一、完全退火熱處理工藝

1.1  工藝參數(shù)

選用完全退火的原因：因?yàn)橥耆嘶鹬饕糜诤剂抠|(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%~0.6%的中碳鋼鑄、鍛件，因?yàn)?/span>38CrMnAl含碳量為0.38%，且是鍛件，故選用完全退火。

完全退火的目的：在于消除其鍛件常存在晶粒粗大或晶粒大小不均勻等組織缺陷及內(nèi)應(yīng)力，使鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性達(dá)到技術(shù)要求即均勻組織、細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力、改善切削加工性能等，為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。

1.1.1  加熱溫度

選擇：920℃

理由：因?yàn)?/span>38CrMnAl鋼是亞共析鋼，其完全退火溫度為Ac₃+30～50℃；且其Ac₃為885℃，故可選溫度為920℃。這樣既可以細(xì)化晶粒，又有助于奧氏體成分均勻化，以改善切削加工性能并未淬火作良好的準(zhǔn)備。

1.1.2  加熱方法

選擇：隨爐溫加熱

理由：簡(jiǎn)單易控制，且是預(yù)備熱處理，對(duì)性能要求不高。

1.1.3  加熱介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

理由：由于加熱溫度過(guò)高，零件容易氧化脫碳，氮?dú)饪梢院芎玫姆雷o(hù)，使金屬燒損、性能降低。

1.1.4  保溫時(shí)間

選擇：3h

理由：一般可按有效厚度1.5~2.5min/mm估算，但保溫時(shí)間一般不超過(guò)10h，本零件的有效厚度為125mm，故可以選擇3h。保溫的目的是為了使工件熟透并得到比較均勻的奧氏體。

1.1.5  冷卻方法

選擇：隨爐冷卻

理由：表面與心部溫度差距小，不易產(chǎn)生應(yīng)力，防止其開裂。

1.1.6  冷卻介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

理由：因?yàn)槭请S爐冷卻，且爐內(nèi)氣體是氮?dú)?/span>

1.1.7  熱處理后檢驗(yàn)方法

內(nèi)容：硬度應(yīng)小于或等于229HBW

方法：通過(guò)加載將鋼球壓頭壓入被檢測(cè)的金屬零件表面，根據(jù)單位壓痕面積上所受的負(fù)荷大小來(lái)確定硬度值。

HB=P/F=P/Dtπ

F：凹陷壓痕的面積

t：壓痕凹陷的深度

檢測(cè)面應(yīng)是光滑平面。

1.1.8工藝曲線圖

操作守則：a.嚴(yán)格控制加熱溫度和時(shí)間，并盡量減輕鋼件的表面氧化脫碳；b.完全退火加熱并透燒后，在大量裝爐情況下，隨爐緩冷或控制一定的冷卻速度經(jīng)濟(jì)出爐溫度。

1.2  材料的組織、性能 

1.2.1  加熱溫度后的組織及性能

①正常溫度的組織和性能  

粒狀珠光體，硬度較高，具有良好的綜合性能  

②加熱溫度不足的組織及性能

片狀珠光體，大量鐵素體，具有較高的硬度和強(qiáng)度，工件有較差的任性和塑性，且易開裂。

③加熱溫度過(guò)高的組織及性能

粗大的珠光體和鐵素體，具有較差的強(qiáng)度和硬度，但韌性和塑性高，溫度嚴(yán)重過(guò)高時(shí)，容易氧化脫碳。

④工件尺寸因素對(duì)熱處理后的組織和性能的影響

工件尺寸過(guò)大，心部和表面溫差大，容易開裂，并產(chǎn)生應(yīng)力。

1.2.2  保溫時(shí)零件的組織轉(zhuǎn)變

保溫時(shí)，碳逐漸融入奧氏體中，碳的分布逐漸均勻。

1.2.3  冷卻到室溫后的組織及性能

①正常冷卻后的組織及性能

組織為均勻的珠光體和鐵素體，綜合性能良好

②冷卻速度不足的組織及性能

珠光體和鐵素體較粗大，工件較軟，不易于以后的熱處理。

③冷卻速度過(guò)大的組織及性能

細(xì)小的珠光體和鐵素體，硬度和強(qiáng)度較高，不易于機(jī)加。

1.2.4  產(chǎn)生缺陷預(yù)測(cè)及防護(hù)

