1、第八章 鋼的淬火與回火,本章重點(diǎn) 淬火工藝參數(shù)的選擇原則； 鋼的淬透性與淬硬性的概念及影響因素； 淬火常見缺陷,8-1 淬火的定義、目的及淬火的工藝參數(shù),1 定義：把鋼加熱到臨界溫度（Ac3或Ac1）以上，保溫一段時間后，再以大于臨界冷卻速度冷卻，從而獲得M（或B下）組織的方法。 2 目的: (1) 提高工具、滲碳零件和其它高強(qiáng)度耐磨機(jī)器零件等的硬度、強(qiáng)度和耐磨性； (2) 結(jié)構(gòu)鋼通過淬火和回火之后獲得良好的綜合機(jī)械性能； (3) 此外，還有很少數(shù)的一部分工件是為了改善鋼的物理和化學(xué)性能。如提高磁鋼的磁性，不銹鋼淬火以消除第二相，從而改善其耐蝕性等。,3 淬火的工藝參數(shù),3.1 加熱溫度 (1

2、) 化學(xué)成分: 亞共析鋼: Ac3+30-50 C 過共析鋼: Ac1+30-50 C (Acm),亞共析碳鋼為什么要加熱到Ac3以上完全化后淬火呢？,若加熱溫度選在Ac1Ac3之間，組織中有一部分鐵素體存在，在隨后的淬火冷卻中，由于鐵素體不發(fā)生變化而保留下來，它的存在是鋼的淬火組織中存在軟點(diǎn)，降低了淬火鋼的硬度，同時它的存在還會影響鋼的均勻性，影響機(jī)械性能，加熱Ac3以上太高也不行，鋼的氧化脫碳嚴(yán)重，另一方面晶粒粗大，淬火后粗大，鋼的性能變壞。,過共析鋼的淬火加熱溫度為什么選擇在Ac1Ac3之間？,首先過共析鋼在淬火加熱以前，都要經(jīng)過球化處理，加熱到Ac1Acm之間時組織為和一部分未溶化的e

3、3C,，淬火后，M，e3C被保留下來，e3C硬度很高，它的存在，可以提高鋼的硬度和耐磨性。,若 T Acm C % 增加, Ms點(diǎn)下降, 殘A增多; 粗大M; 氧化脫碳嚴(yán)重,易變形開裂 增大淬火應(yīng)力，增加了工件變形和開裂的傾向。,低合金鋼: Ac3或Ac1 + 50-100 C 高合金鋼: Ac3或Ac1 + 300-400 C W18Cr4V: 1280 C,分級加熱,W18Cr4V,T (C),600,800,1280,t,工件尺寸、形狀、淬火介質(zhì)、晶粒長大傾向等,淬火加熱后組織,M+Fe3C+A殘,Ac1+3050,過共析鋼,M + A殘,Ac1+3050,共析鋼,M + A殘,Ac3+

4、3050,亞共析鋼 Wc0.5%,M,Ac3+3050,亞共析鋼 Wc0.5%,3.2 保溫時間 保溫 升溫?zé)嵬皋D(zhuǎn)變 與合金成分，尺寸、裝爐量等因素有關(guān), = K D,常用鋼的加熱系數(shù),有效厚度的確定,3.3 加熱介質(zhì),空氣、鹽浴、可控氣氛、真空等氣氛條件,造成氧化與脫碳 氧化 （T570C): O2 +2Fe 2FeO CO2 + Fe FeO + CO H2O + Fe FeO +H2,脫碳 O2: Fe3C + O2 3Fe +CO2 CA + O2 CO2 CO2: Fe3C + CO2 3Fe + 2CO CA + CO2 2CO H2O: Fe3C + H2O 3Fe +H2+CO

5、 CA + H2O H2+ CO H2: Fe3C+2H2 3Fe + CH4 CA +2H2 CH4,8-2 淬火介質(zhì),淬火介質(zhì)的要求 （ P176, 圖81 ） 鼻點(diǎn)冷速大， Ms附近冷速小； 目的：獲得M 熱應(yīng)力 開裂 穩(wěn)定，成本低 安全，無毒；不腐蝕工件,(1)理想介質(zhì)冷卻速度 高溫T650,慢冷,可以減少熱應(yīng)力。 中溫650400 ,快冷,避開C曲線的鼻尖,保證全部獲得M。 低溫400以下，特別是300200 發(fā)生M轉(zhuǎn)變時要求慢冷，M轉(zhuǎn)變時的組織應(yīng)力,(2)理想冷卻速度示意圖,2 常用淬火介質(zhì),根據(jù)工件淬火冷卻過程中，淬火介質(zhì)由否發(fā)生物態(tài)變化，把液態(tài)淬火介質(zhì)分為兩類的，即有物態(tài)變化的

