钢铁材料热处理.docx

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钢铁材料热处理

金属材料热处理

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第4篇结构合金的热处理

287

第4篇结构合金的热处理

结构合金是现代工业最重要的基础材料，用于所有的工业领域和日常生活。

按其重要性和用量，结构合金主要指钢铁、铝合金、镁合金、钛合金和粉末冶金材料。

结构合金的使用以其力学性能为基础。

由于使用环境不同，结构合金在服役过程中与环境介质存在着相互作用，因此对其物理性能和化学性能，例如耐蚀性、抗氧化性、抗辐照性也有一定的要求。

结构合金的热处理以获得最理想的微观结构和最优化的力学性能及物理化学性能为目的。

本篇介绍典型结构用合金的热处理工艺。

钢铁材料热处理

第12章

钢铁是铁与C（碳）、Si（硅）、Mn（锰）、P（磷）、S（硫）以及少量的其它元素所组成的合金。

它是工程技术中最重要，用量最大的金属材料（含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁）。

12.1钢铁材料概述

12.1.1钢的分类

钢的种类繁多，分类方法也各有不同,最常用的分类方法有以下两种。

1.按化学成分分类

（1）碳素钢

钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素，按其含碳量的不同可分为：

低碳钢，碳的质量分数WC≤0.25％；中碳钢，碳的质量分数WC>0.25％~0.60％；高碳钢，碳的质量分数WC>0.60％。

（2）合金钢

为了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上，加入一些合金元素而炼成的钢称合金钢。

如铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢等。

按其合金元素的总含量，可分为低合金钢，合金元素的总含量≤5％；中合金钢，合金元素的总含量5％~10％；高合金钢，合金元素的总含量>10％。

2.按钢的用途分类

（1）结构钢

结构钢有建筑及工程用结构钢，简称建造用钢。

它是指用于建筑、桥梁、船舶、锅炉或其他工程上制作金属结构件的钢。

如碳素结构钢、低合金钢、钢筋钢等；机械制造用结构钢，是指用于制造机械设备上结构零件的钢。

这类钢基本上都是优质钢或高级优质钢，主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、易切结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。

（2）工具钢

工具钢一般用于制造各种工具，如碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢等。

按用途又可分为刃具钢、模具钢、量具钢

（3）特殊用途钢

特殊用途钢是具有特殊性能的钢，如不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、高电阻合金钢、耐磨钢、磁钢等。

按用途分类的钢种，可以通过钢牌号进行识别。

如：

Q235表示屈服点为235MPa的碳素结构钢；45钢表示平均碳含量约为0.45%的优质碳素结构钢；18Cr2Ni4WA，表示平均碳含量约为0.18%、Cr含量1.5％~2.5％、Ni含量3.5％~4.5％、W含量0.5％~1.5％的高级优质合金结构钢；T8表示平均碳含量约为0.8%的碳素工具钢；9SiCr表示平均碳含量约为0.9%、Si含量0.5%~1.5%、Cr含量0.5%~1.5%的合金工具钢；Cr12表示平均碳含量≥1.0%、Cr含量≥12%的合金工具钢。

