：碳化物球大小一致工艺规范特点目的适用范围(1)高温、长时间；(2)需再经重结晶工艺(完全退火或正火)以细化晶粒消除或减轻偏析、带状组织等合金钢锭、大型铸钢件tTAC3或ACm+200~300℃AC3或ACm(4)扩散(均匀化)退火工艺名称工艺规范目的适用范围再结晶退火①①消除加工硬化②完全消除残余应力冷塑性变形件去应力退火②消除内应力，防工件变形铸、锻、焊、冲压、机加工件AC1650~700℃300~650℃tT(5)再结晶退火与去应力退火①②二正火目的、用途和工艺1定义：钢加热到AC3或ACm以上的A区域，保持一定时间后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺。——常化与退火的区别：加热温度较高；冷却速度较快；获得组织较细(索氏体)——强硬度与塑韧性较高；生产效率较高①②①正火②退火①②正火与退火态45钢机械性能状态σb(MPa)δ(%)αk(J.cm-2)HB正火700~80015~2050~80220完全退火650~70015~2040~60180碳钢正火与退火后的硬度（HB）状态结构钢软的中等的硬的工具钢退火正火～125～140～160～190～185～230～220～270注：正火态强硬度与塑韧性均较高2目的：①细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷；②提高低碳钢硬度，改善切削加工性能；③消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备；④型材或大型复杂铸钢件的最终热处理三正火与退火的选用C%0.25%的低碳钢——多用正火；提高硬度C%:0.25~0.5%——可正火、可完全退火；C%:0.5~0.75%——完全退火；C%0.75%——球化退火C%0.9%——有网状碳化物┗正火(消网)＋球化退火1退火与正火—珠光体类型组织的应用2能用正火处则不用退火。正火可作为大件或不重要工件的最终热处理，而退火一般不作为最终热处理§10-2钢的淬火与回火淬火：AC3或AC1以上，奥氏体化，V冷VC急剧冷却，获马氏体组织。等温淬火——B下一淬火加热工艺参数的选择1加热温度（1）化学成分：亚共析钢：AC3+30~50℃过共析钢：AC1+30~50℃回火：淬火钢，AC1以下等温淬火AC1MSVCVC′淬火低合金钢：AC3或AC1+50~100℃高合金钢：AC3或AC1+300~400℃（2）工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等2保温时间τ保温=τ升温+τ热透+τ转AC1ACmAC3M+ARAM+AR+A+Fe3C(C↑)(↑)A+FM+FFe3C若TAcm：①C%↑，MS↓；AR↑②粗大M，③氧化脱碳↑变形开裂↑600℃800℃1280℃W18Cr4V：Tt3淬火介质（1）淬火介质的要求①鼻点冷速大,MS附近冷速小；②稳定，成本低；③安全：无毒；不腐蚀工件。TτA1MS理想水油(2)常用淬火介质①水：鼻温：150℃/S；Ms：450℃/S。优点：冷却能力强；成本低。缺点：M转变温区冷速过大，变形；应用：小尺寸、形状简单碳钢件②油：Vmax：100~250℃/S，400~500℃；鼻温：60~70℃/S；Ms：50℃/S。优：M转变温区冷速小，不易变形；缺点：鼻温区冷速过小，淬不透。应用：合金钢件③盐水与碱水10%NaCl水溶液；15%NaOH水溶液；5%NaCO3水溶液；使蒸汽膜提前破裂；但腐蚀二钢的淬透性为什么引入“淬透性”概念V表V心VCV表V心淬透层深度VC1概念：奥氏体化的钢在淬火时获得马氏体的能力——用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度表示其大小。淬透层深度：由工件表面→半马氏体点(50%M)的深度。硬度测量法：50%M的硬度←C%淬透层深度50%M淬透性与实际条件下淬透层深度的差别影响淬透性的因素：与影响C曲线因素一致与钢种、奥氏体化条件实际淬透层深度：与淬透性、工件大小、淬火介质等有关淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。——取决于马氏体中的C%。