第9章 钢的淬火与回火

热处理工程基础第九章钢的淬火与回火第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展淬火：钢加热到临界点以上，保温一定时间后快速冷却，使过冷A转变为M和B组织的工艺方法。淬火目的：提高高强度耐磨零件的硬度、强度和耐磨性；通过淬火和回火获得结构钢良好的综合机械性能；获得良好的物理和化学性能（磁性能、耐腐蚀等）A1Ms钢的淬火的分类（略）第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展一、淬透性的基本概念淬透：由于淬火时工件表面和心部的冷却速度不同导致各部分形成M趋势不同，工件在淬火时表面到心部都能获得M就是淬透。未淬透：只有表面一定厚度能形成M心部不能形成M。淬硬层：未淬透的工件中形成M的厚度层。表面表面心部淬硬层未淬透区1、淬硬层和淬透性淬透性：钢在淬火时获得M的难易程度。是钢的固有属性淬硬层厚度和淬透性之间的关系：淬硬层与钢的淬透性有关，如果同等条件下，淬透性好的钢其淬硬层的厚度就厚。淬硬层与淬透性不能等同，淬硬层还和工件尺寸、冷却介质等有关。2、淬硬性和淬透性淬硬性：钢淬火时的硬化能力，即在淬火成M时的最高硬度。淬硬性主要取决于A中C含量。淬透性好的钢淬硬性并不一定回好，两者没有明显的变化趋势关系二、淬透性的意义及影响因素1、淬透性的实际意义工件的淬透层越薄，调制处理的效果越差。（只有部分M）受力状态均匀的服役状态要求具有较好的淬透性；受力不均匀的服役状态，如弯曲和扭转，淬透性不作要求2、影响淬透性的因素总规律：C曲线的位置决定了材料的淬透性，C曲线右移提高淬透性，左移降低淬透性具体规律：除Co外的大部分合金元素提高淬透性A化温度升高，增加晶粒尺寸和均匀性，提高淬透性有未溶解的第二相存在，降低淬透性原始组织中碳化物越细小，分布越均匀越有利于提高淬透性三、淬透性评定标准与方法1、淬透性评定标准M的含量在淬火后的式样中是逐渐降低的，因此与没有M的区域并不存在明显的界限。区分比较困难，而实验发现，M含量为50%的显微组织具有非常明显的差别，并且硬度也会有较大的变化，因此用淬火钢的表面到半M区的厚度作为淬硬层厚度。2、淬透性评定方法U曲线法：l=4~6d的圆柱试样，规定条件淬火后横截面的硬度变化曲线。淬透性用淬透层深度或为淬透层直径与原始直径的比值表示临界直径法：能够淬火成中心成为半M区的最大直径被称为临界直径。用临界直径的大小表示淬透性的好坏。理想临界直径：淬火介质的淬冷烈度H无穷大时的淬火成半M区的最大临界直径。与试样的尺寸和冷却介质无关。理想临界直径和实际临界直径可以换算，评定材料的淬透性就用理想临界直径比较。末端淬火法：将试样加热到A化后利用端淬法淬火，得到离淬火端不同距离的硬度，测定材料的淬透性曲线。该方法除试样以外的所有参数都是确定的，因此可以进行直接比较材料的淬透性好坏，并且实验方法简单，应用最广泛表示方法：JHRC/d，如J40/6即距末端6mm处的硬度为40HRC四、淬透性曲线的应用1、根据淬透性曲线求圆棒工件截面上的硬度分布2、根据硬度要求，选择钢种和热处理工艺3、根据淬透曲线确定钢的临界淬透直径得到半M区的硬度根据硬度和淬透性图得到与端淬的距离根据淬透性的线解图得到临界直径第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展一、淬火介质的分类与要求淬火时发生物态变化的介质水、油、水溶液等沸点低于淬火温度的介质，这些介质在淬火过程中回气化沸腾，使工件强烈散热，此外还可以以其它方式进行热交换（传导，对流等）淬火时不发生物态变化的介质主要有熔盐和熔融金属等介质，气化温度高，不会气化，只能以辐射、传导和对流的方式热交换选用淬火介质的要求：满足冷却速度的要求，无毒，无污染，便宜，对工件影响较小的淬火介质二、有物态变化的淬火介质1、冷却特性与冷却机制冷却特性：试样温度与冷却时间或试样温度与冷却速度之间的关系。测定：首先测出温度——时间曲线，把温度——时间曲线求导可得冷却速度——温度曲线工件淬火过程的三个阶段：（1）蒸汽膜阶段：高温工件与介质接触时放出大量的热导致介质气化，形成蒸汽膜，蒸汽膜的导热慢使得降温缓慢。