4.2-4.3 钢铁材料热处理工艺

1、4.2 钢的退火与正火Annealing and normalizing of steels一、定义一、定义退火退火钢加热到适当温度，保温、钢加热到适当温度，保温、炉中炉中缓冷缓冷，以获得近于平衡组织结构的热处，以获得近于平衡组织结构的热处理工艺。理工艺。正火正火钢加热到钢加热到A AC3C3(Ac(Accmcm) )30305050，保温，保温，空冷空冷。退火&正火的区别v主要区别在于：冷却速度的不同正火：空冷，冷却快，组织细小，力学性能好；退火：炉冷，冷却慢。二、退火与正火的目的()调整硬度以便于切削加工；消除残余应力，防止钢件在淬火时产生变 形或开裂；细化晶粒、改善组织以提高钢的力学性能

2、。为最终热处理作组织上的准备。三、退火的种类、工艺特点及应用1）完全退火(重结晶退火) 钢加热至AC3+3050，保温、缓冷至500出炉空冷。细化晶粒，降低硬度，改善切削性能，消除热加工组织缺陷、内应力等。应用：亚共析成分碳钢和合金钢铸件、锻件、焊件及热轧型材。一般常作为一些不重要工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 Annealing & normalizing.1低温退低温退 火火再结晶退火再结晶退火 扩散退扩散退 火火球球 化退火化退火正正 火火完全退完全退 火火扩散退火扩散退火 球化退火球化退火 正火正火完全退火完全退火 再结晶退火再结晶退火 低温退火低温退火 0.2 0.4

3、 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4WC/%50060070080090010001100温度温度/（a）加热温加热温 度度（b）工艺规范工艺规范AC3AC1温度时间时间图图4-24 各种退火与正火工艺规范各种退火与正火工艺规范2）球化退火钢加热到AC1+1020，保温24h使Fe3C球状化，随炉缓冷形成球化体组织（F基体+球状或粒状Fe3C）。 应用：应用：主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具，量具，模具所用的钢种)。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 3）均匀化退火（扩散退火)铸锭、铸件、锻坯加热至AC3150250，保温1015h，缓冷。消除枝晶偏

4、析，成分均匀化。但晶粒粗大，需完全退火或正火细化组织。4）去应力退火钢加热到AC1以下100200(一般500600)，保温，缓冷至200300，空冷。又称低温退火 消除铸、锻、焊、冷冲压及机加工残余应力，稳定尺寸，减小变形。四、正火的主要应用1）低、中碳钢的预先热处理，调整硬度，改善切削加工性，淬火作准备。2）对过共析钢，消除网状Fe3C，为球化退火作准备。3）普通零件最终热处理。工序安排：毛坯生产之后，粗、半精加工之前。4.3 淬火与回火4.3.1 4.3.1 淬火淬火淬火钢加热到奥氏体化后，保温后以大于Vk的速度冷却，获得M或B下组织的热处理工艺。50CrVA弹簧钢880淬油金相组织一、

5、淬火工艺特点1 1、淬火加热温度、淬火加热温度亚共析钢（AAC3C3+3050+3050，粗大粗大MM，性能差，变形性能差，变形。A1EGPSQA3Acm1100900700t/0.772.11Wc/%图图4-25 碳钢淬火加热温度范围碳钢淬火加热温度范围AA+Fe3CP+Fe3CF+PPF+A共析、过共析钢（0.77）AC1+3050淬火 M细+Fe3C少+AR少AcAccmcm，A A含碳量增加，含碳量增加，MMS S线降低线降低, A, AR R，硬度、耐磨性下降，钢的脆性增加。硬度、耐磨性下降，钢的脆性增加。2、淬火冷却介质由C曲线知：650以上，缓冷；650400，速冷(Vk)，不产

6、生P；300200，缓冷，减小应力、变形、开裂。MSA1时间 t温度/图426 淬火理想冷却过程常用冷却介质(Common cooling medium)水及水溶液冷却能力强，成本低，应力大，易变形、开裂。油（有机油、柴油、变压器油等）300200范围内冷速小，减小变形、开裂。650500不利于工件淬硬。二、淬火方法单液淬火：水、油双液淬火：水油M分级淬火：MS附近B等温淬火：MS以上冷处理：ARM -70-80MSA1时间 t温度/图4-27 淬火方法示意图（1） （2）（4）（3）4.3.2 钢的回火回火回火将淬火钢加热到A AC1 1下某一温度下某一温度后进行冷却的热处理工艺。目的目的降

