金属学及热处理 第八章 钢的热处理工艺

1、金属学及热处理第8章钢的热处理工艺,钢的热处理工艺是指根据钢在加热和冷却过程中的组织转变规律制定的热处理具体加热、保温、冷却的工艺参数。 普通热处理包括：退火、正火、淬火和回火。 表面热处理有： 表面淬火和化学热处理等。 还有预备热处理、最终热处理、形变热处理、真空热处理。,第8章 钢的热处理工艺,8.1 钢的退火和正火,加热温度高于临界温度的退火称为相变重结晶退火。包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等。 加热温度低于临界温度的退火包括去应力退火和再结晶退火。 正火是退火的一种特殊形式。,8.1 钢的退火和正火,完全退火是将钢加热到Ac3温度以上，保温足够时间，缓慢冷却，获得接近平衡

2、组织的热处理工艺。 退火的目的是细化晶粒、均匀组织，消除应力和热加工缺陷、降低硬度、改善切削加工和冷塑性变形性能。,8.1.1 完全退火,完全退火的加热温度一般在Ac3以上2030。,8.1 钢的退火和正火,中碳结构钢锻轧件中常有魏氏组织、晶粒粗大的过热组织，和带状组织等缺陷，经过完全退火后，组织发生重结晶，魏氏组织和带状组织消除，晶粒细化，切削加工性能得到改善。 焊接工件中焊缝处组织不均匀，热影响区具有过热组织和魏氏组织，且存在很大内应力。焊后经完全退火，组织均匀，晶粒细化，魏氏组织消除，内应力下降。,8.1.1 完全退火,8.1 钢的退火和正火,8.1.1 完全退火,退火加热温度： 碳钢：

3、Ac3点以上2030，如：20#钢进行完全退火时，加热温度为900-950。 合金钢：Ac3点以上5070。,8.1 钢的退火和正火,退火保温时间取决于工件透烧所需要的时间和组织转变所需要的时间，与钢的化学成分、工件的形状和尺寸、加热设备类型、装炉量和装炉方式有关。 通常可以用工件的有效厚度来计算加热时间。 对于碳素钢或低合金钢构件，当装炉量不大时，在箱式炉中的保温时间（）可按下式计算： KD （min） （K1.52 min/mm） D为工件有效厚度（mm），K为加热系数。,8.1.1 完全退火,8.1 钢的退火和正火,退火后的冷却速度应该缓慢，保证在较高温度发生珠光体转变，避免硬度过高。

4、一般碳钢的冷却速度应小于200/h，低合金钢的冷却速度应小于100/h，高合金钢的冷却速度应小于50/h。 当工件在炉内控制冷却到600 以下后就可以出炉空冷。,8.1.1 完全退火,8.1 钢的退火和正火,将奥氏体化后的钢快冷至稍低于Ac1温度，等温一定时间，使奥氏体发生等温转变，得到珠光体后，再空冷至室温，可以缩短退火时间，使退火组织更加均匀。这种退火方法称为等温退火。 等温退火适用于高碳钢、合金工具钢、高合金钢等。 对于大截面工件和大批量炉料，工件内部不易达到等温程度，不适合进行等温退火。,8.1.1 完全退火,8.1 钢的退火和正火,不完全退火是将钢加热到Ac1Ac3（Acm）温度，保

5、温等温一定时间后缓慢冷却，得到接近平衡组织的热处理工艺。 加热保温过程中，珠光体转变为奥氏体，先共析铁素体或渗碳体的形态及分布基本不变。 不完全退火的目的是降低硬度，减小应力。 不完全退火温度低，能耗小，成本低，效率高。 不完全退火主要应用于大批量生产的亚共析钢锻件，20#钢不完全退火加热温度为800。,8.1.2 不完全退火,8.1 钢的退火和正火,球化退火是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。 球化退火主要针对共析钢、过共析钢、合金工具钢。加热温度在Ac1温度以上2030，保温时间不易太长，使奥氏体中保留大量未溶碳化物质点，并且奥氏体中碳浓度分布不均匀。 炉冷或Ac1以下2

6、0保温等温处理，析出粒状碳化物。,8.1.3 球化退火,8.1 钢的退火和正火,球化退火的目的是降低硬度，改善切削加工性，组织均匀化，为以后淬火作准备。 T10钢的球化退火工艺： 加热温度是760-780，保温2-4小时， 再炉冷到680，保温4-6小时，出炉空冷。 球化退火前，如有网状碳化物存在，需正火消除网状碳化物，再进行球化退火。,8.1.3 球化退火,8.1 钢的退火和正火,球化退火工艺有以下三种： （1）一次球化退火：Ac1以上2030，缓冷至600后出炉空冷。 （2）等温球化退火：Ac1以上2030，保温24h，快冷至Ac1以下20，等温36h，炉冷至600后空冷。 （3）往复球化

