热处理的基本知识

常用热处理的基本知识一.退火目的及工艺退火是钢加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织、提高加工性能的一种热处理工艺。其主要目的是减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火作好组织准备。退火工艺种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火及再结晶退火等。不同退火工艺的加热温度范围如图5.25所示，它们有的加热到临界点以上，有的加热到临界点以下。对于加热温度在临界点以上的退火工艺，其质量主要取决于加热温度、保温时间、冷却速度及等温温度等。对于加热温度在临界点以下的退火工艺，其质量主要取决于加热温度的均匀性。完全退火完全退火是将亚共析钢加热到AC3以上20〜30°C，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500r左右出炉空冷，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。它主要用于亚共析钢，其主要目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，加热温度在Acm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。等温退火完全退火所需时间很长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十小时，为了缩短退火时间，可采用等温退火。等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，钢件在加热温度保温一定时间后，快冷至Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后出炉空冷。图5.26为高速钢的完全退火与等温退火的比较，可见等温退火所需时间比完全退火缩短很多。Ar1以下的等温温度，根据要求的组织和性能而定；等温温度越高，则珠光体组织越粗大，钢的硬度越低。球化退火球化退火是使钢中渗碳体球化，获得球状（或粒状）珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析和过共析钢，其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能；同时为后续淬火作好组织准备。球化退火是将钢件加热到Ac1以上20〜30°C，充分保温使未溶二次渗碳体球化，然后随炉缓慢冷却，或在Ari以下20C左右进行较长时间保温，使珠光体中的渗碳体球化，随后出炉空冷。上述两种工艺如图5.27所示。（1分钟）对于有网状二次渗碳体的过共析钢，在球化退火之前应进行一次正火，以消除粗大的网状渗碳体。近年来，球化退火工艺应用于亚共析钢也取得较好的效果，只要工艺控制恰当，同样可使渗碳体球化，从而有利于冷成形加工。扩散退火扩散退火是将钢锭或铸钢件加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的一种热处理工艺，扩散退火加热温度通常为Ac1以上150〜300C，具体加热温度视钢种及偏析程度而定，保温时间工般为10〜15h。扩散退火后钢的晶粒非常粗大，需要再进行完全退火或正火。由于高温扩散退火生产周期长、消耗能量大、生产成本高，所以一般不轻易采用。去应力退火为了消除冷加工以及铸造、焊接过程中引起的残余内应力而进行的退火，称为去应力退火。去应力退火还能降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。钢的去应力退火加热温度范围较宽，但不能超过Ac1点，一般在500-650C之间；去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。二.正火目的及工艺正火是将钢加热到Ac3或Accm以上30〜50C，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。正火与退火主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，获得的珠光体组织较细，强度和硬度也较高。正火与退火的目的相似，但正火态钢的机械性能较高，而且正火生产效率高，成本低，因此在工业生产中应尽量用正火代替退火。