第九章钢的热处理工艺_张庆安_金属学与热处理

1、本章目的本章目的 介绍钢的常用热处理工艺及其应用介绍钢的常用热处理工艺及其应用本章重点本章重点（1）各类热处理）各类热处理(退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火)工艺工艺组织性能应用的规律和特点组织性能应用的规律和特点（2）淬透性、淬硬性的概念与应用）淬透性、淬硬性的概念与应用第九章第九章 钢的热处理工艺钢的热处理工艺金属材料加工过程金属材料加工过程 冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷轧冷拔冷拔深冲深冲锻件锻件铸件铸件机加工机加工零零件件或或构构件件 工艺性能工艺性能 预备热处理预备热处理 使用性能使用性能 最终热处理最终热处理热轧热轧热锻热锻热处理分类

2、热处理分类n普通热处理：退火、正火普通热处理：退火、正火 淬火、回火淬火、回火n表面热处理：表面淬火表面热处理：表面淬火 化学热处理化学热处理n形变热处理：控制轧制形变热处理：控制轧制9-1 钢的退火与正火钢的退火与正火一一 退火退火1 定义：钢加热到适当温度，保温一定时间定义：钢加热到适当温度，保温一定时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡组后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡组织的工艺织的工艺。 参见教材定义中参见教材定义中“高于或低于高于或低于AC1”，是，是为了区分有无相变的两种退火，但并不妥为了区分有无相变的两种退火，但并不妥AC1S 2 分类分类（1）高温退火）高温退火 （相变重结晶

3、退火）（相变重结晶退火） T加热加热AC1（2）低温退火）低温退火 T加热加热AC1完全退火完全退火不完全退火不完全退火球化退火球化退火等温退火等温退火扩散退火扩散退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火3 退火目的退火目的总体：改善组织，提高性能总体：改善组织，提高性能 降低硬度，改善切削加工性能。通常降低硬度，改善切削加工性能。通常适合机加工的硬度范围为适合机加工的硬度范围为150250HB 细化晶粒；均匀组织细化晶粒；均匀组织 消除内应力消除内应力 注：目的注：目的 时，常用正火代退火时，常用正火代退火 工艺规范工艺规范特点特点目的目的适用范围适用范围 工艺：工艺：完全奥完全奥氏体化

4、氏体化组织：组织：层片状层片状珠光体珠光体 硬度，改硬度，改善切削加工善切削加工性能性能 细化晶粒；细化晶粒；消除内应力；消除内应力；减轻组织不减轻组织不均匀性均匀性(消除消除魏氏组织等魏氏组织等) 亚共析钢、合亚共析钢、合金钢的铸、锻、金钢的铸、锻、热轧、焊件的热轧、焊件的预备热处理预备热处理(切切削加工前削加工前或或热热处理前处理前的预备的预备热处理热处理)4 退火工艺及特点退火工艺及特点 AC3 +20-30 AC3 AC1 tT(1) 完全退火完全退火注：目的不同，组织控制注：目的不同，组织控制(珠光体片间距珠光体片间距)不同不同原因：粗片状原因：粗片状P原因：重结晶原因：重结晶45钢

5、锻造后与完全退火后机械性能钢锻造后与完全退火后机械性能状态状态b(Mpa)s(Mpa)(%)(%)k (kJ.m-2)HB锻造锻造6507503004005152040200400230完全退火完全退火60070030035015204050400600200 完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高较大幅度提高主要目的：改善组织与加工性能主要目的：改善组织与加工性能晶粒细化的原因晶粒细化的原因40钢退火前后金相组织钢退火前后金相组织完全退火完全退火相变重结晶过程相变重结晶过程 工艺规范工艺规范特点特点目的目的适用范围适用范围 工艺：工艺：不完全奥不完全

6、奥氏体化氏体化组织：组织：球状球状(粒状粒状)珠光体珠光体 降低降低(过过)共析钢硬共析钢硬度适合切度适合切削削为最终为最终热处理做热处理做组织准备组织准备含碳量较高含碳量较高的工、模具的工、模具钢的预备热钢的预备热处理处理 AC1 +20-30 ACm或或AC3 AC1 tT (2) 球化退火球化退火 不完全退火的一种不完全退火的一种工艺关键工艺关键 Fe3C形态控制形态控制 球的大小控制球的大小控制 控制奥氏体化程度控制奥氏体化程度控制过冷奥氏体冷却转变的温度控制过冷奥氏体冷却转变的温度片状与球状珠光体组织切削性能比较片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状层片状珠光体珠光体粒粒(球球)状状