专门用途的结构钢，钢号冠以前缀（或后缀）代表该钢种的用途。

例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。

汽车大梁的专用钢种为16MnL，压力容器的专用钢种为16MnR。

12.1.2铸铁的分类

铸铁具有优良的工艺性能和使用性能，生产工艺简单，成本低廉，因此应用广泛。

按质量计算，在机床和重型机械中铸铁件占60%~90%，在农业机械中铸铁件占40%~60%，在汽车、拖拉机中铸铁件占50%~70%。

工业用铸铁是以铁、碳、硅为主要组成元素并含有锰、磷、硫等杂质的多元合金。

普通铸铁的成分大致为2.0%~4.0%C、0.6%~3.0%Si、0.2%~1.2%Mn、0.1%~1.2%P、0.08%~0.15%S，均为质量分数。

有时为了进一步提高铸铁的性能或得到某种特殊性能，还加入Cr、Mo、V、Al等合金元素或提高Si、Mn、P等元素含量，这种铸铁称为合金铸铁。

铸铁的分类方法较多，主要有以下两种。

1.按铸铁的断口特征分类

（1）灰口铸铁（灰铸铁）

这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中。

（2）白口铸铁

白口铸铁组织中完全没有石墨，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。

由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁。

冷硬铸铁常用于轧辊，特别是冶金轧辊，此外，还用于柴油机挺杆、拖拉机带轮、碾砂机走轮等。

（3）麻口铸铁。

麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用。

但通过适当的热处理可以明显地改善合金的组织形貌和性能，提高使用范围。

2.按铸铁的石墨形态分类

（1）灰铸铁（灰口铸铁）

灰铸铁（灰口铸铁）中的石墨呈条片状。

基体形式为：

铁素体、珠光体、珠光体加铁素体。

（2）蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的石墨呈蠕虫状。

（3）球墨铸铁

球墨铸铁的石墨球呈状。

（4）可锻铸铁。

可锻铸铁的石墨呈团絮状。

按石墨形态分类的铸铁，可以通过钢牌号进行识别。

例如，HT200代表灰铸铁，最低抗拉强度为200MPa；RuT420代表蠕墨铸铁，最低抗拉强度为420MPa；QT-400-18代表球墨铸铁，最低抗拉强度为400MPa，延伸率为18%；KTH-300-06代表黑心可锻铸铁，最低抗拉强度300MPa，最低延伸率为6%。

12.2碳素结构钢的热处理

热处理工艺的制订是根据材料服役状态下的性能要求所决定。

碳素结构钢主要用于制造机器零件，这类钢必须同时保证化学成分和力学性能。

一般都要经过热处理以提高力学性能。

Q235B钢是国内最常见的碳素结构钢之一，具有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，价格低廉，能够胜任大多数对性能要求不高的产品，广泛用于一般机械零件的制造、建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。

