金属材料工程专业
课程设计
T10钢的球化退火工艺设计
学院：化学与材料工程学院
专业：金属材料
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学号：
概述：
1.1热处理原理与工艺
热处理是对固态金属或合金采用适当方式加热、保温和冷却，
以获得所需要的组织结构与性能的加工方法。
金属热处理是机械制造
中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的
形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变
工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工
件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
热处理工艺一般包括
加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
1.2 退火工艺
退火定义
将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。
目的
是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。
退火工艺随目的之不同而有多种，如等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火
等等。
1．金属工具使用时因受热而失去原有的硬度。
2．把金属材料或工件加热到一定温度并持续一定时间后，使缓慢冷却。
退火可以减低金属硬度和脆性，增加可塑性。
也叫焖火。
1.3 球化退火
球化退火
只应用于钢的一种退火方法。
将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓冷下来。
目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。
具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。
对工具钢来说，这种组织是淬火前最好的原始组织。
球化退火的具体工艺
有：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。
工艺方案设计：
2.1 实验材料成分及特征
T10概述
T10碳素工具钢,强度及耐磨性均较T8和T9高,但热硬性低,淬透性不高且淬火变形大，晶粒细,在淬火加热时不易过热,仍能保持细晶粒组织;淬火后钢中有未溶的过剩碳化物,所以耐磨性高,用于制造具有锋利刀口和有少许韧性的工具。
适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。
T10碳素工具钢图片
特性：
T10是最常见的一种碳素工具钢，韧度适中，生产成本低，经热处理后硬度能达到60HRC以上，但是，此钢淬透性低，且耐热性差（250℃），在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。
韧性尚可，强度及耐磨性均较T7-T9高些，但热硬性低，淬透性仍然不高，淬火变形大。
适用范围：
这种钢应用较广，适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和剧烈冲击振动而需要一定的韧性及具有锋利刃口的各种工具，如车刀、刨刀、钻头、丝锥、扩孔刀具、螺丝板牙、铣刀手锯锯条、还可以制作冷镦模、冲模、拉丝模、铝合金用冷挤压凹模、纸品下料模、塑料成形模具、小尺寸冷切边模及冲孔模，低精度而形状简单的量具（如卡板等），也可用作不受较大冲击的耐磨零件等。
●交货状态：钢材以退火状态交货。
经双方协议，也可以不退火状态交货。
物理性能
化学成分：碳 C ：0.95～1.04 （Tχ，χ：碳的千分数）硅Si：≤0.35 锰Mn：≤0.40
硫S ：≤0.020
磷P ：≤0.030
铬Cr：允许残余含量≤0.25、≤0.10(制造铅浴淬火钢丝时)
镍Ni：允许残余含量≤0.20、≤0.12(制造铅浴淬火钢丝时)
铜Cu：允许残余含量≤0.30、≤0.20(制造铅浴淬火钢丝时)
注：允许残余含量Cr+Ni+Cu≤0.40(制造铅浴淬火钢丝时)
力学性能硬度：退火,≤197HB,压痕直径≥4.30mm;淬火,≥62HRC 热处理规范：试样淬火760～780℃,水冷
T10钢球化退火金相
2.2 T10钢的球化退火工艺参数制定
T10A钢是一种应用广泛的工具、量具、冷作模具钢，它具有高硬度、高强度、高耐磨性和淬火变形小等优点。
然而，由于其硬度值较高，难以进行切削加工，故在生产中用T10A钢制作冷镦凸模时极易出现崩刃、折断及淬火开裂等现象。
因此在实际的工业生产中，经常采用等温球化退火的方法来细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能，为淬火做好组织上的准备。
但常规的等温球化退火工艺方法，由于加热温度高、保温时间长、工艺复杂，使T10A钢中碳化物仍呈粗细不同、大小不一、分布不均的现象。
而它们是引起变形开裂的主要
