合肥庐江县城池工业炉厂
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关键词:钢,热处理,加热,保温,冷却,退火,回火,正火,淬火,马氏体,齿轮,轴,轧辊,火焰

钢的热处理
  1、 热处理的定义:主要有三点要注意,一是热处理是在固态范围内进行的,二是有三个过程(加热、保温和冷却),三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的;
  2、 热处理的实质
  3、 热处理的目的:不改变材料的形状的尺寸,改善其性能,包括使用性能和工艺性能,可以充分发挥材料的潜力,提高零件的内在质量;
  4、 热处理的应用:十分广泛;
  5、 热处理的分类:普通热处理、表面热处理、化学热处理
  6、 热处理的三要素:加热温度、保温时间、冷却速度;
第一节 钢在加热时的转变
  第一步,目的是使原始组织转变为奥氏体,所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。
  一、 钢的奥氏体化过程
  2、 要使原始组织变为奥氏体,应将钢加热到A1(727℃)温度以上;具体的,亚共析钢应加热到Ac3线以上;共析钢加热到Ac1线以上;过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。
  3、 转变过程:
  1) 奥氏体的形核和长大;
  2) 残余渗碳体的溶解;
  3) 奥氏体成分的均匀化;
  一、 奥氏体晶粒度及其控制
  1、 奥氏体晶粒大小对热处理的影响
  细小的组织力学性能高(塑性变形和再结晶一章中已学过);另外,如果奥氏体的晶粒细小,那么由其转变的产物也就细小;否则转变产物就比较粗大,或出现缺陷组织,还容易引起变形和开裂,所以要对奥氏体的晶粒大小进行控制。
  2、 奥氏体晶粒大小的表示方法
  1) 用晶粒的直径d表示;
  2) 用单位面积内的晶粒数目n表示;
  3) 用晶粒度等级G表示,一共分10级,其中一级最粗,10级最细;
  3、 奥氏体晶粒度的控制
  1) 正确制订和执行加热规范;
  2) 选用长大倾向小的钢种,如用Al脱氧的钢,以及含Nb、TI、V等元素的钢;
第二节 钢在冷却时的转变
  冷却是热处理的最后一个工序,也是最关键的工序,它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢,加热温度和保温时间相同,冷却方法不同,热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物?有什么规律呢?这就是本次课的主要内容。
  碳钢热处理时的冷却速度一般较大,大多都偏离了平衡状态(除退火外),所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析,而应使用C曲线来确定。
  一、 共析钢等温转变C曲线
  先介绍几个概念。
  等温冷却和连续冷却:过冷奥氏体:处于A1以下热力学不稳定的奥氏体,而奥氏体在A1以上是稳定的,不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。
  (一)、等温C曲线的测定(略)
  (二)、等温C曲线的结构坐标轴、线、区的含义;孕育期的问题,引出C曲线的“NOSE”,共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃,也就是说其“NOSE”出现在550℃。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大,应注意。
  (三)、转变产物
  按照不同的冷却条件,过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。
  1、 珠光体类型转变
在A1--550℃之间等温时,过冷奥氏体转变成珠光体类型组织(即都是由F和Fe3C组成 ),而且等温温度越低,组织中F和Fe3C的层片间距越小,组织越细,力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体,用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态;而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。
  这个转变是一个扩散型相变,需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。
  2、 贝氏体转变
  在550℃--Ms之间等温时,过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物,用符号B表示。在550℃--350℃之间 等温时,过冷奥氏体转变成上贝氏体(B上),呈黑色羽毛状,其中断续的碳化物分布在F片之间 ,这种上贝氏体力学性能较差,一般不用。在350℃--Ms之间等温时,过冷奥氏体转变成下贝氏体(B下),呈黑色针状或竹叶状,其中颗粒状碳化物分布在F片之上,这种下贝氏体具有较好的力学性能,应用广泛。
  3、 马氏体转变
  1)定义:当等温温度低于Ms线时,过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体,用符号M表示。
  2)形态:马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体,在显微镜下呈一束束的板条状;片状马氏体又称为高碳马氏体,在显微镜下呈黑色针状,其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体,如45钢淬火后的马氏体组织。
  3)晶体结构:由于马氏体中固溶了过饱合的碳,所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格,即高度C比宽度a大,C/a称为正方度,马氏体中的含碳量越多,正方度越大,组织转变应力越大,变形或开裂的危险也就越大。
  另一个要注意的问题是,在钢的相和组织中马氏体的比容最大,而奥氏体的比容最小,所以当奥氏体转变成马氏体时,钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。
  4) 性能
马氏体是钢中最硬的组织,马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量,与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时,马氏体的硬度不再继续升高,大约为60-64HRC.
