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退火的主要目的是:
(1)降低钢的硬度,提高塑性,以利于切削加工及冷变形加工。
(2)细化晶粒,均匀钢的组织及成分,改善钢的性能或为以后的热处理作准备。
(3)消除钢中的残余内应力,以防止变形和开裂。
常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。
(1)完全退火完全退火是将钢加热到完全奥氏体化(AC3以上30~50℃),随之缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的工艺方法。
在完全退火加热过程中,钢的组织全部转变为奥氏体,在冷却过程中,奥氏体变为细小而均匀的平衡组织(铁素体+珠光体),从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。
完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的铸件、锻件、热轧型材等,有时也用于焊接结构件,过共析钢不宜采用完全退火,因过共析钢完全退火需加热到ACCM以上,在缓慢冷却时,钢中将析出网状渗碳体,使钢的力学性能变坏。
(2)球化退火是将钢加热到AC1以上20~30℃,保温一定时间,以不大于50℃/H的冷却速度随炉冷却下来,使钢中碳化物呈球状的工艺方法。
球化退火适用于共析钢及过共析钢,如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。
这些钢在锻造加工后进行球化退火,一方面有利于切削加工,同时为最后的淬火处理作好组织准备。
(3)去应力退火是将钢加热到略低于A1的温度(一般取500~650℃),保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法,其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力。
工件和零件中存在的内应力是十分有害的,如不及时消除,会在加工和使用过程中发生变形,影响其精度,因此,铸造、锻造、焊接及切削加工后(精度要求高)的工件应采用去应力退火。
由于去应力退火温度低于A1,所以在去应力退火时钢的组织不会发生变化,只是消除内应力。
二、正火
正火是将钢加热到AC3或ACCM以上30~50℃,保温适当的时间,在空气中冷却的工艺方法。
正火与退火的目的基本相同,但正火的冷却速度比退火稍快,故正火后得到的珠光体组织比较细,强度、硬度比退火钢高。
正火主要用于如下场合:
(1)改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性,一般认为硬度在160~230HBS范围内的钢材,其切削加工性最好,硬度过高时难以加工,而且刀具容易磨损,硬度过低,切削时容易“粘刀”,使刀具发热而磨损,而且工件的表面质量较低,低碳钢和低碳合金钢退火后的硬度在160HBS以下,切削加工性不良,而正火能适当提高其硬度,改善切削加工性。
(2)正火可细化晶粒,其组织力学性能较高,所以当力学性能要求不太高时,正火可作最终热处理,也能满足普通结构零件的性能要求。
(3)消除过共析钢中的网状渗碳体,改善钢的力学性能,并为球化退火作组织准备。
(4)代替中碳钢和低碳合金结构钢的退火,改善它们的组织结构和切削加工性能。
正火比退火生产周期短,成本低,操作方便,故在可能的条件下,应优先采用正火,但在零件形状较复杂时,由于正火的速度较快,有引起开裂的危险,则采用退火为宜。
淬火
将钢加热到AC3或AC1以上某温度,保温一定时间,然后以适当速度冷却,获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火的主要目的是为了获得马氏体,提高钢的强度和硬度。
淬火冷却介质
淬火要求得到马氏体组织,故淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度,但冷却过快,工件的体积收缩及组织转变剧烈,从而引起很大的内应力,容易造成工件变形及开裂,因此,淬火介质的选择是个重要的问题。