淬透性:钢的临界冷却速度—合金元素例：T10、15MnVB2淬透性与淬硬性3淬透性测定方法（1）顶端淬火法φ25×100，（2）临界淬火直径临界淬火直径：钢在某种淬火介质中能完全淬透的最大直径(Dk)临界淬火直径测量方法：①C%→半马氏体硬度；②测该钢端淬曲线——找出对应半马氏体硬度的d端值；③根据对零件淬透深度的实际要求(淬透至1/2R、3/4R、中心等)从下图查出对应的临界淬火直径DkTτA1MS分级淬火双液淬火等温淬火单液淬火三淬火方法1单液淬火——尺寸小、形状简单的碳钢、合金钢件。2双液淬火（水淬油冷）——尺寸较大碳钢件。3分级淬火稍高于MS，盐浴；——小尺寸工模具、变形小、精密件三淬火方法4等温淬火淬火热应力、组织应力小，变形小；——形状复杂、尺寸精密件。5冷处理目的：①减少AR%，↑HRC；②稳定尺寸；③挽救四钢的回火工艺1回火工艺参数的选择回火温度的选择：（1）零件使用性能→硬度→回火温度（2）应力消除：T500℃,1h；T200℃,2~3h；回火后冷却方式：回火脆性钢→水、油冷；—高合金钢的多次回火2回火种类回火温度↑，内应力↓；强硬度↓；塑韧性↑。——根据温度不同划分回火种类低温回火中温回火高温回火（1）低温回火（150~250℃）组织：回火马氏体（与淬火马氏体比较）高碳钢：淬火片状M→回火M(片状过饱和α+ε碳化物，共格)性能：保持高强硬度；微裂纹焊合；内应力和脆性↓；韧性略↑。但低碳钢：板条M，只有C的偏聚应用：①工、模具钢；②低碳马氏体钢（2）中温回火（350~500℃）组织：回火屈氏体（与屈氏体比较）条、针状(未再结晶，平衡C)α相+弥散分布细粒状θ相性能：基体已回复；内应力↓↓；弹性极限高；较高的强硬度与良好韧性。应用：弹簧钢、热锻模。（0.6~0.9%）（3）高温回火（550~680℃）组织：回火索氏体（与索氏体比较）等轴状(再结晶)α相+均匀分布粒状(球化)θ相性能：内应力基本消除，强度与韧性最佳配合；——综合机械性能高应用：重要结构件，轴、齿轮调质处理：淬火+高温回火五钢的淬、回火缺陷1种类：变形、开裂、氧化、脱碳、硬度不足、软点、过热、过烧。过热：晶粒粗大——重结晶过烧：晶界熔化或氧化2变形与淬火应力变形方式：体积变化、弯曲翘曲。产生原因：加热或冷却中热胀冷缩、组织转变不同步→内应力种类：热应力、组织应力改进方法——分级淬火、等温淬火§10-3其他类型热处理钢的形变热处理钢的表面淬火钢的化学热处理是把塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺紧密结合起来的一种热处理方法。由于它可以使钢同时受到形变强化和相变强化，因此可以大大提高钢的综合力学性能，另外，它还能大大简化钢件生产流程，节省能源，因而受到愈来愈广泛的重视，提高钢的强韧性的重要手段之一。一形变热处理表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。二表面淬火化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工艺。基本过程：①化学介质的分解；②活性原子被钢件表面吸收和溶解；③原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。三化学热处理第十章习题与思考题1确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的与退火后的组织：（1）经冷轧后的钢板，要求降低硬度；（2）锻造过热的60钢锻坯；（3）具有片状渗碳体的T12钢坯。2指出下列零件的锻造毛坯进行正火的主要目的及正火后的组织：(1)20钢齿轮；(2)45钢小轴；(3)T12钢锉刀3何谓钢的淬透性？何谓钢的淬硬性？影响淬透性的因素有哪些？影响淬硬性的因素有哪些？4何谓钢的淬火临界冷却速度？影响因素有哪些？它和钢的淬透性有何关系？5试分析下列说法是否正确：（1）钢中合金元素的含量愈多，则淬火后硬度愈高；（2）同一钢材在相同加热条件下，水淬比油淬的淬透性好，小件比大件的淬透性好。6指出φ10mm的45钢(退火态)经下列温度加热并水冷后获得的组织：700℃、760℃、840℃。(知Ac1＝724℃，Ac3＝780℃，D水冷＝20mm)7今有Cr15钢，制成轴承套，试述其预备热处理及最终热处理的名称、目的、工艺、获得的组织和性能。8现有60Si2Mn钢用作弹簧、40Cr钢用作轴（要求良好的综合机械性能）、T10钢用作工具，请分别针对这三个钢种回答：(1)淬火加热温度选择原则；(2)加热后的组织；淬火后的组织；(3)回火温度选择原则；(4)回火后的组织