课题四掌握钢的热处理工艺与应用

1、本项课题主要内容本项课题主要内容：任务任务1 1 掌握钢在加热时的组织转变掌握钢在加热时的组织转变任务任务2 2 掌握钢在冷却时的组织转变掌握钢在冷却时的组织转变任务任务3 3 掌握并应用钢的退火与正火工艺掌握并应用钢的退火与正火工艺任务任务4 4 掌握并应用钢的淬火工艺掌握并应用钢的淬火工艺任务任务5 5 掌握并应用钢的回火工艺掌握并应用钢的回火工艺任务任务6 6 掌握并应用钢的表面热处理与化学热处理掌握并应用钢的表面热处理与化学热处理任务任务7 7 了解热处理新技术了解热处理新技术任务任务8 8 掌握热处理工艺制定掌握热处理工艺制定任务任务9 9 了解金属表面防腐与防护方法了解金属表面防腐

2、与防护方法课题四课题四 掌握钢的热处理工艺与应用掌握钢的热处理工艺与应用 学习目标学习目标知识目标：了解热处理工艺曲线；认识钢在加热时的组织转变。知识目标：了解热处理工艺曲线；认识钢在加热时的组织转变。能力目标：能分析钢在加热时组织转变对热处理结果的影响。能力目标：能分析钢在加热时组织转变对热处理结果的影响。任务一任务一 掌握钢在加热时的组织转变掌握钢在加热时的组织转变1. 1. 了解热处理基本情况与热处理工艺曲线了解热处理基本情况与热处理工艺曲线（1 1）热处理在机械装备制造业中的地位）热处理在机械装备制造业中的地位各类机床中需经过热处理的工件约占其总重量的各类机床中需经过热处理的工件约占其

3、总重量的60607070；汽车、拖拉机中约占汽车、拖拉机中约占70708080；模具、工具、刀具、量具、轴；模具、工具、刀具、量具、轴承与齿轮等零件几乎承与齿轮等零件几乎100100需要热处理。因此，热处理在机械制需要热处理。因此，热处理在机械制造业中占有十分重要的地位，是缺之不可的造业中占有十分重要的地位，是缺之不可的 图示需要热处理的各类零件。图示需要热处理的各类零件。 （2 2）热处理工艺曲线）热处理工艺曲线热处理：将热处理：将固态固态金属或合金进行金属或合金进行加热、保温和冷却加热、保温和冷却，改变内，改变内部组织以获得所需要性能的工艺方法部组织以获得所需要性能的工艺方法目的：改善钢（

4、工件）的力学性能或工艺性能；目的：改善钢（工件）的力学性能或工艺性能；作用：充分发挥材料的性能潜力，作用：充分发挥材料的性能潜力，提高零件加工性或质量提高零件加工性或质量， 延长零件寿命；延长零件寿命；应用应用：十分广泛十分广泛。机床机床60607070，汽车和拖拉机，汽车和拖拉机7070 80 80，量具、刀具、模具级轴承，量具、刀具、模具级轴承100100的零件需热处理的零件需热处理按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：按目的、加热条件和特点不同，热处理分为：常规常规热处理热处理（四火）：（四火）：退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火表面热处理表面热处理：感应加热表面淬火、火焰加

5、热加热表面淬火：感应加热表面淬火、火焰加热加热表面淬火化学热处理化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等：渗碳、渗氮、碳氮共渗等热处理都是有热处理都是有加热、保温和冷却加热、保温和冷却三阶段组成三阶段组成（2 2）热处理工艺曲线）热处理工艺曲线热处理工艺卡热处理工艺卡热处理车间热处理车间热处理炉热处理炉（3 3）热处理常用设备）热处理常用设备（3 3）热处理常用设备）热处理常用设备（a a）箱式电阻炉）箱式电阻炉 （b b）井式炉）井式炉 （c c）盐浴加热炉）盐浴加热炉 （d d）火焰燃气加热炉）火焰燃气加热炉图图4 43 3 常用热处理加热炉常用热处理加热炉 （a a）冷却水槽）冷却水槽 （b

6、b）冷却油池）冷却油池图图4 44 4 冷却设备冷却设备（4 4）热处理工艺分类）热处理工艺分类根据零件热处理的目的、加热方法和冷却方法的不同，热处理根据零件热处理的目的、加热方法和冷却方法的不同，热处理工艺分类工艺分类工艺类型工艺类型热处理热处理整体热处理整体热处理表面热处理表面热处理化学热处理化学热处理工艺名称工艺名称退火退火表面淬火和回火表面淬火和回火渗碳渗碳正火正火物理气相沉积物理气相沉积渗氮渗氮淬火淬火化学气相沉积化学气相沉积碳氮共渗碳氮共渗回火回火等离子体增强化学气相等离子体增强化学气相沉积沉积氮碳共渗氮碳共渗调质调质等离子注人等离子注人渗其他非金属渗其他非金属稳定化处理稳定化处理

7、渗金属渗金属固溶处理、水韧处固溶处理、水韧处理理多元共渗多元共渗固溶处理和时效固溶处理和时效2. 2. 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变热处理第一阶段是加热阶段，目的是得到均匀细小的奥氏体热处理第一阶段是加热阶段，目的是得到均匀细小的奥氏体组织，加热温度参照铁碳合金的相图。组织，加热温度参照铁碳合金的相图。（1 1） 钢的奥氏体化在相钢的奥氏体化在相图中的临界点图中的临界点 由由FeFeFeFe3 3C C相图可知，相图可知，A A1 1、A A3 3、A Acmcm线是碳钢在极线是碳钢在极其缓慢加热和冷却时的相其缓慢加热和冷却时的相变温度线变温度线，线上的点都是，线上的点都是平衡条件