①硬度過(guò)高  由于退火過(guò)后冷速太快，生成的片狀珠光體太薄，導(dǎo)致硬度升高。它不利于切削加工，解決的辦法是重新加熱，降低冷卻速度（冷速應(yīng)小于等于120℃/h）

②組織中出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體  冷速太慢，冷速應(yīng)控制在30℃/h以上。

1.3  選擇熱處理的設(shè)備

選擇：中溫井式爐  RJ2-190-9

理由：適用于軸類等長(zhǎng)型零件的退火、正火、淬火及預(yù)熱等，裝爐量少，常用于質(zhì)量要求較高的零件。

表1.1   RJ2-190-9的參數(shù)

1.4  熱處理中的掛件、裝具、夾具

二、調(diào)質(zhì)工藝

調(diào)質(zhì)處理的目的：為了獲得較高的強(qiáng)度和高的韌性互相配合良好的綜合力學(xué)性能。其適用于，要求較高綜合力學(xué)性能的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼工件；改善半成品加工的表面粗糙度及減小最終熱處理淬火的變形傾向等。

2.1  淬火工藝參數(shù)

2.1.1  加熱溫度

選擇：930℃

理由：低合金鋼的加熱溫度范圍為Ac₃+30～50℃；且其Ac₃為885℃，故可選溫度為930℃。其目的是為了加速奧氏體化而又不引起奧氏體晶粒粗化。

2.1.2  加熱方法

選擇：隨爐加熱

理由：簡(jiǎn)單易操作控制。

2.1.3  加熱介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

理由：由于加熱溫度過(guò)高，零件容易氧化脫碳，氮?dú)饪梢院芎玫姆雷o(hù)，使金屬燒損、性能降低。

2.1.4  保溫時(shí)間

選擇：3h

理由：由經(jīng)驗(yàn)公式t=aKD

a是保溫時(shí)間系數(shù)一般取1.5

K是工件裝爐修正系數(shù)一般取1～1.5，這里取1

D是工件有效厚度，這里為125mm

t是保溫時(shí)間

計(jì)算得t為3h。

2.1.5  冷卻方法

選擇：雙液淬火法

理由：工件淬入清水中20s后，迅速轉(zhuǎn)入油中冷至室溫。先快冷可避免過(guò)冷奧氏體的分解，后慢冷可有效地降低變形和開裂傾向。

2.1.6  冷卻介質(zhì)

選擇：水、油

2.2  回火工藝參數(shù)

高溫回火目的：消除淬火時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高材料的塑性和韌性，穩(wěn)定工件尺寸，或得良好的綜合力學(xué)性能。

2.2.1  加熱溫度

選擇：630℃

理由：在鋼的Ac₁溫度以下，38CrMnAl的Ac₁為760℃，且是高溫回火，故可以選溫度為630℃。

2.2.2  加熱方法

選擇：隨爐溫加熱

理由：簡(jiǎn)單易操作控制，且不易產(chǎn)生應(yīng)力。

2.2.3  加熱介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

理由：由于加熱溫度過(guò)高，零件容易氧化脫碳，氮?dú)饪梢院芎玫姆雷o(hù)，使金屬燒損、性能降低。

2.2.4  保溫時(shí)間

選擇：4h

理由：一般根據(jù)工件截面厚度而定，一般每25mm厚度保溫1~2h，回火溫度較高時(shí)，可以適當(dāng)縮短，故為4h。

2.2.5  方法

選擇：空冷

理由：①為了減少殘余應(yīng)力，在回火后一般在空氣中冷卻；②對(duì)于中、低碳高強(qiáng)度合金鋼及彈簧鋼為了避免發(fā)生第一類回火脆性，也可采用等溫淬火。

