第4章 金属材料热处理

1、第第4章章 金属材料热处理金属材料热处理 热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。表面热处理（表面淬火和化学热处理）。 4.1 4.1 退火与正火退火与正火 4.1.1.4.1.1.退火退火 退火是将钢加热到一退火是将钢加热到一定温度，保温后炉冷，使定温度，保

2、温后炉冷，使之获得接近平衡状态的组之获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。织的热处理工艺。 在机械制造中，退火与正火通常用作为预备热处理。赋予毛坯在机械制造中，退火与正火通常用作为预备热处理。赋予毛坯良好的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能上的准备。良好的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能上的准备。退火的目的是：退火的目的是：（1 1）降低硬度，改善切削）降低硬度，改善切削加工件。加工件。（2 2）消除残余应力。）消除残余应力。（3 3）细化晶粒，消除组织）细化晶粒，消除组织缺陷。缺陷。 （1 1）完全退火）完全退火 加热到加热到acac3 3以以上上30305050保温后，炉冷至保温后

3、，炉冷至500500以下再空冷的处理工艺。主要用于以下再空冷的处理工艺。主要用于亚共析钢和中、低碳合金钢。组织亚共析钢和中、低碳合金钢。组织为为f+pf+p。 （2 2）球化退火）球化退火 加热到加热到acac1 1以以上上20203030保温后，炉冷至保温后，炉冷至500500以下再空冷的处理工艺。球化退火以下再空冷的处理工艺。球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。主要用于过共析钢和合金工具钢。获得获得粒状珠光体粒状珠光体。 （3 3）扩散退火）扩散退火 加热在加热在acac3 3或或acaccmcm以上以上150150300300，长时间保温。，长时间保温。扩散退火后需要再进行完全退火或扩

4、散退火后需要再进行完全退火或正火。正火。 （4 4）去应力退火是将工件加热）去应力退火是将工件加热至至500500650650保温后随炉缓慢冷却。保温后随炉缓慢冷却。用于铸件、焊件等。用于铸件、焊件等。 4.1.2.4.1.2.正火正火 加热温度为加热温度为acac3 3或或acaccmcm以上以上30305050，保温后空冷。由于正火比，保温后空冷。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。硬度较高。 正火的应用：正火的应用： 提高低碳钢提高低碳钢( (低合低合金钢金钢) )硬度，改善切削加硬度，改

5、善切削加工性能。工性能。 消除过共析钢的网消除过共析钢的网状碳化物。状碳化物。 某些受力不大，性某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，可作为最终碳合金钢件，可作为最终热处理。热处理。退火与正火工艺规范比较退火与正火工艺规范比较 4.2 4.2 钢的淬火钢的淬火 将钢加热到将钢加热到acac1 1或或acac3 3以上，保温一定时间，然后快速冷却以获以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为得马氏体组织的热处理工艺称为淬火淬火。 4 42 21 1 淬火加热温度和淬火加热温度和加热时间加热时间 应以得到细而均匀的奥应以得到细而均匀的奥氏体晶

6、粒为原则，以便冷却氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。后获得细小的马氏体组织。 亚共析钢的淬火加热温亚共析钢的淬火加热温度通常为度通常为acac3 3以上以上30305050；过共析钢的淬火加热温度通过共析钢的淬火加热温度通常为常为acac1 1以上以上30305050。 加热时间与加热温度、加热时间与加热温度、加热速度、成分、零件形状加热速度、成分、零件形状和尺寸、装炉方式等有关。和尺寸、装炉方式等有关。 4 42 23 3 淬火冷却方法淬火冷却方法 通常的淬火方法包括单液淬通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。淬火等。 4 42

7、 22 2 淬火冷却介质淬火冷却介质 常用的淬火冷却介质是水常用的淬火冷却介质是水和油。和油。 水主要用于形状简单、截水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。面较大的碳钢零件的淬火。 油一般用作合金钢的淬火油一般用作合金钢的淬火冷却介质。冷却介质。 盐浴也常用作淬火介质，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。主要用于分级淬火和等温淬火。 4.3 4.3 钢的表面淬火钢的表面淬火 表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持

8、淬火前组织的热处理方法。法。 4.3.1 4.3.1 感应加热表面淬火感应加热表面淬火 感应加热是利用电磁感应原理。感应加热是利用电磁感应原理。 高频高频 100500khz 0.52.0mm100500khz 0.52.0mm 中频中频 2.58khz 210mm2.58khz 210mm 工频工频 50hz 1015mm50hz 1015mm 特点：加热速度快、时间短、氧化特点：加热速度快、时间短、氧化脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，表面层具有较大的残余压应力，可提高表面层具有较大的残余压应力，可提高疲劳强度。疲劳强度。 4.3.2 4.3.2 火焰加热

