鋼的熱處理 (2)
鋼的退火與正火
退火和正火的目的
調整硬度以便切削加工
- 適於機加工的硬度：HB170～230
消除殘餘內應力
- 防止工件淬火時變形或開裂
細化晶粒，改善組織
為最終熱處理（淬火和回火）作好組織上的準備
- 獲得粒（球）狀珠光體
退火和正火通常屬於預備熱處理。
退火
退火是將鋼加熱至臨界點以上或以下溫度，保溫後緩慢冷卻（通常是隨爐冷卻）下來以獲得近於平衡狀態組織的熱處理工藝。
退火的種類
完全退火：加熱溫度：。主要用於亞共析鋼。
等溫退火：加熱溫度：對亞共析成分的鋼為；對過共析成分的鋼為。主要適用於合金鋼。
球化退火：加熱溫度：附近。主要用於共析成分和過共析成分的 鋼，是使鋼中的碳化物球狀化的工藝，以獲得粒（球）狀珠光體。
擴散退火：加熱溫度：略低於相圖上的固相線。用於消除偏析。
正火
正火是將鋼加熱至或溫度，保溫後空冷的熱處理工藝。
與退火相比，正火冷卻速度快，得到較細的 P，強度和硬度也較高。
正火的主要應用
消除網狀二次滲碳體
作為要求不高的零件的最終熱處理
作為低、中碳結構鋼的預備熱處理，改善切削加工性能。
退火和正火的選用
- C%＜0.25% 的低碳鋼宜採用正火代替退火作為預備熱處理。
- 0.25%＜C%＜0.50% 的中碳鋼，可採用退火或正火作為預備熱處理。
- 0.50%＜C%＜0.75% 的中、高碳鋼，採用完全退火。
- C%＞0.75% 的高碳鋼，首先用正火消除網狀，再進行球化退火。
常用退火及正火的加熱範圍
鋼的淬火與回火
淬火
淬火是將鋼加熱至或以上一定溫度，保溫後以大於臨界冷卻速度冷卻下來，以獲得馬氏體的熱處理工藝。
淬火的目的：獲得馬氏體，提高鋼的力學性能。
淬火工藝參數的確定
淬火加熱溫度
淬火加熱溫度（或稱淬火溫度）即鋼的奧氏體化溫度。確定原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。
淬火加熱溫度可依據相圖選擇。
碳鋼的淬火溫度範圍
各類鋼淬火溫度的確定
亞共析鋼：
共析鋼和過共析鋼：
合金鋼：臨界溫度以上
淬火加熱時間
加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。
加熱時間通常根據經驗公式估算或通過實驗確定。
淬火介質
兩個問題
冷卻速度大，更容易獲得 M。
冷卻速度大，內應力更大，工件變形和開裂的傾向大。
理想淬火介質的冷卻特性
當冷卻至“鼻尖”溫度前冷卻較慢，以充分降低熱應力。
在“鼻尖”溫度附近具有較大的冷卻能力，避免產生非馬氏體組織。
在點附近冷卻盡量緩慢，以減少 M 轉變時產生的組織應力。
常用淬火介質
水：主要適用於碳鋼
鹽水：主要適用於碳鋼
油：主要適用於合金鋼
有機溶液：適用於不同材質
理想淬火介質的冷卻曲線
淬火方法
- 單液淬火法
操作簡單，易實現機械化。用於尺寸不大、形狀簡單的工件。
淬火後組織：M
- 雙液淬火法
操作複雜，不易掌握。用於形狀複雜的高碳鋼工件及尺寸較大的合金鋼工件。
淬火後組織：M
- 分級淬火法
工藝較複雜。用於尺寸較大、形狀複雜的合金鋼工件。
淬火後組織：M
- 等溫淬火法
用於形狀複雜和要求較高的小工件。
淬火後組織：
各種淬火方法示意圖
鋼的淬透性
