《工程材料》第六章 钢的热处理

1、第六章第六章 第一节第一节概述概述 钢在冶炼、铸造、锻轧后获得了一定形状和性钢在冶炼、铸造、锻轧后获得了一定形状和性能，有些可以直接作为零件使用，但更多的零件或能，有些可以直接作为零件使用，但更多的零件或工具不能直接使用，没有达到零件所需的性能（加工具不能直接使用，没有达到零件所需的性能（加工、使用）要求。工、使用）要求。 热处热处理理是进是进一步提高钢件性能非常有效的方一步提高钢件性能非常有效的方法。法。第一节第一节概述概述一、概念与意义一、概念与意义 钢的热处理：钢的热处理：将钢通过将钢通过加热、保温、冷却加热、保温、冷却过程来获过程来获得所需组织结构与性能的工艺方法。得所需组织结构与性能

2、的工艺方法。 意义：意义：热处理热处理是零件和工具制造过程重要的加工手是零件和工具制造过程重要的加工手段段( (零件设计形状选材热处理零件设计形状选材热处理) )。 热处理热处理改变了钢的两大性能：改变了钢的两大性能：加工性能加工性能使用性能。使用性能。 目前汽车目前汽车8080、机床、机床7070、轴承及模具几乎、轴承及模具几乎100100的零部件要的零部件要热处理热处理。1 1、热处理热处理工艺一般由工艺一般由加热，保温，冷却加热，保温，冷却三个过程组三个过程组成。成。二、热处理工艺的基本过程与分类二、热处理工艺的基本过程与分类2 2、热处理工艺分类：、热处理工艺分类： 整体热处理：整体热

3、处理：退火、正火、淬火、回火、调质（淬退火、正火、淬火、回火、调质（淬火回火）、稳定化处理、固溶（水韧）处理等。火回火）、稳定化处理、固溶（水韧）处理等。汽车板簧的热压成型淬火汽车板簧的热压成型淬火动画动画表面热处理表面热处理：改变零件表面组织与性能，改变零件表面组织与性能，包括包括表面淬火表面淬火、表面物理（化学）涂覆、气相沉积表面物理（化学）涂覆、气相沉积等。等。动画动画动画动画化学热处理化学热处理：高温化学反应，使一种或多种元素高温化学反应，使一种或多种元素渗入零件表面，改变表面组织与性能。渗入零件表面，改变表面组织与性能。如表面渗如表面渗C、渗渗N、CN共渗等。共渗等。上海汽车齿轮总厂

4、上海汽车齿轮总厂多用密封箱式炉多用密封箱式炉动画动画三、钢的相变三、钢的相变热处理热处理为什么能改变钢的性能？为什么能改变钢的性能？钢在加热、冷却时发生相与组织的转变钢在加热、冷却时发生相与组织的转变。 钢在加热或钢在加热或冷却经过平衡临冷却经过平衡临界点界点A1、A3、Acm时会发生相时会发生相结构的转变。结构的转变。热力学条件：热力学条件：过冷度过冷度（过热度）（过热度）。 钢在冷却时，钢在冷却时，转变转变是是在在A1，A3，Acm线线以以下的地方进行。冷速下的地方进行。冷速越大，相变点偏离越越大，相变点偏离越大。大。 当钢在加热时，当钢在加热时，转变是在转变是在A1，A3，Acm线以上的

5、地方进线以上的地方进行。行。实际实际加热加热时相变温度：时相变温度： Ac1，Ac3，Accm实际实际冷却冷却时相变温度：时相变温度： Ar1,Ar3，Arcm第二节第二节 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 加热加热是是热处理热处理的第一个过程。的第一个过程。 由常温相（由常温相（F、Fe3C）加热）加热 A相（相（称奥氏体化）称奥氏体化） 一、一、共析钢的奥氏体化共析钢的奥氏体化（一）基本过程（一）基本过程 共析钢在共析钢在A1点以下为点以下为P（F与与Fe3C组成的混合物）。组成的混合物）。 加热到加热到A1线以上：线以上：F F（体心立方，（体心立方，0.0218%C） A（面心

6、立方）面心立方）；渗碳体（复杂晶格，渗碳体（复杂晶格，6.69%C）溶入溶入A，扩散至均匀分扩散至均匀分布布（0.77%C）。A化过程四个阶段化过程四个阶段： A A形核形核A A晶核长大晶核长大残余残余Fe3C溶解溶解 A A均匀化均匀化A化过程是晶格重构和铁、化过程是晶格重构和铁、碳原子扩散过程。碳原子扩散过程。（二）（二）P（珠光体）（珠光体）向奥氏体转变的影响因素向奥氏体转变的影响因素（ 1 1）加热温度影响）加热温度影响PA，需，需 “ “孕育期孕育期” ” ；加热温度加热温度，原子扩散能力，原子扩散能力，孕育期，孕育期, , A A化速度化速度。（2 2）钢的化学成分）钢的化学成分

7、影响影响C ：C%界面多界面多核心多核心多“A化化”转变快。转变快。合金元素：合金元素：Cr、Mo、W、V、Nb、Ti强碳化物形成强碳化物形成元素，元素，“A均匀化均匀化”速度速度。Co、Ni非碳化物形成元素，非碳化物形成元素，“A化化”速度速度。Al、Si、Mn影响较小。影响较小。（3）原始组织）原始组织影响影响P的层片状越细，的层片状越细，相界面积越大，相界面积越大，“A化化”晶核晶核，碳原子，碳原子扩散距离短，扩散距离短，A化化。（4）加热速度）加热速度影响影响加热速度加热速度，A转变温度转变温度，孕育期短，孕育期短，A化化速速度度。二、奥氏体晶粒大小及控制二、奥氏体晶粒大小及控制（一）

