金属材料(钢)的热处理 - 四把火

前言

随着社会的发展、科技的进步,人们对健康、环保、安全等方面的要求越来越高,热处理作为确保零部件质量、提高产品安全可靠性的一种手段,也越来越受到重视。

热处理的作用就是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。

一般零件的生产工艺路线:毛坯生产→预备热处理→机械加工→最终热处理→精加工。

从上述生产工艺路线可以看出,热处理工艺可分为两大类:预备热处理和最终热处理。预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织,其热处理工艺有退火和正火。最终热处理的目的是提高硬度、耐磨性和强度等力学性能,其热处理工艺有淬火和回火。

本篇将为朋友们介绍热处理的四把火:退火、正火、淬火和回火。

钢的退火(Anneal)

定义

将钢加热到一定温度,保温一定时间后,在炉中缓慢冷却至室温的热处理工艺称为退火。

目的

1)消除应力;

2)降低硬度、提高塑性,改善加工性能;

3)细化晶粒、均匀成分,为最终热处理作好组织准备。

分类

1)完全退火。

2)球化退火。

3)去应力退火:将钢加热到500~600ºC,保温一定时间后随炉缓冷至200~300ºC出炉空冷。

去应力退火

目的:消除铸件、锻件和焊接件的内应力(没有发生组织变化)。

适用范围:所有的钢。

注意事项:

- 由于退火处理加热和冷却是近似于平衡的过程,因此需要控制加热和冷却的速度。否则,达不到理想的效果。

- 退火过程要求炉温比较均匀。

- 退火时间不足或温度太低都不能达到理想效果。

4)再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上,保持适当时间,使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒,以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。

5)扩散退火:为了减少钢锭、铸件或锻件的化学成分和组织的不均匀性,将其加热到高温,长时间保持,然后进行缓慢冷却,以达到化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。

钢的正火(Normalizing)

定义

正火是将钢件加热至Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上30~50℃,保温后出炉在空气中冷却的一种操作。

目的

1)对低碳钢,可细化晶粒、提高硬度,改善加工性能;

2)对中碳钢,可提高硬度和强度,也可作为最终的热处理;

3)对高碳钢,可为球化退火作准备。

实际生产中,经常在正火后再进行一次回火处理,而作为最终的热处理。例如:泵用普通铸钢件、泵体泵盖(CA6NM)等。

钢的淬火(Quenching)

定义

将亚共析钢加热到Ac3以上,共析钢与过共析钢加热到Ac1以上(低于Accm)的温度,保温后以大于Vk的速度快速冷却,使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺叫淬火。

目的

提高钢的硬度、强度和耐磨性,并保持足够的韧性。

工艺参数(加热温度)

淬火后的最终组织

淬火的冷却介质和冷却方法

淬火操作难度比较大,主要因为淬火时要求得到马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度(Vk),而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力,往往会引起钢件的变形与开裂。

怎样才能既得到马氏体又最大限度地减小变形与避免开裂呢?主要可以从两方面着手,其一是寻找一种比较理想的淬火介质,其二是改进淬火冷却方法。

常用的淬火冷却介质:水、矿物油、盐水溶液等。

影响淬火效果的因素

1)加热温度;

2)保温时间;

3)淬火介质;

4)其它因素。

钢的淬硬性与淬透性

淬硬性:指钢在淬火后所能达到的最高硬度。影响钢的淬硬性的因素主要取决于马氏体的含碳量。

淬透性:是指钢在淬火时所能得到的淬硬层(马氏体组织占50%处)的深度。

影响淬透性的因素

1)碳含量:在碳钢中,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。

2)合金元素:除钴以外,其余合金元素溶于奥氏体后,降低临界冷却速度,使C曲线右移,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)钢中未熔的第二相:钢中未熔入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物,使临界冷却速度增大,降低淬透性。

淬硬性与淬透性的关系

钢的回火(Tempering)

定义

钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。

消除内应力、获得所需的力学性能、稳定组织和尺寸。

回火的分类

钢的硬度随回火温度的变化

调质

淬火 + 高温回火 = 调质处理

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