  马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的,另外还有位错和孪晶的影响,奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。
  原来认为马氏体是一个脆性相,但近年的研究发现,低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性,因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。
  高碳马氏体仍然是脆性较大的相。
  5) 转变特点
  这里主要注意两个问题。首先,马氏体是在一个温度范围(Ms---Mf)内进行的,需要连续冷却,也就是说它不是一个等温转变。
  其次,马氏体转变具有不完全性,最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温,所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关,而Ms、Mf又与钢的成分有关,含碳量和合金元素量越多,Ms、Mf越低,残余奥氏体量越多。
  复习等温C曲线,然后做一个练习。
  转变温度 组织名称 符号 组织特征 力学性能
  727-650℃ 珠光体 P 较粗 低
  650-600℃ 索氏体 S 较细 较高
  600-550℃ 屈氏体 T 极细 很高
  550-350℃ 上贝氏体 B上 黑色羽毛状 劣
  350-230℃ 下贝氏体 B下 黑色针状 强韧性好
  230℃以下 马氏体 M 板条状或片状 硬度高
  将T8钢加热到800℃,充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织:P、S、T、B、M;
  二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线 
  首先,这两种的等温C曲线与共析钢相比,多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线,过共析钢是渗碳体转变线。
  其次,这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左,也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。
最后,先共析产物的数量与等温温度有关系,等温温度越低,先共析产物越少,有可能出现伪共析组织。
  1、 连续冷却转变C曲线
  热处理生产多为连续冷却,所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。
  (一)、共析钢连续冷却C曲线
这个曲线最明显的特点是只有半个C,也就是没有贝氏体转变,过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。
  图中Ps是珠光体转变开始线,Pf是珠光体转变结束线,K线是转变中止线,当冷却到这条线时过冷奥氏体要“休息一会儿”,直到冷却到Ms线时再继续转变。
钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变,所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变,其转变温度是在不断下降的,转变产物也在不断变化,所以连续冷却转变的产物多是混合组织。
  上图冷却后,V1是珠光体;V2是S+T+M;V3是M。
  VK是一个临界冷却速度,它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度,称上临界冷却速度,也称淬火临界冷却速度,因为淬火时冷却速度必须大于它。
一般地,钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方,即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。
  2、C曲线的应用
  确定等温热处理的工艺参数;
  确定淬火工艺参数和淬火后组织性能;
  在等温C曲线估计连续冷却时的产物。
  第三节 退火和正火
  前二节学习的内容是热处理的原理,从这一节开始学习热处理工艺,也就是具体的热处理实现方法。
  在一个零件的加工路线中,热处理起着很重要的作用,一般有两种情况,如一个齿轮:
  下料------锻造------预备热处理(退火或正火)------铣齿-------最终热处理(淬火回火)------精加工(磨削);
  其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷,如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等,同时调整硬度,为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能,如强度、硬度等。
  一、 钢的退火
  1、 定义
  2、 特点:缓冷,一般用随工业炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变,热处理后的组织接近于平衡组织,以珠光体为主。亚共析钢为F+P,共析、过共析钢为球状珠光体。
  3、 用途:降低硬度,以利于切削(比较适合的切削硬度为160---260HBS);消除内应力,稳定尺寸,防止变形或开裂;消除偏析,均匀成分;
  4、 分类:
  1) 完全退火:适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件,(目的同上)。工艺参数为:加热到Ac3+30--50℃,保温,随炉冷却到600℃出炉空冷。
  2) 等温退火:原理与完全退火相同,主要是为了缩短工艺周期,特别是对一些大型合金钢件的退火。
  3) 球化退火:适用于共析及过共析钢,目的是为了获取球状珠光体,降低这些高碳钢的硬度,以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为:加热到Ac1+30--50℃,保温,随炉冷却或等温冷却;
  4) 均匀化退火:一般用于铸件,消除偏析,使成分均匀;通常是将钢加热到固相线以下100--200℃长时间保温,使原子充分扩散。
  5) 去应力退火:属于低温热处理,加热温度一般在A1线以下,对于钢来说,大约为600℃。
  二、 正火
  将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化,然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷,对于大型零件或在炎热地区,也可用风冷或喷雾冷却。