正火的主要应用是：作为普通结构零件的最终热处理。作为低、中碳结构钢的预先热处理，可获得合适的硬度，便于切削加工。用于过共析钢消除网状二次渗碳体，为球化退火作妤组织准备。综上所述，为改善钢的切削性能，低碳钢宜用正火；共析钢和过共析钢宜用球化退火，且过共析钢宜在球化退火前采用正火消除网状二次渗碳体；中碳钢最好采用退火，但也可采用正火。三淬火加热温度淬火加热温度是淬火工艺的主要参数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度一般限制在临界点以上30〜50°C范围。碳钢淬火加热温度范围如图50.28所示。亚共析钢淬火加热温度为Ac3+(30〜50C)。这样可获得均匀细小的马氏体组织，若淬火加热温度过高，不仅会出现粗大马氏体组织，还会导致淬火钢的严重变形。若淬火加热温度过低，则会在淬火组织中出现铁素体，造成淬火钢硬度不足，甚至出现“软点”现象。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1+(30〜50C)。淬火后，共析钢组织为均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体;过共析钢则可获得均匀细小的马氏体加粒状二次渗碳体和少量残余奥氏体的混合组织。过共析钢的这种正常淬火组织，有利于获得最佳硬度和耐磨性。若过共析钢的淬火加热温度过高，则会得到较粗大的马氏体和较多的残余奥氏体。这不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨度性，而且会增大淬火变形和开裂倾向。对于合金钢，由于大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，所以淬火加热温度可以稍微提高一些，以利于合金元素的溶解和均匀化，从而获得较好的淬火效果。淬火冷却介质冷却也是影响淬火质量的一个重要因素。因此选择合适的淬火冷却介质，对于达到淬火目的和保证淬火质量具有十分重要的煮义。为了保证淬火能得到马氏体组织，淬火冷却速度就必须大于临界冷却速度(Vc)而快冷总是不可避免地要造成较大的内应力，以致往往要引起钢件的变形或开裂。要解决这一矛盾，理想的淬火冷却曲线应如图50.29所示。由图可知，淬火并不需要整个冷却过程都是快冷，只要求在C曲线鼻尖附近快冷；而在MS点以下则应尽量慢冷，以减小马氏体转变时的内应力。但是到目前为止，还没有找到一种淬火冷却介质能符合这一理想淬火冷却曲线的要求，也就是说，至今还没有一种十分理想的淬火冷却介质。淬火最常用的冷却介质是水、盐水和油。水是既经济又有很强冷却能力的淬火冷却介质。其不足之处是在650〜550C的范围内冷却能力不够强，而在300〜200C范围内冷却能力又偏强，不符合理想淬火冷却介质的要求。盐水的淬火冷却能力比清水更强，尤其在650〜550C范围内具有很强的冷却能力，这对尺寸较大的碳钢件的淬火是非常有利的。采用盐水淬火时，由于盐晶体在工件表面的析出和爆裂，可不断有效地打破包围在工件表面的蒸汽膜和促使附着在工件表面上的氧化铁皮的剥落。因此用盐水淬火的工件容易获得高硬度和光洁的表面，且不会产生淬不硬的软点，这是清水淬火所不及的。但是盐水在300〜200°C以下温度范围内，冷却能力仍像清水那样相当强，能使工件变形加重，甚至发生开裂。此外，盐水对工件有锈蚀作用，淬过火的工件必须进行清洗。总之，水和盐水主要适用于形状简单、硬度要求高而均匀、变形要求不严格的碳钢零件的淬火。油是一类冷却能力较弱的淬火冷却介质。淬火用油主要为各种矿物油。油在高温区冷却速度不够，不利于碳钢的淬硬，但有利于减少工件的变形。因此，在实际生产中，油主要用作过冷奥氏体稳定性好的合金钢和尺寸小的碳钢零件的淬火冷却介质。熔融状态的碱浴和硝盐浴也常用作淬火冷却介质。碱浴在高温区的冷却能力比油强而比水弱，而硝盐在高温区的冷却能力比油略弱。在低温区域，碱浴和硝盐浴的冷却能力都比油弱。因此碱浴和硝盐浴广泛作截面不大、形状复杂、变形要求严格的工具钢的分级淬火或等温淬火的冷却介质。表5.1和表5.2分别为常用淬火冷却介质水、盐水、碱水和油的冷却能力与碱浴、硝盐浴的成分、熔点使用温度。淬火冷却方法由于淬火介质不能完全满足淬火质量的要求，所以要选择适当的淬火方法，以保证获得所需要的淬火组织和性能的前提下，尽量减小淬火应力、工件变形和开裂倾向。