热处理工艺课件

1、第三章第三章 钢的热处理工艺钢的热处理工艺热处理方法热处理方法热处理热处理普通热处理普通热处理表面热处理表面热处理特殊热处理特殊热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理火焰加热火焰加热感应加热感应加热渗碳渗碳氮化氮化碳氮共渗碳氮共渗其他其他形变形变真空真空其他其他美国热处理技术发展路线图美国热处理技术发展路线图美国能源部美国能源部(DOE) (DOE) 、金属学会的热处理学会、金属学会的热处理学会(ASM2HTS)(ASM2HTS)和和热处理协会热处理协会(HTI)(HTI)从从19971997年开始花了年开始花了7 7年时间的筹备年时间的筹备, ,于于200

2、42004年正式公布的美国热处理技术发展路线图年正式公布的美国热处理技术发展路线图( heat ( heat treating technology roadmapupdate22004 HTS treating technology roadmapupdate22004 HTS revision),revision),其目的是为了提高热处理的生产技术水平和其目的是为了提高热处理的生产技术水平和经济效益经济效益, , 所以路线图初稿所以路线图初稿(1997) (1997) 特别标明是针对热处特别标明是针对热处理加工企业理加工企业( roadmapworkshop)( roadmapworksh

3、op)的。的。20202020年要实现的目标年要实现的目标, ,即节约即节约80%80%的能源的能源, ,工艺周期缩短工艺周期缩短50% ,50% ,生产成本降低生产成本降低75% ,75% ,热处理炉使用寿命提高热处理炉使用寿命提高1010倍倍, ,炉炉子价格降低子价格降低50% ,50% ,热处理件零畸变热处理件零畸变, ,零质量分散度零质量分散度, ,企业利企业利润率保持润率保持25%25%以上以上, ,和用户保持和用户保持1010年以上的固定协作关系年以上的固定协作关系, ,热处理生产零排放热处理生产零排放, ,炉衬厚度减少一半炉衬厚度减少一半, ,隔热能力提高一隔热能力提高一倍。倍。

4、我国热处理现状我国的热处理行业是随着机械制造业的发展而发展起我国的热处理行业是随着机械制造业的发展而发展起来的。来的。19491949年以前年以前, ,由于连年战乱由于连年战乱, ,除了少数军工企业外除了少数军工企业外, ,基本基本上没有机械制造业上没有机械制造业, ,当然也就不存在热处理行业。当然也就不存在热处理行业。19491949年以后年以后, ,随着工业建设的发展随着工业建设的发展, ,在前苏联援建的大在前苏联援建的大型机械制造工厂中出现了现代化的热处理车间型机械制造工厂中出现了现代化的热处理车间, ,最有代最有代表性的就是长春一汽和洛阳拖拉机厂的热处理车间。表性的就是长春一汽和洛阳拖

5、拉机厂的热处理车间。改革开放以来改革开放以来, ,随着机械制造业的蓬勃发展随着机械制造业的蓬勃发展, ,热处理行热处理行业也得到了迅猛发展业也得到了迅猛发展, ,大厂的热处理车间得到了更新改大厂的热处理车间得到了更新改造造, ,小型热处理专业厂如雨后春笋遍地开花小型热处理专业厂如雨后春笋遍地开花, ,还出现了还出现了设备先进、资金雄厚、管理严格的外资专业热处理厂设备先进、资金雄厚、管理严格的外资专业热处理厂, ,使得我国热处理水平有了很大提高。但是令人遗憾的使得我国热处理水平有了很大提高。但是令人遗憾的是我国热处理行业还存在许多问题是我国热处理行业还存在许多问题, ,严重制约了我国机严重制约了

6、我国机械制造产品质量的提高。械制造产品质量的提高。1) 1) 重数量、轻质量的错误思想至今存在重数量、轻质量的错误思想至今存在, ,致使热处理至今没有得到致使热处理至今没有得到应有的重视应有的重视; ;2) 2) 钢料市场混乱、质量欠佳且极不稳定钢料市场混乱、质量欠佳且极不稳定, ,导致热处理质量难以控制导致热处理质量难以控制; ;3) 3) 采取牺牲质量来降低成本以提高竞争能力的恶性竞争导致质量采取牺牲质量来降低成本以提高竞争能力的恶性竞争导致质量滑坡滑坡; ;4) 4) 许多小热处理专业厂的设备十分落后许多小热处理专业厂的设备十分落后, ,致使热处理质量差、排污、致使热处理质量差、排污、能

