如何正确选择钢的热处理规范？

1.实验目的

1）掌握碳钢的常用热处理工艺及其应用。

2）研究冷却条件与钢性能的关系。

3）分析淬火及回火温度对钢性能的影响。

4）培养学生独立分析问题和解决问题的能力。

2.钢的热处理原理

钢的热处理就是利用钢在固态范围内的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需要的物理、化学、机械和工艺性能的一种操作。一般热处理的基本操作有退火、正火、淬火和回火等。

进行热处理时，加热温度、保温时间和冷却方式是最重要的三个基本工艺因素。正确选择这三者的规范，是热处理成功的基本保证。

（1）加热温度的选择

1）退火加热温度。一般亚共析钢加热至Ac3＋（20～30）℃（完全退火）；共析钢和过共析钢加热至Ac1＋（20～30）℃（球化退火），目的是得到球状渗碳体、降低硬度、改善高碳钢的切削性能。

2）正火加热温度。一般亚共析钢加热至Ac3＋（30～50）℃；过共析钢加热至Accm＋（30～50）℃，即加热到奥氏体单相区。退火和正火的加热温度范围选择如图13-15所示。

3）淬火加热温度。一般亚共析钢加热至Ac3＋（30～50）℃；共析钢和过共析钢加热至Ac1＋（30～50）℃，如图13-16所示。

图13-15　退火和正火的加热温度范围

图13-16　淬火的加热温度范围

钢的成分、原始组织及加热速度等皆会影响到临界点Ac1、Ac3及Accm的位置。在各种热处理手册或材料手册中，都可以查到各种钢的热处理温度。热处理时不能任意提高加热温度，因为加热温度过高时，晶粒容易长大，氧化、脱碳和变形等都会变得比较严重。各种常用钢的工艺规范见表13-7。

表13-7　常用钢的工艺规范

4）回火温度的选择。钢淬火后都要回火，回火温度决定于最终所要求的组织和性能（工厂中常常是根据硬度的要求）。按加热温度高低回火可分为三类：

①低温回火。在150℃～250℃的回火称为低温回火，所得组织为回火马氏体，硬度约为60HRC。其目的是降低淬火应力，减少钢的脆性并保持钢的高硬度。低温回火常用于高碳钢的切削刀具、量具和滚动轴承件。

②中温回火。在250℃～500℃的回火称为中温回火，所得组织为回火屈氏体，硬度为40～48HRC。其目的是获得高的弹性极限，同时有高的韧性，主要用于含碳0.5%～0.8%的弹簧钢热处理。

③高温回火。在500℃～650℃的回火称高温回火，所得组织为回火索氏体，硬度为25～35HRC。其目的是获得既有一定强度、硬度，又有良好冲击韧性的综合机械性能。所以把淬火后经高温回火的处理称为调质处理，用于中碳结构钢。

（2）保温时间的确定

为了使工件内外各部分温度达到指定温度，并完成组织转变，使碳化物溶解和奥氏体成分均匀化，必须在淬火加热温度下保温一定的时间。通常将工件升温和保温所需时间算在一起，统称为加热时间。

热处理加热时间必须考虑许多因素，例如工件的尺寸和形状，使用的加热设备及装炉量，装炉时炉子温度、钢的成分和原始组织，热处理的要求和目的，等等。

1）退火、正火保温时间。实际工作中多根据经验大致估算加热时间。一般规定，在空气介质中，升到规定温度后的保温时间，对碳钢来说，按工件厚度或直径估算，为1～1.5min／mm；合金钢按2min／mm估算。在盐浴炉中，保温时间则可缩短1～2倍。

