工艺第3章淬火与回火.doc

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1、钢的淬火及回火第一节 淬火的定义、目的、淬火的必要条件1、淬火定义：把钢加热到临界点Ac减A以上保温并随之以大于临界冷 却速度Vk冷却，以得到介稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热700700处理工艺。1200、A/、/V/A*FeaC7/,人/ AiIPp*FeaC110010009008000.20.40.6 0.81.01.21.41.6 1-82.0WeX LOO70060050010 io1时闾2力】lo4700亚共析钢(45钢)正常淬火后的马氏怵组织(500 x )过共析钢(T12钢)正常淬火后的显微织织(500 x )2、淬火的目的:提高零件的硬度，强度，耐磨性。结构钢通过淬火，回火

2、获得良好的综合机械性能。少数工件可以改善钢的物理和化学性能。例如：提高高磁钢的磁性; 不锈钢淬火以消除第二相, 从而改善其耐蚀性。3、淬火必要条件:临界点以上,获得奥氏体;大于临界冷速，得到马氏体 或下贝氏体。800力】111-_01 10 103 10*时闾2 时间3不周拎却速度所得繩的组駅V时阖Cs）理想淬火介战播却曲鵲第二节淬火介质淬火介质：为实现淬火目的用的冷却介质。理想淬火介质：在A1650 C缓慢冷却，以减少热应力；在过冷奥氏体最不稳定区 域（650400 C ）,快速 冷却；而在附近的温度区域冷 速比较缓慢，它可以减少淬 火内应力，避免淬火变形开裂。、淬火介质的冷却作用1、分类(

3、1) 按聚集状态分类:淬火介质有固态、液态、气态。最常用介质为液态介质，淬火时不仅发生传热作用，还会 产生物态变化，因此过程较为复杂。(2) 按液态淬火介质是否具有物态变化:分为有物态变化的和无物态变化的。2、有物态变化的淬火介质淬火冷却过程可分为三个阶段：(1)蒸气膜阶段：工件表面产生大量过热蒸汽，紧贴工件形成连续的蒸汽膜; 冷却主要靠辐射传热，冷却速度较缓慢。Itl(2) 沸腾阶段：进一步冷却时，工件放出的热量减少，蒸汽膜厚 度减薄并在越来越多的地方破裂，使工件与液体直接接触，并 形成大量气泡逸出。冷却速度较快，取决于淬火介质的汽化热, 汽化热越大，从工件带走的热量越多，冷却速度也越快。(

4、3) 对流阶段：当工件表面的温度降至介质的沸点或分解温度以 下时，工件的冷却主要靠介质的对流进行，随工件和介质间的 温差减小，冷速也逐渐降低，此时对流传热起主导作用蒸汽膜阶段 沸腾阶段对流阶段3、无物态变化的淬火介质：淬火冷却主要靠对流散热。温度较高时辐射散热占有很大比例，也有传导传热。二、淬火介质冷却特性的测定淬火介质冷却能力最常用的表示方法是所谓的淬火烈度H。规定静止水的淬火烈度H = 1,其它淬火介质的淬火烈度由与静 止水的冷却能力比较而得。2、实质:反映钢内部的热传导系数以及钢与介质间的给热系数的关系,即淬火介质的冷却能力。注意：不同淬火介质，在工件淬火过程中其冷却能力是变化 的。几种

5、常见淬火介质的淬火烈度H,如下表所示。三、常用淬火介质及其冷却特性1.水：价格便宜。具有良好的物理化学性能，而且来源丰富, 冷却特性：(1)水的冷却速度ill在650400 C温度范围内的冷却速度较小; 在马氏体转变温度区的冷却速度特别快。00静止水循坏水700L20V不同温度纯水 的冷却特性_2、Q)想須呆金理想淬火介质冷却曲鵲水温对冷却特性影响很大随水温提高，水的冷却速度降低。循环水的冷却能力大于静止水的冷却能力o弋p)須帚他SO0 700 600 5Q0 400 300 2QQ 100 试样中心温度不同温度纯水 的冷却特性2. 碱或盐的水溶液水中溶入盐、碱等物质，减少了蒸汽膜的稳定性，使