8、下的相变点。平衡条件下的相变点。实际生产中，加热和冷实际生产中，加热和冷却并不是极其缓慢的，却并不是极其缓慢的， A A1 1、A A3 3、A Acmcm线是线是有一定偏离。有一定偏离。实际加热时用实际加热时用 Ac Ac1 1、AcAc3 3、AcAccmcm；冷却时用冷却时用ArAr1 1、ArAr3 3、AcAccmcm表示。表示。（2 2）奥氏体的形成过程）奥氏体的形成过程奥氏体化奥氏体化：将钢件加热到：将钢件加热到AcAc3 3或或AcAc1 1温度以上，以获得全部或温度以上，以获得全部或部分奥氏体组织的操作。部分奥氏体组织的操作。亚共析钢必须加热到亚共析钢必须加热到AcAc3 3

9、以上，过共析钢必须加热到以上，过共析钢必须加热到AcAccmcm以以上才能得到全部奥氏体，和共析钢一样在上才能得到全部奥氏体，和共析钢一样在AcAc1 1温度时都发生温度时都发生P P A A转化过程。转化过程。以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。共析钢加热到共析钢加热到727727C C（A Ac1c1) )以上，珠光体转变成奥氏体的四以上，珠光体转变成奥氏体的四个阶段个阶段奥氏体奥氏体形核形核奥氏体奥氏体核长大核长大残余渗碳残余渗碳体溶解体溶解奥氏体成奥氏体成分均匀化分均匀化（3 3）奥氏体晶粒长大及其控制措施）奥氏体晶粒长大及其控制措施l l）加热温度和保

10、温时间）加热温度和保温时间: :加热温度越高加热温度越高, ,保温时间越长，奥氏体保温时间越长，奥氏体晶粒长得越大。晶粒长得越大。2 2）加热速度：加热温度一定，加热速度越快，奥氏体晶粒越）加热速度：加热温度一定，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，快速高温加热和短时间保温，是生产中常用的一细小。因此，快速高温加热和短时间保温，是生产中常用的一种细化晶粒方法。种细化晶粒方法。3 3）钢中的合金元素：多数合金元素均能不同程度地阻碍奥氏）钢中的合金元素：多数合金元素均能不同程度地阻碍奥氏体晶粒长大，它们在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物，并弥散体晶粒长大，它们在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物，并弥散分

11、布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。奥氏体晶粒的大小对热处理性能有很大影响，奥氏体晶粒越奥氏体晶粒的大小对热处理性能有很大影响，奥氏体晶粒越细小，热处理转变得到的组织晶粒也越细小，其强度、塑性、细小，热处理转变得到的组织晶粒也越细小，其强度、塑性、韧性都比较好，反之，热处理后性能越差。韧性都比较好，反之，热处理后性能越差。 学习目标学习目标知识目标：了解热处理冷却方式；掌握钢在冷却时的组织转变知识目标：了解热处理冷却方式；掌握钢在冷却时的组织转变能力目标：能分析钢在冷却时组织转变对热处理结果的影响能力目标：能分析钢在冷却时组织转变对热处理结果的影响

12、任务二任务二 掌握钢在冷却时的组织转变掌握钢在冷却时的组织转变1. 1. 了解碳钢冷却方式对其性能的影响了解碳钢冷却方式对其性能的影响同一化学成分的钢，加热到奥氏体状态后，冷却速度不同，将同一化学成分的钢，加热到奥氏体状态后，冷却速度不同，将得到形态不同的各种室温组织，从而获得不同的使用性能。得到形态不同的各种室温组织，从而获得不同的使用性能。任务二任务二 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变 Wc Wc 0.450.45的钢经的钢经840840加热后，以不同速度冷却后的力学性能加热后，以不同速度冷却后的力学性能冷却方法冷却方法抗拉强度抗拉强度Rm/MPaRm/MPa屈服强度屈服强度/MP

13、a/MPa伸长率伸长率A A（）（）断面收缩率断面收缩率z z（）（）硬度值硬度值炉内缓泠炉内缓泠53053028028032.532.549.349.3160160200HBW200HBW空气冷却空气冷却6706707207203403401515181845455050170170240HBW240HBW油中冷却油中冷却900900620620181820204848404050HRC50HRC水中冷却水中冷却100010007207207 78 812121414525258HRC58HRC常用冷却方式有等温冷却和连续冷却常用冷却方式有等温冷却和连续冷却2. 2. 认识过冷奥氏体等温转变

14、图并能分析转变产物的性能认识过冷奥氏体等温转变图并能分析转变产物的性能过冷奥氏体：钢在实际冷却时都有过冷现象，即奥氏体向珠光体过冷奥氏体：钢在实际冷却时都有过冷现象，即奥氏体向珠光体转变的临界点转变的临界点ArAr1 1比比A A1 1低，奥氏体在低，奥氏体在A A1 1以下暂时存在而不稳定。以下暂时存在而不稳定。（1 1）过冷奥氏体等温转变图的建立（以共析钢为例）过冷奥氏体等温转变图的建立（以共析钢为例）将共析钢制成若干小圆形薄片将共析钢制成若干小圆形薄片试样试样，加热至奥氏体化后，分别，加热至奥氏体化后，分别迅速放人迅速放人A A1 1点以下不同温度的点以下不同温度的恒温盐浴槽恒温盐浴槽中

15、进行等温转变；测出中进行等温转变；测出过冷奥氏体转变开始时间，终止时间以及转变产物量；将其画在过冷奥氏体转变开始时间，终止时间以及转变产物量；将其画在温度温度-时间坐标图上，连接各转变开始点和终止点来，得到共析时间坐标图上，连接各转变开始点和终止点来，得到共析钢过冷奥氏体等温转变图。曲线称为钢过冷奥氏体等温转变图。曲线称为C C曲线曲线（TTTTTT图）图）A A1 1线以上是奥氏体的稳定区，线以上是奥氏体的稳定区，A A1 1线以下、转变开始线以左是过冷线以下、转变开始线以左是过冷奥氏体暂存区。奥氏体暂存区。A A1 1线以下、转变终止线以右是转变产物区。两线线以下、转变终止线以右是转变产物

