热处理工艺——钢的热处理举例处理

1、1 齿轮热处理齿轮热处理 轴承热处理轴承热处理 弹簧热处理弹簧热处理 工具热处理工具热处理 轴的热处理轴的热处理 基本思路：基本思路： 工作条件（载荷，环境）工作条件（载荷，环境） 失效形式失效形式 性能要求性能要求 材料材料 热处理工艺热处理工艺 u钢的热处理举例钢的热处理举例 2 3 1、工作条件、工作条件用于传递动力、改变方向或速度的重要零用于传递动力、改变方向或速度的重要零 件，受力情况复杂。件，受力情况复杂。 2、常见失效形式、常见失效形式 齿轮接触面磨损或齿面塑性变形（表面硬度不足）；齿轮接触面磨损或齿面塑性变形（表面硬度不足）； 齿轮面剥落（疲劳损坏、点蚀）；齿轮面剥落（疲劳损坏

2、、点蚀）； 断齿（强度低或超载）断齿（强度低或超载） 一一.齿轮热处理齿轮热处理 4 3.3.齿轮的技术要求齿轮的技术要求 齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能；齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能； 齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。 4.4.齿轮用钢齿轮用钢: :低、中碳低、中碳 轻载齿轮：轻载齿轮：45， 调质或正火调质或正火 中载齿轮：中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火调质，耐磨部位表面淬火 重载齿轮：重载齿轮：20Cr、20CrMnTi， 渗碳淬火渗碳淬火 高精度齿轮：高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质调质-渗氮渗氮 5 1 1）渗碳

3、齿轮）渗碳齿轮 材料：材料：20CrMnTi20CrMnTi、 20Cr20Cr、 30CrMnTiA30CrMnTiA等等 服役场合：高速重载（汽车齿轮）服役场合：高速重载（汽车齿轮） 下料下料锻造锻造正火正火 切削加工切削加工 渗碳渗碳 淬火淬火低温回火低温回火 5.齿轮热处理工艺齿轮热处理工艺 精加工精加工 掌握各热处理工序的目的，工艺，组织掌握各热处理工序的目的，工艺，组织 6 (1)(1)正火正火 细化晶粒；调整硬度，便于切削加工细化晶粒；调整硬度，便于切削加工 加热至加热至AcAc3 3+30+3050,50,空冷空冷, , 组织细珠光体组织细珠光体+(+(少量铁素体少量铁素体)

4、) (2)(2)渗碳渗碳 提高表面含碳量提高表面含碳量 920920930930保温保温3 39h 9h (3)(3)渗碳后淬火渗碳后淬火 获得马氏体，提高表面硬度获得马氏体，提高表面硬度 直接淬火或一次淬火直接淬火或一次淬火 表面：表面：高碳高碳M+ArM+Ar+ +碳化物碳化物, ,过渡层过渡层: :M+ArM+Ar, , 心部心部: :低碳低碳M+FM+F（少量）（少量） (4)(4)回火回火 消除淬火应力，低温消除淬火应力，低温200，MM回 回 下料下料锻造锻造正火正火 切削加工切削加工渗碳渗碳淬火淬火 低温回火低温回火精加工精加工 工艺路线工艺路线 7 20 CrMnTi 钢制造齿

5、轮的热处理工艺曲线钢制造齿轮的热处理工艺曲线 8 加工工艺路线加工工艺路线: 下料下料 锻造锻造 粗加工粗加工 半精加工半精加工 精车加工精车加工 及及 精磨精磨 2）中载齿轮（中碳钢）热处理（表面淬火）中载齿轮（中碳钢）热处理（表面淬火） 适用于适用于3555,40Cr,35CrMn,35CrMo,42SiMn等材料等材料 齿轮。齿轮。 正火正火 调质调质 表面淬火表面淬火 低温回火低温回火 9 (1)(1)正火正火( (或完全退火）或完全退火） 细化晶粒，调整硬度细化晶粒，调整硬度 加热至加热至AcAc3 3+30+3050,50,空冷空冷, , 细珠光体细珠光体+(+(少量铁素体少量铁素

6、体) ) (2)(2)调质热处理调质热处理 使心部具有良好强韧性使心部具有良好强韧性 加热至加热至AcAc3 3+30+305050后淬火后淬火+500+500600600高温回火高温回火, , 回火索氏体回火索氏体 (3)(3)表面感应淬火表面感应淬火( (表面火焰淬火表面火焰淬火) ) 提高表面硬度提高表面硬度 表面加热至表面加热至AcAc3 3+30+305050，心部没有加热。，心部没有加热。 淬火后淬火后表面表面获得马氏体获得马氏体+ +残余奥氏体残余奥氏体, , 过渡层过渡层马氏体马氏体+F+F残余奥氏体残余奥氏体, , 心部心部回火索氏体回火索氏体 (4)(4)低温回火低温回火

