钢的几种典型的热处理.docx
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钢的几种典型的热处理
第七章钢的普通热处理
知识要点:
退火、正火、淬火、回火的目的；退火、正火、淬火、回火的工艺过程及其对零件加工和使用的影响。
第一节钢的退火和正火
生产中，常用零件的预备热处理工艺，安排在锻造之后机加工之前。
一、钢的退火工艺
1．定义
将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。
又称“焖火”。
2．工艺
加热温度：
临界点（Ac1、Ac3或Accm）以上或以下。
冷却方式：
一般采用炉冷。
生产中为了提高生产率，通常冷却到500℃左右出炉空冷或等温冷却方式，等温的温度和时间根据钢的“C曲线”确定。
保温时间：
保证透烧，一般以1.0～1.5mm/min计算，并钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式有关。
3．常用退火工艺、目的及应用
（1）完全退火
应用：
适用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材。
不适用于过共析钢。
目的：
①细化晶粒，均匀组织；②调整硬度，改善切削加工性能；③消除内应力。
加热温度：
Ac3＋20-30℃，单相奥氏体区，完全奥氏体化。
室温组织：
P+F，可认为是平衡组织。
2．球化退火（不完全退火）
定义：
使钢中碳化物球化而进行的退火工艺称为球化退火。
应用：
主要用于共析钢、过共析钢和高碳合金钢的刃具、量具、模具等的预备热处理。
目的：
使钢中碳化物球化，降低硬度，提高塑性和切削加工性能；为淬火作组织准备。
加热温度：
Ac1＋20～30℃，A和二次渗碳体两相区，不完全奥氏体化。
原因：
过共析钢加热至Accm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。
组织：
球状珠光体（F基体上分布颗粒状Fe3C）
3．扩散退火（均匀化退火）
应用：
主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。
目的：
消除偏析，使成分均匀化。
加热温度：
Ac3或以上150～200℃（1050-1150℃），保温10～20h。
组织：
亚共析钢为P+F。
后果：
晶粒粗大。
由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此，一般还需要进行一次完全退火或正火，细化晶粒、消除过热缺陷。
注意：
高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。
只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。
对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。
4．去应力退火
工艺：
将工件缓慢加热到Ac1以下适当温度，保温1～3h后随炉缓冷。
一般地，钢件在500～650℃；铸铁件在500～550℃；焊接件为500～600℃。
目的、应用：
消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。
如机床床身（铸件），内燃机汽缸体，冷卷弹簧。
5．再结晶退火
工艺：
加热到Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃，保温，缓冷。
目的：
消除加工硬化，恢复钢材的塑韧性。
应用：
冷加工后的工件消除加工硬化。
如在钢丝拉拔过程中，中间进行的退火。
二、钢的正火
定义：
把钢件加热到完全奥氏体化，保温，然后在空气中冷却的热处理工艺。
加热温度：
亚共析钢AC3+30-50℃；共析钢AC1+30-50℃；过共析钢Accm+30-50℃
保温时间：
以工件透烧为准，同时考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。
冷却方式：
空气中自然冷却；对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度。
组织：
共析钢S、亚共析钢（F+S）、过共析钢（Fe3CⅡ＋S）
目的、应用：
1．对力学性能要求不高的普通结构钢零件作为最终热处理。
目的：
细化晶粒，均匀组织；同时，使亚共析钢组织中F%↓、P%↑，从而提高钢的强度硬度和塑韧性。
2．消除过共析钢中的网状Fe3CII，细化晶粒，为球化退火作准备。