7、退火：略高Ac1温度保温，随炉冷至略低于Ac1温度等温，如此多次反复加热冷却，600 出炉空冷。球化效果好。,8.1.3 球化退火,8.1 钢的退火和正火,扩散退火又称均匀化退火，将钢锭加热至略低于固相线温度，长时间保温，随炉缓慢冷却。 加热温度一般为Ac3和Acm以上150300，固相线以下100；保温时间可根据钢件最大界面厚度计算：每1mm保温1.52.5min。一般不超过15h。 随炉冷至350后出炉。 扩散退火的目的：消除晶内偏析，使成分均匀化。,8.1.4 扩散退火,8.1 钢的退火和正火,扩散退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒。 扩散退火周期长、能耗大

8、、成本高、工件烧损严重，只有一些优质合金和偏析较严重的合金钢铸件才使用这种工艺。 加热温度：碳钢1100-1200，合金钢1200-1300。,8.1.4 扩散退火,8.1 钢的退火和正火,去应力退火的目的：消除铸件、锻件、焊接件、机加件的残余内应力，提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂，在精加工或淬火之前，将工件加热至AC1以下某一温度，保温一定时间，缓慢冷却。 加热温度：碳钢500-650，弹簧钢250-300。 保温时间：钢件：3min/mm，铸铁件：6min/mm。 冷却方式：缓冷至250-300出炉空冷。,8.1.5 去应力退火,8.1 钢的退火和正火,再结晶退火是将冷变形后的金属加

9、热到再结晶温度以上，保温适当时间后，使变形晶粒重新变成新的等轴晶粒，消除加工硬化，降低残余应力。 加热温度：碳钢650-700，纯铁450，纯铝100 。 冷却方式：空冷。 临界变形度（钢：210）时，再结晶晶粒异常长大，应该用正火或完全退火来代替再结晶退火。 两次冷变形工序之间的再结晶退火：中间退火。,8.1.6 再结晶退火,8.1 钢的退火和正火,正火是将钢加热到Ac3（Acm）以上适当温度，保温一定时间，完全奥氏体化，空冷，得到珠光体组织。 加热温度：高于退火加热温度， Ac3(Acm)以上30-50。 保温时间：与完全退火相同，工件心部达到加热温度。 冷却方式：空冷，大件可用风冷或喷雾

10、冷。 正火适用于碳素钢和低、中合金钢，不适用于高合金钢，高合金钢空冷易发生马氏体转变。,8.1.7 正火,8.1 钢的退火和正火,正火冷速较快，转变温度较低，珠光体片层间距较小，钢的强度、硬度和韧性较高。 亚共析钢：析出的铁素体数量较少，珠光体数量较多；过共析钢：先共析网状渗碳体析出受到抑制。 钢的碳含量为0.6-1.4，正火组织中不存在先共析相，只存在伪共析珠光体和索氏体。,8.1.7 正火,8.1 钢的退火和正火,正火工艺较简单，有以下几方面应用： （1）改善低碳钢的切削加工性能。 （2）消除中碳钢热加工缺陷。 （3）消除过共析钢的网状渗碳体。 （4）提高普通结构件的机械性能。 20#钢，

11、正火温度为：920950； 45#钢，正火温度为，850，抗拉强度600MPa,8.1.7 正火,小结,处理工艺： 完全退火，不完全退火，球化退火，扩散退火，去应力退火，再结晶退火，正火。,工艺参数： 加热温度，保温时间，冷却方式。,处理目的很重要。,8.2 钢的淬火,将钢加热到Ac3（Acm）或Ac1临界温度以上的一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺为淬火。 淬火后得到的组织是马氏体（或下贝氏体）和少量的残余奥氏体及未溶的第二相。 淬火的目的是提高工件的强度、硬度和耐磨性。,8.2 钢的淬火,淬火冷却过程中由于工件表面