16、区。两线之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。等温停留开始至相转变开之间是过冷奥氏体和转变产物共存区。等温停留开始至相转变开始之间的时间称为孕育期。孕育期随转变温度的降低逐渐缩短，始之间的时间称为孕育期。孕育期随转变温度的降低逐渐缩短，在曲线拐弯处（鼻尖）约在曲线拐弯处（鼻尖）约550550，孕育期最短，过冷奥氏体最不，孕育期最短，过冷奥氏体最不稳定，转变速度最快，而后孕育期又逐渐增长。稳定，转变速度最快，而后孕育期又逐渐增长。共析共析钢过钢过冷奥冷奥氏体氏体C C曲曲线分线分析析MsMs是马氏体转变开始线是马氏体转变开始线， MfMf是是终止线。终止线。在过冷奥氏体向马氏在过冷奥氏体向马氏体转变

17、的过程中有过冷奥氏体残留下来残余奥氏体体转变的过程中有过冷奥氏体残留下来残余奥氏体，用符，用符号号AA表示。表示。（2 2）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能）过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能共析碳钢过冷奥氏体等温转变图中的共析碳钢过冷奥氏体等温转变图中的“鼻尖鼻尖”将曲线分为上、下将曲线分为上、下两部分，在两部分，在A A1 1线以下发生线以下发生珠光体型转变、贝氏体型转变珠光体型转变、贝氏体型转变1 1）珠光体转变（共析转变）珠光体转变（共析转变A A P P ）发生温度发生温度7277270 0C-560C-5600 0C C，温度越低，珠光体的层片越温度越低，珠光体的层片越细。细。产

18、物：珠光体产物：珠光体727727-650-650 珠光体片层较粗珠光体片层较粗 P P（珠光体）（珠光体）, ,硬度硬度25HRC25HRC650650-600-600 珠光体层片较细珠光体层片较细 S S（索氏体）（索氏体）, ,硬度硬度252530HRC30HRC600600-5-55 50 0 珠光体层片极细珠光体层片极细 T(T(托氏体托氏体), ),硬度硬度353540HRC40HRC 层片变细，强度、硬度增加，层片变细，强度、硬度增加， 塑性、韧性有所改善。塑性、韧性有所改善。 2 2）贝氏体型的转变（）贝氏体型的转变（550550MsMs） 奥氏体过冷到奥氏体过冷到550550

19、MsMs的中的中温区内停留，便发生过冷奥氏体向温区内停留，便发生过冷奥氏体向贝氏体的转变，形成贝氏体（贝氏体的转变，形成贝氏体（B B）。）。贝氏体是由含过饱和碳的铁素体贝氏体是由含过饱和碳的铁素体和碳化物组成的两相混合物。和碳化物组成的两相混合物。 上贝氏体，上贝氏体， 560560350350，上贝，上贝氏体，密集白条平行白条状组织。氏体，密集白条平行白条状组织。硬度硬度404045HRC45HRC性能：上贝氏体的塑性、韧性差，性能：上贝氏体的塑性、韧性差，脆性高，基本不用脆性高，基本不用。贝氏体转变温度：贝氏体转变温度： 下贝氏体，下贝氏体， 350350 MsMs，含过，含过饱和的细小

20、针片状铁素体和铁素体饱和的细小针片状铁素体和铁素体片内弥散分布的碳化物组成。硬度片内弥散分布的碳化物组成。硬度454550HRC50HRC性能：性能： 下贝氏体强度、硬度高、下贝氏体强度、硬度高、塑性、韧性较好，工业中用于中碳塑性、韧性较好，工业中用于中碳钢和中碳合金钢制造的零件钢和中碳合金钢制造的零件，提高，提高材料的强韧性。材料的强韧性。 1 1）含碳量）含碳量：亚共析碳钢：亚共析碳钢C C曲线随着含碳量的增加而右移，过曲线随着含碳量的增加而右移，过共析碳钢的共析碳钢的C C曲线随着含碳量的增加而左移。共析碳钢的曲线随着含碳量的增加而左移。共析碳钢的C C曲曲线最靠右，过冷奥氏体最稳定。线

21、最靠右，过冷奥氏体最稳定。（3 3）影响）影响C C曲线的因素曲线的因素 2 2）合金元素）合金元素: :合金元素溶人奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳合金元素溶人奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性定性( (钴除外），使钴除外），使C C曲线右移，而且形状发生改变。曲线右移，而且形状发生改变。3 3）加热温度和保温时间：加热温度越高）加热温度和保温时间：加热温度越高，保温时间越，保温时间越长长，奥，奥氏体成分越均匀，晶粒也越粗大，晶界面积越少，使过冷奥氏体成分越均匀，晶粒也越粗大，晶界面积越少，使过冷奥氏体稳定性提高，氏体稳定性提高，C C曲线右移曲线右移 连续冷却转变曲线只有连续冷却转变曲线只有

22、C C曲线的上曲线的上半部分，没有下半部分，连续冷却半部分，没有下半部分，连续冷却转变时不形成贝氏体组织。转变时不形成贝氏体组织。3. 3. 了解过冷奥氏体的连续冷却转变（了解过冷奥氏体的连续冷却转变（本节不作要求本节不作要求）（1 1）过冷奥氏体连续冷却转变曲线）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（2 2）C C曲线在连续冷却转变中的应曲线在连续冷却转变中的应用用生产中，常用生产中，常用C C曲线来定性地、近曲线来定性地、近似地分析同一种钢在连续冷却时的似地分析同一种钢在连续冷却时的转变过程。以共析钢为例，将连续转变过程。以共析钢为例，将连续冷却速度线画在冷却速度线画在C C曲线图上，根据曲线图上，

