CH4-钢的热处理工艺第10-11讲2011-5

1、第四章第四章 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 供应窄带钢行业热处理设备供应窄带钢行业热处理设备毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加工机械加工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理 : 退火退火 ; ; 正火正火最终热处理最终热处理 : 淬火淬火 ; ; 回火回火一般机械钢零件生产的工艺路线一般机械钢零件生产的工艺路线: : Therefore, 热处理是一种非常重要的加工方法加工方法，极大部分机械零件都必须经过热处理！教学内容教学内容4.1 4.1 钢的退火与正火工艺钢的退火与正火工艺4.2 4.2 钢的淬火与回火钢的淬火与回火4.3 4.3 钢的表面热处理钢

2、的表面热处理4.4 4.4 钢的化学热处理钢的化学热处理 过冷奥氏体的连续冷却转变过冷奥氏体的连续冷却转变CCTCCT曲线曲线C - continuousC - coolingT - transformationVkVk时 间 ( lg )温度时 间 ( lg )温度A1A1PfPsA+PKM sMf水水 冷冷水水 冷冷油油 冷冷油油 冷冷Vk1Vk1炉炉 冷冷炉炉 冷冷空空 冷冷空空 冷冷知识回顾知识回顾Ps：AP开始线Pf：AP终止线K：珠光体型转变终止线Vk：上临界冷却速度（马氏体临界冷却速度）M最小冷速Vk：下临界冷速完全P最大冷速共析碳钢共析碳钢 TTT 曲线与曲线与CCT曲曲线的比

3、较线的比较（1）CCT位于TTT曲线右下方 AP转变温度低一些，t长一些（2）CCT无AB转变 CCT测定困难，常用TTT曲线定性分析C曲线的应用曲线的应用4 41 1 钢的退火与正火工艺钢的退火与正火工艺 将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却缓慢冷却的热处理工艺。的热处理工艺。退火工艺曲线退火工艺曲线一、退火一、退火 消除应力消除应力;降降低硬度低硬度;细化晶粒细化晶粒;均均匀成分匀成分;为最终热处为最终热处理作好组织准备。理作好组织准备。 1完全退火完全退火 加热温度：加热温度： Ac3以上以上20-30度度 组组 织：织： P+F 目目

4、 的：的： 细化，均匀化粗大、细化，均匀化粗大、 不均匀组织不均匀组织 接近平衡组织接近平衡组织 调整硬度调整硬度切削性切削性 消除内应力消除内应力 应用范围：应用范围： 亚共折钢，共析钢，亚共折钢，共析钢， 不适用于过共析钢。不适用于过共析钢。2球化退火（不完全退火）球化退火（不完全退火） 加热温度：加热温度： Ac1以上以上20-40度度 组组 织：织： 球状球状P（F+球状球状Cem） 目目 的：的： 使使Cem球化球化HRC，韧性，韧性切削性切削性 为淬火作准备为淬火作准备 应用范围：应用范围： 过共析钢，共析钢过共析钢，共析钢 加热温度：加热温度： 1050-1150，10-20h,

5、 组织：组织：P+F或或P+Fe3CII 目的：消除偏析目的：消除偏析 后果：粗大晶粒后果：粗大晶粒 （应用完全退火消除）（应用完全退火消除）4再结晶退火再结晶退火 加热温度：加热温度：Ac1以下以下50-150度，度， 或或T再再+30-50度度 目的：消除加工硬化目的：消除加工硬化5去应力退火去应力退火 500-6503扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化退火） 把钢零件加热到临界温度以上把钢零件加热到临界温度以上3050,保温一定时间保温一定时间,然后然后在空气中冷却在空气中冷却的的热处理工艺热处理工艺。二、正火二、正火 （空冷）（空冷）（1）作最终热处理，普通结构钢零件）作最终热处理

