热处理基础知识-文档资料

1、 热处理基础热处理基础 1 1 热处理定义热处理定义2 2 热处理工艺介绍热处理工艺介绍3 3 热处理硬度检查热处理硬度检查 4 4 常用金属材料常用金属材料 返回返回 金属材料是目前应用最广泛的一种工程材料，具有金属材料是目前应用最广泛的一种工程材料，具有优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。优良的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能。 具有：具有：强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、强度较高、塑性较好、导电性高、导热性好、有金属光泽有金属光泽等特性。等特性。 下面就介绍金属材料的热处理基础知识。下面就介绍金属材料的热处理基础知识。 1.热处理的定义 热处理：热处理：将固态金属

2、或合金在一定介质中加热、保温将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能性能的工艺方法。的工艺方法。 金属材料金属材料性能性能的决定因素：的决定因素：化学成分、内部组织化学成分、内部组织。 其中其中“化学成分化学成分”是改变性能的基础，是改变性能的基础， “热处理热处理”是改变性能的手段，是改变性能的手段， “组织组织”是性能变化的根据。是性能变化的根据。 热处理的三个阶段热处理的三个阶段：加热、保温、冷却：加热、保温、冷却。如图。如图1-11-1所示是最基本的热处理工艺曲线。所示是最基本的热处理工艺曲线。温

3、温度度加热加热保温保温冷却冷却时间时间图图1-1 热处理工艺曲线热处理工艺曲线 只有通过正确的热处理工艺，才能得到一定的组只有通过正确的热处理工艺，才能得到一定的组织，获得预期的性能。织，获得预期的性能。渗氮表面热处理整体热处理热处理 退火 正火 淬火 回火 固溶处理 固溶处理和时效 气体渗碳 固体渗碳 气体碳氮共渗 液体碳氮共渗 化学热处理 气体渗氮 离子渗氮 气体氮碳共渗 液体氮碳共渗 (盐浴软氮化） 其他(如磷化、染黑、渗铝、渗钒、熔射等等) 表面淬火+回火（高频淬火、火焰淬火） 物理/化学气相沉积 2、热处理工艺分类碳氮共渗氮碳共渗 ( 软氮化)渗碳2.1 整体热处理整体热处理 整体热

4、处理常见的工艺为退火、正火、淬火、回火等整体热处理常见的工艺为退火、正火、淬火、回火等2.1.1.2.1.1.退火退火 退火是退火是将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的度，保持一定时间，然后缓慢冷却得到接近平衡状态组织的热处理工艺。热处理工艺。 退火的目的：退火的目的： 1 1）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变）降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；形加工； 2 2）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂；）消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂； 3 3）改善组织

5、，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处）改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。理做准备。 退火的分类：退火的分类： 各种退火、正火加热温度及工艺各种退火、正火加热温度及工艺曲线如图曲线如图2-12-1所示。所示。图图2-1 退火正火工艺规范示意图退火正火工艺规范示意图1 1）完全退火。）完全退火。 加热到加热到A Ac3c3以上以上202030300 0C C，保温，缓冷至，保温，缓冷至6006000 0C C以下，再空以下，再空冷，得到接近平衡状态组织。主要用冷，得到接近平衡状态组织。主要用于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、于亚共析钢和共析钢的锻件、轧件、铸件，使晶粒细化，组织均

6、匀和消除铸件，使晶粒细化，组织均匀和消除残余应力，提高钢件的性能。过共析残余应力，提高钢件的性能。过共析钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，钢不宜完全退火，因析出网状渗碳体，降低钢的力学性能。降低钢的力学性能。 2 2）球化退火。）球化退火。使钢中的碳化物呈球使钢中的碳化物呈球状而进行的退火。将工件加热到状而进行的退火。将工件加热到A Ac1c1以上以上202030300 0C C，保温，然后缓慢冷却。，保温，然后缓慢冷却。主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳主要用于过共析钢，使钢中二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体球状化，体和珠光体中的片状渗碳体球状化，以降低硬度提高韧性，改善切削加工以降低硬度提高