2.2.6  介質(zhì)

選擇：空氣

2.3  調(diào)質(zhì)處理后檢驗(yàn)方法

內(nèi)容：硬度范圍應(yīng)在250～280HBW

方法：通過(guò)加載將鋼球壓頭壓入被檢測(cè)的金屬零件表面，根據(jù)單位壓痕面積上所受的負(fù)荷大小來(lái)確定硬度值。

HB=P/F=P/Dtπ

F：凹陷壓痕的面積

t：壓痕凹陷的深度

檢測(cè)面應(yīng)是光滑平面。

內(nèi)容：金相組織

     一般應(yīng)得到馬氏體。由于奧氏體化溫度不同，馬氏體形態(tài)和大小不一樣?？梢杂猛干潆娮语@微鏡來(lái)觀察。

方法：將經(jīng)預(yù)減薄的樣品沖成直徑為3mm的圓片后置于電解槽中接陽(yáng)極，樣品兩側(cè)各有電解液噴嘴一個(gè)，噴嘴內(nèi)裝有鉑絲陰極，電解液以一定速度噴向試樣中心，使試樣雙面減薄，當(dāng)樣品減薄到剛剛穿孔時(shí)，控制系統(tǒng)切斷電源然后在拋光形成的小孔附近找到符合透射電鏡觀察厚度的薄區(qū)。

2.4  工藝曲線圖

操作守則：a.淬火加熱和保溫應(yīng)確定原始組織完全奧氏體化；b.淬火冷卻速度能夠確保大多數(shù)奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體組織，零件表層鐵素體體積分?jǐn)?shù)不得超過(guò)3%~5%。

2.5材料的組織、性能 

2.5.1  加熱溫度后的組織及性能

①回火正常溫度的組織和性能

回火索氏體，良好的綜合力學(xué)性能

淬火正常溫度的組織和性能

大部分接近平衡狀態(tài)的組織，為奧氏體；工件較軟，塑韌性好

②回火加熱溫度不足的組織及性能

下貝氏體，硬度較高，塑性和韌性差

淬火溫度不足的組織及性能

奧氏體和殘留碳化物。加熱溫度低于Ac₁，組織中會(huì)保留一部分滲碳體，使淬火強(qiáng)度，硬度高。

③回火加熱溫度過(guò)高的組織及性能

上貝氏體，易產(chǎn)生回火脆性

淬火加熱溫度過(guò)高的組織及性能

奧氏體晶粒細(xì)化，但易脫碳氧化

2.5.2  保溫時(shí)零件的組織轉(zhuǎn)變

回火后轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w，淬火保溫時(shí)奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變，工件心部和表面組織和性能差異不大。

2.5.3  冷卻到室溫后的組織及性能

①回火正常冷卻后的組織及性能

回火索式體和殘余奧氏體，良好的綜合力學(xué)性能

淬火正常冷卻后的組織及性能

得到馬氏體還有一部分殘余奧氏體

②回火冷卻速度不足的組織及性能

少量的鐵素體和屈氏體和殘余奧氏體，易產(chǎn)生回火脆性

淬火冷卻速度不足的組織及性能

摻雜一定的珠光體、奧氏體，使硬度、強(qiáng)度降低

③回火冷卻速度過(guò)大的組織及性能

少量的鐵素體和屈氏體晶粒與正常態(tài)比細(xì)化了，硬度較高，不易加工，工件易變形。

淬火冷卻速度過(guò)大的組織及性能

有較多的馬氏體和殘余奧氏體，硬度較高

2.5.4  產(chǎn)生缺陷預(yù)測(cè)及防護(hù)