8、（一） 奥氏体晶粒度奥氏体晶粒度 晶体内的晶粒大小用晶粒度级别来表达。晶体内的晶粒大小用晶粒度级别来表达。通过对钢的金相组织观察，将其图像放大通过对钢的金相组织观察，将其图像放大100倍时制定的标准。倍时制定的标准。14级晶粒度为本质粗晶粒钢；级晶粒度为本质粗晶粒钢；58级晶粒度为本质细晶粒钢。级晶粒度为本质细晶粒钢。（二）奥氏体晶粒的长大（二）奥氏体晶粒的长大本质粗晶钢：本质粗晶钢：A晶粒随温度的升高而且迅速长大。晶粒随温度的升高而且迅速长大。 （Mn、P促进长大）促进长大）本质细晶钢：本质细晶钢：A晶粒随温度升高到某一温度时，才迅晶粒随温度升高到某一温度时，才迅速长大。速长大。 细化晶粒：

9、碳化物细化晶粒：碳化物形成元素形成元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等，等，Al生成生成AlN。第三节第三节 钢的冷却组织转变钢的冷却组织转变 钢在实际冷却中钢在实际冷却中的冷速较快，不同冷的冷速较快，不同冷却速度与方式的却速度与方式的组织组织转变转变比比平衡转变平衡转变复杂复杂得多。得多。钢的冷却方式有两种：钢的冷却方式有两种：1.1.等温冷却等温冷却A化后化后的钢，快速冷却到的钢，快速冷却到A1以下某一温度进行等温，以下某一温度进行等温，发生转变后再冷却到室温。发生转变后再冷却到室温。2.2.连续冷却连续冷却A化后化后的钢，以不同的冷却速度（空冷，炉冷，油冷，的钢，以不同的冷却速度（空冷

10、，炉冷，油冷，水冷等）连续冷却到室温。水冷等）连续冷却到室温。一、过冷奥氏体一、过冷奥氏体( (A) )的的等温转变等温转变A化化钢快冷到钢快冷到A1以下时处于不稳定状态，但要以下时处于不稳定状态，但要经过经过“孕育期孕育期”后才开始转变。后才开始转变。（一）过冷（一）过冷A等温转变等温转变曲线（曲线（C C曲线）曲线） 共析钢的等温冷却：共析钢的等温冷却： 不同的等温温度不同的等温温度获得不同的组织形态，获得不同的组织形态，其力学性能也差异较其力学性能也差异较大。大。 将不同等温温度将不同等温温度的转变开始时间和完的转变开始时间和完了时间绘制出一幅了时间绘制出一幅等等温转变图，温转变图，称称

11、C C曲线曲线或或TTTTTT图。图。共析钢的过冷共析钢的过冷A在三个不同在三个不同温度区间，发生三种不同温度区间，发生三种不同的组织转变：的组织转变：高温转变：高温转变：珠光体转变，珠光体转变，P表示。表示。Ar1550中温转变：中温转变：贝氏体转变，贝氏体转变，B表示。表示。550Ms低温转变：低温转变：马氏体转变，马氏体转变，M表示。连续表示。连续MsMf 1 1、珠光体转变、珠光体转变1 1）等温转变）等温转变温度：温度：Ar1550， 产物：产物：PAP(F+Fe3C)转变伴随两个过程：转变伴随两个过程：铁、碳原子的扩散；铁、碳原子的扩散；晶格重构（面心晶格重构（面心A转转变为体心变

12、为体心F和复杂立方和复杂立方Fe3C） 在在P转变区，转变区，随过冷度随过冷度增大，增大，P的片间距变小。的片间距变小。过冷度较小时，获得过冷度较小时，获得普通普通P组织组织（P）；过冷度较大时，获得过冷度较大时，获得细细P组织，组织， 称索氏体称索氏体（S S）；过冷度更大时，获得过冷度更大时，获得超细超细P组织，组织， 称屈氏体称屈氏体（T T）。a)珠光体珠光体8000 (b)索氏体索氏体8000 (c)屈氏体屈氏体8000 不同过冷度的不同过冷度的P等温转变组织形态等温转变组织形态 P性能：取决于片层间距离，片层间距离越小性能：取决于片层间距离，片层间距离越小，强度强度、硬度、硬度、塑

13、性变形能力、塑性变形能力。2 2）珠光体的连续转变）珠光体的连续转变转变产物是转变产物是珠光体珠光体（P P） AP P（F+Fe3C）转变过程：转变过程：铁、碳原子的扩散；铁、碳原子的扩散；晶格重构（面心晶格重构（面心A转变为转变为体心体心F和复杂立方和复杂立方Fe3C）。）。与等温转变不同点：与等温转变不同点： 孕育区后移；孕育区后移； 获得片层间距离大小不获得片层间距离大小不一的一的P组织。组织。2、贝氏体（贝氏体（B）型转变型转变1 1）B等温转变等温转变温度区间：温度区间：550Ms贝氏体组织是由含过饱贝氏体组织是由含过饱和碳的铁素体与渗碳体和碳的铁素体与渗碳体组成的两相混合物。组成

14、的两相混合物。伴随两个过程：碳原伴随两个过程：碳原子的扩散；晶格重构子的扩散；晶格重构（面心（面心A转变为体心转变为体心F和复杂立方和复杂立方Fe3C ） 上贝氏体上贝氏体约在约在C C曲线鼻尖曲线鼻尖（550）至至350范围内。范围内。 显微镜可看到上贝氏体组织是由成束的、从显微镜可看到上贝氏体组织是由成束的、从晶界向晶粒内生长的铁素体条，晶界向晶粒内生长的铁素体条，形态似形态似“羽毛状羽毛状”。 下贝氏体：约下贝氏体：约在在350至至 MS点温度范围内点温度范围内形成。形成。显微镜下可看到下贝氏体组织呈黑色针片状形态（过显微镜下可看到下贝氏体组织呈黑色针片状形态（过饱和铁素体）。电镜下饱和