Q235B钢也是制造法兰环件的主要材料，现以铸辗复合成形工艺生产的法兰件为例，介绍碳素结构钢的热处理工艺。

表12-1给出了Q235B的化学成分。

通过JMatPro软件模拟出Q235B钢的连续冷却转变图如图12-1所示。

从连续冷却转变图得到此钢的Ac3=822．5℃等相关数据作为制定热片工艺的依据。

表12-1Q235B钢的化学成分（质量分数，%）

图12-1Q235B钢连续冷却转变图

法兰环件的加工工艺流程如下：

下料→正火→成形→淬火、回火→精磨。

其热处理工艺要求为淬火、回火后，抗拉强度≥500MPa,屈服强度≥350MPa，断后伸长率≥25%，断面收缩率≥45%。

下面对其热处理工艺进行简要说明。

1.正火

从化学成分表12-1可知，Q235B是低碳结构钢。

一般低碳钢和中碳结构钢多采用正火作为预备热处理，目的是细化晶粒、调整钢的硬度、改善切削加工性能，同时改善锻造组织、消除锻造应力。

根据Q235B钢的Ac3=822．5℃，从降低能耗来考虑，正火温度选择在相对较低的温度860℃，保温时间2h。

加温、保温后出炉空冷。

正火后的组织为由大量的块状铁素体、少量的珠光体和少量的粒状贝氏体组成。

如图12-2所示。

图12-2Q235B钢正火组织

2.淬火

淬火是为了得到晶粒细小的马氏体组织，再经过回火后，使工件获得良好的使用性能。

低碳钢奥氏体稳定性较差且淬透性较低，要想获得较高硬度的马氏体组织，必须要在加热后快速进行淬火冷却且宜选用具有较大的冷却能力的淬火介质。

因此法兰环件选用在10%NaCl水溶液中冷却。

由于正火工艺制定的热处理参数中，淬火温度为860℃，为了选择最佳热处理工艺参数，淬火参数选择了分别加热860℃、900℃，保温时间1h，淬火后进行组织观察。

图12-3为Q235B钢860℃和900℃加热、保温时间1h，淬火后的SEM组织。

从图12-3中可观察到，860℃温度下淬火温度，原始组织未能全部溶解，马氏体板条束不明显。

在900℃淬火后，原始组织充分溶解，奥氏体成分均匀化，马氏体单元形态呈细长板条状，定向的相互平行的排列，构成一个马氏体束。

所以选择900℃作为淬火温度。

图12-3

Q235B钢经过不同温度淬火后的SEM组织

（a）860℃;（b）900℃

3.回火

在生产实际中，相同材料制备的同一类工件，在不同服役条件下其性能指标要求不同。

有时要求在保证基本强度、硬度条件下，获得最高塑、韧性；有时要求在保证基本塑、韧性条件下，获得最高强度、硬度。

因此，生产实际中的工件都是通过淬火后的回火工艺参数来调控，得到所需要的力学性能指标。

一般来说，硬度要求和工件大小可以决定回火保温时间的长短。

在本例中，根据法兰环件的尺寸，选择回温保温时间为2h，因为Q235B是碳素结构钢，高温回火脆性不明显，所以回火后选择空冷。

在确定900℃、保温1h淬火，回温保温时间为2h、空冷后，试验、检测经不同温度回火后的Q235B钢的性组织与性能。

Q235B经过不同温度回火的SEM组织如图12-4所示，钢的强度、塑韧性如图12-5所示。

在12-4图中，200℃回火的SEM组织中不能明显观察到碳化物颗粒，400℃、600℃、680℃回火的SEM组织中能明显观察到碳化物颗粒，且随回火温度提高，回火组织中的碳化物明显球化并进一步长大。

比对分析图12-4，图12-5可得出，Q235B的性能与不同回火温度下的组织转变相关。

当回火温度为200~400℃时，马氏体发生分解，从马氏体中析出细小的ε碳化物，同时使马氏体过饱和度下降（因ε碳化物尺寸太细小，图12-4的SEM组织中难以观察到）。

回火温度为400℃时，回火马氏体转变为回火托氏体，在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗碳体组织。

当回火温度提高到600℃、680℃时，碳化物不断增多，且球化并进一步长大。

由于细小碳化物的析出显著提高钢的强、硬度，但粗大碳化物对强、硬度提高不明显，因此随着回火温度的升高，Q235B钢的抗拉强度和屈服强度先上升后下降，回火温度为400℃时达到峰值，随后强度明显下降。

另一方面，随着碳化物析出，降低了基体碳的过饱和度，减缓了基体畸变应力等原因，使Q235B钢在200～680℃回火温度范围内，伸长率和断面收缩率都随回火温度的升高显著增大。

Q235B钢经图12-6所示的热处理工艺后，满足性能指示要求。

图12-4不同回火温度后Q235B钢的显微组织

（a）200℃;（b）400℃;（c）600℃;（d）680℃

图12-5回火温度对试验钢力学性能的影响

图12-6Q235B钢热处理工艺

12.3合金工具钢的热处理

合金工具钢中一般都会加入Cr、W、Mo、V、Si、Mn、Ni、Co等合金元素，以适应不同用途的需要。

因合金含量高，所以淬透性高，形成的合金碳化物显著地提高了钢的耐磨性、热稳定性，并具有一定的强度和冲击韧性。

用于量具、刃具的低合金工具钢的热处理制度大体上与碳素工具钢相似，热处理工艺普通采用淬火、低温回火。

由于它含有提高淬透性的合金元素，一般采用油淬。

对于变形要求严格的工具可采用硝盐分级淬火，也可等温淬火。

对尺寸稳定性要求高的量具，还需要进行冷处理或采用较长时间的低温回火或时效处理，以得到稳定的回火马氏体,并使未转变的残余奥氏体稳定化,使工具的残余应力消除或使状态稳定。

用于高速刃具的工具钢可分为三种基本系列:

低合金高速工具钢,普通高速工具钢,高性能高速工具钢。

高速工具钢的工艺性能好，强度和韧性配合好，因此主要用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，也可制造高温轴承和冷挤压模具等。

高速钢组织中有大量高硬度碳化物,具有高强度、高硬度、高耐磨等优点。

W18Cr4V高速钢是一种合金元素（W、Cr、V等）含量极高的钢材，具有较高的红硬性和硬度，同时回火稳定性及耐磨性也非常好，应用非常广泛。

本小节以W18Cr4V钢为例，介绍合金工具钢的热处理工艺。

W18Cr4V高速钢合金成分见表14-2。

表12-2W18Cr4V高速钢化学成分（质量分数，%）

1.预备热处理

由于高速钢W18Cr4V合金元素含量高、导热性差，淬火前必须进行预备热处理，以防止快速加热产生的应力集中，降低缺陷的产生。

此外，预备热处理能降低硬度、细化晶粒。

W18Cr4V常见的预备热处理工艺如表12-3所示。

预备热处理的选择，通常根据零件形状决定。

简单形状的零件可采用一次中温预热；形状复杂或厚件采用低中温两次预热，也可以采用三次预热;预热时间与淬火加热保温时间大体一致。

W18Cr4V在中温预热时，索氏体向奥氏体的转变在较低温度范围内预先发生，形成含碳量很低的奥氏体;在高温预热时，二次碳化物向奥氏体中溶解，奥氏体中含碳量及合金度增加，碳原子扩散，使奥氏体晶粒内部各处碳浓度逐渐均匀，但奥氏体晶粒不断长大。