7、消除淬火应力，低温消除淬火应力，低温200，MM回 回 10 轻载齿轮：轻载齿轮：45， 调质或正火调质或正火 中载齿轮：中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火调质，耐磨部位表面淬火 重载齿轮：重载齿轮：20Cr、20CrMnTi， 渗碳淬火渗碳淬火 高精度齿轮：高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质渗氮调质渗氮 11 12 二、滚动轴承热处理 滚珠轴滚珠轴 承承 滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承 1、工作条件、工作条件 高载荷，交变应力高载荷，交变应力 高转速，一定冲击。高转速，一定冲击。 13 接触疲劳破坏接触疲劳破坏 2、失效形式、失效形式 14 塑性变形塑性变形 15 磨损

8、磨损 16 3 3、性能要求、性能要求: :（内外圈和滚动体）（内外圈和滚动体） v高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性; ; v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度; ; v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性; ; v尺寸稳定性尺寸稳定性 滚珠轴承滚珠轴承滚针轴承滚针轴承 滚柱轴承滚柱轴承 17 4 4、轴承用钢、轴承用钢: : G Cr15 含含Cr量量WCr 1.5 % 滚动轴承钢滚动轴承钢 高碳高碳, Wc = 0.951.15% 18 GCr15轴承钢制造轴承的工艺路线轴承钢制造轴承的工艺路线 锻造锻造 机加工机加工 球化退火球化退火 淬火淬火 + 冷处理冷处理 ( 60 80;1h )

9、低温回火低温回火 正火正火 磨削加工磨削加工 稳定化处理稳定化处理 ( 120 150；5 10h ) 19 5 5、热处理工艺、热处理工艺 预备热处理预备热处理: : 正火：正火：消除网状碳化物，细化晶粒消除网状碳化物，细化晶粒 球化退火：球化退火：降低硬度，提高韧性，为淬火组织准备降低硬度，提高韧性，为淬火组织准备 淬火淬火: :获得马氏体组织获得马氏体组织 810810860860（温度偏高），让（温度偏高），让CrCr尽量溶入尽量溶入A A， 又不致于导致晶粒粗大，又不致于导致晶粒粗大，A A含碳过高；油冷含碳过高；油冷 冷处理冷处理: :获得马氏体组织获得马氏体组织, ,减少减少Ar

10、Ar 低温回火低温回火: :消除残余应力，保持高硬度消除残余应力，保持高硬度. . 20 汽车板簧汽车板簧 扭转弹簧扭转弹簧 大型热卷弹簧 弹簧丝 21 三、弹簧热处理三、弹簧热处理 1 1、工作条件、工作条件 储存能量和减轻震动储存能量和减轻震动, ,主要承受拉力、压力、扭主要承受拉力、压力、扭 力、交变载荷；力、交变载荷； 2 2、失效形式：、失效形式： 疲劳断裂，永久变形疲劳断裂，永久变形 3 3、性能要求：、性能要求： 高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工 性能（塑性成型、热处理性能）性能（塑性成型、热处理性能） 4 4、常用材料、常用材

11、料 6565、65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢等中碳钢及中碳合金钢 22 5 5、热处理工艺、热处理工艺 （一）冷成形弹簧（小弹簧）（一）冷成形弹簧（小弹簧） 由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+ +回火的钢丝）回火的钢丝） 冷卷成弹簧，冷卷成弹簧， 只需进行去应力退火（加热温度只需进行去应力退火（加热温度250 250 300 300 ），以），以 消除变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。消除变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。 （二）热成形弹簧（二）热成形弹簧 采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧）采用热

12、轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧） 淬火淬火提高强度，提高强度， 中温回火中温回火消除应力，提高弹性极限。消除应力，提高弹性极限。 淬火温度淬火温度Ac3Ac3以上，回火温度以上，回火温度350 350 450 450 ， 组织：组织：回火屈氏体回火屈氏体 大型热卷弹簧 去应力退火去应力退火 淬火淬火+中温回火中温回火 （或采用等温淬火）（或采用等温淬火） 或采用等温淬火，得到贝氏体组织或采用等温淬火，得到贝氏体组织 23 （三）沉淀硬化处理（三）沉淀硬化处理 对于对于17-7PH(0Cr17Ni7Al)沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理状沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理状 态下成型的弹簧。主要工艺过程如下

13、：态下成型的弹簧。主要工艺过程如下： （1）固溶处理：固溶处理：奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织 （2）成型加工）成型加工 （3）调整热处理（或淬火处理）调整热处理（或淬火处理） 加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体+残余奥残余奥 氏体组织氏体组织 （4）深冷处理：深冷处理：使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳 马氏体（根据需要确定）马氏体（根据需要确定） （5）沉淀硬化处理沉淀硬化处理 在在480 550 保温保温1小时左右，使碳化物析出弥散强化。小时左右，使碳化物析出