6、蒸汽膜阶段缩短，特性温度提高从而加速冷却速度。食盐水溶液在食盐浓度较低时随食盐浓度的增加而提 高，冷速均大于纯水的。碱溶液也具有很高的冷却能力，随温度提高冷却能 力降低，工件表面银白色、好的外观，但腐蚀严重。亠sf 蟆懵alt不同战分衾盐水洛液的冷却诗性20jjJrVO60观16訣S克0 O43.油冷却能力比水差，油的冷却 过程也具有三个阶段。时理想淬火介质拎却曲規油温8(rc在高温区冷却速度低;(2)油在500 C 350 C 间 冷却速度最快。003(3)油在低温区(350C 下)冷速较慢。2520HJH24HJ-SOHJ10(4)油在20 C80 C使用,50对工件冷速影响不大。HJ-2

7、00O5070060050040030020010G试样中心温度JC四种淬火油的冷却速度曲线4有机物的水溶液及乳化液。水的冷却能力很大，但冷却特性很不理想；油的冷却特性比较理想，但其能确能力有小一些;因此需要寻找冷却能力介于两者之间，而冷却特性 又比较理想的介质。有机物的水溶液是较理想的淬火介质，即在水中加 入有机物或矿物盐，改变（降低）水的冷却性能。常用的有聚乙二醇水溶液，并加入一定的防蚀剂。工业生产中常用乳化液，是矿物油与水经强烈搅拌 于表面淬火。及振动而成。冷却能力可通过调配浓度来调节。常用_r第三节钢的淬透性一.淬透性的概念及影响因素1.钢材被淬透的能力，或者说淬火时获得马氏体的能力。

8、不同的钢种，淬透性是不同的，因此工件表面到内 部的截面上淬成马氏体组织的厚度也不同；淬更马氏体组织的厚度越大，表示该钢中的淬透性 愈高。这种马氏体组织厚度通常称为硬化层厚度或淬透深ALEJ度、淬硬层深度等。2. 淬透性与淬硬性的区别(1)淬透性系指淬火时获得马氏体的难易程度；影响因素：主要和钢的过冷奥氏体的稳定性有关或者说与钢的临界淬火冷却速度有关, 淬透性是钢材本身固有的一个属性。(2)淬硬性是指淬成马氏体可得到的硬度,影响因素：主要和钢中含碳量有关。淬硬性是钢淬火后获得马氏体的最高硬度。工件淬硬层与冷却速度的关系表面冷連时间3. 影响钢的淬透性的因素(1)钢的化学成分 过共析钢在正常淬火温

9、度区间(低于A%温度)加热 含碳量低于1%的钢，随含碳量的升高，临界冷速降低, 淬透性提高；含碳量高于1%的钢，随含碳量的增加，单调下降，淬 透性降低。 钢在高于AC3或人0顷加热随着含碳量的增加，临界冷速降低，淬透性增加。 合金元素的影响除C。、Ti、Zr以外，大多数合金元素溶入奥氏体后使C 曲线右移，提高钢的淬透性。2. 奥氏体晶粒度的影响奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性提高，奥氏体晶粒尺 寸对珠光体转变的延迟作用比贝氏体的大。3. 奥氏体化温度不仅可以促进奥氏体晶粒增大，而且可以促使碳化 物及其它非金属夹杂物溶入，并使奥氏体成分均匀化， 这将提高过冷奥氏体的稳定性，从而提高淬透性。4. 第二相

10、的存在和分布奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在，以 及大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬 透性。5钢的原始组织的影响钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或粒状）及弥散度的不同，在奥氏体化时,将会影响到奥氏体的均匀性，从而影响到钢的淬透性。碳化物愈细小，溶入奥氏体愈迅速，从而有利于提高钢的淬透性。第五节确定淬火工艺规范的原则淬火工 艺方法及应用淬火工艺规范包括淬火加热方式、加热温度、加热时 间、冷却介质及冷却方式等。确定规范的依据 工件图纸及技术要求;所用材料牌号；相变点;过冷奥氏体等温或连续冷却曲线;端淬曲线;原始组织;加工工艺路线。、淬火加热方式及加热温度的确定原贝I1、

