第2章 钢的热处理工艺

1、金属材料及热处理主讲教师：赵忠魁第二章 钢的热处理工艺 钢的热处理工艺 通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工技术。热处理设备 分类 普通热处理（退火、正火、淬火、回火） 表面热处理（表面淬火、化学热处理） 形变热处理一、退火 什么是退火？ 将钢加热到相变温度Ac1以上或以下，保温以后缓慢冷却（一般随炉冷却）以获得接近平衡状态组织的一种热处理工艺。 目的： 均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒， 调整硬度，消除内应力和加工硬化调整硬度，消除内应力和加工硬化 ，改善，改善钢钢 的成形和切削加工性能，的成形和切削加工性能， 为淬火做好组织准备。 （1）按加热温度分为

2、临界温度以上或以下按加热温度分为临界温度以上或以下临界温度以上l 完全退火l 扩散退火l 不完全退火l 球化退火临界温度以下l 再结晶退火l 去应力退火（2）按冷却方式）按冷却方式 等温退火 连续冷却退火 分类分类 加热温度范围1.完全退火 概念概念 将钢件或钢材加热到Ac3以上2030，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。A AC3C3+30 +30 50 50 炉冷炉冷A AC3C3500 500 ，空冷，空冷 目的目的 均匀组织，细化晶粒均匀组织，细化晶粒 降低硬度，消除内应力降低硬度，消除内应力 改善钢的切削加工性能改善钢的切削加工性能实际生产中，实际生产

3、中，600出炉空冷出炉空冷。 适用钢材适用钢材: 中碳钢（消除魏氏组织、晶粒粗大、带状组织等）A AC3C3+30 +30 50 50 中碳钢：珠光体中碳钢：珠光体+铁素体铁素体 等温退火等温退火 将奥氏体化后的钢较快地冷却到稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷到室温的热处理工艺。 缩短退火时间 适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢。（1）概念（2）目的（3）适用钢种2.不完全退火 概念 将钢加热到Ac1Ac3(亚共析钢)或Ac1Accm (过共析钢)之间的双相区，保温后缓慢冷却的热处理工艺。 对亚共析钢，可代替完全退火。 对过共析钢，即为球化退火。3.球化退火 概念概念 钢随炉升

4、温加热到钢随炉升温加热到Ac1Accm以下的双相区以下的双相区，保温，保温后缓慢冷却的热处理工艺。后缓慢冷却的热处理工艺。 目的目的: 让其中的碳化物让其中的碳化物球化球化（粒化）和（粒化）和消除网消除网状的二次渗碳体状的二次渗碳体。（因此叫做球化退火。）。（因此叫做球化退火。）主要适用于共析或过共析的工模具钢主要适用于共析或过共析的工模具钢 适用钢种适用钢种T10钢球化退火组织 ( 化染 ) 500 4.扩散退火（均匀化退火） 概念概念 将工件加热到将工件加热到略低于固相线的温度略低于固相线的温度（亚共析钢通常为（亚共析钢通常为10501150），长时间（一般），长时间（一般1020h）保温

5、，然后随）保温，然后随炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。炉缓慢冷却到室温的热处理工艺。（也叫均匀化退火。） 目的目的均匀钢内部的化学成分，消除偏析。均匀钢内部的化学成分，消除偏析。主要于铸造后的高合金钢。主要于铸造后的高合金钢。 适用情况适用情况 扩散退火扩散退火 去应力退火去应力退火退火5.去应力退火 概念概念 为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为余内应力而进行的退火称为去应力退火去应力退火。 退火温度退火温度不超过不超过Ac1，一般，一般500650。6.再结晶退火 概念 把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适

6、当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶而消除加工硬化的热处理工艺。二、正火 概念概念 将钢材或钢件加热到将钢材或钢件加热到临界温度以上临界温度以上，保温后，保温后空冷空冷的热的热处理工艺。处理工艺。 亚共析钢的加热温度为Ac33050 过共析钢的加热温度为Accm3050。索氏体 正火与退火的主要区别正火与退火的主要区别 冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织很细，因而强度和硬度也较高。织很细，因而强度和硬度也较高。 应用应用（1）消除网状二次渗碳体）消除网状二次渗碳体（2）作为最终热处理，提高工件的力学性能）作为最终热处理，提高工件的

7、力学性能（3）改善切削加工性能）改善切削加工性能（4）消除热加工缺陷。）消除热加工缺陷。三、退火和正火的选用 含碳量0.75钢，选用球化退火 中碳钢、合金钢正火硬度高不易切削，选用完全退火 在要求不高时，尽量选用正火。2.1.3 淬火 概念概念 淬火是指将钢加热到淬火是指将钢加热到临界温度临界温度Ac3或或Ac1以上以上3050，保温后以，保温后以大于临界冷却速度大于临界冷却速度的冷速冷的冷速冷却，得到却，得到马氏体或贝氏体组织马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。的热处理工艺。 目的目的 获得获得马氏体马氏体，并与适当的回火工艺相配合，并与适当的回火工艺相配合，提高钢的力提高钢的力学性能学性能。组