7、耗居高不下能耗居高不下; ;5) 5) 重材料、轻热处理重材料、轻热处理, ,导致全国导致全国100100多个金属材料热处理专业中的多个金属材料热处理专业中的绝大部分均改以材料为主绝大部分均改以材料为主, ,大大减少了热处理专业的毕业生人数大大减少了热处理专业的毕业生人数; ;6) 6) 重金融、重管理重金融、重管理, ,轻生产轻生产, ,导致生产一线的技术人员大量流失。导致生产一线的技术人员大量流失。据初步了解据初步了解, ,一流大学热处理专业毕业生大部分去了国外一流大学热处理专业毕业生大部分去了国外, ,二流大学二流大学热处理专业也只有热处理专业也只有20%20%的毕业生在从事热处理技术工

8、作的毕业生在从事热处理技术工作, ,其他的都改其他的都改了行了行, ,结果导致热处理技术人才奇缺结果导致热处理技术人才奇缺; ;7) 7) 热处理技术乏人开发热处理技术乏人开发, ,工厂缺乏开发新技术的意识工厂缺乏开发新技术的意识, ,高校及研究高校及研究机构大多转向新材料的研究机构大多转向新材料的研究, ,开发热处理新技术的经费无从落实开发热处理新技术的经费无从落实, ,热热处理新技术方面的研究课题很难得到国家资助。处理新技术方面的研究课题很难得到国家资助。我国急需解决的热处理技术问题1) 节能问题。在美国的发展规划中提出:“能源消耗减少80% ”,这确实是一个惊人的指标。目前美国的热处理能

9、耗是400 kWh / t,如减少80% ,就得降至80 kWh / t,这令人很难想象。目前我国的热处理能耗较美国高1倍,即800 kWh / t。2) 热处理件实现零畸变和最低的质量分散度。3) 3) 加热炉使用寿命增加加热炉使用寿命增加9 9 倍倍, ,加热炉价格降低加热炉价格降低50%50%。延长加热炉使用寿命的前提应该是必须。延长加热炉使用寿命的前提应该是必须保证加热炉的各项性能指标和经济指标。这与保证加热炉的各项性能指标和经济指标。这与我国流行的我国流行的“小车不倒只管推小车不倒只管推”绝对是两回事。绝对是两回事。目前我们的问题主要是如何强制淘汰能耗大、目前我们的问题主要是如何强制

10、淘汰能耗大、效率低效率低, ,温度不均的旧设备。温度不均的旧设备。4) 4) 生产实现零污染。这是一个大难题生产实现零污染。这是一个大难题, ,因为我因为我们欠账实在太多。前们欠账实在太多。前3030年的高速发展没有对环年的高速发展没有对环境造成的污染引起足够重视这种做法再也不能境造成的污染引起足够重视这种做法再也不能继续下去了继续下去了, ,我们必须弄清热处理究竟造成了我们必须弄清热处理究竟造成了哪些污染并设法解决。哪些污染并设法解决。5)5) 新工艺新技术的开发与应用。为了实现发新工艺新技术的开发与应用。为了实现发展规划展规划, ,美国热处理学会开出了一张需要解决美国热处理学会开出了一张需

11、要解决的的7070多个项目的清单。多个项目的清单。3-1 钢的退火与正火钢的退火与正火 退火退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以以缓慢的速度冷却（炉冷）缓慢的速度冷却（炉冷）下来，使之获得下来，使之获得接近平衡接近平衡状态的组织状态的组织的热处理工艺。的热处理工艺。一、完全退火一、完全退火 工艺：工艺：把钢加热至把钢加热至Ac3以上以上20 30 , 保温一定时保温一定时间后间后缓慢冷却缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却), 以以获得获得接近平衡组织（完全奥氏体化）接近平衡组织（完全奥氏体化）的热处理工艺。的热处

12、理工艺。 目的目的: 通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组组织均匀化和细化织均匀化和细化，以提高性能；，以提高性能；使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，以降低硬度，改善切削加工性能改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可由于冷却速度缓慢，还可消除内应力消除内应力。应用应用: 完全退火一般用于完全退火一般用于亚共析钢亚共析钢。二、球化退火二、球化退火 工艺：工艺：目的：目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火

13、将网状渗碳体破碎），网状渗碳体破碎），以降低硬度以降低硬度，改善切削加工性能改善切削加工性能；并为以后并为以后的淬火作组织准备的淬火作组织准备。应用：应用：共析钢、过共析钢和合金工具钢。共析钢、过共析钢和合金工具钢。组织：组织：球状珠光体。球状珠光体。三、扩散退火三、扩散退火 工艺：工艺：一般在一般在Ac3或或Accm以上以上150300，长时间保温长时间保温（10h以以上），随炉缓冷。上），随炉缓冷。目的：目的：减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。性。 四、去应力退火四、去应力退火 工艺：工艺：一般是将工件随炉缓慢加热至一般是将工件随炉缓慢

