M21铁碳合金热处理

模块二铁碳合金的热处理内容一热处理的基本概念内容二退火与正火

内容一热处理的基本概念改善钢的性能，是零件加工、使用中的主要需求，且主要有两个途径：

1、调整钢的化学成分，加入合金元素，即合金化的办法；

2、钢的热处理，两者关系相辅相成。1、钢的热处理：钢在固态下，通过对其进行加热、保温以及冷却的操作，使钢的组织结构按照人们的需要发生变化，从而获得所需性能的一种工艺方法。2、热处理的特点：与铸造、锻压、焊接、切削加工不同，热处理只改变金属材料的组织和性能，而不改变其形状和大小。因而热处理工艺可用于零件、工具等制成品的处理。3、热处理的重要性：（1）提高硬度、强度、韧性、弹性、增加耐磨性。（2）改变原材料（毛坯）的切削性能，易于加工。（3）保证产品质量，延长使用寿命，提高经济效益。实际生产中，60%~70%机械零件、70%~80%的汽车、拖拉机零件、100%的各种刃具、模具、量具和滚动轴承等零件在制造中需要热处理。4、影响热处理的三大要素（1）加热温度：不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。（2）保温时间：保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。（3）冷却时间：钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。5、常见的热处理方法（3）热处理在加工过程中所处的环节中间工序：消除前道工序的某些缺陷，为后续工序做准备的热处理。如锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，消除内应力，降低工件硬度，改善切削加工性能的退火等。最终工序：获得零件所需要的使用性能的热处理如经淬火和高温回火，达到最为良好的综合机械性能等。锻造毛坯切削加工退火淬火回火中间工序最终工序6、热处理的依据热处理的依据是铁碳合金状态图。当铁碳合金加热到临界温度以上，原有的组织转变为均匀的奥氏体A后，再以不同的冷却方法使之转变为不同的组织，以获得所需性能。加热后保温一段时间，其实质是加热的继续，使工件内外温度趋于一致，铁碳合金组织充分转变。

7、热处理能够改变钢的性能的根本原因由于铁有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中发生了组织与结构的变化。

图2-2钢在加热或冷却时各临界点的位置冷却临界线——Ar1、Ar3、Arcm加热临界线——Ac1、Ac3、Accm、8、钢在加热时的转变

A1、A3、Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象，在加热时高于而在冷却时低于相图上的临界点。钢加热时常见的缺陷：1）氧化：加热时的氧化性气体（如空气、气体中O2、CO2、H2O等）氧化钢铁，在工件表面形成FeO，Fe2O3，Fe3O4等氧化物。2）脱碳：钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。3）过热：加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。4）过烧：加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。加热缺陷的防止办法1、真空加热：即将工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施。2、可控气体加热：工件加热过程中向炉内充入一定保护性气体，保证钢在不脱碳，不增碳，不氧化的气体下加热。3、盐浴加热：工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。

9.钢在冷却时的组织转变

过冷奥氏体——暂时保留在A1以下的奥氏体。

冷却方法

1）连续冷却转变——使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变2）等温冷却转变——使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1以下某温度保温，在等温下发生组织转变。

过冷奥氏体的等温转变产物组织和性能（1）高温转变（A1~550℃）：珠光体型转变

A1~650℃片层珠光体

<25HRC650℃~600℃细珠光体（索氏体

S）25~30HRC600℃~550℃极细珠光体（托氏体T）35~40HRC（2）贝氏体型转变——中温转变（550℃~Ms）

550℃~350℃（上贝氏上B）平行条状铁素体上分布细微渗碳体

40~45HRC350℃~Ms（上贝氏下B）针状铁素体分布极细小碳化物50~55HRC（3）MS线（220℃）低温转变马氏体M开始转变线

内容二退火和正火一、退火将钢加热到适当的温度，保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。退火后获得珠光体型组织。1、退火的主要目的是：

1）软化钢材以利于切削加工；2）消除内应力以防止工件变形；3）细化晶粒，改善组织，为零件的最终热处理做好准备。2、退火种类完全退火主要对象：亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件、锻件和热轧型材。工艺过程：将钢加热到Ac3线以上（30~50℃)，保温一定时间，完全奥氏体化，随炉冷至600℃以下，出炉空冷。主要目的：1）细化晶粒，消除过热组织，为零件的最终热处理做好准备；2）消除残余应力，防止变形和开裂；3）降低硬度，便于切削加工。