7、韧性，改善切削加工性能。性能。图图2-2 退火正火工艺规范示意图退火正火工艺规范示意图3)3)去应力退火。去应力退火。为消除形变加工、锻为消除形变加工、锻造、焊接等以及铸件内存在的残余应造、焊接等以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。铸钢件的温度为力而进行的退火。铸钢件的温度为6006006506500 0C C，铸铁件为，铸铁件为500500550550C，保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生保温后在炉内缓慢冷却。组织不发生变化，只消除内应力，减少变形，稳变化，只消除内应力，减少变形，稳定尺寸。定尺寸。 4 4）扩散退火）扩散退火( (均匀化退火均匀化退火) )。将钢加将钢加热到略低于固相线温度

8、，长时间保温，热到略低于固相线温度，长时间保温，随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。随炉冷却，使化学成分和组织均匀化。主要用于质量要求高的合金钢铸锭、主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件或锻件。铸件或锻件。 2.1.22.1.2正火正火 正火是正火是将工件加热到将工件加热到A Ac3c3（亚共析钢）或（亚共析钢）或A Accmccm（过共析（过共析钢）以上钢）以上303050500 0C C，保温适当时间，在自由流通的空气，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。 正火主要应用于：正火主要应用于： 1 1）对不太重要的零件，可细化

9、晶粒，组织均匀，提）对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理；高机械性能，作为最终热处理； 2 2）对低碳钢和低碳合金钢，可提高硬度，改善切削）对低碳钢和低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；加工性； 3 3）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并）对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。使其不呈连续网状碳化物，便于球化退火。 2.1.3.2.1.3.淬火淬火 淬火是淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。以获得马氏

10、体或下贝氏体组织的热处理工艺。 淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。模具、轴和齿轮。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。 1 1）淬火加热温度。）淬火加热温度。 根据钢材的化学成分决定，亚共析钢根据钢材的化学成分决定，亚共析钢在在A Ac3c3以上以上303050500 0C C，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬，此时钢的组织为细颗粒的奥氏体，淬火后获得细小的马氏体。若温度低于火后

11、获得细小的马氏体。若温度低于A Ac3c3，将出现自由铁素，将出现自由铁素体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。共析钢体。若温度过高，得到粗大的马氏体，性能变坏。共析钢和过共析钢加热温度在和过共析钢加热温度在A Ac1c1以上以上303050500 0C C，得到细小的马氏，得到细小的马氏体和小颗粒的渗碳体组织。体和小颗粒的渗碳体组织。 2 2）淬火冷却方法。）淬火冷却方法。 冷却介质对淬冷却介质对淬火效果有很大影响，常用的有水、火效果有很大影响，常用的有水、油和盐、碱的水溶液。水用于形状油和盐、碱的水溶液。水用于形状简单、截面较大的碳素钢工件。油简单、截面较大的碳素钢工件。油用于合金钢

12、和复杂的碳素钢。常用用于合金钢和复杂的碳素钢。常用淬火方法如图淬火方法如图1-31-3所示。所示。1 1表示单液表示单液淬火，淬火，2 2表示双液淬火，表示双液淬火，3 3表示分级表示分级淬火，淬火，4 4表示等温淬火。表示等温淬火。例如：例如：P863 P863 防钻板（材料防钻板（材料65Mn65Mn）采）采用 盐 浴 等 温 淬 火 ， 改 善 变 形 。用 盐 浴 等 温 淬 火 ， 改 善 变 形 。 C453C453方舌组件（方舌组件（Q235)Q235)采用渗碳水淬采用渗碳水淬3 3）淬透性和淬硬性。）淬透性和淬硬性。 图图2-3 常用淬火方法示意图常用淬火方法示意图 淬透性：淬

13、透性：钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层） 深度的能力。深度的能力。 淬硬性：淬硬性：钢淬火时能达到的最高硬度。钢淬火时能达到的最高硬度。 2.1.4.2.1.4.回火回火 回火是回火是为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组为了消除淬火引起的残余应力及获得要求的组织和性能，将淬火后的工件加热到织和性能，将淬火后的工件加热到A Ac1c1以下某一温度，保温以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。 回火目的：回火目的：淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬淬火后得到性能很脆的马氏体组织，而且淬火马氏体是不稳定的组织