15、铁素体）。电镜下可看到可看到针片状中分布有与长轴针片状中分布有与长轴成成5560的短条状碳化物。的短条状碳化物。B上上和和B下下混合组织混合组织3 3）上）上B B、下下B B性能比较性能比较 根据不同冷却速度根据不同冷却速度的相变绘制了的相变绘制了连续冷连续冷却转变图（却转变图（CTTCTT），它它更真实反映了实际零更真实反映了实际零件在不同冷却速度下，件在不同冷却速度下，A转变为其它相的量、转变为其它相的量、温度、时间（开始、温度、时间（开始、终了线）终了线）二、过冷二、过冷A钢连续冷却转变钢连续冷却转变2）共析碳钢和过共析碳钢连续冷却不发生）共析碳钢和过共析碳钢连续冷却不发生AB转转变（

16、当含碳量在中碳以下，可以存在贝氏体转变区）变（当含碳量在中碳以下，可以存在贝氏体转变区）3 3、低温区转变，马氏体（、低温区转变，马氏体（M）转变转变 A化钢快速冷却进入化钢快速冷却进入M转转变区。变区。 M是含过饱和碳的铁素体。是含过饱和碳的铁素体。 M转变速度极快，只发生转变速度极快，只发生的晶格重构，无铁、碳的晶格重构，无铁、碳原子扩散。原子扩散。 在在MsMf温度范围温度范围连续连续冷却冷却转变转变。 （1 1）马氏体的晶格结构）马氏体的晶格结构（体心正方（体心正方结构结构） 晶格常数：晶格常数：c轴大于轴大于a轴，轴，c/a 称正方度。称正方度。 M中的碳原子强制分布在中的碳原子强制

17、分布在晶胞的一些空隙处，使晶胞的一些空隙处，使-Fe晶晶格严重变形。格严重变形。M含碳量含碳量，正方度，正方度，AM体积变化越大体积变化越大。 高碳钢淬火时容易变形和高碳钢淬火时容易变形和开裂。开裂。 （2）马氏体的组织形态马氏体的组织形态板条状板条状M（低低C）和片状）和片状M（高高C）含含C量量0.25%时，基本上是时，基本上是板条马氏体板条马氏体。含含C量量1.0%时，则大多数是时，则大多数是针状马氏体针状马氏体。含含C量量0.251.0%，为板条，为板条M和针状和针状M的混和组织。的混和组织。 低碳马氏体的组织形态低碳马氏体的组织形态 高碳马氏体的组织形态高碳马氏体的组织形态（3 3）

18、M的特点的特点 a）硬度很高；）硬度很高；b）M的塑性和韧性与其碳含量（或形态）有关。的塑性和韧性与其碳含量（或形态）有关。低碳低碳M，C过饱和度小，淬火变形小、内应力低、过饱和度小，淬火变形小、内应力低、大量位错亚结构，强度高，塑性、韧性也较好。大量位错亚结构，强度高，塑性、韧性也较好。髙髙碳碳M，硬度高而塑性、韧，硬度高而塑性、韧性差。性差。c)M转变的不完全性：转变的不完全性：含含C量超过量超过0.5%后，后，Mf温度将到温度将到室温，部分室温，部分A未转变，称未转变，称残余残余A。残余残余A不稳定，受温度、外力作用不稳定，受温度、外力作用还会继续转变成还会继续转变成M。 消除消除残余残

19、余A对对零件精度的影响，可进行零件精度的影响，可进行“冷冷处理处理”，（再冷至，（再冷至-78C或或-183C）消除消除残余残余A，增加硬度，耐磨性与尺寸稳定性。增加硬度，耐磨性与尺寸稳定性。AP、AB、AM比较比较 4 4、亚共析、过共析钢过冷奥氏体转变、亚共析、过共析钢过冷奥氏体转变 亚共析碳钢的亚共析碳钢的C C曲线上多出一条曲线上多出一条先共析铁素体先共析铁素体曲线；曲线； 过共析碳钢的过共析碳钢的C C曲线上多出一条曲线上多出一条先共析渗碳体先共析渗碳体曲线。曲线。（三三）、C曲线的影响因素曲线的影响因素 （一）（一）钢的成分对钢的成分对C曲线的影响因素曲线的影响因素1含碳量：含碳量

20、：亚共析钢：亚共析钢：C%，A中中C%C曲线右移曲线右移过共析钢：过共析钢：C%，未溶未溶Fe3C利于形核利于形核C曲线曲线左移左移共析钢：稳定性最高（共析钢：稳定性最高（C曲线靠右）。曲线靠右）。2合金元素合金元素 除除Co以外，所有合金元素以外，所有合金元素溶入溶入A中，增大过冷中，增大过冷A稳定性稳定性右移右移 非碳化物形成元素，非碳化物形成元素，Si、Ni、Cu, 不改变不改变C曲线曲线形状形状 强碳化物形成元素强碳化物形成元素，Cr,Mo,W,V,Nb,Ti, , 改变改变C C曲线形状曲线形状 除除Co、Al外，均使外，均使Ms、Mf下降，残余下降，残余A第四节第四节 钢的整体热处

21、理工艺钢的整体热处理工艺整体整体热处理热处理主要有：主要有：退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火 。 分为两类：分为两类：预先热处理：预先热处理：消除上道工序造成的缺陷，改善零消除上道工序造成的缺陷，改善零件的工艺性能，为后续加工（切削、变形加工、最件的工艺性能，为后续加工（切削、变形加工、最终热处理等）作好性能与组织准备（如终热处理等）作好性能与组织准备（如退火、正火、退火、正火、调质调质等）。等）。最终热处理：最终热处理：使工件满足使用条件下的性能要求。使工件满足使用条件下的性能要求。（如（如正火、淬火、回火、调质等正火、淬火、回火、调质等 ）一、淬火一、淬火 加热到相加热到相变温