7、珠光体珠光体刀具刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较钢球化退火与完全退火的性能比较 球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工削加工状态状态b(Mpa)(%)(%)HB完全退火完全退火8101530230球化退火球化退火6202040160T12钢完全退火与球化退火后性能比较钢完全退火与球化退火后性能比较T12钢完全退火与球化退火后组织比较钢完全退火与球化退火后组织比较完全退火、球化退火工艺缺陷完全退火、球化退火工艺缺陷 生产周期长；且为变温转变，故所得组织、球生产周期长；且为变温转

8、变，故所得组织、球大小不均，为此大小不均，为此 开发出等温转变开发出等温转变(3) 等温退火等温退火是完全退火、球化退火工艺的改进是完全退火、球化退火工艺的改进普通退火普通退火等温完全退火等温完全退火等温球化退火等温球化退火 AC3 +20-30 AC3 Ar1 tTAc1 AC1 +20-30 Ar1 -20-30 高速钢等温退火与普通退火工艺曲线高速钢等温退火与普通退火工艺曲线870-880 tT4h3h等等温温退退火火普普通通退退火火40 /h720-740 炉冷炉冷15 /h空空冷冷空空冷冷 等温退火优势等温退火优势 (1) 缩短工艺时间：高速钢缩短工艺时间：高速钢 40h20h （2

9、）组织均匀：碳化物球大小一致）组织均匀：碳化物球大小一致工艺工艺规范规范特点特点目的目的适用适用范围范围 (1)高温、长高温、长时间时间(2)需再经重需再经重结晶工艺结晶工艺(完完全退火或正全退火或正火火)以细化晶以细化晶粒粒消除或消除或减轻偏减轻偏析、带析、带状组织状组织等等合金钢合金钢锭大型锭大型铸钢件铸钢件tTAC3或或ACm+ 200-300AC3或或ACm(4) 扩散扩散(均匀化均匀化)退火退火工艺工艺名称名称工艺规范工艺规范目的目的适用范围适用范围再结再结晶退晶退火火 消除加工消除加工硬化硬化 完全消除完全消除残余应力残余应力冷塑性变形冷塑性变形件件去应去应力退力退火火消除内应力，

10、消除内应力，防工件变形防工件变形铸、锻、焊、铸、锻、焊、冲压、机加冲压、机加工件工件(5) 再结晶退火与去应力退火再结晶退火与去应力退火AC1650-700 300-650 tT二二 正火目的、用途和工艺正火目的、用途和工艺 1 定义定义 钢加热到钢加热到AC3 或或ACm以上的以上的A区域，区域，保持一定时间后在空气中冷却，以获得保持一定时间后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺接近平衡状态组织的工艺 又称常化又称常化正火正火 退火退火正火与退火的区别正火与退火的区别 加热温度较高加热温度较高 冷却速度较快冷却速度较快 获得组织较细获得组织较细(索氏体索氏体) 强硬度与塑韧性较高强硬度

11、与塑韧性较高 生产效率较高生产效率较高正火正火 退火退火碳钢正火与退火后的硬度（碳钢正火与退火后的硬度（HB）状态状态结构钢结构钢 软的软的 中等的中等的 硬的硬的工具钢工具钢退火退火正火正火125140160190185230220270正火与退火态正火与退火态45钢机械性能钢机械性能状态状态b(MPa)(%)k (J.cm-2)HB正火正火70080015205080220完全退火完全退火65070015204060180注：正火态强硬度与塑韧性均较高注：正火态强硬度与塑韧性均较高2 目的目的 细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷 提高低碳钢硬度，改善切削加工性能提

12、高低碳钢硬度，改善切削加工性能 消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备火作组织准备 型材或大型复杂铸钢件的最终热处理型材或大型复杂铸钢件的最终热处理三三 正火与退火的选用正火与退火的选用 C%0.75% 球化退火球化退火 C%0.9% 有网状碳化物有网状碳化物 正火正火(消网消网)球化退火球化退火注意注意 1 退火与正火退火与正火珠光体类型组织的应用珠光体类型组织的应用 2 能用正火处则不用退火能用正火处则不用退火 正火可作为大件或不重要工件的最终正火可作为大件或不重要工件的最终热处理，而退火一般不作为最终热处理热处理，而退火一般不作为最终热处理9-2

