二、钢的热处理 金属材料在固体范围内进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，获得所需性能的一 种方法称热处理。 热处理的种类很多，根据其目的、加热和冷却方法的不同，可以分为：普通热处理、 表面热处理及其他热处理方法。普通热处理有退火、正火、淬火、回火；表面热处理有表面 淬火（感应加热、火焰加热等）、化学热处理（渗碳、渗氮等）；其他热处理有真空热处理、 变形热处理和激光热处理等。 热处理方法虽然很多，但都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，通常用热处理工 艺曲线表示。 图１-34 热处理工艺曲线示意图 一、钢的普通热处理 根据加热及冷却的方法不同，获得金属材料的组织及性能也不同。普通热处理可分为退 火、正火、淬火和回火四种。普通热处理是钢制零件制造过程中非常重要的工序。 退火 1．退火工艺及其目的 退火是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺，实际生产 中常采取随炉冷却的方式。 退火的主要目的：①降低硬度，改善钢的成形和切削加工性能；②均匀钢的化学成分和 组织；③消除内应力。 2．常用退火工艺方法 根据处理的目的和要求的不同，钢的退火可分为完全退火、球化退火和去应力退火等。 表1-4 为主要退火工艺方法及其应用。 表1-4 常用退火方法的工艺、目的与应用 名称 工艺 目的 应用 完全退火 将钢加热至Ac 3 以上30～50℃，保 温一定时间，炉冷至室温 （或炉冷至600℃以下，出炉空冷） 细化晶粒，消除过热组织， 降低硬度和改善切削加工性 能 主要用于亚共析钢 的铸、锻件，有时也 用于焊接结构 球化退火 将钢加热至Ac 1 以上20～40℃， 保温一定时间，炉冷至室温，或 快速冷至略低于Ar 1 温度，保温 后出炉空冷，使钢中碳化物球状 化的退火工艺 使钢中的渗碳体球状化，以降低 钢的硬度，改善切削加工性，并 为以后的热处理做好组织准备。 若钢的原始组织中有严重的渗碳 体网，则在球化退火前应进行正 火消除，以保证球化退火效果 主要用于共析钢和 过共析钢 均匀化退火 （扩散退火） 将钢加热到略低于固相线温度 （Ac 3 或Ac cm 以上150~300℃）， 长时间保温（10~15h），随炉冷却。 使钢的化学成分和组织均匀 化 主要用于质量要求 高的合金铸锭、铸件 或锻胚 去应力退火 （低温退火） 将钢加热至 Ac 1 以下某一温度 （一般约为500~600℃），保温一 段时间，然后炉冷至室温 为了消除残余应力 主要用于消除铸、锻、 焊接件、冷冲压件以及 机加工件中的残余应力 再结晶退火 将钢加热至再结晶温度以上 100-200℃，保温一定时间，然 后随炉冷却 为了消除冷变形强化，改善 塑性 主要用于经冷变形 的钢 正火 1. 正火工艺及其目的 正火是将钢加热到Ac 3 （或Ac cm ）以上30~50℃，保温一定时间，出炉后在空气中冷却 的热处理工艺。对于含有 V、Ti、Nb 等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度 （Ac 3 +100～150℃），为了消除过共析钢的网状碳化物，亦可酌情提高加热温度，让碳化物 充分溶解。
其主要目的是： （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、中碳素钢，可用正火作为预备热处理，以调整硬度，改善切削加工性 （3）对于过共析钢，正火可抑制渗碳体网的形成，为球化退火作好组织准备 2. 退火与正火的选用 正火与退火的主要差别是，前者冷却速度较快，得到的组织比较细小，强度和硬度也稍 高一些。 （1）从改善钢的切削加工性能方面考虑。一般认为，钢的硬度在170～230HBS 时具有 良好的切削加工性能。 （2）从使用性能方面考虑。一些受力不大的工件，力学性能要求不高，可用正火作为 最后热处理，对某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、 回火处理。 （3）从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低。因此。 在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。 淬火 淬火是将钢件加热到奥氏体化后以适当方式冷却，获得马氏体或（和）贝氏体组织的热 处理工艺。淬火可以显著提高钢的强度和硬度，是赋予钢件最终性能的关键性工序。 1. 淬火工艺 （1）淬火加热温度：钢的淬火加热温度可按Fe-Fe 3 C 相图（图1-20）来选定。 ①亚共析钢：亚共析钢淬火加热温度一般在 Ac 3 以上 30～50℃，得到单一细晶粒的奥 氏体，淬火后为均匀细小的马氏体和少量残留奥氏体。若加热温度在 Ac 1 ～Ac 3 之间，淬火 后组织为铁素体、马氏体和