22、度（亚共析钢变温度（亚共析钢Ac3、过共析钢过共析钢Ac1）以上以上3050，A化，保温，化，保温，快速冷却：快速冷却： A M（马氏体）马氏体）+ +A（残余奥氏体）残余奥氏体） M（马氏体）马氏体）具有高硬度具有高硬度( (3565HRC) )和高耐磨性。和高耐磨性。 冷却速度是淬火过程的重要因素冷却速度是淬火过程的重要因素, ,可以通过淬火可以通过淬火介质来进行控制：介质来进行控制： 700以上，慢，减小热应力。以上，慢，减小热应力。 650-400，快，避开，快，避开C曲线。曲线。 400以下，慢，减轻相变应力。以下，慢，减轻相变应力。中碳钢（半轴）中碳钢（半轴）淬火温度淬火温度40M

23、nB40CrMnMo40Cr8401084010840860高碳钢（高碳钢（轴承轴承）淬火温度淬火温度GCr15GCr15SiMn84058255二、回火二、回火 钢件淬火后钢件淬火后, , 为消除内应力和调整性能为消除内应力和调整性能, , 再加再加热到热到Ac1以下某一温度以下某一温度, , 保温保温, , 然后冷却到室温的热然后冷却到室温的热处理工艺。处理工艺。一般是热处理的最后一道工序。一般是热处理的最后一道工序。 1 1低温回火低温回火 ：150250。 目的：消除淬火应力，提高工件韧性，不改变淬目的：消除淬火应力，提高工件韧性，不改变淬火后的高硬度和高耐磨性。火后的高硬度和高耐磨性

24、。 适于适于刀具、冷作模具、量具、轴承、渗碳或表面刀具、冷作模具、量具、轴承、渗碳或表面淬火件淬火件等。等。 低碳低合金钢齿轮低碳低合金钢齿轮渗碳淬火后低温回火。渗碳淬火后低温回火。 高碳工具钢锯条、锉刀高碳工具钢锯条、锉刀等淬火后低温回火处理。等淬火后低温回火处理。 2 2中温回火中温回火 回火温度：回火温度：350500。用途：用途：主要用于弹簧、弹性夹头及锻模件（中、高碳钢）。主要用于弹簧、弹性夹头及锻模件（中、高碳钢）。组织：组织：F基体基体+弥散分布大量细粒状渗碳体（回火屈氏体弥散分布大量细粒状渗碳体（回火屈氏体)。保留马氏体形态。保留马氏体形态。性能：性能：弹性极限和屈服强度较高，

25、弹性极限和屈服强度较高，有一定韧性，硬度有一定韧性，硬度3545HRC。3.高温回火高温回火温度：温度：500650。 组织：组织：铁素体基体铁素体基体+ +粒状渗碳体（回火索氏体）。粒状渗碳体（回火索氏体）。 性能：性能：具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合机械性能。能。硬度硬度25HRC35HRC。淬火高温回火称为淬火高温回火称为调质处理调质处理。用途：用途：中碳（合金）钢件。中碳（合金）钢件。受力情况复杂的重要零件，受力情况复杂的重要零件，如轴、齿轮、连杆等。如轴、齿轮、连杆等。 调质件举例调质件举例4 4. .回火脆性现象回火脆性现象： 2

26、50-400250-400左右：左右：M条或片边界析出断续薄壳状条或片边界析出断续薄壳状C化物。不可逆，应避开这一温度区。化物。不可逆，应避开这一温度区。 450650：含：含 Cr、Ni、Mn等的结构钢，等的结构钢，缓缓慢冷却而产生脆性慢冷却而产生脆性（Sn、P在在A晶界偏聚）。晶界偏聚）。可逆，再加热快冷消除。可逆，再加热快冷消除。加入加入1%或或0.5%o等等可抑制。可抑制。钢的淬透性和淬硬性钢的淬透性和淬硬性1 1淬透性：淬透性：低中碳钢低中碳钢件淬火时件淬火时获得获得淬硬淬硬深度深度的的能力（或零件获得能力（或零件获得5050M组织的组织的深度深度），），淬透淬透性性越好，淬火获得的

27、淬硬越好，淬火获得的淬硬深度深度越大。越大。 淬透性淬透性主要取决于主要取决于合金元素的含量。合金元素的含量。合金元素改变合金元素改变VK（临界冷却速度）。（临界冷却速度）。不同合金量中碳钢的淬透性及不同合金量中碳钢的淬透性及调质调质后的性能比较后的性能比较经济型钢（如经济型钢（如4545、40Cr40Cr）制造零件的）制造零件的最终热处理选择。最终热处理选择。2淬硬性： 钢在淬火后M（马氏体）获得硬度的能力。淬硬性淬硬性主要取决于主要取决于M中中C%。C%淬硬性。 如低碳钢淬火获得的马氏体的硬度要低于中碳钢淬火获得的马氏体的硬度。3淬透性与淬硬性的区别： 淬透性是钢件淬火后从表面向心部获得马

28、氏体深度的能力，淬透性主要取决于合金元素的含量。淬透性主要取决于合金元素的含量。淬硬性是钢件淬火后获得马氏体的硬度。淬硬性淬硬性主要主要取决于钢的含碳量。取决于钢的含碳量。钢的表面热处理和化学热处理工艺钢的表面热处理和化学热处理工艺感应加热表面淬火感应加热表面淬火1 1原理：原理：交变磁场交变磁场感应电流感应电流工件电阻工件电阻加热，集加热，集肤效应肤效应表面加热。表面加热。2 2分类：分类： a. a. 高频高频 200-300KHz，淬硬深度淬硬深度 0.5-2mm 。 b. b. 中频中频2500-8000Hz， 淬硬深度淬硬深度2-5mm。 c. c. 工频工频 50Hz，淬硬淬硬深度