2）淬火加热保温时间按下列经验公式估算：

t＝α·K·H

式中，t——保温时间（min）；

α——加热系数（min／mm）（见表13-8）；

K——工件装炉方式修正系数（一般K＝1～1.5）；

H——工件有效厚度（mm）（尺寸最小部位）。

表13-8　加热系数α （min·mm-1）

3）回火时间。回火时间一般从工件入炉后炉温升至回火温度时开始计算。回火时间一般为1～3h，可参考经验公式加以确定：

t＝αD＋b

式中，t——回火保温时间（min）；

D——工件有效厚度（mm）；

b——附加时间，一般为10～20min；

α——加热系数（箱式电炉取2～2.5min／mm）。

（3）冷却方法

热处理时的冷却方式要适当，才能获得所要求的组织和性能。

退火一般采用随炉冷却。

正火（常化）采用空气冷却，大件可采用吹风冷却。

淬火冷却方法非常重要，一方面冷却速度要大于临界冷却速度，以保证全部得到马氏体组织；另一方面冷却应尽量缓慢，以减少内应力，避免变形和开裂。为了解决上述矛盾，可以采用不同的冷却介质和方法，使淬火工件在奥氏体最不稳定的温度范围内（550℃～650℃）快冷，超过临界冷却速度，而在Ms（100℃～300℃）点以下温度时冷却较慢，理想的冷却速度如图13-17所示。

常用淬火方法有单液淬火、双液淬火（先水冷后油冷）、分级淬火和等温淬火，如图13-18所示。表13-9中列出了几种常用淬火介质的冷却能力。

图13-17　淬火时的理想冷却曲线示意图

图13-18　各种淬火冷却曲线示意图

表13-9　几种常用淬火剂的冷却能力

3.确定热处理工艺方案

（1）热处理工艺的组成

1）主要工序，指对工件性能起决定性作用的热处理工序，如退火、正火、淬火和回火等。(www.xing528.com)

根据所起作用还可分为预备热处理、最终热处理和补充热处理。

2）辅助工序，指配合主要工序进一步提高工件性能，并可防止、消除某些缺陷和完成热处理工艺过程中必不可少的工序，如清洗、校直、喷丸等。

3）检验工序，指检验工件热处理质量的工序，如硬度检验、力学性能检验、变形及裂纹检验等。

（2）热处理工艺路线

工件在热处理过程中，经常由几个热处理工序组成整个加工过程，它们按照一定顺序合理排列，使工件获得所要求的各项性能，如渗碳—淬火—低温回火。

（3）热处理工艺方案

1）选择最终热处理。根据工件材料、性能要求，确定最终热处理。最终热处理必须保证满足工件的性能要求。如表面要求硬化的零件，可以用表面淬火，也可以用渗碳淬火或渗氮工艺，应结合具体情况比较确定。

2）选择预备热处理。根据工艺性能如切削加工性等要求或为最终热处理做好组织准备，以减少热处理变形等要求，选择预备热处理。选择预备热处理时，也要考虑工件的材料，还要注意工件毛坯的生产方法等。

3）选择补充热处理。根据最终热处理的要求和为进一步提高工件的使用性能，选择补充热处理或辅助工序。如轴承件的稳定化处理、高速钢刀具的蒸汽处理和弹簧的喷丸处理等。

（4）热处理工序的安排

1）退火及正火工序的安排。退火和正火处理的主要目的是消除前道工序产生的成分、组织及性能缺陷，为后续工序作准备。所以退火和正火一般作为预备热处理放在加工过程的前段位置。

经铸造、锻造或焊接以后的毛坯件，经常会造成成分不均匀、组织粗大或者由于冷却不当而使硬度偏高，这些将对后续加工及热处理产生不利影响。因此须经退火或正火使之成分均匀、组织细化、硬度得以调整，以改善加工性能及为最终热处理做好组织准备。

退火或正火工序主要是根据工件材料及加工方法来确定的。如工件选用低碳钢或低碳合金钢经铸造或锻造生产的毛坯，加工方法为切削加工，如果用退火处理，则处理后组织中有大量铁素体，硬度太低，切削时有粘刀现象，切削后表面质量差。可使用正火，以减少铁素体量，适当提高硬度，改善切削表面的质量。如工件材料为中碳或中碳低合金钢，用退火或正火皆可，均能获得良好的切削加工性。如工件所用材料为高碳钢或高碳合金钢，用正火处理则硬度较高，但切削时对刀具磨损严重，会降低刀具使用寿命。因此对这类钢应选择退火，最好用球化退火，以获得球状珠光体，从而获得较低硬度及良好的切削性能。

