熱處理“四把火”詳解
2023-01-10 來自: 沈陽市中聯(lián)銅鋁業(yè)有限公司 瀏覽次數(shù):1903
鋼的熱處理工藝就是通過加熱
、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為制定正確的熱處理工藝提供了理論依據(jù)，其熱處理工藝參數(shù)的確定使具體工件滿足鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，以獲得所需性能。根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同
金屬加熱的物理過程
傳導(dǎo) | 加熱介質(zhì)與加熱工件表面接觸時，或受熱工件表面與心部之間 |
對流 | 依靠液態(tài)或氣態(tài)加熱介質(zhì)的分子相對運動形成的熱量傳輸(600-700℃以下) |
輻射 | 通過加熱體在高溫下產(chǎn)生的電磁波來傳遞能量的現(xiàn)象(＞700℃ |
加熱方式與加熱介質(zhì)
加熱的目的與要求
為了使鋼件在熱處理后獲得所需的性能
，對于大多數(shù)熱處理工藝，都要將鋼件加熱到高于臨界點的溫度，以獲得全部（或部分）奧氏體組織并使之均勻化，這個過程稱為“奧氏體化”。預(yù)備熱處理：退火、正火
預(yù)備熱處理目的：
（1）獲設(shè)細小均勻的組織、消除內(nèi)應(yīng)力
（2）調(diào)整硬度，便于機加工（HB170-250）
（3）為HT做好組織準備
退火和正火是生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝。大部門機器零件及工
、膜具的毛坯經(jīng)退火或正火后，不僅可以消除鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力及成分和組織的不均勻性1）鋼的退火
退火是將鋼加熱至臨界點Ac1以上或以下溫度 退火的工藝種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（AC1或AC3）以上或以下的退火 完全退火（完全奧氏體化） 完全退火是將鋼件或鋼材加熱至AC3以上20～30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼（WC=0.3％～0.6％），其目的是細化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善鋼的切削加工性。低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火、低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過共析鋼加熱至Accm以上奧氏體狀態(tài)緩冷退火時，有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌度顯著降低。 不完全退火 不完全退火是將鋼加熱至AC1～AC3（亞共析鋼）或AC1～Accm（過共析鋼）之間，經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。由于加熱至兩相區(qū)溫度，基本上不改變先共析鐵素體或滲碳體的形態(tài)及分布。如果亞共析鋼原始組織中的鐵素體已均勻細小，只是珠光體片間距小，硬度偏高，內(nèi)應(yīng)力較大，那么只要進行不完全退火即可達到降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。由于不完全退火的加熱溫度低，過程時間短，因此對于亞共析鋼的鍛件來說，若其鍛造工藝正常 不完全退火用于過共析鋼主要為了獲得球狀珠光體組織，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低強度，改善切削加工性能，故又稱球化退火。實際上球化退火是不完全退火的一種。 球化退火（不完全奧氏體化） 球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度，均勻組織，改善切削加工性，并為淬火作組織準備。 過共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當，還存在網(wǎng)狀滲碳體。不僅硬度高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時容易產(chǎn)生變形或開裂。因此，鍛后進行球化退火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關(guān)鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質(zhì)點，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火加熱溫度一般在AC1以上20～30℃不高的溫度下，保溫時間亦不能太長，一般以2～4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進行較長時間等溫。 均勻化退火 均勻化退火又稱擴散退火，它是將鋼錠 由于均勻化退火需要在高溫下長時間加熱 去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火 為了消除鑄件、鍛件 鋼的去應(yīng)力退火加熱溫度較寬，但不超過Ac1點，一般在500～650℃之間。鑄鐵件去應(yīng)力退火溫度一般為500～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接鋼件的退火溫度一般為500～600℃。一些大的焊件構(gòu)件，難以在加熱爐內(nèi)進行去應(yīng)力退火，常常采用火焰或工頻感應(yīng)加熱局部退火，其退火加熱溫度一般高于爐內(nèi)加熱。去應(yīng)力退火保溫時間也要根據(jù)工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時間為3min/mm，鑄鐵的保溫時間為6min/mm 再結(jié)晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保持適當?shù)臅r間 再結(jié)晶退火既可作為鋼材或其他合金多道冷變形之間的中間退火 名稱 目的 工藝制度 組織 應(yīng)用 完全退火 細化晶粒 加熱到AC3以上20～30℃ F＋P 亞共析鋼的鑄、鍛 不完全退火 消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度 亞共析：AC1～AC3 過共析：AC1～ACcm 改善球狀珠光體組織 過共析鋼 球化退火 降低硬度 加熱到AC1以上20～40℃ 片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙?