钢材及热处理

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一、基本知识
1、        关于A1、A3、Acm线
（1）        A1线：铁－碳相图中，在PSK（727℃）发生共析转变，共析转变产物称为珠光体，用符号P表示。PSK线称为共析反应线，常用符号A1表示。
（2）        A3线：铁－碳相图中的GS线又称A3线，它是在冷却过程中，由奥氏体析出铁素体的开始线，或加热时铁素体全部溶入奥氏体的终了线。
（3）        Acm线：铁－碳相图中的ES线是碳在奥氏体中的固溶度曲线。此温度线常称Acm线。当温度低于此线时，奥氏体中将析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CⅡ。
2、        临界点A1、A3、Acm
钢在热处理过程中，加热及冷却时的转变是以铁碳合金相图为基础的。任何成分的碳素钢，都可以加热到单相区得到奥氏体组织。在极其缓慢的加热和冷却过程中发生转变的临界点，均可以根据铁碳合金相图的A1线（PSK线）、A3线（GS线）、Acm线（ES线）来定相应的临界点：A1点、A3点、Acm点。但是在实际的加热和冷却过程中，温度变化不会那么慢，相变不是按相图中所示的温度进行，而是在一定的过热或过冷的条件下进行的，使加热和冷却时的临界点不是同一温度。通常用Ac1、Ac3和Accm表示加热时的临界点，用Ar1、Ar3和Arcm表示冷却时的临界点。
3、        共析钢：ωc＝0.77％的合金；亚共析钢：ωc＝0.40％的合金；过共析钢:ωc＝1.2％的合金。
二、钢的退火与正火
1、        钢的退火是将工件加热到工艺要求的温度，经过适当的保温以后，在缓慢冷却下来的热处理工艺过程。加热温度在Ac3点以上的称为完全退火；加热温度在Ac1和Accm之间的称为不完全退火或球化退火；加热温度在A1点以下称为低温退火；还有扩散退火等退火工艺。
退火的加热速度一般不受限制，但对于高合金钢和大截面工件，升温不可过快，否则，由于导热性差，引起很大的热应力，使工件产生变形甚至开裂。一般将升温速度控制在100～180℃/h比较适宜。加热时间是根据工件的有效厚度，并考虑装炉量、装炉方式和加热方法确定的，可以查阅热处理 手册加以确定。退火的冷却方式是根据退火工艺的具体要求进行。
（1）        完全退火
   只适用于亚共析钢，加热温度为Ac3＋（20～30℃），合金钢可以略微高于此温度，保温足够时间后，随后缓冷（炉内冷却或按要求的冷却速度冷却）到550～500℃以下，再空冷。
   在加热和冷却的过程中，钢的内部组织全部进行了重结晶，即发生了加热时的奥氏体化和冷却时的奥氏体分解转变。所以完全退火又称重结晶退火。在重结晶过程中经历了两次形核长大，因此细化了晶粒。完全退火使钢获得了接近平衡状态的细晶粒组织，同时消除了焊接、铸钢、热锻轧钢中的粗大组织和魏氏组织，以及因终锻、终轧的温度过低造成的带状组织。完全退火还提高韧性，消除因冷速较快造成的内应力，降低含碳较高的亚共析钢硬度，以利于切削加工，并为后续淬火工艺作好组织准备。
普通退火依靠控制冷却速度来控制转变温度，很难恰到好处，很难控制退火的组织和硬度。另外，工件内外冷却速度差别较大，发生转变的温度不同，因而心部冷却慢，转变温度高，组织偏粗，硬度偏低，内外组织不均匀。
等温退火工艺可以准确的控制过冷度，保证工件内外在同一温度下进行转变，组织均匀，并可大大缩短工艺周期。
（2）        不完全退火
不完全退火的加热温度在在Ac1和Accm之间，即Ac1＋（20～50℃）。主要用于共析钢和过共析钢，得到的组织是粒状珠光体，所以又称球化退火。球化退火的目的是降低硬度，便于切削加工，并为淬火做好准备。
高碳钢球化退火前的组织不应有网状碳化物，因为网状碳化物，特别是粗片的碳化物，在球化退火的过程中是不能消除的。网状碳化物应在球化退火前消除。工具钢和轴承钢等高碳钢在淬火前均要求粒状珠光体组织，对于网状和球化组织的状态均有严格的质量要求。
（3）        扩散退火