13、 钢的淬火与回火钢的淬火与回火淬火：将钢件加热到淬火：将钢件加热到AC3 或或AC1以上，使发以上，使发生奥氏体化，以生奥氏体化，以 V冷冷 VC急剧冷却，获急剧冷却，获马氏体组织马氏体组织等温淬火等温淬火 AC1 MS VC VC 淬火淬火 但等温淬火但等温淬火获得获得B下下弹簧钢铅浴淬火弹簧钢铅浴淬火获得索氏体获得索氏体1 加热温度加热温度 通常淬火加热温度的选择主要根据钢通常淬火加热温度的选择主要根据钢种是亚共析钢还是过共析钢而定，基种是亚共析钢还是过共析钢而定，基本原则是亚共析钢采取完全奥氏体化，本原则是亚共析钢采取完全奥氏体化，过共析钢采取不完全奥氏体化过共析钢采取不完全奥氏体化一一

14、 淬火加热工艺参数的选择淬火加热工艺参数的选择（1）化学成分）化学成分 亚共析钢：亚共析钢： AC3 +20-30 过共析钢：过共析钢： AC1 +20-30 AC1 ACmAC3M+ARAM+AR+A+Fe3C(C)()A+FM+FFe3C过共析钢为何不采取完全奥氏体化？过共析钢为何不采取完全奥氏体化？若若T Acm C%，MS；AR 粗大粗大M 氧化脱碳氧化脱碳，变形开裂，变形开裂低合金钢：低合金钢： AC3 或或AC1 +50-100 高合金钢：高合金钢： AC3 或或AC1 +300-400 （2）还需综合考虑工件尺寸、形状、淬）还需综合考虑工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等因素

15、火介质、晶粒长大倾向等因素6008001280 W18Cr4VTt2 保温时间保温时间 保温保温= 升温升温+ 热透热透+转转 3 淬火介质淬火介质（1）淬火介质的要求）淬火介质的要求 鼻点冷速大鼻点冷速大, MS附近冷速小附近冷速小 稳定，成本低稳定，成本低 安全、无毒、不腐蚀工件安全、无毒、不腐蚀工件TA1MS水水油油 (2) 常用淬火介质常用淬火介质 水水 鼻温：鼻温：150/S； Ms：450 /S 优点：冷却能力强；成本低优点：冷却能力强；成本低 缺点：缺点：M 转变温区冷速过大，变形转变温区冷速过大，变形 应用：小尺寸、形状简单碳钢件应用：小尺寸、形状简单碳钢件 油油 Vmax：1

16、00-250 /S 出现在出现在400-500 鼻温：鼻温：6070/S；Ms：50 /S 优点：优点：M转变温区冷速小，不易变形转变温区冷速小，不易变形 缺点：鼻温区冷速过小，淬不透缺点：鼻温区冷速过小，淬不透 应用：合金钢件应用：合金钢件 10%NaCl水溶液水溶液 15%NaOH水溶液水溶液 5%Na2CO3水溶液水溶液 使蒸汽膜提前破裂，改进了使蒸汽膜提前破裂，改进了单一水介质由于蒸汽膜出现，使单一水介质由于蒸汽膜出现，使传热性能下降的现象，提高了冷传热性能下降的现象，提高了冷却能力。但有一定腐蚀性却能力。但有一定腐蚀性 盐水与碱水盐水与碱水2钢的淬透性钢的淬透性为什么引入为什么引入“

17、淬透性淬透性”概念概念V表V心VC淬透层深度淬透层深度VCV表V心1 钢的淬透性概念钢的淬透性概念 淬透层深度：由工件表面淬透层深度：由工件表面半马氏体半马氏体点点(50%M)的深度的深度 指奥氏体化的钢在淬火时获得马指奥氏体化的钢在淬火时获得马氏体的能力，具体用钢在一定条件下氏体的能力，具体用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度表示其大小，淬火获得的淬透层深度表示其大小，越深，淬透性越高越深，淬透性越高硬度测量法：硬度测量法：50%M的硬度的硬度 C%淬透层深度淬透层深度50%M淬透性与淬透层深度的差别淬透性与淬透层深度的差别影响淬透性的因素：与影响影响淬透性的因素：与影响 C 曲线因曲线因素

