20常规热处理工艺

❖目的：消除淬火应力，降低脆性；稳定工件 尺寸；调整淬火零件的力学性能。
回火组织转变与力学性能
名 称 温度(℃)
组织
用途
低温回火 150～250 ε M回=α0.3%C+
中温回火 350～500 T回=F针+Fe3C粒
耐磨件 弹簧等
高温回火 500～650 S回=F多+Fe3C球 调质件
高温软化 650～A1 P回=F多+Fe3C粒 高合金钢
未溶第二相越多，作为结晶核心，使A体不稳定，C曲线左移 ，淬透性下降
淬透性的大小对力学性能的影响
淬透钢
未淬透钢
淬透性的测定
2、淬火机理
淬火过程通常包括三个阶段： 第一阶段：工件内部不断向表面供给热量，使
得淬火介质来不及蒸发，形成蒸汽膜包围工 件。 第二阶段：由于蒸汽膜破碎，液体接触到金属 表面就形成沸腾蒸汽带走热量，有最大的热 排除率。这阶段有最高的冷却速度。
❖ 2）合金元素
除Co外，绝大多数合金元素溶入奥氏体后，都使Ｃ曲线右移 ，形状也可能会发生改变，使淬透性提高
❖ 3）加热温度和保温时间
随加热温度的提高和保温时间的延长，碳化物溶解充分，奥氏 体成分均匀，晶粒粗大（总形核部位减少），这些都增加过 冷奥氏体的稳定性，使Ｃ曲线右移，提高了钢的淬透性
❖ 4）钢中未溶第二相
淬火 + 高温回火 = 调质处理
淬火钢中马氏体的碳质量分数、残余奥氏体 量、内应力及碳化物尺寸与回火温度的关系
回火的分类和应用
（2）中温回火 温度：３５０～５００ ℃ 回火后组织：回火屈氏体（铁素体+极细粒状
渗碳体）。 力学性能：获得较高的弹性极限与屈服强度，
有一定的韧性。硬度一般为HRC３５～４５。
下贝氏体组织的强度、硬度较高，韧性良 好，所以等温淬火可以显著提高钢件的 综合机械性能。
主要处理形状复杂，尺寸要求精密，并且 要求具有较高硬度和强韧性的工具、模 具和一些重要的机械零件。
局部淬火法 局部加热淬火获得局部高硬度。 防止其它部位变形开裂。
淬火过程
淬火冷却
四、回火和时效
❖定义：把淬火后零件重新加温到A1线以下某 个温度，保温一段时间，然后冷却到窒温。
M + A残
M + A残 M+Fe3C+A残
中、低碳钢
淬火
马氏体
回火
强度高、韧性好
中、高碳钢
淬火
马氏体
回火
高弹性
轴、齿轮、连接件、结构件 弹簧
钢的淬透性 ❖淬透性与淬硬性 ❖淬透性：在淬火时能够获得马氏体的能力。
是钢材本身固有的属性，与钢的过冷奥氏体 稳定性有关。 过冷奥氏体越稳定，钢的淬透性越好。 ❖淬硬性：钢在淬火后所能达到的最高硬度。 取决于马氏体的含碳量。含碳量越高，淬硬性 越好。 ❖淬透性好的钢其淬硬性不一定高。 ❖低碳合金钢淬透性很好，但淬硬性却不高； 碳素工具钢淬透性很差，但淬硬性却很高
第三阶段：金属表面温度降到介质沸点以下时 ，沸腾中止，靠介质的传导对流实现冷却。 其速度与介质的粘度有关，粘度升高，冷速 降低。水温度升高，冷速降低；油温升高， 冷速提高。
搅拌对热传导起着重要的影响，移动工件或搅 动液体可破坏第一阶段产生的蒸汽膜，更快 进入第二阶段加快第三阶段冷速。若不进行 搅拌，可能产生淬火不均匀性，引起硬度不 均匀、变形、开裂甚至残余应力。
材料 45钢
T12
热处理工艺
热处理温度/oC 冷却方式
炉冷
空冷
油冷
860
水冷
水冷
水冷
水冷
750
水冷
炉冷
空冷
油冷
750
水冷
水冷
水冷
水冷
860
水冷
回火温度/oC
200 400 600
200 400 600
硬
度
HRB HRC HB
85
148
13
196
38
349
55
538
53
515
40
369
24
243
45
名称 亚共析钢
共析钢 过共析钢
温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Ac1 + 30～50
热处理后的组织
钢种 淬火温度(℃)
亚共析钢
Wc≤0.5%
亚共析钢
Wc＞0.5%
共析钢
Ac3+30～50 Ac3+30～50 Ac1+30～50
过共析钢 Ac1+30～50
最终组织 M
422
93
176
26
257
46
437
66
693
63
652
51
495
30
283
61
637
钢种 碳素结构钢 ( 20 ) 碳素工具钢( T10A ) 低碳合金结构钢 ( 18Cr2Ni4WA ) 高碳高合金工具钢
( Cr12MoV )
淬硬性 淬透性
低
大
高
小
低
大
高
大
影响淬透性的因素
❖ 1）含碳量
亚共析钢，含碳量增加，奥氏体的稳定性增大，Ｃ曲线右移， 淬透性提高
过共析钢，随着含碳量增加，奥氏体的稳定性降低，Ｃ曲线左 移，淬透性降低(未溶渗碳体促进奥氏体分解)
℃
20℃静止水
340
7静止水
285
545
110
410
60℃静止水
220
275
80
185
10%NaCl 溶液 580 2000
1900
1000
10%NaOH 溶液 560 2830
2750
775
20℃10号机油 430
230
60
65
80℃10号机油 430
230
70
55
20℃3号锭子油 500
有时也采用水淬空冷的方法。
若恰当地掌握好水中停留的时间，可有效 地减少开裂。
