熱處理的基本概念、原理及應用

熱處理概念：采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫、冷卻以獲得預期的組織結構與性能的工藝。
目的：改變鋼的工藝性能；強化鋼材；滿足使用要求。
原理：改變組織。
㈠鋼在加熱時的組織轉變
⒈奧氏體的形成
以共析鋼為例，室溫 P→F+Fe₃C混合物
F—體心 立方 W_C=0.0218%;
Fe₃C—密排六方 W_C=6.69%
⇒ A  面心立方 W_C=0.77%
*奧氏體形成的過程是 Fe、C原子的擴散過程
形成過程：
⑴奧氏體的形核與長大
⑵剩余Fe₃C的溶解
⑶奧氏體的均勻化
⒉影響 A 形成的因素
⑴加熱速度、溫度的影響。
⑵原始組織的影響。
⑶化學成分的影響
⒊奧氏體晶粒大小與控制
⑴晶粒度：晶粒的大小程度，稱晶粒度。
①起始晶粒度——P剛剛轉變為A時的晶粒大小。
②實際晶粒度——經熱處理后獲得的晶粒大小。
③本質晶粒度 ——原材料的晶粒大小（未加熱時）。
⑵晶粒大小與控制
①合理選擇加熱溫度和保溫時間。
②選擇原始材料晶粒 粒狀 P 組織。
③加入一定量的合金元素，抑制 A 晶粒長大。
㈡鋼在冷卻時組織轉變
⒈過冷A的等溫冷卻轉變
▲過冷A——冷卻到 A₁ 線以下暫時存在的A。
▲等溫冷卻——將 A 由高溫冷卻到 A₁ 線以下某個溫度等溫停留一段時間，然后冷卻下來的方式。
▲等溫轉變——在等溫保持時，過冷 A 發生的轉變
⑴等溫轉變曲線的建立（以共析鋼為例）
步驟
①制成若干E10H1.5 mm的試樣。
②將試樣加熱到850℃—900℃，保溫一段時間。
③將試樣分別放入不同溫度的等溫槽（爐）中，如：700℃、650、600、550、500、450、400、200等
⑵曲線分析
時間—溫度—組織轉變關系曲線 ，簡稱“T T T ”線Time—Temperature—Transform.
按溫度劃分三個區：
高溫區：A₁—550℃ → 珠光體型轉變 P
中溫區：550℃—Ms →貝氏體型轉變B
低溫區：Ms（230）以下 →馬氏體型轉變M
⑶過冷 A 等溫轉變產物的組織與性能
①珠光體型轉變——產物  P
由于冷卻速度不等，得到的P 層片厚薄不同，三種：
A₁—650℃，△T小，P  粒粗，160HBS—250HBS   “ P”表示。
650—600℃， △T 稍大，P  粒較細，薄F與Fe₃C，”S”表示，sarbite 索氏體，25—35HRC。
600—550℃，△T大，P  粒很細，用 T  表示，troostite 托氏體；35HRC—48HRC。
②貝氏體型轉變 -- B   bainite
奧氏體轉變成過飽和鐵素體和極細小的滲碳體的混合物，稱  “貝氏體”。分B_上、B_下，B_上硬脆無使用價值，B_下力學性能較好。——生產中常用
③馬氏體型轉變—M  martensite
△T極大，Fe、C原子不能擴散，C全部溶于α—Fe中，體積↑，產生應力。
碳在α—Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體。硬度很高：62HRC—65HRC，耐磨性好。
⒉過冷 A 連續冷卻轉變
⑴連續冷卻轉變曲線：又稱“C C T ”曲線Continuous Cooling Transform
V_K—臨界冷卻速度
V₁→P   170—220HBS
V₂→S   25HRC—35HRC
V₃→T+M  45HRC—55HRC
V₄→M+A’  55HRC—65HRC
⑵馬氏體的形態、性能
①晶體結構：體心立方→體心正方，體積增大。
②形態、性能：片狀M ，W_C≥1%，HB高，δ、a_k差。板條狀M，W_C≤0.6%,良好σ，較高a_k,強韌性。
㈢鋼的退火與正火
⒈退火annealing  
概念：將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，稱退火。——屬整體熱處理的一種。
分：完全退火、等溫退火、球化退火、去應力退化、再結晶退火等
⑴完全退火full annealing
①概念：將工件加熱到A_C3+30—50℃完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡組織（P+F）的退火工藝。
②目的：細化晶粒，提高性能；消除應力，防止變形；降低硬度。提高切削加工性。
③應用：亞共析鋼；鑄件；鍛件；焊接件。
⑵球化退火spheroidizing annealing
①概念：使工件中碳化物球狀化而進行的退火工藝。加熱溫度A_c1+30—50 ℃
②目的：↓HB，↑切削加工性（195HBS左右）；為淬火做準備。
③應用：過共析鋼，模具鋼，合金工具鋼。
⑶去應力退火tress relievisng
①概念：將工件加熱到500—600℃左右，保留一段時間，然后隨爐冷到200—300℃，再空冷的方法。
②目的：去除內應力，穩定尺寸，減少變形。
③應用：鑄件，鍛造件，焊接件，切削加工件。
⒉正火normalizing
⑴概念：將工件加熱到奧氏體化狀態，然后在空氣中冷卻的熱處理工藝。