14、加热至500650，经经一段时间一段时间保温后随炉缓慢冷却保温后随炉缓慢冷却至至300200以下出炉。以下出炉。 目的：目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。裂。五、再结晶退火五、再结晶退火 工艺：工艺：钢材的再结晶退火温度为钢材的再结晶退火温度为650700。经一段。经一段时间保温后随炉缓慢冷却。时间保温后随炉缓慢冷却。 目的：目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。性能。六、钢的正火六、钢的正

15、火 正火正火的加热温度为的加热温度为Ac3或或Accm以上以上3050，保，保温以后的冷却方式在温以后的冷却方式在空气中进行空气中进行。由于正火比退火的。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。强度、硬度较高。 正火的应用：正火的应用： 低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。改善切削加工性能。 过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。过共析钢的正火是为了消除网状碳化物。 某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中碳合某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和

16、中碳合金钢件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终金钢件，正火后的力学性能尚能满足要求，可作为最终热处理。热处理。 45钢正火与退火性能比较钢正火与退火性能比较 b（MPa）s（MPa）10（%）k（J/cm2）HB冷却速度组织晶粒度退火退火600-700300-35015-2040-60-180慢45%F+55%P细正火正火700-800350-40015-2950-80-220稍快30%F+70%P更细 （较细，但易过热 ）（硬度低不等于不好） 典型零件用钢的化学成分及临界温度典型零件用钢的化学成分及临界温度推荐钢号化 学 成 分，w.t.%临界温度（）CMnSiCr40Cr0.370

17、.450.500.800.200.400.801.10Ac1743、Ar1693Ac3782、Ar373045钢钢0.420.500.500.800.170.37Ac1724、Ar1682Ac3780、Ar3751GCr61.051.150.200.400.150.350.400.70Ac1740、Ar1700GCr150.951.050.200.400.150.351.301.65Ac1745、Ar170065Mn0.570.650.600.901.502.00Ac1750、Ar1810Ac3700、Ar377060Si2Mn0.620.700.901.200.170.37Ac1726、Ar

18、1689Ac3765、Ar3741T8A0.750.840.200.400.150.35Ac1730、Arcm700T10A0.951.040.150.350.150.35Ac3730、Arcm7009SiCr0.850.950.300.601.201.600.951.25Ac1770、Ar1730CrWMn0.901.050.400.801.100.901.20Ac1750、Ar17105CrMnMo0.500.601.201.600.250.600.600.90Ac1710、Ar16503-2 钢的淬火钢的淬火 将钢加热到将钢加热到Ac1或或Ac3以上，保温一定时间，然后快以上，保温一定时

19、间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火淬火。 一、淬火加热一、淬火加热 淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢：亚共析钢：AcAc3 3以上以上30305050；过共析钢：过共析钢：AcAc1 1以上以上30305050。 例：例：45钢在钢在780、 860、 1001000加热、水冷后组加热、水冷后组 织和性能有和不同。织和性能有和不同。u保温时间：保温时间：=KD（min） 加热系数，加热系数，

20、K装炉修正系数，装炉修正系数， D有效厚度（形状）有效厚度（形状）淬火加热缺陷淬火加热缺陷（1）过热）过热：工件在淬火加热时，温度过高或时间过长，造成奥氏工件在淬火加热时，温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的缺陷。使得强度和韧性降低，易于产生脆断，易引起淬体晶粒粗大的缺陷。使得强度和韧性降低，易于产生脆断，易引起淬火裂纹。退火或正火可消除。火裂纹。退火或正火可消除。 (魏氏组织魏氏组织)（2）过烧）过烧：工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或局部熔化的现象。化或局部熔化的现象。无法补救，只得报废。无法补救，只得报废。（3）氧化：）氧

21、化： 2Fe + O2 = 2FeO Fe + CO2 = FeO + CO Fe + H2O = FeO + H2 减小工件尺寸，降低表面粗糙度，减小工件尺寸，降低表面粗糙度， 并影响淬火冷却速度；温度越高，并影响淬火冷却速度；温度越高， 氧化越严重。氧化越严重。（4）脱碳）脱碳：C + O2 = CO2 C + CO2 = 2CO C + H2O = CO + H2 C + 2H2 = CH4 降低表面硬度、耐磨性、疲劳强度。温度越高，时间越长，脱碳越严重。防止：盐浴加热，保护气氛加热，真空加热，装箱加热二、淬火冷却介质二、淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质是水和油常用的淬火冷却介质是水和油