W18Cr4V钢预备热处理后的组织，为均匀的索氏体和碳化物，如图12-7所示。

表12-3W18Cr4V常见的预备热处理工艺

图12-7W18Cr4V钢预备热处理后的金相组织（×200）

2.淬火

预热后的W18Cr4V钢在淬火保温过程中，碳溶入基体，提高淬透性和硬度;钨元素一部分与碳形成合金碳化物，提高耐磨性，另一部分固溶于基体，提高抗回火稳定性和红硬性，在高温下可预防晶粒长大;铬溶入奥氏体中增加稳定性，显著提高钢的回火稳定性和淬透性;钒提高红硬性和耐磨性，形成稳定的碳化物，高温状态不易固溶;钼诱发二次硬化，提高红硬性。

因此需要选取合适的淬火保温温度。

淬火温度越高，会增加碳化物及合金元素（W、Mo、Cr、V）的溶入量，提高耐磨性、红硬性、切削寿命;但温度过升高，则钢的晶粒粗化，导致钢的强度和韧性下降。

为使基体获得尽可能高的合金化，保证具有好的耐磨性、硬度和红硬性，W18Cr4V钢一般正常淬火温度选择在低于熔化温度约20～40℃区间（1270～1290℃）。

选择淬火温度1270、1275、1280、1285℃进行试验，保温时间为10s/mm，空冷。

淬火冷却后的硬度值与晶粒度如图12-8。

从图12-8可观察到，随着淬火温度的提高，硬度逐渐下降。

这是因为淬火温度越高，钨钼碳化物以较快速度溶解到奥氏体中，奥氏体及马氏体中的碳和合金元素含量逐渐增加，这时钢的硬度理论上应该增加，但奥氏体中合金含量的提高使马氏体的转变温度点（Ms）降低，淬火后高速钢的残余奥氏体含量增加，导致硬度下降。

淬火温度继续提高，由于合金碳化物完全（或大部分）溶入奥氏体中，阻碍晶粒长大的作用消失。

因此超过1285℃时晶粒出现明显长大，出现过热过烧等现象。

图12-8不同温度淬火后高速钢的硬度与晶粒度

综合考虑不同淬火温度下W18Cr4V的组织与性能，1275℃为最合理的淬火温度。

图12-9为W18Cr4V钢在1275℃保温时间为10s/mm，空冷淬火后试样的金相组织，由马氏体、残余奥氏体及粒状碳化物组成。

图12-9W18Cr4V钢在1275℃淬火后的金相组织（200×）

W18Cr4V钢淬火冷却速度的选择有如下特点：

由于合金元素含量高，较快的淬火冷却速率可能会诱发奥氏体转变为马氏体过程中产生大量内应力，导致工件开裂、变形。

但冷却速率不宜过慢，否则碳化物从过饱和的奥氏体中析出，降低奥氏体的合金度，导致淬火后的红硬性和韧性下降。

在生产实际中小尺寸的工具可采用空冷，而形状复杂的大型工具或变形要求较严的工具则采用盐浴等温淬火。

3.回火

淬火冷却后的W18Cr4V钢需及时回火。

目的是达到最佳的碳化物二次析出硬化效应、残留奥氏体充分转变和残留应力彻底消除。

图12-10是1275℃保温时间为10s/mm，空冷试样在不同温度回火后的硬度值。

从图12-10可观察到560℃为硬度最高的回火温度。

但其金相组织中后可检测到淬火态的W18Cr4V钢残留奥氏体含量约30%，一次回火仍存在大含量残留奥氏体。

因此，淬火后的W18Cr4V钢一般采用多次回火。

图12-10不同温度回火后高速钢的硬度

图12-11是1275℃保温时间为10s/mm，空冷试样在560℃不同回火次数后的金相组织及显微硬度值。

（a）一次回火;（b）两次回火;（c）三次回火;（d）硬度

图12-11不同回火次数后的W18Cr4V金相组织（200×）和显微硬度

W18Cr4V钢淬火、回火后的组织均为回火马氏体+碳化物+残余奥氏体（图中白亮色），三次回火后可达到最佳的碳化物二次析出硬化效应，可使残留奥氏体充分转变并消除残留应力，也能提高显微硬度，如图12-11（d），因此最佳的回火次数为三次。

