钢的普通热处理

第二节钢的普通热处理钢最基本的热处理工艺有退火、正火、淬火和回火。机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。一、钢的退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。1、退火目的⑴调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。⑵消除内应力，稳定尺寸，防止加工中变形。⑶细化晶粒，改善组织，为最终热处理作组织准备。真空退火炉2、退火种类退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。⑴完全退火主要用于亚共析钢。加热温度Ac3+30~50℃。组织：F+P⑵等温退火亚共析钢加热温度Ac3+30~50℃共析、过共析钢加热温度Ac1+30~50℃保温后快冷到略低于Ar1的温度等温转变成珠光体组织，然后出炉空冷。等温退火可缩短工件在炉内停留时间。高速钢等温退火与普通退火的比较⑶球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢。加热温度Ac1+30-50℃通过缓冷或者冷却到略低于Ar1的温度（550~600℃）下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。球化退火的组织：在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。球状珠光体二、钢的正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~50℃，保温后空冷的工艺。正火比退火冷却速度大。1、正火后的组织：●0.6%C时组织F+S●0.6%C时组织S正火温度2、正火的目的⑴减少C和其他合金元素的成分偏析。⑵细化奥氏体晶粒，，消除过共析钢中网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。正火的应用（1）对力学性能要求不高的普通结构钢作为最终热处理（2）对低碳钢调整硬度，改善切削加工性（3）对共析钢、过共析钢，消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备热处理与硬度关系合适切削加工硬度要改善切削性能：低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火，高碳钢用球化退火。三、钢的淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。淬火是应用最广的热处理工艺之一。淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的性能。真空淬火炉（一）淬火温度1、碳钢⑴亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50℃。预备热处理组织：退火(F+P)或正火组织(F+S或S)。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)正常淬火组织在Ac1~Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M强硬度低，但塑韧性好。35钢（含0.35%C）亚温淬火组织⑵共析钢淬火温度Ac1+30-50℃淬火组织M+A’。⑶过共析钢淬火温度Ac1+30-50℃温度高于Accm，奥氏体晶粒粗大、淬火后马氏体晶粒粗大；M含碳量高，A’量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织为M+颗粒状Fe3C+A’*预备热处理组织P球。T12钢（含1.2%C）正常淬火组织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Ac3+50~100℃⑵共析钢、过共析钢淬火温度Ac1+50~100℃（二）淬火介质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。但目前还理想淬火曲线示意图MsMf没有找到理想的淬火介质。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，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。其他淬火介质如聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业上常用的介质。（三）淬火方法采用不同的淬火方法可弥补介质的不足。1、单介质淬火法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。各种淬火方法示意图1—单液淬火法2—双液淬火法3—分级淬火法4—等温淬火法2、双介质淬火法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，油淬空冷。优点是冷却理想，缺点是不易掌握。用于形状复杂的碳钢件及大型合金钢件。3、分级淬火法在Ms附近的盐浴或碱浴中淬火，待内外温度均匀后再取出缓冷。可减少内应力用于小尺寸工件。4、等温淬火法将工件在稍高于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。适用于形状复杂及要求较高的小型件。四、钢的回火井式回火炉回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却的工艺。（一）回火的目的1、减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。2、获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。3、稳定尺寸。回火可使非平衡M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。4、高淬透性钢的软化，这类钢空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使用过程中易变形或开裂。钢经淬火后应立即进行回火。（二）回火的种类1、低温回火回火温度：150~250℃组织转变：从马氏体中析出细片状-碳化物；A’分解为-碳化物和过饱和铁素体。这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用M回表示。低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。2、中温回火回火温度：350-500℃组织转变：-碳化物溶解于铁素体中,同时从铁素体中析出Fe3C。到350℃,马氏体中的回火托氏体含碳量已降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除。M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织，称为回火托氏体，用T回表示。回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为35~45HRC。主要用于各类弹簧的热处理。汽车板簧热卷弹簧回火索氏体3、高温回火回火温度：500-650℃组织转变：Fe3C发生聚集长大，铁素体发生多边形化。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。柴油机连杆淬火钢硬度随回火温度的变化40钢力学性能与回火温度的关系（三）回火脆性回火时力学性能变化总的趋势是随回火温度提高，钢的强度、硬度下降，塑性、韧性提高。淬火钢的韧性并不总是随温度升高而提高。在某些温度范围内回火时出现的冲击韧性下降的现象，称回火脆性。根据回火脆性出现的温度范围，可将其分为低温回火脆性和高温回火脆性两类。1、低温回火脆性又称第一类回火脆性或不可逆回火脆性。是指淬火钢在250-350℃回火时出现的脆性。这种回火脆性是不可逆的，只要在此温度范围内回火就会出现脆性，目前尚无有效消除办法。回火时应避开这一温度范围。2、高温回火脆性又称第二类回火脆性或可逆回火脆性。是指淬火钢在450-650℃范围内回火后缓冷时出现的脆性。回火后快冷不出现。主要发生在含Cr,Ni,Si,Mn的结构钢中。防止办法：⑴回火后快冷。⑵加入合金元素W(约1%)、Mo(约0.5%)。该法更适用于大截面的零部件。五、钢的淬透性网带式淬火炉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。（一）淬透性的概念M量和硬度随深度的变化淬透性是指钢在淬火时获得马氏体组织深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力，取决于马氏体中的碳含量。（二）淬透性与淬硬层深度的关系辊棒式电阻炉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。它是钢本身固有的特性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。（三）淬透性的测定及其表示方法1、淬透性的测定常用末端淬火法末端淬火法示意图dHRCJ即用表示，J表示末端淬透性，d表示2、淬透性的表示方法⑴用淬透性曲线表示半马氏体区到水冷端的距离,HRC为半马氏体区的硬度。⑵用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如45钢D0油=8mm，40CrD0油=20mm。马氏体马氏体索氏体（四）影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。而Vk取决于C曲线的位置，C曲线越靠右，Vk越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。（五）淬透性的应用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。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、齿轮等。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不同冷却条件下的转变产物(共析钢)等温退火P退火(炉冷)正火(空冷)S(油冷)T+M+A’等温淬火B下M+A’分级淬火M+A’淬火(水冷)A1MSMf时间温度淬火PP均匀A细A？？？第三节钢的表面热处理一、钢的表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火目的：①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限;②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。1、表面淬火用材料⑴0.4-0.5%C的中碳钢。含碳量过高，心部韧性下降；含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。⑵铸铁。提高其表面耐磨性。机床导轨2、预备热处理⑴工艺：对于结构钢为调质或正火。前者性能高，用于要求高的重要件，后者用于要求不高的普通件。⑵目的:①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。感应加热表面淬火3、表面淬火后的回火采用低温回火，温度不高于200℃。回火目的：降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。4、表面淬火+低温回火后的组织表层组织：M回心部组织：S回(调质)或F+S(正火)。感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火机床5、表面淬火常用加热方法⑴感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。感应加热分为：①高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm传动轴连续淬火感应器感应加热表面淬火齿轮的截面图②中频感应加热频率为2500-8000Hz淬硬层深度2-10mm齿圈淬火机床各种感应器③工频感应加热频率为50Hz淬硬层深度10-15mm各种感应器感应穿透加热⑵火焰加热：利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。⑶激光热处理：利用高能量密度的激光对工件表