23、根据与与C C曲线相交的位置，可估计出连曲线相交的位置，可估计出连续冷却转变的产物。续冷却转变的产物。 连续冷却转变曲线只有连续冷却转变曲线只有C C曲线的上半部分，没有下半部分，连曲线的上半部分，没有下半部分，连续冷却转变时不形成贝氏体组织。续冷却转变时不形成贝氏体组织。 C C曲线在连续冷却转变中的应用曲线在连续冷却转变中的应用生产中常用生产中常用C C曲线来定性曲线来定性地、近似地分析同一种钢地、近似地分析同一种钢在连续冷却时的转变过程。在连续冷却时的转变过程。将共析钢连续冷却速度线将共析钢连续冷却速度线画在画在C C曲线图上，估计出连曲线图上，估计出连续冷却转变的产物。续冷却转变的产物

24、。v v1 1相当于随炉冷却的速度相当于随炉冷却的速度（退火），估计出连续冷（退火），估计出连续冷却后转变为珠光体，硬度却后转变为珠光体，硬度170170220HBS220HBS。 v v2 2相当于空冷的冷却速度（正火），估计出转变产物为索氏体，相当于空冷的冷却速度（正火），估计出转变产物为索氏体，硬度硬度252535 HRC35 HRC。v v3 3相当于油的冷却速度（油淬），相当于油的冷却速度（油淬），只有一部分过冷奥氏体转变为托氏只有一部分过冷奥氏体转变为托氏体体（T T），剩余的过冷奥氏体到，剩余的过冷奥氏体到MsMs点以下转变为马氏体，最后得到托点以下转变为马氏体，最后得到托氏体和

25、马氏体及残留奥氏体的复相氏体和马氏体及残留奥氏体的复相组织，硬度组织，硬度45455555HRCHRC。v v4 4相当于在水中冷却的冷却速度相当于在水中冷却的冷却速度（淬火），不与（淬火），不与C C曲线相交，直接曲线相交，直接通过通过MsMs点，转变为马氏体，得到点，转变为马氏体，得到马氏体和残留奥氏体，硬度马氏体和残留奥氏体，硬度555565 HRC65 HRC。 （3 3）马氏体的组织形态和性能）马氏体的组织形态和性能1 1）马氏体（）马氏体（MM）：当过冷奥氏体被快速冷却到）：当过冷奥氏体被快速冷却到MsMs点以下时便点以下时便发生马氏体转变。奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至发生马

26、氏体转变。奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至MsMs以下时转变为体心立方晶体结构。由于转变温度较低，原奥氏以下时转变为体心立方晶体结构。由于转变温度较低，原奥氏体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原体中溶解的过多碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子难以析出，使晶格发生畸变，含碳量越高，奥氏体中的碳原子难以析出，使晶格发生畸变，含碳量越高，畸变越大，内应力也越大。畸变越大，内应力也越大。 2 2）马氏体的组织形态和性能马氏体的组织形态和性能马氏体组织形态有马氏体组织形态有片状片状（针状）和板条状两种（针状）和板条状两种。片状马氏体组织形态取决于奥氏体的含碳量，

27、奥氏体中含碳片状马氏体组织形态取决于奥氏体的含碳量，奥氏体中含碳量大于量大于1 1.0.0时，马氏体呈凸透镜状时，马氏体呈凸透镜状含碳量小于含碳量小于0 0.2.25 5时时，马氏体呈板条状马氏体呈板条状。 马氏体是钢中最硬的组织马氏体是钢中最硬的组织，硬度和强度硬度和强度取决于马氏体的取决于马氏体的含碳量含碳量，随着含随着含碳量的增加而升高碳量的增加而升高。当马氏体含碳量增大到。当马氏体含碳量增大到0.60.6时时 硬硬度不再继续升高度不再继续升高, ,大约为大约为60-64HRC 60-64HRC 。马氏体的塑性和韧性也与。马氏体的塑性和韧性也与含碳量有关。片状高碳马氏体的塑性和韧性差，而

28、板条状低碳含碳量有关。片状高碳马氏体的塑性和韧性差，而板条状低碳马氏体的塑性和韧性较好。马氏体的塑性和韧性较好。 3 3）马氏体转变的特点马氏体转变的特点马氏体转变的无扩散性（快速完成）马氏体转变的无扩散性（快速完成）。马氏体马氏体转变的连续性。转变的连续性。 Ms Mf Ms Mf连续进行。形核取决于温度连续进行。形核取决于温度与实践无关与实践无关马氏体马氏体转变的不完全性。转变的不完全性。 Ms Ms、MfMf与冷速无关，取决于与冷速无关，取决于A A的的含碳量，含碳量，Wc Wc ，点越低。淬火到室温也不能得到，点越低。淬火到室温也不能得到100100的马氏的马氏体。体。马氏体转变体积膨

29、胀，产生很大内应力，易使工件变形开裂。马氏体转变体积膨胀，产生很大内应力，易使工件变形开裂。任务三任务三 掌握并应用钢的退火与正火工艺掌握并应用钢的退火与正火工艺 学习目标学习目标知识目标：掌握钢的退火与正火工艺方法。知识目标：掌握钢的退火与正火工艺方法。能力目标：能熟练应用钢的退火与正火工艺解决生产实际问题。能力目标：能熟练应用钢的退火与正火工艺解决生产实际问题。退火与正火是钢铁材料常用的两种基本热处理工艺方法，主要用退火与正火是钢铁材料常用的两种基本热处理工艺方法，主要用来处理毛坯件（如铸件、来处理毛坯件（如铸件、 锻件、焊接件等）所造成的缺陷，为锻件、焊接件等）所造成的缺陷，为后面的切削

30、加工和最终热处理做好组织准备，因此，退火与正火后面的切削加工和最终热处理做好组织准备，因此，退火与正火通常又称为预各热处理。对个别要求不高的铸件、锻件、焊接件通常又称为预各热处理。对个别要求不高的铸件、锻件、焊接件也可作为最终热处理。也可作为最终热处理。1.1.钢的退火钢的退火退火：钢加热到适当的温度，保温一定时间后随炉缓慢冷却退火：钢加热到适当的温度，保温一定时间后随炉缓慢冷却（炉冷）。作为预先热处理安排在锻造、铸造之后，粗加工之（炉冷）。作为预先热处理安排在锻造、铸造之后，粗加工之前消除应力，降低硬度。前消除应力，降低硬度。退火的目的：退火的目的： 降低硬度，以利于切削（适合的切削硬度为降

