钢材的热处理工艺模板.doc
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1、淬火 Hardening or Quenchingcui hu(行业内,淬读zn音,即读“zn hu”)钢淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体1化,然后以大于临界冷却速度冷速快冷到Ms以下(或Ms周围等温)进行马氏体(或贝氏体)转变热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料固溶处理或带有快速冷却过程热处理工艺称为淬火。淬火目标是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不一样温度回火,以大幅提升钢强度、硬度、耐磨性、疲惫强度和韧性等,从而满足多种机械零件和工具不一样使用要求。也
2、能够经过淬火满足一些特种钢材铁磁性、耐蚀性等特殊物理、化学性能。淬火能使钢强化根本原因是相变,即奥氏体组织经过相变而成为马氏体组织(或贝氏体组织)。钢淬火工艺最早应用见于河北易县燕下全部遗址出土战国时代钢制兵器。淬火工艺最早史料记载见于汉书.王褒传中“清水焠其峰”。“淬火”在专业文件上,大家写是“淬火”,而读起来又称“蘸火”。“蘸火”已成为专业口头交流习用词,但文件中又看不到它存在。也就是说,淬火是标准词,大家不读它,“蘸火”是常见词,大家却不写它,这是中国文字中不多见现象。淬火是“蘸火”正词,淬火古词为蔯火,本义是灭火,引申义是“将高温物体急速冷却工艺”。“蘸火”是冷僻词,属于现代词,是文字
3、改革后出现产物,“蘸”字本义和淬火无关。“蘸火”本词为“湛火”,“湛”字读音同“蘸”,而其字形又和水、火相关,符合“水和火合为蔯”之意,字义和“淬火”相通。“湛火”为本词,“蘸火”则为假借词。淬火将金属工件加热到某一合适温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却金属热处理工艺。常见淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火能够提升金属工件硬度及耐磨性,所以广泛用于多种工、模、量具及要求表面耐磨零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。经过淬火和不一样温度回火配合,能够大幅度提升金属强度、韧性及疲惫强度,并可取得这些性能之间配合(综合机械性能)以满足不一样使用要求。另外淬火还可使部分特殊性能钢取得一定
4、物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提升其耐蚀性等。淬火工艺关键用于钢件。常见钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下组织将全部或大部转变为奥氏体。随立即钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。和钢中其它组织相比,马氏体硬度最高。钢淬火目标就是为了使它组织全部或大部转变为马氏体,取得高硬度,然后在合适温度下回火,使工件含有预期性能。淬火时快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必需选择适宜冷却方法。依据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。淬火效果关键原因,淬火工件硬度要求和检测方法:淬火工件
5、硬度影响了淬火效果。淬火工件通常采取洛氏硬度计,测试HRC硬度。淬火薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA硬度。厚度小于0.8mm淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm淬火钢棒,可改用表面洛氏硬度计,测试HRN硬度。 在焊接中碳钢和一些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法预防。因为淬火后金属硬而脆,产生表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度基础上,消除冷裂纹手段之一。淬火对厚度、直径较小零件使用比较适宜,对于过大零件,淬火深度不够,渗碳也存在一样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。 淬火是钢铁材料强化基础手段之一。钢中马氏体是铁
6、基固溶体组织中最硬相(表1),故钢件淬火能够取得高硬度、高强度。不过,马氏体脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大淬火内应力,所以不宜直接应用,必需进行回火。表1钢中铁基固溶体显微硬度值淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛应用。机械中关键零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用钢件几乎全部经过淬火处理。为满足多种零件干差万别技术要求,发展了多种淬火工艺。如,按接收处理部位,有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否完全,有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢,该法又称亚临界淬火);按冷却时相变内容,有分级淬火,等温淬火和欠速淬火等。工艺过程 包含加热、保温、冷却3个阶段。下面以钢淬火为例,介绍上述三个阶段
7、工艺参数选择标准。 加热温度 以钢相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后取得细小马氏体组织。碳素钢淬火加热温度范围图1所表示。 由本图示出淬火温度选择标准也适适用于大多数合金钢,尤其低合金钢。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上3050。从图上看,高温下钢状态处于单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上3050,这温度范围处于奥氏体和渗碳体(A+C)双相区。所以过共析钢正常淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体组织。这
