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热处理工艺规范

热处理工艺规范

  • 分类:钢材知识
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  • 发布时间:2021-01-04 11:07
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1.退火及其目的
  把钢加热到其一适当温度并保温,然后缓慢冷却的热处理方法,称为退火。根据退火的目的和工艺特点,可分为去应力退火,再结晶退火、完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和均匀化退火等。
退火的目的主要有以下几点:
(1)降低硬度,改善切削加工性能。
(2)细化晶粒,改善钢中碳化物的形态和分布,为最终热处理做好组织准备。
(3)消除内应力,消除由于塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力以及铸件内残留的内应力,以减小变形和防止开裂。
(4)使碳化物球状化.降低硬度。
(5)改善或消除钢在铸造、锻造和焊接过程中形成的各种组织缺陷,防止产生白点。
在大多数情况下,退火一般为预备热处理,通常安排在铸造或锻造之后.粗加工之前,目的是为了降低硬度.改善切削加工性能,细化组织,为最终热处理做组织准备。对于一些要求不很高的工件,退火也可作为最终热处理。消除内应力退火往往在铸造、焊接、压力加工或粗加工之后。


2.均匀化退火
(1)定义:
均匀化退火也称扩散退火,是把钢加热到远高于Ac3或Acm的温度,经长时间保温,然后缓慢冷却的热处理工艺。
(2)目的:
是使钢的成分均匀化,消除成分偏析。在高温下,钢中原子具有大的活动能量,有利于原子进行充分的扩散,从而消除成分偏析及组织的不均匀性。以减轻钢在热加工时产生脆裂的倾向和消除铸钢件内应力,并提高其力学性能。
(3)范围:
适用于铸钢件及具有成份偏析的锻轧件。
(4)工艺:
加热温度为Ac3+150~200℃,保温时间为10~20h ,随炉缓冷至350 ℃ 以下出炉。由于退火的加热温度很高,保温时间又长,很容易引起晶粒长大,需在退火后进行细化晶粒的处理,如进行压力加工使晶粒碎化,或通过完全退火、正火使晶较细化。


3.再结晶退火
(1)目的:
A、消除加工硬化,降低硬度。B、 消除冷塑性变形后的内应力。
(2)范围:
主要用于冷变形加工的工件。如工件经冷冲压或拉伸后,为降低硬度,便于继续进行冷变形加工,均需进行再结晶退火,也称工序间退火。对于某些冷变形加工零件,为消除加工硬化及内应力,再结晶退火也可作为最终热处理。
(3)工艺:
再结晶退火温度 Ac1-50~150℃。碳钢的再结晶退火温度一般为600~700℃ 。由于再结晶温度与钢的化学成分及冷塑性变形量有关,因此应根据具体情况确定。温度太高,晶粒会明显长大;温度过低,再结晶过程不能完全进行,晶粒大小不均匀。保温后空冷。


4.去应力退火
(1)定义:
去应力退火通常是将工件缓慢加热到Ac1以下一定温度,保温一段时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。
(2)目的:
是消除工件的内应力,以减少和防止工件在后续加工和使用过程中发生变形或开裂。
(3)范围:适用于铸件、锻件、焊接件、机械加工和形变加工后工件。
(4)工艺:
去应力退火温度为Ac1-100~200℃ 。在这一温度下,工件的内部组织不发生变化。加热温度越高,内应力消除得越彻底。当温度超过以600℃ 时,应力即可基本完全消除。机械加工中的去应力退火应在粗加工之后、精加工之前进行,退火温度应取下限或更低些。对薄壁或焊接件,为防止其变形,退火温度应适当降低。对于淬火(经回火)或调质过的工件,去应力退火温度应低于回火温度,以免降低硬度和强度。保温时间与工件大小及装炉量有关,一般为2 ~4h 。工件截面厚度较大或装炉量较大时,保温时间可取上限或适当延长。为避免冷却过程中造成新的热应力,保温后应缓慢冷却,通常随炉冷至300℃以下出炉空冷。


