钢的热处理

2015年08月04日

金属热处理是将金属材料(其中包括黑色金属材料和有色金属材料及其加工后的工件)在固态范围内,通过一定的加热,保温和冷却,使金属或合金的内部组织发生变化,从而获得预期的性能(如力学性能、加工性能、物理和化学性能)、组织和结构的工艺过程的总称。

     退火是将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

     淬火是将工件加热保温后,在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬,但同时变脆。为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可

   “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。

     把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行,使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理;在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁,提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。

一.几种常见热处理概念:

(一).退火:将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度,保温一段时间后,随炉缓慢冷却(或埋在砂中或石灰中冷却)至500度以下再在空气中冷却的热处理工艺。目的: 1、降低硬度,以利于切削加工; 2、提高钢的塑性和韧性,以便于冷变形加工;3、改善或消除钢在铸造、轧制、锻造和焊接等过程中所造成的各种组织缺陷; 4、细化晶粒,改善钢中碳化物的形态及分布,为最终热处理做好组织准备; 5、消除内应力,以减少变形和防止开裂。

(二).正火:将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却,得到珠光体类组织的热处理工艺。目的:1、碳含量小于0.5%的钢件常用正火代替退火,这样既节约能源,又提高生产效率;2、力学性能要求不高的零件,可用正火作为最终处理;3、对于过共析钢若有网状碳化物存在,必须进行正火处理,消除网状碳化物,再进行球化退火;4、消除切削加工后的硬化现象和去除内应力;5、细化晶粒,均匀组织。

(三).淬火:将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却,使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。目的:1、提高工件的硬度和耐磨性;2、提高工件的综合力学性能或使工件获得较高的弹性;3、获得特殊的物理化学性能(磁性、耐蚀性、耐热性等)。

(四).回火:将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间,随后用符合要求的方法冷却,以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。目的:1、使工件获得所要求的力学性能;2、减少或消除残余应力;3、稳定工件的组织和尺寸。分类:1、低温回火(150~250℃),如渗碳和碳氮共渗件,低合金超高强度钢等;2、中温回火(300~450℃),如各种弹簧钢等;3、高温回火(500~650℃),如螺栓、轴等。

(五).固溶热处理:将合金加热至高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后快速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺

(六).时效:合金经固溶热处理或冷塑性形变后,在室温放置或稍高于室温保持时,其性能随时间而变化的现象。

(七).固溶处理:使合金中各种相充分溶解,强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能,消除应力与软化,以便继续加工成型

(八).时效处理:在强化相析出的温度加热并保温,使强化相沉淀析出,得以硬化,提高强度

(九).钢的碳氮共渗:碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化,目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度,耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主,其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

(十).调质处理:一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件,特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织,它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关,一般在HB200—350之间。

(十一).钎焊:用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺

(十.渗碳热处理渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子,经过表面吸收和扩散,将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表面,获得高的渗层组织,经淬火和低温回火,其表层的硬度、强度、特别是疲劳强度和耐磨性,较心部都具有显著的提高,而心部仍保持一定的强度和良好的韧性的化学热处理。

(十.深冷处理高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件,为提高其硬度和耐磨性,或为保证其尺寸的稳定性,将淬火后已冷到温的工件继续深冷至零下温度,使淬火后保留下来的残余奥氏体继续向马体转变的工艺。一般情况下,冷处理的温度达到-60~-80℃即可满足要求。

二.淬透性与淬硬性

(一)、淬硬性

钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。主要取决于淬火马氏体的碳含量,碳含量越高,钢的淬硬性越好。淬硬性与钢中合金元素的含量关系不大。

(二)、淬透性

钢能获得淬硬层深度的能力。在同一淬火条件下,获得淬硬层愈深,表示钢的淬透性愈好。

1、淬透深度标准:人为规定自工件表面到半马氏体组织区的深度作为淬透深度。如果工件淬火后心部获得了50%的马氏体,就认为被淬透了。

2、影响淬透性的主要因素:淬透性是钢的固有属性,主要取决于临界冷速的大小,临界冷速越小,钢的淬透性越好;除Co和AL外,所有溶入奥氏体的合金元素都提高钢的淬透性(如Cr、Mo、Mn、B、V等);适当提高淬火加热温度,使奥氏体晶粒长大及钢的成分均匀化,也能增加过冷奥氏体的稳定性,提高钢的淬透性。