6、和無物態(tài)變化的。 有物態(tài)變化的 無物態(tài)變化的,水及各種水溶液,各種淬火油,各種氣體,熔融金屬、熔鹽,固體-銅板、鐵板、氣-固流態(tài)床,有物態(tài)變化的（以水為例） 冷卻三階段： 蒸汽膜階段 沸騰階段 對流階段,(1):蒸汽膜階段： 灼熱鋼件投入淬火介質(zhì)中，一瞬間就在工件表面產(chǎn)生大量過熱蒸汽，緊貼工件形成連續(xù)的蒸汽膜，使工件和液體分開。由于工件是不良導(dǎo)體，這階段的冷卻主要靠輻射傳熱，因此，冷卻速度較慢。,（2):沸騰階段： 進(jìn)一步冷卻時，工件表面溫度降低，工件放出熱量愈來愈少，蒸汽膜厚度減薄并在越來越多的地方破裂，以致使液體在這些地方和工件直接接觸，形成大量氣泡溢出液體，由于介質(zhì)的不斷更新，帶走大量熱

7、量，所以這階段的冷卻速度較快,（3):對流階段： 當(dāng)工件表面的溫度降低至介質(zhì)的沸點(diǎn)或分解溫度以下時，工件的冷卻主要靠介質(zhì)的對流形成，隨著工件與介質(zhì)的溫度降低，冷卻速度也逐漸降低。,對無物態(tài)變化的介質(zhì)，淬火冷卻主要靠對流散熱，在工件溫度較高時輻射散熱也由很大比例，也存在傳導(dǎo)散熱。,（2）常用淬火介質(zhì) 水： Vmax: 500780 C/s, 300400 C 鼻溫：150 C/s； Ms： 450 C/s 優(yōu)點(diǎn)：冷卻能力強(qiáng)，成本低 缺點(diǎn)：M轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速過大，變形大 冷卻能力對水溫，不溶夾雜敏感 應(yīng)用：小尺寸、形狀簡單碳鋼件, 油： Vmax: 100250 C/s, 400500 C 鼻溫：60

8、70 C/s； Ms： 50 C/s 優(yōu)點(diǎn)： M轉(zhuǎn)變溫區(qū)冷速小，不易變形 缺點(diǎn)：鼻溫區(qū)冷速小，淬不透 應(yīng)用：合金鋼件, 鹽水與堿水 10 NaCl水溶液 15 NaOH水溶液 5 NaCO3水溶液 作用：使蒸汽膜提前破碎，但腐蝕 新淬火介質(zhì)（表8-4) Page 180 水基；油基 光亮處理 （表8-3）Page 178,常用的淬火冷卻介質(zhì),8-3 鋼的淬透性,1 概念：指鋼材被淬透的能力，或者說鋼的淬透性是指表征鋼材淬火時獲得M的能力的特性。用鋼在一定條件下淬火獲得淬透層深度表示其大小。 淬透層深度： 由工件表面半馬氏體點(diǎn)(50%M)的深度,工件淬硬層與冷卻速度的關(guān)系,淬透性的大小對鋼的熱處

9、理后的力學(xué)性能的影響,2 淬透性影響因素與影響C 曲線的因素一致 （1）鋼的化學(xué)成分： C含量及合金元素 （2）奧氏體晶粒度： 奧氏體晶粒尺寸增大，淬透性提高。 （3）奧氏體化溫度： 提高奧氏體化溫度，提高淬透性。 （4）第二相及其分布: 奧氏體中未溶的非金屬夾雜物和碳化物的存在以及其大小和分布，影響過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而影響淬透性。 實(shí)際淬透層深度：淬透性、工件大小、淬火介質(zhì),3 淬透性與淬硬性 淬硬性：鋼淬火時的硬化能力，用淬成M可能得 到的最高硬度表示。 取決于M中的C%. 淬透性：鋼的臨界冷卻速度合金元素。,淬硬性與淬透性之間的區(qū)別:,淬透性與實(shí)際工件有效淬硬深度的區(qū)別 同一鋼種對不