完全退火应注意的问题：过共析钢不宜采用：因为过共析钢在缓慢冷却时将得到二次渗碳体Fe3CⅡ

，会使钢的组织变坏；必须严格控制退火的加热温度：温度过高，奥氏体（A）晶粒将会急剧长大，冷却后仍是粗大晶粒；温度过低，钢的原始组织将不能完全转变为奥氏体组织。不完全退火工艺：将钢加热到临界温度（AC1）以上30~50℃，并在该温度保持一段时间，然后缓慢冷却的过程。目的：消除内应力，降低硬度，提高韧性，改善切削加工条件。应用：主要适用于过共析钢，但必须在锻造后，没有网状渗碳体析出或消除了网状渗碳体后方可进行。不完全退火的原理由于加热温度低于AC3或ACm，原来组织中的过剩铁素体和二次渗碳体是不发生转变的，只有珠光体P转变为奥氏体A。因此退火后得到的是片层距较大的片状珠光体，钢的硬度由此降低，利于切削。球化退火：用于过共析钢锻件和合金工具钢。工艺：将钢加热到AC1以上20~30℃，保温后，以比普通退火更为缓慢的速度（20~30℃/小时），冷却到500~600℃再出炉空冷，使钢中碳化物呈球状。作用：形成球状珠光体P，球状珠光体比片状珠光体硬度低，节省刀具；片状易磨损刀具。目的：降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作准备。原理：当钢加热到稍高于AC1时，呈现出不稳定的片状渗碳体，在温度缓慢下降时，片状渗碳体将铸件球化，转变为稳定的球状组织。即得到在铁素体基体上分布着许多颗粒状态的渗碳体（球状珠光体）。球化退火与不完全退火区别：1）加热温度略低；2）冷却速度更慢。低温退火：工艺：将钢加热到AC1以下某个温度后，保温、缓冷。特点：由于温度低于临界温度，所以组织并不发生相变。目的：消除内应力，细化晶粒，降低硬度，恢复塑性。分类：去应力退火；再结晶退火。a、去应力退火：工艺：加热到500~650℃，进行较长时间的保温，通过原子扩散及塑性变形来消除内应力，用于部分铸件、锻件及焊件。去应力退火加热温度与适用材料b、再结晶退火：工艺：加热到再结晶温度以上150~250℃（即650~750℃）后，保温空冷。目的：消除冷拔、冷轧、冷冲等产生的加工硬化现象。再结晶退火加热温度与适用材料等温退火（属高温转变）工艺：将钢件加热到AC3以上30~50℃，保温一段时间，然后较快地冷却到略低于Ar1，（一般在Ar1以下20~30℃）的温度，在此温度下等温到奥氏体全部转变为珠光体为止，取出空冷的过程。等温退火与普通退火相比有下述优点：（1）由于等温后可用任意速度冷却（一般用空冷），大大缩短了退火时间；（2）工件的氧化和脱碳倾向减小；（3）得到的组织和性能较均匀。等温退火的适用范围：亚共析钢、共析钢，特别适合于合金钢的退火处理。扩散退火工艺：将钢件加热到1100~1200℃的高温，在此温度下保持12~24小时，然后缓慢冷却的过程（一般是在炉内缓慢冷却）。目的：将钢件的化学成分均匀，所以扩散退火又称为均匀化。应用：因扩散退火成本较高，主要用于优质合金钢、铸件的退火。注意事项：扩散退火后组织晶粒很粗大，还必须进行完全退火以细化晶粒。扩散退火加热温度与适用材料二、正火定义：将钢件加热到AC3以上30~50℃（亚共析钢）或ACcm以上35~50℃（过共析钢），保温后在空气中冷却（空冷）的热处理工艺。作用：与退火（完全退火）作用相似，但冷却速度比退火快，所形成的F+Fe3C机械混合物比退火得到珠光体片层更薄，这种细珠光体组织习惯称为“索氏体S”。索氏体的强度、硬度较珠光体高，但韧性并未下降。正火的应用范围：①取代部分完全退火：低碳和含碳量较低的中碳钢用正火取代退火（占用设备时间短）。中碳合金钢，高碳钢及复杂件，正火后硬度过高，切削加工性差，且难以消除内应力，一般仍以退火为宜。正火的应用范围：②用于普通结构件的最终热处理。正火的应用范围：③用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。④用于低碳钢、低合金钢提高硬度，改善切削加工性能正火的合理选用：1）对于低碳钢或低碳合金钢，由于完全退火后硬度太低，切削加工性能不好。用正火，则可提高其硬度从而改善切削加工性能，通常采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。2）从改善切削加工性能的角度出发，中碳钢既可采用退火，也可采用正火；3）含碳0.45%～0.6%的高碳钢则必须采用完全退火改善切削加工性能；用正火可作终处理以提高硬度。4）过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。思考题：填表，说明各工艺应用特点、场合与目的低碳钢中、高碳钢过共析钢完全退火不完全退火球化退火等温退火再结晶退火去应力退火正火思考题：填表，说明各工艺方法、应用特点、场合与目的加热温度冷却方法应用钢材主要目的完全退火不完全退火球化退火等温退火去应力退火再结晶退火扩散退火正火思考题：填表，说明各工艺应用特点、场合与目的低碳钢中、高碳钢过共析钢完全退火细化晶粒、降低硬度、难切削细化晶粒、降低硬度、好切削不适用不完全退火不适用不适用硬度降低、较好切削球化退火不适用不适用硬度降低、好切削等温退火细化晶粒、降低硬度、难切削细化晶粒、降低硬度、好切削不适用再结晶退火细化晶粒、消除加工硬化细化晶粒、消除加工硬化不适用去应力退火消除内应力消除内应力消除内应力正火硬度略有提高；好切削提高硬度、好切削、可作终处理降低硬度、为球化退火作准备思考题：填表，说明各工艺方法、应用特点、场合与目的加热温度冷却方法应用钢材主要目的完全退火AC3线以上随炉冷亚共析钢细化晶粒、消除应力不完全退火AC1线以上随炉冷过共析钢细化晶粒、消除应力球化退火AC1线以上随炉冷—500~