第4章金属材料热处理
淬火可以使钢件获得马氏体或贝氏体组织, 以提高钢的力学性能。淬火是强化钢件的 最主要而且是最常用的热处理方法。
4.2.1 淬火加热温度和加热时间
亚共析钢的淬火加热温度为Ac3+(30-50)℃, 淬火后的组织为均匀细小的马氏体。
过共析钢的淬火加热温度为Ac1+(30-50)℃, 淬火后的组织为均匀细小的马氏体和粒状二次 渗碳体,有利于增加钢的硬度和耐磨性。如果 加热温度过高,则二次渗碳体将全部溶入奥氏 体,使马氏体转变温度降低,淬火组织中残余 奥氏体增多,粒状渗碳体减少,使钢的硬度和 耐磨性降低,同时由于加热温度高,晶粒粗大, 使钢的脆性增大,并增加变形和开裂倾向。
根据热处理的目的要求和工艺方法的不同, 热处理可分为三大类:
1.普通热处理:退火、正火、淬火、回火。
2.表面热处理:⑴表面淬火。⑵化学热处 理:渗碳、渗氮、渗金属。
3.其他热处理:形变热处理、超细化热处 理、真空热处理。
§4.1 退火与正火
退火与正火常作为预备热处理。铸造、锻 造和焊接后的毛坯件在热加工过程中不仅 组织粗大,成分不均匀,而且存在残余应 力,这些缺陷使材料力学性能变差,影响 切削加工性能,易使零件产生变形。经过 退火或正火后,可以使毛坯件组织细化, 成分均匀,消除内应力,改善力学性能和 切削加工性能,减少零件产生变形和裂纹 的倾向。
完全退火的过程所需时间较长,长达几十小 时以上,生产率低。
2.等温退火
等温退火是将钢加热到Ac3以上30-50℃, 保温一定时间后,快冷至珠光体形成温 度等温保温,使过冷奥氏体全部转变为 珠光体后,空冷至室温。
等温退火与完全退火目的相同,但所需 时间可缩短一半,组织也较均匀。
3.球化退火
对于一些不重要或受力不大的零件,退火 和正火也可作为最终热处理。
4.1.1 退火
退火是将钢加热到预定温度,保温一定时 间后缓慢冷却(通常随炉冷却),获得接 近于平衡组织的热处理工艺。
退火的目的:
⑴降低硬度,改善切削加工性。
⑵消除残余应力,稳定尺寸,减少变形与 开裂倾向。
⑶细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷。
第4章 金属材料热处理
金属材料热处理是金属材料在固态下,通 过适当的方式进行加热、保温和冷却,改 变材料内部组织结构,从而改善材料性能 的一种工艺方法,也称之为金属材料的改 性处理。
热处理工艺按其工序位置可分为预备热处 理和最终热处理。预备热处理可以改善金 属材料的加工工艺性能,为后续工序作好 组织和性能准备,从而提高生产率和加工 质量。最终热处理可以提高金属材料的使 用性能,充分发挥金属材料的性能潜力, 保证产品质量,延长零件使用寿命。
球化退火是将钢加热到Ac1以上10-30℃,保 温较长时间后以极其缓慢的速度冷却到600℃ 以下,再出炉空冷的热处理工艺。
球化退火主要适用于共析钢和过共析钢及合 金工具钢的退火,使钢中的网状二次渗碳体 和珠光体中的片状渗碳体球化,降低材料硬 度,改善切削加工性,并可减小最终淬火变 形和开裂为以后的热处理作准备。
4.1.2 正火
正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm (共析钢和过共析钢)以上30-50℃,保温 适当时间后在静止空气中冷却的热处理工 艺。(完全奥氏体化,伪共析转变。)
正火的目的:
⑴对普通碳素钢、低合金钢和力学性能要 求不高的结构件,可作为最终热处理。
⑵对低碳钢用来调整硬度,避免切削加工 中粘刀现象,改善键。根据C曲线 可知,冷却速度必须大于临界冷却速度vc才能 全部进行马氏体转变。但冷却速度过快又不可 避免地造成很大的内应力,使工件产生变形和 开裂。理想的冷却曲线是:在650℃以上,在 保证不出现珠光体组织的前提下,冷却速度可 慢些;在650-400℃之间,为了避开C曲线的鼻 尖,避免奥氏体分解,冷却速度尽可能快些; 在400℃以下冷却速度可减慢,特别是在发生 马氏体转变时(300-200℃)更应缓慢冷却, 以减少内应力的产生,避免变形和裂纹,并能 完全保证获得马氏体组织。但是目前还没有发 现完全具有这种冷却能力的淬火冷却介质。
1.完全退火
完全退火是将钢加热到Ac3以上30-50℃,保 温一定时间后随炉冷却到500℃以下,再出 炉空冷的热处理工艺。
完全退火主要适用于亚共析钢和铸件、锻件 及焊接件等,将其加热到Ac3以上使钢材完全 奥氏体化,缓慢冷却后获得接近于平衡状态 的珠光体组织,使热加工过程中造成的粗大 不均匀组织均匀细化,降低硬度,提高塑性, 改善加工性能,消除内应力。
⑶对共析、过共析钢用来消除网状二次渗 碳体,为球化退火作好组织准备。
正火比退火加热温度高,冷却速度快,冷 却后组织中铁素体量少,索氏体组织细, 具有较高的力学性能。而且正火生产周期 短、生产率高、操作简便、经济性好。
§4.2 钢的淬火
淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上30-50℃, 经过保温后在冷却介质中迅速冷却的热处 理工艺。
5.去应力退火
去应力退火加热温度低于Ac1以下,一般为 500-650℃,充分保温后缓慢冷却至200℃出 炉空冷。
去应力退火加热温度低,在退火过程中无组 织变化,适用于铸、锻、焊件及经过切削加 工的零件,目的是为了消除毛坯和零件中的 残余应力,稳定工件尺寸及形状,减少零件 在切削加工和使用过程中的变形和开裂倾向。
4.扩散退火(均匀化退火)
扩散退火加热温度高,一般在Ac3以上150200℃,长时间保温(10-15h)后随炉缓冷。
扩散退火适用于合金钢大型铸、锻件,目的 是消除其化学成分的偏析和组织的不均匀性。
扩散退火容易使钢的晶粒粗大,影响力学性 能,因此一般扩散退火后仍需进行完全退火 或正火,以细化扩散退火中因高温和长时间 保温所产生的粗大组织。
合金钢的淬火加热温度相应要高些,一般 高于临界点50-100℃,这是因为合金钢中 大多数合金元素难溶于奥氏体,为了使奥 氏体成分均匀,提高合金钢的淬火效果, 须适当提高加热温度,但对含有促进奥氏 体晶粒长大的少数合金元素(如Mn)的合 金钢,则加热温度相应要低些。
加热时间太短会使奥氏体成分不均,甚至 奥氏体转变不完全,淬火后零件出现软点 淬不硬。加热时间过长,将助长氧化、脱 碳和晶粒粗大的倾向。