/span> 共析、過共析鋼及合金鋼的鍛件 均勻化退火 改善或消除枝晶偏析 Ac3或ACcm以上150～300℃ 碳鋼：1100～1200℃ 合金鋼：1200～1300℃ 均化退火時間10～15h 粗大組織（組織嚴重過燒） 合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件 去應(yīng)力退火 消除殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性 加熱到500～650 ℃緩冷至200 ℃空冷 無變化 鑄 再結(jié)晶退火 消除加工硬化 加熱到再結(jié)晶溫度 變形晶粒變成細小的等軸晶 冷變形加工的制品 2）鋼的正火 正火是將鋼加熱或到Ac3（或ACcm）以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝 正火過程的實質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變 正火處理的加熱溫度通常在Ac3或ACcm以上30～50℃ 正火工藝是較簡單 改善低碳鋼的切削加工性能 碳含量Wc＜0.25%的碳素鋼和低合金鋼 消除中碳鋼的熱加工缺陷 中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄件、鍛 消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物 過共析鋼在淬火之前要進行球化退火，以便于機械加工 提高普通結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能 一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼結(jié)構(gòu)件采用正火處理 各種退火（正火）的加熱溫度范圍 3）退火和正火的選擇 鋼的含碳量C% <0.5 0.5 ～0.77 ≥0.77 HT工藝 正火 完全退火 球化退火 組 織 F+S F+P P球 正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適應(yīng)于高合金鋼 對于某些不太重要的工件，可在正火狀態(tài)使用，因為正火得到的索氏體組織具有較好的機械性能。 在滿足性能的前提下，盡可能用正火代替退火（經(jīng)濟性角度考慮）。 鋼的淬火與回火是熱處理工藝中重要、也是用途廣泛的工序 1）鋼的淬火 淬火是指將鋼加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上，保溫時間使之奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝 對淬火工藝而言，首先將鋼加熱到臨界點（Ac3或Ac1）以上獲得奧氏體組織 淬火方法 ① 單介質(zhì)淬火 其特點是工件經(jīng)加熱后，置于一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬，也就是直接淬火。 ② 雙介質(zhì)淬火 加熱好的工件先在較強冷卻的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。 ③ 分級淬火 加熱好的工件先在較強冷卻的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。 ④ 等溫淬火 工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在稍高于Ms溫度的貝氏體區(qū)下部，工件等溫停留較長時間，直到B轉(zhuǎn)變結(jié)束，取出空冷。 ⑤ 預(yù)冷淬火法 將加熱好的工件，自爐中取出后在空氣中預(yù)冷時間，使工件溫度降低一些，再置于淬火介質(zhì)中進行冷卻的一種淬火方法。 淬火工藝參數(shù)的確定 （1）淬火加熱溫度 鋼 種 加熱溫度 組 織 亞共析鋼 Ac3+（30-50）℃ A 共析鋼 Ac1+（30-50）℃ A 過共析鋼 Ac1+（30-50）℃ A+Fe3C球 （2）淬火加熱保溫時間 淬火加熱保溫時間指的是工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度算起，直到出爐為止所需要的時間。它包括工件透熱時間和組織轉(zhuǎn)變所需要的時間。 保溫時間：按照工件的厚度或者條件厚度（二者統(tǒng)稱為計算厚度）來確定。 （3） 淬火冷卻方式 冷卻是淬火的關(guān)鍵，冷卻的好壞直接決定了鋼淬火后的組織和性能。 冷卻介質(zhì)應(yīng)保證：工件得到馬氏體，同時變形小，不開裂。 鋼的冷處理 鋼的冷處理可以看成是淬火的繼續(xù)，亦即將淬火后已經(jīng)冷到室溫的工件繼續(xù)深冷至0℃以下，使淬火保留下來的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，以達到減少或消除殘余奧氏體的目的。冷處理主要是針對一些高碳合金工具鋼和經(jīng)滲碳或碳氮共滲的結(jié)構(gòu)零件，為提高其硬度和耐磨性 實踐表明 淬火介質(zhì) 鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點以下所用的冷卻介質(zhì)叫做淬火介質(zhì) 650℃以上緩冷，以降低熱應(yīng)力； 650～400℃快速冷卻，保證全部A不分解； 400℃以下緩冷，減少M轉(zhuǎn)變時的相變應(yīng)力。 對淬火介質(zhì)的要求：在500～600℃的中溫區(qū)具有冷卻快，而在低溫時具有冷卻慢。 常用淬火介質(zhì)有水、鹽水或堿水溶液及各種礦物油等。各種介質(zhì)的冷卻特性如表所示： 名稱 冷卻速度時 平均冷卻速度/℃·s-1 備注 所在溫度/℃ 冷卻速度/℃·s-1 650～550℃ 300～200℃ 靜止自來水，20℃ 340 775 135 450 冷卻速度系由Φ20mm銀球所測 靜止自來水，40℃ 285 545 110 410 靜止自來水，60℃ 220 275 80 185 10%NaCl濃度的水溶液，20℃ 580 2000 1900 1000 15%NaOH濃度的水溶液，20℃ 560 2830 2750 775 5%Na2CO3濃度的水溶液，20℃ 430 1640 1140 820 L-AN15全損耗系統(tǒng)用油，20℃ 430 230 60 65 L-AN15全損耗系統(tǒng)用油，80℃ 430 230 70 55 3號錠子油，20℃ 500 120 100 50 上述幾種淬火介質(zhì)各有優(yōu)缺點 鋼的淬透性 ① 淬透性的基本概念 淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的。其大小用鋼在條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示 淬透層的深度：規(guī)定為由工件表面至半馬氏體區(qū)的深度.同樣形狀和尺寸的工件 半馬氏體區(qū)的組織是由50%馬氏體和50%分解產(chǎn)物組成的 淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，鋼的臨界冷卻速度又 取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性 淬透性：鋼在淬火時獲得馬氏體的 淬硬性：鋼淬火后形成的馬氏體組織所能達到的硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量 ② 淬透性的實際意義 鋼的淬透性是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一 ③ 影響淬透性的因素 a. 含碳量 在碳鋼，共析鋼的臨界冷速小，淬透性好 b. 合金元素 除Co和大于2.5％Al以外 c. 奧氏體成分均勻性及晶粒度 奧氏體成分越均勻 d. 鋼中未溶第二相 鋼中未溶第二相會成為奧氏體分解的非自發(fā)形核核心，使臨界冷卻速度增大 e. 奧氏體化溫度 提高鋼材的奧氏體化溫度，將使奧氏體成分均勻 ④ 淬火缺陷及其防止 淬火時容易產(chǎn)生的缺陷是變形和開裂，其次是氧化與脫碳 a． 淬火變形與開裂 在淬火過程所發(fā)生的鋼件體積、形狀 當熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的合力超過鋼的屈服強度時