8、-组织状态含有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢,若加热温度过高,先共析渗碳体溶解过多,甚至完全溶解,则奥氏体晶粒将发生长大,奥氏体碳含量也增加。淬火后,粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加,微裂纹增多,零件变形和开裂倾向增加;因为奥氏体碳浓度高,马氏体点下降,残留奥氏体量增加,使工件硬度和耐磨性降低。常见钢种淬火温度参见表2。表2常见钢种淬火加热温度实际生产中,加热温度选择要依据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选择温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采取温度下限。保温时间 由设备加热方法、零件尺寸、钢成份、装炉量和设备功率等多个原因确
9、定。对整体淬火而言,保温目标是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,其保温时间最终取决于在要求淬火区域取得良好淬火加热组织。加热和保温是影响淬火质量关键步骤,奥氏体化取得组织状态直接影响淬火后性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在58级。冷却方法 要使钢中高温相奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相马氏体,冷却速度必需大于钢临界冷却速度。工件在冷却过程中, 表面和心部冷却速度有-定差异,假如这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度心部不能转变成马氏体情况。为确保整个截面上全部转变为马氏体需要选择冷却能力足够强淬火介质,以确保工件心部有足够高冷却速度。不过冷却速度大,
10、工件内部因为热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。所以要考虑上述两种矛盾原因,合理选择淬火介质和冷却方法。冷却阶段不仅零件取得合理组织,达成所需要性能,而且要保持零件尺寸和形状精度,是淬火工艺过程关键步骤。分类 可按冷却方法分为单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。冷却方法选择要依据钢种、零件形状和技术要求诸原因。单液淬火 将工件加热后使用单一介质冷却,最常使用有水和油两种,其变、温曲线图2中曲线1。为预防工件过大变形和开裂,工件不宜在介质中冷至室温,可在200300出水或油,在空气中冷却。单液淬火操作简单易行,广泛用于形状简单工件。有时将工件加热后,先在空气中停留-段时间,再淬
11、入淬火介质中,以降低淬冷过程中工件内部温差,降低工件变形和开裂倾向,称为预冷淬火。图2 多种淬火冷却变温曲线示意图 曲线1-单液淬火;曲线2-双液淬火; 曲线3-分级淬火;曲线4-等温淬火双液淬火 工件加热后,先淬入水或其它冷却能力强介质中冷却至400左右,快速转入油或其它冷却能力较弱介质中冷却。变温曲线图2中曲线2。所谓“水淬油冷”法使用得相当普遍。先淬入冷却能力强介质,工件快速冷却可避免钢中奥氏体分解。低温段转入冷却能力较弱介质可有效降低工件内应力,降低工件变形和开裂倾向。本工艺关键是怎样控制在水中停留时间。依据经验,按工件厚度计算在水中停留时间,系数为O.2O.3s/mm,碳素钢取上限,
12、合金钢取下限。这种工艺适适用于碳素钢制造中型零件(直径1040mm)和低合金钢制造较大型零件。 分级淬火 工件加热后,淬入温度处于马氏体点(ms)周围介质(可用熔融硝盐、碱或热油)中,停留一段时间,然后取出空冷。变温曲线图2中曲线3。分级温度应选择在该钢种过冷奥氏体稳定区域,以确保分级停留过程中不发生相变。对于含有中间稳定区(“两个鼻子”)型TTT曲线一些高合金钢,分级温度也可选在中温(400600)区。分级目标是使工件内部温度趋于一致,降低在后续冷却过程中内应力及变形和开裂倾向。此工艺适适用于形状复杂,变形要求严格合金钢件。高速钢制造工具淬火多用此工艺。等温淬火 工件加热后,淬入温度处于该钢
13、种下贝氏体(B下)转变范围介质中,保温使之完成下贝氏体转变,然后取出空冷,变温曲线图2中曲线4。等温温度对下贝氏体性能影响较大,温度控制要求严格。常见钢种等温温度和时间列于表3。等温淬火工艺尤其适适用于要求变形小、形状复杂,尤其同时还要求较高强韧性零件。表3 中国常见钢种等温温度和等温时间回火编辑本段钢回火回火是工件淬硬后加热到AC1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温热处理工艺。回火通常紧接着淬火进行,其目标是:(a)消除工件淬火时产生残留应力,预防变形和开裂;(b)调整工件硬度、强度、塑性和韧性,达成使用性能要求;(c)稳定组织和尺寸,确保精度;(d)改善和提升加工性能。所以,回火是
14、工件取得所需性能最终一道关键工序。 按回火温度范围,回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。(1)低温回火工件在250以下进行回火。目标是保持淬火工件高硬度和耐磨性,降低淬火残留应力和脆性回火后得到回火马氏体,指淬火马氏体低温回火时得到组织。力学性能:5864HRC,高硬度和耐磨性。应用范围:刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火零件等。(2)中温回火工件在250500 之间进行回火。目标是得到较高弹性和屈服点,合适韧性。回火后得到回火托氏体,指马氏体回火时形成铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物(或渗碳体)复相组织。力学性能:3550HRC,较高弹性极限、屈服点和一定韧性。应用范围:弹簧
15、、锻模、冲击工具等。(3)高温回火工件在500以上进行回火。目标是得到强度、塑性和韧性全部很好综协力学性能。回火后得到回火索氏体,指马氏体回火时形成铁素体基体内分布着细小球状碳化物(包含渗碳体)复相组织。力学性能:200350HBS,很好综协力学性能。应用范围:广泛用于多种较关键受力结构件,如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。工件淬火并高温回火复合热处理工艺称为调质。调质不仅作最终热处理,也可作部分精密零件或感应淬火件预先热处理。45钢正火和调质后性能比较见下表所表示。45钢(20mm40mm)正火和调质后性能比较 热处理方法力学性能力学性能力学性能力学性能组织b/Mpa100Ak/JHBS正火7
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