3．改善低碳钢或低碳合金钢（Wc<0.25％）的切削加工性能。
4．消除中碳结构钢经过铸、锻、轧制以及焊接等热加工后出现的粗大晶粒和带状组织等缺陷。
5．对某些大型或形状复杂的工件，在保证使用性能的前提下可用正火代替淬火，以避免可能发生的严重变形和开裂现象。
三、退火、正火的选择
1．退火与正火的主要区别
主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织比较细。
因而，同一种钢，正火后经强度硬度比退火的高。
2．退火与正火的选择
图6-16钢的热处理与硬度（阴影部分为合适的切削加工硬度范围）
根据具体情况，一般以下三个方面考虑：
（1）改善切削加工性
低碳钢宜采用正火；
含碳量在0.25～0.45％之间的中碳钢既可采用退火，也可采用正火；
含碳量在0.45～0.77％之间的高碳钢则必须采用完全退火；
过共析钢则宜采用球化退火。
低、中碳结构钢→正火；中高碳结构钢→完全退火，合金工具钢→球化退火。
（2）热处理工艺性
形状复杂、尺寸大或重要零件采用退火。
退火冷却慢，内应力小，工件不易变形开裂。
一般零件，可采用正火。
（3）加工成本。
正火成本低，退火成本高。
在保证质量前提下尽量采用正火，降低成本，提高生产效率。
第二节钢的淬火
淬火是热处理中应用最广的工艺之一。
一、淬火的目的
定义：
将钢件加热到AC3或AC1临界温度以上，保温一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。
目的：
获得马氏体和（或）贝氏体组织，提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。
淬火是发挥材料性能潜力的重要手段之一。
从工艺的角度出发，淬火温度和淬火介质的选择是影响淬火效果的重要因素，而这些都取决于钢和合金的性质。
二、淬火加热温度的确定
1．碳钢加热温度的确定
碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C相图确定，其目的是淬火后得到高硬度的细小马氏体。
（图示）
亚共析钢：
Ac3+30～50℃；完全A化，获得细小A晶粒，淬火后可得细小M组织，无F相，强度硬度较高。
共析钢：
Ac1+30～50℃。
得到细小M。
过共析钢：
Ac1+30～50℃。
原因：
保留一定量的Fe3C，HRC↑，耐磨性↑；同时，A中C%↓，获得的M中C%↓M过饱和度↓，从而使M脆性↓，Ar％↓；若淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，同时，淬火应力↑→变形，开裂↑。
所以，过共析钢在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒A和细小均匀分布的未溶碳化物。
淬火后组织为片状M基体上均匀分布着细小的碳化物和极少量Ar，这种组织具有高的强度硬度，耐磨性好，脆性相对较小。
2．合金钢加热温度的确定
对于合金钢的淬火温度，可根据其临界温度及所含合金元素的性质，参照上述原则确定。
一般是：
Ac1或Ac3＋50～100℃。
知识扩展：
在生产实践中选择工件的淬火加热温度时，除了遵守上述一般原则外，还要考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。
强韧化新工艺选用的淬火加热温度与常用淬火温度有所区别。
如亚温淬火是亚共析钢在略低于Ac3的温度奥氏体化后淬火，这样可提高韧性，降低脆性转折温度，并可消除回火脆性。
如45、40Cr、60Si2等材料制成的工件亚温淬火加热温度为Ac3－（5～10℃）。
低、中碳钢采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或全部板条马氏体组织，提高钢的强度和韧性。
如16Mn钢在940℃淬火，5CrMnMo钢在890℃淬火，20CrMnMo钢在920℃淬火，效果较好。
高碳钢低温、快速、短时加热淬火工艺。
适当降低高碳钢的淬火加热温度，或采用快速加热及缩短保温时间的办法，可减少奥氏体中的碳含量，提高钢的韧性。
三、淬火介质
理想淬火介质：
6500C以上，慢，减小热应力；650-4000C，快，避免与C曲线相交；4000C以下，慢，减小淬火应力，防止变形和开裂。
常用淬火介质有：
水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。
新型淬火剂：
有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。
水盐水或碱水机油盐浴或碱浴
冷却能力强更强较弱介于水油之间