少量残留奥氏体，由于铁素体的存在，钢的硬度降低。若加热温 度超过 Ac 3 +30～50℃，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢性能变差，且淬火 应力增大，易导致变形和开裂。 ②共析钢和过共析钢：共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac 1 以上30～50℃，淬火后得到 细小的马氏体和少量残留奥氏体，或细小的马氏体、少量渗碳体和残留奥氏体。由于渗碳体 的存在，钢的硬度和耐磨性提高。若加热温度在 Ac cm 以上，由于渗碳体完全溶于奥氏体， 奥氏体含碳量提高，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。此外，因温度高， 奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，脆性增大。若加热温度低于Ac 1 点，组织没发 生相变，达不到淬火目的。 实际生产中，淬火加热温度的确定，尚需要考虑工件形状尺寸、淬火冷却介质和技术 要求等因素。 （2）淬火冷却介质 工件进行淬火冷却所用的介质称为冷却介质。为保证工件淬火后得到马氏体，又要减小 变形和防止开裂，必须正确选用冷却介质。 表1-5 常用的几种冷却介质的对比 名称 水 油 食盐水溶液 碱水溶液 优点 水价廉易得，且具 有较强的冷却能力。 使用安全，无燃烧、 腐蚀等危险 在 300～200℃ 温度范围内，冷却 速度远小于水，这 对减少淬火工件的 变形与开裂的是很 有利的 冷却能力提高到约 为水的十倍，而且最 大冷却速度所在温度 正好处于 650～400℃ 温度范围内 在 650～400℃温度 范围内冷却速度比食 盐水溶液还大，而在 300～20
0℃温度范围 内，冷却速度比食盐水 溶液稍低 缺点 在 650～400℃范 围内需要快冷时，水 的冷却速度相对比 较小；300～200℃范 围内需要慢冷时，其 冷却速度又相对较 大 在 650～400℃ 温度范围内，冷却 速度比水小得多 在 300～200℃温度 范围内的冷却速度过 大，使淬火工件中相 变应力增大，而且食 盐水溶液对工件有一 定的锈蚀作用 ，淬火 后工件必须清洗干净 腐蚀性大 应用 主要用于碳素钢 主要用于合金钢 主要用于形状简单 而尺寸较大的低、中 碳素钢零件 主要用于易产生淬 火裂纹的零件 目前，一些冷却特性接近于理想淬火介质的新型淬火介质，如水玻璃-碱水溶液、过饱 和硝盐水溶液、氧化锌-碱水溶液、合成淬火剂等已被广泛使用。 回火 1. 回火工艺 回火是将钢件淬硬后，再加热到Ac 1 以下某一温度，保温后冷却到室温的热处理。回火 一般在淬火后随即进行。淬火与回火常作为零件的最终热处理。 2. 回火目的 （1） 减小和消除淬火时产生的应力和脆性，防止和减小工件变形和开裂； （2） 获得稳定组织，保证工件在使用中形状和尺寸不发生改变； （3） 获得工件所要求的使用性能。 3. 淬火钢在回火时的组织转变 淬火后钢的组织是不稳定的，具有向稳定组织转变的自发倾向。回火加速了自发转变的 过程。淬火钢在回火时，随着温度的升高，组织转变可分四个阶段。 第一阶段（80～200℃）：马氏体分解 马氏体内过饱和的碳原子，以ε 碳化物形式析出，使马氏体的过饱和度降低。ε 碳化 物是弥散度
极高的薄片状组织。这种马氏体和ε 碳化物的回火组织称回火马氏体。此阶段钢 的淬火内应力减小，韧性改善，但硬度并未明显降低。 第二阶段（200～300℃）：残余奥氏体分解 在马氏体分解的同时，降低了对残余奥氏体的压力，使其转变为下贝氏体。这个阶段 转变后的组织是下贝氏体和回火马氏体。淬火内应力进一步降低，但马氏体分解造成硬度降 低，被残余奥氏体分解引起的硬度升高所补偿，故钢的硬度降低并不明显。 第三阶段（300～400℃）：马氏体分解完成和渗碳体的形成 马氏体继续分解，直至过饱和的碳原子几乎全部由固溶体内析出。与此同时，ε 碳化 物逐渐转变为极细的稳定碳化物Fe 3 C，此阶段到400℃全部完成，形成尚未再结晶的针状铁 素体和细球状渗碳体的混合组织，称为回火托氏体。此时钢的淬火内应力基本消除，硬度有 所降低。 第四阶段（400℃以上）：固溶体的再结晶与渗碳体的聚集长大 温度高于400℃后， 固溶体发生回复与再结晶，同时渗碳体颗粒不断聚集长大。 当温 度高于500℃时，形成块状铁素体与球状渗碳体的混合组织，称为回火索氏体。钢的硬度、 强度不断降低，但韧性却明显改善。 必须指出：以上四个阶段是在不同温度范围进行的，但四个温度范围有交叉，所以钢 在回火以后所表现出的性能是这些变化的综合结果。 4. 回火种类及应用 按回火温度不同，回火分为以下三种： （1）低温回火（150～250℃） 回火后组织为回火马氏体。其目的是减小淬火应力和脆性，