14、弥散强化。 24 （四）弹簧的其它强化处理（四）弹簧的其它强化处理 （1 1）形变热处理）形变热处理 对于对于60Si2Mn60Si2Mn、55Si2Mn55Si2Mn等中碳钢具有较高的形变等中碳钢具有较高的形变 强化效果，因此这类弹簧适合于热成型强化效果，因此这类弹簧适合于热成型+ +淬火淬火+ +回火回火 （2 2）化学热处理）化学热处理 对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材 料，可以不改变弹簧整体强度、韧性和弹性极限情况料，可以不改变弹簧整体强度、韧性和弹性极限情况 下，化学渗提高弹簧表面硬度和疲劳强度。典型工艺下，化学渗提高弹簧表面硬度和

15、疲劳强度。典型工艺 热成型热成型加工加工+ +淬火淬火+ +回火回火-化学渗处理。化学渗处理。 （3 3）喷丸强化）喷丸强化 使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿 命命5 51010倍。倍。 25 （五）弹簧的稳定化处理（五）弹簧的稳定化处理 为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧 进行加荷、或机械稳定、或加温加荷处理，以保证进行加荷、或机械稳定、或加温加荷处理，以保证 弹簧在使用过程中弹性稳定。弹簧在使用过程中弹性稳定。 26 工具一般包括刃具、模具、量具工具一般包括刃具、模具、量具 常用钢包括：常用钢包括

16、： 碳素工具钢、碳素工具钢、 低合金工具钢、低合金工具钢、 高合金工具钢（高速钢等）高合金工具钢（高速钢等） 四四.工具热处理工具热处理 模具模具 量具量具 刃具刃具 成分特点：高碳成分特点：高碳 27 4.1 刃具热处理刃具热处理 l 性能要求性能要求 高硬度高硬度(HRC60) ：主要取决于含碳量。：主要取决于含碳量。 高耐磨性高耐磨性： 靠高硬度和析出细小均匀靠高硬度和析出细小均匀 硬碳化物来达到。硬碳化物来达到。 红硬性：红硬性：即高温下保持高硬度的能力即高温下保持高硬度的能力 足够的韧性：足够的韧性：以防止脆断和崩刃。以防止脆断和崩刃。 l 刃具用钢刃具用钢 碳素工具钢：碳素工具钢：

17、T7T7T12T12（0.70.71.2%C1.2%C） 木工凿木工凿 手锤手锤 28 T12T12钢正常淬火组织钢正常淬火组织 球状珠光体球状珠光体 碳工钢热处理及组织碳工钢热处理及组织 热处理：热处理：正火正火+ +球化退火球化退火+ +淬火淬火+ + 低温回火低温回火 球化退火目的：球化退火目的： 降低硬度，便于加工；降低硬度，便于加工； 为淬火作组织准备。为淬火作组织准备。 使用状态下的组织：使用状态下的组织： M M回 回+ +颗粒状碳化物 颗粒状碳化物+A+AR R( (少量少量) ) 29 低合金工具钢：低合金工具钢： CrWMn、9SiCr 热处理及组织同碳素工具钢，热处理及组

18、织同碳素工具钢， 只是淬火介质为油（碳工钢为水）。只是淬火介质为油（碳工钢为水）。 板牙板牙 丝锥丝锥 30 9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线 板牙板牙 31 W18Cr4V的生产工艺及热处理 铸造铸造 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+三次高温回火三次高温回火 磨削加工磨削加工 高合金刃具钢：（高速钢）高合金刃具钢：（高速钢） W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2 32 W18Cr4V铸态组织铸态组织 420 铸造铸造:高速钢属于高速钢属于莱氏体莱氏体钢钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状铸态组织中含有大量呈鱼骨状 分布的粗大共晶碳化物分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下

19、降。钢的韧性大幅下降。 33 锻造锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理（正火）来消除鱼骨状碳化物不能用热处理（正火）来消除, 只能依靠反复多次锻打来击碎。只能依靠反复多次锻打来击碎。 W18Cr4V锻造组织锻造组织 210 34 W18Cr4V球化退火组织球化退火组织 420 球化退火球化退火:消除应力消除应力, 降低硬度，便于机加工降低硬度，便于机加工, 调整组织调整组织,为淬火作好组织准备。为淬火作好组织准备。 球化退火后的组织球化退火后的组织 : S + 粒状粒状 Cm 球化退火温度球化退火温度830880 易于机械加工。易于机械加工。 35 淬火淬火 : : 1200120013001300

