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钢铁金属材料热的处理简介

热处理

 


1.热处理概要

       热处理是指材料在固态下,通过加热、保温和冷却的手段,以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。

       金属热处理工艺大体可分为整体热处理表面热处理化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。

整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,获得需要的金相组织,以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。

正火→将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

       淬火→将工件加热保温后,在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬,但同时变脆,为了及时消除脆性,一般需要及时回火。

       回火→将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却。目的是降低钢件的脆性。

       退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。例如,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。某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。                                                                                                  

 

工 艺 名 称

 

 

作   用

 

 

应用范围

 

 

退火

 

 

均匀化退火

 

 

成分均匀化

 

 

铸钢件及有成分偏析的锻轧件

 

 

完全退火

 

 

细化组织和降低硬度

 

 

亚共析钢锻、焊、轧件

 

 

等温退火

 

 

细化组织,降低硬度,防止白点

 

 

   碳钢、合金钢以及高合金钢的锻件、冲压件等。较完全退火的组织和性能更均匀,且缩短工艺周期

 

 

球化退火

 

 

   碳化物球状化,降低硬度,提高塑性

 

 

   共析钢或过共析钢(如工模具、轴承钢)

 

 

不完全退火

 

(亚临界退火)

 

 

细化组织,降低硬度

 

 

中、高碳钢及低合金钢的锻、轧件,组织细化程度低于完全退火

 

 

再结晶退火

 

(低温退火)

 

 

   消除加工硬化,使冷变形晶粒再结晶为细小等轴晶

 

 

冷变形钢材和零件

 

 

去应力退火

 

 

消除内应力,使之达到稳定状态

 

 

铸件、焊接件、锻轧件及机加工件

 

 

正    火

 

 

   提高硬度,改善加工性能,防止机加工“粘刀”,降低表面粗糙度

 

 

低碳钢

 

 

   细化晶粒,均匀组织,为淬火做好组织准备

 

 

中碳钢、合金钢

 

 

   消除网状碳化物,为球化退火作准备

 

 

高碳钢、高合金钢

 

 

消除渗层中的网状碳化物

 

 

渗碳钢

 

 

消除不正常组织(如粗晶等)

 

 

铸件、锻件

 

 

最终热处理

 

 

要求不高的碳钢

 

 

淬火

 

 

单介质淬火

 

 

   在单一冷却介质(如油、水、空气等)中淬火,达到硬度、强度等要求

 

 

最常用方法

 

 

双介质淬火

 

 

   在两种淬火介质(水—油,水—空气,油—空气等)中淬火,保证足够淬硬层,避免淬裂,减少变形

 

 

中、高碳钢零件

 

合金钢大型零件

 

 

分级淬火

 

 

   先淬入浴槽中,使零件内外温度都达到浴槽介质温度,然后淬入另一种冷却较缓慢的介质,减少变形和开裂

 

 

    形状复杂、变形要求严格的零件,包括尺寸小的合金钢、碳钢零件,尺寸较大零件或淬透性差的钢种

 

 

贝氏体等温淬火

 

 

   先淬入浴槽中完成淬火,然后再空冷,获得良好综合性能,减少变形和开裂

 

 

  合金钢及ω(C)>0.6%碳钢零件

 

高碳工模具钢零件

 

 

固溶处理

 

 

将其它相充分溶解到固溶体中

 

 

沉淀硬化不锈钢、马氏体时效钢

 

                                                       


 

工 艺  名 称

 

 

作    用

 

 

应用范围

 

 

回火

 

 

低温回火

 

 

   150~250℃回火,获得回火马氏体组织。目的是在保持高硬度条件下,提高塑性和韧性

 

 

   超高强度钢、工模具钢、量具、刃具、轴承及渗碳件

 

 

中温回火

 

 

   350~500℃回火,获得托氏体组织。目的是获得高弹性和足够的硬度,保持一定韧性

 

 

  中温超高强度钢、弹簧、热锻模具

 

 

高温回火

 

 

   500~650℃回火,获得索氏体组织。目的是达到较高强度与韧性良好配合

 

 

结构钢零件、渗氮件预备热处理

 

 

多次回火

 

 

   淬火后进行二次以上回火,进一步促使残留奥氏体转变,消除内应力,使尺寸稳定

 

 

 超高强度钢、工模具钢、高速钢

 

 

时效

 

 

   从过饱和固溶体中析出金属间化合物,提高强度、硬度

 

 

渗碳(含碳氮共渗)

 

 

   增加表层碳含量,提高表面硬度、耐磨性及抗疲劳性能

 

  碳氮共渗与渗碳相似,但渗入温度略低,渗层较浅,变形较小

 

 