12、和心部的冷却和相变的不同时性，会导致不同部位残余应力不同。各种原因导致的残余应力之和就是淬火应力。 当淬火应力超过材料的屈服极限时，工件会产生塑性变形；当淬火应力超过材料的强度极限，工件将产生开裂。 淬火应力包括热应力和组织应力。,8.2.1 淬火应力,8.2 钢的淬火,工件在加热或冷却时，由于不同部位的温度差异，导致热胀冷缩的不一致性而产生的内应力称为热应力。 冷却初期，表层先收缩，产生拉应力；冷却后期，内部收缩，表面形成压应力，成为残余应力。,8.2.1 淬火应力,（1）热应力及其变化规律,工件冷却时热应力变化示意图,8.2 钢的淬火,热应力的产生原因：快速冷却时工件截面上存在的温差造成的

13、。 影响热应力大小的因素： 冷却速度越大，截面上温差越大，热应力越大。 淬火温度越高、工件截面尺寸越大，热应力越大。 钢材导热性越差、线膨胀系数越大，热应力越大。,8.2.1 淬火应力,（1）热应力及其变化规律,8.2 钢的淬火,工件在冷却时，由于温差造成的不同部位组织转变不同时而引起的内应力称为组织应力。 淬火初期工件表面冷却到Ms以下发生马氏体转变而引起体积膨胀，而内部不发生相变体积不变，导致表面产生压应力。继续冷却，心部发生马氏体转变，体积膨胀，而表面转变已经结束，不再有体积变化，使表面产生拉应力。因此组织应力引起的残余应力为表面拉应力，与热应力相反。,8.2.1 淬火应力,（2）组织应

14、力及其变化规律,8.2 钢的淬火,亚共析钢：Ac3+(30-50)。 共析钢和过共析钢：Ac1+(30-50) 。 合金钢的加热温度要高一些。 加热温度高，将导致淬火应力增大、表面氧化和脱碳严重。,8.2.2 淬火加热,（1）加热温度的确定,淬火加热温度的确定以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则。,完全淬火 不完全淬火,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（2）加热时间的确定,将升温和保温所需要的时间之和称为加热时间。 影响加热时间的因素有：加热介质、炉温、工件尺寸和装炉量。加热时间可由以下经验公式确定： KD（min） ：加热系数，表示单位有效厚度需要的加热时间，单位：min/mm，碳钢在8

15、00900的箱式炉中加热时，1-1.5；若在盐浴炉中加热，0.3-0.5。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（2）加热时间的确定,KD（min） K：装炉修正系数，装炉量较大时，K值取得较大，一般由经验确定。 D：工件有效厚度（mm）。 刚在加热淬火过程中，由于加热温度和时间选择不当，可能产生过热、过烧、表面氧化、表面脱碳等缺陷。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（3）过热与过烧,过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒长大的缺陷。 过热将导致马氏体组织粗大，工件强度和韧性降低，易产生淬火裂纹。 对于过热工件，可进行细化晶粒的退火或正火，然后再进行正确的

16、淬火，可以纠正过热组织。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（3）过热与过烧,过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或局部熔化的现象。 过烧工件无法补救，只能报废。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（4）表面氧化,淬火加热时，工件和加热介质相互作用，产生氧化现象。氧化使工件尺寸减小，表面粗糙度降低，淬火冷却速度减慢。 氧化反应机理有： 2Fe + O2 = 2FeO Fe + CO2 = FeO + CO Fe + H2O = FeO + H2,氧化速度一般用氧化增重来衡量。温度越高，氧化速度越快。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（4）表面脱碳,脱碳是

17、工件在加热和保温过程中，钢中的碳与炉气中的介质发生化学反应，生成含碳气体，逸出钢外，使工件表面碳含量降低的过程。主要反应有： C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2 C + 2H2 = CH4,脱碳速度取决于化学反应速度和碳原子扩散速度。加热温度越高，加热时间越长，脱碳层越深。,8.2 钢的淬火,8.2.2 淬火加热,（5）表面氧化和脱碳的防止方法,盐浴加热：常采用氯化盐或硝酸盐做加热介质。 保护气氛加热：加热炉中通入中性或还原性气体。 真空加热：主要用于要求较高的工具和精密零件。 装箱加热：将工件装入箱中，周围填充铸铁屑或木炭，加热时间长，操

18、作不方便，适于单件热处理。 工件表面涂层：热涂硼酸等。,8.2 钢的淬火,8.2.3 淬火冷却,为了使钢获得马氏体组织，淬火冷却速度必须大于临界冷却速度，但冷却速度过大，淬火应力增大，易产生变形和开裂。选择合适的淬火冷却速度十分重要。 冷却速度与冷却介质有关： 盐水（NaCl）和碱水（NaOH）的冷却速度最快； 普通水的冷速次之，与水温有关； 矿物油（机油）的冷速较低。,8.2 钢的淬火,8.2.3 淬火方法,单液淬火法是将加热至奥氏体状态的工件淬入某种淬火介质中，连续冷却至介质温度的淬火方法。 一般情况下，碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。 为减小淬火应力，可将奥氏体化工件先慢冷至临界点附近