10、同截面的工件在同樣奧氏體化條件下淬火，其淬透性是相同的，但是其有效淬硬深度卻因工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而異。 淬透性是鋼本身所固有的的屬性，對以一種鋼，它是確定的，可用于不同鋼種之間的比較。實(shí)際工件的有效淬硬深度，除了取決于鋼的淬透性，還與工件的形狀、尺寸及采用的冷卻介質(zhì)等外界因素有關(guān)。,兩個不同的概念 淬硬性是指鋼淬火后能達(dá)到的最高硬度，主要取決于馬氏體的含碳量，淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。,鋼的淬透性的應(yīng)用,鋼的淬透性是機(jī)械設(shè)計(jì)中選材時應(yīng)予考慮的重要因素之一。 大截面零件、承受動載的重要零件、承受拉力和壓力的許多重要零件（螺栓、拉桿、鍛模、錘桿等），要求表面和心部力學(xué)性能一致，故

11、應(yīng)選擇淬透性高的材料； 心部力學(xué)性能對使用壽命無明顯影響的零件（承受彎曲或扭轉(zhuǎn)的軸類），可選用淬透性低的鋼，獲得1/21/4淬硬層深度即可； 焊接件、承受強(qiáng)力沖擊和復(fù)雜應(yīng)力的冷鐓凸模等，不能或不宜選擇淬透性大的材料。,（一）臨界直徑法,生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。 臨界淬火直徑圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。,在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。,4 淬透性的實(shí)驗(yàn)測定方法,M,非M,（2）頂端淬火法 端淬法 該法為喬邁奈等于1938年建議采用的，因而國外常稱為“Jominy端淬法 端淬曲線、端淬曲線帶 各種鋼的淬

12、透性曲線可以參考合金鋼手冊,頂端淬火法, 25100 ，,8-4 淬火方法,1 單液淬火：尺寸小、形狀簡單碳鋼件、合金鋼件。 2 雙液淬火 （水淬油冷）尺寸較大碳鋼件。 3 分級淬火：稍高于Ms，鹽??；小尺寸模具、變形小精密件。 4 等溫淬火：淬火熱應(yīng)力、組織應(yīng)力小，變形??；形狀復(fù)雜、尺寸精密件。 5 冷處理 減小殘A，提高硬度；穩(wěn)定尺寸；,8-4 淬火方法,單液淬火 將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。 優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)自動化,缺點(diǎn)：易產(chǎn)生淬火缺陷， 水中淬火易產(chǎn)生變形和 裂紋，油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。 應(yīng)用：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。,

13、雙液淬火 將加熱的工件先投入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，然后在接近Ms點(diǎn)溫度（鋼的組織還未開始轉(zhuǎn)變時迅速取出），馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱為雙介質(zhì)淬火。,優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，變形及開裂小。 缺點(diǎn)：操作困難，不易掌握 應(yīng)用：由碳素工具鋼制造的易開裂工件，如絲錐。,馬氏體分級淬火： 定義：將加熱的工件先放入溫度為Ms點(diǎn)附近的鹽或堿浴 中，稍加停留，等工件整體溫度趨于均勻時，再 取出空冷以獲得馬氏體。,優(yōu)點(diǎn)：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開裂 缺點(diǎn)：對于碳鋼零件，淬火后會出現(xiàn)非馬氏體組織 應(yīng)用： 尺寸小，形狀復(fù)雜工件,貝氏體等溫淬火： 定義：將加熱的工件先放入稍高于Ms點(diǎn)溫

14、度的鹽或堿浴 中，保溫足夠時間，使其發(fā)生下貝氏轉(zhuǎn)變后出爐 空冷。,優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，工件不易變形與開裂，具有良好的綜合力學(xué)性能。 應(yīng)用：用于處理形狀復(fù)雜，尺寸要求精確，并且硬度和韌性都要求較高的工件 如：各種冷、熱沖模，成型刃具，彈簧等,8-5 鋼的回火工藝,1 回火工藝參數(shù)的選擇 回火溫度的選擇： （1）零件使用性能硬度回火溫度 （2）應(yīng)力消除：T500C, 1h T200C, 23h 回火后冷卻方式： 回火脆性鋼水、油冷(第二類回火脆性） 高合金鋼的多次回火,2 回火種類 回火溫度，內(nèi)應(yīng)力； 強(qiáng)硬度，塑韌性。 （1）低溫回火 (150-250C) 組織：回火M（淬火M) 高碳鋼：淬火片狀M回