22、。水主要用于形状简单、。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，为了减少零件淬火时的变形，盐浴盐浴也常用作淬火介质，也常用作淬火介质，主要用于主要用于分级淬火和等温淬火分级淬火和等温淬火。 淬火应力淬火应力(热应力和组织应力) 热应力 1)产生原因: 内外温差 淬火热应力圆柱试样Ac1以下电位差计热电偶2)应力结果: 表层压应力,心部拉应力 淬火应力(热应力和组织应力) 热应力 1)产生原因: 内外温差 2)应力结果: 表层压应力,心部拉应力3) 影响热应力因素: （1）

23、冷却速度：V （2）淬火温度：T （3）截面尺寸：D （4）线膨胀系数：1)产生原因产生原因: 冷却时组织转变的不同时性冷却时组织转变的不同时性2)应力结果应力结果: 表层表层拉应力拉应力, 心部心部压应力压应力(与热应与热应力相反力相反)3)影响因素影响因素:（1）化学成分）化学成分:含碳量含碳量 Wc 合金元素合金元素W （2）冷却速度：）冷却速度：V（3）淬火温度：）淬火温度：T（4）截面尺寸：）截面尺寸：D（5）线膨胀系数：）线膨胀系数：淬火应力淬火应力2. 组织应力组织应力（1）含碳量: Wc 高-组织应力为主 Wc 低-热应力为主（2）合金元素:W 热应力/组织应力（3）截面尺寸：

24、D大-热应力为主 D小-组织应力为主影响内应力大小的主要因素影响内应力大小的主要因素三、淬火方法三、淬火方法 为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的通常的淬火方法淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。温淬火等。 3-3 3-3 钢的淬透性钢的淬透性网带式淬火炉网带式淬火炉淬透性是钢的主要热处理性能。淬透性是钢的主要热处理性能。是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。是选材和制订热处理工艺

25、的重要依据之一。一、淬透性的概念一、淬透性的概念 M量和硬度随深度的变化量和硬度随深度的变化淬透性淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。l淬硬层深度淬硬层深度是指由工是指由工件表面到半马氏体区件表面到半马氏体区(50%M + 50%P)(50%M + 50%P)的深度。的深度。l淬硬性淬硬性是指钢淬火后是指钢淬火后所能达到的最高硬度，所能达到的最高硬度，即硬化能力。即硬化能力。二、淬透性与淬硬层深度的关系二、淬透性与淬硬层深度的关系 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。

26、同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不同材料它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。度来确定的。 三、影响淬透性的因素三、影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷钢的淬透性取决于临界冷却速度却速度V Vk k， V Vk k越小，淬越小，淬透性越高。透性越高。V Vk k取决于取决于C C曲线的位置，曲线的位置，C C 曲线越靠右，曲线越靠右，V Vk k越

27、小。越小。l因而凡是影响因而凡是影响C C曲线的因素都是影响淬透性的因素曲线的因素都是影响淬透性的因素. .即即除除Co Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。提高。 四、淬透性的测定及其表示方法四、淬透性的测定及其表示方法 1、淬透性的测定常用、淬透性的测定常用末端淬火法末端淬火法示，示，J 表示末端淬表示末端淬透性，透性，d 表示半马表示半马氏体区到水冷端的氏体区到水冷端的距离，距离，HRC 为半为半马氏体区的硬度。马氏体区的硬度。2 2、淬透性

28、的表示方法、淬透性的表示方法 用淬透性曲线表示用淬透性曲线表示dHRCJ即用即用 表表 用临界淬透直径表示用临界淬透直径表示临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心被淬成半马氏体的最大直径，用成半马氏体的最大直径，用D0表示。表示。D0与介质有关，如与介质有关，如45钢钢D0水水=16mm，D0油油=8mm。只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性比较，如如45钢钢D0油油=8mm，40Cr D0油油=20mm。马氏体马氏体索氏体五、淬透性的应用五、淬透性的应用 1、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬

29、距离的关系曲线、利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为可以预测零件淬火后的硬度分布。下图为预测预测50mm50mm直直径径40MnB40MnB钢轴淬火后断面的硬度分布。钢轴淬火后断面的硬度分布。2、利用淬透性曲线进行选材。如、利用淬透性曲线进行选材。如要求厚要求厚60mm汽车转向节淬火后表面硬度超过汽车转向节淬火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处为半径处为HRC45。可按下图箭。可按下图箭头所示程序进行选材分析。头所示程序进行选材分析。3、利用淬透性可控制淬硬、利用淬透性可控制淬硬层深度。层深度。对于截面承载均匀的重要件对于截面承载均匀的重要件,要