11、加热方式保护气氛或盐浴加热。装炉方式：一般是热炉装料。对尺寸较大，形状复杂高合金钢件采用预热（预 热炉）或分段式加热炉加热。2、淬火加热温度主要根据钢的相变点确定。亚共析钢加热温度为AC3+3O 50C；原因:若在AsAC3加热，则得到A+F两相组织,淬火冷却后，铁素体保存下来,导致硬度不均匀,强度和扌度降低。若在AC3以上3050C力口 热得到A组织，冷却后得到细小門马氏体，强度和 硬度较高。9J807A/I/A*FesCAirp+FP*FCI0.2040.6 0.81.0 1.21.41.6 1.8 2.0WnXIOO若加热温度在在AC3以上，得到粗大的奥氏体晶粒，冷却后得到粗大马氏体，降

12、低强度和硬度。例题：已知45钢，AC=730C, AC3=780C, 试确定其淬火加热温度，并分析原因。过共析钢Aj+30500C 原因：若加热温度在ACACcm之间，得到细小的奥氏体晶粒和未溶解碳化物,淬火后得到隐晶马氏体和颗 粒状碳化物，提高强度、o O19080qs)醫硬度和耐磨性。若加热温度咼于ACcm， 碳化物溶解，得到粗大的7A/k/逾/A*FeQ:AxLIp+Fp*FesCI0.2 0.4 0.6 0.81.0 1.21.41.6 1.8 2.0WcXIOO奥氏体晶粒，并且含碳量增加; 一方面，淬火后得到粗大的片状马氏体（挛晶马氏体），显 微裂纹增加，脆性增大，淬火开裂倾向也增大

13、。另一方面，由于碳化物的溶解，奥氏体中含碳量增加，淬火 后残余奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。例题：已知T12钢，人5二730”唁二820, 试确定其淬火加热温度，并分析原因。在工件尺寸大，加热速度快的情况下，淬火温度 可取 Ac3+5080C；另外，加热速度快，起始晶粒细，也允许采用较 高的加热温度，细晶粒钢Ac3+100Co形状复杂件，易变形工件，加热速度较慢，淬火 温度取下卩艮。考虑原始组织时，如果先共析铁素体比较大或珠光体片间距较大， 为加速奥氏体的均匀化过程，淬火温度取高一些。对合金含量较高的钢，为加速合金碳化物的溶解, 合金元素（均匀化），采用较高的淬火加热温度。二、淬火加热时

14、间的确定原则t = a D k式中，t为加热时间，单位min； Q为加热系数，单 位min/mm； K:装炉修正系数；D:零件有效厚度，单位 Q可查表得到，根据工件直径以及加热温度确定。 K:依装炉量而定。通常为1.5-2. 0 min/mmo 工件有效厚度计算如下：柱体取直径；正方形截面取边长；板件取板厚;长方形截面取短边；套筒类工件取壁厚;锥体取离小头2/3长度处直经;球体取球径的0.6倍。保温时间的确定在空气或气氛炉中加热,丫 =（2530）min +（23）niin/mmx最大厚度（mm）在盐浴炉中加热缶=（35）min + （0.5Dmin/mmx最大厚度（rnm）其中：t保温时间（

15、min）。三、淬火介质及冷却方式的选择与确定1、满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。2、在被淬火钢的过冷奥氏体最不稳定区有足 够的冷却能力，而在马氏体转变区冷却速度 却又很缓慢。3、淬火介质在使用过程中，应该稳定长期使 用，存放；不易变质，价格低廉，来源丰富, 无毒，无环境污染。IIIL, I I V才-单液淬火法 /b双液淬火法(C-乍级淬火法X)+n/|03O45004003502002回火温度（C）50当回火温度升高到400C以后，淬火马氏体完全分解，但a相仍保持针状外形，先前形成的& 一碳化物以及x一碳化物此时已经消失，全部转变为0 一碳化物，即渗碳体。当回火温