淬透性的概念
鋼的淬透性是指奧氏體化後的鋼在淬火時獲得淬透層深度的能力。
簡單地說，淬透性就是鋼淬火時獲得馬氏體的能力。
淬透性的大小
淬透性的大小用規定條件下鋼淬火後獲得的淬硬層的深度表示。
淬硬層深度：由工件表面到半馬氏體區域的深度。
淬透性與淬硬性的區別
淬透性表示鋼淬火後獲得淬透層深度的能力，是鋼本身的固有屬性。
淬硬性表示鋼淬火後能達到的最高硬度，是鋼在淬火時的硬化能力，取決於鋼的含碳量。
影響淬透性的因素
決定淬透性的因素是過冷奧氏體的穩定性，即過冷奧氏體的穩定性越高，淬透性越好，反之，淬透性越差。
影響過冷奧氏體的穩定性的因素：C 曲線的位置。
凡是使鋼的 C 曲線向右移的因素，均提高鋼的淬透性。
影響淬透性的主要因素是鋼的化學成分：除 Co 外，所有溶入奧氏體中的合金元素均提高淬透性。
淬透性的測定及其表示方法
末端淬火法——通過端淬試驗測定淬透性，淬透性的數值為 。
臨界淬透直徑法——用鋼在某種淬火介質中能夠完全淬透的最大直徑 D0 表示。
回火
回火是將淬火鋼加熱到 Ac1 以下某一溫度，保溫後再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。
回火的目的：
降低或消除殘餘內應力，防止工件變形或開裂。 淬火鋼內部應力高、脆性大，直接應用有變形甚至開裂的危險。
減少或消除殘餘奧氏體，穩定工件尺寸。 馬氏體和殘餘奧氏體是亞穩定組織，在一定條件下要發生轉變。
調整工件的組織和性能，滿足工件的使用要求。 淬火鋼的硬度高且脆性大，通過回火可調整組織和性能。
鋼淬火後應及時回火。
回火工藝
- 低溫回火
回火溫度：。
回火組織：，具有高的硬度。
硬度：HRC58～64。
應用：各種工具、模具、軸承、滲碳工件、表面淬火工件等。
- 中溫回火
回火溫度：。
回火組織：，具有高的彈性、屈服強度和屈強比，又有足夠韌性。
硬度：HRC35～45。
應用：各種彈簧。
- 高溫回火
回火溫度：。
回火組織：，具有良好的綜合力學性能。
硬度：HRC25～35。
應用：各種軸、齒輪、連桿等。
調質：淬火加高溫回火稱為調質處理，簡稱調質。
回火脆性
淬火鋼在某些溫度回火時，其沖擊韌性顯著下降的現象稱為回火脆性。
- 第一類回火脆性
出現的溫度範圍：。
特點：淬火鋼一旦在這一溫度範圍回火，就極可能產生這類回火脆性，且無法消除。
解決辦法：避免將淬火鋼在該溫度範圍內回火。
第一類回火脆性又稱為低溫回火脆性、不可逆回火脆性。
- 第二類回火脆性
出現的溫度範圍：。
特點：淬火鋼在這一溫度範圍內回火後，如果緩冷則會出現回火脆 性，如果快冷則不產生回火脆性。
解決辦法：產生第二類回火脆性的鋼可重新回火後進行快速冷卻。
第二類回火脆性又稱為高溫回火脆性、可逆回火脆性。
鋼的沖擊韌性與回火溫度的關係
鋼的表面熱處理
鋼的表面淬火
表面淬火是將鋼快速加熱至奧氏體化溫度，然後快速冷卻，僅使工件表面層獲得淬火組織（M），而心部仍保持工件原始組織的熱處理工藝。
表面淬火的目的：賦予工件“外硬內韌”的性能。
表面淬火用材料及表面淬火後的組織
表面淬火用材料
典型材料：中碳鋼和中碳合金鋼。
預備熱處理
典型工藝：調質處理。如果心部性能要求不高，可採用正火。
