第十章 钢的热处理工艺金属学与热处理

1、第十章 钢的热处理工艺金属学与热处理金属学与热处理大多数机器零件在制造过程中都安排有一个预先的热处理大多数机器零件在制造过程中都安排有一个预先的热处理工序，其工艺路线一般如下：工序，其工艺路线一般如下：毛坯（铸、煅）毛坯（铸、煅）预先热处理预先热处理切削加工切削加工最终热处理最终热处理退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以退火是将钢加热到一定温度并保温一定时间以后，以缓慢缓慢的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态组织的热的速度冷却下来，使之获得达到或接近平衡状态组织的热处理工艺。处理工艺。 1.退火 第一节第一节 钢的退火与正火钢的退火与正火退火目的退火目的: :l调整硬度，便于切

2、削加工。适合加工的硬度为调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB170-250HB。l 消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。消除内应力和加工硬化，防止加工中变形。l 均匀组织、细化晶粒，为最终热处理（淬火）作组织准备。均匀组织、细化晶粒，为最终热处理（淬火）作组织准备。l(4)(4)对一些受力不大、性能要求不高的机器零件，可作为最终热对一些受力不大、性能要求不高的机器零件，可作为最终热处理处理l退火工艺的分类退火工艺的分类: :（1）完全退火）完全退火 ：AC3以上以上20-30 OC，适用于亚共析钢。，适用于亚共析钢。其目的是细化晶粒、消除内应力、降低硬度以改善切削加其目

3、的是细化晶粒、消除内应力、降低硬度以改善切削加工性能。工性能。低碳钢和过共析钢不适于完全退火！为什么？低碳钢和过共析钢不适于完全退火！为什么？ （2）等温退火）等温退火 等温退火的加热工艺与完全退火相同。等温退火的加热工艺与完全退火相同。“等温等温”的含义是，的含义是，发生珠光体转变时是在发生珠光体转变时是在Ar1以下珠光体转变区间的某一温以下珠光体转变区间的某一温度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效度等温进行。等温退火能有效缩短退火时间，提高生产效率并能获得均匀的组织和性能。率并能获得均匀的组织和性能。 不完全退火是将铁碳合金加热到不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1Ac3或或A

4、c1Acm之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。工艺。 不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是消除内应力和降低硬度，加热温度为其目的是消除内应力和降低硬度，加热温度为Ac1+(4060)，保温后缓慢冷却。，保温后缓慢冷却。 （3）不完全退火）不完全退火（4）球化退火）球化退火 球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其目的是降低球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备。硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组

5、织准备。获获得粒状珠光体得粒状珠光体。球化退火的加热温度一般为。球化退火的加热温度一般为Ac1以上以上2030。（5 5）均匀化退火（扩散退火）均匀化退火（扩散退火）目的目的: 消除化学成分不均匀现象消除化学成分不均匀现象扩散退火的特点扩散退火的特点:加热温度高（一般在加热温度高（一般在Ac3或或Accm以上以上150300），保温时间长（），保温时间长（10h以上）。因此，扩散退以上）。因此，扩散退火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火火后钢的晶粒粗大，需要进行一次正常的完全退火或正火处理。处理。（6 6）去应力退火）去应力退火 一般是将工件随炉缓慢加热至一般是将工件随炉缓慢加热

6、至500500650650，经一段时，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至间保温后随炉缓慢冷却至300300200200以下出炉。以下出炉。 主要用来消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的主要用来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，防止变形和开裂。残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。（7 7）再结晶退火）再结晶退火 冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，这种热处理工艺称为再结晶退火。理工艺称为再结晶退火

7、。 其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。一般钢材的再结晶退火温度为成形性能。一般钢材的再结晶退火温度为650-700650-700。 正火的加热温度为正火的加热温度为AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上30305050，保温以后的冷，保温以后的冷却方式在空气中进行。由于正火比退火的冷却速度大，却方式在空气中进行。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、硬度较高。故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。 2.正火正火的应用正火的应用1 1、改善低碳钢的切削加工性能；、改善低碳钢的切削加工

8、性能；2 2、消除中碳钢的热加工缺陷；、消除中碳钢的热加工缺陷；3 3、消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；、消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火；4 4、提高普通结构件的力学性能。、提高普通结构件的力学性能。 对于低、中碳钢对于低、中碳钢(0.6C%)(0.6C%)，目的与退火的相同。，目的与退火的相同。 对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。火作组织准备。 普通件最终热处理。普通件最终热处理。要改善切削性能，低碳钢用正火，要改善切削性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火中碳钢用退火或正火, ,高碳钢用球化退火高碳钢用

