T12钢热处理工艺要点.docx
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T12钢热处理工艺要点
金属材料与热处理技术课程设计
题目：
T12钢热处理工艺课程设计
院（系）：
冶金材料系
专业年级：
材料1201
负责人：
陈博
唐磊，杨亚西，
合作者：
谭平，潘佳伟，多杰仁青
******
2013年12月
热处理工艺课程设计任务书
系部
冶金材料系
专业
金属材料与热处理技术
学生姓名
陈博，杨亚西，唐磊，谭平，多杰仁青，潘佳伟
课程设计题目
T12
设计任务：
1，课程设计的目的：
为了使我们更好地了解碳素工具钢的性能及其热处理工艺流程。
培养学生综合运用所学的热处理课程的知识去解决工程问题的能力，并使其所学知识得到巩固和发展。
学习热处理工艺设计的一般方法，热处理设备选用和装夹具设计等进行热处理设计的基础技能训练。
2.课程设计的任务分组（碳素工具钢T12）
①：
锉刀的热处理工艺（唐磊）
②：
热处理后的组织金相分析（陈博）
③：
淬火（潘佳伟）
④：
回火（多杰仁青）
⑤：
局部淬火（谭平）
⑥：
缺陷分析（杨亚西）
3.课程设计的内容：
T12钢热处理工艺设计流程
4参考文献：
【1】詹艳然，吴乐尧，王仲仁．金属体积成形过程中温度场的分析．塑性工程学报，2001，8（4）
【2】叶卫平，张覃轶．热处理实用数据速查手册．机械工业出版社．2005，59---60
【3】许天己钢铁热处理实用技术．化学工业出版社2005，134"～136
设计进度安排：
第一周周一~周二钢的普通热处理工艺设计理论学习
周三~周五分组进行典型金属材料的热处理工艺设计
第二周周一~周三撰写设计说明书
周四~周五答辩
指导教师（签字）：
年月日
热处理工艺卡
热处理工艺卡
材料牌号
T12
零件重量
锉刀
400g
工艺路线
热轧钢板冲压下料——退火——校直——铣或刨侧面——粗磨——半精磨——剁齿——淬火加回火。
技术条件
检验方法
硬度
HRC60-62，HB≤207
洛氏硬度计，布氏硬度计
金相组织
珠光体，马氏体和渗碳体
金相观察
力学性能
硬度：
退火，≤207HB，压痕直径≥4.20mm；淬火：
≥62HRC
布氏法，洛氏法
工序号
工序名称
设备
装炉方式及数量
加热温度℃
保温时min
冷却
介质
温度
℃
冷却时间
min
1
预热
加热炉
-
550-650
加热时间的5-6倍
-
-
-
2
球化退火
退火炉
-
760-770
2-4h
空气
550-600
4h
3
淬火
保护气氛炉
-
770-780
-
水
150-200
10
4
低温回火
回火炉
-
160-180
0.75-1h
空气
150
60
编制人
陈博
编制日期
2013.12.11
审核日期
基本资料............................................................4
工艺规范............................................................5
T12锉刀热处理......................................................6
1锉刀材料的选择...................................................6
2锉刀的热处理工艺.................................................6
2.1球化退火的具体工艺..............................................6
2.2T12钢制锉刀，其工艺路线如下：
..................................6
2.3淬火............................................................7
2.4回火............................................................8
2.5局部淬火......................................................9
3热处理后组织金相分析............................................9
4质量检验........................................................14
5缺陷分析.........................................................15
参考文献...........................................................16
序号
牌号
化学成分
C
Mn
Si
S
P
不大于
1
T7
0.65-0.74
≤0.40
≤0.35
0.030
0.035
2
T8
0.75-0.84
3
T8Mn
0.80-0.90
0.40-0.60
4
T9
0.85-0.94
≤0.40
5
T10
0.95-1.04
6
T11
1.05-1.14
7
T12
1.15-1.24
8
T13
1.25-1.35
表1、碳素工具钢化学成分
工艺规范
1、临界点温度（近似值）
Ac1=730°C、,Accm=820°C、Ar1=700°C
2、正火规范
正火温度850~870°c,空冷,硬度269~341HBW
3、普通退火规范
退火温度760~770°C,保温2~4h,再以<30°C/h冷速,随炉缓冷到500~600°C,出炉空冷。
4、等温球化退火规范
1）760~770°C×2~4h,680~700°C×4~6h,等温后炉冷到500~600°C,出炉空冷,硬度≤207HBW
2）750~770°C×1~2h,680~700°C×2--3h,硬度179~207HBW,珠光体组织2~4级,网状碳化物等级≤2级。
5、调质处理规范
淬火温度800~820°C,油冷;回火温度640~680°C,保温时间2~3h,球化级别：
3~5级,硬度183~207HBW。
6、普通淬火、回火规范
淬火温度760~780°C,水冷、⽔油双液冷却或碱浴冷却.硬度≤62HRC,回火温度（180±10）°C。
7、薄片切断刀微变形处理
1）调质处理:
760~770°C×4.25min淬入三硝水介质,600~610°C×1h空冷回火。
2）最终热处理:
850~860°C×80s淬三硝水2~3s后,入硝盐180~190°C×4min空冷,270~280°c×1h空冷,硬度56~57HRC.
