钢材的热处理工艺模板.doc

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-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，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，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、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70080015204064163220索氏体+铁素体调质75085020256496210250回火索氏体（因为baidu表格功效太差，所以这里不够美观） 钢淬火后在300左右回火时，易产生不可逆回火脆性，为避免它，通常不在250350 范围内回火。含铬、镍、锰等元素合金钢淬火后在500650回火，缓冷易产生可逆回火脆性，为预防它，小零件可采取回火时快冷；大零件可选择含钨或钼合金钢。 退火退火 ：将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)一个金属热处理1工艺。目标是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成份均匀化，去除残余应力，或得到预期物理性能。退火工艺随目标之不一样而有多个，如重结晶退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，和稳定化退火、磁场退火等等。 1、金属工具使用时因受热而失去原有硬度。2、把金属材料或工件加热到一定温度并连续一定时间后，使缓慢冷却。退火能够减低金属硬度和脆性，增加可塑性。也叫焖火。退火一个最关键工艺参数是最高加热温度（退火温度），大多数合金退火加热温度选择是以该合金系相图为基础,如碳素钢以铁碳平衡图为基础（图1）。多种钢(包含碳素钢及合金钢)退火温度，视具体退火目标不一样而在各该钢种Ac3以上、Ac1以上或以下某一温度。多种非铁合金退火温度则在各该合金固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下某一温度。 重结晶退火 应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)发生合金。其退火温度为各该合金相变温度区间以上或以内某一温度。加热和冷却全部是缓慢。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火，常被简称为退火。 这种退火方法，相当普遍地应用于钢。钢重结晶退火工艺是:缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢或过共析钢）以上3050，保持合适时间，然后缓慢冷却下来。经过加热过程中发生珠光体（或还有先共析铁素体或渗碳体）转变为奥氏体（第一回相变重结晶）和冷却过程中发生和此相反第二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀珠光体(或还有先共析铁素体或渗碳体)。退火温度在Ac3以上（亚共析钢）使钢发生完全重结晶者，称为完全退火，退火温度在Ac1和Ac3之间 (亚共析钢)或Ac1和Acm之间（过共析钢）,使钢发生部分重结晶者,称为不完全退火。前者关键用于亚共析钢铸件、锻轧件、焊件，以消除组织缺点（如魏氏组织、带状组织等），使组织变细和变均匀，以提升钢件塑性和韧性。后者关键用于中碳和高碳钢及低合金结构钢锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后冷却速度较大时，形成珠光体较细、硬度较高；若停锻、停轧温度过低，钢件中还有大内应力。此时可用不完全退火替换完全退火，使珠光体发生重结晶,晶粒变细，同时也降低硬度，消除内应力,改善被切削性。另外,退火温度在Ac1和Acm之间过共析钢球化退火,也是不完全退火。 重结晶退火也用于非铁合金，比如钛合金于加热和冷却时发生同素异构转变，低温为 相(密排六方结构)，高温为 相（体心立方结构），其中间是“”两相区，即相变温度区间。为了得到靠近平衡室温稳定组织和细化晶粒，也进行重结晶退火，即缓慢加热到高于相变温度区间不多温度，保温合适时间，使合金转变为相细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使相再转变为相或两相细小晶粒。 等温退火 应用于钢和一些非铁合金如钛合金一个控制冷却退火方法。对钢来说，是缓慢加热到 Ac3（亚共析钢）或 Ac1（共析钢和过共析钢）以上不多温度，保温一段时间,使钢奥氏体化,然后快速移入温度在A1以下不多另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为片层状珠光体（亚共析钢还有先共析铁素体；过共析钢还有先共析渗碳体）为止，最终以任意速度冷却下来(通常是出炉在空气中冷却)。等温保持大致温度范围在所处理钢种等温转变图上A1至珠光体转变鼻尖温度这一区间之内(见过冷奥氏体转变图)；具体温度和时间，关键依据退火后所要求硬度来确定（图2）。等温温度不可过低或过高，过低则退火后硬度偏高；过高则等温保持时间需要延长。钢等温退火目标，和重结晶退火基础相同,但工艺操作和所需设备全部比较复杂,所以通常关键是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢合金钢。后者若采取重结晶退火方法，往往需要数十小时，很不经济；采取等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件取得更为均匀组织和性能。等温退火也可在钢热加工不一样阶段来用。比如,若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室温时，当心部转变为马氏体之时，在已发生了马氏体相变外层就会出现裂纹;若将该类钢热钢锭或钢坯在冷却过程中放入700左右等温炉内，保持等温直到珠光体相变完成后，再出炉空冷，则可免生裂纹。 含相稳定化元素较高钛合金，其相相当稳定，轻易被过冷。过冷相，其等温转变动力学曲线（图3）和钢过冷奥氏体等温转变图相同。为了缩短重结晶退火生产周期并取得更细、更均匀组织，亦可采取等温退火。均匀化退火 亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金（如锡青铜、硅青铜、白铜、镁合金等）铸锭或铸件一个退火方法。