9、球化退火. .正火的目的正火的目的3、退火和正火的选用 退火或正火工艺的选择应当根据钢种，冷、热加退火或正火工艺的选择应当根据钢种，冷、热加工工艺，零件的使用性能和经济性综合考虑工工艺，零件的使用性能和经济性综合考虑1、 c 0.25%低碳钢通常采用正火替代退火低碳钢通常采用正火替代退火2、 c =0.25% 0.5%的中碳钢也可用正火代替退火的中碳钢也可用正火代替退火4、 c =0.75%以上的高碳钢或工具钢一般采用球化退火作以上的高碳钢或工具钢一般采用球化退火作为预备热处理。若有网状二次渗碳体存在，则应进行正火为预备热处理。若有网状二次渗碳体存在，则应进行正火消除。消除。3、 c =0.5

10、% 0.75%的钢采用完全退火的钢采用完全退火随着钢中随着钢中碳和合金元素碳和合金元素增加，过冷奥氏体稳定性增加，因增加，过冷奥氏体稳定性增加，因此，正火后硬度高，不利于切削加工，应采用完全退火。此，正火后硬度高，不利于切削加工，应采用完全退火。对于对于合金元素合金元素特别高的钢，应采用高温回火来消除应力，特别高的钢，应采用高温回火来消除应力，降低硬度，改善切削加工性能。降低硬度，改善切削加工性能。另外，从使用性能的角度，若零件的受力不大，性能要求另外，从使用性能的角度，若零件的受力不大，性能要求不高，不必进行淬火或回火，正火（最终热处理）即可不高，不必进行淬火或回火，正火（最终热处理）即可提

11、高钢的力学性能。提高钢的力学性能。从经济性原则考虑，正火的生产周期短，操作简单，工艺从经济性原则考虑，正火的生产周期短，操作简单，工艺成本低，在满足使用和工艺性能的前提下，应尽可能成本低，在满足使用和工艺性能的前提下，应尽可能用正用正火代替退火火代替退火。第二节第二节 钢的淬火与回火钢的淬火与回火一、淬火一、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，然后快速以上，保温一定时间，然后快速（大于临界冷却速度）冷却以获得马氏体（下贝氏体）组（大于临界冷却速度）冷却以获得马氏体（下贝氏体）组织的热处理工艺称为淬火。织的热处理工艺称为淬火。 1. 1.淬火应力淬火应力

12、 淬火后工件的形状，尺寸都会发生变化，有的甚至产生淬火裂淬火后工件的形状，尺寸都会发生变化，有的甚至产生淬火裂纹纹-淬火应力淬火应力 当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的当它超过材料的屈服强度时，便引起工件的变形，超过材料的强度极限时就会使工件开裂强度极限时就会使工件开裂 淬火应力包括热应力和组织应力淬火应力包括热应力和组织应力 淬火应力跟淬火加热温度、淬火冷却介质和冷却方式有关淬火应力跟淬火加热温度、淬火冷却介质和冷却方式有关 。 淬火加热温度的选择应以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得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚

13、共析钢的淬火加热温度通常为便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢的淬火加热温度通常为Ac3以上以上3050；过共析钢的淬火加热温度通常为；过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上以上3050。 过共析钢的淬火加热温度通常为过共析钢的淬火加热温度通常为Ac1以上以上3050? 2. 2.淬火加热温度淬火加热温度 常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较常用的淬火冷却介质是水和油。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火冷却介质。大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。 为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用为了减少零件淬火时的变

14、形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。于分级淬火和等温淬火。 3.3.淬火冷却介质淬火冷却介质 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。通常的淬火方法包已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的淬火方法包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。 4. 4.淬火方法淬火方法在一种冷却剂中淬火的方法称在一种冷却剂中淬火的方法称单液淬火单液淬火；而在两种冷却剂中淬火的方法称为而在两种冷却剂中淬火的方法称

15、为双液淬火双液淬火。 等温淬火等温淬火: :是将工件自加热炉中取出，在淬火需是将工件自加热炉中取出，在淬火需要温度的盐浴或油浴中淬火，并使其等温转变为要温度的盐浴或油浴中淬火，并使其等温转变为所需要的组织。所需要的组织。分级淬火：分级淬火： 将工件从淬火温度直接冷却到将工件从淬火温度直接冷却到M M点以点以上某一温度，经适当时间的保温，然后取出空冷上某一温度，经适当时间的保温，然后取出空冷或油冷，以获得马氏体。或油冷，以获得马氏体。 5. 5.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获得淬透层的

16、深度（又称有效淬硬深常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）来表示度）来表示. .如何表示如何表示?。 淬透性定义淬透性定义: :淬透区和未淬透区淬透区和未淬透区: :半马氏体区半马氏体区: :淬透性和淬硬性的区别淬透性和淬硬性的区别: :钢的淬透性用钢的淬透性用JHRC-dJHRC-d 表表示，其中示，其中d d表示淬透性曲表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距线上测试点至水冷端的距离（离（mmmm）,HRC,HRC为该处的硬为该处的硬度值。度值。 J J 表示末端淬透性表示末端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。 生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。