T12钢的物理性能
T12锉刀热处理
1锉刀材料的选择据上面的分析得知锉刀的材料选用必须具备高硬度、高耐磨性和足够的韧性，故应选择T11或T12钢。
2锉刀的热处理工艺路线：
热轧钢板（带）下料——锻（轧）柄部——球化退火——机加工——淬火——低温回火
2.1球化退火的具体工艺①普通（缓冷）球化退火，缓冷适用于多数钢种，尤其是装炉量大时，操作比较方便，但生产周期长；②等温球化退火，适用于多数钢种，特别是
难于球化的钢以及球化质量要求高的钢（如滚动轴承钢）；其生产周期比普通球化退火短，不过需要有能够控制共析转变前冷却速率的炉子；③周期球化退火，适用于原始组织为片层状珠光体组织的钢，其生产周期也比普通球化退火短，不过在设备装炉量大的条件下，很难按控制要求改变温度，故在生产中未广泛采用；④低温球化退火，
适用于经过冷形变加工的钢以及淬火硬化过的钢（后者通常称为高温软化回火）；⑤形变球化退火，形变加工对球化有加速作用,将形变加工与球化结合起来,
可缩短球化时间。
它适用于冷、热形变成形的钢件和钢材（如带材）是在Acm或Ac3与Ac1之间进行短时间、大形变量的热形变加工者；或是在常温先予以形变加工者；也可以是利用锻造余热进行球化者）。
球化退火：
将毛坯加热到760-770℃，保温2-4h然后以30-50℃／h的速度冷却到550-600℃出炉后空冷，处理后组织为球化体，硬度为180-200HB。
淬火温度为770-780℃，可用盐溶液、高频感应加热或在保护气氛炉中加热，以防止表面脱碳和氧化。
加热后水冷，由于锉刀柄部要求较低，在淬火时先将齿部放在水中冷却，待柄部颜色变成暗红色时才全部倾入水中。
当锉刀冷却到150-200℃时，提出水面。
木锤校直。
低温回火：
温度为160-180℃，事时间0.75-1h，空冷。
成品板锉表面刃部硬度64-67HRC，柄部＜35HRC
2.2T12钢制锉刀，其工艺路线如下：
锻造——热处理——机加工——热处理——精加工。
锉刀由T12锻成，然后退火磨削校正，经剁锉机剁出锉齿后在淬火，硬度一般62-67HRC。
预热：
为了减少锉刀加热时内部产生应力，使之弯曲小和防止裂纹，对锉刀在加热之前要进行预热以达到以上目的。
预热温度为550～650℃，时间为加热时间的5—6倍。
锻后热处理也叫退火得到的是球化珠光体组织，硬度一般为机械加工能够加工的动的范围，机加工后的热处理叫淬火+回火，一般采用较低的温度回火，得到的是回火马氏体+碳化物，硬度较高T12钢780℃水淬、低温回火后为回火马氏体和碳化物.