5.完全退火
(1)定义:
把钢加热到Ac3以上温度,保温一段时间,然后缓慢冷却的退火方法称为完全退火。
(2)目的:
A、降低硬度。完全退火后得到片层较厚的珠光体,消除了由铸造、锻造、焊接后由于冷却较快而造成了的硬度较高的组织,改善了切削加工性能。
B、细化晶粒。铸件在浇铸后缓慢冷却,锻件在停锻时,温度过高,焊接件焊缝处温度过高,工件热处理时温度过高都会使组织出现晶粒粗大和组织不均等现象。采用完全退火,可以将粗大晶粒转变为细小晶粒。
C、钢在加热和缓慢冷却过程中,还可以消除在形变和快冷过程中产生的残留内应力。
(3)范围:
主要用于亚共析钢的碳钢和合金钢,包括铸钢件、锻轧件、焊接件等。完全退火不能用于过共析钢。
(4)工艺:
A、加热温度。完全退火的加热温度一般为:碳钢加热到Ac3+30~50℃,合金钢加热到Ac3+30~70℃。为改善低碳钢的切削加工性能,或使高合金的碳化物充分溶解,可适当提高奥氏体化温度;但过高的加热温度是不可取的。常用结构钢的退火温度及退火后的硬度见附录
B、保温时间。确定保温时间的原则是保证奥氏体的充分均匀化,其时间长短与零件有效厚度、工件的排列方式和装炉量大小等因素有关。在箱式电阻炉中退火,保温时间可按有效厚度计算(1.5~2.5min/mm )。工件排列越紧密,装炉量越大,保温时间越长。
C、冷却速度。冷却速度对退火后组织及其性能影响较大,应根据钢种和要求的性能而定。退火后的组织应为珠光体。当冷却速度太快时,珠光体的片层太薄,硬度就偏高,不利于切削加工。若冷却过慢,则会出现大块铁素体且生产效率会降低。故冷却速度一般为30~120℃/h 。生产中通常采用随炉冷却方式,冷至500℃以下,即可出炉空冷。


6.不完全退火
(1)定义:
是将钢加热到Ac1~Acm(过共析钢)或Ac1~Ac3(亚共析钢)之间,保温后缓慢冷却的退火方法。
(2)目的:
与完全退火相同。
(3)范围:
一般用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件及冲压件等。主要用于过共析钢的退火。对于亚共析钢来说,如果钢的原始组织良好,晶粒细小,只是为降低硬度或消除内应力,也可以进行不完全退火。
(4)工艺:
加热温度为Ac1+ 40~60℃,保温后随炉缓慢冷却到500℃以下空冷。保温和冷却工艺参数与完全退火相同。


7.等温退火
(1)定义:
等温退火是将钢加热到Ac1 或Ac3以上温度,保温一定时间后迅速过冷到Ar1以下某一温度,并保持一段时间,使其全部转变为珠光体组织后出炉空冷的热处理方法。
(2)目的:
细化组织和降低硬度,防止产生白点。
(3)范围:
适用于中碳合金网和高合金钢的大到铸锻件及冲压件。
(4)工艺:
A、加热温度。等温退火的加热温度一般为:亚共析钢加热到Ac3+ 30~50℃,共析钢和过共析钢加热到Ac1+ 20~40℃。
B、等温温度。根据所要求的性能,从钢的奥氏体等温转变图上选择,一般为Ar1-20~30℃。等温温度越高,所得到的组织越粗,硬度越低。
C、等温时间。由等温温度线与等温转变终了线的交点确定。由于工件大小、装炉量等因素的影响,为保证奥氏体全部转变,等温时间可长一些。通常,碳钢的等温时间为2~4h,合金钢3~6h。
D、冷却。在等温过程中组织已完全转变,等温后空冷即可。
(5)优点:
通过选择等温温度来获得预期的组织和性能,且组织的均匀性和性能的一致性都较好,合金钢可得到较低的退火硬度,退火周期比较短。
常用工具钢等温退火参数及硬度值见附录。