主要应用于合金钢铸件和铸锭，目的是消除铸造时形成的晶内偏析，使成分均匀化，所以扩散退火又称为均匀化退火。扩散退火的实质，是使合金元素原子充分扩散，使晶内合金成分均匀。所以扩散退火的工艺特点是，加热温度高，保温时间长。加热温度一般在Ac3以上150～250℃，对于高合金钢铸件特别是铸锭甚至高到1100～1200℃。加热温度高，扩散速度快，但是要低于固相线100℃，以防止过烧。保温时间一般在10～15h左右，时间过长，工件烧损严重，能源消耗大，成本增高。
钢经扩散退火后，晶粒会严重长大粗化，因此需要再进行一次重结晶退火来细化晶粒。
（4）        低温退火（去应力退火）
加热温度在A1点以下，一般在500～650℃之间，加热保温后，应缓冷到200℃左右，再出炉空冷。低温退火是为了消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件和机械加工件的残余应力，提高尺寸的稳定性。
2、        钢的正火
将钢加热到上临界点（A3、Acm）以上，进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却（有时吹风或喷雾冷却）的热处理过程称为正火。
正火与退火相比，冷却速度比较快，接近共析成分的碳钢（含碳量ωc0.6％～1.4％）正火后得到珠光体或索氏体的伪共析组织；中碳钢正火后的组织是少量铁素体加伪共析组织；对于低碳钢，正火后的组织中珠光体量多偏细（与退火相比较）。正火可以细化组织，消除热加工的过热缺陷，使组织正常化。同时提高钢的硬度和强度。
对于低碳钢，正火的加热温度是Ac3＋（100～150）℃，目的是细化组织，提高强度，提高硬度，便于切削加工。因为碳钢退火的硬度太低，切削时容易“粘刀”，粗糙度高，效率低。
对于中碳钢，正火的加热温度是Ac3＋（50～100）℃，目的是代替调质处理，为高频淬火做好组织准备。调质处理需经淬火，易造成工件变形，且成本高。
对于高碳钢，正火的加热温度是Accm＋（30～50）℃，目的是消除网状渗碳体，为球化退火作好组织准备。
正火用于铸铁件，可以增加基体的珠光体含量。提高强度和耐磨性。

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三、钢的淬火
将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行奥氏体化，然后在水或油中快速冷却，使奥氏体冷却到Ms点（奥氏体开始向马氏体转变的温度）以下发生马氏体转变的热处理工艺。钢的淬火组织主要是马氏体，虽然马氏体不是热处理所要得到的最终组织，但马氏体在经适当的回火，可以使钢获得需要的组织和使用性能，最终达到热处理的目的。
1、淬火加热温度
亚共析钢的淬火加热温度约为Ac3＋（30～50）℃，亚共析合金钢可以是Ac3＋（30～70）℃。加热温度过高，易使奥氏体晶粒粗大，也浪费能源。加热温度偏低，可能会有一些铁素体未转变成奥氏体，淬火冷却时铁素体不发生变化，保留在淬火组织中，使钢的硬度不足。有些亚共析合金钢，加热到两相区（Ac1～Ac3之间的的温度）进行“亚温淬火”，再经适当的回火配合，也取得了良好的强韧化效果。某些高合金钢经过超高温加热，使一些第二相尽量溶入奥氏体中，淬火回火后断裂韧性有显著的提高。
对于过共析钢，淬火前的组织应是粒状珠光体，淬火加热温度为A1＋（30～50）℃。从这一温度淬火，可以得到细小的隐晶马氏体加粒状碳化物组织。这种组织硬度高，并由于有粒状碳化物存在耐磨性好，韧性也能满足要求。如果加热温度过高，碳化物会全部溶入奥氏体中，奥氏体晶粒粗大含碳量高，Ms和Mf点（马氏体转变终了温度）下降，淬火组织中有粗大的马氏体片和相当多的残余奥氏体，这种组织使钢的脆性增加。由于淬火组织中没有硬的碳化物颗粒，钢的耐磨性不高。
2、淬火冷却
冷却介质，第一类冷却介质主要包括水质淬火剂和油质淬火剂，他们使工件的冷却曲线特点是，先慢后快又变慢。水是碳素钢淬火最常用的淬火介质。油是合金钢常用的淬火介质，油的使用温度必须低于其闪点80～100℃，以防着火。