14、，它有变为稳定状态的趋势，而使火马氏体是不稳定的组织，它有变为稳定状态的趋势，而使零件尺寸变化，并存在内应力，零件容易变形和开裂。为此零件尺寸变化，并存在内应力，零件容易变形和开裂。为此利用回火来达到以下目的：利用回火来达到以下目的： 1 1）减少和消除淬火应力；）减少和消除淬火应力； 2 2）稳定工件尺寸，防止变形和开裂）稳定工件尺寸，防止变形和开裂 ； 3 3）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、）获得工件所需的组织和性能；即获得要求的强度、硬度和韧性。硬度和韧性。 回火的种类及应用：回火的种类及应用： 1 1）低温回火。）低温回火。 加热温度为加热温度为1501502502500

15、 0C C，得到碳的过饱和，得到碳的过饱和程度稍小的固溶体程度稍小的固溶体回火马氏体，硬度较高，在回火马氏体，硬度较高，在HRC58HRC586464之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。之间，高耐磨性。可消除一定的残余应力，韧性有所改善。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。用于各类高碳钢的工具、模具、量具。2 2）中温回火。）中温回火。 加热温度为加热温度为3503505005000 0C C，得到极细颗粒状，得到极细颗粒状渗碳体和铁素体的混合物渗碳体和铁素体的混合物回后火托氏体，有极高的弹性回后火托氏体，有极高的弹性极限和屈服强度，也有较好的韧性。硬度在极限和屈服强度，也有较好

16、的韧性。硬度在HRC35HRC354545；用；用于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。于各种弹簧、弹簧夹头及锻模。 3 3）高温回火。）高温回火。 加热温度为加热温度为5005006506500 0C C，得到细而均匀的，得到细而均匀的颗粒状渗碳体和铁素体的混合物颗粒状渗碳体和铁素体的混合物-回火索氏体，有较高的回火索氏体，有较高的强度和硬度，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和强度和硬度，又有较好的韧性和塑性。工厂一般把淬火和高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆高温回火叫调质处理。用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。和螺栓。 2.2.2.2.化学热处理化学热处理 是通过改变工件表层

17、化学成分、组织和性能的金属热是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。处理工艺。 将工件置于一定温度下的将工件置于一定温度下的含碳、氮或其它合金元素的含碳、氮或其它合金元素的活性介质活性介质(气体、液体、固体气体、液体、固体)中加热中加热和保温，和保温，从而使工件从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。进行其它热处理工艺如淬火及回火。 提高工件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性能等等。提高工件表面的耐磨性、耐蚀性、耐热性能等等。 化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗铝、渗硼、化学热处理

18、的主要方法有渗碳、渗氮、渗铝、渗硼、渗釩等。渗釩等。 2.2.1渗碳渗碳 在富碳的介质中使碳渗入低碳钢（在富碳的介质中使碳渗入低碳钢（C0.1%0.3%）或）或低合金钢的表面，使表面层碳浓度达到低合金钢的表面，使表面层碳浓度达到0.81.2%，再经，再经过淬火和回火后，表面层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强过淬火和回火后，表面层获得高的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部保持高的韧性。度，而心部保持高的韧性。 发生下列化学反应：发生下列化学反应： C+O2CO2 CO2+C 2CO 2CO CO2+C 2.2.2碳氮共渗碳氮共渗 在一定温度下，同时将碳、氮原子渗入工件表面，并以渗碳在一定温度下，同时将碳

19、、氮原子渗入工件表面，并以渗碳为主的化学热处理工艺。为主的化学热处理工艺。 优点优点 碳氮共渗与渗碳相比，主要有如下优点：碳氮共渗与渗碳相比，主要有如下优点： 1.渗层性能好。两者渗层硬度差别不大，但碳氮共渗层的渗层性能好。两者渗层硬度差别不大，但碳氮共渗层的 耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。耐磨性、耐蚀性及疲劳强度比渗碳层高。 2. 渗入速度快。碳、氮原子同时渗入，能相互促进渗入过程渗入速度快。碳、氮原子同时渗入，能相互促进渗入过程; 3. 工件变形小。碳氮共渗温度一般低于渗碳温度。工件变形小。碳氮共渗温度一般低于渗碳温度。 三民公司有盐浴碳氮共渗、多用炉渗碳、三民公司有盐浴碳氮共渗、多

