热处理的一些小常识

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    1.       常用钢铁材料热处理工艺分哪几种类型？各有何特点？ 常用钢铁材料的热处理工艺可分为退火、正火、淬火、回火和化学热处理等几大类，这些工艺要点分述如下： 退火 再结晶退火：钢经过某种加工之后（冷作）使晶粒破坏、晶格外扭，出现高硬度低塑性的加工硬化现象，为了消除硬化现象并提高塑性，以便继续进行加工，常常把钢加热到临界温度以下的某个温度，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却，使钢的组织处于稳定状态。 重结晶退火：将钢加热到临界温度以上，使其组织发生变化（重结晶），保温一段时间后随炉缓慢冷却，从而使钢的组织重新恢复到十分稳定的原始组织状态。 正火 将钢加热到临界温度以上（亚共析钢为 Ac3+(30~50)℃，过共析钢为Acm+(30~50)℃，保温一段时间后，在空气中冷却，使其组织重新结晶细化，并消除一些热处理缺陷（如网状渗碳体等）。 淬火 将工件加热到临界温度以上，保温一段时间后快速冷却至室温，从而获得预期的组织（如马氏体）。亚共析钢通常加热至Ac3+(30~50)℃；过共析钢通常加热到Ac1+(30～50)℃。 回火 将淬火后的工件加热至Ac1一下的某一定温度，保温一段时间后冷却，使其组织转变为较为稳定的符合技术要求的组织。回火通常分为低温（150～250℃）、中温（300～450℃）和高温回火（500～650℃）（有称调质处理）。 化学热处理 将工件置于一定的化学介质中（如碳、氮或金属等），加热到一定温度，保温一段时间，使工件表面层渗入某种元素，从而改变其表面层的化学成分和各种性能。 2.       什么是钢的临界温度？常用的临界温度有哪些? 钢在加热或冷却至某一温度时，发生相转变，这一相转变开始或终了的温度，称为临界温度或临界点。 以铁碳合金为例，在铁碳合金状态图上看到的常用的临界温度有A1、A3、Acm等。这些临界点简介如下： A1 ：A1是铁碳合金状态图中的PSK线（723℃共析温度），称为下临界温度。在这一温度下铁碳合金发生共析转变。加热时用Ac1表示，冷却时用Ar1表示。由于钢在加热与冷却时受到各种条件的影响，因而共析转变不能刚好在A1温度下发生，即出现Ac1及Ar1，通常Ac1高于A1；而Ar1低于A1。如40Cr钢的Ac1=735℃，而Ar1=700℃。 A3 ：A3是铁碳合金状态图上的GS线（723～900℃），称为上临界温度。加热时用Ac3表示，钢加热至Ac3温度时，铁素体全部融入奥氏体；冷却时用Ar3表示，此时由奥氏体开始析出铁素体。 Acm ：Acm就是铁碳合金状态图上的ES线（723～1140℃），叫上临界温度。加热时用Accm表示，冷却时用Arcm表示，是由奥氏体开始析出渗碳体的温度。如GCr15钢的Accm=900℃，而Arcm=850℃。 3.       什么是退火和正火？各有何目的？ 将工件缓慢加热到一定的温度（温度范围根据不同的退火方法而定），保温一段时间后缓慢冷却（通常是炉中冷却到450～550℃左右出炉空冷）下来的热处理工艺，称为退火。 将工件加热至Ac3或Acm以上30～50℃，保温一段时间后，在空气中冷却下来的热处理工艺，称为正火。 退火和正火的目的分述如下。 退火的目的： 降低硬度，改善切削加工性。 消除锻、轧后的应力，稳定尺寸。 为淬火做好组织准备。 消除各种缺陷，改善组织（如枝晶偏析等化学成分的不均匀性）。 正火的目的： 消除锻、轧后的应力。 细化晶粒，均匀组织，为最终热处理做好组织准备。 改善组织，提高性能。如清除网状渗碳体、大块铁素体等组织缺陷。 对机械性能要求不高的工件，正火也可以作为最终热处理，使其获得一定的机械性能。 正火通常用于碳钢和合金钢。有些合金钢正火时也得到马氏体组织，这时起到了淬火的效果，因此一般不叫正火，而称为淬火。 4.       什么是淬火？工件为什么要进行淬火？ 将钢加热至一定的温度（亚共析钢Ac3+30～50℃，过共析钢Ac1+30～50℃），然后急速冷却下来（即大于临界冷却速度），使过冷奥氏体转变为马氏体组织，这种热处理工艺称为淬火。 淬火的目的： 提高工件的机械性能，增加工件的硬度及耐磨性，增加工件的强度、韧性和弹性等。 使工件获得某些特殊的物理、化学性能。