第4章 钢的热处理(2)

图4-9
理想淬火冷却曲线





过冷奥氏体在400-600℃温度区间应快速冷却，以避 免发生珠光体或贝氏体转变，在Ms点附近应尽量以较 慢的冷却速度冷却，以减少马氏体转变时产生的内 应力，减少工件淬火变形和防止开裂。 但是到目前为止，还找不到完全理想的淬火冷却介 质。 常用的淬火冷却介质有水、盐或碱的水溶液以及各 种矿物油、植物油等。 ①水及水溶液 水是既经济又有很强冷却速度的淬 火冷却介质，但在300-200℃温度区间冷却速度过大， 冷却能力偏强，易使工件变形和开裂，不符合理想 冷却介质的要求。 为改善水的冷却性能，通常采用在水中加入质量分 数为5%-15%的盐、碱、氯化钠（NaCl）、氢氧化钠 （NaOH）或氯化钙（CaCl2）等物质。
图-在Ms附近转入冷却速度较慢的淬火介质中


（3) 分级淬火 将奥氏体状态的工件 首先浸入略高于钢的Ms 点的盐浴或碱浴炉中 保温，当工件内外温 度均匀后，取出空冷 至室温，完成马氏体 转变，如图3-10中曲 线3所示。 这种淬火方法可大大 减少应力，明显减少 变形和开裂，但冷却 能力弱，不适应于截 面尺寸较大的工件。 此方法只适合于截面 尺寸比较小的工件， 如刀具、量具和要求 变形小的精密工件等。
2、淬火加热时间
加热时间包括升温和保温时间。加热
时间受工件形状尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉 温和加热介质等因素影响。一般用下经验公式确定： t=α. D 式中 t —加热时间，min；
α—加热系数，min/mm；
D—工件有效厚度, mm。 加热系数与工件厚度可查阅相关资料。在一般的加热条件下， 采用箱式炉进行加热时，碳素钢及合金钢a多采用1～ 2min/mm。

（2) 使用性能方面 对于机械性能要求不高的结构钢零件，将正火作 为最终热处理代替调质处理，可减少工序、节约 能源、提高生产效率。


（3) 经济性方面 由于正火比退火生产周期短，操作简单，成本低。 所以在满足钢的工艺性能和使用性能的前提下， 尽量用正火代替退火工艺。
4.5

钢的淬火 （蘸火）
4、淬火的方法
•常用的淬火方法 有单介质淬火、双 介质淬火、马氏体 分级淬火、贝氏体 等温淬火等。
图4-10常用的淬火方法



（1) 单介质淬火 将奥氏体状态的工件放 入一种淬火介质中一直 冷却到室温的淬火方法， 如图中曲线1。 这种方法操作简单，容 易实现机械化、自动化， 但工件在马氏体转变温 度区间冷却速度较快， 容易产生较大的内应力， 增大工件变形、开裂的 倾向。因此只适用于形 状简单的碳钢和合金钢 工件。
5、淬火时易出现的缺陷及防止措施百度文库




（1）淬火时易出现的缺陷 ①淬后硬度不足出现软点。 ②变形和开裂。 （2）减少和防止变形、开裂的主要措施 ①选材与设计 ②淬火前进行退火或正火，细化晶粒使组织均匀，消除内 应力。 ③严格控制温度。 ④冷却方法正确。 ⑤及时回火。
4.5.3
3、 淬火冷却介质

快速冷却起始点600℃ 快速冷却终止点400℃


淬火是冷却非常快的过 程，为了得到马氏体组 织，淬火冷却速度必须 大于临界冷却速度vk。 但冷却速度过快必然产 生很大的淬火内应力， 引起工件变形。 因此，为使工件既能获 得马氏体组织，同时又 避免产生变形和开裂的 理想淬火冷却曲线，如 图所示。
• 《新华字典》1998年修定本，定义“淬火”为，通称“蘸
火”。
4.5.2
钢的淬火工艺
1、淬火的加热温度 钢的化学成分是决定其淬火加热 温度的最主要因素。碳钢的加热温度可利用Fe-Fe3C 相图来选择，如图3-24所示。
钢的淬火加温原则：亚共析钢： AC3+30～50℃， 获得细小的马 氏体组织，若温度过高，组织粗 大，性能降低，变形大。 过共析钢： AC1+30～50℃， 获得细小马氏体和颗粒状渗碳体 的混合组织以具有高硬度和耐磨 性。如加温过高会导至氧化、脱 碳、工件变形甚至开裂。 图4-8 钢的淬火加温范围

