铸钢件常见热处理工艺

铸钢件常见热处理   按加热和冷却条件不同，铸钢件的主要热处理方式有：退火(工艺代号：5111)、正火(工艺代号：5121)、均匀化处理、淬火(工艺代号：5131)、回火(工艺代号：5141)、固溶处理(工艺代号：5171)、沉淀硬化、消除应力处理及除氢处理。 1．退火(工艺代号：5111)  退火是将铸钢件加热到Acs以上20～30。C，保温一定时间，冷却的热处理工艺。退火的目的是为消除铸造组织中的柱状晶、粗等轴晶、魏氏组织和树枝状偏析，以改善铸钢力学性能。碳钢退火后的组织：亚共析铸钢为铁素体和珠光体，共析铸钢为珠光体，过共析铸钢为珠光体和碳化物。适用于所有牌号的铸钢件。图11—4为几种退火处理工艺的加热规范示意图。ll—1为铸钢件常用退火工艺类型及其应用。 2．正火(工艺代号：5121)  正火是将铸钢件目口热到Ac。温度以上30～50。C保温，使之完全奥氏体化，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。图11—5为碳钢的正火温度范围示意图。正火的目的是细化钢的组织，使其具有所需的力学性能，也司作为以后热处理的预备处理。正火与退火工艺的区别有两个：其一是正火加热温度要偏高些；其二是正火冷却较快些。经正火的铸钢强度稍高于退火铸钢，其珠光体组织较细。一般用碳钢及部分厚大、形状复杂的合金钢铸件多采用正火处理。 正火可消除共析铸钢和过共析铸钢件中的网状碳化物，以利于球化退火；可作为中碳钢以及合金结构钢淬火前的预备处理，以细化晶粒和均匀组织，从而减少铸件在淬火时产生的缺陷。 3．淬火(工艺代号：5131)  淬火是将铸钢件加热到奥氏体化后(Ac。或Ac＆#8226;以上)，保持一定时间后以适当方式冷却，获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。常见的有水冷淬火、油冷淬火和空冷淬火等。铸钢件淬火后应及时进行回火处理，以消除淬火应力及获得所需综合力学性能。图11—6为淬火回火工艺示意图。 铸钢件淬火工艺的主要参数： (1)淬火温度：淬火温度取决于铸钢的化学成分和相应的临界温度点。图11—7为铸钢件淬火工艺温度范围示意图。原则上，亚共析铸钢淬火温度为Ac。以上20～30。C，常称之为完全淬火。共析及过共析铸钢在Ac。以上30～50。C淬火，即所谓亚临界淬火或两相区淬火。这种淬火也可用于亚共析钢，所获得的组织较一般淬火的细，适用于低合金铸钢件韧化处理。 (2)淬火介质：淬火的目的是得到完全的马氏体组织。为此，铸件淬火时的冷却速率必须大于铸钢的临界冷却速率。否则不能获得马氏体组织及其相应的性能。但冷却速率过高易于导致铸件变形或开裂。为了同时满足上述要求，应根据铸件的材质选用适当的淬火介质，或采用其他冷却(如分级冷却等)。在650～400。C区间钢的过冷奥氏体等温转变速率最快，因此铸件淬火时应保证在此温度内快冷。在Ms点以下希望冷却缓慢一些，以防止淬火变形或开裂。淬火介质通常采用火、水溶液、油和空气。在分级淬火或等温淬火时，采用热油、熔融金属、熔盐或熔碱等。 4．回火(工艺代号：5141)  回火是将淬火或正火后的铸钢件加热到Ac，以下的某一选定温度，保温一定时间后，以适宜的速率冷却，使淬火或正火后得到的不稳定组织转变为稳定组织，消除淬火(或正火)应力以及提高铸钢的塑性和韧性的一种热处理工艺。通常淬火加高温回火处理的工艺称之为调质处理。淬火后的铸钢件必须及时进行回火，而正火后的铸钢件必要时才予以回火处理。回火后铸钢件的性能取决于回火温度、时间及次数。随着回火温度的提高和时间的延长，除使铸钢件的淬火应力消除外，还使不稳定的淬火马氏体转变成回火马氏体、托氏体或索氏体，使铸钢的强度和硬度降低，而塑性显著地提高。对一些含有强烈形成碳化物的合金元素(如铬、钼、钒和钨等)的中合金铸钢，在400～500。C回火时出现硬度升高、韧性下降的现象，称为二次硬化，即回火状态铸钢的硬度达到最大值。一般有二次硬化特性的中合金铸钢需要进行多次(1～3次)回火处理。 铸钢件的回火按温度不同可分为低温回火和高温回火。 (1)低温回火：一般在150～250。C温度范围内进行。回火后可空冷、油冷或水冷。其目的是在保留铸件高强度和硬度的条件下，消除淬火应力。主要用于渗碳、表面淬火及要求高硬度的耐磨铸钢件。 (2)高温回火：高温回火温度为500～650。C，保温适当时间后冷却。主要用于在淬火或正火后调铸钢的组织，使之兼有高强度和良好韧性的碳钢和低、中合金钢铸件。回火脆性是制定合金钢铸件回火工艺时必须注意的问。在下列两个温度范围内均可发生。 在250～400。C发生的脆性：经淬火成为马氏体组织的铸钢，在此温度范围内都会产生回火脆性。如稍高于此脆性温度区回火，则可消除此回火脆性。