原因，直接影响着产品的质量和使用性能，故进一步改善T10A钢的切削加工性能，预防开裂倾向已成为工业生产中亟待解决的问题。
2.2.2保温时间的确定
球化退火工艺有2种：普通（缓冷）球化退火和等温球化退火。
球化退火后得到的组织是粒状珠光体，其硬度在HB160-255左右，这组织在淬火加热时变形开裂的倾向小。
普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。
等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。
等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷，和普通球化退火相比，可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。
等温球化退火是将钢加热至Ac1以上20-30°C，保温2-4小时，再冷到Ar1以下20°C左右等温4-6小时；T10钢的加热温度是760-780°C，保温2-4小时，再冷到680°C，保温4-6小时，出炉空冷。
而缓冷球化退火是把钢加热到Ac1以上20-30°C，保温一定时间后，随炉缓冷至550°C左右，再空冷。
一般厂里都用等温球化退火，生产周期短，球化质量好。
工艺试验：
3.1设备选择
热处理设备的选择要从设备经济性、可靠性、配套性、安全性、安全性以及工厂的实际情况等来选择。
箱式电阻炉、洛氏硬度计、淬火用水槽、砂纸、金相显微镜、静拉伸试验机。
3.2预处理实验过程
1.材料截取及表面处理用砂轮切割机切100mm长，直径50mm的圆钢
2.材料的热处理
（1）选择3个Φ50×100mm的T10钢件标记为1、2、3。
（2）将1、2、3号钢件打磨制作金相，观察金相组织
3.打磨观察金相步骤
(1) 取样
(2)打磨：600﹟→800﹟→1200﹟
(3)抛光：抛光剂为金刚石抛光膏，直至试样表面无划痕。
(4)腐蚀:试样抛光面侵入侵蚀剂中，面呈暗灰色，用水冲洗。
(5)烘干：用热风吹干。
(6)显微摄影：用金相显微镜对抛光后腐蚀的表面进行拍照。
(7)打试样硬度
T10钢原始组织（网状渗碳体）×100
T10钢原始组织（网状渗碳体）×400
4.原始组织硬度为：52.8 HRC
5.网状渗碳体危害
由预处理实验过程可知T10的原始组织中存在网状渗碳体组织，我们知道组织中存在网状渗碳体结构危害会很大的，因为网状渗碳体硬而脆，使钢的塑性下降，使钢的塑性成型性变差，难
以加工，而球化退火改善组织的塑性和韧性，使化学成分均匀化，
去除残余应力，或得到预期的物理性能。
3.3实验过程
1.实验方法
2.设计工艺图
工艺图
处理方法 加热速度（℃/min ） 加热温度（℃） 保温时间
（h ）
冷却方式 普通球化退火 5 780 4
炉冷 等温球化退火 5 740 4 炉冷
普通（缓冷）球化退火
等温球化退火
时间t/min 加热 保湿时间 冷却
A C1 780℃ A 1
温度
T/℃
3.打磨观察金相步骤
(1) 取样
(2)打磨：600﹟→800﹟→1200﹟
(3)抛光：抛光剂为金刚石抛光膏，直至试样表面无划痕。
(4)腐蚀:试样抛光面侵入侵蚀剂中，面呈暗灰色，用水冲洗。
(5)烘干：用热风吹干。
(6)显微摄影：用金相显微镜对抛光后腐蚀的表面进行拍照。
(7)打试样硬度
T10钢普通球（缓冷）球化退火组织金相
其硬度为：38.2 HRC
T10钢等温球化退火组织金相
其硬度为：36.1HRC
结果与分析：
实验中我们发现球化退火后的组织不仅与温度有关还与零件的大小尺寸有关如下面两个图：
A图B图
在A图中我们可以发现球化的比较好，而在B图中我们发现有较多的又长又大的组织存在，此组织为沉淀状的珠光体，说明球化不完全，要想得到较好的球化处理就需要较长的保温时间，使渗碳体在珠光体中得到较好的球化，并且我们发现保温的时间较长或冷却存在等温冷却时硬度相对较低，并且我们知道化退火是淬火前的最好的一种组织。
同时，球化退火后，碳化物形态，、大及分布对钢材的工艺性能和使用性能影响很大。
如滚动轴承钢球化退火后的组织对成品的接触疲劳寿命有显著影响。
生产上要求对球化退火组织按标准进行检查和评级。
结论：
球化退火是不完全退火的一种特例，目的是将共析及过共析钢中的的片状碳化物转变为状碳化物，使之均匀分布于铁素体基体上。
碳化物由片状变为球状后有以下优点：硬度降低，使钢的可加工性得到改善；加热时球化碳化物溶入奥氏体较慢，奥氏体晶粒不容易长大，故有较宽的淬火温度范围；淬火后得到隐晶马氏体，残留奥氏体量较少，并保留一定量的细小均匀分布的球化碳化物，淬火开裂倾向性较小；塑性、韧性较好，冷成形加工得到改善。
球化退火主要用于碳含量高于0.6%的高碳工具钢及轴承钢
等，目的是改善可加工性，并为最终热处理做好组织准备。
有时为改善低中碳钢的冷成形性，也可采用球化退火。
实践表明，加热时奥氏体成份越不均匀，退火后越容易得到球化组织。
将过共析伪片状珠光体加热到略高于Ac温度短时间保湿后，得到奥氏体加未溶渗碳体。
此时，渗碳体已不是完整的片状，而是厚薄不平，凹凸不平，有些地方已经溶解断开。
延长保湿时间，这些未溶渗碳体将渐趋向于球化。
参考文献：
《金属材料学》、《热处理工程基础》。