9、表面淬火火焰加热表面淬火 利用乙炔利用乙炔- -氧或其他气体火焰加热。淬硬层为氧或其他气体火焰加热。淬硬层为28mm28mm。 4.4 4.4 钢的回火钢的回火 将淬火后的钢件加热到将淬火后的钢件加热到acac1 1以下某一温度，保温一定时间后冷以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。却至室温的热处理工艺叫回火。 441 回火目的回火目的（1）消除或降低应）消除或降低应力，防止变形或开力，防止变形或开裂。裂。（2）调整性能（硬）调整性能（硬度）度）（3）稳定组织，稳）稳定组织，稳定形状和尺寸，保定形状和尺寸，保证精度。证精度。 4.4.2 4.4.2 回火组织转变及性能变化回

10、火组织转变及性能变化 1.1.钢在回火时的组织转变钢在回火时的组织转变 (1)(1)马氏体的分解（马氏体的分解（200200以下）以下） 100100以上回火，马氏体开始发生分解，以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和从过饱和固溶体中析出弥散的固溶体中析出弥散的碳化物。碳化物。一定饱和度的一定饱和度的固溶体和弥散分布的固溶体和弥散分布的碳碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体。化物组成的复相组织，称为回火马氏体。 (2) (2)残余奥氏体分解残余奥氏体分解(200 (200 300)300) 在在200200300300之间回火时，钢中的残之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的

11、余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的固溶体和固溶体和碳化物组成的复相组织，相碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。当于回火马氏体或下贝氏体。 (3)渗碳体的形成渗碳体的形成(250400) 在在300300400400范围内回火，范围内回火，碳碳化物将向渗碳体转变。由饱和针状的化物将向渗碳体转变。由饱和针状的固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成固溶体和细小颗粒状的渗碳体组成的组织称为回火托氏体。的组织称为回火托氏体。 (4)渗碳体的聚集长大渗碳体的聚集长大(400以上以上) 回火温度升高到回火温度升高到400400以上，渗碳以上，渗碳体明显聚集长大。由等轴的体明显聚集长大。由等轴的相和小

12、相和小颗粒粒状的渗碳体组成的组织称为回颗粒粒状的渗碳体组成的组织称为回火索氏体。火索氏体。 2.回火后的组织和回火后的组织和性能性能(1)(1)回火马氏体回火马氏体(250 (250 以下以下) )(2)(2)回火托氏体回火托氏体(350500 )(350500 )(3)(3)回火索氏体回火索氏体(500650 )(500650 ) 1. 1.低温回火低温回火 在在150150250250之间。获得回之间。获得回火马氏体（还有其他组织），使火马氏体（还有其他组织），使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。钢具有高的硬度、强度和耐磨性。用于高硬度和高耐磨性的工件，用于高硬度和高耐磨性的工件，如工具、滚动

13、轴承等。如工具、滚动轴承等。 2.2.中温回火中温回火 在在350350500500之间，组织为之间，组织为回火托氏体。具有高的弹性极限，回火托氏体。具有高的弹性极限，用于各种弹簧件。用于各种弹簧件。 3. 3.高温回火高温回火 在在500500650650之间，得到回之间，得到回火索氏体。具有高的综合力学性火索氏体。具有高的综合力学性能。用于制作轴、连杆、螺栓及能。用于制作轴、连杆、螺栓及齿轮等重要零件。齿轮等重要零件。 4.4.3 4.4.3 回火工艺及应用回火工艺及应用 钢在某些温度范围内回火时，其钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降的现象。冲击韧性显著下降的现象。 在在2502

14、50400400回火时出现的脆回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一类回性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性；火脆性； 为了防止低温回火脆性，通常的为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。办法是避免在脆化温度范围内回火。 在在450450650650温度范围内回火温度范围内回火后缓冷时出现的脆性称为高温回火脆后缓冷时出现的脆性称为高温回火脆性，也叫第二类回火脆性。性，也叫第二类回火脆性。 防止和减弱第二类回火脆性的主防止和减弱第二类回火脆性的主要措施要措施: 合金钢回火后快速冷却合金钢回火后快速冷却;在钢中加在钢中加mo、w等合金元素等合金元素; 4.4.4 4.4.