钢的淬透性
1、淬透性的概念 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层(也称为淬透 层)深度的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度 来表示。同样淬火条件下，淬硬层越深，表明钢的淬透性越好。 钢淬火后能够达到的最高硬度叫钢的淬硬性，又叫可硬性。它主要 决定于马氏体的含碳量。淬透性和淬硬性的含义是不同的，淬硬性 高的钢，其淬透性不一定高。 淬硬层深度一般是指从淬硬的工件表面量至规定硬度（一般为 550HV）处的垂直距离。 实际生产中还用临界淬透直径表示材料的淬透性。
（5）去应力退火


为消除铸造、锻造、焊接、切削、冷变形等 冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行 的低温退火，称为去应力退火。 去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某一温 度(一般为500-650℃)，保温后随炉冷却，这 种处理可以消除约50%-80%的内应力, 不引起 组织变化。
4.4.2

性等。

预备热处理：消除材料缺陷，改善切削条件，同时为后续工序做 好组织准备。

退火和正火就是钢材经常采用的预备热处理。如果零件的力学性
能要求不高，退火和正火也可作为最终热处理。
4.4.1

退火
退火是把钢加热到适当的温度，经过一定时间的保温，然后缓
慢冷却(一般为随炉冷却)，以获得接近平衡组织的热处理工艺。


4.5.1 淬火及其目的 淬火是将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析 钢与过共析钢）以上30~50℃范围的温度，保温后 以大于vk的速度快速冷却，使奥氏体转变为马氏体 (或下贝氏体)的热处理工艺。 淬火的目的是为了获得马氏体，提高钢的力学性 能。 马氏体强化是钢的主要强化手段，淬火是钢的最 重要的热处理工艺，也是热处理中应用最广泛的 工艺之一。
正火



正火是将钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)或 Accm(对于过共析钢)以上30-50℃，保温适当时间后， 使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到珠 光体型组织的热处理工艺。 正火与完全退火相比，二者加热温度相同，但正火 冷却速度较快，转变温度较低。 因此，对于亚共析钢来说，相同钢正火组织中析出 的铁素体数量较少，珠光体数量较多，且珠光体的 片间距较小，对于过共析钢来说，正火可以抑制先 共析网状渗碳体的析出，钢的强度、硬度和韧性较 高。 各种退火、正火的加热温度范围如图4-7所示。
图-工件在一种淬火介质中连续冷却至室温
（2） 双介质淬火 先将奥氏体状态的工件在冷 却能力强的淬火介质中冷却 至接近Ms点温度时，再立 即转入冷却能力较弱的淬火 介质中冷却，直至完成马氏 体转变，如图中曲线2。 这种方法利用所使用的两种 淬火介质的优点，获得较为 理想的冷却条件，如果操作 得当，可以在保证获得马氏 体组织的同时，减小淬火应 力，有效防止工件的变形和 开裂。但这要求操作人员有 较高的操作技术，在生产中， 常以水和油分别作为冷却介 质，称为水淬油冷法。
•“淬火”是最重要的热处理工艺之一，它是具有标志性的热
处理工艺。然而在实际中，它总被称为“蘸火”。在专业文
献上，人们写的是淬火，而读起来又称“蘸火”。“蘸火” 已成为专业口头交流的习用词，但文献中又看不到它的存在。
也就是说，淬火是标准词，人们不读它，“蘸火”是常用词，
人们却不写它，这是我国文字中不多见的现象。
第4章
钢的热处理
4.4 钢退火与正火（珠光体转变的实 第五章 钢的热处理 际应用）

为了改善钢的力学性能，机械零件在加工过程中往往要安排不同
目的的各种热处理。一般机器零件的工艺过程是：毛坯（铸造、
锻造或型材）→预备热处理→切削加工→最终热处理。

最终热处理：改善材料的力学性能，如强度、硬度、耐磨性、韧
图-在Ms附近停留一段时间，待其表面与心 部的温差减小，再继续冷却 可减少变形
（4） 等温淬火 将奥氏体化后的工件 在稍高于Ms温度的 盐浴或碱浴中冷却并 保温足够时间，从而 获得下贝氏体组织的 淬火方法，如图中曲 线4。 可以有效减少工件变 形和开裂的倾向，适 合于形状复杂、尺寸 精度要求高的工具和 重要机器零件，如模 具、刀具、齿轮等较 小尺寸的工件。 图-在稍高于Ms温度保温足够时间，发生下 贝氏体转变获得下B组织