3、质量效果:因尺寸不同而使热处理效果不同者,称为质量效果。一般碳钢之质量效果大,其淬透性较差,导致大规格之螺栓与螺帽淬硬层深度浅,故需考虑添加B、Mn、Cr等合金元素,或用合金钢来取代碳钢。如10B21、35ACR,20MnTiB、SCM435等。

三.基本钢铁金相组织

金相组织是材料分析的基础,对钢铁材料而言,从铁—碳平衡图中可看出,所有钢铁在室温下的组织均是由铁素体(a-Fe)和渗碳体(Fe3C)这两个基本相组成。

由于碳含量、合金含量的不同,钢铁材料经过加热、冷却的过程,会产生各种平衡相与非平衡相,由铁素体与渗碳体的比例、析出形状和分布情况的差异,会呈现各种不同的组织型态。

一般碳钢可观察到金相组织有:铁素体、渗碳体、珠光体、上贝氏体、下贝氏体、马氏体、回火马氏体及残留奥氏体。

四.奥氏体不锈钢的热处理有以下几种:

(1)固溶处理 这种热处理是将不锈钢零件加热到固溶温度(1050~1100℃),让所有碳化物及冷加工形成的马氏体全部溶入和转变成奥氏体,然后快冷,在室温下保持单相高温组织。这种热处理可以得到最软而塑性最高的状态。

(2)应力松驰处理 冷加工产生的内应力可以通过较低的温度退火(275~450℃,0.5~2h)予以消除。经过这种处理后,力学性能可以改善;但延伸率没有改变。

(3)稳定化处理 为了防止晶间腐蚀,在奥氏体钢中加入少量的钛或银,并进行所谓的稳定化处理。这种处理将样品加热至900℃,使大部分碳化铬溶解,而溶解了的碳与钛或银化合为比碳化铬稳定的TiC或NbC,使碳化铬不再在晶间析出。这种处理对力学性能没有明显影响。

(4)消作σ相的热处理 在高铬奥氏体钢含镍不足的情况下,热处理时可能会产生σ相,使钢的ak值下降。这类钢σ相形成温度约为500~970℃。避开σ相形成温度而加热至更高温度时,σ相可以转变成高温铁素体相而使韧性恢复。

五.热处理对316L不锈钢组织和性能的影响

1)在同一固溶处理时间下, 316L 不锈钢的硬度随固溶处理温度的升高而先升高后降低;1 000℃固溶处理30 min , 所对应的硬度值最大 (HRB77.8) 、晶粒最细,表明此温度是316L不锈钢析出硬化相的最敏感温度. 在同一固溶处理温度下,硬度随着固溶处理时间的延长反而下降.

2)提高316L不锈钢固溶处理温度、加快冷却速度,可以减轻产生晶间腐蚀的倾向,改善抗腐蚀性;若固溶处理温度过高,将会降低钢的抗拉强度和硬度.

3)与固溶处理相比, 316L不锈钢时效处理之后的硬度更高,从晶界向晶内有针状组织生产,晶内有些较规则的析出物,这是由于发生了时效硬化. 在同一时效处理时间下, 316L不锈钢的硬度随时效温度的升高而先增大后减小,时效温度为900 时的硬度值最大,表明此时为316L不锈钢时效处理时析出硬化相的最敏感温度. 在相同条件下,随着时效处理时间的延长, 316L不锈钢的硬度明显下降.

附表一:几种常用钢临界点、淬火加热温度

牌号

AC1(℃)

AC3(℃)

淬火加热温度(℃)

淬火介质

15

725

870

890-920

40

724

790

830-880

水或油

45

724

780

780-860

水或油

20MnTiB

720

843

860-890

35CrMo

755

800

820-840

830-850

40Cr

743

782

830-860

T10

730

800

770-790

GCr15

745

900

820-850

附表二:不同加热温度下的火色

火色

温度(℃)

火色

温度(℃)

火色

温度(℃)

淡黄色

220

蓝色

300

黄色

850-950

暗黄色

245

黑色

470

白色

1200-1300

赤褐色

265

暗红色

550-600

灰白色

1350

紫色

285

红色

700-800

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来源:四川奥普金属制品有限公司
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