为了促使回火后的奥氏体能充分转变为马氏体，并防止奥氏体稳定化，高速钢每次回火后，必须冷至室温才能进行下一次回火，否则残余奥氏体过于稳定、不易转变，会产生回火不足的情况。

W18Cr4V钢常规的热处理工艺流程图如图12-12所示。

图12-12W18Cr4V钢常规热处理工艺流程图

14.3球墨铸铁的热处理

球墨铸铁是20世纪40年代末发展起来的结构材料，除有类似于灰铸铁的良好减震性、耐磨性、切削加工性和铸造工艺性外，还具有比普通灰铸铁高得多的强度、塑性和韧性。

延伸率3%左右，抗拉强度可达1200~1450MPa；抗拉强度400MPa左右，延伸率可达17%，冲击值可达60J/cm2。

球墨铸铁的基体形式有：

铁素体、珠光体、铁素体加珠光体、贝氏体、奥氏体加贝氏体。

球墨铸铁经过一定的热处理可使基体组织充分发挥作用，从而可以显著改善力学性能。

因此，球墨铸铁像钢一样，其热处理工艺有退火、正火、调质、等温淬火、感应加热淬火和表面化学热处理等。

目前，基体组织为奥氏体加贝氏体的奥贝球墨铸铁已广泛应用于生产受力复杂，强度、韧性、耐磨性等要求较高的零件，如汽车、拖拉机、内燃机等的曲轴、凸轮轴，还有通用机械的中压阀门等。

本小节以奥贝球墨铸铁为例，介绍球墨铸铁的热处理工艺。

表12-4为奥贝球墨铸铁化学成分。

表12-4奥贝球墨铸铁化学成分（质量分数，wt%）

常规的奥贝球墨铸铁热处理工艺流程如图12-13所示。

图12-13奥贝球墨铸铁热处理工艺流程

球墨铸铁由于其成分和材料尺寸不同，其最佳的热处理工艺参数不同。

图12-14是表12-4成分的材料在860℃、880℃、900℃下奥氏体化1h后，空冷组织。

图中呈灰色针状的是贝氏体组织，白色区域主要是马氏体和残余奥氏体。

从图14-14可观察到，三种温度下奥氏体化后的样品，其组织都是由大量针状贝氏体及残余奥氏体组成。

白色的残余奥氏体均匀分布在贝氏体之间，这种组织有利于提高材料的强硬度和塑韧性。

但是，880℃、900℃下奥氏体化组织中的贝氏体针明显长大、粗化。

因此，选择组织细小的860℃为奥氏体化最佳工艺参数。

（a）860℃（b）880°C（c）900°C

图12-14不同奥氏体化温度下的金相组织

图12-15为860℃下保温不同时间后空冷样品的金相组织。

可以观察到奥氏体化时间从60min到120min，贝氏体形态从细针状逐渐变得粗大。

保温120min的样品中，局部贝氏体粗化且残余奥氏体不均匀分布。

细针状贝氏体以及在贝氏体之间均匀分布的残余奥氏体是奥贝球墨铸铁的强硬度和塑韧性的根源。

因此，奥氏体化时间选择60min是最佳工艺参数。

（a）60min（b）90min（c）120min

图12-15860℃下不同奥氏体化时间的金相组织

860℃奥氏体化60min，在不同淬火温度下保温60min后空冷样品的强度和伸长率如图12-16所示。

从图可观察到样品在340℃等温淬火时综合力学性能最佳。

图12-16不同等温淬火温度下的强度和伸长率图

通过上述处理工艺参数的优化试验，可获得表12-4成分的球墨铸铁，其最佳工艺参数为：

奥氏体化温度860℃、时间60min，等温淬火温度340℃、时间60min。

综合力学性能最好，抗拉强度为1228MPa，伸长率为8.1%。