第2章 钢的热处理

1、第2章 钢的热处理学习内容 本章将介绍钢的普通热处理的四个基本环节（退火、正火、淬火、回火）。重点讨论钢的退火和正火、淬火和回火的基本原理，基本工艺，特点与应用，并简要介绍钢的表面热处理工艺。重点与难点 钢的普通热处理的四个基本环节与应用。2.1 钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺2.1.1钢的退火与正火 退火和正火目的： （1）软化钢件以便进行切削加工（2）消除残余应力，以防钢件的变形、开裂；（3）细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能；（4）为最终热处理（淬火、回火做好组织准备） 1.钢的退火 定义:将金属缓慢加热到一定温度，保温足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却)的一种金属热处

2、理工艺 。是将亚共析碳钢加热到Ac3线以上约20-60C，保温一定时间， 随炉缓慢冷却到600C以下，然后出炉在空气中冷却。这种退火主要用于亚共析成分的碳钢和和金钢的铸件，锻件及 热扎型材，目的是细化晶粒，消除内应力与组织缺陷，降低硬度，提高塑性，为随后的切削加工和淬火做好准备。应用：亚共析碳钢、合金钢（1）完全退火：（2）等温退火 等温退火是为了保证A在P转变区上部发生转变，因此冷却速度很缓慢，所需时间少则十几小时，多则数天，因此生产中常用等温退火来代替完全退火。等温退火加热与完全退火相同，但钢经A化后，等温退火以较快速度冷却到A1以下，等温应定时间，使A在等温中发生P转变，然后再以较快速度

3、冷至室温，等温退火时间短，效率高。 应用：共析钢、过共析钢、合金钢（3）球化退火 球化退火是将钢加热至Ac1以上、Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。 目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状渗碳体，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、切削性好、冷形变能力大。 适用于共析钢与过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具、量具、模具用的钢）。（4）去应力退火（低温退火） 目的：用于消除铸件，锻件，焊接件，冷冲压件以及机加工件中的残余应力，这些残余应力在以后机加工或使用中潜在地会产生变形或开裂。 工艺：将工件缓慢加热到6

4、00-650，保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却到200再出炉空冷。2 .钢的正火 正火和退火的工艺目的基本相同，工艺也基本一样，只是正火的冷却速度稍微快一些，故正火的组织比较细，塔的硬度、强度比退火高（见下面表格）。 定义:将钢件加热到临界点（Ac3，Acm）30-50以上，适当保温进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却，这种热处理称正火 正火的目的与退火相同，只是温度高于退火，且在空气中冷却。 正火工艺：正火的加热温度与钢的化学成分关系很大低碳钢加热温度为Ac3以上100-150中碳钢加热温度为Ac3以上50-100高碳钢加热温度为Accm以上30-50 保温时间与工件厚度和加热炉的形式有关，冷

5、却既可采用空冷也可采用吹风冷却，但注意工件冷却时不能堆放在一起，应散开放置。 正火后的组织与性能：正火实际上是退火的一种特殊情况，两者不同之处主要在于正火的冷却速度较退火快，因此有伪共析组织。 正火的应用 普通结构零件，当机械性能要求不太高时，用正火作为最终热处理；作为预备热处理，改善低碳钢或低碳合金钢的切削加工性能；消除过共析钢的网状渗碳体，改善钢的性能，并为以后的热处理做好准备。3.退火和正火的选择 (1)从切削加工性考虑 一般认为硬度在170230HBS范围内的钢材，其切削加工性能较好。硬度高刀具易磨损，难加工。硬度低，易“粘刀”，使刀具发热磨损，表面粗糙度值高。（2）从使用性能考虑对于

6、过共析钢来说，正火处理比退火处理具有较好的机械性能。零件性能要求不高，可用正火作最终热处理。反之，零件性能要求高，形状复杂，则用退火处理。（3）从经济上考虑正火比退火的生产周期短，陈本低，操作方便，故在可能的条件下，应优先采用正火。2.1.2钢的淬火钢的淬火 概念：将钢加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下马贝氏组织的热处理工艺称为淬火. 目的：获得马氏体或下贝氏体，提高钢的强度和硬度。淬火工艺（1）淬火加热温度的选择淬火温度的高低与钢的化学成分有关亚共析钢 tAc3+(3070)共析钢，过共析钢 tAc1+(3070) 对于亚共析钢，适宜的淬火温度