18、一致，具体与钢种以及奥氏体化的素一致，具体与钢种以及奥氏体化的条件有关条件有关实际淬透层深度：除与淬透性有关外，实际淬透层深度：除与淬透性有关外，还与工件大小、淬火介质等紧密相关还与工件大小、淬火介质等紧密相关淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示，具体主要取体可能得到的最高硬度表示，具体主要取决于马氏体中的决于马氏体中的 碳含量碳含量 2 淬透性与淬硬性淬透性与淬硬性淬透性：取决于钢的临界冷却速度，具体主淬透性：取决于钢的临界冷却速度，具体主要与钢中的合金元素种类及数量有关要与钢中的合金元素种类及数量有关 例：例：T10、15Mn

19、VB淬透性与淬硬性比较淬透性与淬硬性比较3 淬透性测定方法淬透性测定方法（1）顶端淬火法）顶端淬火法 25100（2）临界淬火直径）临界淬火直径临界淬火直径：钢在某种淬火介质中能临界淬火直径：钢在某种淬火介质中能完全淬透的最大直径完全淬透的最大直径(Dk)临界淬火直径测量方法临界淬火直径测量方法 C%半马氏体硬度半马氏体硬度 测该钢端淬曲线测该钢端淬曲线找出对应半马氏找出对应半马氏体硬度的体硬度的d端端值值 根据对零件淬透深度的实际要求根据对零件淬透深度的实际要求(淬淬透至透至1/2R、3/4R、中心等、中心等)从下图查出从下图查出对应的临界淬火直径对应的临界淬火直径DkTA1MS分分级级淬淬

20、火火双双液液淬淬火火等等温温淬淬火火单单液液淬淬火火三三 淬火方法淬火方法 1 单液淬火单液淬火 尺寸小、尺寸小、 形状简单的碳钢、合金钢件形状简单的碳钢、合金钢件 2 双液淬火（水淬油冷）双液淬火（水淬油冷） 尺寸较大碳钢件尺寸较大碳钢件3 分级淬火分级淬火 稍高于稍高于MS，盐浴，盐浴 小尺寸工模具、变形小、精密件小尺寸工模具、变形小、精密件淬火方法淬火方法4 等温淬火等温淬火特点：淬火热应力、组织应力小，变形小特点：淬火热应力、组织应力小，变形小 特别用于形状复杂、尺寸精密件特别用于形状复杂、尺寸精密件5 冷处理冷处理目的：目的： 减少减少AR%，HRC 稳定尺寸稳定尺寸 挽救挽救四四

21、钢的回火工艺钢的回火工艺1 回火工艺参数的选择回火工艺参数的选择 回火温度回火温度的选择的选择 （1）零件使用性能）零件使用性能硬度硬度回火温度回火温度（2）应力消除：）应力消除： T500，1h T200，2-3h 回火后冷却方式回火后冷却方式通常无要求，空冷即可。通常无要求，空冷即可。但如果是中高温回火，又是回火脆性敏感钢但如果是中高温回火，又是回火脆性敏感钢(例如含例如含Cr、Ni、Mn等等)，回火后需采取水或，回火后需采取水或油快冷方式油快冷方式 回火次数回火次数：高合金钢的多次回火：高合金钢的多次回火 回火温度对高碳低合金钢回火温度对高碳低合金钢(0.82C、0.84Mn)机械机械性

22、能的影响性能的影响 回火温度对低碳和中碳合金钢机械性能的影响回火温度对低碳和中碳合金钢机械性能的影响 a对低碳合金钢机械性能的影响对低碳合金钢机械性能的影响 b对中碳合金钢机械性能的影响对中碳合金钢机械性能的影响 2 回火种类回火种类 通常回火钢性能强烈取决于回火通常回火钢性能强烈取决于回火温度，不仅回火温度温度，不仅回火温度，内应力，内应力，同，同时强硬度时强硬度，而塑韧性，而塑韧性强韧性要求不同，回火温度不同强韧性要求不同，回火温度不同实用中根据温度不同划分回火种类实用中根据温度不同划分回火种类低温回火组织：回火马氏体低温回火组织：回火马氏体由片状过饱和由片状过饱和相相 +碳化物析出相构成