a.工件表面脫碳嚴(yán)重  

由于工件在氧化氣氛的加熱爐中加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、溫度過(guò)高所致。解決辦法是合理選擇加熱溫度和保溫時(shí)間，或選擇保護(hù)氣氛加熱爐、真空爐等加熱設(shè)備。

b.力學(xué)性能過(guò)低  

這是由于淬火加熱溫度低游離態(tài)鐵素體未完全溶入奧氏體中所致；或是原材料鋼材的淬透性差；或是由于回火溫度過(guò)高或過(guò)低所致。解決方法為：調(diào)整淬火溫度；調(diào)整回火溫度。

c.淬裂  

由于原材料內(nèi)部缺陷所致；淬火冷卻過(guò)于激烈；尖角溝槽處應(yīng)力集中，切削刀紋粗大；工件表面脫碳。

2.6  熱處理的設(shè)備

選擇：淬火用中溫井式電阻爐RJ2-190-9  回火用臺(tái)車式爐RT2-320-9

理由：適用于軸類等長(zhǎng)型零件的退火、正火、淬火及預(yù)熱等，裝爐量少，常用于質(zhì)量要求較高的零件。臺(tái)車式爐適用于大型鍛、鑄件的退火、正火、回火等。

表2.1  RT2-320-9參數(shù)

2.7 熱處理中的掛件、裝具、夾具

四、去應(yīng)力退火工藝

去應(yīng)力退火的目的：為了去除鍛件及切削加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力。它可以降低原材料或毛坯的硬度，以利于切削加工；還可以徹底地消除被處理的參與內(nèi)應(yīng)力。

3.1  工藝參數(shù)

3.1.1  加熱溫度

選擇：610℃

理由：碳鋼和低合金鋼的去應(yīng)力退火溫度一般為550～650℃。

3.1.2  加熱方法

選擇：隨爐加熱

理由：因?yàn)榇藭r(shí)的熱處理對(duì)工件性能要求高，且軸類零件要求精度高。隨爐加熱防止其產(chǎn)生新的應(yīng)力，有利于保持工件性能。

3.1.3  加熱介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

理由：由于加熱溫度過(guò)高，零件容易氧化脫碳，氮?dú)饪梢院芎玫姆雷o(hù)，使金屬燒損、性能降低。

3.1.4  保溫時(shí)間

選擇：6h

理由：根據(jù)工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時(shí)間為3mm/min。

3.1.5  冷卻方法

選擇：隨爐冷至小于300℃，出爐空冷

理由：大型零件或要求消除應(yīng)力十分徹底的零件，則需爐冷至300℃，再出爐空冷，此軸是精度要求高的零件，且去應(yīng)力退火的冷卻應(yīng)盡量緩慢，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力，故選擇隨爐冷卻再空冷。

3.1.6  冷卻介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span> 空氣

3.1.7  去應(yīng)力退火后檢驗(yàn)方法

應(yīng)檢查彎曲，工件外圓全跳動(dòng)量小于或等于0.50mm；進(jìn)行粉磁探傷，用以檢驗(yàn)厚材料與淬火裂紋。

彎曲檢驗(yàn)方法：采用三點(diǎn)彎曲計(jì)算方法

σ=2.5PL/d³       f= L²ε/6d  

d：圓棒直徑       L：跨距（mm）

P:彎曲斷裂載荷    f:彎曲撓度（mm)

