5.4 钢的热处理基本工艺

4）感应加热表面淬火的特点 ） ① 加热温度高。 ② 感应加热表面淬火后工件表层硬度高，脆性较低。 ③ 工件表面质量好。 ④ 生产效率高。 3．其他表面淬火方法简介 ． 1）火焰加热表面淬火 ） 火焰加热淬火如图所示。其淬硬层深 度一般为2～8mm。 特点及应用： 特点及应用： 设备简单、成本低、灵活性大，但 淬火质量较难控制。主要用于单件小批 量生产件及大型零件的表面淬火。
② 残余奥氏体分解 主要发生在200～300℃，残余奥氏体分解 为ε碳化物和过饱和α，但组织仍是回火马氏体。 ③ ε碳化物转变为Fe3Ｃ 主要发生在250～400℃，此时回火马氏 体转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状渗 碳体的组织，称为回火屈氏体，用“T回”表示。如图所示。 ④ 渗碳体的聚集长大及α相再结晶 主要发生在400℃以上,此时 形成颗粒状渗碳体，铁素体由针片状转变为多边形，这种组 织称为回火索氏体，用“S回”表示。如图所示。
2）电接触加热表面淬火 ） 电接触加热的原理如图所示。 特点及应用： 工件变形小，工艺简单，不需回火，但硬化层薄。 形状复杂的工件不宜采用。
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2．感应加热表面淬火 ． 1）感应加热的基本原理 ） 感应加热表面淬火的装置如图所示。 ① 交变磁场使工件内部感生出巨大的 涡流 ② 感应电流在工件表层密度最大，而 心部密度为零，这种现象称为集肤 效应 ③ 电流透入的深度与感应电流的频率 有关 ④ 电流频率越高，感应电流透入深度 越浅
2）感应加热的分类 ） ① 高频感应加热 电流频率范围250～300kHz，淬硬层深度为0.5～ 2.0mm，适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件。 ② 中频感应加热 电流频率范围2500～800kHz，淬硬层深度2～10mm， 适用于较大的轴和大中模数齿轮。 ③ 工频感应加热 电流频率50Hz，淬硬层深度可达10～15mm，适用 于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、火车 车轮的表面淬火。 3）感应加热表面淬火后的回火 ） 一般只进行低温回火，回火温度一般不高于200℃。
3）球化退火 ） 将共析钢或过共析钢加热到 Ac1 +20～30℃，保温适当时 间后缓慢冷却的热处理工艺称为球化退火。 目的： 目的：降低硬度，改善切削加工性能；形成球状珠光体（如 图所示），为后面的淬火作组织准备。 4）扩散退火 ） 将工件加热到略低于固相线 温度，保温后缓慢冷却的热处理 工艺称为扩散退火。 目的：消除成份偏析。 目的：
J HRC d
三、钢的回火
1．回火的目的 ． ① 降低脆性，减少或消除内应力 ② 获得工艺所要求的力学性能 ③ 稳定工件尺寸 ④ 对某些高淬透性的合金钢，可降低硬度，以利加工 2．淬火钢在回火时的转变 ． 1）回火时的组织转变 淬火钢组织发生以下四阶段的变化： ① 马氏体分解：主要发生在100～200℃， 马氏体中的碳以ε碳化物（FexＣ）的形 式析出，析出的碳化物以极小片状分布 在马氏体基体上，这种组织称为回火马 氏体，用“M回”表示。如图所示。
2）回火过程中的性能变化 ） 总的规律是：随回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、 韧性上升。如图为硬度与回火温度的关系。 ① 回火温度在200℃以下,钢的硬度不降低,对高碳钢，甚至略有 升高。 ② 回火温度在200～300℃,高碳钢的硬度再次升高,中、低碳钢 硬度缓慢降低。 ③ 回火温度300℃以上，钢的硬度呈直线下降。 ④ 注意： 回火屈氏体、回火索氏体和球状珠光体 与过冷奥氏体直接分解得到的屈氏体、索氏 体和珠光体的力学性能有显著区别。