16、度升高到400C以上时，片状渗碳体长 度和宽度之比逐渐缩小， 最终形成细小的粒状渗碳 体。这种由针状a相和细颗粒状渗碳体组成的机械混合物称为回火屈氏体。(b)回火屈氏体火索氏体。（C）冋火索氏体（五）渗碳体的聚集长大以及a相再结晶III当回火温度超过600C时，细粒状渗碳体迅速聚集并粗化。在碳化物聚集长大的同时，a相状态在不断变化。III当回火温度为400600C时，由于马氏体分解、碳化物转变以及聚集长大，使a相的晶格畸变大大减少，因此残余应力 基本消除。碳含量为0.3%钢回火时第一类内应力的变化El在回火过程中” a相也会发生回复与再结晶。在400C以上时，开始回复，即板条界的位错通过攀移、

17、滑 移而消失。位错密度下降，板条合并、变宽。当亚结构为挛晶时，经400C回火后也消失，但片状特征仍存在。在600C以上时，开始再结晶,称为回火索氏体o挛晶马氏体在600 C以上回火时，片状特征也消除，得到回位错密度低的板条块长大，形 成多边形（等轴）铁素体晶粒 和粗粒状碳化物的机械混合物,火索氏体。（C）冋火索氏体总结：淬火碳钢在不同温度回火，可得到不同的组织： 350C以下回火，得到针状a相+ 碳化物，即回火 马氏体（碳化物存在于板条或片内），记作； 400C500C回火，得到针状a相+细粒状6碳化物, 即回火屈氏体记作;500C650C回火，得到多边形a相+粗粒状。碳化 物，即回火索氏体，

18、记作S，。共析碳钢淬火回火后的组织与性能回火组织组织本质主要性能特点回火马氏体碳在a -Fe中的 过饱和固溶体与 弥散的w碳化物 组成的复相组织保持马氏体的高硬度和耐磨性，但脆 性有所降低，塑性和韧性提高。回火屈氏体保持马氏体形态 的铁素体与细粒 状渗碳体的复相 组织高的弹性极限，较高的屈服强度回火索氏体多边形（或等轴） 铁素体和粒状渗 碳体的复相组织良好的综合力学性能思考：1、回火屈氏体是否可以称为屈氏体? 二者有何区别？2、回火索氏体是否可以称为索氏体?二者有何区别？珠光体的组织与性能转变产物珠光体型珠光体索氏体屈氏体粒状珠光体符号PSTP粒转变温度（C）A】650650600600550

19、A】650组织本质奥氏体发生共析反应生成的铁素体和渗碳体的混合物相变类型扩散型组织形态层片状细层片 状极细层片 状在铁素体基体上分布着粒状FegC硬度HRC10 2525 3535 42比片状珠光体硬度低其它性能特点片层间距越小，强度和塑性 越好与片状珠光体比较，强度低, 而塑性、韧性好二、回火时机械性能的变化各种碳钢淬火后在回火时机械性能的变化基本相似;总的趋势是随着回火温度升高,硬度和强度降低，塑性和韧性升高。三、回火的种类按回火温度的不同，回火可分以下三种: 低温回火:1502C2502C中温回火：3502C-5002C咼温回火:5009C-6502C低温回火（150250） C目的：保持淬火钢的高硬度和高耐磨性，降低淬火应力，减少 钢的脆性。硬度为58-64HRC。组织：回火马氏体应用：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳淬火件和表面淬火 件。2、中温回火(350-500) C目的：获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。 又称弹性处理。硬度为3545HRC.组织：回火屈氏体应用：弹性零件及热锻模具等。3、高温回火(500-650) C目的：获得良好的综合力学性能。 硬度为2535HRC.组织：回火索氏体。应用：各种重要结构零件如螺栓、齿轮及轴承。淬火加随后的咼温回火也称为调质处理。中碳钢(0.4%0. 6%C)亦称为调质 钢。