盐水的淬火冷却能力比清水更强，对尺寸较大的碳钢件淬火非 常有利。工件容易获得高硬度和光洁的表面，且不会产生淬不 硬的软点。但是在300℃-200℃温度区间冷却速度很大，使工 件变形加重，甚至发生开裂。此外，盐水对工件有锈蚀作用， 淬火后的工件必须进行清洗。水和盐水用于形状简单、硬度要 求高而均匀、变形要求不严格的碳钢的连续淬火。 ②油 油是一类冷却能力较弱的冷却介质，但在650~400℃ 温度区间冷却速度比水小得多，在生产实际中，主要用作合金 钢或尺寸小的碳钢工件的淬火。 为了减少零件淬火时的变形，可用熔融状态的碱浴和硝酸盐浴 作为淬火的冷却介质。 为了寻求理想的冷却介质，仍在进行大量的研究工作，目前提 倡使用的水溶液淬火介质有过饱和硝酸盐水溶液、氧化锌―碱 水溶液等。
图3-22 球状珠光体显微组织
（4）均匀化退火（扩散退火）




均匀化退火是将钢加热到Ac3线以上1５0-200℃的温 度，长时间保温(10-15h)，然后随炉缓冷至350℃, 出炉空冷的工艺。 扩散退火目的是为了消除偏析，使成分均匀化。 工件经扩散退火后，奥氏体的晶粒十分粗大，因此 必须进行完全退火或正火处理来细化晶粒。 由于扩散退火温度高、时间长、生产成本高，一般 不轻易采用。只有一些优质的合金钢和偏析较严重 的合金钢铸件才使用这种工艺。
（3） 球化退火



球化退火是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。 球化退火目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状 化，以降低硬度，改善切削加工性能，并为以后的淬火 作组织准备。 球化退火主要用于共析钢和过共析钢。过共析钢球化退 火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球 状渗碳体，称为球状珠光体，如图3-22。 球化退火的加热温度为Ac1以上20℃-30℃，需要较长的 保温时间来保证二次渗碳体的自发球化，保温后随炉冷 却。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，在球化退火之 前应进行一次正火处理，以消除粗大的网状渗碳体，然 后再进行球化退火。
a-加热温度范围 图4-7
b-热处理工艺曲线
各种退火、正火的加热温度范围与热处理工艺曲线





4.4.3 退火与正火的选择 （1）改善钢的切削加工性能方面 对于含碳量低于0.25%的低碳钢或低碳合金钢，退火 后硬度偏低，切削加工时易“粘刀”，应采用正火 改善钢的切削加工性能。 含碳量在0.25%-0.5%中碳钢既可采用退火，也可采 用正火来改善切削加工性能，但一般用正火以降低 成本，提高生产率。 含碳量0.5%-0.7%的高碳钢则必须采用完全退火降低 硬度，改善切削加工性能。 含碳量高于0.75%的高碳钢或工具钢用球化退火作为 预备热处理。如需要消除网状二次渗碳体用正火。
（2）等温退火

等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，是将 钢件加热到高于Ac3 (或Ac1)的温度,保温适当时间 后，较快地冷却到Ar1 以下珠光体区的某一温度， 并等温保持，使奥氏体等温转变成珠光体，然后较
快冷却的热处理工艺。

等温退火的目的与完全退火相同，能获得均匀的组 织，对于奥氏体较稳定的合金钢，可大大缩短退火 时间。

1、退火的目的 退火的主要目的是减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化 晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。

2、退火的方法 退火的种类很多，包括完全退火、等温退火、球化退火、扩散 退火（均匀化〈再结晶〉退火）及去应力退火等。
（1）完全退火




完全退火是把钢加热至Ac3 以上20~30℃，保温一定时间 后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰、砂和保温介质中冷却)， 以获得接近平衡组织的热处理工艺。 完全退火的目的是使粗大、不均匀的组织均匀化和细化， 以提高材料的综合性能。 或使中碳以上的碳钢和合金钢，得到接近平衡状态的组织， 以降低硬度，改善切削加工性能。 由于冷却速度缓慢，还可消除残余应力。完全退火所需时 间长，特别是对于某些合金钢往往需要数十小时，甚至数 天时间，因此是一种费时的工艺。 完全退火一般用于亚共析钢的铸造件、锻造件、热轧型材 和焊接构件等。 低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后 硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，加热温 度在Acm以上，会有网状的二次渗碳体沿奥氏体晶界析出， 造成钢的强度、塑性和韧性的显著降低。