6、，普通结构钢零件 a.a.细化细化A A晶粒，组织均匀化晶粒，组织均匀化 b. b. 减少亚共析钢中减少亚共析钢中F%P%F%P%，细化组织，细化组织强度，韧性，硬度强度，韧性，硬度 （2）预先热处理）预先热处理 a. a. 消除魏氏组织，带状组织；细化组织消除魏氏组织，带状组织；细化组织为淬火、调质作准备为淬火、调质作准备 b. b. 使过共析钢中使过共析钢中FeFe3 3C CIIII使其不形成连续网状，为球化作准备使其不形成连续网状，为球化作准备（3）改善切削加工性能）改善切削加工性能（低碳钢） 临界温度：Ac3Ac3或或Accm+30-50Accm+30-50 组织：组织：S+（F或或

7、Fe3C）应用及目的：应用及目的：以以45#钢为例的正火工艺曲线：钢为例的正火工艺曲线： 保温时间的经验公式:=KD(单位为单位为min,式中式中,K加热系数加热系数,一般一般K=1.5-2.0m/min, 若装炉量若装炉量大则可延长保温时间大则可延长保温时间,D工件有效厚度工件有效厚度,单位为单位为m) 操作步骤如下：操作步骤如下： 入炉入炉保温保温出炉出炉空冷空冷三、退火、正火的选择三、退火、正火的选择 工具钢工具钢正火正火+球化退火球化退火 结构钢结构钢正火正火 返修件返修件退火退火正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好。正火：冷速快，材料组织细化，机械性能好。1切削加工 低碳钢正火 中

8、高碳钢完全退火 高碳钢、合金工具钢正火球化退火2作为最终热处理正火3为最终热处理提供良好的组织状态4. 正火可替代完全退火以提高效率4.2 4.2 钢的淬火与回火钢的淬火与回火加热到加热到AC3、AC1相变温度相变温度以上，保温，以上，保温，快速冷却快速冷却M+A 1 1淬火温度的决定淬火温度的决定 亚共析钢Ac3+30-50度 共析钢 Ac1+30-50度 过共析钢 Ac1+30-50度 A、 保留一定的CemHRC，耐磨性 B、 A中C%M中C%M脆性 C、 A中C%M过饱和度残余A 淬火温度过高淬火温度过高A粗大粗大M粗大粗大力学性能力学性能，淬火温度过高淬火温度过高A粗大粗大M粗大粗大

9、淬火应力淬火应力变形，开裂变形，开裂一、淬火一、淬火650以上，慢，减小热应力650-400，快，避免跨越C曲线400以下，慢，减轻相变应力理想淬火冷却曲线示意图理想淬火冷却曲线示意图不同淬火方法示意图不同淬火方法示意图2 2淬火介质淬火介质保证保证 快速冷却快速冷却以以45#钢为例的淬火工艺曲线：钢为例的淬火工艺曲线： 入炉入炉保温保温出炉出炉油冷油冷(或水冷或水冷) 二、钢的淬透性二、钢的淬透性 1淬透性：淬透性：淬火条件下得到淬火条件下得到M组织的能力，取决于组织的能力，取决于 VK（上临界冷却速度）（上临界冷却速度）2淬硬性：淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于钢在淬火后获得硬度的

10、能力，取决于M中中C%， C%淬硬性淬硬性3影响淬透性的因素影响淬透性的因素 VK，C曲线曲线 C%亚共析钢 C%淬透性，过共析钢C%淬透性 奥氏体化温度奥氏体化温度 Tt淬透性 合金元素合金元素 除Co%以外，C曲线右移，淬透性 未溶第二相未溶第二相 淬透性 影响影响C曲线的因素曲线的因素（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求； 选材的依据（2）热处理工艺制定的依据；（3）尺寸效应。4淬透性的应用淬透性的应用 三、回火三、回火 a. 消除淬火应力，降低脆性；消除淬火应力，降低脆性； b. 稳定工件尺寸，由于稳定工件尺寸，由于M，残余，残余A不稳定；不稳定； c. 获得要求的强度、硬度、塑性