29、深度10-15mm。3 3适用钢种：适用钢种：中碳钢和中碳合金钢中碳钢和中碳合金钢4 4特点：特点： a.加热速度快加热速度快(几秒几秒几十秒几十秒),表面迅速表面迅速A化化。b.晶粒细小，淬火得到极细马氏体，硬度晶粒细小，淬火得到极细马氏体，硬度，脆性，脆性c.残余压应力残余压应力提高寿命提高寿命d.不易氧化、脱碳、变形小不易氧化、脱碳、变形小e.工艺易控制，设备成本高工艺易控制，设备成本高感应加热表面淬火感应加热表面淬火5 5典型典型表面淬火零件（轴类）表面淬火零件（轴类）工艺路线工艺路线 锻造锻造退火或正火退火或正火粗加工粗加工调质调质精加工精加工表表面淬火面淬火低温低温( (自自) )

30、回火回火精磨精磨 双桥车贯通轴双桥车贯通轴 汽车转向节汽车转向节 传动轴伸缩叉传动轴伸缩叉汽车后桥差速器汽车后桥差速器 钢的化学热处理钢的化学热处理 渗碳渗碳温 度 ：温 度 ： A C 3 以 上 ；以 上 ；900950， 目的：目的：提高表面硬度、提高表面硬度、耐磨性，使心部仍保耐磨性，使心部仍保持一定的强度和良好持一定的强度和良好的塑性和韧性。的塑性和韧性。典型零件：典型零件：汽车齿轮、汽车齿轮、拨叉、万向节等。拨叉、万向节等。 常用钢种：常用钢种：低碳钢，低碳合金钢低碳钢，低碳合金钢 20CrMnTi、20CrMo、20Cr、20MnVB 加热温度加热温度、保温时间、保温时间渗碳层厚

31、度渗碳层厚度典型渗碳零件（齿轮类）典型渗碳零件（齿轮类）加工工艺路线加工工艺路线锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳渗碳直接淬火直接淬火清洗清洗低低温回火温回火喷丸喷丸磨削磨削 渗碳工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到渗碳工艺：将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内，向炉内滴入煤油、苯、甲醇、丙烷滴入煤油、苯、甲醇、丙烷等等有机液体或通入有机液体或通入煤气、天然气煤气、天然气等，通过化学反应等，通过化学反应产生产生活性碳原子活性碳原子，使钢件表面渗碳。，使钢件表面渗碳。 渗碳使低碳渗碳使低碳(0.150.30%)钢件表面获得高浓度碳钢件表面获得高浓度碳（约0.81.2%）。 气

32、体渗碳炉气体渗碳炉 气体渗碳装置示意图气体渗碳装置示意图现代热处理设备现代热处理设备连续式渗碳热处理自动线连续式渗碳热处理自动线现代热处理设备现代热处理设备多用密封渗碳箱式炉多用密封渗碳箱式炉 三、退火与正火三、退火与正火退火：退火： 将钢件将钢件加热、保温、缓慢冷却加热、保温、缓慢冷却的热处理工艺。一般的热处理工艺。一般属于属于预先热处理。预先热处理。目的：目的：1降低钢件硬度，有利于降低钢件硬度，有利于变形加工变形加工或或切削加工切削加工（HB=160230）；）；2消除残余应力，稳定钢件尺寸并防止变形和开裂；消除残余应力，稳定钢件尺寸并防止变形和开裂；3细化晶粒，改善组织，提高钢的机械性

33、能；细化晶粒，改善组织，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。为最终热处理（淬火，回火）做好组织准备。退火分为：退火分为： 1 1、完全退火，、完全退火， 2 2、等温退火，、等温退火， 3 3、扩散（均匀化）退火，、扩散（均匀化）退火， 4 4、球化退火，、球化退火， 5 5、去应力退火，、去应力退火， 6 6、再结晶退火。、再结晶退火。（一）完全退火（一）完全退火加热温度：加热温度：Ac3Ac3以上以上30-5030-50，保温，随炉缓冷到，保温，随炉缓冷到600600C C以下，出炉空冷。以下，出炉空冷。完全退火完全退火目的：目的：细化晶粒；获得细化晶粒；获得“平衡

34、组织平衡组织”，调整硬度，调整硬度切削性切削性；消除内应力。；消除内应力。 应用：应用：亚共折钢亚共折钢( (碳钢、合金钢碳钢、合金钢) )的铸件、锻件、的铸件、锻件、热轧型材及焊接铸件。不适用于过共析钢。热轧型材及焊接铸件。不适用于过共析钢。 完全退火冷却速度缓慢，时间少则十几小时，多完全退火冷却速度缓慢，时间少则十几小时，多则数天。则数天。 40CrMnMo40CrMnMo重型车重型车半轴：半轴：完全退火（完全退火（HBHB255255） 冷加工 整体调质 感应淬火（二）（二）. .等温退火等温退火 对于对于较小零件，较小零件，等温退火可代替完全退火。零件等温退火可代替完全退火。零件在在A

35、化化温度快冷到等温温度进行等温转变，获得均匀温度快冷到等温温度进行等温转变，获得均匀的的F+PF+P组织，再空冷至室温。组织，再空冷至室温。 等温退火时间短，效率高。等温退火时间短，效率高。（三）球化退火（不完全退火）（三）球化退火（不完全退火）使用范围：使用范围：用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。用于共析或过共析成分的碳钢和合金钢。目的：目的：球化渗碳体，降低硬度，改善切削性能，为淬球化渗碳体，降低硬度，改善切削性能，为淬火做好组织准备。火做好组织准备。工艺：工艺：过共析钢加热到过共析钢加热到Ac1以上以上10-30C，保温，缓慢保温，缓慢冷却或等温转变，再到冷却或等温转变，再到60060