如磁钢和不锈钢的淬火，为了改善其磁性和耐腐蚀性能等。 5.       什么是回火？淬火件为什么要回火？ 将淬火工件加热到钢的Ac1以下的某一温度，再保温一段时间，然后进行冷却(一般冷至室温)的热处理工艺，称为回火。 由于淬火工件的组织极不稳定，内应力和脆性都很大，所以为了消除淬火工件的内应力、稳定淬火工件的组织和尺寸、防止工件的变形与开裂，获得我们需要的机械性能，必须对淬火件进行回火。 6.       什么是调质处理？其目的是什么？ 将淬火工件进行高温回火（500～650℃）的热处理操作，通常称为调质处理。其母的是： 软化合金钢工件，便于切削加工。 使工件获得良好的综合机械性能。 作为预先热处理时，也是为最终热处理做好组织准备。 应当注意到，调质后的机械性能，是与工件的淬透性密切相关的，只有当工件淬透时，才能得到最佳的性能。调质钢多为中碳低合金钢。C=0.3～0.5%，合金元素总量小于5%。其服役条件为交变的弯曲、扭转、拉压、冲击等复杂应力。调质钢中加入的主加入元素是M、Si、Cr、Ni、B，主要目的是提高钢的淬透性，强化基体（除B以外）。辅加元素是W、Mo、V、Ti等，起细化晶粒、提高回火抗力的作用。 7.       什么是不锈钢？常用的不锈钢种类及特点？ 在弱腐蚀性介质中（如大气）能抵抗腐蚀的钢，称为不锈钢。而在各种强腐蚀介质中能抵抗腐蚀的钢，称为耐酸钢。通常将以上两种统称为不锈钢。 按正火后钢的组织组成物来划分，可分为马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢和过渡型不锈钢（半奥氏体型不锈钢）即兼有奥氏体和马氏体不锈钢的优点。现将各种不锈钢及其特点分述如下。 马氏体型不锈钢 钢中含Cr量为！12～19%，含C量为0.1～0.45%，个别含C量达1%。如：2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。它们的主要特点是除含较高的Cr外，与铁素体型不锈钢相比，还含有较高的C，所以它具有较高的强度、硬度和耐磨性。主要用来制作机械性能要求较高、腐蚀性能要求一般的工件。 铁素体型不锈钢 钢中含Cr量为12～30%和小于0.2%的C。如：1Cr17、1Cr25、1Cr28、0Cr17Ti、1Cr25Ti等。它们的特点是含Cr量高，而含C量低。它能抗大气、抗硝盐及盐水腐蚀；高温（低于700℃一下）抗氧化能力强；塑性和热加工工艺性均好；并具有较好的切削加工性能。对热疲劳不敏感，可制作高温下工作的工件。铁素体不锈钢通常是在退火状态下使用，其退火温度不能超过900℃，以免晶粒长大变脆和降低耐蚀性。 奥氏体型不锈钢 钢中含Cr量为12～25%，含Ni量为1～29%，有的还含有Mn和N（用它们代替Ni）。如：1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti等。钢中含Cr量为18%，含Ni量为8%左右的奥氏体不锈钢通常称为“18-8”型不锈钢。这类钢具有良好的韧性、塑性、焊接性及抗腐蚀性能。广泛应用于各种要求不锈、耐酸的设备中。它的缺点是含贵重元素Ni较多，同时在含S的气氛中容易损坏，切削性能较差。 过渡型不锈钢 过渡型不锈钢又叫半奥氏体型不锈钢或沉淀硬化不锈钢。这类钢兼有奥氏体和马氏体不锈钢的优点，即有较高的强度和良好的工艺性，有具有良好的耐腐蚀性能，工业常用的过渡型不锈钢有17-7PH（0Cr17Ni7Al）、17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）、Cr12Mn5Ni4Mo3Al（69111）等。这类钢由于含镍量较低，经热处理可形成不稳定的奥氏体甚至马氏体，再经过时效处理，便可沉淀析出金属间化合物（例如Ni3Al）使金属强化。（有关金属间化合物的概念见后面的说明）强化后的бb可达1250-1600MN/m2。这类钢主要用作高强度、高硬度而又耐蚀的化工机械设备及零件。17-7PH钢的冷加工和热处理过程比较复杂，主要有下列几种情况：固溶处理（A处理）、调质处理（T处理）、冷处理（R处理）、冷变形（C处理）及沉淀硬化处理（H处理）。以17-7PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）为例：在620℃下进行双时效硬化处理，步骤如下。 