23、，碳化物析出相构成，且析出物与基体保持共格关系且析出物与基体保持共格关系 确保回火后仍具有高强度确保回火后仍具有高强度适量碳的析出以及某些缺陷的消除，使内适量碳的析出以及某些缺陷的消除，使内应力有较大程度下降应力有较大程度下降 回火后降低了脆性回火后降低了脆性（1）低温回火（）低温回火（150250）保持高强硬度保持高强硬度 微裂纹焊合微裂纹焊合 内应力和脆性内应力和脆性 韧性略韧性略 低碳钢：板条低碳钢：板条M，只有，只有C的偏聚的偏聚 高碳钢：淬火片状高碳钢：淬火片状M回火回火M 应用：应用： 工、模具钢工、模具钢 低碳马氏体钢低碳马氏体钢低温回火组织的性能低温回火组织的性能思考：回火马氏

24、体与淬火马氏体的差别思考：回火马氏体与淬火马氏体的差别 （2）中温回火（）中温回火（350500）中温回火组织：回火屈氏体中温回火组织：回火屈氏体 由条状或针状由条状或针状 (未再结晶，平衡未再结晶，平衡C含含量量)相与弥散析出、分布在相与弥散析出、分布在相基体上的相基体上的细粒状细粒状相构成相构成 尚未再结晶仍保留有高密度位错的尚未再结晶仍保留有高密度位错的基体，确保回火后仍具有高强度基体，确保回火后仍具有高强度 碳完全析出，内应力基本消除碳完全析出，内应力基本消除中温回火组织的性能中温回火组织的性能 基体已回复；内应力基体已回复；内应力 有很高的强韧性，弹性极限高有很高的强韧性，弹性极限高

25、应用：弹簧钢、热锻模应用：弹簧钢、热锻模思考：回火屈氏体与正火屈氏体的差别思考：回火屈氏体与正火屈氏体的差别 （3）高温回火（）高温回火（550680）高温组织：回火索氏体高温组织：回火索氏体 由已再结晶并等轴状的由已再结晶并等轴状的相（碳为平相（碳为平衡状态）以及均匀、弥散分布在其上的衡状态）以及均匀、弥散分布在其上的粒状或球化的粒状或球化的相构成相构成 碳的过饱和固溶强化以及位错亚结碳的过饱和固溶强化以及位错亚结构强化均消失，仅靠分布较理想的第二构强化均消失，仅靠分布较理想的第二相强化，强度相对下降，但塑韧性很高相强化，强度相对下降，但塑韧性很高高温回火组织的性能高温回火组织的性能 内应力

26、基本消除内应力基本消除 强度与韧性最佳配合强度与韧性最佳配合 综合机械性能高综合机械性能高 应用：重要结构件，轴、齿轮等应用：重要结构件，轴、齿轮等获得较高综合机械性能的工艺方法获得较高综合机械性能的工艺方法 调质处理：淬火调质处理：淬火+高温回火高温回火片状片状粒状粒状bSHRC(0.8%C),305020060040080010思考思考 高温退火或正火高温退火或正火获得的珠光体类型获得的珠光体类型组织与淬火后高温组织与淬火后高温或中温回火的组织或中温回火的组织之间在组织、性能之间在组织、性能上有何差别？上有何差别？五五 钢的淬、回火缺陷钢的淬、回火缺陷1 种类种类 变形、开裂、氧化、脱碳、

27、变形、开裂、氧化、脱碳、 硬度不足、软点、过热、过烧硬度不足、软点、过热、过烧 过热：晶粒粗大过热：晶粒粗大重结晶消除重结晶消除 过烧：晶界熔化或氧化过烧：晶界熔化或氧化无法挽回无法挽回 2 变形与淬火应力变形与淬火应力 变形方式：体积变化、弯曲翘曲。变形方式：体积变化、弯曲翘曲。 产生原因：加热或冷却中热胀冷缩产生原因：加热或冷却中热胀冷缩 组织转变不同步组织转变不同步内应力内应力 种种 类：热应力、组织应力类：热应力、组织应力 改进方法改进方法分级淬火、等温淬火分级淬火、等温淬火第九章第九章 习题与思考题习题与思考题 1 确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目确定下列钢件的退火方法，并指出退火