   用于心部有一定强度和良好韧性而表面要求高硬度(58~64HRC)的场合,还用于提高耐磨性或疲劳性能的场合。主要用于齿轮、销类和轴类零件

 

 

渗氮(含氮碳共渗)

 

 

   增加表层氮含量,提高表面硬度、耐磨性、疲劳性能,以及热硬性(≤500℃)和抗胶合性

 

  氮碳共渗与渗氮相似,但渗入温度略高,表面硬化稍低

 

  与渗碳相比,渗氮的渗层较浅,硬度高,不能承受大接触应力和冲击负荷,生产周期长

 

 

   用于心部保持良好韧性而表面要求高硬度(65~72HRC)场合,还用于提高耐磨性,疲劳性能,耐蚀性或热硬性场合

 

 

渗金属及非金属

 

 

   使另一种或多种金属,如Al、Cr、Si、B、V、W、Mo、Zn、Re等渗入表层,提高耐蚀性,抗氧化性、耐磨性等

 

 

   渗铝或铝与其他元素共渗,主要用于高温防护,提高高温抗氧化和热蚀性

 


2.热处理的理论依据

Fe-Fe3C相图对于钢的热处理工艺的制订有极为重要的意义,各种热处理工艺的加热温度都是以相图上的临界点A1 、A3 、Acm为依据的。

由Fe-Fe3C相图可知。共析钢在加热或冷却过程中经过PSK线(A1)时,发生P与A之间的相互转变;亚共析钢经过GS线(A3)时,发生先共析铁素体完全溶入奥氏体或先共析铁素体开始从奥氏体中析出的转变;过共析钢经过ES线(Acm)时,发生先共析渗碳体完全溶入奥氏体或先共析渗碳体开始从奥氏体中析出的转变。

 A1、A3、Acm称为碳钢加热或冷却过程中的相变点;

 Ac1、Ac3、Accm表示钢在实际加热条件下的相变点;

 Ar1、Ar3、Arcm表示钢在实际冷却条件下的相变点。

碳钢经热处理后的组织大都是不平衡组织,因此,在研究热处理后的组织时,不但要使用铁碳相图,而且要用钢的过冷奥氏体转变曲线(TTT或CCT曲线)来分析。

以45钢为例,图1为45钢的CCT曲线。可用来分析该钢在退火、正火、淬火后的组织。

                             图一

45钢经完全退火后得到的组织是铁素体+珠光体。正火后的组织是铁素体+索氏体,如图2所示。与退火后的组织比较,正火后的组织中铁素体量较少,珠光体型组织细密且数量较多。


                  图2:45钢的退火组织                                               45钢的正火组织

45钢在正常加热温度下油淬,得到的组织是马氏体(板条状和针状)+屈氏体(黑色网状)+少量上贝氏体(暗灰色羽毛状),如图3所示。若在水中淬火可得到全部马氏体(板条状和针状),但由于马氏体很细小,在显微镜下不易分清其形态特征,如图4所示。



                     图3   45钢的油淬组织                                         图4   45钢的水淬组织


45钢水淬后200℃回火,得到回火马氏体, 如图5所示。回火马氏体仍保持马氏体的形态特征,但容易受浸浊,颜色比马氏体深。

                                                       图5  45钢水淬后200℃回火组织

45钢水淬后400℃回火,得到回火屈氏体,如图6所示。回火屈氏体中的铁素体呈白亮色,但仍基本保持原来马氏体形态。回火屈氏体中的渗碳体则呈细小粒状或细小片状分布在铁素体基体上。由于渗碳体颗粒非常细小,而且弥散度很大,在光学显微镜下不易分清。

                                                           图6   45钢水淬后400℃回火组织

45钢水淬后600℃回火,得到回火索氏体,如图7所示。回火索氏体中的铁素体呈白亮色等轴晶粒,回火索氏体中的渗碳体呈粒状(比回火屈氏体中的颗粒大)分布在铁素体基体上。

                                                       图 7  45钢水淬后600℃回火组织

3.热处理试验

试验目的:

Ø观察热处理后材料的组织形态;Ø检测材料热处理对材料组织性能的影响。

加热设备:箱式电阻炉

试验步骤(以45钢淬火为例):

1.打开电源,将箱式电阻炉加热到45钢的淬火温度45℃。2.关闭电源,带好手套,打开炉门,用铁钳将45钢放入炉内的热电偶正下方。然后将炉门关上,打开电源,待实测温度达到设定温度时开始计时,保温10min。3.保温后,进行水冷。出于安全的考虑同样取出试样要预先将炉子电源关掉。淬火时,试样要用钳子夹住,动作要快,并不断在水中搅拌,确保冷却均匀,以免影响热处理质量。最后,观察到试样表面变黑,此时不能用手触摸试样,以免被烫伤。

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