7、一般为Ac3+(3050)，这样可获得均匀细小马氏体组织，如果淬火温度温度过高，将会获得粗大的马氏体组织，同时引起钢件的较严重的变形。如果淬火温度过低，则在淬火组织中会出现铁素体组织，造成钢的硬度不足，强度不高。对于过共析钢，适宜的淬火温度一般为Ac1+(3050)，这样可获得均匀细小的马氏体和粒状渗碳体的混合组织。如果淬火温度过高，则将获得粗片状马氏体组织，同时会引起严重变形，淬火开裂倾向增大；还由于渗碳体溶解过多，淬火后钢中残余奥氏体量过多，降低了钢的硬度和耐磨性。如果淬火温度过低，则可能得到非马氏体，钢的硬度达不到要求。对于合金钢，因为大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大（Mn，P除外）所以

8、淬火温度允许比碳钢稍微提高一些，这样可使合金元素充分溶解和均匀化，以便取得较好的淬火效果。 （2）加热时间的选择 加热时间指的是升温与保温所需时间，加热时间的长短与很多因素有关，例如，钢的成分、原始组织、工件形状、尺寸、加热介质、装炉方式、炉温等许多因素有关，确切计算加热时间很困难，只是给出一个经验公式： t = a KDt 加热时间；a 加热系数；K装炉修正系数，D 工件有效厚度（3）淬火冷却介质 理想淬火冷却速度 加热到A状态的钢，冷却速度必须大于临界冷却速度是才能获得要求的马氏体组织。 常用的淬火冷却介质：油、水、盐水、碱水等。 淬火方法 单液淬火：直冷，简单易操作。 双液淬火：先快后慢

9、，降低组织应力。 分级淬火：快-恒-快，降低热应力与组织应力。 等温淬火：得到贝氏体（工模具、弹簧）。 局部淬火：量具等的局部区域。（4）淬火缺陷的防止方法 热处理生产中，由于热处理工艺处理不当，常会给工件带来缺陷，如氧化，脱碳，过热，过烧，硬度不足，变形与开裂等。氧化：氧化是因为钢在有氧化性气体中加热时，会发生氧化而在表面形成一层氧化皮，在高温下，甚至晶界也回会发生氧化。 脱碳：钢在某些介质中加热时，这些介质会使钢表面的含碳量下降，我们称这现象为“脱碳”。减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的方法有：采用脱氧良好的盐溶炉加热；在可控保护气氛炉中加热；在真空炉中加热；预留足够的加工余量。 变形与开裂

10、：工件的变形与开裂是热应力与组织应力综合的结果，但热应力与组织应力方向恰好相反，如果热处理适当，它们可部分相互抵消，可使残余应力减小，但是当残余应力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形，残余应力超过钢的抗拉强度时，工件就产生开裂。为减小变形或开裂，除了正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取下列措施： 1）采用合理的锻造与预先热处理； 2）采用合理的热处理工艺； 3）采用正确的操作方法； 4）对于淬火易开裂的部分，如键槽，孔眼等用石棉堵塞。 2.1.3钢的回火钢的回火 概念：将经过淬火的钢加热到AC1以下的适当温度，保持一定时间，然后冷却到室温以获得所需组织和性能的热处理工艺。回火的目

11、的降低脆性，消除或减少内应力。获得工件所要求的机械性能。稳定工件的尺寸。对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，降低硬度，以利于切削加工。2.回火的分类及应用回火类型回火温度组织性能应用组织形态低温回火150250 M高硬度和高耐磨脆性及残余应力低。工模具钢，表面淬火及渗碳淬火件过饱和-Fe+碳化物中温回火350500 T弹性极限和屈服极限高弹性元件F针状+ Fe3C细粒状高温回火500650 S良好的综合机械性能重要零件F多边形Fe3C细粒状淬火钢回火时组织和性能的变化 钢在淬火后的组织是马氏体及少量残余奥氏体，他们都是不稳定的组织，都有向稳定组织（铁素体

12、和渗碳体或碳化物的两相混合物）转变的倾向。但在室温下，原子活动能力很差，这种转变速度极慢。淬火钢的回火正是促进这种转变易于进行。 按回火温度的不同，回火时淬火钢的组织转变可以分为四个阶段。在回火过程中由于组织发生了变化，钢的性能也发生了改变，一般是随着回火温度的升高，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性提高。 钢的屈服强度300以下回火时，随着回火温度的升高而提高，这主要是由于淬火内应力的消除和高度分散的极细碳化物的强化作用。 钢的韧性在400以下还比较低，以后随着温度的升高而迅速上升，到600可达最大值。 量具、精密轴承零件等要求在整个存放和使用过程中尺寸不发生变化，这就应使淬火过程中的残余奥氏

