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材工—热处理原理3

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9.2.2 钢的淬火与回火
淬火:
淬火方法分类
按加热温度不同
完全淬火：加热温度高于Ac3，全部A化后冷却，适用于亚共析钢和共析钢；
不完全淬火：加热温度高于Ac1，适用于过共析钢。
按冷却方式不同
单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火
9.2.2.1 淬火工艺参数及加热介质的选定
一、淬火温度的选择
淬火温度即钢的奥氏体化温度，是淬火的主要工艺参数之一。选择淬火温度的原则是获得均匀细小的奥氏体组织。
1、确定淬火温度的一般依据
钢的化学成分（主要是临界点Ac1、Ac3），是最主要的因素；
工件的尺寸、形状与技术参数；
A的晶粒长大倾向；
采用的淬火介质与淬火方法。
2、碳钢的淬火温度
亚共析钢
亚共析钢的淬火温度一般为Ac3以上30℃~ 50℃，原因：亚共析钢加热到Ac3以下时，淬火组织中会保留先共析F，淬火后会出现软点，使硬度达不到要求；同时由于这种组织的不均匀性，还可能影响回火后的机械性能。但为了不致于引起A晶粒的粗化以及尽可能减小淬火缺陷，温度还不能过高，一般为Ac3以上30℃~ 50℃。
过共析钢
过共析钢的淬火温度一般为Ac1以上30℃~ 50℃，原因：过共析钢在淬火加热前都要经过球化处理（如果网状渗碳体存在，则应先正火予以消除，然后再加热淬火），故加热至Ac1以上时，其组织是A和一部分未溶的粒状碳化物（渗碳体）。淬火后，A转变为M，未溶碳化物被保留下来，这不但不会降低钢的硬度，反而对提高耐磨性有利。
如果把过共析钢加热到Acm以上，从单相A状态淬火，结果不但无益，反而有害，原因：
A中溶入C量增加使Ms点降低，淬火后残余A量增多，使钢的硬度下降；
A的晶粒粗化，淬火后得到粗大M，增大脆性；
钢的脱碳氧化严重，降低淬火钢的表面质量；
增大淬火应力，从而增大工件变形与开裂倾向。
3、合金钢淬火温度
合金钢的淬火温度也根据其临界点确定，但考虑合金元素的作用，为了加速A化，一般选为Ac1或Ac3＋50℃~100℃.
4、确定淬火温度的其它考虑因素
工件尺寸：小工件采用较低的淬火温度，大工件采用较高的淬火温度。
工件形状：形状复杂、容易变形或开裂的工件，在保证性能要求的前提下尽量采用较低的淬火温度。
淬火介质与淬火方法
A晶粒长大倾向：对本质细晶粒钢，可采用较高的淬火温度。
二、加热时间的确定
加热时间由升温时间和保温时间组成。
升温时间：由零件入炉温度升至淬火温度所需的时间，并以此作为保温时间的开始。
保温时间：指零件温度均匀化并完成奥氏体化过程所需要的时间。
加热时间通常根据经验公式估算或通过实验确定。生产中往往要通过实验确定合理的加热及保温时间，以保证工件质量。
保温时间的影响因素
化学成分：含C量和合金元素增加都会使保温时间延长，原因：含C量和合金元素增加会降低钢的导热性，而且合金元素一般均阻碍C原子的扩散，其本身的扩散速度也比C小得多，显著延缓钢中的组织转变，故高碳钢比低碳钢、合金钢比碳素钢、高合金钢比低合金钢的保温时间要长些。
工件的形状与尺寸：保温时间随工件厚度或直径的增大而延长，对形状复杂或尺寸较大的工件应进行预热。
加热介质：在常用的加热介质中，以铅浴炉加热最快，盐浴炉次之，空气电阻炉最慢。
装炉情况：工件在炉中的放置方法及排列情况对工件的受热条件有明显影响，从而影响到保温时间。实际装炉时应照顾到最大的装炉量、最短的加热时间以及工件最均匀的加热条件等几方面。
炉温：提高炉温时缩短加热保温时间的有效措施之一。
三、加热介质的选择
采用不同的加热设备，与工件接触的介质也就不同。目前常用的加热介质有空气、气体燃烧产物、各种盐浴与可控气氛等。
工件在淬火加热过程中，必须重视其氧化脱碳问题并应尽量减少或防止，故需要合理选择加热介质。
1、液体介质
液体加热介质中常用的是盐浴加热。其优点是与空气介质相比液体介质炉温容易控制、工件受热均匀、加热速度快、工件不易氧化脱碳、变形小且易于局部加热等。
盐虽然是中性的，但使用不当仍会使工件产生脱碳或麻点（受腐蚀），故必须对盐浴进行脱氧处理。常用的脱氧剂有TiO2、SiO2（硅胶）、Na2B4O7（硼砂）、及硅钙铁等。
2、流动粒子（流态化粒子）
采用固体粒子（石墨、石英砂或刚玉等）作为加热介质，当通入一定流速的气流时，粒子就会呈悬浮状象流体一样地运动（在粒子堆表面呈沸腾状态，内部粒子则呈快速湍流运动），这种状态称为流化状态（或称粒子被流态化）。一般均通过电加热（内热或外热式）使流动粒子很快被加热到所需温度，靠它们来加热工件。
流动粒子具有升温快、使用范围广等优点.