锻造后，晶粒破碎，硬度强度增大。
第一次热处理应该为退火。
目的：
降低材料的硬度，使组织均匀，利于机械加工，此时的组织为铁素体加渗碳体的机械混合物。
HRC不会超过30。
第二次热处理后，对于锉刀，其硬度应该大于50HRC，同时保证材料的耐磨性。
此时组织为马氏体和少量的奥氏体。
淬火温度760－780，回火温度16－180，回火后硬度大于HRC60T12是碳素工具钢，含碳量1.2％
退火：
（图8）放煤气炉上面烧到红色，然后关掉炉子，把刀子放在炉子上冷却，或者空气冷却也可以
退火的目的：
主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。
2.3淬火：
（图6、图7）放煤气炉上面烧到亮红色（稍微有点泛白），然后迅速拿出，刀尖向下垂直插入油中，保持一段时间，取出，然后迅速回火
淬火的目的：
使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。
淬火裂纹的特征在淬火过程中，当淬火产生的巨大应力大于材料本身的强度并超过塑性变形极限时，便会导致裂纹产生。
淬火裂纹往往是在马氏体转变开始进行后不久产生的，裂纹的分布则没有一定的规律，但一般容易在工件的尖角、截面突变处形成。
在显微镜下观察到的淬火开裂，可能是沿晶开裂，也可能是穿晶开裂；有的呈放射状，也有的呈单独线条状或呈网状。
因在马氏体转变区的冷却过快而引起的淬火裂纹，往往是穿晶分布，而且裂纹较直，周围没有分枝的小裂纹。
因淬火加热温度过高而引起的淬火裂纹，都是沿晶分布，裂纹尾端尖细，并呈现过热特征：
结构钢中可观察到粗针状马氏体；工具钢中可观察到共晶或角状碳化物。
表面脱碳的高碳钢工件，淬火后容易形成网状裂纹。
这是因为，表面脱碳层在淬火冷却时的体积胀比未脱碳的心部小，表面材料受心部膨胀的作用而被拉裂呈网状。
非淬火裂纹的特征淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。
淬火冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。
与此相对应的温度，大约在250℃以下。
在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。
所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹。
如果裂纹在淬火前已经存在，又不与表面相通，这样的内部裂纹虽不会产生氧化脱碳，但裂纹的线条显得柔软，尾端圆秃，也容易与淬火裂纹的线条刚健有力，尾端尖细的特征区别开来。
分析当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。
随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁索体晶粒开始生核。
当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。
由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体。
2.4回火：
（图9）炉子开小火焰，锉刀不要靠火焰太近，最好是用砂纸将刚淬火后的刀子磨出一些金属本色，在回火的时候掌握不要让刀子变蓝色就可以
回火的目的：
主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。
回火脆性：
是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。
淬火钢在回火时，随着回
火温度的升高，硬度降低，韧性升高，但是在许多钢的回火温度与冲击韧性的关系曲线中出现了两个低谷，一个在200~400℃之间，另一个在450~650℃之间。
随回火温度的升高，冲击韧性反而下降的现象，回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。
第一类回火脆性第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，低温回火脆性，主要发生在回火温度为250～400℃时。
特征
（1）具有不可逆性；
（2）与回火后的冷却速度无关；（3）断口为沿晶脆性断口。
1、产生的原因三种观点：
（1）残余A转变理论2）碳化物析出理论（3）杂质偏聚理论
2、防止方法无法消除,不在这个温度范围内回火，没有能够有效抑制产生这种回火脆性的合金元素