继续放热使得蒸汽膜厚度增加。进一步冷却使得蒸汽膜的厚度和稳定性降低，知道消失。蒸汽膜破裂的温度成为淬火介质的“特性温度”（2）沸腾阶段：蒸汽膜破裂后，介质与工件直接接触发生剧烈沸腾，使得冷却速度很快，随工件的温度降低，冷却速度逐渐减低。（3）对流阶段：工件的温度降低到介质沸点以下后，只能以对流的方式冷却工件，此时的冷却速度比较慢。2、常用淬火介质（1）水优点：便宜、安全、清洁、冷却能力较强缺点：冷却能力对水温很敏感、碳素钢的鼻尖温度区的冷却速度较慢、不溶或微溶杂质会显著降低冷却能力。（2）盐水或碱水盐水主要是5%~10%的NaCl，其特点是：能提高水的冷却能力，尤其是提高500~600℃区间的冷却速度。盐在形成蒸汽膜时会在工件表面析出并爆炸，因此缩短蒸汽膜阶段的时间。但是对较低温度的冷却速度影响不大。碱水一般是5%~15%的NaOH，其特点是：高温区的冷却速度比盐水高，低温度比盐水低。可得到较高并且均匀的硬度，降低工件变形和开裂的趋势（3）油优点：沸点比水高，对流温度的开始温度较高，Ms一般都小于油淬的对流温度。因此可以减小变形和开裂的趋势缺点：中文区的冷却速度太小，只适用与合金钢或小尺寸工件的淬火适当提高油温可以降低油的粘度从而增加油的冷却能力，但油温不能太高，因为一般淬火油的闪点在150~200℃之间，以免发生着火闪点：油表面的蒸汽和空气混合时与火接触而出现火苗闪光的温度3、淬冷烈度以18℃静止水的冷却能力为标准，其淬冷烈度H=1，淬冷烈度越大表面冷却能力越大。搅动可以较大幅度的提高淬火介质的淬冷烈度H各种材料的淬冷烈度见表9-2和9-3三、无物态变化的淬火介质无物态变化的淬火介质主要是通过传导和对流，因此当工件的温度比介质高时，冷却能力较强，接近介质温度时，冷却能力很弱。主要用于分级淬火和等温淬火。四、其它新型淬火介质过饱和硝盐水溶液：25%NaNO3+20%NaNO2+20%KNO3+35H2O水玻璃淬火剂：不同浓度的水玻璃水溶液氯化锌——碱水溶液：有机聚合物水溶液第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展淬火是工件强化的最重要的工序，一般都是工件的最终热处理。因此不但要求得到良好的组织和性能还要求淬火后工件的形状和尺寸都不发生变化。因此淬火比退火、正火等热处理工艺都复杂，必须考虑M、B的相变规律进行工艺设计一、淬火加热规程加热规程包括热处理过程的加热温度、加热速度和加热时间三个工艺参数。1、淬火加热温度一般在临界点以上30~50℃，亚共析钢在A3以上30~50℃，共析钢和过共析钢在A1以上30~50℃。形状复杂、易变性和开裂的工件应选择加热温度的下限低合金钢的淬火加热温度一般应为A1(或A3)+50~150℃中、高合金钢的淬火温度要考虑合金元素的溶解和再分配碳钢的淬火温度应随着碳含量的增加而相应的降低淬火温度2、加热和保温时间加热与保温时间由三部分组成：工件入炉后炉温达到指定温度的时间、工件烧透时间和组织转变时间生产中常用加热系数来估算时间：t：炉温到达指定温度后的时间3、加热速度对易变性和小工件最好材料较小的加热速度或阶梯升温二、淬火冷却方法单液淬火将A化后的工件直接淬入一种淬火介质中连续冷却至室温的方法双液淬火先后在两种淬火介质中进行冷却的方法。如水——油、油——空气等。目的是在A转变的鼻尖温度快速冷却，在Ms后缓慢冷却，以减少变形和开裂喷射淬火向工件喷射水流的方法，主要用于局部淬火。不会形成蒸汽膜，因此淬硬层较深分级淬火将A化后的工件首先淬入略高于Ms点的盐浴或碱浴中，待工件的内外温度一直后，再空冷至室温。保证工件得到均匀的M组织，并降低变形和开裂趋势。不适用与大尺寸工件等温淬火将A化后的工件淬入Ms点以上温度的盐浴中足够长的时间，保证完全转变成下贝氏体组织，然后空冷的淬火工艺。冷处理由于Mf低于室温，淬火冷却至室温时M或B转变不完全，因此需要将淬火后的工件继续深冷到零下温度“冷处理”。冷处理必须在淬火后及时进行第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展