变形开裂倾向大更大较小小
适用范围小而简单碳钢及低合金钢淬火小而复杂、变形要
的碳钢件合金结构钢求小的重要零件
四、淬火方法
淬火方法的分类是以冷却方式的不同划分的，常用的淬火工艺方法有：
单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。
（每种方法要有举例）
1．单介质淬火
将加热奥氏体化后的钢件放入单一淬火介质中，连续冷却到室温的操作方法。
碳钢的水中淬火，合金钢的油中淬火都是单介质淬火法。
特点：
操作简单，易于实现自动控制，但水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。
只适用于形状简单、尺寸较小碳钢和合金钢工件。
2．双介质淬火
用两种冷却介质。
先浸入一种冷却能力强的介质中，待冷却到接近Ms点时立即转入下一种冷却能力弱的介质中的操作方法。
如先水后油、先水后空气等。
特点：
在马氏体转变区冷速减慢，可减小应力，减少变形、开裂倾向，但不好掌握。
适用于中等尺寸、形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
3．马氏体分级淬火
将加热奥氏体化的钢件，先浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质中，等温保持适当时间，然后取出空冷到室温，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。
淬火介质：
燃点较高的油、盐浴和碱浴。
等温目的：
使工件表面和心部温度均匀。
等温过程中不发生组织转变，马氏体中空冷条件下进行。
淬火后组织：
马氏体。
特点：
工件温度均匀，组织转变缓慢，减小应力，变形开裂倾向显著降低。
应用：
适用于变形要求严格且尺寸不大的工件。
4．下贝氏体等温淬火
将奥氏体化后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中，等温保持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺，也叫等温淬火。
淬火介质：
盐浴或碱浴。
等温目的：
得到综合性能良好的下贝氏体组织。
等温时间由钢的TTT曲线确定，一般为30～60min，较分级淬火时间要长，等温过程中过冷A向下贝氏体组织转变。
淬火后组织：
下贝氏体。
特点：
减小淬火应力，防止变形和开裂，零件综合力学性能好。
应用：
主要适于形状复杂、截面不大、要求精度高并具有良好强韧性的零件。
另外，还有采用复合淬火工艺的。
工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。
这种冷却方法可使截面较大的工件获得（M+B下）组织。
预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变，在等温时又使马氏体回火。
复合淬火多用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。
5．冷处理
马氏体的转变特点是转变不彻底，总是存在残余奥氏体。
为了减少组织中残余奥氏体量，生产中常采用冷处理的方法。
工艺过程：
把淬火后的钢件冷却到室温以下某一温度，并停留一定时间，使残余奥氏体充分转变成马氏体。
冷却介质：
常用的是干冰和液氮。
目的：
（1）减少残余奥氏体量，稳定尺寸；
（2）提高硬度和耐磨性。
应用：
主要用于要求高硬度高耐磨及要求精密度高的零件，如精密轴承、精密模具、量具等。
第三节钢的淬透性和淬硬性
一、淬透性和淬硬性的概念
钢在淬火时获得马氏体的能力。
淬透性是钢本身固有的一种属性，与工件大小及冷却介质的类型无关，取决于Vk。
淬透的含义是使工件从表面到心部都得到全部马氏体组织。
淬硬性指钢钢在淬火后获得最高硬度的能力，取决于M中C%，C%↑→淬硬性↑。
淬透性好的钢，淬硬性不一定好，即淬火易得到马氏体组织，但硬度不一定高；反之亦然。
如：
低碳合金钢的淬透性好，但硬度不高；而碳素工具钢的淬透性较差，但淬硬性较高，即淬火后的硬度高。
二、影响淬透性的因素
钢的淬透性取决于Vk，而Vk取决于C曲线的位置。
C曲线越靠右，Vk越小，意味着越容易得到马氏体。
主要影响因素：
1．含碳量
亚共析钢，C%↑，C曲线右移，Vk↓，淬硬性↑；
过共析钢，C%↑，C曲线左移，Vk↑，淬硬性↓；
共析钢的C曲线最靠右，Vk最小，淬透性最好。
问题讨论：
比较35、T8、T12哪种钢的淬透性最好？
2．合金元素。
除Co元素外，其它溶入A中的
Me使C曲线右移，Vk↓，淬透性↑。
3．奥氏体化条件