而且以后再在上述温度范围内回火时，也不会再出现回火脆性，故常称之为第一类回火脆性。 在400～500。C(甚至650。C)发生的脆性：这对多数低合金铸钢都会发生，即发生铸钢的高温回火脆性。如将已在此温度范围内产生脆性的铸钢件再加热到600。C(或650。C)以上，之后在水或油中快冷，即可消除此种脆性。然而已消除脆性的铸件，如又加热到产生回火脆性的温度，脆性又会出现。这常称之为第二类回火脆性。 5．固溶处理(工艺代号：5171)  固溶处理是将铸件加热至适当温度并保温，使过剩相充分溶解，然后快速冷却以获得过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的主要目的是使碳化物或其他析出相溶解于固溶体中，获得过饱和的单相组织。一般奥氏体不锈耐热钢、奥氏体锰钢及沉淀硬化不锈耐热钢铸件均需经固溶处理。固溶温度的选择取决于钢种的化学成分和相图。奥氏体锰钢铸件一般为1000～1100。C；奥氏体镍铬不锈钢铸件为1000～1250。C。铸钢中含碳量越高，难熔合金元素越多，则其固溶温度应越高。含铜的沉淀硬化铸钢，由于铸态有硬质富铜相在冷却过程中沉淀，致使铸钢件硬度升高。为软化组织、改善加工性能，铸钢件需经固溶处理。其固溶温度为900～950。C。经快冷后可得到铜的质量分数为1．0％～1．5％的过饱和单相组织。 6．沉淀硬化处理(时效处理)  铸件经固溶处理或淬火后，在室温或高于室温的适当温度保温，在过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区和(或)析出弥散分布的强化相而使金属硬化的处理称为沉淀硬化处理(或时效处理)。在高于室温下进行的称为人工时效。其实质是：在较高的温度下，自过饱和固溶体中析出碳化物、氮化物、金属间化合物及其他不稳定的中间相，并弥散分布于基体中，因而使铸钢的综合力学性能和硬度提高。时效处理的温度直接影响铸钢件的最终性能。时效温度过低，沉淀硬化相析出缓慢；温度过高，则因析出相的聚集长大引起过时效，而得不到最佳的性能。所以应根据铸钢件的牌号及规定的性能要求选用时效温度。奥氏体耐热铸钢时效温度一般为550～850。C，高强度沉淀硬化铸钢为500。C，时间为1～4h。含铜的低合金钢和奥氏体耐热钢铸件以及低合金的奥氏体锰钢铸件多采用时效处理。图11-8为截面25mm试样的时效效果。 7．消除应力处理其目的是消除铸造应力、淬火应力和机械加工形成的应力，稳定尺寸。一般加热到Ac，以下100～200。C保温一定时间，随炉慢冷。铸件的组织没有变化。碳钢、低合金钢或高合金钢铸件均可以进行处理。 8．除氢处理  目的是去除氢气，提高铸钢的塑性。加热到l70～200。C或280～320。C，长时间保温进行处理。没有组织变化。主要用于易于产生氢脆倾向的低合金钢铸件。 二、 钢的整体热处理 整体热处理是对工件整体进行穿透加热。常用的方法有退火、正火、淬火和回火 1．钢的退火与正火 （1）退火与正火的目的 在机器零件和工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预备热处理工序，安排在铸、锻、焊工序之后、切削（粗）加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序做准备。例如，在铸造或锻造等热加工以后，钢件中不但存在残余应力，而且组织粗大不均匀，成分也有偏析，这样的钢件力学性能低劣，淬火时也容易造成变形和开裂。又如，在铸造或锻造等热加工以后，钢件硬度经常偏低或偏高，而且不均匀，严重影响切削加工性能。 退火和正火的主要目的有： ① 调整硬度以便进行切削加工； ② 消除残余应力，防止钢件的变形、开裂； ③ 细化晶粒，改善组织以提高钢的力学性能； ④ 为最终热处理作好组织准备。 （2）退火工艺及应用 钢的退火是将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织状态的热处理工艺。 ① 完全退火与等温退火 完全退火是指将钢件完全奥氏体化（加热至Ac3以上30～50℃）后，随之缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火工艺。生产中为提高生产率，一般随炉冷至600℃左右，将工件出炉空冷。 完全退火的主要缺点： 完全退火主要用于： 图 3-15 高速工具钢的完全退火与等温退火工艺曲线   为缩短完全退火时间，生产中常采用等温退火工艺，即将钢件加热到Ac3以上30～50℃（亚共析钢）或Acl 以上10～20℃（共析钢、过共析钢），保温适当时间后，较快冷却到珠光体转变温度区间的适当温度并保持等温，使奥氏体转变为珠光体类组织，然后在空气中冷却的退火工艺。 