钢的热处理

第七章钢的热处理目的要求了解钢在加热、冷却时的组织转变钢的热处理：将钢在固态下的加热、保温和冷却，改变钢的内部组织从而改变性能的一种工艺方法。目的：改善金属材料使用性能和工艺性能，提高产品质量和寿命。分类：根据加热和冷却方式，可分为退火、正火、淬火、回火及表面热处理等几种。钢的基本热处理前四种。工艺过程：加热、高于临界点保温和冷却这三个阶段。1、相变点的确定大多数热处理首先要将钢加热到相变点（又称临界点）以上，目的是获得A。2、奥氏体化任何钢加热到A1线以上时，都要发生珠光体向奥氏体的转变。这种加热时获得奥氏体的组织转变称为奥氏体化。第一节钢在加热时的组织转变一、共析钢的奥氏体形成过程珠光体转变为奥氏体的过程实际上是铁原子晶格的改变和碳原子重新分布的扩散过程，实质上是固态下的重结晶过程。奥氏体晶核的产生奥氏体的长大残余Fe3C的溶解A成分的均匀化二、奥氏体晶粒度及其影响奥氏体晶粒度：指奥氏体晶粒的大小。细小，均匀的奥氏体冷却后的钢的力学性能就好。影响因素：温度、保温时间、含碳量高、一些元素Mn、P、C、N等。依据：合理选择原始组织及合金元素含量、严格控制加热温度和保温时间。第二节钢在冷却时的组织转变实践表明，同一钢在相同条件下获得了奥氏体组织，但以不同的冷却条件冷却后，钢的力学性能有着明显的不同。在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却。等温冷却：将奥氏体迅速冷却到A1以下某一温度进行保温，使奥氏体发生转变，然后再冷却到室温；连续冷却：将奥氏体自高温连续冷却到室温。过冷奥氏体：在共析温度以下存在的奥氏体，它处于不稳定状态。1）共析钢过冷奥氏体等温转变图的建立（C曲线）过冷奥氏体等温转变曲线是用来分析过冷奥氏体的转变温度、转变时间、和转变后组织之间关系的图形，是用实验的方法得出的。一、过冷奥氏体等温转变从C曲线图可以得出的结论：一）在A1温度以上A处于稳定状态。二）在A1温度以下，有一段孕育期，孕育期越长，过冷奥氏体越稳定；反之则不稳定。孕育期的长短标准着过冷奥氏体的稳定性大小。三）曲线的拐弯处（550℃）称为鼻尖，孕育期最短，过冷奥氏体的稳定性最差。四）鼻尖及Ms将曲线分为上下两部分，上部分称为高温转变区，下部称为中温转变区、有低温马氏体区二、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能1、高温转变（珠光体型转变）组织名称符号温度℃硬度HRC粗片层珠光体PA1~65020索氏体（细片状）S650~60022~35托氏体（极细片状）T600~55035~42备注没有本质区别，只是珠光体越细，强度和硬度愈高2、中温转变（贝氏体型转变）上贝氏体：550~350℃范围内，产物的显微组织形状呈羽毛状的上贝氏体，它是由条状铁素体和断续分布的短小渗碳体组成的。硬度为40~45HRC，塑性差。下贝氏体：350~230℃范围内，转变产物呈黑色针叶状的下贝氏体，硬度高（45~55HRC），韧性好。固溶在奥氏体中的碳全部保留在a-Fe晶格中，形成碳在a-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体。奥氏体变为马氏体，只是结构的改变而没有成分的变化。片状马氏体：含碳量高的钢，强度很高，但塑性和韧性很差。板条马氏体：含碳量较低的为一束相互平行的细条状，称为板条马氏体，具有良好的强度及较好的塑性和韧性。马氏体的性能主要取决于含碳量，强度、硬度随含碳量的增加而增加。3、马氏体（M）转变三、过冷奥氏体的连续转变Ps线：过冷奥氏体开始转变线Pf线：过冷奥氏体终止转变线K线：过冷奥氏体中止转变线炉冷：（700-600）珠光体空冷：（650-600）索氏体油冷：屈氏体+马氏体水冷：马氏体+残余奥氏体VC：临界冷却速度1、过冷奥氏体的连续转变曲线2、C曲线与CCT曲线比较CCT曲线位于C曲线右下方连续冷却的产物可能不只一种。连续冷却转变不发生贝氏体转变。一、退火概念：将钢件加热到高于或低于钢的临界点，保温一定时间，随后在炉中(或介质)缓慢冷却（获得珠光体组织）的热处理工艺。目的：①降低钢的硬度，以利于切削加工；②细化晶粒，改善组织，提高机械性能；③消除内应力，为淬火工序作好准备；④提高钢的塑性和韧性，便于冷冲压或冷拉拔加工。