主要是加热温度和保温时间。
三、淬透性的测定方法
常用临界淬火直径法和端淬试验法。
1．临界淬火直径法
指钢棒在规定介质中冷却时，心部获得50％马氏体时的最大直径，用Dc表示。
其中，50％马氏体转变量是为了便于测量而人为选定的，可通过金相检验和硬度测量确定。
生产中常用钢的临界淬火直径表示淬透性的大小。
钢的临界淬火直径可通过查阅合金钢手册获得。
如表！
，Dc值越大，淬透性越好。
注意！
测量要在同一标准条件下，表中同一种钢淬火介质不同，Dc值不同，水比油的大。
2．端淬试验法
用φ25×100mm的标准试样，经加热奥氏体化后对末端喷水冷却。
冷却后，将试样沿轴线方向在相对180°的两边各磨去0.2～0.5mm深度，再从试样末端起每隔1.5mm测量一次硬度值HRC，即可得到沿试样轴向的硬度分布曲线，称作钢的淬透性曲线。
试样上距末端越远，冷却速度越小，其硬度也随之下降。
淬透性高的，硬度下降趋势较缓慢；淬透性低的，硬度急剧下降。
如40Cr比45钢的淬透性好。
由于钢的化学成分允许在一个范围内波动，所以在手册中给出的各种钢的淬透性曲线不是一条线，而是一个范围。
表示方法：
用J
表示钢的淬透性值。
式中J表示端淬试样法，d为至水冷端距离。
如J
表示距水冷端距离为20mm处试样的硬度值为40HRC。
钢的淬透性曲线在合理选材，预测组织以及制定热处理工艺方面，具有实际操作价值。
图末端淬火试验测定钢的淬透性曲线
四、淬透性的应用—实际意义
两个方面:
一是合理选材；二是为制定热理工艺提供依据。
为保证工件淬火时得到完全马氏体组织，一般要求选用的钢有足够的淬透性。
如淬透性不同的钢棒淬火并高温回火后的力学性能：
完全淬透的钢高温回火后，其力学性能沿截面是均匀的；淬透性低的钢心部未能淬透，则心部的力学性能特别是冲击韧性较低。
对同一成分钢,选用冷却能力强的淬火介质可以使钢件表面温度快速降低，淬硬深度增加。
但温度梯度增大，增加工件变形和开裂倾向。
因此在实际淬火操作中，常需要采用较缓和的冷却介质，如油或空气流等，这就要求钢具有高的淬透性。
能在空气中冷却形成马氏体的钢称为空淬钢，如一些高合金模具钢。
某些情况下又不要求工件完全淬透，如工具和有些机器部件往往希望高疲劳强度或耐磨的硬表面，表面层淬成马氏体而心部不淬透，使表面层中产生压应力，有利于防止疲劳裂纹的形成并阻止其扩展。
选材的一般规律：
（1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致，如螺栓、连杆、锻模、弹簧、锤杆（承受拉压载荷），选用淬透性高的钢。
（2）表面心部力学性能不一致的零件，通常是要求表面强度硬度高、心部塑性韧性好，即要求组织不一致，如轴类零件、冷镦模具、齿轮，可选用淬透性低的钢。
（3）焊接件，选用淬透性低的钢。
在此基础上，还需考虑尺寸效应。
第四节钢的回火
钢（尤其是中碳和高碳钢）淬火态的特征是强度硬度高，但很脆，残余内应力大，组织不稳定，必须经过回火处理才能使用。
回火是紧接淬火后的一道工序，也是最后一道热处理工序，是决定工件使用状态下组织和性能及使用寿命的一道关键工序。
一、回火的目的
定义：
把淬火后的钢件再加热到A1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称为回火。
目的：
（1）降低或消除内应力，降低脆性；
（2）稳定组织，以稳定零件的尺寸和形状。
马氏体和残余奥氏体都是亚稳定组织，有自发向稳定组织转变的趋热，这将影响零件的精度和性能。
（3）调整工件的内部组织，获得所需的力学性能。
二、回火分类、组织及应用
根据回火温度的高低，把回火分为三类：
低温回火、中温回火和高温回火。
1．低温回火
回火温度：
1500C-250℃。
回火组织：
回火马氏体（M回），为低过饱和度a固溶体上分布着极细小的ε碳化物，形态与回火前的马氏体基本相同。
性能特点：
内应力和脆性降低，仍保持高硬度、强度和良好的耐磨性能，硬度58～64HRC。
应用：
适用于各种刃具、量具、模具、滚动轴承件以及渗碳、碳氮共渗和表面淬火件的回火处理。
2．中温回火
回火温度：
，350-500℃。
回火组织：
回火屈氏体（T回），为马氏体形F基体上分布着细小粒状Fe3C。
F尚未再结晶，仍保持马氏体的形态。
性能特点：
内应力完全消失，硬度降低（35～50HRC），具有高的弹性极限σe和屈强比σs/σb，良好的塑韧性。
应用：
主用于弹性元件及热作模具的热处理。
3．高温回火
回火温度：
500-6500C。
回火组织：
回火索氏体（S回），为等轴状F基体上分布着颗粒状Fe3C。
F已再结晶，呈等轴状。
性能特点：
硬度降低（25～35HRC，220～330HBS），强度高，塑韧性好，具有良好综合力学性能，优于正火得到的组织。