ε:試樣彎曲外層殘留伸長(zhǎng)量（%）

粉刺探傷方法：

a.受檢表面及附近30mm范圍內(nèi)用進(jìn)行干燥和清潔處理，不得有污垢、銹蝕、松動(dòng)的氧化皮等。

b.當(dāng)受檢表面妨礙顯示時(shí)，應(yīng)打磨或噴砂處理。

c.干粉探傷時(shí)，磁化時(shí)間一般每次約0.5～1s；濕粉探傷時(shí)，磁化時(shí)間需幾秒鐘。

d.磁化方向。每個(gè)受檢區(qū)域應(yīng)進(jìn)行兩次檢驗(yàn)，兩次檢驗(yàn)的磁力線方向應(yīng)大體上垂直。

3.1.8  工藝曲線圖

操作守則：a.工件裝爐應(yīng)在加熱溫度不超過(guò)200～300℃狀態(tài)下進(jìn)行，并以不大于150℃/h的速度升溫加熱；b.去應(yīng)力退火冷卻速度應(yīng)嚴(yán)格控制，一般以不大于50℃/h的速度進(jìn)行冷卻；c.去應(yīng)力退火工件的出爐溫度，不得高于300℃。

3.2  材料的組織和性能

3.2.1  加熱溫度后的組織及性能

①正常溫度的組織和性能

貝氏體，硬度較高，具有良好的綜合性能  

②加熱溫度不足的組織及性能

下貝氏體，具有較高的硬度和強(qiáng)度，工件有較差的任性和塑性，且易開裂。

③加熱溫度過(guò)高的組織及性能

粗大的珠光體和鐵素體，具有較差的強(qiáng)度和硬度，但韌性和塑性高，溫度嚴(yán)重過(guò)高時(shí)，容易氧化脫碳。

④工件尺寸因素對(duì)熱處理后的組織和性能的影響

工件尺寸過(guò)大，心部和表面溫差大，容易開裂，并產(chǎn)生應(yīng)力。

3.2.2  保溫時(shí)零件的組織轉(zhuǎn)變

保溫時(shí)，碳逐漸融入奧氏體中，碳的分布逐漸均勻。

3.2.3  冷卻到室溫后的組織及性能

①正常冷卻后的組織及性能

組織為貝氏體，綜合性能良好

②冷卻速度不足的組織及性能

少量珠光體和貝氏體，工件較軟，不易于以后的熱處理。

③冷卻速度過(guò)大的組織及性能

貝氏體和馬氏體，硬度和強(qiáng)度較高，不易于機(jī)加。

3.2.4  產(chǎn)生缺陷預(yù)測(cè)及防護(hù)

易產(chǎn)生新的應(yīng)力；由于工件在冷卻過(guò)程中，冷卻速度較快，易產(chǎn)生新的應(yīng)力，應(yīng)控制好冷卻速度，選擇恰當(dāng)?shù)睦鋮s方法。

3.3  熱處理爐的設(shè)備

選擇：中溫井式電阻爐  RJ2-190-9

理由：適用于軸類等長(zhǎng)型零件的退火、正火、淬火及預(yù)熱等，裝爐量少，常用于質(zhì)量要求較高的零件。

3.4  熱處理中的掛件、裝具、夾具

五、滲氮熱處理工藝

選用氣體滲氮，采用三段氣體滲氮法。即工件隨爐緩慢升溫，在440℃保溫2h，然后升溫至500℃，保溫30h，緩慢升溫至560℃，保溫24h，再隨爐緩慢降溫至530℃，保溫6h退氮處理。關(guān)閉出氣閥門，打開進(jìn)氣閥門。然后爐冷至小于200℃出爐空冷。

4.1  工藝參數(shù)

4.1.1  加熱溫度

選擇：分別是440℃、500℃、560℃、530℃

理由：為了保證氮化物自身的心部強(qiáng)度與硬度不變化，氮化溫度必須低于調(diào)質(zhì)回火溫度；若氮化溫度過(guò)低，滲氮速度慢，為達(dá)到一定的氮化深度需延長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)導(dǎo)致工件表面不能吸收足夠活性氮原子，硬度不高，故氮化溫度選在500～560℃。

4.1.2  加熱方法  

選擇：隨爐溫加熱

4.1.3  加熱介質(zhì)