表面淬火後的組織
預備熱處理為調質：表面，心部。
預備熱處理為正火：表面，心部 F＋S。
感應加熱表面淬火
感應加熱表面淬火是生產實際中應用最廣泛的表面淬火工藝。
感應加熱表面淬火的基本原理
集皮效應：當感應線圈中的交變電流在工件表面感生出感應電流時，該感應電流絕大部分分佈在工件表面，而工件內部幾乎沒有電流通過，這種現象稱為集皮效應。
感應加熱表面淬火原理：基於集皮效應，工件表面被迅速加熱到奧氏體化溫度（幾秒鐘即升至 ），而工件內部幾乎未被加熱，隨後噴水冷，實現表面淬火。
感應電流透入工件表面層的深度：取決於交變電流的頻率。
：感應電流的透入深度（）；
：工件的電阻率（）；
：工件的磁導率（）
：交變電流的頻率（）。
感應加熱表面淬火的種類
- 高頻感應加熱：
電流頻率：250～300kHz。
淬硬層深度：0.5～2.0mm。
應用：中、小模數齒輪及中、小尺寸的軸件。
- 中頻感應加熱：
電流頻率：2500～8000kHz。
淬硬層深度：2～10mm。
應用：較大尺寸的軸和大、中模數齒輪。
- 工頻感應加熱：
電流頻率：50Hz。
淬硬層深度：10～15mm。
應用：要求淬硬層很深的工件。
感應加熱表面淬火的特點
加熱溫度高，加熱時間短，升溫快。可實現“短時快速加熱”。
工件表層 A 晶粒細小。淬火後，表層多為隱晶馬氏體，硬度比普通淬火高 HRC2～3。
工件表面質量好。加熱時間，不易氧化和脫碳，淬火變形小。
鋼的化學熱處理
化學熱處理是將鋼放在一定的活性介質中加熱和保溫，使介質中的活性原子滲入工件表層，從而改變工件表面化學成分和組織，進而改變其性能的熱處理工藝。
化學熱處理的目的：賦予工件“外硬內韌”的性能。
化學熱處理的基本過程
分解——加熱時，活性介質分解出活性原子。
吸收——活性原子被鋼件表面吸附並向鋼的固溶體中溶解。
擴散——鋼件表面吸收並溶解的活性原子向內部遷移。
滲碳
滲碳是將低碳鋼（0.1～0.25%C）置於高碳介質中加熱、保溫，使工件表面獲得高碳成分的化學熱處理工藝。
滲碳的目的：提高工件表層的C%，從而提高表面硬度和耐磨性、疲勞強度，同時保持心部的良好韌性。
滲碳方法
主要有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種。最常用的是氣體滲碳。
氣體滲碳是將工件置於密封的氣體滲碳爐內，加熱使其奧氏體化，然後向爐內滴入滲碳劑或直接通入滲碳氣氛，使碳原子滲入到工件表層，進而提高工件表層的C%。
滲碳溫度：
滲碳層表面含碳量：以0.85～1.05%為宜。
滲碳層深度：一般為0.5～2.5mm。可根據工件承載能力確定。
滲碳後的熱處理
淬火＋低溫回火。
預冷直接淬火＋低溫回火
- 將工件從滲碳溫度預冷至略高於的溫度後立即淬火，然後在下低溫回火。
預冷一次淬火＋低溫回火
- 將工件滲碳後先緩冷至室溫，然後再重新加熱進行淬火和低溫回火。
預冷二次淬火＋低溫回火
- 滲碳緩冷後進行兩次加熱淬火，最後進行低溫回火。
滲碳熱處理後滲層及心部的組織與性能
表層：高碳＋滲碳體＋（少量），HRC58～62。
- 工件表層具有高的硬度、耐磨性和疲勞強度。
心部：淬透時：低碳。
未淬透時：F＋S。
工件心部具有良好的韌性和足夠的強度。