15、4 回火脆性回火脆性 4.5 4.5 钢的淬透性钢的淬透性 4.5.1 4.5.1 钢的淬透性钢的淬透性 钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。 淬硬层深度是从淬硬的工件表面量变至规定的硬度值处的垂直淬硬层深度是从淬硬的工件表面量变至规定的硬度值处的垂直距离。距离。dhrcj淬透性的影响因素：淬透性的影响因素： 碳含量碳含量 共析钢淬透性最好。共析钢淬透性最好。合金元素合金元素 除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，提高钢的淬透性。除钴以外的合金元素溶

16、于奥氏体后，提高钢的淬透性。奥氏体化温度奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，增加其淬透性。提高奥氏体化温度，增加其淬透性。钢中未溶第二相钢中未溶第二相 降低淬透性。降低淬透性。 淬透性可用淬透性可用“末端淬火法末端淬火法”测定测定。其表示法：。其表示法： d d表示淬透性表示淬透性曲线上测试点至水曲线上测试点至水冷端的距离冷端的距离,hrc,hrc为为该处的硬度值。该处的硬度值。 4.5.2 4.5.2 淬透性的测定方法淬透性的测定方法 生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径

17、（即径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用心部被淬成半马氏体的最大直径），用d do o表示。在相同冷却条件下表示。在相同冷却条件下，d do o越大，钢的淬透性越好。越大，钢的淬透性越好。 钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。要决定于马氏体的碳含量。 (1)(1)动载和交变载荷下动载和交变载荷下 (2)(2)弹簧类零件弹簧类零件 (3)(3)轴类零件轴类零件 (4)(4)工具类零件工具类零件 4.5.1 4.5.1 淬透性与选材的关系淬透性与选

18、材的关系4.6 固溶处理与时效强化固溶处理与时效强化固溶处理固溶处理:图中图中n-m间的合金间的合金+ 时效强化时效强化:在室温下放置或低在室温下放置或低温加热时，温加热时， + 脱溶相脱溶相 造成强度和硬度会明显升高。造成强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。这种现象称为时效或时效硬化。时效需满足的条件时效需满足的条件: 对合金元素具有一定的溶对合金元素具有一定的溶解度；解度； 固溶体中溶质的溶解度必固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。须随温度的降低而显著降低。wc为为4%的的al-cu合金的时效曲线合金的时效曲线加热加热水冷水冷 4.7 4.7 钢的化学热处理钢的化

19、学热处理 化学热处理：钢件化学热处理：钢件 活性介质中保温活性介质中保温 原子渗入工件原子渗入工件表面表面 改变表层化学成分和组织改变表层化学成分和组织 改进表面性能。改进表面性能。 基本过程：基本过程：化学介质的分解；化学介质的分解；活性原子被钢件表面吸收活性原子被钢件表面吸收和溶解；和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。 4.7.1 4.7.1 钢的渗碳钢的渗碳 将钢放入渗碳的介质中加热并保将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是获得表面高硬艺称为渗碳。其目的是获得表面

20、高硬度、耐磨性，心部良好韧性的配合。度、耐磨性，心部良好韧性的配合。 1.1.渗碳方法渗碳方法 渗碳方法有气体渗碳、渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。的是气体渗碳法。 渗碳温度渗碳温度930930左右，表层碳量控左右，表层碳量控制在制在1%1%左右。左右。 2.2.渗碳后的组织渗碳后的组织 渗后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析渗后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织、共析组织、亚共析组织的过渡区，直至心部的原始组织。组织、共析组织、亚共析组织的过渡区，直至心部的原始组织。 3.3.渗碳后的热处理渗碳后的热处理 渗碳后的热处理

21、方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。火法。 热处理后的组织热处理后的组织 ：表层回火马氏体表层回火马氏体+碳化物碳化物+ar；心部取决淬透性；心部取决淬透性 4.7.3 4.7.3 钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。间。 4.7.2 4.7.2 钢的渗氮钢的渗氮 渗氮是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工渗氮是指在

22、一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。生艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。生产中应用较多的是气体渗氮。产中应用较多的是气体渗氮。 进入下一节进入下一节4.8热处理零件的结构工艺性和技术条件标注热处理零件的结构工艺性和技术条件标注4.8.1热处理零件的结构工艺性热处理零件的结构工艺性 (1)力求避免尖角、棱角力求避免尖角、棱角(2)截面厚薄尽量均匀截面厚薄尽量均匀(3)形状尽量对称和封闭形状尽量对称和封闭(4)采用组合结构采用组合结构 5 热处理技术条件的标注热处理技术条件的标注附加分类附加分类工艺代号工艺代号加工方法加工方法工艺名称工艺名称工艺类型工艺类型热处理热处理基础分类基础分类工艺代号工艺代号4.8.2热处理技术条件的标注热处理技术条件的标注表表4.6热处理工艺分类及代号热处理工艺分类及代号工艺工艺名称名称代代号号工艺工艺类型类型代代号号 工艺名称工艺名称代代号号 加热方加热方 法法代号代号 热热 处处 理理 5 整整 体体 热热 处处 理理 1退火退火1 加热炉加热炉 感应感应 1 2正火