30、全部淬透。如螺栓、连杆、要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透转的零件可不必淬透(淬硬层淬硬层深度一般为半径的深度一般为半径的1/21/3)，如轴类、齿轮等。如轴类、齿轮等。淬硬层深度与工件尺寸有关淬硬层深度与工件尺寸有关,设计时应注意尺寸效应。设计时应注意尺寸效应。 高强螺高强螺栓栓柴油机连柴油机连杆杆齿齿轮轮不同冷却条件下的转变产物不同冷却条件下的转变产物等温退火等温退火P退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间温度温度淬火

31、淬火PP均匀均匀A细细A？3-4 钢的回火钢的回火定义：将淬火后的钢件加热到将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度以下某一温度，保，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火回火。目的：目的： 淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。性能要求。 1.低温回火低温回火 温度温度：150250。 目的目的：降低应力和脆性，使钢具有高的硬

32、度、强度：降低应力和脆性，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。和耐磨性。 组织组织：回火马氏体组织。回火马氏体组织。2.中温回火中温回火 温度温度：350500。 目的目的：具有高的弹性极限、较高的强度和硬度、良：具有高的弹性极限、较高的强度和硬度、良 好的塑性和韧性。好的塑性和韧性。 组织组织：回火屈氏体组织。：回火屈氏体组织。 应用应用：各种弹性元件各种弹性元件。 应用应用：低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性：低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。3.高温回火高温回火 温度温度：500650。 性能性能

33、：高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好：高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即地配合，即具有高的综合力学性能具有高的综合力学性能 组织组织：回火索氏体组织。：回火索氏体组织。 应用应用：适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。等重要机器零件。 淬火淬火+高温回火叫调质处理。高温回火叫调质处理。耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C球球5

34、00650高温回火高温回火高合金钢高合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化四、回火工艺四、回火工艺淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理热处理工艺退火退火正火正火淬火淬火回火回火加热温度加热温度亚共析亚共析过过/共析钢共析钢Ac3+2030Ac1+2030Ac3+3050Accm+3050Ac3+3050Ac1+3050低温：低温：150250中温：中温：350500高温：高温：500650保温时间保温时间min(mm)(1.52.0)D(1.52.0)D(1.01.

35、5)D(2.02.5)D冷却方式冷却方式炉冷炉冷(随炉冷却随炉冷却)空冷空冷(空气中放置空气中放置)水水(碳素钢碳素钢)油油(合金钢合金钢)空冷空冷显微组织显微组织平衡组织平衡组织P类组织类组织MM回回T回回S回回性能性能易切削，易切削，韧性好韧性好较高强韧性较高强韧性高强度高强度,高韧性高韧性M回回: 高硬度高硬度,耐磨耐磨T回回: 弹性好弹性好S回回: 综合性能好综合性能好课堂讨论题课堂讨论题1.1.用用4545钢（钢（Wc=0.45%Wc=0.45%）制造机床主轴，要求具有良好综合）制造机床主轴，要求具有良好综合力学性能，请制定预备热处理和最终热处理工艺规程力学性能，请制定预备热处理和最

36、终热处理工艺规程（包括工艺名称和具体工艺参数），并分别说明预备热（包括工艺名称和具体工艺参数），并分别说明预备热处理和最终热处理后获得的显微组织处理和最终热处理后获得的显微组织. .（AcAc1 1=730=730，AcAc3 3=800=800）2.2.含碳量为含碳量为1.2%的碳钢，其原始组织为片状珠光体和网状的碳钢，其原始组织为片状珠光体和网状滲碳体，欲得到回火马氏体和粒状碳化物组织，试制订滲碳体，欲得到回火马氏体和粒状碳化物组织，试制订所需热处理工艺，并注明工艺名称、加热温度、冷却方所需热处理工艺，并注明工艺名称、加热温度、冷却方式以及热处理各阶段所获得的组织。（式以及热处理各阶段所获

37、得的组织。（Ac1 = 730, Accm = 830）思考题： 何谓钢的调质处理？它主要用于处理什么样的工件？何谓钢的调质处理？它主要用于处理什么样的工件？用用4545钢（钢（Wc=0.45%Wc=0.45%）制造机床主轴，要求具有良好综合机械性能）制造机床主轴，要求具有良好综合机械性能，请制定预备热处理和最终热处理工艺规程（包括工艺名称和具体，请制定预备热处理和最终热处理工艺规程（包括工艺名称和具体工艺参数），并分别说明预备热处理和最终热处理后获得的显微组工艺参数），并分别说明预备热处理和最终热处理后获得的显微组织织. .（AcAc1 1=730=730，AcAc3 3=800=800）用