淬火冷却介质：为实现淬火目的所用的冷却介质。
9.2.2.2 淬火介质
一、淬火的要求
淬火过程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。但是，冷却速度快必然产生很大的淬火内应力，这往往会引起工件变形。
淬火的目的是得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂，即达到理想淬火冷却方式。
只要在“鼻尖”温度附近快冷，使冷却曲线躲过“鼻尖”，不碰上C曲线，就能得到马氏体。也就是说，在“鼻尖”温度以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；在“鼻尖”温度附近则必须快冷，以躲开“鼻尖”，保证不产生非马氏体相变；而在Ms点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。但是到目前为止，还找不到完全理想的淬火冷却介质。
水：650~550℃和300~200℃范围内冷却能力较大，易造成零件变形和开裂。淬火用水温度一般控制在30℃以下，主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。
矿物油：300~200℃范围内冷却能力低，有利于减少工件变形；但在650~550℃范围内冷却能力也低，不利于淬硬，油一般用于合金钢的淬火。
盐浴：特点是沸点高，冷却能力介于水和油之间，可减少零件淬火时的变形，主要用于分级淬火和等温淬火，以处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。
新型淬火剂
水玻璃淬火剂
过饱和硝盐水溶液－3号淬火剂
氯化锌－碱溶液
合成淬火剂
9.2.2.3 钢的淬透性
一、基本概念
1、钢的淬透性
钢的淬透性：钢接受淬火时形成马氏体的能力 。
不同成分的钢淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）。
例如：40CrNiMo比45钢的淬透性好。
2、淬透层深度
淬透层深度
从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反映钢的淬透性越好。
半马氏体组织的确定
A、硬度测试法：M中含非M组织不多时，硬度变化不大；非M组织量增至50%时，硬度陡然下降，曲线出现明显转折点。
B、断口观察法：淬火试样的断口上，以马氏体为界，发生由脆性断裂向韧性断裂的变化，并且其酸蚀断面呈现明显的分界线。
半马氏体组织的硬度主要与碳质量分数有关，而与合金元素质量分数关系不大.
淬透性、淬透层深度和淬硬性的区别
淬透性是钢在淬火时形成马氏体的能力，是钢在规定条件下的一种工艺性能。
淬透层深度是指实际工件在具体条件下淬火得到表面马氏体到半马氏体处的距离，它与钢的淬透性、工件的截面尺寸和淬火介质的冷却能力有关。淬透性好，工件截面尺寸小，淬火介质的冷却能力强，则淬透层深度越大。
淬硬性指钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于马氏体的含碳量。
二、影响淬透性的因素
钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，即奥氏体越稳定，则钢的淬透性越好。因此，凡影响奥氏体稳定性的因素，均影响钢的淬透性。
1、碳含量
在碳钢中，碳含量影响钢的临界冷却速度。共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。???