在1040℃±14℃固溶退火处理，随后空冷或适宜的液体冷却淬火至32℃以下；在620℃±14℃进行第一次硬化，并在此温度下保温至少4小时，随后空冷或适宜的液体冷却淬火至32℃以下；温度在620℃±14℃进行第二次硬化，并在此温度下保温至少4小时，随后空冷或适宜的液体冷却淬火至32℃以下。 金属间化合物 合金组元间相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定金属性质的新相称为金属间化合物。 金属间化合物一般具有复杂的晶体结构。它熔点高、硬而脆，合理存在时能提高合金强度、硬度、热强性、红硬性和耐磨性，但降低合金的塑性和韧性。 8.       奥氏体型不锈钢怎样进行热处理？ 这类钢以1Cr18Ni9为例，耐蚀性很好，无磁性。室温组织为奥氏体。它的热处理主要有三种：除应力处理、固溶处理、稳定化处理。 除应力处理 为消除冷加工后的残余应力，在300～350℃温度下做消除应力处理。可提高屈服强度和疲劳强度。另外一种是为了消除焊接后残余应力和消除钢对应力腐蚀的倾向，在高温度（约850℃）处理。对不含钛和铌的不锈钢应水冷，以免产生晶间腐蚀。 固溶处理 这是不锈钢热处理中最重要的一环。其目的是为了使合金元素和碳化物充分溶解，从而使钢在室温下得到单项奥氏体组织，并能提高耐蚀性或储备更大的冷作硬化能力。固溶处理温度一般在1050～1150℃之间。由于奥氏体不锈钢导热性很差，所以固溶处理的保温时间应该长些，冷却要快，以免碳化物析出。（把合金加热到适当的温度后保温，使其中某些组成物溶解到基体里形成均匀的固溶体，然后迅速冷却，使融入物留在基体内成为过饱和固溶体，从而改善其延展性和韧性的处理）。这也是奥氏体不锈钢淬火目的与一般碳钢的不同（一般碳钢淬火后获得马氏体，再与回火配合获得工件说要求的机械性能。 稳定化处理 这是针对含钛和铌的奥氏体型不锈钢（如1Cr18Ni9Ti钢等）而进行的。固溶处理后，再加热到850～880℃，保温后空冷或炉冷，从奥氏体中析出一部分碳化钛（或碳化铌），这样，碳就几乎全部稳定于碳化钛或碳化铌中，从而保证了钢中的含铬量，不至于形成碳化铬，故称为稳定化处理。经稳定化处理后，可预防这类钢的晶间腐蚀。 9.       什么叫晶间腐蚀？问什么会产生晶间腐蚀？如何预防？ 经固溶处理的“18-8”型奥氏体不锈钢，若在450～850℃（称为敏化温度）保温一段时间后，使钢的强度、塑性及冲击韧性剧烈降低，钢在腐蚀介质中通常沿晶界引起腐蚀，如稍经受应力，即沿晶界发生断裂。这种现象称为晶间腐蚀。 晶间腐蚀产生的原因主要是晶界处贫铬引起的。当晶界铬含量下降到重量比11.7%以下时，晶界处就失去抗腐蚀能力。 防止办法有固溶处理、稳定化处理、降低钢中碳含量等三种。 降低钢中的含碳量：实践证明，奥氏体不锈钢当中，含碳量小于等于0.03%时，就不具有晶间腐蚀倾向，如：00Cr18Ni10钢等。但它的屈服强度较“18-8”型不锈钢低 10.   奥氏体不锈钢中的合金元素有何作用？这类钢怎样进行热处理？ 这类钢属于高铬不锈钢类，钢中由于含有大量铬，提高了钢的淬透性，并具有很高的耐蚀性。这类钢不锈的主要原因是铬的钝化作用，合金中铬的含量至少要达到11.7%（重量）时，铬钢才能具有高的抗蚀性，含碳量越高，则抗蚀性越差。因为碳和铬形成特殊碳化物，消耗掉一部分铬；但含碳量越高，热处理后的强度和硬度越高。马氏体不锈钢的热处理有预先热处理和最终热处理两种。 预先热处理 Cr13系马氏体不锈钢，经锻造空冷后，因硬度较高而要进行一次软化处理。目的是改变组织、降低硬度，以利于切削加工；此外，还为随后的最终热处理做好组织上的准备，并消除内应力，防止锻件开裂。软化处理可用高温回火（750～800℃）或退火（850～950℃）来完成。 最终热处理 淬火时因为导热性能差，为了减少变形，必须采用预热。淬火温度必须高于950℃，通常采用950～1050℃，以保证碳化物的溶解，然后快冷。淬火得到马氏体组织后，再进行回火处理。低温回火（例如：3Cr13经200～300℃）是为了消除内应力，而不是完全改变其基本组织，所以钢的抗蚀性无损坏。高温回火（通常用600～750℃）只用于低碳的铬不锈钢（0Cr13、1Cr13）。 11.   钛及其合金 钛是比不锈钢更具钝化的金属，在氧化性介质中，其耐蚀性比大多数不锈钢更为优良。钛既是良好的耐热材料（可用于500℃左右），也是优良的低温材料（在-253℃仍保持良好