（1）降低钢中杂质元素的含量；
（2）用Al脱氧或加入Nb、V、Ti等合金元素细化A晶粒；（3）加入Mo、W等可以减轻；（4）加入Cr、Si调整温度范围（推向高温）；（5）采用等温淬火代替淬火回火工艺。
第二类回火脆性第二类回火脆性又称可逆回火脆性，高温回火脆性。
发生的温度在400～650℃，特征
（1）具有可逆性；
（2）与回火后的冷却速度有关；回火保温后，缓冷出现，快冷不出现，出现脆化后可重新加热后快冷消除。
（3）与组织状态无关，但以M的脆化倾向大；（4）在脆化区内回火，回火后脆化与冷却速度无关；（5）断口为沿晶脆性断口。
3、影响第二类回火脆性的因素
（1）化学成分
（2）A晶粒大小（3）热处理后的硬度4、产生的机理出现回火脆性时，Ni、Cr、Sb、Sn、P等都向原A晶界偏聚，都集中在2~3个原子厚度的晶界上，回火脆性随杂质元素的增多而增大。
Ni、Cr不仅自身偏聚，而且促进杂质元素的偏聚。
（2）淬火未回火或回火未经脆化处理的，均未发现合金元素及杂质元素的偏聚现象。
（3）合金元素Mo能抑制杂质元素向A晶界的偏聚，而且自身也不偏聚。
以上说明：
Sb、Sn、P等杂质元素向原A晶界偏聚是产生第二类回火脆性的主要原因，而Ni、Cr不仅促进杂质元素的偏聚，且本身也偏聚，从而降低了晶界的断裂强度，产生回火脆性
5、防止方法
（1）提高钢材的纯度，尽量减少杂质；
（2）加入适量的Mo、W等有益的合金元素；（3）对尺寸小、形状简单的零件，采用回火后快冷的方法；（4）采用亚温淬火（A1~A3）：
细化晶粒，减少偏聚。
加热后为A+F（F为细条状），杂质会在F中富集，且F溶解杂质元素的能力较大，可抑制杂质元素向A晶界偏聚。
（5）采用高温形变热处理，使晶粒超细化，晶界面积增大，降低杂质元素偏聚的浓度。
2.5局部淬火：
淬火的时候把前面的油换成很浅的水（5mm左右），下水的时候刀刃向下，注意一点，淬水以后一定马上回火，否则易开裂（a）在水中淬火图2为试样在900℃和800℃以10s¹应变速率经30%变形后立即水淬的显微组织，给出了试样心部和边部形貌。
可以看出试样心部和边部组织有一定差异。
如图2的（a）和（b），试样在900℃变形，边部基本上为马氏体/贝氏体，只有少量的先共析铁素体组织在原奥氏体晶界处析出；心部的铁素体量有所增加。
当变形温度为800℃时，如图2（c）、（d），组织结构同900℃时没有较大差别，边部的铁素体量比心部铁素体量增多。
低碳碳素钢变形在水中淬火后析出的先共析铁素体基本上为魏氏组织型铁素体，且沿原奥氏体晶界析出。
图2试样在900℃和800℃以10s¹应变速率经30%变形后立即水淬的显微组织当温度为800℃时，无论是边部和心部其先共析的铁素体量都比900℃时多，而且晶粒尺寸都明显增大。
亚共析钢在连续冷却过程中，如果冷却速度低于铁素体析出的临界冷却速度，将会发生从奥氏体中析出先共析铁素体的相变。
在水中淬火，即使是在试样的边部仍然有先共析的铁素体出现，说明冷却速度较低，碳素钢在水中的淬透性较差。
（b）在干冰酒精溶液中淬火图3为试样在900℃和800℃以10s¹应变速率经30%变形后立即淬火的显微组织，淬火介质为-60℃的干冰酒精溶液。
试样心部和边部的组织有明显差别，为铁素体和珠光体混合组织。
但当变形温度为900℃时，如图3（a），铁素体为等轴状且晶粒尺寸较大，珠光体含量多而且珠光体团尺寸大；变形温度降低，如图3（b），铁素体由等轴化逐渐变成拉长且晶粒尺寸减小，珠光体尺寸和含量都明显减少。
从图3中可见，与在水中淬火相比，虽然干冰酒精溶液温度很低（-60℃）但试样在其中的冷却速度却极低，高温的奥氏体组织全部转变成铁素体-珠光体组织，对研究低碳碳素钢在变形诱导铁素体相变过程中组织演变十分不利。
图3试样在900℃和800℃以10s¹应变速率经30%变形后立即淬火的显微组织
（c）在冰盐水中淬火图4为试样在900℃以10s¹应变速率30%变形后立即放入含有50%NaCl的冰盐水中淬火的显微组织，给出了试样边部、距边部1/2处和心部的形貌，试样经变形后厚度为10.5mm。
可以看出试样心部和边部组织差距较大。
试样边部全部为马氏体/贝氏体组织，没有先共析铁素体析出；距边距1/2处组织基本上为马氏体/贝氏体组织，有少量先共析铁素体形成；心部组织中铁素体含量略有增加。
先共析铁素体基本上为魏氏组织型铁素体和少量块状铁素体，且沿原奥氏体晶界析出。
比较图2和图3可发现，低碳铁素体钢在盐水中淬透性增加，钢在盐水中的冷却速度比在水中几乎可提高两倍。
边部的冷却速度快，淬火后可得到全部的淬火组织，即使在心部冷却速度降低，先共析铁素体的含量和晶粒尺寸都减小。