分类：按钢的成分和退火的目的不同：完全退火、等温退火、球化退火和去应力退火等。第三节钢的普通热处理概念：将钢加热到Ac3以上30~50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却，或埋入石灰中冷却。所谓完全是指退火时钢件被加热到获得完全的奥氏体组织，也就是钢组织全部进行了重结晶。目的：通过完全重结晶，使得铸造、锻造或焊接所造成的粗大晶粒细化，使组织不均匀得到改善；通过退火可使中碳以上的钢件获得接近平衡状态的组织，以降低硬度，便于切削加工。应用：用于亚共析组织的碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材和焊接结构，也可作为一些不重要工件的最终热处理。不能用于过共析钢，产生网状二次渗碳体。1、完全退火概念：等温退火是以较快的速度冷却到A1以下某一温度，保温一定时间，使奥氏体转为珠光体组织，然后空冷。对那些奥氏体比较稳定的合金钢，采用等温退火可以缩短退火周期。应用：奥氏体稳定的合金工具钢和高合金钢。2、等温退火3、球化退火概念：将钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间，再冷却到Ar1以下20℃,等温一定时间，然后炉冷到600℃左右出炉空冷。目的：把过共析钢的片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状渗碳体，从而改善钢的切削加工性，并减少最终热处理时工件变形和开裂。应用：过共析钢。4、均匀化退火概念：将钢加热到略低于固相线温度（Ac3或Accm以上150-300℃），长时间保存，随炉冷却，获得化学成分和组织均匀化。应用：质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。5、去应力退火和再结晶退火概念：又称低温退火，将钢件加热到低于Ac1的某一温度（一般为500℃—650℃），经保温后缓慢冷却。目的：主要用来消除铸件、锻件、焊接件等的残余内应力。内应力是指无外力作用下存在于物体内部的力。应用：铸件、锻件、焊接件等。再结晶退火主要用于经过冷变形的钢。二、钢的正火1、概念：将钢加热到Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上30℃—50℃，保温后从炉中取出，在空气中冷却的热处理工艺。2、特点：与退火的比较作用相似，差别是冷却速度。正火的冷却速度快，得到的组织比较细小，强度和硬度也高一些3、应用：（1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。（2）对低、中碳钢，可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性。（3）对过共析钢，和退火功能相似，但可以缩短生产周期，节约能量。所以生产中常用正火代替退火。（4）细化组织，消除热加工中造成的缺陷。（5）用于高碳钢，可消除网状渗碳体，便于球化退火。4、退火与正火的选择：（1）从切削加工方面考虑低碳钢选用正火，高碳钢采用退火（2）从使用性能考虑零件性能要求不高，用正火，零件形状复杂时，正火易引起变形和开裂，故采用退火。（3）从经济上考虑正火比退火生产周期短，成本底，操作方便，优先采用正火。三、淬火1、概念：将钢加热到（Ac1或Ac3）以上30℃—50℃经保温后快速冷却（大于临界冷却速度）的一种操作。2、目的：获得马氏体组织或下贝氏体组织，提高钢的机械性能。3、淬火温度的选择亚共析钢的加热温度选择在Ac3以上30—50℃。低于Ac3则有F存在，使硬度不足，过高马氏体粗大。共析钢与过共析钢加热温度选择在Ac1以上30-50，如果温度高于Accm得到粗大针状马氏体，增加残余奥氏体的含量。4、淬火冷却介质要获得马氏体组织，必须使V大于V临，而冷却速度过大又会导致内应力较大，钢件易开裂变形。解决方法：（1）寻找理想介质。（2）改进淬火方法。理想状态即在650℃—550℃的温度范围内须快速冷却，400℃以下并不需要快速冷却。5、常用介质①盐水有较强的冷却能力。