11、、韧性。获得要求的强度、硬度、塑性、韧性。1回火目的回火目的（淬火组织的问题）（淬火组织的问题） 定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段时间,然后冷却到窒温。工艺参数及组织工艺参数及组织淬火淬火 + 高温回火高温回火 = 调质处理调质处理 2钢在回火时的组织转变钢在回火时的组织转变 a. 马氏体分解（马氏体分解（200以下）以下）：析出-Fe2.4C碳化物（亚稳定） 回火组织：回火马氏体M过饱和固溶体十亚稳定碳化物（极细的) 作用：晶格畸变降低，淬火应力有所下降。 b. 残余残余A分解（分解（200-300）：AM（或AB下） 组织：回火马氏体M c. 回火屈氏体回火屈

12、氏体T形成（形成（250-400 ）：Fe3C; F维持M外形 组织：回火屈氏体T(F+ Fe3C) d. 碳化物的聚集长大，铁素体的回复与再结晶（400） 组织：回火索氏体SF（等轴晶）+ Fe3C（粒） e. 碳化物碳化物Fe3C片片细粒状细粒状Fe3C。3回火工艺组织一性能关系（及应用）回火工艺组织一性能关系（及应用） （1 1）低温回火（低温回火（150-250150-250） 回火马氏体回火马氏体 M 降低淬火应力，提高韧性，保证高硬度（降低淬火应力，提高韧性，保证高硬度（HRC58-64HRC58-64）和耐磨性）和耐磨性 高碳的工具、模具、滚动轴承，渗碳与表面淬火的零件高碳的工具

13、、模具、滚动轴承，渗碳与表面淬火的零件（2 2）中温回火（中温回火（350-500350-500） 回火屈氏体回火屈氏体 T T 高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为高弹性极限和屈服强度，一定的韧性，硬度一般为HRC35-45HRC35-45 弹簧弹簧 （3 3）高温回火（高温回火（500-650500-650） 回火索氏体回火索氏体 S S 淬火高温回火淬火高温回火调质处理调质处理 综合机械性能好(强度、韧性、塑性的配合)，硬度一般为HRC25-35 承受交变载荷，连杆、轴、齿轮等重要结构件承受交变载荷，连杆、轴、齿轮等重要结构件最终热处理最终热处理 精密量具、模具精密量具、模具预先

14、热处理预先热处理回火马氏体组织金相图回火马氏体组织金相图1、高碳回火马氏体：、高碳回火马氏体： 强度、硬度高、塑性、韧性差2、低碳回火马氏体：、低碳回火马氏体： 高的强度与韧性，硬度、耐磨性也较好。回火屈氏体组织金相图回火屈氏体组织金相图屈服强度与弹性极限高42CrMo 400 45钢钢 400 回火索氏体组织金相图回火索氏体组织金相图综合机械性能好（见下页）正火与正火与调质处理调质处理的比较：的比较：4545钢钢 b b (MN/m (MN/m2 2) (%) a) (%) ak k(kJ/m(kJ/m2 2) HB ) HB 组织组织 正火正火 700-800 12-20 500-800

15、163-220 700-800 12-20 500-800 163-220 细片细片S+FS+F调质调质 750-850 20-25 800-1200 210-250 750-850 20-25 800-1200 210-250 细粒细粒S S淬火淬火+高温回火高温回火调质处理调质处理 200200度以下，度以下，HRCHRC不变。不变。 200-300200-300度，度，M M分解，残余分解，残余A A转变为马氏体，硬度降低不大，转变为马氏体，硬度降低不大， 高碳钢硬度高碳钢硬度, ,有一定的升高。有一定的升高。 300300度，度，HRCHRC降低。降低。 1 1、韧、韧 性：性： 40

16、0400度开始升高，度开始升高，600600度最高。度最高。 2 2、弹性极限：、弹性极限： 在在300-400300-400度最高。度最高。 3 3、塑、塑 性：性： 在在600-650600-650度最高。度最高。 4 4、高碳回火马氏体：、高碳回火马氏体： 强度、硬度高、塑性、韧性差强度、硬度高、塑性、韧性差 6 6、低碳回火马氏体：、低碳回火马氏体： 高的强度与韧性，硬度、耐磨高的强度与韧性，硬度、耐磨 性也较好。性也较好。 7 7、回火屈氏体：、回火屈氏体： 屈服强度与弹性极限高屈服强度与弹性极限高 8 8、回火索氏体：、回火索氏体： 综合机械性能。综合机械性能。（4 4）回火温度与