13、体尽量少，这时可进行冷处理，即把淬冷至室温的钢继续冷却到-80-70（也可冷却到更低的温度），保持一段时间，使残余奥氏体在继续冷却的过程中转变为马氏体。这样可提高钢的硬度和耐磨性，并稳定钢的尺寸。获得低温的方法是采用干冰（固态CO2）与酒精的混合剂或冷冻剂。只有特殊的冷处理才将钢置于-103的液化乙烯或-192的液态氮中。采用此法时必须防止产生裂纹，故可考虑先回一次火，然后冷处理，冷处理后再进行回火。时效处理 概念：将淬火后的金属工件置於室温或较高温度下保持适当时间，以提高金属强度的热处理工艺。 室温下进行的时效处理是自然时效；较高温度下进行的时效处理是人工时效。 在机械生产中，为了稳定铸件尺

14、寸，常将铸件在室温下长期放置，然后才进行切削加工。这种措施也被称为时效。但这种时效不属於金属热处理工艺。 作用是为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。 钢的淬透性 淬透性表示的是钢在淬火时所能得到的淬硬层深度。 钢的淬硬性指的是钢在淬火能达到的最高硬度。用不同的钢制成相同形状和尺寸的工件，在同样条件下淬火，淬透性好的钢淬硬层较深，淬透性差的钢淬硬层较浅。钢的表面热处理钢的表面热处理 1、表面热处理目的：使零件具有“表硬心韧” 的性能特点。例如：齿轮等 分类：表面淬火、表面化学热处理

15、表面淬火、表面化学热处理2、表面淬火表面淬火目的：表面与心部的成分一致，组织不一样。 工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。 分类：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火、激光加热表面淬火 应用场合：中碳钢（Wc 0.40.5%）, 如40、45钢机床齿轮、轴等零件。 3、常用的表面淬火技术常用的表面淬火技术1）、火焰加热表面淬火）、火焰加热表面淬火 装置：如图一。淬硬层深度：26mm优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件；缺点：需要操作熟练，否则造成质量不稳定 应用： 轧钢机齿轮

16、、轧辊； 矿山机械齿轮、轴； 机床导轨、齿轮； 2）、感应加热表面淬火感应加热表面淬火 装置：如图二淬硬层与频率有关： 0.22mm，高频感应加热（1001000KHZ）图二2-8mm，中频感应加热（0.510KHZ）； 1015mm，工频感应加热（50HZ） 特点：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备昂贵，劳动条件差。 3）、激光加热表面淬火）、激光加热表面淬火工艺： 将高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加热到奥氏体区，依靠工件本身热传导迅速自冷而获得一定淬硬层的工艺操作。硬化层：12mm应用：汽车、拖拉机汽缸套、汽缸、活塞环、凸轮轴等零件；特

17、点：淬火质量好，组织超细化，硬度高、脆性极小、工件变形小、不需要回火、节约能源、无污染、效率高、便于自动化，但是设备昂贵。4、表面化学热处理表面化学热处理目的：表层与心部的成分、组织都不同工艺：将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。 可渗的元素：渗碳、氮、碳氮共渗（C、N、CN）；渗硼、铬(B、Cr）；渗铝、硅 (Al 、Si)；渗硫(S)化学热处理的种类很多，根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗金属等。不论哪一种方法都是通过以下三个基本过程来完成的：分解，介质在一定的温度

18、下，发生化学分解，产生能被零件表面吸收的活性原子； 吸收，活性原子首先吸附在零件的表面，然后被零件表面吸收；扩散，渗入的活性原子，在一定的温度下，由表面向中心形成一定厚度的渗层形成一定厚度的渗层。钢的化学热处理常用的工艺方法有渗碳、氮化和碳氮共渗三种。 1、渗碳技术渗碳是向零件表面渗入碳原子的过程。它是将工件置于含碳的介质中加热和保温，使活性碳原子渗入钢的表面，以达到提高钢的表面含碳量的热处理工艺。 为了达到上述目的，渗碳零件必须用低碳钢或低碳合金钢来制造。渗碳方法可以分为固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳三种，应用较广泛的是气体渗碳。气体渗碳是将工件置于密封的加热炉中，通人气体渗碳剂，如煤油、丙酮