等温退火与完全退火目的相同，但转变较易控制，所用时间比完全退火缩短约1／3，并可获得均匀的组织和性能。特别是对某些合金钢，生产中常用等温退火来代替完全退火或球化退火。图3-15为高速工具钢完全退火与等温退火的比较。 ② 球化退火  是指将共析钢或过共析钢加热到Ac1点以上10～20℃，保温一定时间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于Arl温度，保温一段时间，然后炉空至600℃左右空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺，如图3-16所示。 图 3-16  T10钢的球化退火工艺曲线             图 3-17  粒状珠光体显微组织                            过共析钢及合金工具钢热加工后，组织中常出现粗片状珠光体和网状二次渗碳体，钢的硬度和脆性不仅增加，钢的切削性变差，且淬火时易产生变形和开裂。为消除上述缺陷，可采用球化退火，使珠光体中的片状渗碳体和钢中网状二次渗碳体均呈球（粒）状，这种在铁素体基体上弥散分布着球状渗碳体的复相组织，称为“球化体”，如图3-17所示。 对于存在有严重网状二次渗碳体的钢，可在球化退火前，先进行一次正火。 近些年球化退火的发展与应用（自阅） ③ 去应力退火（见） 若采用高温退火（如完全退火），也可以更彻底地消除应力，但会使氧化、脱碳严重，还会产生高温变形，故为了消除应力，一般是采用低温退火。 ④ 扩散退火（均匀化退火）（见书） （3）正火工艺及应用 正火是指将钢件加热到Ac3（亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上30～50℃，经保温后在空气中冷却的热处理工艺。 正火与退火的主要区别是正火冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。低碳钢和低碳合金钢经正火后，可提高硬度，改善切削加工性能（170～230HBS范围内金属切削加工性较好）；对于中碳结构钢制作的较重要件，可作为预先热处理，为最终热处理作好组织准备；对于过共析钢，可消除网状二次渗碳体为球化退火作好组织准备。对于使用性能要求不高的零件，以及某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可采用正火作为最终热处理。    几种退火与正火的加热温度范围及热处理工艺曲线，如图3-18所示。 （a）加热温度范围                   （b） 热处理工艺曲线 图 3-18  几种退火与正火工艺示意图 2．钢的淬火与回火 （1）淬火　 是将钢加热至临界点（Ac3 或Ac1）以上，保温后以大于VK的速度冷却，使奥氏体转变成马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。 淬火的目的：为了得到马氏体组织，是钢的最主要的强化方式。 1）淬火工艺 ① 淬火加热温度  在选择淬火加热温度时，应尽量使获得的组织硬度越大越好；获得的晶粒越小越好。 图3-19 碳钢淬火加热温度范围示意图   对于亚共析钢，淬火温度一般为Ac3以上30～50℃，淬火后得到均匀细小的M和少量残余奥氏体，若淬火温度过低，则淬火后组织中将会有F，使钢的强度、硬度降低；若加热温度超过 Ac3以上(30～50℃)，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的M，钢的力学性能变差，且淬火应力增大，易导致变形和开裂。 对于共析钢或过共析钢，淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，淬火后得到细小的马氏体和少量残留奥氏体（共析钢），或细小的马氏体、少量渗碳体和残留奥氏体（过共析钢），由于渗碳体的存在，钢硬度和耐磨性提高。若温度过高，如过共析钢加热到Accm以上温度，由于渗碳体全部溶入奥氏体中，奥氏体的碳的质量分数提高，Ms温度降低，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性降低。此外，因温度高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，脆性增大。若加热温度低于Acl点，组织没发生相变，达不到淬火目的。碳钢淬火加热温度范围如图3-19所示。 对于合金钢，由于大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，因而淬火加热温度比碳钢高，使合金元素在奥氏体中充分溶解和均匀化，以获得较好的淬火效果。 