17、机械性能的关系回火温度与机械性能的关系4合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响a. 提高回火稳定性提高回火稳定性 回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。回火稳定性：指钢在回火时，抵抗回火造成软化的能力。b. 增大增大回火脆性（见下页）回火脆性（见下页） 回火脆性：指随回火温度升高时，在回火脆性：指随回火温度升高时，在250400和和450-650 两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。两个区出现冲击韧性明显下降的脆化现象。 c. 产生产生二次硬化（见下后页）二次硬化（见下后页） （1 1）低温回火脆性低温回火脆性（250-400250-400） 碳化物片沿碳化物片沿M晶界

18、析出晶界析出 避免在此温度回火避免在此温度回火（3 3）高温回火脆性高温回火脆性（450-650450-650） P等元素在原A晶界偏聚，慢冷时 Cr、Ni等促进偏聚 Mo等抑制偏聚 减少减少P等杂质元素，等杂质元素， 添加添加Mo等合金元素等合金元素 二次硬化效应二次硬化效应：一些：一些MoMo、W W、V V含量较高的钢回火时，硬含量较高的钢回火时，硬度并不随回火温度的升高单调度并不随回火温度的升高单调降低，而是在某一温度（约降低，而是在某一温度（约400400）后反而开始增大，并）后反而开始增大，并在另一更高温度（在另一更高温度（550550 ）达）达到峰值。到峰值。如图钼钢合金如图钼钢

19、合金回火类型回火类型回火温度回火温度 组织组织 性能及应用性能及应用 组织形态组织形态 低温回火低温回火 150250 回火回火M（M） 保持高硬度，降低脆性保持高硬度，降低脆性及残余应力，用于工模及残余应力，用于工模具钢，表面淬火及渗碳具钢，表面淬火及渗碳淬火件淬火件 过饱和过饱和a-Fe+e 碳化物碳化物 中温回火中温回火 350-500 回火屈氏体回火屈氏体（T ） 硬度下降，韧性、弹性硬度下降，韧性、弹性极限和屈服强度极限和屈服强度，用，用于弹性元件于弹性元件 保留马氏体保留马氏体针形针形F+细细粒粒Fe3C 高温回火高温回火 500-650 回火索氏体回火索氏体（S ） 强度、硬度、

20、塑性、韧强度、硬度、塑性、韧性、良好综合机械性能，性、良好综合机械性能，优于正火得到的组织。优于正火得到的组织。中碳钢、重要零件采用。中碳钢、重要零件采用。 多边形多边形F+粒状粒状Fe3C 5回火工艺及其应用回火工艺及其应用 记注：淬火记注：淬火+高温回火高温回火调质处理调质处理 以以45#钢为例的钢为例的工艺曲线：工艺曲线： 淬火淬火+高温回火高温回火调质处理调质处理4.3 4.3 钢的表面热处理钢的表面热处理表面淬火：表面淬火： 不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部不改变表面化学成分，只改变其表面组织的局部 热处理方法。热处理方法。 一、感应加热表面淬火一、感应加热表面淬火 1原理

21、原理 交变磁场交变磁场感应电流感应电流工件电阻工件电阻加热，集肤效应加热，集肤效应 表面加热表面加热 2分类分类 a. 高频高频 200-300KHz，淬硬深度，淬硬深度 0.5-2mm 小工件小工件 b. 中频中频2500-8000Hz 淬硬深度淬硬深度2-5mm 尺寸较大的工件尺寸较大的工件 c. 低低频频 50Hz 淬硬深度淬硬深度10-15mm 大型工件大型工件 d. 超音频超音频 30-40KHz 3钢种钢种 中碳钢和中碳低合金钢中碳钢和中碳低合金钢a. 加热速度快加热速度快 几秒几秒几十秒几十秒b. 加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体，硬度加热时实际晶粒组小，淬火得到极细马氏体