保持淬火后的高硬（58～ 64HRC）和耐磨性。主要用于处理量具、刃具 、模具、滚动轴承以及渗碳、表面淬火的零 件。 （2）中温回火（350～500℃） 回火后组织为回火托氏体。其目的是获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。硬度一 般为35～50HRC。主要用于处理各种弹簧、锻摸等。 （3）高温回火（500～650℃） 钢件淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质。调质后的组织为回火索氏体，硬度一 般为 200～350HBS。其目的是为获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能。广泛用于 各种重要结构件（如轴、齿轮、连杆、螺栓等），也可作为某些精密零件的预先热处理。 钢的表面热处理 象齿轮、轴等这类承受弯扭交变应力及冲击载荷的零件，其表面的应力高于内部应力， 并且还要承受磨损破坏，因此要求这类零件表面具有高的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性， 而心部又要具有足够的塑性和韧性。这就需要进行表面热处理。表面热处理分为表面淬火处 理和化学热处理两种。 钢的表面淬火 表面淬火是通过快速加热钢件表层达到淬火温度，不等热量传至内部就立即淬火冷却， 从而使表面层获得高硬度、高耐磨性的马氏体组织，而内部仍保持为原始的组织状态及性能 的热处理方法。为保证表层及内部的组织与性能，表面淬火钢一般取含碳量0.40%-0.50%钢 材为宜。 根据加热方法不同，表面淬火方法有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火及激光加 热表面淬火等。最常用的是感应加热表面淬火。 1．
感应加热表面淬火的种类及应用范围 感应加热表面淬火的种类及应用范围如表1-6 所示： 表1-6 感应加热种类及应用 感应加热类型 常用频率 一般淬硬层深度/mm 应用范围 高频感应加热 200～1000KHZ 0.5～2.5 中小模数齿轮及中小尺寸的轴 类零件 中频感应加热 2500～8000HZ 2～10 较大尺寸的轴和大中模数齿轮 工频感应加热 50HZ 10～20 较大直径零件穿透加热，大直径 零件如轧辊、火车车轮的表面淬火 超音频感应加热 30～36HZ 淬硬层能沿工件轮廓分布 中小模数齿轮 3．感应加热表面淬火的特点 （1）感应加热表面淬火加热速度极快（一般只需几秒～几十秒），加热温度高（高频感 应淬火为Ac 3 以上100～200℃）； （2）奥氏体晶粒均匀细小，淬火后可在工件表面获得极细马氏体，硬度比普通淬火高2～ 3HRC，且脆性低； （3）因马氏体体积膨胀，工件表层产生残留压应力，疲劳强度提高20～30%； （4）工件表层不易氧化和脱碳，变形小，淬硬层深度易控制； （5）易实现机械化和自动化，生产率高； （6）设备较贵，维修调整较困难，对形状复杂的零件不易制造感应器，不适于单件生 产。 感应淬火最适宜的钢种是中碳钢（如40 钢、45 钢）和中碳合金钢（如40Cr 钢等），也 可用于高碳工具钢、含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。 一般表面淬火前应对工件正火或调质，以保证心部有良好的力学性能，并为表层加热作 好组织准备。表面淬火后应进行低温回火，以降低淬火应力和脆性。 化学热
处理 化学热处理是将工件置于一定的活性介质中，通过适当的手段，使一种或几种元素渗入 工件表面，以改变表面化学成分、组织和性能的一种热处理方法。 无论是哪一种化学热处理，活性原子渗入工件表层都是由以下三个基本过程组成： （1） 分解 由化学介质分解出能够渗入工件表层的活性原子。 （2） 吸收 活性原子由钢的表面进入铁的晶格中形成固溶体，甚至可能形成化合物。 （3） 扩散 渗入的活性原子由表面向内部扩散，形成一定厚度的扩散层。 目前常用的化学热处理有：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议