17、所谓临界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（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用大淬透直径（即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。硬性主要决定于马氏体的碳含量。 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

18、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。 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、硬度和塑性、韧性得到适当配合，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，以满足不同工件的性能要求。以满足不同工件的性能要求。 二、回火二、回火 1. 1.低温回火低温回火 低温回火的温度范围在低温回火的温度范围在150150250250之间。回火的目的是降低应之间。回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨力

19、和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。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、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。量具、滚动轴承和渗碳件等。 2.2.中温回火中温回火 回火温度范围为回火温度范围为350350500500之间，回火后的组织为回火托氏体。之间，回火后的组织为回火托氏体。中温回火后具有高的弹性极限，所以主要用于各种弹簧件。中温回火后具有高的弹性极限，所以主要用于各种弹簧件。 3. 3.高温回火高温回火 回火温度范围为回火温度范围为500500650650之间，之间，得到回火索氏体组织。高温回火使

20、工得到回火索氏体组织。高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学性能。一般把淬即具有高的综合力学性能。一般把淬火加高温回火的热处理称为火加高温回火的热处理称为“调质处调质处理理”。适用于中碳结构钢制作的曲轴、。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、连杆、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。机床主轴及齿轮等重要机器零件。 广泛用于各种结构件广泛用于各种结构件如轴、齿轮等热处理。如轴、齿轮等热处理。也可作为要求较高精也可作为要求较高精密件、量具等预备热密件、量具等预备热处理。处理。 适用于各种高适用于

21、各种高碳钢、渗碳件碳钢、渗碳件及表面淬火件。及表面淬火件。 应用应用获得良好的综合力学获得良好的综合力学性能，即在保持较高性能，即在保持较高的强度同时，具有良的强度同时，具有良好的塑性和韧性。好的塑性和韧性。 提高提高 e及及 s，同时使工件同时使工件具有一定韧具有一定韧性性 。在保留高硬度、在保留高硬度、高耐磨性的同高耐磨性的同时，降低内应时，降低内应力。力。 回火目的回火目的S回回 T回回 M回回 回火组织回火组织500-650350-500150-250 回火温度回火温度 高温回火高温回火 中温回火中温回火 低温回火低温回火 适用于适用于弹簧热处理弹簧热处理 三三. .淬火加热缺陷及防止

22、淬火加热缺陷及防止 1. 1.过热过热 2. 2.过烧过烧 3. 3.氧化氧化4.4.脱碳脱碳n由于加热温度过高或时间过长造成奥由于加热温度过高或时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷氏体晶粒粗大的缺陷n淬火加热温度太高造成奥氏体晶界出淬火加热温度太高造成奥氏体晶界出现局部熔化或发生氧化的现象现局部熔化或发生氧化的现象n淬火加热时工件与周围的氧等发生的淬火加热时工件与周围的氧等发生的化学反应化学反应n淬火加热时，钢中的碳与空气中的氧淬火加热时，钢中的碳与空气中的氧等发生反应生成含碳气体逸出等发生反应生成含碳气体逸出钢的表面热处理钢的表面热处理（一）（一） 钢的表面淬火钢的表面淬火 表面淬火是将工件表

23、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法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法. . 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。 感应加热表面淬火的特点：感应加热表面淬火的特点： 淬火温度高于一般淬火温度。淬火温度高于一般淬火温度。 淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，表层硬度比普通淬火高表层硬度比普通淬火高2 23HRC3HRC。 表层存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。 无氧化、脱碳现象，且工件变形也很

24、小。无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。 易于实现机械化与自动化。感应加热淬易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170170200200低温回火。低温回火。 （二）钢的化学热处理（二）钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进工件表面，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改进表面性能，满足技术要求的热处理工而达到改进表面性能，满足技术要求的热

25、处理工艺。基本过程：化学介质的分解；活性原子艺。基本过程：化学介质的分解；活性原子被钢件表面吸收和溶解；原子由表面向内部扩被钢件表面吸收和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。散，形成一定的扩散层。 将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子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艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和后的淬火和低温回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。抗疲劳性能，而心部具有一定的强度和良好的韧性配合。 （1 1）

26、渗碳方法）渗碳方法 渗碳方法有气体渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。前广泛应用的是气体渗碳法。1 1钢的渗碳钢的渗碳（2 2）渗碳后的组织）渗碳后的组织 常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如2020、20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、12CrNi312CrNi3等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体共析组织（珠光体+ +碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织碳化物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体（珠光体+

27、+铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织。铁素体）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 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。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。 与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。所以工件变形小。 为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。件进行调质处理。 渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件渗氮俗称氮化，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艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。