22、，硬度，脆性脆性c. 残余压应力残余压应力提高寿命提高寿命d. 不易氧化、脱碳、变形小不易氧化、脱碳、变形小e. 工艺易控制，设备成本高工艺易控制，设备成本高4特点特点 锻造锻造退火式正火退火式正火粗加工粗加工调度调度精加工精加工表面表面淬火淬火低温回火低温回火（粗磨（粗磨时效时效精磨）精磨）5工艺路线工艺路线4.4 4.4 钢的化学热处理钢的化学热处理一、渗碳一、渗碳 ：AC3以上；以上；900950 ， 低碳钢低碳钢 1目的及应用目的及应用 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度 和良好的塑性和韧性和良好的塑性和韧性2钢种钢种 低碳钢，

23、低碳合金钢低碳钢，低碳合金钢3加工工艺路线加工工艺路线 锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）二次淬火）低温回火低温回火喷丸喷丸磨削磨削（1）直接淬火）直接淬火 （如图（如图a、b曲线）曲线） 奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变形大。多，耐磨性低，变形大。 只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。只适用于本质细晶钢或耐磨性要求低和承载低的零件。（2）一次淬火）一次淬火 （如图（如图c曲线）曲线） 心部要求高心部要求高 AC3以上以上 表面要求高，表面要求高，AC1以上以上30-500

24、 （3）二次淬火）二次淬火 （如图（如图d曲线）曲线） 第一次，改变心部组织第一次，改变心部组织 AC3以上以上30-500 第二次，细化表面组织第二次，细化表面组织 AC1以上以上30-500 4渗碳工艺渗碳工艺-组织组织-性能关系性能关系 加热温度，保温时间渗碳层厚度A3钢多元共渗渗层钢多元共渗渗层 X400 42rMo钢多元共渗组织钢多元共渗组织 X400 二、氮化二、氮化 （含（含Al, Cr, Mo，V的钢）的钢） 它系指在一定温度（一般在它系指在一定温度（一般在AC1）以下，使活性氮原子渗入工件表）以下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的

25、耐蚀面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度和良好的耐蚀性能，且因氮化温度低、变形小，因此在工艺中的应用也非常广泛。性能，且因氮化温度低、变形小，因此在工艺中的应用也非常广泛。常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗（软氮化）等。常用的氮化方法又气体氮化、离子氮化、氮碳共渗（软氮化）等。 气体氮化是将工件放在密封的炉内加热，并通入氮气。渗碳的加气体氮化是将工件放在密封的炉内加热，并通入氮气。渗碳的加热温度低（小于热温度低（小于Ac1温度，钢的组织处于铁素体状态），因此工件变温度，钢的组织处于铁素体状态），因此工件变形小、氧化脱碳少。形小、氧化脱碳少。气体氮化的原理：气体氮化的原理：

26、 氨气在氨气在300以上是便可以受热分解出活性氮原子，以上是便可以受热分解出活性氮原子， 即：即：2NH33H2+2N 活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和化合物。活性氮原子被钢的表面吸收，形成固溶体和化合物。气体氮化的温度：气体氮化的温度： 如果渗氮的目的是为了获得高的硬度、高耐磨性和高的疲如果渗氮的目的是为了获得高的硬度、高耐磨性和高的疲劳强度，则氮化温度为劳强度，则氮化温度为500570，氮化时间为，氮化时间为3050h。 如果渗氮的目的是单纯提高零件的抗腐蚀性能，则氮化温如果渗氮的目的是单纯提高零件的抗腐蚀性能，则氮化温度宜为度宜为590720 ，。，。气体氮化的工艺路线：气体氮化的工艺路线： 锻造锻造退火退火机械粗加工机械粗加工调质调质半精加工半精加工去应力去应力退火退火粗磨粗磨氮化氮化精磨精磨说明：说明： 为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过为保证零件的心部具有良好的综合力学性能，氮化前要经过调质处理；调质处理； 为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。为减少在氮化中的变形，在切削加工后要进行去应力退火。氮化作为最后工序氮化作为最后工序钢的氮化层显微组织钢的氮