实际生产中，淬火加热温度的确定，尚需考虑工件形状尺寸、淬火冷却介质和技术要求等因素。 ② 淬火加热时间　加热时间包括升温和保温时间。通常以装炉后温度达到淬火加热温度所需时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始；保温时间是指钢件烧透并完成奥氏体均匀化所需时间。 加热时间受钢件成分、形状、尺寸、装炉方式、装炉量、加热炉类型、炉温和加热介质等影响。 经验公式（见书） ③ 淬火冷却介质　钢进行淬火时冷却是最关键的工序，淬火的冷却速度必须大于临界冷却速度，快冷才能得到马氏体，但快冷总会带来内应力，往往会引起工件的变形和开裂。那么，怎样才能既得到马氏体而又减小变形和开裂呢？理想的淬火冷却介质如图3-20所示。 生产中，常用的冷却介质是水、油、碱或盐类水溶液。 水是最常用的冷却介质，它有较强的冷却能力，且成本低，但其缺点是在650～400℃范围内冷却能力不够强，而在300～200℃范围内冷却能力又很大，因此常会引起淬火钢的内应力增大，导致工件变形开裂，因此，水在生产中主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。 图3-20 理想淬火冷却速度曲线   如在水中加入盐或碱类物质，能增加在650～400℃范围内的冷却能力，这对保证工件，特别是碳钢的淬硬是非常有利的，但盐水仍具有清水的缺点，即在300～200℃范围内冷却能力很大，工件变形开裂倾向很大。常用的盐水浓度为10%～15%，盐水对工件有锈蚀作用，淬火后的工件应仔细清洗。盐水比较适用于形状简单、硬度要求高而均匀、表面要求光洁、变形要求不严格的碳钢零件。 淬火常用的油有机油、变压器油、柴油等。油在300～200℃范围内的冷却速度比水小，有利于减小工件变形和开裂，但油在650～400℃范围内冷却速度也比水小，不利于工件淬硬，因此只能用于低合金钢与合金钢的淬火，使用时油温应控制在40～100℃内。 为了减少工件淬火时的变形，可采用盐浴作为淬火介质，如熔化的NaN03、KN03等。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火。其特点是沸点高，冷却能力介于水于油之间，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。 2）淬火方法 由于目前还没有理想的淬火介质，因而在实际生产中应根据淬火件的具体情况采用不同的淬火方法，力求达到较好的效果。常用的淬火方法如图3-21所示。 ① 单液淬火　这种方法操作简单，易实现机械化。通常形状简单、尺寸较大的碳钢件在水中淬火，合金钢件及尺寸很小的碳钢件在油中淬火。 图 3-21 常用淬火方法示意图   ② 双液淬火　先浸入冷却能力强的介质中，在组织将要发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。常用的有先水后油，先水后空气等。此种方法操作时，如能控制好工件在水中停留的时间，就可有效的防止淬火变形和开裂，但要求有较高的操作技术。主要用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。 ③ 马氏体分级淬火　是将钢件浸入温度稍高或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件整体达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，此法操作比双介质淬火容易控制，能减小热应力、相变应力和变形，防止开裂。主要用于截面尺寸较小（直径或厚度＜12mm、形状较复杂工件的淬火。 ④ 等温淬火　是将钢件加热到奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间保持等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。此法淬火后应力和变形很小，但生产周期长，效率低。主要用于形状复杂、尺寸要求精确，并要求有较高强韧性的小型工、模具及弹簧的淬火。 ⑤ 冷处理 为了尽量减少钢中残余奥氏体，以获得最大数量的马氏体，可采用冷处理，即把钢淬冷至室温后，继续冷却至－70～－80℃（或更低温度），保持一定时间，使残余奥氏体在继续冷却过程中转变为M，这样可提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢件尺寸。获得低温的办法是采用干冰（固态CO2）和酒精的混合剂或冷冻机冷却。只有特殊的冷处理才置于－103℃的液化乙烯或－192℃的液态氮中进行。 （2）淬火缺陷（见书） ① 变形与开裂；② 氧化和脱碳；③ 过热和过烧