20、 淬火后的组织淬火后的组织: :M+Cm+AM+Cm+AR R(20(2025%)25%) （温度高）（温度高） 让让C和和Me充分溶入充分溶入A，淬火后得到高合金马，淬火后得到高合金马 氏体高温回火时产生二次硬化效应，提高硬度提氏体高温回火时产生二次硬化效应，提高硬度提 高红硬性高红硬性 高速钢淬火温度高的原因高速钢淬火温度高的原因 36 三次高温回火三次高温回火 在在560560回火时回火时 , , 产生二次硬化产生二次硬化多次回火多次回火, ,获得更多获得更多 碳化物析出让残余奥氏体转变。碳化物析出让残余奥氏体转变。 回火组织：回火组织： S回 回+碳化物 碳化物+Ar ( 1 2 %

21、) * *淬火后淬火后A A残约残约202025 %25 %。 * *第一次回火第一次回火后后A A残约剩残约剩151518 %18 %。 * *第二次回火第二次回火后后A A残约剩残约剩3 35 %5 %。 * *第三次回火第三次回火后后A A残约剩残约剩1 12 %2 %。 组织硬度组织硬度为为HRC65HRC65以上。以上。 37 W18Cr4V钢的热处理过程示意图 进展进展:现在对这种热处理工艺还不满意现在对这种热处理工艺还不满意,对高速钢淬火对高速钢淬火+回回 火后火后,再进行再进行TiN沉积沉积 38 4.2 冷作模具热处理冷作模具热处理 v 性能要求性能要求: : 高硬度（高硬度

22、（HRC50HRC506060）；）； 高耐磨性、强度和韧性；高耐磨性、强度和韧性； 热处理变形小热处理变形小; ; 汽车冲压模具汽车冲压模具 v 应用应用: : 冷冲模、冷镦模、冷冲模、冷镦模、 冷挤模、搓丝板等冷挤模、搓丝板等 v 冷作模具用钢冷作模具用钢: : 碳素工具钢：碳素工具钢：T7T7T8T8 低合金工具钢：低合金工具钢： 9SiCr9SiCr、9Mn2V9Mn2V、CrWMnCrWMn或或GCr15GCr15 高合金工具钢：高合金工具钢： Cr12、Cr12MoV（ C1.4%2.3%、 Cr11%12%） 39 Cr12型冷作模具钢的热处理型冷作模具钢的热处理 （ C1.4%

23、2.3%、Cr11%12%） 球化退火 冷作模具钢铸态组织极不均匀,含有大量共晶碳化物， 需反复锻打后退火处理。 球化退火温度830880，获得细化碳化物+珠光体组 织，易于机械加工。 淬火+回火 一次硬化法： 较低温度淬火（980）低温回火 回火组织为M回+碳化物+Ar 二次硬化法： 较高温度淬火（1050）23次高温回火 回火组织为S回+碳化物+Ar(少量） 40 4.3 热作模具热处理热作模具热处理 v 性能要求性能要求: : v 应用应用: : v 热作模具用钢热作模具用钢: : 使热金属或液态金属成型的模具，使热金属或液态金属成型的模具， 包括热锻模、热挤压模和压铸模等。包括热锻模、

24、热挤压模和压铸模等。 高的热硬性、高温耐磨性高的热硬性、高温耐磨性; 高的热强性和足够高的韧性高的热强性和足够高的韧性; 高的热疲劳抗力和导热性高的热疲劳抗力和导热性; 中碳中碳 0.30.6 %; 热变形模具钢，热变形模具钢，5CrNiMo、5CrMnMo 压铸模具，压铸模具，3Cr2W8V 41 曲轴模具曲轴模具 5 CrMnMo热处理热处理: 热处理工艺热处理工艺: 完全退火完全退火 淬火淬火 550回火回火 热处理后的组织热处理后的组织: S回回 42 3 Cr2W8V钢热处理钢热处理: 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 550三次回火三次回火 回火时二次硬化现象回火时二次硬化现象

25、HRC47 43 4.4 量具热处理量具热处理 v 性能要求性能要求: : v 量具用钢量具用钢: : 高的硬度（高的硬度（HRC62）和耐磨性，）和耐磨性， 热处理变形小、尺寸稳定，保证热处理变形小、尺寸稳定，保证 尺寸精度。尺寸精度。 卡卡 尺尺 量量 规规 千分尺千分尺 碳素工具钢：碳素工具钢：T8T12 低合金工具钢：低合金工具钢： 淬透性高，用于精度要求较高的量具。淬透性高，用于精度要求较高的量具。 CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr 44 千分千分 尺尺 卡尺卡尺 特点特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。 下限温度淬火及冷处理，目的是减少下限温度淬火及冷处理，目的