；最常用的几种淬火方法如下：单液淬火单液淬火是将奥氏体化后的钢件淬入一种介质中连续冷却获得马氏体组织的一种淬火方法（如图5.30曲线-1所示）这种方法操作简单，易实现机械化与自动化热处理；但它只适用于形状简单的碳钢和合金钢零件的淬火。（1分钟）双液淬火双液淬火是先将奥氏体化后的钢件淬入冷却能力较强的介质中冷至接近MS点温度时快速转人冷却能力较弱的介质中冷却，直至完成马氏体转变（如图5.30曲线2所示）。这种淬火法利用了两种介质的优点，获得了较为理想的冷却条件；在保证工件获得马氏体组织的同时，减小了淬火应力，能有效防止工件的变形或开裂。在工业生产常以水和油分别作为两种冷却介质，故又称之为水淬油冷法。双液淬火法要求操作人员必须具有丰富的实践经验，否则难以保证淬火质量。（1分钟）分级淬火分级淬火是将奥氏体化后的钢件淬入稍高于MS点温度的盐浴中，保持到工件内外温度接近后取出，使其在缓慢冷却条件下发生马氏体转变（如图5.30曲线3所示）。这种淬火方法显著降低了淬火应力，因而更为有效地减小或防止了淬火工件的变形和开裂。因受熔盐冷却能力的限制，它只适用于处理尺寸较小的工件。等温淬火等温淬火是将奥氏体化后的钢件淬入高于MS点温度的盐浴中，等温保持，以获得下贝氏体组织的一种淬火工艺（如图5.30曲线4所示）。这种淬火方法处理的工件强度高、韧性好；同时因淬火应力很小，故工件淬火变形极小。它多用于处理形状复杂、尺寸较小的零件。六、回火回火是将淬火钢加热到临界点Acl以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。回火的主要目的是：降低脆性：消除或减少内应力。淬火钢存在很大的内应力，如不及时回火，往往会导致工件的变形和开裂。稳定组织和工件尺寸：回火过程中，不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为较稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。-获得要求的机械性能：钢的淬火态组织一般虽然硬度很高，但脆性也很大；可通过适当温度的回火，以获得零件所要求的强度、硬度、塑性和韧性的良好配合。（一）.淬火钢在回火时的转变与回火组织淬火钢在回火时的转变淬火碳钢在回火过程中的组织转变主要发生在加热阶段。随着回火温度的升高，淬火钢的组织变化大致可以分为四个阶段；如图5.31所示。（1分钟）1）马氏体分解当回火温度超过80°C时，马氏体开始发生分解，从过饱和a固溶体中析出弥散的且与母相保持共格联系的£碳化物。随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低;直到350C左右，马氏体分解基本结束。a相中的含碳量降至接近平衡浓度。此时的a相仍保持板条或针片状特征。（1分钟）2） 残余奥氏体转变淬火碳钢加热到200°C时，残余奥氏体开始分解，转变为£-碳化物和过饱和a相的混合物，即转变为下贝氏体或回火马氏体。a相中的含碳量与马氏体在相同的温度下分解后的含碳量相近。到300C时残余奥氏体分解基本完成。（1分钟）3） 碳化物的转变当回火温度升至250〜400C时，亚稳定的£-碳化物转变为稳定的。碳化物，即从a相中析出渗碳体。这种转变在350C左右进行较快，结果£-碳化物被渗碳体所代替，从此碳化物与母相之间已不再有共格联系。（1分钟）4） 渗碳体聚集长大和a相再结晶当回火温度升至400C以上时，渗碳体开始聚集长大。淬火碳钢经高于500C回火后，渗碳体已为粒状；当回火温度超过600C时，细粒状渗碳体迅速粗化。与此同时，在400C以上a相发生回复；当回火温度升到600C以上时，a相发生再结晶，失去板条或针片状形态，成为多边形铁素体。（1分钟）回火组织由于淬火钢在回火过程中上述转变过程的交又进行，因此得到的回火组织较为复杂，但根据回火温度范围的不同，大致可将碳钢的主要回火组织分为三类。1） 回火马氏体高碳淬火钢在150〜350C低温回火时，淬火马氏体分解为回火马氏体，它是由细小的£-碳化物和较低过饱和度的针片状a相组成，如图5.32所示。中碳淬火钢低温回火后得到的回火马氏体仍保持板条状和针片状形态。低碳淬火钢低温回火时，只发生碳原子的偏聚而无碳化物析出，其形态仍保持板条状不变。2） 回火托氏体淬火碳钢在350〜500C温度范围内回火得到的组织为回火托氏体。常见的回火托氏体是由大量弥散分布的细粒状渗碳体和针片状铁素体组成，在光学显微镜下，渗碳体颗粒难以分辨，如图5.33所示。3） 回火索氏体淬火碳钢在500〜850C温度范围内回火得到的组织为回火索氏体。它是由粒状渗碳体和多边形铁素体组成，在光学显微镜下，渗碳体颗粒能清楚分辨，如图5.34所示。