分级淬火法：
解决Ms相变过程工件表面和心部存在的较 大温差，防止变形与开裂问题。
将加热的工件先淬入略高于Ms温度盐浴或 碱浴中稍加停留，待表面与心部温差减 小后，再取出空冷。
又称热浴淬火法。
等温淬火法
是分级淬火法的发展。将加热的工件淬入 稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中保温足够 长时间，获得下贝体组织。
第二节 常规热处理工艺
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一、退火
1、退火的定义、目的和方法 ❖定义: 把零件加温到临界温度以上30～50℃
，保温一段时间，然后随炉冷却。
❖降低或提高硬度，便于进行切削加工 ❖消除残余应力 ❖细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能 ❖为最终热处理作好组织准备
2、退火工艺及其应用
❖完全退火和等温退火（亚共析钢） ❖球化退火（过共析钢） ❖去应力退火 ❖扩散退火
时间 单液淬火 双液淬火 分级淬火 等温淬火
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。
操作简单，容易实现机械化作业。
但工件在连续冷却至室温的过程，水淬可 产生变形开裂，油淬可产生硬度不足、 或不均匀。
主要适用于小尺寸且形状简单的工件。
双液淬火法：
对于形状复杂的碳钢件，为了防止在低温 范围内马氏体相变时产生裂纹，可在水 中淬冷至接近Ms温度时，立即取出转入 油中冷却，也称为水淬油冷法。
3、淬火介质
理想淬火冷却介质
温度
(℃)
800
A1
700
600
500
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
1
10 102 103 104 时间(s)
常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时 平均冷却速度/(℃•s-1)
名称
所在温 冷却速度 650～550 300～200
度/ ℃ /( ℃ • s-1) ℃
时效 时效是有色合金固溶处理淬火后进行的工艺。 在室温或一定温度下保温后，不平衡态过饱和
固溶体中，部分溶质原子析出，达到提高硬 度及强度、消除应力的目的。 自然时效：在室温下进行的时效处理。 人工时效：在一定温度下进行的时效处理。
回火马氏体组织金相图
讨论题
直径为10mm的45钢和T12钢试样在不同热处 理条件下得到的硬度如表1所示，请说明： （1）不同热处理条件下的显微组织； （2）冷却速度，淬火加热温度、碳含量对钢 硬度的影响及其原因； （3）回火温度对钢硬度的影响
名称 完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火
温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50
500～600 Ac3 + 150～250
共析钢球化退火组织 ( 化染 )
700
T10钢球化退火组织 ( 化染 )
500
二、正火工艺及其应用
❖将工件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm （过 共析钢）以上30~50℃，保温后从炉中取出 ，空气中冷却的一种热处理工艺。
❖过共析钢正火加热温度必须高于Accm。 过 共析钢正火加热的目的：消除网状渗碳体。
❖应用：1）可作为最终热处理； 2）作为预处理，调整硬度，便于切 削加工 3）用于过共析钢，抑制或消除网状 渗碳体的形成。
三、淬火
1、淬火的目的 ❖把零件加温到临界温度以上30 ～ 50℃，保
温一段时间,然后快速冷却 ( 水冷 )。 ❖获得马氏体组织。提高钢的硬度和耐磨性。
120
100
50
清水：属冷速很快的液态介质，价格便 宜，处理方便。
缺点是低温下仍有快的冷速，易造成工件 变形开裂；且蒸汽膜阶段很长，将引起 工件不规则硬化。适于简单对称、浅的 硬化层工件。
盐水：含CaCl2、NaCl的盐水具有比清 水更快的冷速，且软点较清水少，但缺 点是具较强腐蚀性。
碱水：含5～10％的NAOH水溶液，具有 与盐水相近的冷速。缺点是强碱性对人 皮肤有害。
油：有常规淬火油、快速淬火油、等温 淬火油之分。
淬火效果均低于水和盐水，但热的吸取 更均匀，冷却的最后阶段也慢，变形和 开裂最小。
聚合物溶液：综合了盐水和油的特点。 常用介质：聚乙烯醇（PVA）水液、聚 二醇（PAG）或聚烷二醇酯水液、聚乙 烯吡咯烷酮（PVP）水液。
4、常用淬火方法
温
A1
度
Ms
❖回火脆性
低温回火脆性：
２５０～３５０℃很少用作回火温度。因为 碳化物呈细片状在马氏体晶界析出，碳化物 比较脆，会引起钢的脆性。一般称为低温回 火脆性。
预防措施：避免在该温度范围回火
高温回火脆性 500-650 ℃回火时，容易导致韧性降低，称为
高温回火脆性。 原因：杂质元素偏聚晶界 解决措施：回火后快冷；添加合金元素