38、用6565钢（钢（Wc=0.65%Wc=0.65%）制造螺旋弹簧（）制造螺旋弹簧（AcAc1 1730730，AccmAccm810810），试制定预备热处理和最终热处理工艺，并说明各个阶段的组织），试制定预备热处理和最终热处理工艺，并说明各个阶段的组织变化。变化。用用T10AT10A（Wc=1.0%Wc=1.0%，AcAc1 1=730=730，AcAc3 3=800=800），制造冷冲模的冲头），制造冷冲模的冲头，试制定预备和最终热处理工艺（包括名称和具体参数），并说明，试制定预备和最终热处理工艺（包括名称和具体参数），并说明热处理各阶段获得的组织（冲头要求具有高硬度、高耐磨性）。热处理各

39、阶段获得的组织（冲头要求具有高硬度、高耐磨性）。含碳含碳1.2%1.2%的碳钢，其原始组织为片状珠光体加网状渗碳体，为了的碳钢，其原始组织为片状珠光体加网状渗碳体，为了获得回火马氏体加粒状渗碳体组织，应采用哪些热处理工艺？写出获得回火马氏体加粒状渗碳体组织，应采用哪些热处理工艺？写出工艺名称及工艺参数（加热温度、冷却方式）。注：该钢的工艺名称及工艺参数（加热温度、冷却方式）。注：该钢的AcAc1 1730730，AccmAccm820820。某热处理车间对某热处理车间对T12T12钢（钢（Wc=1.2%Wc=1.2%）进行球化退火时由于仪表失灵）进行球化退火时由于仪表失灵，使加热温度升高，当操

40、作者发现时已经在，使加热温度升高，当操作者发现时已经在11001100保温保温2 2小时，请小时，请问此时操作者应如何处理才能获得所需要的组织？问此时操作者应如何处理才能获得所需要的组织？ 3-5 钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧” 的力学性能。的力学性能。一一.表面淬火表面淬火( Surface Hardening )一一) 定义定义:是一种不改变钢表层化学成是一种不改变钢表层化学成 分分,但改变表层组织的局部热但改变表层组织的局部热 处理工艺。处理工艺。二二) 工艺特征工艺特征:通过快速加热

41、使钢的表通过快速加热使钢的表 层奥氏体化层奥氏体化,然后急冷然后急冷,使表层使表层 形成马氏体组织形成马氏体组织,而心部仍保而心部仍保 持不变。持不变。 三三)表面淬火用钢表面淬火用钢: 选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。四四)表面淬火加工的方法表面淬火加工的方法: 感应加热感应加热( 高、中、工频高、中、工频 )、火火 焰加热焰加热、电接触加热法等。、电接触加热法等。1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理感应加热的基本原理:* 感应电流感应电流 - 涡流涡流* 集肤效应集肤效应*淬火层深度淬火层深度()与电流频率与电流频

42、率( f )的关系的关系: = 500 / f （mm） 感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图2)工艺要求工艺要求: * 表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理,以保证零件有良好的以保证零件有良好的 基体。基体。 * 表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温低温 回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。3)生产特点生产特点: 淬火件的质量好淬火件的质量好; 工件变工件变 形小形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易淬火层容易 控制控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大

43、,不适不适 于复杂形状零件和小批量生产。于复杂形状零件和小批量生产。2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火1)火焰加热表面淬火的基本方法火焰加热表面淬火的基本方法2)火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单, 操作方便操作方便, 成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批量及大型零件的生产。二二.化学热处理化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )一一)定义定义:将零件置于一定的化学介质将零件置于一定的化学介质 中中 , 通过加热、保温通过加热、保温,使介质使介质 中一种或几种元素原子渗入中

44、一种或几种元素原子渗入 工件表层工件表层,以改变钢表层的化以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。学成分和组织的热处理工艺。 二二) 化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.吸收吸收: 活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶 解。解。3.扩散扩散: 活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散, 形成一定的扩散层形成一定的扩散层。1.分解分解: 化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温下释放出待渗 的的活性原子活性原子。 2CO CO2 +C三三) 化学热处理进行的条件化学热处理进行的条件:1. 渗入元素的原子渗入元素的原子必须是活性原子必须是活性原子,