31、低硬度，以利于切削（适合的切削硬度为160-160-260HBS260HBS）；）； 消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂； 细化晶粒，均匀组织及成分。细化晶粒，均匀组织及成分。得到球状珠光体得到球状珠光体完全退火完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火扩散（均匀化）退火扩散（均匀化）退火亚共析成分的碳钢和合金钢亚共析成分的碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢共析或过共析碳钢和合金钢分类分类退火工艺方法与应用退火工艺方法与应用 再结晶退火（消除形变强化）再结晶退火（消除形变强化）（1 1）完全退火完全退火q将亚共析钢件完全奥氏体化（加热至将亚共析钢件完

32、全奥氏体化（加热至AcAc3 3以上以上30305050）后，随）后，随之缓慢冷却。为提高生产率，随炉冷至之缓慢冷却。为提高生产率，随炉冷至600600左右，工件出炉空左右，工件出炉空冷。冷。q作用：降低钢的硬度，便于切削加工；消除残留应力，稳定工件作用：降低钢的硬度，便于切削加工；消除残留应力，稳定工件尺寸，以防变形或开裂；细化晶粒，改善组织，以提高力学性能尺寸，以防变形或开裂；细化晶粒，改善组织，以提高力学性能和改善工艺性能，为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。和改善工艺性能，为最终热处理（淬火、回火）作好组织准备。q缺点：时间长，对于比较稳定的缺点：时间长，对于比较稳定的 合金钢，退

33、火需要几十个小时。合金钢，退火需要几十个小时。q应用：亚共析钢的铸件、锻件、应用：亚共析钢的铸件、锻件、 热轧型材和焊接件。热轧型材和焊接件。q为缩短完全退火时间，为缩短完全退火时间，常采用常采用等温退火等温退火工艺：将钢件加热工艺：将钢件加热到到AcAc3 3（或（或AcAc1 1）点以上，保温适当时间后，较快冷却到珠）点以上，保温适当时间后，较快冷却到珠光体转变温度区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变光体转变温度区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类组织，然后在空气中冷却的退火工艺。为珠光体类组织，然后在空气中冷却的退火工艺。q二者二者目的相同，目的相同，但等温退火转变易控制但

34、等温退火转变易控制，所用时间比完全，所用时间比完全退火缩短约退火缩短约1 1 /3/3，并可获得均匀的组织和性能。，并可获得均匀的组织和性能。（2 2）球化退火球化退火q将共析钢或过共析钢加热到将共析钢或过共析钢加热到A Ac c1 1点以上点以上20203030，保温一定时，保温一定时间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于间后，随炉缓冷至室温，或快冷到略低于ArAr1 1温度，保温后出温度，保温后出炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺炉空冷，使钢中碳化物球状化的退火工艺。q过共析钢及合金工具钢热加工后，组织中常出现粗片状珠光过共析钢及合金工具钢热加工后，组织中常出现粗片状珠光体和网状二次渗碳体

35、，钢的切削加工性能变差，且淬火时易体和网状二次渗碳体，钢的切削加工性能变差，且淬火时易产生变形和开裂。为消除缺陷，采用球化退火使珠光体中的产生变形和开裂。为消除缺陷，采用球化退火使珠光体中的片状渗碳体呈颗粒状片状渗碳体呈颗粒状。q球化退火适用于球化退火适用于共析钢和过共析钢共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工，如碳素工具钢、合金工具钢和轴承钢多采用球化退火作为预具钢和轴承钢多采用球化退火作为预备备热处理。热处理。（3 3）均匀化退火（扩散退火）均匀化退火（扩散退火）q将铸锭、铸件或锻坯加热到高温（钢熔点以下将铸锭、铸件或锻坯加热到高温（钢熔点以下1001002 20000）在此温度长时间保温

36、（在此温度长时间保温（lOlO15h15h），），然后缓慢冷却，达到化然后缓慢冷却，达到化学成分和组织均匀化学成分和组织均匀化。q均匀化退火后，钢的晶粒过分粗大，均匀化退火后，钢的晶粒过分粗大， 还要还要进行完全退火或正火进行完全退火或正火。均匀化。均匀化 退火时间长，耗费能量大，成本高。退火时间长，耗费能量大，成本高。 主要用于要求质量高的合金钢铸锭主要用于要求质量高的合金钢铸锭 和铸件。和铸件。（4 4）去应力退火）去应力退火q将钢加热到略低于将钢加热到略低于A A1 1温度（温度（500500600600），保温一段时间，），保温一段时间，随炉缓慢冷却或随炉缓冷至随炉缓慢冷却或随炉缓冷至

37、3003002OO2OO出炉空冷。出炉空冷。q目的：去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力，目的：去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力，以及铸件内存在的残留应力。由于加热温度低于以及铸件内存在的残留应力。由于加热温度低于A A1 1，点，不，点，不发生组织的变化（相变），只是消除内应力。发生组织的变化（相变），只是消除内应力。q用于消除工件中的残留应力。可消除用于消除工件中的残留应力。可消除50508080应力，对应力，对形状复杂及壁厚不均匀的零件尤为重要。形状复杂及壁厚不均匀的零件尤为重要。 2. 2. 钢的正火钢的正火正火正火：将钢加热到：将钢加热到AcAc3 3或或Ac

38、Accmcm以上以上30305050，保温一段时间，保温一段时间，随后在空气中冷却。随后在空气中冷却。正火与退火的区别：正火冷却速度稍快正火与退火的区别：正火冷却速度稍快，得到的组织较细小，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。 对于低碳钢和低碳的合金钢经正火后，可提高硬度，改善切对于低碳钢和低碳的合金钢经正火后，可提高硬度，改善切削加工性能（削加工性能（170170230HBS230HBS范围内金属切削加工性较好）；范围内金属切削加工性较好）；对于中碳结构钢制作的较重要件，可作为预先热处理，为最对于中碳结构钢