36、0C C以下出炉空冷。以下出炉空冷。工艺特点：工艺特点：加热至加热至Ac1Ac1线以上后，线以上后， Fe3C不能完全溶解，不能完全溶解，由片状由片状Fe3C逐渐断开形成细小均匀的球状逐渐断开形成细小均匀的球状Fe3C，分布，分布在在A A基体上。基体上。组织：球状组织：球状P（F+球状球状Fe3C ）。）。硬度硬度，切削性，切削性 T7-T13碳素工具钢、碳素工具钢、GCr15的球化退火硬度的球化退火硬度(HB)187-217 ，容易进行切削加工。，容易进行切削加工。高速工具钢改善切削性的退火高速工具钢改善切削性的退火 W18Cr4V(850870)W6Mo5CrV2(840860)HB25

37、5 （四）（四）. .扩散退火（均匀化退火）扩散退火（均匀化退火） 目的：目的：消除枝晶偏析，使消除枝晶偏析，使成分均匀。成分均匀。工艺：工艺：铸锭或铸件加热到铸锭或铸件加热到Ac1以上，保温，随炉冷以上，保温，随炉冷却。却。特点：特点：高温、长时间加热。高温、长时间加热。后果：后果：粗大晶粒（可再用粗大晶粒（可再用完全退火或正火消除）完全退火或正火消除）扩扩散退火消除偏析的举例散退火消除偏析的举例设计汽车半轴套管用贝氏体钢，设计汽车半轴套管用贝氏体钢，钢成分：钢成分：22Mn2SiVB空冷组织为粒状贝氏体。空冷组织为粒状贝氏体。但经某钢厂冶炼、连铸连轧、再高温加热穿管、空冷后获得但经某钢厂冶

38、炼、连铸连轧、再高温加热穿管、空冷后获得的组织却是贝氏体铁素体（的组织却是贝氏体铁素体（HB240-260）。）。原因是连铸连轧时产生了严重偏析。原因是连铸连轧时产生了严重偏析。验证：重新加热至验证：重新加热至125010小时小时扩散退火扩散退火，金相中铁，金相中铁素体消失，素体消失，HB290-330。（五）五）. .去应力退火（低温退火）去应力退火（低温退火）目的：目的：消除铸件，锻件，焊接件，冷冲压件及机加消除铸件，锻件，焊接件，冷冲压件及机加工件中的残余应力。避免残余应力引起的变形或开工件中的残余应力。避免残余应力引起的变形或开裂。裂。工艺：工艺：加热到加热到600-650C，保温一定

39、的时间，然后随保温一定的时间，然后随炉缓慢冷却到炉缓慢冷却到200C再出炉空冷。再出炉空冷。 用球墨铸铁、合金铸铁制造的凸用球墨铸铁、合金铸铁制造的凸轮轴需先进行轮轴需先进行去应力退火去应力退火再再冷加工冷加工最终热处理最终热处理（等温淬火）等温淬火）3Cr13,4Cr13量块工艺：量块工艺：喷砂喷砂气体渗氮气体渗氮精磨精磨去应力退火去应力退火(450(4503h)3h)研磨研磨自然稳定化处理自然稳定化处理研磨至成品研磨至成品 60、65Mn钢冷拔丝材绕制钢冷拔丝材绕制弹簧后需进行弹簧后需进行去应力退火去应力退火（六）（六）. .再结晶退火再结晶退火Ac1以下以下50-150C，目的：消除加工

40、硬化。目的：消除加工硬化。铆钉：再结晶或完全退火铆钉：再结晶或完全退火铆钉铆钉正火：正火： 钢件加热至完全钢件加热至完全A化化后置与空气中冷却。后置与空气中冷却。 目的与退火基本相同；可为最终热处理。目的与退火基本相同；可为最终热处理。 与退火区别：温度高于退火；在空气中冷却。与退火区别：温度高于退火；在空气中冷却。（一）正火工艺：（一）正火工艺： 加热温度加热温度: : 低碳钢：低碳钢： Ac3以上以上100-150； 中碳钢：中碳钢： Ac3以上以上50-100； 高碳钢：高碳钢： Acm以上以上30-50 1、正火用于最终热处理、正火用于最终热处理： 力学性能要求不高的力学性能要求不高的

41、普通钢结构件普通钢结构件, ,为消除铸、锻造及焊为消除铸、锻造及焊接生产中的过热缺陷，通过正火进行重结晶来细化组织，提接生产中的过热缺陷，通过正火进行重结晶来细化组织，提高机械性能。高机械性能。a.细化细化A晶粒，组织均匀化。晶粒，组织均匀化。b.亚共析钢中亚共析钢中F%，P%，细化，细化强度，强度，韧性、硬度韧性、硬度。 淬火易开裂的大型或复杂形状零件，可用正火淬火易开裂的大型或复杂形状零件，可用正火作为作为最终热处理。最终热处理。 2、正火是正火是渗碳钢零件淬火前的预先热处理工艺：渗碳钢零件淬火前的预先热处理工艺：目的：目的：改善切削加工性（调节硬度：改善切削加工性（调节硬度：160-22

42、0HB）。）。20CrMnTi、20CrMo钢汽车齿轮的制造工艺：钢汽车齿轮的制造工艺：锻造锻造正火正火切削加工切削加工渗碳、淬火渗碳、淬火清洗清洗低温回火低温回火喷丸喷丸磨削磨削 低要求低要求的切削加工性能，钢的的切削加工性能，钢的硬度硬度在在160-220HB160-220HB较好，较好，软则软则“粘刀粘刀”，硬则，硬则“打刀打刀”。 高要求高要求的切削加工性能，不但要考虑钢的的切削加工性能，不但要考虑钢的硬度硬度（170-170-190HB190HB），更要考虑钢的），更要考虑钢的组织形态组织形态。3.3.正火正火作为作为中、高碳钢重要零件的预先热处理：中、高碳钢重要零件的预先热处理：改