  正火和退火的区别主要有以下几点:
  1、 正火的加热温度较高;
  2、 正火的冷却速度比退火快,热处理后的组织比退火细,先共析相数量也较少,所以正火后的性能比在退火时高;
  3、 正火的用途也和退火有所不同:
  1) 正火能提高硬度,一般用于低碳钢的预备热处理;
  2) 正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等;如过共析钢在球化退火之前,应先用正火消除网状的Fe3CⅡ;
  3) 对于一些大件,正火可代替调质作为最终热处理使用;
  第四节 钢的淬火
将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50℃,适当保温,然后快速冷却,获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。
  淬火是一种很早就应用的热处理工艺,它的目的是获得马氏体或下贝氏体,但主要是马氏体。从性能上看,它是为了强化材料,提高材料的强度或硬度。
  一、 淬火工艺
  为了获得好的淬火效果,就必须制定正确的淬火工艺参数。
  1、 加热温度
  根据钢的成分确定,亚共析钢加热到Ac3+30--70℃,共析、过共析钢加热到Ac1+30--70℃;
  根据铁碳相图进行解释。
  例如,45钢的Ac3=780℃,其淬火温度为840--860℃;
  T8、T12钢的Ac1=730℃,其淬火温度为760--780℃;
  合金钢由于合金元素的影响,加热温度比碳钢高,具体情况可以查阅热处理手册。
  2、 加热时间
  一般将升温时间和保温时间加在一起,称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题,一个是材料的均温,一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关,可按下列经验公式确定;
  τ=α×D;
  其中α是系数,一般取1—1.5;D是零件的有效厚度。
  3、 淬火冷却介质
  淬火冷却速度应大于VK,但不是越快越好,在保证大于VK的前提下应尽量缓慢,这主要是为了避免出现大的应力,引起变形或开裂。
  1) 理想淬火冷却介质
  “NOSE”处要快,以避开它,保证获得全部的马氏体组织;而在“NOSE”下面,特别是在Ms线以下要慢,以避免变形和开裂。
  但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件,(介绍常用的淬火介质)水、油、盐水、碱水等。
  二、 淬火方法
  1、 单液淬火
  碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火,它的优点是操作方便,容易实现机械化和自动化。缺点是在水中淬火容易变形和开裂;在油中容易出现软点。
  2、 双液淬火
克服单淬火的缺点,主要有水---油、油---空气等。要熟练操作需要一定的经验。
  3、 分级淬火
  主要是为了最大限度的减小内应力。常用的是在Ms线附近进行分级,适用于截面较小的合金钢件。
  4、 等温淬火
  为了获得下贝氏体,等温温度选取在稍高于Ms温度,保温足够时间,使钢发生贝氏体转变。等温淬火的好处是内应力小,组织性能高,淬火后不需要回火,如T7做的螺丝刀。
  5、 局部淬火
有些工件只要局部较高的硬度,如菜刀、凿子、卡规等,因此淬火时只将需要硬化的部位进行加热淬火。
  三、 钢的淬透性
  工件淬火时,特别是大件淬火时表面和心部的冷却速度是不一致的,如果表面和心部的冷却速度都大于V,那么工件同表及里都得到了马氏体,就是工件被淬透了;如果仅表面一定厚度的冷却速度大于V,而心部的冷却速度小于V,那么仅表面一层得到了马氏体,而心部得到了非马氏体组织,就是说工件没有被淬透;如图。淬透性就是表示材料接受淬火的能力。
  1、淬透性:钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力,是钢的固有属性。取决于VK(上临界冷却速度)。
  在实际生产中, 往往要测定淬火工件的淬透层深度, 所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下, 淬透层深度越大, 则反映钢的淬透性越好。
  2.淬硬性,钢在淬火后获得硬度的能力,取决于M中C%,
  C%↑→淬硬性↑
  3.影响淬透性的因素——VK,C曲线
  C% 亚共析钢 C%↑→淬透性↑,过共析钢C%↑→淬透性↓
  奥氏体化温度 T↑t↑→淬透性↑
  合金元素 除Co%以外,C曲线右移,↑淬透性
  未溶第二相 ↓淬透性
  4.钢的淬透性测定
  用末端淬火法测定钢的淬透性 
  淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(Φ25×100mm)加热奥氏体化后, 迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中, 喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm, 水柱自由高度65±5mm, 水温20-30℃。图2-84(a)为末端淬火法示意图。显然, 喷水端冷却速度最大, 距末端沿轴向距离增大, 冷却速度逐渐减小, 其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面, 然后从末端开始,每隔一定距离测量一个硬度值, 即可测得试样沿长度方向上的硬度变化, 所得曲线称为淬透性曲线。
  实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢, 由于化学成分和晶粒度的差异, 淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。
  根据GB225-63规定, 钢的淬透性值用 表示。其中J表示末端淬火的淬透性, d表示距水冷端的距离,HRC为该处的硬度。例如, 淬透性值 , 即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。
  淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化 
  4.淬透性的应用 
  (1)根据服役条件,确定对钢淬透性的要求——选材的依据
  (2)热处理工艺制定的依据
  (3)尺寸效应
  利用淬透性曲线, 可比较不同钢种的淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。 利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线,找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大,则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。 