39、制作的较重要件，可作为预先热处理，为最终热处理作好组织准终热处理作好组织准备备；对于过共析钢，对于过共析钢，可消除二次渗碳体网，为球化退火作好组织可消除二次渗碳体网，为球化退火作好组织准备准备；对于使用性能要求不高的零件，以及某些大型或形状复杂的对于使用性能要求不高的零件，以及某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可采用正火作为最终热处理零件，当淬火有开裂危险时，可采用正火作为最终热处理。 几种退火与正火的加热温度范围及热处理工艺曲线几种退火与正火的加热温度范围及热处理工艺曲线任务四任务四 掌握并应用钢的淬火工艺掌握并应用钢的淬火工艺 学习目标学习目标知识目标：掌握钢的淬火工艺知识目标

40、：掌握钢的淬火工艺能力目标：能熟练应用钢的淬火工艺解决生产实际问题能力目标：能熟练应用钢的淬火工艺解决生产实际问题1. 1. 熟练掌握并应用钢的淬火熟练掌握并应用钢的淬火淬火：将钢件加热至淬火：将钢件加热至Ac3Ac3或或Ac1Ac1以上某一温度，保温后以适当以上某一温度，保温后以适当速度冷却，获得马氏体和速度冷却，获得马氏体和( (或或) )下贝氏体组织的热处理工艺。下贝氏体组织的热处理工艺。（1 1）淬火目的：使钢铁材料获得马氏体或贝氏体组织，并与回）淬火目的：使钢铁材料获得马氏体或贝氏体组织，并与回火工艺合理配合，提高钢铁材料的强度、硬度和耐磨性，获得火工艺合理配合，提高钢铁材料的强度、

41、硬度和耐磨性，获得需要的力学性能，特别是在动载荷与摩擦力作用下的零件。是需要的力学性能，特别是在动载荷与摩擦力作用下的零件。是强化钢件最重要的热处理方法。强化钢件最重要的热处理方法。应用：刀具、钻头、丝锥、板牙、精密量具等，重要零件如销、应用：刀具、钻头、丝锥、板牙、精密量具等，重要零件如销、套、轴、滚动轴承、模具等，是强化钢件最重要的热处理方法。套、轴、滚动轴承、模具等，是强化钢件最重要的热处理方法。 （2 2）钢的淬火加热温度选择）钢的淬火加热温度选择淬火加热温度选择以得到淬火加热温度选择以得到均匀细小的奥氏体晶粒均匀细小的奥氏体晶粒为原则为原则, , 淬淬火后获得火后获得均匀细小的马氏体

42、组织均匀细小的马氏体组织。淬火温度主要根据钢的临界点淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至确定，亚共析钢通常加热至AcAc3 3以上以上30305050，可获得，可获得均匀细小的马氏体和少量残均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体组织。余奥氏体组织。如果淬火温度过高，则将获如果淬火温度过高，则将获得粗大马氏体组织，同时引得粗大马氏体组织，同时引起钢件较严重的变形。如果起钢件较严重的变形。如果淬火温度过低，则在淬火组淬火温度过低，则在淬火组织中将出现铁素体，造成钢织中将出现铁素体，造成钢的硬度不足，强度不高。的硬度不足，强度不高。共析钢、过共析钢加热至共析钢、过共析钢加热至AcAc1 1以

43、上以上30305050，可获得均匀细小，可获得均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体组织。的马氏体和少量残余奥氏体组织。合金钢：大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大合金钢：大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大(Mn(Mn、P P除外除外) )，淬火温度允许比碳钢稍微高一些，使合金元素充分溶解和均匀淬火温度允许比碳钢稍微高一些，使合金元素充分溶解和均匀化，取得较好淬火效果。化，取得较好淬火效果。（3 3）淬火冷却介质）淬火冷却介质1 1）理想的淬火冷却方式：应具有图示的冷却曲线，即只在）理想的淬火冷却方式：应具有图示的冷却曲线，即只在C C曲曲线鼻部附近快速冷却，而在淬火温度到线鼻部附近快速冷却，而在淬火温度

44、到650650之间以及之间以及MsMs点点以下以较慢的速度冷却。以下以较慢的速度冷却。.在达到在达到C C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”附近附近，即在，即在550-650550-650温度范围内以温度范围内以极快的冷却速度，迅速冷却到极快的冷却速度，迅速冷却到“鼻尖鼻尖”以下，以避开以下，以避开C C曲线的曲线的“鼻尖鼻尖”。.在在650650以上或在以上或在400 400 以下以下，过冷奥氏体稳定，这两个阶段，过冷奥氏体稳定，这两个阶段应尽量减慢冷却速度，以减少淬应尽量减慢冷却速度，以减少淬火应力火应力.特别在特别在MsMs（300300200200）点）点附近发生马氏体转变时，尤其不附近发生马氏

45、体转变时，尤其不应快冷，否则容易造成变形及开应快冷，否则容易造成变形及开裂裂2 2）常用的淬火介质：水及水溶液、油类、熔盐、熔碱）常用的淬火介质：水及水溶液、油类、熔盐、熔碱水：冷却能力很强，加入水：冷却能力很强，加入5 51010NaClNaCl的盐水，其冷却的盐水，其冷却能力更强。尤其在能力更强。尤其在650650550550的范围内冷却速度非常快，的范围内冷却速度非常快，大于大于600600s s。但在。但在300300200200的温度范围，冷却能力的温度范围，冷却能力仍很强，将导致工件变形，甚至开裂。主要用于淬透性较仍很强，将导致工件变形，甚至开裂。主要用于淬透性较小的碳钢零件。小的

