第五章钢的热处理

1、 第五章 钢的热处理 热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理能显著提高钢的力学性能，满足零件使用要求和延长寿命；还可改善钢的加工性能，提高加工质量和劳动生产率。热处理在机械制造中应用很广，汽车、拖拉机中有70%80%的零件要进行热处理，各种刀具、具、模具等几乎100%要进行热处理，注：与铸造、压注：与铸造、压力加工、焊接和切削加工等不同，热处理不改变工件力加工、焊接和切削加工等不同，热处理不改变工件的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强的形状和尺寸，只改变工件的性能，如提高材料的强度和硬度，增加耐磨性，或者改变材料的塑性度和硬

2、度，增加耐磨性，或者改变材料的塑性热处理的原理及分类 现象：现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断；放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈而不断裂。 钢丝的水冷与空冷钢丝的水冷与空冷 实验说明：实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相同，但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同的变化。 热处理按目的与作用不同，分为以下三类：(1)整体热处理（常规热处理）， 指对工件整体进行穿透加热的热处理，主要包括退火、正火、淬火和回火等。(2)表面热处理指为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。主要包括火

3、焰淬火、感应淬火等。(3)化学热处理 指将工件置于适当的活性介质中加热、保温、使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理。主要包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。 热处理方法很多，其工艺都由加热、保温和冷却三个阶段组成，可以用“温度时间”为坐标的曲线来表示，称为热处理工艺曲线。热处理及工艺曲线热处理及工艺曲线一、退火与正火一、退火与正火机械零件一般的加工工艺顺序：机械零件一般的加工工艺顺序： 作用：作用：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬火回火）做好组织准备。 第一节钢的退火与正火钢在加热时的组织转变钢在加热时

4、的组织转变钢在加热和冷却时的相变温度钢在加热和冷却时的相变温度 在加热时钢的转变温度要高于平衡状态下的临界点；在冷却时要低于平衡状态下的临界点。 加热时的各临界点：Ac1、Ac3和Accm 冷却时的各临界点：Ar1、Ar3和Arcm 一、钢的退火 退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火目的：降低钢的硬度，细化晶粒，消除内应力，改善组织。根据钢的成分和退火目的不同(1)完全退火 (2)等温退火(3)球化退火 (4)去应力退火(5)均匀化退火 (1)完全退火将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。 目的：降低硬度、细化晶粒、消除应力、为最终热处理作

5、组织准备。加热温度：Ac3以上2040。应用范围：亚共析钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊件等。需说明的是不能用于过共析钢。 ()等温退火工件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保持适当的时间，较快地冷却到珠光体转变区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。 目的：同完全退火，但可缩短退火时间且得到均匀的组织和性能。 加热温度：Ac3(Ac1)以上2040。 应用范围：亚共析、过共析碳钢，合金钢的铸件、锻件等。 ()球化退火为使工件中的碳化物球状化而进行的退火。 目的：使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，降低硬度，利于切削加工，为以后淬火作组织准备。

6、 加热温度：Ac1以上2040。 应用范围：过共析钢和合金工具钢、轴承钢等。需说明的是，对网状二次渗碳体严重的钢，球化退火前应先进行正火处理。 ()去应力退火为去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残留应力而进行的退火。 目的：消除内应力，稳定尺寸，较少变形。 加热温度：Ac1以下温度，一般500650。 应用范围：铸件、锻压件、焊件、切削加工件等。需说明的是加热温度低于Ac1，钢不发生相变。2 2正火正火 正火是将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。 正火目的与退火目的基本相同。正火与退火区别是正火冷却速度较快，得到的珠光体晶粒较细，硬度和强度较退火的高；操作

7、简便，生产周期短，成本较低。正火的应用与退火一样锻造（铸造）正火（退火）粗加工（半精加工）对合金调质钢，正火获得均匀而细密的组织，为调质处理（淬火加高温回火）做好组织准备；对过共析钢，正火可消除网状渗碳体，为球化退火做好组织准备；对低碳钢或低碳合金钢，正火可细化晶粒，提高硬度，改善其切削加工性（适宜的切削加工硬度为170230HBS）；对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零件，淬火容易开裂时，也可用正火作为最终热处理。2 2奥氏体的形成奥氏体的形成 钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒长大两个过程。 形核 长大 残余渗碳体溶解 均匀化 3 3奥氏体晶粒的长大奥氏体晶粒的长

8、大 晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行。二、钢在冷却时的组织转变二、钢在冷却时的组织转变 两种冷却方式：两种冷却方式： 等温处理等温处理 连续冷却连续冷却1 1奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变 奥氏体在A1线以上是稳定相，当冷却到A1线以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体过冷奥氏体。这是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。这种转变就称为奥氏体的等温转变奥氏体的等温转变。 43 热处理的基本方法一、退火与正火二、淬火与回火一、退火与正火一、退火与正火机械零件一般的加工工艺顺序：机械零件一般的加工工艺顺序： 作用：作用：消除前一工