（二） .回火钢的性能淬火钢在回火过程中，回火温度一一回火组织——钢的性能之间存在着一一对应关系。回火温度越高，钢的硬度越低，如图5.35所示。在200^以下回火时，由于£-碳化物的弥散析出，硬度下降甚微；而高碳钢在100°C左右回火时，硬度甚至稍有提高。在200〜250r回火时，由于残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体，高碳钢的硬度几乎停止下降。当回火温度超过250C以后，由于£-碳化物转变为渗碳体以及渗碳体的聚集长大，钢的硬度随回火温度的升高直皇直线下降。在较低温度（200-300C）回火时，因淬火引起的内应力被消除，钢的屈服强度和抗拉强度都得到提高。在300〜400C温度范围内回火时，钢的弹性极限达到最高值。进一步提高回火温度，钢的强度将迅速下降，钢的塑性和韧性一般都随着回火温度的升高而增长。在600C左右回火时，钢的塑性、韧性与强度达到良好配合，即可获得较好的综合机械性能。淬火钢经回火获得的托氏体和索氏体组织与过冷奥氏体直接分解所得到的托氏体和索氏体相比，具有较优的性能；在硬度相同时，前者具有较高的屈服强度、塑性和韧性。这主要是因为组织形态不同所致。（三） .回火种类淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为三类：低温回火回火温度范围一般为150〜250C，得到回火马氏体组织。淬火钢经低温回火后仍保持高硬度（HRC58-64）和高耐磨性。其主要目的是为了降低淬火应力和脆性。各种高碳钢工、模具及耐磨零件通常采用低温回火。中温回火回火温度范围通常为350〜500C，得到回火托氏体组织。淬火钢经中温回火后，硬度为HRC35〜45，具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的塑性和韧性。中温回火主要用于各种弹簧的处理。高温回火回火温度范围通常为500〜650C，得到回火索氏体组织，硬度为HRC25〜35。淬火钢经高温回火后，在保持较高强度的同时，又具有较好的塑性和韧性，即综合机械性能较好。人们通常将中碳钢的淬火加高温回火的热处理称为凋质处理。它广泛应用于处理各种重要的结构零件，如在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。（2分钟）（四）・回火脆性淬火钢回火时，其冲击韧性并非随着回火温度的升高而单调地提高，在250〜400°C和450〜650°C两个温度区间内出现明显下降，这种脆化现象称为钢的回火脆性，如图5.36所示。低温回火脆性淬火钢在250〜400C温度范围内回火出现的脆性称为低温回火脆性，也叫第一类回火脆性。几乎所有的淬火钢在300C左右回火时都会出现这种脆性。一般认为，低温回火脆性是由于马氏体分解在其晶界上析出断续的薄壳状渗碳体，降低了晶界断裂强度，使裂纹容易沿着晶界形成与扩展，因而导致脆性断裂。若进一步提高回火温度，可使碳化物聚集球化，从而减轻和消除界面脆化，钢的韧性又得到恢复和提高，此后，即使再一次在300C左右回火，脆性不会重新出现。因此又称低温回火脆性为不可逆回火脆性，为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。高温回火脆性淬火钢在500-650C温度范围内回火出现的脆性称为高温回火脆性，又叫第二类回火脆性。这类回火脆性主要出现在含Cr、Ni、Mn、Si等合金元素的钢中。当淬火钢在550C左右加热保温后缓慢冷却时，会出现明显的隘脆化现象，若快速冷却，脆化现象消失或受到抑制。若将已产生脆化的钢重新加热到550C左右保温并快速冷却时，可消除脆性；反之，若将已消除脆性的钢重新加热到高温回火温区，然后缓慢冷却，则脆性又会再次出现。因此高温回火脆性又称可逆回火脆性。一般认为，高温回火脆性的产生主要与Sb、Sn、P、As等有害杂质元素在原奥氏体晶界偏聚有关。这些杂质削弱了奥氏体晶界上原子间的结合，从而降低了晶界断裂强度，而Ni、Cr、Mn等合金元素不但促进上述杂质元素向原奥氏体晶界偏聚，所以增大了回火脆性倾向。在钢中加入Mo、W等合金元素，能抑制杂质元素向晶界偏聚，可有效减轻或消除这类回火脆性倾向。七、钢的淬透性淬透性是钢的一个重要的热处理工艺性能，它是根据使用性能合理选择钢材和正确制定热处理工艺的重要依据。（一）.淬透性的概念钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示