7、低脆性，减少或消除内应力，防止变形、开裂；获得要求的力学性能；稳定工件尺寸，M、AR易分解，产生变形；高淬透性钢，空冷M，高温回火软化。 一、淬火钢的回火转变1.马氏体的分解马氏体的分解（100350）加热100以上，M中过饱和的C以-碳化物碳化物形式析出，M过饱和度降低；直到350以上，相含碳量降至平衡成分，保持针状针状。MM回回过饱和度较低的过饱和度较低的相相与极细与极细-碳化物组成碳化物组成的混合物。的混合物。晶格畸变降低，应力下降，硬度基本不变。2. 残余奥氏体的分解残余奥氏体的分解（200200300300）ArAr转化为极细小转化为极细小Fe3C颗粒。3. 碳化物的转变碳化物的转变

8、（250250400400） 加热250以上，-碳化物向Fe3C转变；到400，转变为高度弥散分布弥散分布FeFe3 3C C颗粒颗粒，相降至平衡成分。T T回回针状针状F F基体上分布细粒状基体上分布细粒状FeFe3 3C C组织。组织。应力全部消除，硬度降低。4. 碳化物聚集长大及碳化物聚集长大及相再结晶相再结晶400，极细粒状Fe3C较大粒状Fe3C，600以上迅速粗化； 相再结晶，针片状F块状F。S S回回多边形多边形F F基体上均匀分布较基体上均匀分布较大粒状大粒状FeFe3 3C C的的复相组织。复相组织。硬度明显下降。淬火钢在回火过程中的性能变化244872960120Ak/JA

9、k1002003004000500HBSHBS40020060080010001200b、S/MPab S12.525.037.550.0062.5、/%300400500600温度温度t/t/图图4-31 404-31 40钢回火温度与力学性能的关系钢回火温度与力学性能的关系 随回火温度随回火温度升高，钢的强度、升高，钢的强度、硬度下降，塑性、硬度下降，塑性、韧性上升。韧性上升。二、回火种类及应用（）低温回火（150 250），MM回回目的目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。应用应用：各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗

10、碳件等，回火后硬度一般为HRC5864。 中温回火（250500），T T回回性能性能：高的弹性极限和屈服强度，较好的韧性。 应用应用：各种弹簧和热作模具等。回火后硬度一般为HRC3550。 高温回火（500650），S回性能性能：强度、硬度较高，塑性、韧性较好，综合的力学性能。淬火高温回火，称为“调质”。应用应用：轴、齿轮、连杆、螺栓等，也可作为精密零件、量具的预备热处理。回火后硬度一般为HB200330。 100 200 300 400 500 600 700回火温度回火温度t/t/501001502002500冲击值冲击值a ak k/Jcm/Jcm-2-2图图4-32 4-32 回火温

11、度与合金钢韧性的关系回火温度与合金钢韧性的关系三、回火脆性（） 1 1）低温回火脆性（第）低温回火脆性（第一类回火脆性）一类回火脆性）在250400回火，沿M晶界析出Fe3C，冲击韧性下降。无法消除，不可逆,不在此温度范围回火。快冷慢冷2 2）高温回火脆性（第二类回火脆性）高温回火脆性（第二类回火脆性） 在450650范围内回火后缓慢冷却，某些杂质及合金元素在原A晶界偏聚，产生脆性。重新加热快速冷却，脆性消除可逆。可加入W、Mo等元素抑制晶界偏聚。铸铁柔化处理 v一种是在氧化气氛下对白口铸铁件进行退火脱碳处理，使之成为白心可锻铸铁；另一种是在中性或弱氧化气氛下，对白口铸铁件进行长时间高温退火处