将铸锭或铸件加热到各该合金固相线温度以下某一较高温度,长时间保温,然后缓慢冷却下来。均匀化退火是使合金中元素发生固态扩散，来减轻化学成份不均匀性（偏析），关键是减轻晶粒尺度内化学成份不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。均匀化退火温度所以如此之高，是为了加紧合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。合金钢均匀化退火温度远高于Ac3，通常是10501200。非铁合金锭进行均匀化退火温度通常是“0.95固相线温度(K)”,均匀化退火因加热温度高，保温时间长，所以热能消耗量大。 球化退火 只应用于钢一个退火方法。将钢加热到稍低于或稍高于Ac1温度或使温度在A1上下周期改变，然后缓冷下来。目标在于使珠光体内片状渗碳体和先共析渗碳体全部变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。含有这种组织中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。对工具钢来说，这种组织是淬火前最好原始组织。 球化退火具体工艺（图4）有：一般（缓冷）球化退火（图4a），缓冷适适用于多数钢种，尤其是装炉量大时，操作比较方便，但生产周期长；等温球化退火（图4b），适适用于多数钢种，尤其是难于球化钢和球化质量要求高钢（如滚动轴承钢）；其生产周期比一般球化退火短，不过需要有能够控制共析转变前冷却速率炉子；周期球化退火（图4c），适适用于原始组织为片层状珠光体组织钢，其生产周期也比一般球化退火短，不过在设备装炉量大条件下，极难按控制要求改变温度，故在生产中未广泛采取；低温球化退火（图4d），适适用于经过冷形变加工钢和淬火硬化过钢（后者通常称为高温软化回火）；形变球化退火，形变加工对球化有加速作用,将形变加工和球化结合起来,可缩短球化时间。它适适用于冷、热形变成形钢件和钢材（如带材）（图4e是在Acm或Ac3和Ac1之间进行短时间、大形变量热形变加工者；图4f是在常温先给予形变加工者；图4g是利用铸造余热进行球化者）。再结晶退火 应用于经过冷变形加工金属及合金一个退火方法。目标为使金属内部组织变为细小等轴晶粒，消除形变硬化，恢复金属或合金塑性和形变能力（回复和再结晶）。若欲保持金属或合金表面光亮，则可在可控气氛炉中或真空炉中进行再结晶退火。 去除应力退火 铸、锻、焊件在冷却时因为各部位冷却速度不一样而产生内应力，金属及合金在冷变形加工中和工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未立即给予去除，常造成工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到较低温度（比如，灰口铸铁是500550，钢是500650），保温一段时间,使金属内部发生弛豫，然后缓冷下来。应该指出,去除应力退火并不能将内应力完全去除，而只是部分去除，从而消除它有害作用。 还有部分专用退火方法，如不锈耐酸钢稳定化退火；软磁合金磁场退火；硅钢片氢气退火；可锻铸铁可锻化退火等。 -退火 annealing 将工件加热到预定温度，保温一定时间后缓慢冷却金属热处理工艺。退火目标在于：改善或消除钢铁在铸造、锻压、轧制和焊接过程中所造成多种组织缺点和残余应力，预防工件变形、开裂。软化工件方便进行切削加工。细化晶粒，改善组织以提升工件机械性能。为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。常见退火工艺有：完全退火。用以细化中、低碳钢经铸造、锻压和焊接后出现力学性能不佳粗大过热组织。将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体温度以上3050，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，在冷却过程中奥氏体再次发生转变，即可使钢组织变细。球化退火。用以降低工具钢和轴承钢锻压后偏高硬度。将工件加热到钢开始形成奥氏体温度以上2040，保温后缓慢冷却，在冷却过程中珠光体中片层状渗碳体变为球状，从而降低了硬度。等温退火。用以降低一些镍、铬含量较高合金结构钢高硬度，以进行切削加工。通常先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定温度，保温合适时间，奥氏体转变为托氏体或索氏体，硬度即可降低。再结晶退火。用以消除金属线材、薄板在冷拔、冷轧过程中硬化现象（硬度升高、塑性下降）。加热温度通常为钢开始形成奥氏体温度以下50150 ，只有这么才能消除加工硬化效应使金属软化。石墨化退火。用以使含有大量渗碳体铸铁变成塑性良好可锻铸铁。工艺操作是将铸件加热到950左右 ，保温一定时间后合适冷却 ，使渗碳体分解形成团絮状石墨。扩散退火。用以使合金铸件化学成份均匀化，提升其使用性能。方法是在不发生熔化前提下 ，将铸件加热到尽可能高温度，并长时间保温，待合金中多种元素扩散趋于均匀分布后缓冷。去应力退火。用以消除钢铁铸件和焊接件内应力。对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体温度以下100200，保温后在空气中冷却，即可消除内应力。 退火为了消除塑料制品内应力或控制结晶过程，将制品加热到合适温度并保持一定时间，以后慢慢冷却操作。-退火 annealing 加热使DNA双螺旋解开，在一定条件下，两条互补单链依靠相互碱基配对重新形成双链DNA过程，亦即复性过程。热变性DNA单链在缓慢冷却过程中能够达成很好退火。退火两条单链能够来自同一个双链DNA分子，也能够来自不一样DNA分子。退火是变性逆转过程，它受温度、时间、DNA浓度、DNA次序复杂性等原因影 响。如PCR反应中引物和模板DNA退火，核酸杂交中探针和被检DNA退火。-退火 annealing 在半导体技术中也常常采取退火技术。比如：（1）半导体芯片在经过离子注入以后就需要退火。因为往半导体中注入杂质离子时，高能量入射离子会和半导体晶格上原子碰撞，使部分晶格原子发生位移，结果造成大量空位，将使得注入区中原子排列混乱或变成为非晶区，所以在离子注入以后必需把半导体放在一定温度下进行退火，以恢复晶体结构和消除缺点。同时，退火还有激活施主和受主杂质功效，即把有些处于间隙位置杂质原子经过退火而让它们进入替换位置。退火温度通常为200800C，比热扩散掺杂温度要低得多。（2）蒸发电极金属以后需要进行退火，使得半导体表面和金属能够形成合金，以接触良好（减小接触电阻）。这时退火温度要选择得稍高于金属-半导体共熔点（对于Si-Al合金，为570度）。