15、火M (片狀過飽和碳化物，共格） 性能：保持高強(qiáng)硬度；微裂紋焊合； 內(nèi)應(yīng)力和脆性；韌性略。 低碳鋼：板條M,C 的偏聚 應(yīng)用：工、模、量具鋼；低碳馬氏體鋼 滲碳和碳氮共滲,（2）中溫回火 (350-500C)避免第一類回火脆性 組織：回火屈氏體（屈氏體) 條、針狀（未再結(jié)晶，平衡C）相 彌散分布細(xì)粒狀相 性能：基體已回復(fù)；內(nèi)應(yīng)力； 彈性極限高；較高的強(qiáng)硬度與良好韌性 應(yīng)用：彈簧鋼、熱鍛模。（0.60.9%),（3）高溫回火 (550-680C) 組織：回火索氏體 等軸狀（再結(jié)晶）相均勻分布粒狀 （球化）相 性能：內(nèi)應(yīng)力基本消除，強(qiáng)度與韌性最佳配合； 綜合機(jī)械性能高 應(yīng)用: 重要結(jié)構(gòu)件，軸、齒輪

16、，二次硬化高合金 鋼 調(diào)質(zhì)處理：淬火高溫回火（可作為預(yù)備熱處理） 注意：預(yù)防和避免第二類回火脆性。,8-5 鋼的淬、回火缺陷,1 種類：變形、開裂、氧化、脫碳、硬度不足、 軟點(diǎn)、過熱、過燒。 過熱：晶粒粗大重結(jié)晶消除 過燒：晶界熔化或氧化 2 變形與淬火應(yīng)力 變形方式：體積變化、彎曲翹曲。 產(chǎn)生原因：加熱或冷卻過程中熱脹冷縮、 組織轉(zhuǎn)變不同步內(nèi)應(yīng)力 種類：熱應(yīng)力、組織應(yīng)力 高溫段變形；低溫段開裂,內(nèi)應(yīng)力, 熱應(yīng)力工件在加熱(或冷卻)時，由于不同部位的溫度差異，導(dǎo)致熱脹(或冷縮)的不一致所引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力； 組織應(yīng)力由于工件不同部位組織轉(zhuǎn)變不同時性而引起的內(nèi)應(yīng)力。 根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的存在時間特性還

17、可分： 1）：瞬時應(yīng)力在冷卻過程中某一時刻所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力叫瞬時應(yīng)力； 2）：殘余應(yīng)力冷卻終了，殘余于工件內(nèi)部的應(yīng)力。,熱應(yīng)力變化規(guī)律： a）淬火冷卻時，由于熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力表面為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。 b）淬火冷卻時產(chǎn)生的熱應(yīng)力系由于冷卻過 程中截面溫度差造成的，冷卻速度越 快，界面溫度愈大，則產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈 大，在相同冷卻介質(zhì)條件下，工件加熱溫 度愈高，尺寸愈大，鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)愈 小，工件內(nèi)溫差愈大，熱應(yīng)力愈大。,組織應(yīng)力的變化規(guī)律： a）：在心部完全淬透的情況下，組織應(yīng)力使工件最終應(yīng)力表現(xiàn)為：表面呈現(xiàn)拉應(yīng)力，心部呈現(xiàn)壓應(yīng)力。 b）：組織應(yīng)力的大小與鋼在馬氏體相變溫度范圍有關(guān)，截面上溫度

18、愈大，組織應(yīng)力增加，相變時體積膨脹量愈大，則組織應(yīng)力就愈大，鋼的淬透性愈好，零件尺寸愈大，則淬火后組織應(yīng)力愈大。,淬火應(yīng)力影響因素 淬火熱應(yīng)力加熱冷卻中工件內(nèi)外層溫度差 工件的冷卻速度、鋼的熱導(dǎo)性、 淬火加熱溫度、冷卻介質(zhì)的冷卻能力、 工件尺寸應(yīng)力 具體因素： 化學(xué)成分及原始組織、工件形狀尺寸、熱處 理工藝。（P199） 分級淬火、等溫淬火,3 淬火缺陷及其預(yù)防、補(bǔ)救,（a） 變形和開裂； （b） 氧化、脫碳、表面腐蝕及過燒 ； （c）硬度不足； （d）硬度不均勻； （e） 組織缺陷。,4 回火缺陷及其預(yù)防、補(bǔ)救,常見的回火缺陷有硬度過高或過低，硬度不 均勻，以及回火產(chǎn)生變形及脆性等,8-6 淬火工藝的新發(fā)展,1 奧氏體晶粒的超細(xì)化處理； 2 碳化物的超細(xì)化處理； 3 控制馬氏體、貝氏體組織形態(tài)及其組成的 淬火； 4 保留適當(dāng)數(shù)量塑性相的淬火； 5 鋼的形變熱處理； 6 真空淬火,第八章 習(xí)題,1 如果鋼在淬火時冷卻速度是可以任意控制的，那么它的理想冷卻曲線應(yīng)該怎樣