4．回火脆性 ． 淬火钢出现冲击韧性显著下降的现 象称为“回火脆性”，如图所示。
1）低温回火脆性 ） 在250～350℃回火时出现的脆性称为低温回火脆性。一 般不在此温度范围内进行回火。 2）高温回火脆性 ） 在500～650℃回火时出现的脆性称为高温回火脆性。主 要发生在含Cr、Ni、Mn等合金元素的结构钢中。 3）快冷可防止高温脆性，在钢中加入Ｗ（约1%）、Ｍ （约 ）快冷可防止高温脆性，在钢中加入Ｗ（约 ）、Ｍo（ Ｗ（ ）、Ｍ 0.5%）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。 ）等合金元素可有效抑制这类脆性的产生。
4．钢的淬透性 ． 1）淬透性 ） 淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一 般规定由工件表面到半马氏体区的深度作为淬硬层深度。 2）淬透性对钢力学性能 的影响钢的淬透性直 接影响其热处理后的 力学性能。
① 淬透性高的钢，其力学性能沿截面均匀分布 ② 淬透性低的钢，其截面心部的力学性能低 3）淬透性的测定及其表示方法 ） ① 淬透性的测定方法 测定钢的淬透性 最常用的方法是末端 淬火法。 A 将φ25×100mm的 标准试样经奥氏体化 后，对末端进行喷水 冷却。如图所示。
5．淬火回火的工艺缺陷 ． 1）硬度不足 ） 是由淬火加热温度低、表面脱碳、冷速不够、钢材淬 透性低等原因造成的。可采用相应措施加以防治。 2）硬度不均匀 ） 是由原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成 的。可通过正火后重新淬火来消除。 3）过热和过烧 ） 过热组织可通过重新淬火来消除；工件一旦过烧则只 能报废。
3．回火的种类 ． 1）低温回火 ）低温回火（150～250℃） 组织为回火马氏体，能降低 内应力和脆性，并保持高硬度和 耐磨性。用于工具、模具、轴承、 渗碳件及经表面淬火的工件。 2）中温回火（350～500℃） ）中温回火 组织为回火索氏体，具有较高弹性和一定韧性，主要 用于弹簧的处理。 3）高温回火（500～650℃） ）高温回火 组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。习惯 上将淬火加高温回火相结合的热处理称作调质处理，简称 “调质”。调质广泛用于处理重要的结构零件，如轴、齿 轮 等。
二、钢的淬火 淬火是将钢加热到临界点以上，保温后以大于Vk的速度 冷却的热处理工艺。 目的： 目的：为了获得马氏体，提高钢的力学性能。 1．淬火温度 ． 选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体。如图所 示，一般淬火温度在临界点以上。
① 对亚共析钢，淬火温度为Ac3+30～50℃，淬火组织为马 氏体，如图所示。 亚温淬火：加热温度在Ac1～ Ac3之间，淬火组织为马氏 体加铁素体，如图所示。亚温淬火也是一种强韧化处理方 法。
四、钢的表面淬火
1．概述 ． 利用快速加热将表面层奥氏体化后进行淬火，以强 化零件表面的热处理方法。 ① 表面淬火用材料 含碳量为0.4～0.5%的中碳钢及铸铁。 ② 预备热处理 预备热处理为表面淬火作准备，以获得最终的心部 组织。方法有调质和正火等。 ③ 表面淬火后的组织 表层组织为回火马氏体，心部组织为回火索氏体 （调质）或铁素体加索氏体（正火）。
② 对共析钢和过共析钢，淬火温度为Ac1+30～50℃，组织 为细马氏体加颗粒状渗碳体和少量残余奥氏体，如图所示。 ③ 对合金钢，一般淬火温度为临界点以上50～100℃。提高淬 火温度有利于合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化。