19、、甲醇等，并加热到900 950，这些渗碳剂在高温下分解。对于使用性能要求很高的渗碳零件，经常采用两次淬火或一次正火加一次淬火，以保证心部和表层都达到高的性能。渗碳后的第一次淬火或正火主要是为了心部的亚共析钢原始组织发生重结晶，使晶粒再次细化，同时可消除表面可能存在的网状渗碳体，故其加热温度常选择为大于Ac3以上的温度。第二次淬火主要是为了使表面层晶粒变小、组织细化，故其淬火温度按共析钢和过共析钢的正常淬火温度来考虑，即Ac1+(30 -50)。渗碳零件经两次淬火后，再进行170 200低温回火，其主要目的是为了保持表面的硬度及降低淬火的残余应力。而对于一些机械性能要求不很高的渗碳零件，则可自

20、渗碳温度直接淬火，或在渗碳后再加热至850 900淬火（一次淬火法）。2钢的氮化氮化是向钢的表面渗入氮原子的过程。其目的是为了提高钢表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。目前工业中应用比较广泛的是气体氮化、离子氮化。 (1)气体氮化 气体氮化是将工件放入密闭的炉内加热到500 600，通入氨气( NH3)，氨气分解出活性氮原子，活性氮原子被零件表面吸收，与钢中的Al，Cr，Mo形成氮化物，并向心部扩散，氮化层一般为0.1-0.6mm。氮化后随炉降温到200以下停止供氮，工件出炉。 氮化和渗碳相比有如下特点：氮化后的零件不用淬火就能得到高硬度和耐磨性，且在600650时仍能保持高硬度（即热硬性好

21、）；氮化温度低，故变形小；氮化零件具有很好的耐蚀性，可防止水、蒸汽、碱性溶液的腐蚀；氮化后，显著地提高了钢的疲劳强度。这是因为氮化层具有较大的残余压应力，它能部分地抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓了疲劳破坏过程。离子氮化 离子氮化的原理是将需要氮化的工件作阴极，以炉壁作阳极，在真空室内通入氨气，并在阴、阳极之间通以高压直流电。在高压电场作用下，氨气被电离，形成辉光放电。被电离的氮离子以很大的速度轰击工件表面，使工件的表面温度升高（一般为450600），并使氮离子在阴极上夺取电子后还原成氮原子而渗入工件表面，经扩散形成氮化层。 离子氮化的主要优点是氮化速度快，氮化时间仅为气体氮化的1/2 1/

22、4；零件变形小，不易形成连续的脆性层。氮化质量好；对材料适应性也较气体氮化强，如碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等都可进行离子渗氮。但离子氮化所需的设备复杂，成本高，故主要用于精密的中小型零件的氮化处理。碳氮共渗 中温气体碳氮共渗常用煤油和氨气等作为共溶剂。共渗处理温度在700 880范围之间，它对渗层的碳、氮浓度和深度的影响很大。在此范围内温度升高，渗层的碳浓度升高而氮浓度降低。这就是常说的高温以渗碳为主，低温以渗氮为主的现象。它与渗碳相比，加热温度低，工件变形小，渗层有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度及较好的耐蚀性，且生产周期大大缩短。它可用于齿轮、凸轮、活塞销等代替渗碳处理，也可用较低温度( 7

23、00 780)对那些尺寸小、形状复杂且变形要求很小的耐磨零件，如自行车、缝纫机及仪表零件等进行处理。热处理零件的结构工艺性 设计人员在设计零件时，不但要考虑零件的结构形状符合设计要求，而且要注意零件热处理的结构工艺性，以避免零件在热处理时淬火变形和开裂，导致零件报废。热处理零件的结构工艺性应注意以下几点： 1）形状力求简单，尽量对称，使应力分布均匀。图2 -7所示为镗杆截面，两侧对称开槽，这样变形较小。 2）避免尖角锐边，应将其倒钝或改成圆角，且圆角半径尽可能大，避免应力集中，如图2-8所示。3）尽量减少零件上的孔、槽和肋，若确实需要，应采取相应的防护措施（如绑石棉绳和堵孔等），以减少这些地方

24、因应力集中引起的开裂倾向。4)尽量使零件截面均匀，厚薄大致相同。必要时开工艺孔和工艺槽，并合理地分布孔的位置和数量，或改盲孔为通孔等，如图2 -9所示。 5)某些易变形的零件，可采用封闭结构。如弹簧夹头热处理后再把槽口切开，如图2-10所示。6)当形状特别复杂或不同部位有不同的性能要求时，可改为组合结构。如图2-11所示为一镗床顶尖。该顶尖在工作时被频繁使用，要求有高的热硬性。原设计整体采用W18Cr4V钢制造，在整体淬火后，出现了裂纹；后改为组合结构，顶尖仍用W18Cr4V钢制造，尾部用45钢，分别热处理后采用热套方式配合。这样，既解决了开裂，又节约了合金钢，效果较好。 热处理技术条件及工序位置 热处理零件图