20、用炉渗碳、 多用炉碳氮共渗等加工方式。多用炉碳氮共渗等加工方式。3 3. .硬度检查硬度检查 硬度硬度指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量指金属材料抵抗外物压入其表面的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有金属材料软硬程度的一种力学性能指标。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW)。 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持

21、规定的时间后，卸除实验力，在试验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图氏硬度值，如图3-13-1示。示。 222HBS(HBW)dDDDF图图3-1 布氏硬度实验原理图布氏硬度实验原理图F实验力（实验力（kgf）；）；D球体直径（球体直径（mm）；）；d压痕平均直径（压痕平均直径（mm）。）。式中式中 在做布氏试验时，只需测量出在做布氏试验时，只需测量出d值即可从有关表格上查出值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为

22、HBS，适用于布氏硬，适用于布氏硬度度450以下的材料；压头为硬质合金球时，为以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBW，适用于，适用于布氏硬度布氏硬度650以下的材料。以下的材料。 优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。优点：测量结果准确，缺点：压痕大，不适合成品检验。 2）洛氏硬度）洛氏硬度 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相依据。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每对值，人们规定每0.002mm压痕深度为一个洛氏硬度单位。压痕深度为一个洛氏硬度单位

23、。 洛氏硬度用洛氏硬度用HRA、HRB和和HRC来表示。来表示。 表面洛氏硬度表面洛氏硬度HR15N、 HR30N、 HR45N、 HR15T等等等等 HRC采用顶角为采用顶角为120的金刚石圆锥体为压头，施加的金刚石圆锥体为压头，施加150kgf的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为硬度值为20-67HRC； HRA采用外加载荷为采用外加载荷为60kgf，用于测量高硬度薄层，常，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为用硬度值为70-85HRA； HRB采用直径采用直径1.588mm的钢球，的钢球，100kgf的外加载荷，的外加载荷，用于硬度

24、较低的材料，常用硬度值为用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB。 洛氏硬度优缺点洛氏硬度优缺点优点：优点： 1.洛氏硬度有许多不同的标尺，压头有硬质、软质多种，洛氏硬度有许多不同的标尺，压头有硬质、软质多种，可以测出从极软到极硬材料的硬度；可以测出从极软到极硬材料的硬度； 2.压痕小，可在成品零件上检测压痕小，可在成品零件上检测 ； 3.测量迅速简便测量迅速简便 缺点：缺点： 洛氏硬度有许多不同的标尺，其硬度值无法统一洛氏硬度有许多不同的标尺，其硬度值无法统一3 3）维氏硬度）维氏硬度HVHV 测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面

25、夹角夹角136136的金刚石正四棱锥体。的金刚石正四棱锥体。 维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅。维氏硬度试验所用载荷小，压痕深度浅。 适用于适用于低载荷维氏硬度测定表面淬火时硬化层深度和低载荷维氏硬度测定表面淬火时硬化层深度和渗碳、渗氮件表面硬度以及小件、薄件硬度等。渗碳、渗氮件表面硬度以及小件、薄件硬度等。优缺点：优缺点： 1.1.试验载荷可任意选择，试验载荷可任意选择，( (从从1kg50kg,1kg50kg,以及以及10g1000g)10g1000g)故可测硬度范围宽，故可测硬度范围宽， 2.2.材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。材质不论软硬，测量数据稳定可靠，精度高。 3.3.

26、工作效率较低。工作效率较低。 4 4 金属材料的分类金属材料的分类 金属材料金属材料碳素钢碳素钢合金钢合金钢碳素结构钢碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢铸铁：灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁铸铁：灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁有色金属：铜合金、铝合金等有色金属：铜合金、铝合金等钢钢 4.1碳素钢的分类及牌号T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13说明举 例形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件（参见 GB11352-89ZG230-450、ZG270500、ZG310-570、ZG340-640表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的碳素铸钢ZG200-400一般工程铸造碳钢制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲头等（参见 GB1298-86）表示平均Wc为千分之8的碳素工具钢，A表示高级优质T8T8A碳素工具钢用于制造