应用：
生产中，把“淬火＋高温回火”的复合热处理工艺称为调质处理。
广泛用于中碳结构钢、低合金结构钢制作的汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要零件的回火处理；此外，还常作为表面淬火、渗碳的前处理工序。
一般规律：
随回火温度↑，强度，硬度↓，塑性韧性↑。
高碳回火马氏体：
强度、硬度高，塑性韧性差。
低碳回火马氏体：
高的强韧性，综合力学性能好。
回火屈氏体：
屈服强度与弹性极限高。
回火索氏体：
具有良好的综合力学性能。
T回、S回与T、S相比：
在硬度相同时，前者具有更高的强度、塑性和韧性。
M回与M的力学性能差不多，但内应力和脆性降低了。
T、S为层片状F+Fe3C。
T：
极细的珠光体层片。
S：
片层较细的珠光体。
三、回火脆性
指有些钢淬火后，在250～400℃或500～650℃范围内回火时，出现冲击韧性明显下降的脆化现象，称为钢的回火脆性。
根据回火脆性形成温度的不同，分为低温回火脆性和高温回火脆性。
1．低温回火脆性（第一类回火脆性）
在250～400℃范围内回火时出现的脆化现象。
几乎所有工业用钢都不同程度存在。
产生原因：
普遍认为，淬火钢在250～400℃范围内回火时，碳化物以断续的薄片状在原奥氏体晶界或在马氏体界面上析出，形成薄壳，低了马氏体界面处的断裂强度，是导致低温回火脆性的主要原因。
这类回火脆性一旦产生无法消除。
图钢的韧性与回火温度的关系
防止办法：
（1）钢中加入硅元素，使马氏体的分解推迟，提高低温回火温度；
（2）避免在此温度范围内回火。
必要时采用等温淬火。
2．高温回火脆性（第二类回火脆性）
许多合金钢淬火后在500～550℃之间回火,或在600℃以上温度回火后以缓慢的冷却速度通过500～550℃区间时发生的脆化现象。
如果重新加热到600℃以上温度后快速冷却，可以恢复韧性,因此又称为可逆回火脆性。
产生原因：
已经证明,钢中P、Sn、Sb、As等杂质元素在500～550℃温度向原奥氏体晶界偏聚，导致高温回火脆性。
防止办法：
①快冷可避免；一旦产生采用重新加热保温后再快速冷却消除。
钢在600℃以上温度回火后快速冷却可以抑止杂质元素的偏析，在热处理操作中常用来避免发生高温回火脆性。
②钢中加入适量的钼、钨等元素，抑制杂质元素向晶界偏聚。
③降低钢中杂质元素的含量。
④采用高温形变淬火热处理工艺，可大大减轻回火脆性的产生。
其中，较为实用的是第二种和第四种方法。
四、钢在回火后的性能及回火工艺的选择
淬火钢回火后的性能取决于它的内部显微组织；钢的显微组织又随其化学成分、淬火工艺及回火工艺而异。
回火温度是决定回火后工件硬度的主要因素，其高低应根据工件的工作条件、性能要求和钢种等因素确定，并应避开低温回火脆性温度区。
碳素结构钢：
在100～250℃之间回火后能获得较好的力学性能。
合金结构钢：
为了获得良好的综合力学性能，往往在三个不同温度范围回火：
超高强度钢约在200～300℃；弹簧钢在460℃附近；调质钢在550～650℃回火。
碳素及合金工具钢：
要求具有高硬度和高强度，回火温度一般不超过200℃。
回火时具有二次硬化的合金结构钢、模具钢和高速钢等在500～650℃范围内回火。
回火时间：
应保证工件透烧和组织转变的充分进行，一般为１～３小时。
冷却方式：
回火后一般采空中缓冷，防止重新产生内应力；对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。
知识扩展：
退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中淬火与回火关系密切，常配合使用，缺一不可。
“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，可演变出不同的热处理工艺。
为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质处理。
某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或较低的温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性的热处理工艺称为时效处理。
把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理。
在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。
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