常用的淬火冷却介质有油、水、盐水、硷水等,其冷却能力依次增加,盐水在650~550℃范围内冷却速度快,但在300~200℃的温度范围内冷却速度仍然很快,容易引起开裂,所以常用作形状简单的碳钢零件的淬火。
油在300~200℃的温度范围内冷却速度比较慢,但在650~500℃范围内冷却速度过慢,一般用于临界冷却速度较小的合金钢零件的淬火。
淬火方法:
淬火时为了最大限度地减小变形和避免开裂,除了正确的进行加热及合理地选择介质,还应根据工件的材料、尺寸、形状和技术要求选择合理的淬火方法。
常用的淬火方法有:
1、单液淬火法:
将钢体奥氏体化后,在单一淬火介质中冷却到室温的处理,称为单液淬火。
单液淬火时碳钢一般用水作冷却介质,合金钢可用油作冷却介质。
单液淬火操作简单,易实现机械化和自动化,但单独用水或油进行冷却,综合的冷却特性不够理想,容易产生硬度不足或开裂等淬火缺陷。
2、双介质淬火
将钢件奥氏体化后,先浸入一种冷却能力强的介质中,冷却至接近MS点温度即钢的组织还未开始转变时迅速取出,马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火,称为双介质淬火。
如先水后油,先水后空气等。
双介质淬火的优点是内应力小,变形及开裂小。
缺点是操作困难,不易掌握,故主要应用于由碳素工具钢制造的易开裂工件,如丝锥等。
3、马氏体分级淬火
钢材奥氏体化后,随之浸入温度稍高或稍低于钢的MS点的液态介质中,保温适当时间,待工件的内外层均达到介质温度后取出空冷或油冷,从而获得马氏体组织,称为马氏体分级淬火。
4、贝氏体等温淬火
钢材料奥氏体化后,放入温度稍高于MS点的盐浴或硷浴中,保温足够时间,使奥氏体转变为下贝氏体,这种热处理工艺称为贝氏体等温淬火。
贝氏体等温淬火的主要目的是强化钢材,使工件获得强度和韧性的良好配合,以及较高硬度和较好的耐磨性。
贝氏体等温淬火可以显著地减小淬火应力和变形,基本上避免了工件的淬火开裂,故常用来处理形状复杂的各种模具、成形刀具等。
钢的淬硬性和淬透性:
淬火时,工件截面上各处的冷却速度是不同的,表面的冷却速度最大,越到中心冷却速度越小,如果工件表面及中心的冷却速度都大于材料的临界冷却速度,则沿工件的整个截面均能获得马氏体组织,即钢被完全淬透了,如中心部分低于临界冷却速度,则表面得到马氏体,心部则获得非马氏体的组织。
淬透性是指在规定条件下,钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力,显然,淬透性好的钢较淬透性差的钢易于整体淬硬。
钢的淬透性与钢的临界冷却速度有密切的关系,临界冷却速度越低,钢的淬透性越好,所以,能增加过冷奥氏体稳定性,降低临界冷却速度的因素(主要是钢的化学成分)均可以提高钢的淬透性,例如:
合金钢的淬透性比碳钢好。
淬透性是钢重要的热处理要求,其主要表现在两方面:
其一是淬透性好的钢,经淬火回火后,截面上组织均匀一致,综合力学性能好。
其二是淬透性好的钢,在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质,减小工件淬火的变形及开裂倾向。
淬硬性是指钢在理想条件下,淬火成马氏体后所能达到的最高硬度,钢的淬硬性主要取决于钢的含碳量,低碳钢淬火的最高硬度值低,淬硬性差;
高碳钢淬火的最高硬度值高,淬硬性好,淬硬性和淬透性是具有不同意义的两个概念。
淬火缺陷:
1、氧化与脱碳
钢加热时,炉内氧化气氛与钢材料表面的铁或碳相互作用,引起氧化和脱碳。
所谓氧化,是指铁的氧化,即在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮,氧化不仅造成金属的损耗,还影响工件的承载能力和表面质量等。
所谓脱碳,是指气体介质和钢表面的碳起作用而逸出,使材料表面含碳量降低,脱碳会降低工件表层的强度、硬度和疲劳强度,对于弹簧、轴承和各种工具、模具等,脱碳是严重的缺陷。
为了防止氧化和脱碳,对重要受力零件和精密零件,通常应在盐浴炉中加热,要求更高时,可在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。