低温回火（碳钢）回火温度：150～250℃之间回火目的：降低应力和脆性，使钢具有高硬度、强度和耐磨性回火组织：回火马氏体应用：要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。回火工艺中温回火回火温度：350～500℃之间回火组织：回火托氏体/回火屈氏体回火目的：内应力完全消除，具有高的弹性极限应用：各种弹簧件弹簧钢通过淬火处理+中温回火处理，可以获得回火屈氏体，在保证获得良好的弹性极限基础上，还具有良好的韧性和塑性。高温回火回火温度：500～650℃之间组织：回火索氏体性能特点：工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学性能。应用中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。合金化元素对回火的影响1.提高钢的回火抗力：合金化元素不会改变回火过程相变，然而，它们可以延缓回火时各种转变，将其推向更高温时发生，即提高回火抗力。碳钢在300℃回火，马氏体分解完毕；而合金钢中的马氏体需要在350℃，甚至500－600°C才能完全分解。强碳化物形成元素Cr、W、V、Nb、Ti等显着提高碳原子在马氏体中扩散激活能，阻碍碳在马氏体中的扩散。2.延缓残余奥氏体的分解碳钢中的残余奥氏体在200－300°C分解合金钢中的残余奥氏体需要在更高的温度下发生分解，即合金化元素提高了残余奥氏体的稳定性。3.回火脆性的影响第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展钢的表面淬火一、感应加热表面淬火1.感应加热的原理和工艺利用电磁感应原理，在工件表面产生大感应电流（涡流），使表面迅速加热到A状态，随后快速冷却获得M的淬火方法。电流透入深度δ（mm）：涡流强的有表向内降低至I0/e处的深度。δ和感应电流频率f有关，钢在800~900℃之间的电流透入深度和20℃的电流透入深度分别为根据感应加热的频率，可将感应加热表面淬火分为三类：高频感应加热表面淬火：80~1000KHz，表面硬化层厚度约为0.5~2mm，主要用于中小模数齿轮和小尺寸轴类零件中频感应加热表面淬火：2500~8000Hz，硬化层厚度3~6mm，用于要求淬硬层较深的零件工频感应加热表面淬火：50Hz，10mm以上的硬化层深度，用于大尺寸钢件的穿透加热和要求淬硬层厚度较深的大工件。感应加热表面淬火一般不用保温，但淬火温度比普通淬火温度高处几十到几百度不等淬火方式一般用喷射冷却法2.感应加热表面淬火的特点升温速度快，保温时间短。A晶粒细化工件表层强度高，并存在很大的残余压应力提高疲劳强度和降低缺口敏感性得到的工件的耐磨性比普通淬火的高。（A晶粒细化所致）冲击韧度和淬硬层深度与心部的原始组织有关。加热快不保温，工件不产生氧化和脱碳，并且淬火变形小淬火层深度容易控制，适用于形状简单的机器零件的批量生产主要用于含C0.4%~0.5%的中碳钢和中碳合金钢二、激光加热表面淬火激光主要特点：高方向性、高亮度性、高单色性方法：是用激光束扫描工件表面，使工件表面迅速加热到钢的临界点以上，而当激光束离开工件表面时，由于基体金属的大量吸热，使表面急速冷却，而无需冷却介质。淬硬层深度：0.3—0.5mm应用：形状复杂的工件，如工件的拐角、沟槽、盲孔底部或深孔的侧壁进行处理。第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展淬火缺陷与防止一、淬火应力1.热应力工件冷却时由于表面和心部的收缩不均匀而造成的内应力。2.组织应力表层和心部的冷却速度不同，使得发生M相变的不同时，在表面发生M相变时，心部还没有M转变，从而产生内应力，称为组织应力。二、淬火变形1.淬火变形的基本规律2.影响淬火变形的因素钢的化学成分与原始状态。通过影响M的比体积、Ms点和淬透性影响淬火变形热处理工艺提高淬火温度导致在淬火时的热应力和组织应力增加，使得变形增加工件的形状和尺寸形状越复杂变形越大，尺寸越大变形越大三、淬火开裂1.裂纹的类型纵向裂纹横向裂纹网状裂纹剥离裂纹显微裂纹2.