2．淬火介质 ． ① 为了保证得到马氏体组织，淬火速度必须大于临界冷却速 度Vk，但往往会引起工件变形和开裂。 ② 要想既得到马氏体又避免变形和开裂，理想的淬火冷却曲 线如图所示。
3．淬火方法 ． 常用淬火方法如图所示。 1）单液淬火法 ） 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作 方法，如水淬、油淬等。 2）双液淬火法 ） 将加热的Leabharlann Baidu件放入一种冷 却能力较强的介质中冷却，然 后转入另一种冷却能力较弱的 介质冷却的淬火方法。如水淬 油冷或油淬空冷。 双液淬火主要用于形状复 杂的高碳钢工件及大型合金钢 工件。
③ 最常用的淬火介质是水和油。 ④ 水是经济且冷却能力较强的淬火介质。如表所示 ⑤ 油主要用于合金钢或小尺寸碳钢工件的淬火。 ⑥ 熔融状态的盐也常用作淬火介质，称作盐浴。这类介质只 适用于形状复杂和变形要求严格的小件的分级淬火和等温 淬火。 ⑦ 近年来出现聚乙烯醇水溶液、三乙醇铵水溶液、高浓度硝 盐水溶液等淬火介质。
5）去应力退火 ） 将工件加热到 Ac1以下某一温度，保温后随炉冷却的 热处理工艺称为去应力退火。 目的：消除铸、锻、焊的内应力。 3．正火 ． 正火是将钢加热到 Ac3或Accm 以上30～50℃，保温后空气中冷 却的热处理工艺。
正火具有以下几方面的应用： ① 含碳量≤0.25%经正火后硬度提高，改善了切削加工性能。 ② 消除过共析钢中的二次渗碳体。 ③ 作为普通结构零件的最终热处理。 正火的冷却速度稍快于退火，由C曲线可知，二者的组织 是不一样的。正火后的组织比退火细，如图所示。
B 按规定方法测定硬度值，作出淬透性曲线； C 利用钢的半马氏体区硬度与钢的含碳量关系图，和淬透性 曲线图可找出其淬透性的大小。 ② 淬透性的表示方法 淬透性值可用 表示。其中J表示末端淬透性，d表示至 水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。 钢的淬透性还可用钢在某种冷却介质中完全淬透的最大直径， 即临界直径D0表示。 4）淬透性的应用 ） ① 对于截面尺寸较大和形状较复杂的重要零件以及要求机械 性能均匀的零件，应选用高淬透性的钢制造。 ② 对于承受弯曲和扭转的轴类、齿轮类零件，可选用低淬透 性的钢制造。 ③ 在设计和制造零件时，必须考虑钢的热处理尺寸效应。
5.4 钢的热处理基本工艺及应用 一、钢的退火与正火
1．退火与正火的目的 ． ① 调整硬度以便进行切削加工 ② 消除残余应力 ③ 细化晶粒，改善组织 ④ 为最终热处理做好组织上的准备
2．退火 ． 退火：将钢加热、保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火工艺可分为完全退火、等温退火、球化退火、去 应力退火、再结晶退火等，如图所示。
1） 完全退火 ） 将亚共析钢加热到Ac3+30～50℃，保温后缓冷的退火工 艺称为完全退火。 目的：降低硬度，消除内应力。 2）等温退火 ） 将亚共析钢加热到 Ac3 +30～50℃、过共析钢加热到 Ac1+30～50℃，保温后快冷到Ar1以下某一温度保温，然后出 +30 50 炉空冷。如图是高速钢等温退火与普通退火的比较
3）分级淬火法 ） 将加热的工件在Ms点附近的盐浴或碱浴中淬火，然后取 出缓冷的淬火方法。其特点是显著减少淬火变形与开裂，是 用于截面尺寸较小淬透性较高的钢件。 4）等温淬火 ） 将加热工件在稍高于Ms点附近温度的盐浴或碱浴中冷却 并保温足够时间而获得下贝氏体组织的淬火方法。其特点是 工件具有良好的综合力学性能，一般不必回火。多用于形状 复杂和要求较高的小件。