45、而而 且且具有较大的扩散能力具有较大的扩散能力。2. 零件本身具有零件本身具有吸收渗入原子的能力吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的即对渗入原子有一定的溶解度溶解度或能或能 与之化合与之化合, 形成化合物形成化合物。四四) 化学热处理的种类化学热处理的种类: 渗碳渗碳; 渗氮渗氮; 碳氮碳氮 共渗共渗; 渗硼渗硼; 渗铝渗铝; 渗硫渗硫; 渗硅渗硅; 渗铬等。渗铬等。1.钢的渗碳钢的渗碳 ( Carburize of steel )1)定义定义: 向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2)目的目的: 获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)用钢用钢:

46、低碳钢低碳钢和和低碳合金钢。低碳合金钢。4)方法方法: 固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。 固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图5)工艺工艺: 加热温度加热温度为为900950; 渗碳时间渗碳时间一般为一般为39小时小时;6)渗碳后的组织渗碳后的组织: 1%CP+Fe3C0.2%C F + P少少表面表面中心中心零零 件件PP+F20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体7) 渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间温度930850方案方

47、案1方案方案2渗渗 碳碳淬火淬火加热加热7) 渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺8) 热处理后的组织热处理后的组织低碳低碳M回回+FM回回+Cm+A残残低碳低碳合金钢合金钢F+PM回回+Fe3C+A残残低碳钢低碳钢心部组织心部组织表层组织表层组织钢种钢种9)常用的钢种常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。等。20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )2.钢的渗氮钢的渗氮 ( Nitridation of steel )1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入

48、氮原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)方法方法:气体气体渗氮。渗氮。5)工艺工艺:加热温度加热温度500600; 保温时间保温时间0.30.5mm/2050h。6)热处理特点热处理特点: 渗氮前需调质处理渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。渗氮后不需热处理。7)渗氮处理后的组织渗氮处理后的组织 表层表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部心部 : S回回。8)常用的钢种常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoA

49、lA ( 氮化王牌钢氮化王牌钢 ) 等。等。38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ( Fe2-3N ) + ( Fe4N ) ; 红色区 : ( Fe4N ) ;蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。 氮化的特点氮化的特点: 氮化件表面硬度高（氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。），耐磨性高。 疲劳强度高。由于表面存在压应力。疲劳强度高。由于表面存在压应力。氮化层组织氮化层组织38CrMoAl氮化层硬度氮化层硬度工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。理。 耐蚀

50、性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件。 如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。 缝纫机用氮化件缝纫机用氮化件经氮化的机车曲轴经氮化的机车曲轴渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理处理时处理时间间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需要不需要2050500

51、600渗氮渗氮 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理处理时处理时间间 ( h )处理温度处理温度( )名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需要不需要2050500600渗氮渗氮 渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点名称名称 处理温度处理温度( )处理时处理时间间 ( h )处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理渗碳渗碳 90095039需要需要渗氮渗氮 500600 2050不需要不需要3.钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗-氰化处理氰化处理 ( Carbonitriding of steel )1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原表面同

52、时渗入碳和氮原 子子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温4)工艺工艺:合金结构钢合金结构钢HRC5360中温气体碳中温气体碳氮共渗氮共渗80086018以渗碳为主以渗碳为主0.50.8mm淬火淬火+低温回火低温回火合金工具钢合金工具钢HRC5463低温气体碳低温气体碳氮共渗氮共渗50060016以渗氮为主以渗氮为主0.10.4mm不需要不需要材料材料性能性能名称名称温度温度()时间时间(h)作用作用渗层渗层热处理热处理20 CrMnTi

53、 钢碳氮共渗层组织 ( 化染 ) 100 针状M + 残余A ; 混合M + 残余A ; 板条M + 针状M20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织钢碳氮共渗层组织1.针状M + 残余A ; 2.混合M + 残余A ; 3.板条M + 针状M12320Cr2Ni4A钢高温碳氮共渗淬火组织 ( 化染 ) 52 W18Cr4V钢碳氮共渗层组织 ( 化染) 650 隐针马氏体 + 合金碳化物 ; 从左至右含碳量逐步下降3-6 表面处理新技术表面处理新技术近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开近年来，金属材料表面处理新技术得到了迅速发展，开发出许多新的工艺方法，这里只介绍主要的几种。发出许多新的