第二类淬火介质包括盐浴、碱浴和金属浴等。
3、        淬透性
是钢的一种热处理工艺性能，表征钢在淬火时所能得到的淬硬层深度。淬硬层深的钢淬透性好。
4、        淬火方法
对淬火冷却的要求是：达到要求的淬火硬度，达到要求的淬火深度，不出现淬火组织缺陷，不开裂，产生的变形应在允许范围以内。
（1）        单液淬火
工件在奥氏体化以后，放入一种冷却介质中一直冷却到室温。冷却介质可以是水、油、空气（静止的或流动的）或者是喷雾冷却等。通常碳素钢因其淬透性差，需要快冷，多用油淬；合金钢因其水淬容易开裂，具有较高的淬透性，常用油淬。单液淬火的优点是操作简单、经济，容易实现机械化和自动化；缺点是淬火应力大，易导致变形和开裂，因此多用于形状简单零件的淬火。
（2）        双液淬火
工件加热到奥氏体化后，首先放入水中冷却到Ms温度附近，在快速转移到油中较慢地冷却到室温。这种先水后油的淬火方式，可以有效的降低淬火组织应力，减小淬火变形和开裂的倾向，多用于高碳的工具钢。其缺点是工件在水中的停留时间难于掌握，取出太早，工件进入油中冷却慢易发生分解转变得到非马氏体组织，使工件的硬度达不到要求；工件取出太晚，在水中发生了马氏体转变，产生很大的组织应力，使工件变形甚至开裂。
（3）        分级淬火
将奥氏体化的工件先置于温度约为Ms点的盐浴或碱浴中冷却，待工件内外温度一致后，再取出在油中或空气中冷却。分级淬火可以使工件淬火应力降至很小，淬火变形小，适用于形状复杂界面不均匀的工件淬火。但因为盐浴、碱浴的冷却能力较小，停留时间又不能太长，此法多用于尺寸较小、变形要求严格的精密零件等。
（4）        等温淬火
将奥氏体化的工件放在盐浴或碱浴中，长时间等温最终获得下贝氏体的热处理工艺操作。
四、钢的回火
将淬火钢加热到A1以下的某一温度，保温，然后冷却到室温的一种热处理工艺。回火可以减少或消除应力，可以根据加热温度调整回火后所得到的组织和性能，稳定尺寸，使工件达到服役状态的要求。
随着回火温度的升高，碳钢的硬度下降，强度也降低，而塑性升高。
在硬度相同的情况下，淬火回火组织的塑性和韧性优于正火组织。钢经淬火回火后，获得的组织中强化相是粒状均匀分布的，具有好的综合力学性能。
1、回火处理最后决定钢在使用状态下的组织和性能。回火不足（回火温度偏低或时间不够）硬度偏高，还可以补充回火；由于回火温度过高或者时间过长，造成回火过度使回火硬度过低，则必须重新淬火。
（1）        低温回火
回火温度是150～250℃，得到的组织是回火马氏体。低温回火的主要目的是降低钢中的淬火残余应力和脆性，其性能特点是有高的硬度（58～64HRC）和耐磨性，疲劳强度高。各种高碳工具钢、冷作模具、滚动轴承和渗碳的结构件都采用淬火低温回火工艺。对于尺寸稳定性要求很高的精密零件，需经低温长时间回火或多次低温回火，稳定组织和充分消除残余应力。
（2）        中温回火
回火温度是350～500℃，一般得到回火托氏体。其性能特点是具有一定的韧性，同时又有较高的弹性极限和屈服强度。主要应用于各种弹簧零件和锻模，也可以用来处理要求有高强度、硬度和一定韧性的工件，如刀杆、轴套等。
（3）        高温回火
回火温度500～650℃，回火后的组织是回火索氏体。主要目的是使钢获得强度、硬度和塑性、韧性有良好配合的综合力学性能。淬火加高温回火处理，通常称为调质处理，或简称调质。调质广泛应用于各种重要的结构零件，如各种轴、齿轮、连杆和其他重要的连接件等。对于有高温回火脆性倾向的钢，高温回火时应在水或油中快冷。
（4）        高温软化回火
回火温度是A1－（20～40）℃得到的组织是回火珠光体，主要用于马氏体钢的软化和高碳合金钢淬火返修品的返修预备处理。马氏体钢都是高淬透性钢，奥氏体化以后空冷都能淬上火得到马氏体，硬度高，不便于机械加工，只有通过高温软化回火才能使硬度降下来。回火珠光体的热处理工艺性也很好。
2、回火时间
在各个温度回火时，最初半小时内组织和性能的变化比较快，随后逐渐变慢，回火2h后变化就很慢了。因此，在实际生产中回火时间一般不超过2h。