适用于形状简单，硬度要求高而均匀，表面要求完洁，变形要求不严格的碳钢。（食盐在工件表面析出爆裂破坏蒸汽膜，并使工件表面加热时形成的氧化铁剥落）②油10号机油，冷却速度慢。用于合金钢的淬火，油的价格高，易燃，并不宜清洗。③硝盐或碱溶碱溶的冷却能力比水弱比油强。硝盐的冷却能力比油弱。应用于截面不大形状复杂变形要求严格的工件。6、常用淬火方法①单液淬火法优点：操作简单便于实现自动化。缺点：水淬变形开裂倾向严重。油淬易导致硬度不足。②双液淬火法应用于淬透性不高的碳钢所制成工模具，有较大淬硬层的合金钢大件。特点：不宜正确判断由水转油的温度。③分级淬火法首先将零件从高温直接放入150℃—260℃的盐浴或碱浴内淬火，在该温度下停留一定时间然后在空气中冷却。适用于过冷奥氏体比较稳定的合金钢或尺寸较小的零件。④等温淬火将钢件放入稍高于Ms温度的介质中，获得下贝氏体组织，随后在空气中冷却。7、淬透性淬透性：是指在一定条件下钢获得淬硬层深度的能力。（淬硬层越深，就表明钢的淬透性越好）淬硬层深度：由表面至半马氏体组织的距离。淬硬性：钢淬火后所能达到的最高硬度。影响钢淬透性因素：临界冷却速度的大小即过冷奥氏体的稳定性1）钢的化学成分。2）奥氏体化温度及保温时间。8、淬火缺陷及防止①硬度不足加热温度过低、保温时间不足，冷却速度不够快。②过热过烧③氧化和脱碳真空炉或涂覆硼砂溶液。④变形和开裂结构对称，截面均匀，转变区慢冷。四、钢的回火1、概念：将淬火后钢加热到临界温度Ac1以下某一温度，保温一定时间后，然后以一定方式冷却的热处理。2、目的：（1）降低脆性，消除或减少内应力。（2）获得工件所需要的机械性能。（3）稳定组织，稳定性能。3、回火过程中的组织转变①马氏体分解（100℃—200℃）马氏体中有ε碳化物析出得到回火马氏体（饱和度较低的马氏体和碳化物）。钢的内应力减少，韧性改善，硬度并未明显下降。②残余奥氏体分解（200℃—300℃）过饱和马氏体继续分解，残余奥氏体转变为下贝氏体。组织主要是马氏体。淬火内应力进一步降低，硬度降低并不明显。③渗碳体的形成（300℃—400℃）形成针状铁素体和细球状渗碳体的混合组织回火屈氏体。内应力基本消除，硬度有所下降。④渗碳体聚集长大（400℃以上）形成块状铁素体和球状渗碳体的混合组织回火索氏体。钢的强度、硬度不断下降，塑性、韧性不断上升。小结：淬火钢在回火时的转变，大致包括马氏体分解、残余奥氏体分解、渗碳体的形成、渗碳体聚集长大四个阶段。4、回火的分类及形成的组织①低温回火（150℃—250℃）组织：回火马氏体性能：硬度稍有下降，内应力减少，脆性降低，韧性增加，HRC58—64。应用：高碳钢的工具、模具、滚动轴承钢、渗碳、或表面淬火件。②中温回火（350℃—450℃）组织：回火屈氏体有一定饱和度的铁素体和极细的粒状渗碳体。性能：硬度有所下降，（HRC35—45），有高的弹性极限和屈服极限，良好的韧性。应用：弹簧，弹性元件。③高温回火（500℃—600℃）组织：回火索氏体块状铁素体和球状渗碳体的机械混合物性能：有一定的强度、硬度，较好的塑性和韧性应用：重要的结构零件，连杆、齿轮、轴类零件调质处理：淬火+高温回火这一工艺称为调质处理。第四节钢的表面热处理目的：使表面有较高的硬度和耐磨性，而心部有足够的塑性和韧性。一、表面淬火概念：表面淬火是将工件的表面层淬硬到一定深度而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。适用范围：0.3%—0.7%的钢。1、火焰表面淬火方法火焰喷射，立即喷水、乳化液冷却。特点速度快，设备简单，变形小。淬火质量不稳定，较易过热。应用单件小批量生产的大型零件。2、感应加热表面淬火过程：高频交流电交变磁场工件感应电流集肤表面快速加热喷水冷却分类：高频200—300KHZ深度0.5—2.5mm中频2.5—8KHZ深度2—10mm工频50HZ深度10—15mm特点：加热速度快，减少零件的氧化和脱碳，变形小，深度易于控制，易实现机械化。二、钢的化学热处理概念：将工件置于化学介质中加热和保温以改变表层的化学成分和组织。目的：提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度；渗氮还能提表面的热硬性和耐蚀性。过程：化学热处