8.球化退火
(1)定义:
使钢中的碳化物球状化的退火方法称为球化退火。
(2)目的:
A、降低硬度,改善切削加工性能。钢经球化退火后,形成的球状碳化物具有比片状碳化物低的硬度,有利于改善切削加工性能。
B、细化组织,为淬火做好组织准备。在淬火加热过程中,由于球状碳化物比片状碳化物较难溶于奥氏体,因而可以阻止晶粒长大,减少和防止钢的过热。球化退火后得到的组织均匀,有利于减少淬火畸变和开裂倾向。
C、提高淬火工件的耐磨性。由于球状碳化物在工件淬火后被完全保留下来,且均匀地分布在马氏体基体上,这些细而硬的小颗粒可以有效地提高工件的耐磨性。
(3)范围:
适用于共析钢或过共析钢件的退火,如工具、模具、轴承等。
(4)工艺:
球化退火有普通球化退火、等温球化退火和周期球化退火等。
1)普通球化退火
A、加热温度。加热温度为Ac1+ 10~20℃ 。加热温度过高,溶入奥氏体中的碳化物太多.则会降低球化的成核率,容易形成片状珠光体。如果加热温度过低.则珠光体中的片状碳化物溶解不够,部分片状碳化物可能因未溶解而保留下来,可能得到细粒状与片状混合的珠光体组织。
B、保温时间。其时间长短与零件有效厚度、工件的排列方式和装炉量大小等因素有关。由于球化退火的温度比完全退火低,故球化退火的保温时间应比完全退火稍长些。
C、冷却。工件保温后以20~40℃/h的速度冷却至500℃以下出炉空冷。冷却速度影响着退火组织中碳化物颗粒的大小和分布的均匀性。在同一退火温度下,增大冷却速度,因碳化物来不及聚集和长大,而得到细小而弥散度较大的组织,使硬度偏高,不利于切削加工。冷却速度过小,碳化物容易聚集成较大的颗粒。通常,球化退火保温后,直接缓慢冷却的冷却速度应比普通退火慢些。这种退火方法球化较充分,但生产周期长。适用于截面大的工件及装炉量大的情况。
2)等温球化退火
其加热温度为Ac1+ 20~30℃ ,保温后冷却到Ar1-20~30℃ ,等温一段时间(等温时间取决于等温转变曲线及工件截面尺寸大小),然后随炉冷却至500℃以下出炉空冷。这种方法退火后的组织比较均匀,且易于控制,生产周期较短。
3)周期球化退火
它是将钢在Ac1+10~20℃加热,保温后在Ar1-20~30℃等温一段时间,如此反复进行多次等温球化退火,然后随炉冷至500℃以下出炉空冷。这种方法得到的球状碳化物不够均匀,且操作较麻烦,生产中应用较少,主要用于原始组织为粗片状珠光体的情况。


9.正火
(1)定义:
正火是把钢加热到Ac3(亚共析钢)或Acm(过共析钢)以上适当温度,保温后在空气中冷却的热处理方法。
(2)范围:
A、作为低碳钢和某些低合金结构铸钢及锻件消除应力、细化组织、改善切削加工性能和淬火前的预备热处理。 
B、消除网状碳化物,为球化退火作准备。
C、用于某些碳素钢、低合金钢工件在淬火返修时,消除内应力和细化组织,以防重新淬火时产生开裂和变形。
D、作为普通结构件的最终热处理。一些受力不大,只需一定的综合力学性能的的结构件,采用正火就能满足其使用性能要求。
(3)工艺:
A、加热温度。亚共析钢的加热温度为Ac3+30~50℃,过共析钢的加热温度为Acm+30~50℃。
B、保温时间。保温时间与工件有效厚度有关,以工件截面温度均匀为原则(保温时间的计算可参考淬火)。
C、冷却。正火工件的冷却一般为空冷,大型工件根据截面尺寸的大小,可采用风冷或喷雾冷却,以获得预期的组织和性能。