46、碳钢零件。油（都是矿物油）：优点是在油（都是矿物油）：优点是在300300200200的范围内冷却的范围内冷却能力低，有利于减小变形和开裂，缺点是在能力低，有利于减小变形和开裂，缺点是在650650550550范围冷却能力远低于水，不宜用于碳钢，通常只用作合金范围冷却能力远低于水，不宜用于碳钢，通常只用作合金钢的淬火介质，油温控制在钢的淬火介质，油温控制在4040100100。2 2）常用的淬火介质：水及水溶液、油类、盐或碱水溶液）常用的淬火介质：水及水溶液、油类、盐或碱水溶液为提高水的冷却能力，常在水中加人少量（为提高水的冷却能力，常在水中加人少量（10101515）的盐或碱。常用食盐水和氢

47、氧化钠水溶液。的盐或碱。常用食盐水和氢氧化钠水溶液。优点是在优点是在650650500500能满足要求。能满足要求。缺点是在需要缓冷的缺点是在需要缓冷的30030020O20O速度太快，易引起变形速度太快，易引起变形和开裂，对工件有腐蚀作用，而且淬火后必须清洗。主要和开裂，对工件有腐蚀作用，而且淬火后必须清洗。主要用于形状简单的碳钢零件的淬火冷却。用于形状简单的碳钢零件的淬火冷却。 2. 2. 熟悉钢的淬火方法熟悉钢的淬火方法工业上常用的淬火方法有：工业上常用的淬火方法有：单液淬火法单液淬火法双液淬火法双液淬火法分级淬火法分级淬火法等温淬火法等温淬火法局部淬火法局部淬火法冷处理冷处理1 1）单

48、液淬火法单液淬火法单液淬火法单液淬火法：将钢件奥氏体化后，保温适当时间，随之在：将钢件奥氏体化后，保温适当时间，随之在水（或油）中急冷的淬火工艺，图示的曲线。此法操作水（或油）中急冷的淬火工艺，图示的曲线。此法操作简便，易实现机械化和自动化。通常形状简单尺寸较大的简便，易实现机械化和自动化。通常形状简单尺寸较大的碳钢件在水中淬火，合金钢件及尺寸很小的碳钢件在油中碳钢件在水中淬火，合金钢件及尺寸很小的碳钢件在油中淬火。淬火。2 2）双液淬火法）双液淬火法双液淬火：将钢件加热到奥氏体化后双液淬火：将钢件加热到奥氏体化后，先浸入冷却能力强的，先浸入冷却能力强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转

49、人冷却能力弱介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转人冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。的介质中冷却的淬火工艺。例如先水后油、先水后空气等，图示的例如先水后油、先水后空气等，图示的曲线曲线。操作时如能。操作时如能控制好工件在水中停留的时间，可有效地防止淬火变形和开控制好工件在水中停留的时间，可有效地防止淬火变形和开裂，要求较高的操作技术。主要用于形状复杂的高碳钢件和裂，要求较高的操作技术。主要用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。尺寸较大的合金钢件。3 3）分级淬火法）分级淬火法分级淬火：将钢件奥氏体化后，随之浸人温度稍高或稍低于分级淬火：将钢件奥氏体化后，随之浸人温度稍高或稍低于MsM

50、s点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件整体达到介质点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，待工件整体达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，图示的温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，图示的曲线。曲线。此法要求附加设备，操作较为复杂，此法要求附加设备，操作较为复杂，淬火介质较贵，处理费用较高。能淬火介质较贵，处理费用较高。能减小热应力、相变应力和变形，防减小热应力、相变应力和变形，防止开裂。止开裂。用于截面尺寸较小（直径或厚度小用于截面尺寸较小（直径或厚度小于于12 mm12 mm）、形状较复杂工件的）、形状较复杂工件的淬火。淬火。4 4）等温淬火法）等温淬火法等温淬火：将钢件加热

51、到奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变等温淬火：将钢件加热到奥氏体化后，随之快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。图示的图示的曲线。此法淬火后应曲线。此法淬火后应力和变形很小，但生产周期长，力和变形很小，但生产周期长，效率低。主要用于形状复杂、效率低。主要用于形状复杂、尺寸要求精确，并要求有较高尺寸要求精确，并要求有较高强韧性的小型工模具及弹簧的强韧性的小型工模具及弹簧的淬火淬火3. 3. 认识钢的淬透性和淬硬性认识钢的淬透性和淬硬性钢的淬硬性：钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度，钢的淬硬性：钢在理想条件下淬火所能达到

52、的最高硬度，主要取决于钢中的含碳量，含碳量越高，钢的淬硬性越大主要取决于钢中的含碳量，含碳量越高，钢的淬硬性越大钢的淬透性：在规定条件下钢的淬透性：在规定条件下，钢淬火后获得淬硬层深度的，钢淬火后获得淬硬层深度的能力。能力。淬硬深度：从工件的表面到半马氏体层淬硬深度：从工件的表面到半马氏体层（体积分数为（体积分数为5050的马氏体体积分数为的马氏体体积分数为5050的托氏体）的深度。淬硬层的的托氏体）的深度。淬硬层的深度越大，则钢的淬透性越高。深度越大，则钢的淬透性越高。钢的淬透性高则工件能被淬透，钢的淬透性高则工件能被淬透，经回火后的力学性能沿整个截面经回火后的力学性能沿整个截面均匀一致；钢

53、的淬透性小则工件没被淬透均匀一致；钢的淬透性小则工件没被淬透，经回火后工件表层和，经回火后工件表层和心部的组织和性能均存在差异，心部的强度和硬度较低。心部的组织和性能均存在差异，心部的强度和硬度较低。对受力大且复杂的工件，应确保工件截面各处的组织和性能均匀对受力大且复杂的工件，应确保工件截面各处的组织和性能均匀一致，一致，这时需选用淬透性大的钢；若要求工件表面硬度高这时需选用淬透性大的钢；若要求工件表面硬度高、耐磨、耐磨性好，而心部要求韧性好时，可选用低淬透性钢。性好，而心部要求韧性好时，可选用低淬透性钢。钢的淬透性和淬硬性没有必然的联系，淬透性好的钢，淬硬性不钢的淬透性和淬硬性没有必然的联系