選擇：氮?dú)?/span>

4.1.4  保溫時(shí)間

選擇：2h、30h、24h、6h

理由：當(dāng)滲層深度在0.4mm以內(nèi)時(shí)，平均滲氮速度為0.015～0.02mm/h；當(dāng)滲層深度在0.4～0.7mm以內(nèi)時(shí)，平均滲氮速度為0.005～0.015mm/h；滲層越深，滲速越慢。

4.1.5  冷卻方法

選擇：爐冷至小于200℃出爐空冷

4.1.6  冷卻介質(zhì)

選擇：氮?dú)狻⒖諝?/span>

4.1.7  熱處理后檢驗(yàn)方法

滲氮層深度的檢驗(yàn)：包化合物層和擴(kuò)散層。檢驗(yàn)方法為金相法、硬度法和斷口法。

滲氮層硬度檢測(cè)：由于滲氮層薄且硬度高，所以對(duì)表面硬度的檢查一般都采用維氏硬度計(jì)或表面洛氏硬度計(jì)。

滲氮層脆性檢測(cè)：按維氏硬度壓痕邊角碎裂程度分5級(jí)。應(yīng)在工件工作部位或隨爐試樣的表面檢驗(yàn)滲氮層脆性。

4.1.8  工藝曲線圖  

操作守則：滲氮件入爐前，應(yīng)仔細(xì)清理其表面，使之無(wú)氧化皮、油脂及其他污物，以免影響滲氮質(zhì)量；滲氮過(guò)程，要嚴(yán)格執(zhí)行安全守則。尤其注意：通氮后罐內(nèi)空氣未排凈前不得點(diǎn)火，否則極易引起爆炸。

4.2  材料的組織和性能

4.2.1  加熱到所制定的溫度后組織性能

正常溫度：奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈魇象w

加熱不足、加熱過(guò)高組織沒有發(fā)生改變

工件尺寸的影響： 零件尺寸厚大的表面冷卻速度快于心部，表面形成晶粒細(xì)小、心部晶粒較粗大，組織性能不均勻。

4.2.2  保溫時(shí)零件的組織性能的轉(zhuǎn)變

奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w

其表面是化合物層，在金相顯微鏡下顯白亮色，也稱為白亮層，主要為ε相；次層是在基體α相上彌散分布的γ＇相，呈現(xiàn)黑色；與中心回火索氏體有明顯交界處是γ＇＋α組織。

4.2.3  冷卻到室溫的組織性能：

表面滲氮層至心部組織為最表層為Fe_2-3N，隨后為白色脈狀合金氮化合物，次表面為擴(kuò)散層，基體為含氮索氏體，在0.35mm處分布有較粗的白色脈狀氮化物，心部組織為索氏體和少量沿晶分布的鐵素體。

4.2.4 產(chǎn)生缺陷預(yù)測(cè)及防護(hù)

a.滲氮層硬度低  一般是在分段滲氮第一階段保溫時(shí)，氨分解率偏高；滲氮溫度偏高；使用新的滲氮罐時(shí)未經(jīng)預(yù)滲氮。防止辦法是：嚴(yán)格控制氨分解率；經(jīng)常校正測(cè)溫儀表，嚴(yán)格控制滲氮工藝參數(shù)。

b.滲氮層脆性太大或易剝落  產(chǎn)生原因是氨分解率低；爐氣氮?jiǎng)莞撸煌说に嚥划?dāng)；工件有脫碳層。防治辦法是：嚴(yán)格控制操作工藝；按工藝操作；將氨氣分解率提高到70%以上，重新進(jìn)行退氮處理，以降低脆性；增大加工余量。

4.3  熱處理爐的設(shè)備

選擇：井式氣體滲氮爐  RN-140-6

表4.1   RN-140-6參數(shù)

4.4 熱處理中的掛件、裝具、夾具

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來(lái)源：豆丁網(wǎng)

整理：熱家網(wǎng)

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