如果后续加工为冷变形加工，需要工件有较高的塑性，故不管何种材料都应选用退火处理，以提高塑性，降低变形抗力。

2）淬火和回火工序的安排。淬火和回火一般决定了工件最后的力学性能，所以常常将其作为最终热处理而安排在工件加工过程中靠后的位置。应根据工件的种类、所用材料及所需要的力学性能确定淬火和回火种类。根据淬火和不同温度的回火，确定其在加工过程中的位置。

淬火后须经低温回火的零件或工具，应安排在加工成型以后，淬火和回火后不需要也不可能再进行切削加工，只能用磨削的方法进行精整加工。

例如，用GCr15加工滚动轴承外圈，其加工过程如下：

下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火及低温回火→精磨。

用T12钢制造锉刀，其加工过程如下：

下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火及低温回火。

淬火后进行中温回火是为了使工件获得高强度及高弹性，故也都作为最终热处理工序。如用60Si2Mn制作热成型弹簧，其工艺路线如下：

下料→热锻成型→退火→切削加工→淬火及中温回火→喷丸。

最后的喷丸是在弹簧的表面生成压应力，以提高抗疲劳能力，延长寿命。

淬火后高温回火即调质处理，既可作为预备热处理，又可作为最终热处理。调质处理一般适用于中碳钢和中碳合金钢。调质后，其组织为回火索氏体，有较好的综合性能及良好的切削性能。作为预备热处理，调质可以改善切削性能，并为最终处理（如表面淬火）做组织准备。作为最终热处理，则是为了使工件获得综合性能，特别是较好的韧性。故调质处理一般安排在粗加工以后、精加工以前。如45钢机床主轴的加工过程如下：

下料→锻造→正火→粗加工→调质处理→精加工。

4.实验内容

请按下列零件、工具的加工工艺路线，确定预先及最终热处理工艺（退火、正火、淬火、回火、调质等）。

1）机床齿轮（材料为45钢）的加工工艺路线：

下料→锻造→预备热处理→机械粗加工→最终热处理→机械精加工。

预备热处理要求硬度≤220HBW；最终热处理要求硬度220～250HBW，并具有良好的综合性能。

2）手工丝锥（材料为T12钢）的加工工艺路线：

下料→锻造→预备热处理→粗加工→最终热处理→机械精加工→防锈处理。

预备热处理要求硬度≤220HBW；最终热处理要求硬度220～250HBW，并具有良好的综合性能。

3）汽车半轴（材料为35CrMo）的加工工艺路线：

下料→锻造→预备热处理→机械粗加工→中间热处理→半精加工、铣花键，最终热处理校正→探伤。

预备热处理要求硬度＜220HBW；中间热处理后硬度≤330HBW，最终热处理后表面硬度为48～55HRC。

4）用T12钢制造锉刀的加工工艺路线：

下料→锻造→预备热处理→切削加工→最终热处理。

5）60Si2Mn制作热成型弹簧的加工工艺路线

下料→热锻成型→预备热处理→切削加工→最终热处理→喷丸。

6）45钢机床主轴的加工工艺路线：

下料→锻造→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工。

要求具有较好的综合力学性能及好的切削性能。

5.实验步骤

1）选题，选择某一工艺路线中的预备热处理或最终热处理，并确定热处理方法。

2）设计热处理工艺，主要设计零件的加热温度、保温时间和冷却方法。

3）热处理操作，写出实验操作步骤。

4）硬度测定。

5）数据分析。

根据实验数据分析实验数据是否达到题目的要求、设计的热处理工艺是否正确和热处理操作是否规范等。

6.实验报告要求

1）写出实验目的。

2）写出实验仪器及材料。

3）写出实验步骤（包括数据分析）。

4）谈谈本次实验的心得体会。