淬火裂纹的原因原材料缺陷：气孔、大块的金属间夹杂物、碳化物的偏析和合金元素的偏聚等锻造缺陷：锻造裂纹，锻造引起的应力等热处理工艺不当：加热温度过高，导致A晶粒粗大，材料脆化，易产生裂纹加热速度过快，各部温度不均易导致裂纹Ms以下冷却过快导致开裂回火温度过低、时间过短或回火不及时导致开裂零件设计与加工的不合理引起应力集中而导致开裂四、减少淬火变形和防止淬火开裂的措施正确选材和合理设计：对于形状复杂的零件尽量采用淬透性好的钢材；形状设计尽量减少尺寸突变，尖角等易产生应力集中的形状正确锻造和预备热处理：在锻造之间用中间热处理去除应力和缺陷采用合理的热处理工艺和方法：合理设计加热速度，保温温度、冷却速度，和冷却方式，降低和防止热应力和组织应力的产生第一节钢的淬火与分类第二节钢的淬透性第三节淬火介质第四节淬火工艺第五节回火工艺第六节钢的表面淬火第七节淬火缺陷与防止第八节淬火工艺的新发展新工艺的发展一、A晶粒的超细化处理超细化处理：把钢的A晶粒细化到10级以上的处理目的：提高强度，塑性和韧性，降低韧脆转变温度具体方法：超快速加热法：用超快速加热的方法细化晶粒，硬度和耐磨性能显著提高快速循环加热淬火法：快速加热到Ac3温度以上短时保温后迅速冷却，然后再重复快速加热和冷却，使转变→γ→

循环进行从而逐步细化A。(P188图9-19)

影响因素：碳化物越细小，加热速度越快，最高加热温度越低，细化效果越好

注意：循环次数并不是越多越好，有一个极限二、碳化物的超细化处理钢的弥散强化主要是碳化物的颗粒大小和分布决定，因此碳化物的状态对高碳钢的性能非常重要。碳化物的超细化是对毛坯预备热处理是其中的碳化物超细化。主要方法：高温固溶+淬火+高温回火（高温调制处理）高温固溶后淬火可以抑制先共析碳化物的形成，并在淬火后得到缺陷（空位、位错）较多。再经过回火热处理后就可以得到细小球状碳化物弥散的分布于铁素体基体上高温固溶+等温处理第1中方法虽然能够细化碳化物，但是高碳钢由于C含量较多，晶格畸变较大，M和A的体积差较大，因此在淬火时会形成较大淬火应力容易引起变形和开裂。高温固溶+等温处理：即首先在较高温度固溶得到均匀的A，但是不淬火而是直接转移到不同的温度等温得到细片状P或者B组织，然后淬火+回火双细化处理：碳化物超细化和A超细化依次进行。三、控制M、B组织形态及其组成的淬火高碳钢的低温短时加热淬火片状M强度高，塑性低板条M强度较高，塑性较好高碳钢+普通固溶淬火如何得到板条M?降低A中的C含量，因此把淬火温度降低到Ac1到Accm之间，并且保温时间缩短，就会使得C以碳化物的形式存在，从而得到板条的M，提高高碳钢的韧性希望得到板条M片状M得到M+B符合组织的淬火组织：M+B复合组织性能：同时具有M的高强度和B的高韧性。原因：下B的存在割裂了原A晶粒，因此减小了M的尺寸。有利于增加材料的强度；解理裂纹扩展时遇到M和B的界面就会转变方向，从而增加了裂纹扩展的阻力。有利于增加材料的塑性（P189图9-20）如何得到M+B复合组织？四、保留适当数量塑性相得淬火塑性相：F、A保留方法：1.亚共析钢的亚温淬火（+γ两相区淬火）目的：提高韧性、降低韧脆转变温度、抑制第二类回火脆性要求：原始组织不能有大块的F存在预处理：正常淬火或调质处理影响性能的原因：（1）晶粒细化和杂质偏聚浓度减少温度低、未溶解的碳化物存在降低A的晶粒尺寸；F的存在增加F/A界面，降低杂质偏聚浓度；F本身是塑性相增加塑性（2）杂质元素在和γ相中的再分配钢中的杂质元素可分为稳定γ相元素和稳定相元素，在加热时稳定γ相元素将会聚集在γ相中，而稳定相元素将会聚集在相中，这样很多引起回火脆性的元素在γ相中的浓度降低，即淬火后M中的杂质元素减少，因此降低回火脆性（3）较少回火时碳化物的晶界析出在含有与C亲和力强的元素时，在两相区加热时会有微量细小的弥散碳化物。回火时称为形核质点，降低晶界处形核2.控制残A形态、数量和稳定性的热处理残A的作用：阻碍裂纹的扩展使裂纹前沿发生应力松弛可能诱发M转变增加强度提高强韧性控制残A的方法：调整淬火温度调整冷却速度调整回火工艺疲劳寿命残A含量淬火介质温度五、钢的形变热处理形变热处理：钢的形变强化和热处理强化有机结合在一起的复合强化工艺。作用：提高钢的强度，同时提高塑性和韧性，简化工艺，节约能源分类：按形变与相变的先后分：相变前形变；相变中形变；相变后形变按形变温度：高温形变热处理；低温形变热处理按相变类型：P形变热处理；B形变热处理；M形变热处理等1.高温形变热处理在再结晶温度