54、，淬透性好的钢，淬硬性不一定高。反之，淬硬性高的钢，其淬透性也不一定好。一定高。反之，淬硬性高的钢，其淬透性也不一定好。工件在淬火加热和冷却过程中，由于加热温度高，冷却速度快，工件在淬火加热和冷却过程中，由于加热温度高，冷却速度快，很容易产生淬火缺陷。很容易产生淬火缺陷。（1 1）过热与过烧缺陷的产生及预防措施）过热与过烧缺陷的产生及预防措施工件加热温度偏高，使晶粒过度长大，造成力学性能显著降低的工件加热温度偏高，使晶粒过度长大，造成力学性能显著降低的现象称为过热。钢件过热后，形成的粗大奥氏体晶粒可以通过正现象称为过热。钢件过热后，形成的粗大奥氏体晶粒可以通过正火或退火来消除。火或退火来消除。

55、工件加热温度过高，使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。过工件加热温度过高，使晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。过烧的钢件淬火后强度低，脆性很大，并且无法补救，只能报废。烧的钢件淬火后强度低，脆性很大，并且无法补救，只能报废。4. 4. 避免淬火缺陷的产生及预防措施避免淬火缺陷的产生及预防措施（2 2）氧化与脱碳缺陷的产生及预防措施）氧化与脱碳缺陷的产生及预防措施金属工件加热时，加热介质中的氧、二氧化碳和水蒸气与金属反金属工件加热时，加热介质中的氧、二氧化碳和水蒸气与金属反应生成氧化物的过程称为氧化。加热温度越高，保温时间越长，应生成氧化物的过程称为氧化。加热温度越高，保温时间越长，氧化现象越明

56、显。氧化使钢件表面烧损，增大表面粗糙度氧化现象越明显。氧化使钢件表面烧损，增大表面粗糙度RaRa值，值，减小钢件尺寸，甚至使钢件报废。减小钢件尺寸，甚至使钢件报废。金属工件加热时介质与工件表层的碳发生反应，使表层含碳量降金属工件加热时介质与工件表层的碳发生反应，使表层含碳量降低的现象称为脱碳。加热温度越高，加热时间越长脱碳越严重。低的现象称为脱碳。加热温度越高，加热时间越长脱碳越严重。脱碳使钢件表面碳的质量分数降低，使其力学性能下降，容易引脱碳使钢件表面碳的质量分数降低，使其力学性能下降，容易引起钢件早期失效。起钢件早期失效。防止氧化与脱碳的措施有：一是控制加热介质的化学成分和性质，防止氧化与

57、脱碳的措施有：一是控制加热介质的化学成分和性质，使之与钢件不发生氧化与脱碳反应，如采用可控气氛、氮基气氛使之与钢件不发生氧化与脱碳反应，如采用可控气氛、氮基气氛等；二是钢件表面进行涂层保护和真空加热。等；二是钢件表面进行涂层保护和真空加热。4. 4. 避免淬火缺陷的产生及预防措施避免淬火缺陷的产生及预防措施（3 3）淬火硬度不足和出现软点缺陷的产生及预防措施）淬火硬度不足和出现软点缺陷的产生及预防措施工件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求的现象称为硬度不足。工件淬火后较大区域内硬度达不到技术要求的现象称为硬度不足。加热温度过低或保温时间过短，淬火冷却介质冷却能力不够，钢加热温度过低或保温时间过

58、短，淬火冷却介质冷却能力不够，钢件表面氧化、脱碳，奥氏体中碳的质量分数较低或成分不均匀，件表面氧化、脱碳，奥氏体中碳的质量分数较低或成分不均匀，存在未溶的铁素体等，均容易导致钢件淬火后达不到要求的硬度存在未溶的铁素体等，均容易导致钢件淬火后达不到要求的硬度值。值。工件淬火硬化后，表面许多小区域存在硬度偏低的现象称为软点工件淬火硬化后，表面许多小区域存在硬度偏低的现象称为软点工件产生硬度不足和大量的软点后，可经退火或正火后，重新进工件产生硬度不足和大量的软点后，可经退火或正火后，重新进行正确的淬火，即可消除工件表面的硬度不足和的软点。行正确的淬火，即可消除工件表面的硬度不足和的软点。4. 4.

59、避免淬火缺陷的产生及预防措施避免淬火缺陷的产生及预防措施（4 4）变形和开裂缺陷的产生及预防措施）变形和开裂缺陷的产生及预防措施变形是淬火时工件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时工变形是淬火时工件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时工件表层或内部产生裂纹的现象。钢件产生变形与开裂的原因是由件表层或内部产生裂纹的现象。钢件产生变形与开裂的原因是由于钢件在热处理过程中其内部产生了较大的内应力，包括热应力于钢件在热处理过程中其内部产生了较大的内应力，包括热应力和相变应力。和相变应力。4. 4. 避免淬火缺陷的产生及预防措施避免淬火缺陷的产生及预防措施（a a）工件原形）工件原形 （b b）热应

60、力产生的变形）热应力产生的变形 （c c）相变应力产生的变形）相变应力产生的变形图图4 430 30 热应力和相变应力使工件产生变形的情况热应力和相变应力使工件产生变形的情况1 1）淬火前的准备淬火前的准备: :选用合适的工夹具、进行适当的绑扎。对易产生裂纹的部选用合适的工夹具、进行适当的绑扎。对易产生裂纹的部位，采取适当的防护措施，如包扎铁皮、石棉绳、堵孔等位，采取适当的防护措施，如包扎铁皮、石棉绳、堵孔等如非工作孔，可用石棉绳、耐火泥堵塞，降低冷却速度，如非工作孔，可用石棉绳、耐火泥堵塞，降低冷却速度，减少淬火应力与变形；减少淬火应力与变形；截面急变处用铁丝或石棉绳绑扎；尖角处用铁皮套上；