2、过热和过烧
钢在淬火加热时,由于加热温度过高或高温下停留时间过长而发生奥氏体晶粒显著粗化的现象,称为过热。
加热温度达到固相线附近,使晶界氧化并部分熔化的现象称为过烧。
工件过热后,晶粒粗大,不仅降低钢的力学性能(尤其是韧性),也容易引起变形和开裂,过热可以用正火处理予以纠正,而过烧后的工件只能报废。
为防止工件的过热和过烧,必须严格控制加热温度和保温时间。
3、变形与开裂
淬火内应力是造成工件变形和开裂的原因,对于变形量小的工件可采取某些措施予以纠正,而变形量太大或开裂的工件只能报废。
为了防止变形和开裂的产生,可采用不同的淬火方法(如分级淬火或等温淬火)或在设计上采取一些措施(如结构对称、截面均匀、避免尖角等)。
4、硬度不足
这是由于加热温度过低,保温时间不足,冷却速度过低或表面脱碳等原因造成的,一般情况下,可采用重新淬火消除,但淬火前要进行一次退火或正火处理。
钢的回火
将淬火后的钢,再加热到AC1点以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
淬火钢回火的目的如下:
(1)消除内应力通过回火减少或消除工件在淬火时产生的内应力,防止工件在使用过程中的变形。
(2)获得所需要的力学性能通过回火可提高钢的韧性,适当调整钢的强度和硬度,使工件具有较好的综合力学性能。
(3)稳定组织和尺寸回火可使钢的组织稳定,从而保証工件在使用过程中尺寸稳定。
回火的分类及应用:
回火时,决定钢的组织和性能的主要因素是回火温度,回火温度可根据工件要求的力学性能来选择。
1.低温回火(150-250℃)
低温回火得到的组织是回火马氏体,其性能是:
具有高的硬度(58-64HRC),高的耐磨性和一定的韧性,低温回火主要是用于量具、刀具、冷冲压模及其他要求耐磨而硬的零件。
2.中温回火(350-650℃)
中温回火得到的组织是回火托氏体,其性能是:
具有高的弹性极限、屈服点和适当的韧性,硬度可达到35-50HRC,中温回火主要用于弹性零件及热锻模具等。
3.高温回火(500-650℃)
高温回火得到的组织是回火索氏体,其性能是:
具有良好的综合力学性能(足够的强度与高韧性相配合),硬度达200-330HBS,生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。
调质处理广泛用于受力构件,如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等。
调质钢与正火钢相比,不仅强度较高。
而且塑性、韧性远高于后者。
这是由于调质后钢的组织是回火索氏体,其渗碳体呈球粒状,而正火后的索氏体中渗碳体呈薄片状,因此,重要零件均应采用调质处理。
钢的表面热处理
在机械设备中,有许多零件(如齿轮、曲轴等)是在冲击载荷及表面摩擦条件下工作的,这类零件表面须具有高硬度和耐磨性,而心部要有足够的塑性和韧性,为满足这类零件的性能要求,就要进行表面热处理。
常用表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。
一、表面淬火
仅对工件表层进行淬火的工艺称为表面淬火,根据淬火加热方法的不同,常用的有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。
1.火燄加热表面淬火
应用氧-乙炔(或其他可燃气体)火燄对零件表面进行快速加热,随之快速冷却的工艺,称为火燄加热表面淬火。
火燄淬火的淬硬层深度一般为2-6mm,这种方法的特点是:
加热温度及淬硬层深度不易控制,淬火质量不稳定,但不需要特殊设备,一般适用于单件或小批量生产。
2.感应加热表面淬火
利用感应电流通过工件所产生的热效应,使工件表面局部加热,然后快速冷却的淬火工艺称为感应加热表面淬火。
感应加热表面淬火的特点:
﹙1﹚加热速度快,零件由室温加热到淬火温度仅需几秒到几十秒。
(2)淬火质量好,由于加热迅速,奥
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