43、善组织，消除缺陷，改善组织，消除缺陷，消除魏氏组织，减轻带状组织；可消除魏氏组织，减轻带状组织；可减小减小工件淬火变形与开裂。工件淬火变形与开裂。为调质做好准备。为调质做好准备。4.正火正火用于过共析钢消除网状渗用于过共析钢消除网状渗碳体（碳体（Fe3C）处理）处理，为球化退，为球化退火做好组织准备。火做好组织准备。 淬火、退火、正火的选择：淬火、退火、正火的选择：1 1最终热处理最终热处理淬火（调质）或正火淬火（调质）或正火。2 2切削加工：切削加工： 低、中碳钢低、中碳钢正火正火（齿轮、轴类）（齿轮、轴类）如如20CrMnTi 、45钢钢中碳合金钢中碳合金钢完全退火。完全退火。如如40Cr

44、MnMo高碳钢、合金工具钢高碳钢、合金工具钢正火正火（消网（消网C）+球化退火球化退火。热处理研究专题热处理研究专题我国是能耗大国我国是能耗大国近年，我国每年的能源消耗增长是生产总值（近年，我国每年的能源消耗增长是生产总值（GDP）增）增长的近三倍。而发达国家的能源消耗增长是长的近三倍。而发达国家的能源消耗增长是GDP增加的增加的0.5倍。倍。节能减排是目前极为关注的课题。节能减排是目前极为关注的课题。 机械零件热处理用的热处理炉是机械零件热处理用的热处理炉是“电老虎电老虎” ” 。汽车钢件。汽车钢件热处理耗能巨大。热处理耗能巨大。 如何在热处理工序中消灭热处理，同时不降低零件质量。如何在热处

45、理工序中消灭热处理，同时不降低零件质量。 汽车重要钢件主要包括齿轮、轴、轴承、连杆、前桥、大汽车重要钢件主要包括齿轮、轴、轴承、连杆、前桥、大梁等承受较大载荷的零件。梁等承受较大载荷的零件。汽车重要钢件汽车重要钢件变速箱中变速箱中齿轮齿轮汽车汽车变速箱变速箱 汽车后桥内的各种汽车后桥内的各种齿轮齿轮汽车齿轮汽车齿轮低碳低合金钢渗碳零件低碳低合金钢渗碳零件传统工艺：传统工艺：锻造锻造正火正火机械加工机械加工渗碳淬火渗碳淬火清清洗后低温回火洗后低温回火精加工精加工 渗碳、淬火渗碳、淬火锻造（模锻）锻造（模锻） 正火正火耗耗能能工工序序齿轮在机加前的热加工工序有齿轮在机加前的热加工工序有锻造、正火。

46、锻造、正火。零件零件正火正火耗能约耗能约400-480kw.h/T。1 1、等温正火工艺、等温正火工艺95年前，我国汽车零件加工技术与国外相差很大，在使年前，我国汽车零件加工技术与国外相差很大，在使用含用含Mo合金渗碳钢（如合金渗碳钢（如20CrMo、20CrMnMo）制造齿轮零）制造齿轮零件时，出现零件运行噪音大、寿命短，加工精度低、刀具消件时，出现零件运行噪音大、寿命短，加工精度低、刀具消耗大等问题。我校研究认为，主要原因就出在一直不被重视耗大等问题。我校研究认为，主要原因就出在一直不被重视的正火工艺上。但并未引起国内的重视。的正火工艺上。但并未引起国内的重视。利用利用锻造余热锻造余热进行

47、进行等温正火等温正火的节能热处理工艺的节能热处理工艺 直到引进德国捷达轿车生产线后，国产齿轮毛坯（直到引进德国捷达轿车生产线后，国产齿轮毛坯（1628CrMo钢）加工变形大且无规律、加工精度低、装车噪声大钢）加工变形大且无规律、加工精度低、装车噪声大等等问题变得更加突出，无法达到指标要求。只能从德国高价等等问题变得更加突出，无法达到指标要求。只能从德国高价进口毛坯。进口毛坯。 进口的毛坯同样在一汽加工后无论是加工精度还是变形程进口的毛坯同样在一汽加工后无论是加工精度还是变形程度都大大好于国产齿轮毛坯。度都大大好于国产齿轮毛坯。 在一次参加国内轿车国产化的研讨会上，专家们就齿轮在一次参加国内轿车

48、国产化的研讨会上，专家们就齿轮毛坯切削性不稳定，变形大等问题展开研讨。我校刘云旭教毛坯切削性不稳定，变形大等问题展开研讨。我校刘云旭教授根据多年的研究成果提出了改进正火工艺的技术方案，即：授根据多年的研究成果提出了改进正火工艺的技术方案，即：齿轮毛坯采用等温正火技术方案齿轮毛坯采用等温正火技术方案。一汽专家们在束手无。一汽专家们在束手无策的情况下打破陈规策的情况下打破陈规, , 同意我校的同意我校的方案方案，并由我校为一，并由我校为一汽研发汽研发等温正火工艺及其自动生产线。等温正火工艺及其自动生产线。 19961996年，我国第一台年，我国第一台等温正火自动线等温正火自动线设备在一汽专用设备在

49、一汽专用车厂投入使用，所处理的齿轮毛坯由德国专家亲自随意抽样车厂投入使用，所处理的齿轮毛坯由德国专家亲自随意抽样检测（冷加工与变形）均达到指标要求。国产化得到认可。检测（冷加工与变形）均达到指标要求。国产化得到认可。该该自动线自动线96年获年获国家级重点新产品国家级重点新产品 等温正火工艺及自动线等温正火工艺及自动线引起国内轰动，随后我校又为国引起国内轰动，随后我校又为国内其他企业生产了内其他企业生产了5套等温正火自动线，国内一些设备制造套等温正火自动线，国内一些设备制造厂也相继仿造，至今，国内已有近百台厂也相继仿造，至今，国内已有近百台“等温正火自动线等温正火自动线”投入使用。投入使用。连续