9、序所造成的某些组织缺陷及内应力，可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬火回火）做好组织准备。 1 1退火退火 退火退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。常用退火方法：常用退火方法：l完全退火完全退火l球化退火球化退火l去应力退火去应力退火 退火目的：退火目的：l 降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工l 细化晶粒，均匀组织，为后续热处理作好组织上的准备l 消除残余内应力，防止工件的变形与开裂 2 2正火正火 正火正火将钢加热到c3或ccm以上3050，保温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法。 亚共析钢：亚共析钢：正火目的是细化晶

10、粒，均匀组织，提高机械性能。 力学性能要求不高的普通结构零件：力学性能要求不高的普通结构零件：正火可作为最终热处理。 低、中碳结构钢：低、中碳结构钢：调整硬度，改善切削加工性能。 高碳过共析钢：高碳过共析钢：正火的目的是消除网状渗碳体，有利于球化退火，为淬火做好组织准备。 加热温度范围 热处理工艺曲线 11完全退火完全退火 22球化退火球化退火 33去应力退火去应力退火 44正火正火 二、淬火与回火二、淬火与回火 1 1钢的淬火钢的淬火 淬火淬火将钢件加热到Ac3或Ac1 以上的适当温度，经保温后快速冷却（冷却速度大于v临），以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。 目的：目的：获得马氏体组织

11、，提高钢的强度、硬度和耐磨性。 （1 1）淬火加热温度的选择）淬火加热温度的选择 碳钢淬火温度范围 亚共析钢：亚共析钢：Ac3以上3050 （过）共析钢（过）共析钢 ：Ac1以上3050 （2 2）淬火冷却介质的选择）淬火冷却介质的选择 淬火的冷却速度必须大于该钢种的临界冷却速度。 冷却中要避免引起钢件的变形和开裂。 冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢快慢” 。（3 3）常用的淬火方法）常用的淬火方法 l 单液淬火法l 双介质淬火l 马氏体分级淬火l 贝氏体等温淬火 （4 4）钢的淬透性与淬硬性）钢的淬透性与淬硬性 淬透性淬透性规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。 淬硬性淬

12、硬性钢在理想的淬火条件下，获得马氏体后所能达到的最高硬度。 取决于钢的临界冷却速度，临界冷却速度越低，则钢的淬透性越好。钢的临界冷却速度又主要取决于其化学成份。 取决于含碳量的高低。低碳钢淬火的最高硬度低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度高，则淬硬性好。 （5 5）钢的淬火缺陷）钢的淬火缺陷 l 氧化与脱碳l 过热和过烧l 变形与开裂l 硬度不足l 软点 2 2钢的回火钢的回火 回火回火将淬火后的钢重新加热到Ac1点以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 l 降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。 l 调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发生形状和尺寸的改变。 l 获

13、得不同需要的机械性能。 目的：目的：（2 2）回火的分类及应用）回火的分类及应用l 低温回火l 中温回火l 高温回火 调质调质生产中淬火及高温回火相结合的热处理工艺。 44 钢的表面热处理一、表面淬火二、化学热处理汽车变速齿轮 传动齿轮轴 一、表面淬火一、表面淬火 表面淬火表面淬火仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。 原理：原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。 适用：适用：中碳钢、中碳合金钢。 方法：方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触加热表面淬火、激光加热表面淬火。 1 1火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 应用氧乙炔（或其他可燃气体

14、）火焰对零件表面进行快速加热并随之快速冷却的工艺。 特点：特点：加热温度及淬硬层深度不易控制，易产生过热和加热不均匀，淬火质量不稳定。不需要特殊设备，适用于单件或小批量生产。 2 2感应加热表面淬火感应加热表面淬火 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面受到局部加热，并进行快速冷却的淬火工艺。 特点：特点： （1）加热速度快。 （2）淬火质量好。 （3）淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化，适用于大批量生产。 二、化学热处理二、化学热处理 化学热处理化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。 不仅改变了钢的

15、组织，而且表面层的化学成分也发生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。 根据渗入元素分：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。 1 1化学热处理的过程化学热处理的过程分解 吸收 扩散 2 2钢的渗碳钢的渗碳 钢的渗碳钢的渗碳将钢件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 目的：目的：提高钢件表层的含碳量。 渗碳后处理：渗碳后处理：淬火及低温回火。 工艺路线：工艺路线：锻造正火机械加工渗碳淬火+低温回火分类：分类：固体渗碳、盐浴渗碳、气体渗碳 气体渗碳气体渗碳将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。 3 3钢的渗氮钢的渗氮 渗氮渗氮在一定温度下， 使活性氮原子渗入工件表

16、面的化学热处理工艺。 目的：目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。 （1 1）渗氮与渗碳相比具有以下特点：）渗氮与渗碳相比具有以下特点： l 渗氮层具有很高的硬度和耐磨性l 渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性l 渗氮比渗碳温度低，工件变形小 渗氮工件的工艺路线：渗氮工件的工艺路线： （2 2）渗氮方法）渗氮方法 l 气体渗氮 工件在气体介质中进行渗氮。它将工件放入密闭的炉内，加热到500600，通入氨气（NH3），氨气分解出活性氮原子。 l 离子渗氮 在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺。 4 4碳氮共渗碳氮共渗 碳氮共渗碳氮共渗在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入工件表层奥氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。45