⑵加熱溫度：A_c3或A_ccm+30—50℃
⑶目的：細化晶粒，調整硬度，消除網狀Fe₃C。
⑷應用：碳鋼件。
⒊退火與正火的選擇
⑴使用性能：工件要求不高，用正火；形狀復雜、大件用退火。
⑵可加工性：W_C≤0.45%碳鋼用正火；高碳鋼用退火，↓HB。
⑶經濟性：正火——經濟；退火——工藝繁雜；
㈣鋼的淬火與回火
⒈淬火quenching
⑴概念：將工件加熱到奧氏體化后以適當的方式冷卻獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。
⑵目的：提高硬度，高彈性和耐磨性。
⑶加熱溫度
亞共析鋼：A_C3+30—50℃
過共析鋼：A_C1+30—50℃
⑷保溫時間：
太短——奧氏體化不均勻，出現軟點；
太長——鋼件表面出現氧化、脫碳、晶粒粗大。
⑸淬火冷卻介質
水：較快，易變形開裂。油：較慢，減少變形，如10#、20#機油。食鹽水：冷卻能力提高，加10%NaCI
⑹鋼的淬透性和淬硬性
①淬透性hardenability：獲得硬度深度和硬度分布的能力。硬度層越深，淬透性越好。
②淬硬性hardening  capacity：淬火后獲得的最高硬度的能力。取決于W_C的含量；
注意：淬火后硬度高的鋼，不一定淬透性好；淬火后硬度低的鋼，也可能具有高的淬透性。
當W_C≤0.7%，隨W_C↑，淬透性↑；當W_C>0.7%，隨W_C↑，淬透性↓。
③對力學性能的影響：
淬透性好的鋼，力學性能高；淬透性差的鋼，尤其是心部力學性能底，受力易變形。
⒉回火tempering
⑴概念：淬火后的工件，再加熱到A₁以下某一溫度、保溫一定時間，然后冷卻到室溫的工藝。
⑵目的：（1）使工件獲得要求的力學性能；（2）穩定工件尺寸；（3）消除或減少內應力；（4）改善工件的切削加工性。
⑶回火方法 （組織轉變、性能、應用）
①低溫回火（150—250℃）low—temperature tempering
獲得組織 M_回；58—65HRC；用于 高碳鋼、工具鋼（刀具、量具、模具）、滾動軸承鋼。
②中溫回火（350—500）℃；medium—temperatur tempering
回火后 σ_b、σ_s 較高，內應力消除，a_k  較好。
回火組織：T_回；用于彈簧鋼制造的彈性件、鍛模。
③高溫回火( 500—650)℃；high—temperature tempering
回火組織：S_回；特點是 綜合力學性能好。應用廣泛，汽車、拖拉機、機車，承受較大載荷的結構零件，如：軸、齒輪等。
淬火+高溫回火稱調質處理，簡稱：調質trawn
說明：(Ⅰ)回火組織與等溫冷卻轉變組織的區別：S_回、T_回 是粒狀，而 S、T 是片狀；(Ⅱ)正火與調質硬度很接近，但結構件一般經調質而不正火后用，因調質綜合力學性能好。
④回火脆性：一般來講，隨回火溫度↑，其σ、HB↓，δ、a_k↑，但在250—350℃之間其a_k↓的現象，稱“回火脆性”。碳化物沿著馬氏體周圍析出，形成脆性薄殼，受力易裂紋。
㈤鋼的表面熱處理和化學熱處理
⒈表面熱處理  surface heat--treatment
⑴概念：將工件快速加熱，表面達到淬火溫度立即淬火（噴水），表面層獲得 M ，而心部保持了原有的韌性、塑性且達到表面耐磨的工藝。
⑵應用：齒輪、凸輪、套筒、頂桿等， W_C=0.4%—0.5%較好。
⑶方法：按加熱方式不同，分為：感應加熱和火焰加熱
①感應加熱表面淬火
原理——“集膚效應”
高頻加熱：200KHZ—300KHZ ；0.3—2.5mm,小件；軸；齒輪中頻加熱：1KHZ—10KHZ；2—10mm；較大件，凸輪，曲軸工頻加熱：50HZ；硬度層 10—20mm；應用大件
特點：a、生產率高，加熱速度快；b、淬火后晶粒細、硬度高；c、加熱不氧化、不脫碳、不變形；d、有較高疲勞強度；e、缺點是設備投資大。應用大批量生產小件，齒輪等。
②火焰加熱：用乙炔—氧氣混合氣體燃燒的火焰。
特點：操作簡單，效率低；表面層2—6mm，工作表面嚴重氧化，質量難以控制。應用 單件、小批生產。
⒉化學熱處理  Thermo—chemical treatment
⑴概念：是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變化學成分、組織和性能的熱處理工藝。
⑵工藝方法
①滲碳：向工件表面深入碳原子過程，↑W_C，滲碳層0.5—2mm.
目的：提高耐磨性；此時心部有良好的韌性；“外強里韌”。
應用：低碳鋼，低合金鋼。
方法：氣體滲碳，固體滲碳。
熱處理：滲碳、淬火+低溫回火。
②氮化：向工件表面滲入活性氮原子——形成硬度極高的合金氮化物。
目的：提高硬度、耐磨性，提高疲勞強度，耐蝕性。
應用：含較高合金元素的鋼，V、W、AI、Mo、Cu等
方法：離子滲氮——氨氣
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資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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