不仅淬火介质对钢的淬透性有很大的影响，试样的尺寸效应对冷却速度影响也很大。
其他变形条件相同，变形量增大70%，试样经变形后厚度为4.5mm，
图5给出了试样边部和心部的形貌。
试样的心部大部分为淬火态的马氏体/贝氏体板条状组织，在试样的心部大部分为淬火的马氏体/贝氏体板条状组织，只有极少量铁素体形成，而且铁素体的形貌发生变化。
粗大的魏氏组织明显减少，铁素体晶粒尺寸很小。
比较图4和5的组织状态可以发现，当变形量小的时候，其式样的尺寸较大，则淬火是冷却速度降低，在边部能够得到淬火后的组织，把高温的组织保留下来，但心部的冷却速度不够，所以仍然有较多的且尺寸较大的先共析铁素体析出。
若变形量提高，试样尺寸减小，则淬火时冷却速度加快，在边部能够得到淬火后的组织，把高温的奥氏体组织保留下来，心部冷却速度也增大，先共析铁素体量明显减少。
图4试样在900℃以10s¹应变速率30%变形后放入冰盐水中的淬火显微组织
图5900℃以10s¹应变速率70%变形在冰盐水中淬火的显微组织
（a）边部（b）心部
3热处理后组织金相分析淬火后组织说明：
加热到830℃，在160℃硝盐中停留2分钟后空冷，得到淬火马氏体碳化物以及残余奥氏体。
针状马氏体呈竹叶状或凸透镜状，在空间形似铁饼。
针状马氏体之间通常互成60°或120°角，一般限制在奥氏体晶粒内，最初形成的马氏体针贯穿奥氏体晶粒，后形成的马氏体较短，先形成的马氏体较易浸蚀。
所以完全转变的马氏体为大小不同，分布不规则，颜色深浅不一的针状组织。
退火后组织说明：
珠光体
珠光体的性能介于铁素体和渗碳体之间,强韧性较好.其抗拉强度为750~900MPa,180~280HBS,伸长率为20~25%,冲击功为24~32J.力学性能介于铁素体与渗碳体之间,强度较高,硬度适中,塑性和韧性较好σb=770MPa,180HBS,δ=20%~35%,AKU=24~32J）。
经2-4%硝酸酒精溶液浸蚀后,在不同放大倍数的显微镜下可以观察到不同特征的珠光体组织.当放大倍数较高时可以清晰地看到珠光体中平行排列分布的宽条铁素体和窄条渗碳体;当放大倍数较低时,珠光体中的渗碳体只能看到一条黑线;而当放大倍数继续降低或珠光体变细时,珠光体的层片状结构就不能分辨了,此时珠光体呈黑色的一团。
回火组织说明：
索氏体
回火索氏体的定义及组织特征。
回火索氏体（temperedsorbite）是马氏体于回火时形成的，在在光学金相显微镜下放大500~600倍以上才能分辨出来，其为铁素体基体内分布着碳化物（包括渗碳体）球粒的复合组织。
它也是马氏体的一种回火组织，是铁素体与粒状碳化物的混合物。
此时的铁素体已基本无碳的过饱和度，碳化物也为稳定型碳化物。
常温下是一种平衡组织。
4质量检验
检验内容及方法
硬度先以标准块校对硬度计，确认后方可进行测试硬度。
检验硬度前，应将零件表面清理干净，去除氧化皮，脱碳层及毛刺等且表面不应有明显的机加工痕迹，被测零件的温度以室温为准，或略高于室温但以人手能稳稳抓住为限。
淬火部位检查硬度不少于1处，每处不少于3点，不均匀度应在要求的范围内。
一般的正火、退火件、调质件采用布氏硬度计检验。
对于尺寸较大者可用锤击式硬度检验，淬火件用洛氏硬度计检验。
对于尺寸较大者，允许用肖氏硬度计代替。
渗碳或硬化层较薄的零件，用维化硬度计检验。
当使用锉刀检验零件硬度时，必须注意锉痕的位置，应不影响零件的最后硬度。
有色金属检验以布氏、HRB为宜。
选择加载负荷时，应以零件的具体要求，被测部位的大小、厚薄等作为选择依据，要求换算精度要高、要准确。
2）变形板挫在检验平台上用塞尺检验其不平度。
3）外观经热处理后，均应用肉眼或低度放大镜观察其表面有无裂纹、烧伤、碰伤、麻点、锈蚀等。
对重要零件或易产生裂纹的零件，应用探伤或浸煤油喷沙等手段检查。
a）金相
b）材料
c）对材料发生怀疑时，可送理化室用看谱镜（光谱仪）或采用磨火花的方式等检验材料是否与图纸规定相符。
原材料的检验按有关规定进行。
缺陷分析
产生原因
采取措施
过热和过烧
1.淬火温度过高或保温时间过长温度控制不准2.原材料碳化物偏析严重，局部含碳量过高3.淬火加热过程中表面产生增碳或脱碳
1.严格执行热处理工艺要求2.加强对原材料的质量检验3.过热零件进行返工后再重新淬火，过烧的全部报废
变形和开裂
1.加热速度快温度不均匀2.加热温度高或保温时间长3.原材料的碳化物呈带状或网状，造成合金元素偏析严重
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