原因：亚共析钢含碳量越低，先共析铁素体量越多，提高了A分解时P的形核率，降低A稳定性，提高临界冷却速度，降低淬透性；过共析钢含碳量越高，先共析Fe3CⅡ越多，同样降低A稳定性，提高临界冷却速度，降低淬透性。
2、合金元素 
除Co和Al以外，其余合金元素溶于奥氏体后，使C曲线右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。
3、奥氏体化温度 
提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。
4、钢中未溶第二相 
钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。
三、淬透性曲线的应用
可比较不同钢种的淬透性，方便选材。
淬透性不同的钢材经调质处理后，沿截面的组织和机械性能差别很大。
40CrNiMo
40Cr
40钢
全部回火S
回火S
回火S
S＋F
回火S
回火S
S＋F
截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。
9.2.2.4 淬火方法
预冷淬火
1、单介质淬火
定义：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。
优点：操作简单，容易实现机械化，应用较广；缺点是水淬变形开裂倾向大，油淬冷却速度小，淬透直径小，大件淬不硬。
适用性：单介质淬火适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。
2、双介质淬火
定义：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。
关键工序：控制工件在第一种介质中的停留时间，或者说工件由第一种介质转入第二种介质时的温度。
优点：既保证淬硬，又不出现较大变形和开裂。
适用性：碳钢制造的中型零件和合金钢制造的较大尺寸零件。
3、分级淬火
定义：将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。
优点：分级淬火能有效地减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向。
缺点：在200℃左右冷速较慢，淬透性钢中的过冷A容易分解，故一般只适用于于形状复杂和截面不大的工件的淬火。
4、等温淬火（或称贝氏体淬火）
定义：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。
优点：该方法大大降低内应力，减少变形。
适用性：适合处理复杂和精度要求高的小件，如弹簧、螺栓等。缺点是生产周期长、生产效率低。
5、预冷淬火（或称冷待淬火）
定义：将奥氏体化后的工件先在空气或热水中经过一段时间的预冷，待工件温度降至临界点稍上一点温度后再淬入冷却介质中的淬火方法。
优点：减少热应力，减小变形与开裂。
关键工序：控制预冷时间或预冷温度，具体工件的预冷时间由实验确定。
9.2.2.5 淬火应力、变形及开裂
淬透
9.2.2.6 钢的回火工艺
为什么淬火钢需要进行回火处理？
原因：淬火虽然使钢获得了较高的硬度和强度，但钢的弹性、塑性、韧性较低，淬火内应力较大，组织也不稳定。淬火件未经回火在室温下长期放置，淬火组织将由亚稳定状态向稳定状态转变，并伴随有应力的变化及体积的改变，可能导致工件变形、裂纹甚至断裂。回火可以减小淬火钢件的内应力、降低脆性，提高塑性、韧性和组织稳定性，得到强韧性良好配合的最佳使用性能。对某些含氢量较高易于产生氢脆的钢件，回火还可以起到除氢的作用。
回火：将淬火的合金过饱和固溶体加热到低于相变临界点（A1）温度，保温一段时间后再冷却到室温的热处理工艺方法。
回火的目的
获得所需组织以改善性能；
稳定组织与尺寸；
消除内应力。
回火基本上是热处理的最后一道工序，其工艺参数基本上决定了工件的使用性能和寿命。
钢的回火转变过程
M中C的偏聚与群集化；
M的分解；
残余A的转变；
碳化物的析出和变化；
α相的回复、再结晶。
除了组织变化外，回火过程中还产生回火脆性和二次硬化等现象。
获得回火M组织
回火M：高碳钢在350℃以下回火时，M分解后形成的α相（α相仍保持针状形态）和弥散的ε－碳化物组成的复相组织。
注意避免回火脆性
注意避免回火脆性
回火T：针状α相和与之无共格关系的细小粒状与片状渗碳体组成的机械混合物。
回火T：针状α相和与之无共格关系的细小粒状与片状渗碳体组成的机械混合物。
回火S：淬火钢在500－600℃回火时，渗碳体聚集成较大的颗粒，同时M的针状形态消失，形成多边形的F，这种F和粗粒状渗碳体的机械混合物称为回火S。
（450－650℃）
9.2.2.7 淬火新工艺的发展与应用
9.2.2.8 淬火、回火缺陷及其预防
1
方向
2、过热与过烧
过热：淬火加热温度过高，或在相当高的温度下停留时间过长，都会使A晶粒粗大，淬火后得到粗针状M。工件过热后，因其组织的粗大及淬火应力的增加，使钢的脆性增高，甚至淬火后即开裂。轻微的过热，可采用延长回火时间来补救（消除内应力），对严重的过热则要通过细化晶粒的退火和重新淬火来消除。
过烧：淬火温度太高，致使A晶界产生熔化现象，晶界有氧化物网络。无法补救，工件报废后重熔。
分级

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