19、温度，再淬入淬火介质中冷却。 单液淬火法操作简单，易实现自动化，但组织应力较大，工件易变形开裂，适于形状简单小尺寸工件。,（1）单液淬火法,8.2 钢的淬火,8.2.3 淬火方法,双液淬火法是将加热至奥氏体状态的工件先在冷却能力较强的介质中快冷至接近Ms点温度，再转入冷却能力较弱的介质中继续慢冷的淬火方法。 一般采用水油双液淬火法，要控制好水中冷却时间，适用于中、高碳钢工件和合金钢大型工件。 也可采用油空气双介质淬火法，适用于合金钢工件。,（2）双液淬火法,8.2 钢的淬火,8.2.3 淬火方法,分级淬火法是将加热至奥氏体状态的工件先淬入高于该钢Ms点的热浴中停留一定时间，待工件各部分与热浴温

20、度一致后，取出空冷至室温的淬火方法。 缓慢冷却得到马氏体，组织应力较低。 介质温度较高，冷速较慢，不易达到临界淬火速度，适用于尺寸较小的工件。提高淬火加热温度，可提高奥氏体的稳定性，降低淬火临界冷却速度。,（3）分级淬火法,8.2 钢的淬火,8.2.3 淬火方法,等温淬火法是将加热至奥氏体状态的工件淬入温度稍高于该钢Ms点的盐浴中等温，保持足够长的时间，使之转变为下贝氏体组织，然后取出在空气中冷却的淬火方法。 等温淬火得到下贝氏体组织，硬度和强度较高，韧性良好。 等温淬火组织应力小，适于处理中、高碳钢和低合金钢制造的复杂形状精密构件。,（4）等温淬火法,8.3 钢的淬透性,8.3.1 淬透性的

21、基本概念,淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。淬透层深度越大，淬透性越好。 淬透层深度规定是由表面至得到马氏体体积分数为50的半马氏体区的深度。 淬透性是钢的固有属性，取决于钢的奥氏体稳定性，是制定钢的热处理工艺的重要依据之一。 钢的淬透性和淬硬性是两个不同的概念。,8.3 钢的淬透性,8.3.2 淬透性的测定方法,测定钢淬透性常用的方法是末端淬火法，即端淬法。 将25mm100mm的标准试样加热至奥氏体状态后，迅速对试样末端喷水冷却。试样上距末端越远，冷却速度越小，硬度值越低。,端淬试验示意图,8.3 钢的淬透性,8.3.2 淬透性的测定

22、方法,从试样末端开始，沿轴向每隔1.5mm测一点硬度，得到硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线。 由于钢的化学成分波动，有关手册中给出的不是一条曲线，而是一条带，称之为淬透性带。,45钢的淬透性带,8.3 钢的淬透性,8.3.2 淬透性的测定方法,根据钢的淬透性曲线，钢的淬透性值的表示方法是：,其中J表示末端淬透性，d表示至末端的距离，HRC表示在该处测得的硬度值。 例如：淬透性值 表示在淬透性带上距末端5mm处的硬度值为HRC40。,8.3 钢的淬透性,8.3.3 淬透性的实际意义,选用淬透性较高的钢，可以保证整个零件截面全部得到马氏体组织，性能均匀一致。 选用淬透性较高的钢，可以在冷速

23、较缓慢的介质中淬火，减小工件的变形。 表面淬火用钢可以选择淬透性较低的钢，保证只是表面得到马氏体组织。 焊接用钢也希望淬透性较低，避免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中得到马氏体组织，防止焊接构件的变形和开裂。,8.4 钢的回火,回火是将淬火后的钢加热到一定温度，保温一定时间，以一定的方式冷却的热处理工艺。 回火的目的是稳定组织、减小或消除淬火应力、提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，满足不同工件的性能要求。 回火的主要工艺参数包括：回火温度、回火保温时间、回火后的冷却速度。,8.4 钢的回火,8.4.1 回火温度,回火温度是决定回火后工件组织和性能的最重要因素。可分为低温回火、中温回火和高温回火。,（1）低温回火,低温回火温度范围是150250。主要用于高碳钢和高合金钢。