10淬火
(1)定义:
淬火是把钢加热到Ac3或Ac1以上温度,保温一定时间,然后以适当方式冷却,以获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。
工件经淬火和回火处理后,其组织与淬火前相比发生了很大的变化,力学性能有很大的提高,可以充分地发挥材料的潜力,使工件具有良好的使用性能。
(2)目的:
A、提高工件的力学性能,如硬度、强度、耐磨性、弹性极限等。
B、改善某些特殊钢种的物理性能或化学性能,如耐蚀性、磁性、导电性等。
(3)工艺:
淬火温度主要取决于钢的化学成分,再结合具体工艺因素综合考虑决定,如工件的尺寸、形状、钢的奥氏体晶粒长大倾向、加热方式及冷却介质等。
1)淬火温度
A、亚共析钢淬火温度为Ac3+ 30~50℃ 。亚共析钢加热到这一温度范围时,钢中的铁素体完全溶于奥氏体中,成为细晶粒奥氏体,淬火后便得到晶粒细小的马氏体。若加热温度过高,奥氏体晶粒容易长大,淬火后便得到粗针状马氏体,使钢的性能变坏,且淬火时容易出现变形和开裂现象。如果加热温度在Ac1和Ac3 之间,铁素体不能完全溶人奥氏体,淬火后便被保留下来得到的组织为马氏体+铁素体。由于铁素体硬度很低,强度也很低,不能使钢达到要求的力学性能,所以亚共析钢的淬火温度一般选择在Ac3 + 30~50℃之间。
B、过共析钢的淬火温度为Ac1+ 30~50℃ 。在此温度加热,过共析钢的组织为奥氏体和渗碳体,淬火后的组织是马氏体和渗碳体,颗粒细小的渗碳体是均匀地分布在马氏体的基体上。由于渗碳体的硬度比马氏体更高,更增加了钢的耐磨性。这对提高工具钢的耐磨性能尤为重要。如果加热温度在Acm以上,渗碳体就会完全溶于奥氏体中,并使奥氏体晶粒长大,提高了奥氏体的稳定性,淬火后得到粗大的马氏体和较多的残留奥氏体,不仅使钢的脆性增加,而且使淬火硬度下降,耐磨性降低;同时增加了氧化、脱碳和畸变、开裂的倾向。因此过共析钢不能采用过高的加热温度。但是,过低的加热温度也是不可取的,会使奥氏体的稳定性下降,容易分解为非马氏体组织,影响淬火后的硬度。
C、共析钢的淬火温度与过共析钢相同。
D、合金钢的淬火温度范围为Ac1或Ac3+30~50℃ 。
E、高速钢、高铬钢及不锈钢应根据要求合金碳化物溶入奥氏体的程度来选定。
F、对于过热敏感性强的钢(如锰钢)及脱碳敏感性强的钢(如钼钢),不宜选取上限温度。
2)保温时间
在实际应用中,通常对升温时间不予考虑,只计算保温时间。保温时间可按下列经验公式计算:
T=αKD
式中 
T:保温时间(min)
α:保温时间系数(min/mm)。碳素钢1.0~1.5;低合金钢1.2~1.8;高合金钢1.5~2.2。
K:工件装炉方式修正系数,一般为1.0~2.0
D:工件有效厚度
3)冷却
根据工件大小和材料,选择空淬、油淬或水淬。


11.回火
(1)定义:
回火是把淬火后的工件加热到A1以下适当温度,保温一定时间,以一定的方式冷却的热处理工艺。
回火是伴随于淬火后进行的一种热处理操作。一般情况下,工件淬火后都要进行回火,并且是热处理的最后工序,对工件的性能影响很大,可以说决定了工件的使用性能和寿命。
(2)目的:
A、使工件得到所要求的力学性能。工件淬火后,硬度高.脆性大,为了达到技术要求的力学性能,可以通过回火来调整到希望得到的硬度、强度、塑性和韧性。
B、减小或消除内应力。工件淬火后存在很大的内应力,及时回火可以消除应力,减少畸变和防止开裂。
C、稳定尺寸。工件淬火后的组织一般为马氏体和部分残留奥氏体,这两种组织都不稳定,会自发地发生转变,引起工件尺寸和形状的变化。通过回火可以促使这些转变,使组织趋于稳定,以保证在使用过程中不再发生变形。
(3)工艺:
A、回火温度。回火温度主要是根据工件要求硬度来确定的。
B、回火时间。应根据工件材料、有效厚度、装炉量和设备来确定。
12.调质
调质处理钢经淬火和高温回火的双重处理,称为调质处理。调质处理后的组织为具有一定弥散度的细粒状珠光体组织― 回火索氏体。回火索氏体具有良好的综合力学性能,即具有高的强度和良好的塑性与韧性。
调质处理既可用于预备热处理,也可用于最终热处理。用于预备热处理时,主要是为最终热处理做好组织准备,同时也是为了满足一些工件(如表面淬火工件)的心部力学性能要求。

 

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