50、式等温连续式等温正火自动线正火自动线（杭州前进（杭州前进齿轮箱）齿轮箱）现在国内几乎所有的汽车渗碳零件毛坯（齿轮、现在国内几乎所有的汽车渗碳零件毛坯（齿轮、齿轴、万向节、拨叉、方向机球头等）的正火工艺都齿轴、万向节、拨叉、方向机球头等）的正火工艺都改为改为等温正火等温正火工艺，各汽车制造厂也都要求零件毛坯工艺，各汽车制造厂也都要求零件毛坯“必须经过等温正火处理必须经过等温正火处理”才能订货。才能订货。 因此，现在汽车渗碳零件的预先热处理是因此，现在汽车渗碳零件的预先热处理是等温正等温正火火而不是普通而不是普通正火正火。汽车齿轮的制造工序应改为：汽车齿轮的制造工序应改为：锻造锻造等温正火等温正火

51、机机加加渗碳淬火渗碳淬火清洗清洗低温回火低温回火精加工精加工“等温正火等温正火”与与“普通正火普通正火”的区别的区别（硬度相同，组织状态不同）硬度相同，组织状态不同） 普通正火普通正火中的相变过程中的相变过程（AFAFP P）是在一个较大）是在一个较大温度范围内进行，组织不均温度范围内进行，组织不均匀，并可能有非平衡组织，匀，并可能有非平衡组织，出现打刀、粘刀现象，使表出现打刀、粘刀现象，使表面切应力增大且不均匀，渗面切应力增大且不均匀，渗碳淬火后零件变形量大。碳淬火后零件变形量大。 采用采用等温正火等温正火工艺，工艺，相变过程是在同一预定的相变过程是在同一预定的温度进行完全转变，组织温度进行

52、完全转变，组织为为均匀的均匀的F FP P，使零件，使零件冷冷加工精度加工精度大大提高，切削大大提高，切削力力均匀，渗碳淬火变形小均匀，渗碳淬火变形小而均匀，装车精度提高。而均匀，装车精度提高。也大大也大大降低刀具消耗降低刀具消耗。 目前等温正火设备存在的问题目前等温正火设备存在的问题 新设计制造的新设计制造的网带式等温正火生产线网带式等温正火生产线由加热炉、预冷室、速由加热炉、预冷室、速冷室、等温炉及传动系统、计算机集散控制系统构成。冷室、等温炉及传动系统、计算机集散控制系统构成。加热炉加热炉 预冷室预冷室 速冷室速冷室 等温炉等温炉预冷室 速冷室计算机集散控制系统计算机集散控制系统2、利用

53、锻造余热进行等温正火的节能新工艺及装置、利用锻造余热进行等温正火的节能新工艺及装置等温正火技术提高零件质量，而耗能并不减少。等温正火技术提高零件质量，而耗能并不减少。但正是因为有了等温正火技术，使得利用锻造但正是因为有了等温正火技术，使得利用锻造余热进行等温正火的节能措施成为可能。余热进行等温正火的节能措施成为可能。 利用锻造余热进行等温正火是否可行利用锻造余热进行等温正火是否可行, , 先要理解正火目的。先要理解正火目的。 在教科书上，正火的目的多为：改善组织、消除偏析、调在教科书上，正火的目的多为：改善组织、消除偏析、调整硬度、细化晶粒。一汽的标准，对正火的晶粒度要求整硬度、细化晶粒。一汽

54、的标准，对正火的晶粒度要求7 78 8级。级。 正火的真正目的，是提高钢的切削加工性能。正火的真正目的，是提高钢的切削加工性能。 好的切削加工性要求：好的切削加工性要求： a.a.强度低（易进刀）、脆性大（易断屑）；强度低（易进刀）、脆性大（易断屑）； b.b.组织状态：均匀性要好，不得有过硬、过韧、过软、粗组织状态：均匀性要好，不得有过硬、过韧、过软、粗大的组织组成物存在。大的组织组成物存在。我们试验测得三种工艺下的晶粒度与组织状态：我们试验测得三种工艺下的晶粒度与组织状态：普通正火普通正火晶粒较小（晶粒较小（7 78 8级）级）组织不均匀组织不均匀等温正火等温正火晶粒较小（晶粒较小（7 7

55、8 8级）级）组织均匀组织均匀余热等温正火余热等温正火晶粒较大（晶粒较大（4 45 5级）级）组织均匀组织均匀研究与实践表明：渗碳钢锻（轧）件的奥氏体晶粒在研究与实践表明：渗碳钢锻（轧）件的奥氏体晶粒在35级、显微组织为小块状先共析铁素体细珠光体时的切削加工级、显微组织为小块状先共析铁素体细珠光体时的切削加工性能最好。现已证实，德国的齿轮毛坯晶粒度就是性能最好。现已证实，德国的齿轮毛坯晶粒度就是35级，有级，有很好的切削加工性。很好的切削加工性。我们分别用普通正火和余热等温正火两种工艺路线对零件进我们分别用普通正火和余热等温正火两种工艺路线对零件进行处理，然后比较它们的切削性能。行处理，然后比较它们的切削性能。普通正火处理普通正火处理余热等温正火处理余热等温正火处理 本章结束本章结束传动轴伸缩叉传动轴伸缩叉 汽车转向节汽车转向节 双桥车贯通轴双桥车贯通轴 汽车用轴类件材料一般为中碳钢、中碳合金钢，如：汽车用轴类件材料一般为中碳钢、中碳合金钢，如：4545、40Cr40Cr、42CrMo42CrMo等。等。2、调质、表面淬火零件、调质、表面淬火零件（典型零件：中碳（典型零件：中碳轴）轴） ：传统工艺：传统工艺：锻造