  淬透性不同的钢材经调质处理后, 沿截面的组织和机械性能差别很大。图中40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体, 机械性能均匀, 强度高, 韧性好。而40Cr、40钢的都为片状索氏体+铁素体, 表层为回火索氏体, 心部强韧性差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件,要求截面机械性能均匀,应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大,心部受力较小,可选用淬透性较低的钢种。
  5-5回火 
  工件淬火后不能直接使用,主要原因有三:
  1、 马氏体是不稳定组织;另外还有一定数量的残余奥氏体;
  2、 淬火后的性能不能满足工件的使用要求,如脆性太大;
  3、 淬火后工件内部有内应力,会导致工件的变形或开裂;
  因此工件淬火后还应进行回火,(例子)。
  钢件淬火后, 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能, 将其加热到Ac1以下某一温度, 保温一定时间, 然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。
  一、回火时钢组织和性能的变化
  1、 钢组织的变化
  非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变,也就是碳以一定的形式析出;残余奥氏体也发生变化 ,它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。
  2、 钢性能的变化
  随回火温度升高,马氏体中的碳不断析出,所以钢的强度、硬度不断下降,而塑性、韧性不断升高。
  二、回火的分类和应用
  1.低温回火 
  回火温度为150℃~250℃。在低温回火时,从淬火马氏体内部会析出碳化物薄片(Fe2.4C), 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体, 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏
 
体+残余奥氏体。下贝氏体可忽略。
  低温回火的目的是降低淬火应力,提高工件韧性,保证淬火后的高硬度(一般为58HRC~64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。 
  2.中温回火 
  回火温度为350℃~500℃,得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织,叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态,渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。 
  回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度,同时也具有一定的韧性,硬度一般为35HRC~45HRC。适用于弹簧等弹性元件。 
  3. 高温回火 
  回火温度为500℃~650℃, 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织, 称回火索氏体。 
  在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质,调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能,广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件,回火后硬度大约为200~330HBS。
  5-6 钢的表面热处理 
  在生产中,有很多零件要求表面和心部具有不同的性能,一般是表面硬度高,有较高的耐磨性和疲劳强度;而心部要求有较好的塑性和韧性。在这种情况下,单从材料选择入手或采用普通热处理方法,都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理。 
仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理, 也叫表面淬火。
  一.感应加热表面热处理 
  1.感应加热的基本原理 
  感应线圈中通以交流电时,即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中,则在工件内部产生感应电流,并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应,靠近工件表面的电流密度大,而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上,而心部温度仍在相变点以下。感应加热后,采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火,淬火后进行180-200℃低温回火,以降低淬火应力,并保持高硬度和高耐磨性。 
  表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化,提高耐磨性。
  2.感应加热表面热处理的特点:
  (1) 高频感应加热时,钢的奥氏体化是在较大的过热度(Ac3以上80℃~150℃)进行的, 因此晶核多, 且不易长大。
  (2) 表面层淬得马氏体后, 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力, 显著提高工件的疲劳强度。
  (3) 因加热速度快,没有保温时间,工件的氧化脱碳少。另外,由于内部未加热,工件的淬火变形也小。
  (4) 加热温度和淬硬层厚度(从表面到半马氏体区的距离)容易控制,便于实现机械化和自动化。 
  二.火焰加热表面淬火
  火焰加热表面淬火是用乙炔-氧或煤气-氧等火焰加热工件表面,进行淬火。
  火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比,具有设备简单,成本低等优点。但生产率低,零件表面存在不同程度的过热,质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件(如大型齿轮、轴、轧辊等)的表面淬火。
钢的热处理

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