12、理，使之成为黑心可锻铸铁。v河南洛阳水泥制品厂出土的战国早期的铁锛和铁铲，经金相检验表明，都是生铁铸件经柔化处理而得到的产物。其中，铁锛是白心可锻铸铁的初级阶段产品，铁铲也具有黑心可锻铸铁组织。通过它得到的可锻铸铁，既有较高的硬度，又有较好的韧性，这使生铁广泛用作生产工具成为可能。 v三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。 v中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。 4.3.3 钢的淬透性一、概念（）淬透性：钢淬火时获得淬透层深度的能力。由半马氏体区（5

13、0%的M组织）到表面的垂直距离。淬硬性：钢在淬火后能达到的最高硬度，即理想条件下形成M的最高硬度，主要取决于M的含碳量。 淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。二、淬透性的测定与表示方法末端淬火法末端淬火法测量试样距末端长度方向上硬度分布曲线用 表示45 50%M，3mm40Cr 50%M，10.5mm淬透性： 40Cr 45水12.512.52830251003图图6-35 末端淬火法末端淬火法1、淬透性对钢力学性能的影响淬透性高的钢，调质处理后从表层到心部都具有较高的强度和韧性；但淬透性低的钢，心部组织为片状P（或S），韧性较低。三、淬透性的应用1）大截面、形

14、状复杂，承受动载荷和轴向受拉、压的零件，如连杆、螺栓、锻模、锤杆等，选淬透性好的材料；2）承受弯、扭的轴类、齿轮类零件，耐磨并受冲击，应力集中在表层，选差点；3）弹簧类，交变载荷，选淬透性好；4）焊接件，易开裂，选差一点。2、应 用45号钢与轴承钢淬火温度相同（都取850度），两个材料不同为什么淬火温度一样呢 v1.先说45#加热到840-860淬火是符合我们一般意义的淬火工艺:加热到Ac3以上30-50度之间,以大于临界冷速,将A化以后的组织转变为过饱和状态的M,以达到提高材料硬度和强度的目的.2.再说GCr15的热处理,其淬火的温度也在840-860的范围,而由于GCr15的平均含Cr量是

15、1.5%,使GCr15的Ac3提高到900度左右.选择840-860度的原因在于使部分的C溶于A内,残留的C在冷却过程中不发生组织的变化,常态下弥散的C颗粒能够大大提高材料的耐磨性.如果将GCr15加热到900度以上,C就会完全溶于A中,反而会降低材料的硬度和耐磨性,这跟我们通常要求的性能是相悖的了.附加 （猎枪零件）淬火开裂原因分析v 在淬火过程中，零件内产生的热应力和组织应力是导致其开裂的主要原因。（温差所造成冷缩热胀先后不一致、各部分组织转变时间不同）v在某一时刻，当两种应力叠加后的总应力大于钢的瞬时强度极限时，则该零件就产生开裂。影响零件热应力、组织应力以及钢的强度极限的主要因素有：v

16、(1) 零件结构设计。如果零件形状不对称；截面厚度不均匀，产生突变、薄边和尖角，这些都容易造成应力集中。v( 2 ) 加热速度太快产生较大的热应力，加热温度太高造成过热，使奥氏体组织粗大，降低钢的极限强度，同时使热应力与组织应力增大。v(3 )加热温度过高，冷却速度过快都会产生较大的热应力及组织应力防止淬火开裂的方法v（1） 降低加热温度，以防出现过热而造成开裂。v（2）采用预冷淬火法.零件出炉后预冷至接近M转变温度再淬火冷却 。此种方法减小热应力，因此一般对细长的、薄的零件有较好的效果，对薄厚悬殊的零件，在一定程度上也可以起到防止开裂的作用。v（3）选择合适的冷却介质（水淬油冷/氯化锌碱液）v 盐浴炉内盐浴炉内780800加热加热5min，出炉预冷至，出炉预冷至720760后淬入氯化锌、碱液中冷却。后淬入氯化锌、碱液中冷却。实例v化学成分对化学成分对20CrMnTi 钢淬透性影响钢淬透性影响v1、碳、铬、锰对钢的淬透性的影响v 合金元素对钢的淬透性的影响是它们对钢淬火时的临界冷却速度影响的反映。 20CrMnTi钢的碳、铬、锰等元素在加热时溶入奥氏体中