54、工艺方法，这里只介绍主要的几种。 全方位离子注入与沉积设备全方位离子注入与沉积设备一、热喷涂技术一、热喷涂技术 将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高将热喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，用高压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的压气流使其雾化并喷射于工件表面形成涂层的工艺称为工艺称为热喷涂热喷涂。l利用热喷涂技术可改善利用热喷涂技术可改善材料的耐磨性、耐蚀性、材料的耐磨性、耐蚀性、耐热性及绝缘性等。耐热性及绝缘性等。l广泛用于包括航空航天、广泛用于包括航空航天、原子能、电子等尖端技原子能、电子等尖端技术在内的几乎所有领域。术在内的几乎所有领域。等离子热喷涂等离子热喷涂1、涂层的结构、涂层的

55、结构热喷涂层是由无数变形热喷涂层是由无数变形粒子相互交错呈波浪式粒子相互交错呈波浪式堆叠在一起的层状结构，堆叠在一起的层状结构，粒子之间存在着孔隙和粒子之间存在着孔隙和氧化物夹杂缺陷。氧化物夹杂缺陷。喷涂层与基体之间以及喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要喷涂层中颗粒之间主要热喷涂层组织热喷涂层组织 是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接的，其次是微区冶金结合及化学键结合。其次是微区冶金结合及化学键结合。2、热喷涂方法、热喷涂方法常用的热喷涂方法有：常用的热喷涂方法有： 火焰喷涂火焰喷涂: 多用氧多用氧 - -乙炔火焰作为热源。乙炔火焰作为热源。 电弧

56、喷涂电弧喷涂: 丝状喷涂丝状喷涂材料作为自耗电极、电材料作为自耗电极、电弧作为热源的喷涂方法弧作为热源的喷涂方法 等离子喷涂等离子喷涂: 是一种是一种利用等离子弧作为热源利用等离子弧作为热源进行喷涂的方法。进行喷涂的方法。 火焰热喷火焰热喷涂涂电弧热喷电弧热喷涂涂等离子喷等离子喷涂涂3、热喷涂的特点及应用、热喷涂的特点及应用工艺灵活：热喷涂的对象小到工艺灵活：热喷涂的对象小到10mm的内孔的内孔, 大到铁塔、桥梁大到铁塔、桥梁,可整体喷涂，也可局部喷涂可整体喷涂，也可局部喷涂基体及喷涂材料广泛：基体可基体及喷涂材料广泛：基体可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属和非金属，涂层材料可以是金属、合

57、金及塑料、陶瓷等以是金属、合金及塑料、陶瓷等l涂层可控涂层可控: 从几十从几十 m到几到几mml生产效率高生产效率高l工件变形小：基体材料温度不超过工件变形小：基体材料温度不超过250(冷工艺冷工艺)涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层(热喷涂层热喷涂层)由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异由于涂层材料的种类很多，所获得的涂层性能差异很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复很大，可应用于各种材料的表面保护、强化及修复并满足特殊功能的需要。并满足特殊功能的需要。热喷涂热喷涂二、气相沉积技术二、气相沉积技术 气相沉积技术气相沉积技术是指将含有沉积元素的气相物质，是指将含有沉积元素的气相

58、物质，通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄通过物理或化学的方法沉积在材料表面形成薄膜的一种新型镀膜技术。膜的一种新型镀膜技术。l根据沉积过程的原理根据沉积过程的原理不同，气相沉积技术不同，气相沉积技术可分为可分为物理气相沉积物理气相沉积(PVD) 和和化学气相沉化学气相沉积积(CVD)两大类。两大类。1、物理气相沉积（、物理气相沉积（PVD）物理气相沉积物理气相沉积是指在真空条件下，用物理的方法，是指在真空条件下，用物理的方法， 使材料汽化成原子、使材料汽化成原子、分子或电离成离子，分子或电离成离子，并通过气相过程，在并通过气相过程，在材料表面沉积一层薄材料表面沉积一层薄膜的技术。膜的技术。l物理沉积技术主要包物理沉积技术主要包括括真空蒸镀真空蒸镀、溅射镀溅射镀、离子镀离子镀三种基本方法。三种基本方法。磁控溅射镀膜设备磁控溅射镀膜设备真空蒸镀真空蒸镀是蒸发成膜材料使是蒸发成膜材料使其汽化或升华沉积到工件表其汽化或升华沉积到工件表面形成薄膜的方法。面形成薄膜的方法。真空蒸镀真空蒸镀TiN活塞环活塞环真空蒸镀真空蒸镀Al膜的塑料制品膜的塑料制品溅射镀溅射镀是在真空下通是在真空下通过辉光放电来电离氩过辉光放电来电离氩气，氩离子在电场作气，氩离子在电场作用下加速轰击阴极，用下加速轰击阴极，溅射下来的粒子沉积溅射下来的粒子