8、织：组织： 淬火组织在大多数情况下为淬火组织在大多数情况下为马氏体马氏体，有时也可能得到，有时也可能得到贝氏体贝氏体或者或者马氏体与贝氏体的混合组织马氏体与贝氏体的混合组织。此外还有。此外还有少量残少量残余奥氏体余奥氏体与与未溶第二相未溶第二相。 1. 淬火条件及分类淬火条件及分类 条件：条件： 合金能否淬火主要主要体现在合金在相图上有没有合金能否淬火主要主要体现在合金在相图上有没有多多型性改变型性改变或或固溶度改变固溶度改变。 分类：分类： 分为分为无多型性转变的合金淬火无多型性转变的合金淬火和和有多型性转变合金的淬火有多型性转变合金的淬火。 无多型性转变合金的淬火，又称为无多型性转变合金的

9、淬火，又称为固溶处理固溶处理 以铝合金为代表 有多型性转变合金的淬火，简称有多型性转变合金的淬火，简称淬火淬火 以钢为代表 2. 淬火工艺参数的选择淬火工艺参数的选择 淬火加热温度、保温时间和冷却方式淬火加热温度、保温时间和冷却方式 过共析钢淬火温度： 一般为Ac1以上3050图6-14是碳钢的淬火温度范围。 亚共析钢的淬火温度： 一般为Ac3以上3050，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。钢的化学成分对加热温度的影响钢的化学成分对加热温度的影响 工件尺寸及形状的影响工件尺寸及形状的影响 小工件采用较低的淬火温度。反之，采用高的淬火温度。 小工件加热快，温度高可能引起棱、角处过热和增大变形，故淬

10、火温度取下限。 大工件加热慢，温度低容易造成加热不足及延长工时，故应适当提高淬火温度。 对形状复杂，容易变形和开裂的工件，应在保证性能要求的前提下，尽量采用较低的淬火温度。 淬火介质和淬火方法的影响淬火介质和淬火方法的影响 采用冷却能力很强的淬火剂时，为减少应力，可适当降低淬火温度。 采用等温淬火或分级淬火时，因所用热浴的冷却能力差，故应当适当提高淬火温度，以保证工件淬硬。 奥氏体晶粒长大倾向的影响奥氏体晶粒长大倾向的影响 对本质细晶粒钢，其淬火加热温度范围较宽，所以为了提高加热速度，缩短整个处理周期，可适当提高淬火温度。 2）加热时间 保温时间保温时间指工件指工件装炉后装炉后，从，从炉温回升

11、到淬火温度时炉温回升到淬火温度时起，起，至至出炉止出炉止所需时间所需时间。 保温时间包括两段时间：保温时间包括两段时间： 一段是整个工件温度达到淬火温度所需要的时间，称为一段是整个工件温度达到淬火温度所需要的时间，称为工件透热时间工件透热时间； 另一段为整个工件组织完全转变所需要的时间，称为另一段为整个工件组织完全转变所需要的时间，称为组组织转变所需时间织转变所需时间。 保温时间为保温时间为工件透热时间工件透热时间与与组织转变所需时间组织转变所需时间之之和和。 保温时间保温时间按照零件按照零件最大厚度最大厚度或或条件厚度条件厚度来确定。来确定。 最大厚度最大厚度指零件指零件最厚截面处最厚截面处

12、的尺寸或的尺寸或叠放零件叠放零件的总厚度。的总厚度。 条件厚度条件厚度指零件指零件实际厚度实际厚度（壁厚）乘以（壁厚）乘以形状系数形状系数。 球形、正方形零件的形状系数为0.75； 棒状零件的形状系数为1.0。保温时间的影响因素保温时间的影响因素 钢的化学成分的影响 钢中碳及合金元素含量越高，合金的导热性下降，保温时间适当延长。高碳钢的保温时间大于低碳钢，合金钢的保温时间大于碳素钢，高合金钢的保温时间大于低合金钢。 工件的形状与尺寸的影响工件的形状与尺寸的影响 当加热条件相同时，当加热条件相同时，保温时间保温时间随其随其有效厚度有效厚度的增的增大而延长。大而延长。 有效厚度指工件在受热条件下在

13、最快传热方向上的有效厚度指工件在受热条件下在最快传热方向上的截面厚度。截面厚度。加热炉类型的影响 加热炉类型不同，加热速度不同，保温时间也不同。铅浴炉、盐浴炉、空气电阻炉加热速度依次降低，当其它条件相同时，三者的保温时间之比大致为2:3:6。 计算保温时间的经验公式为：Dt Dkt装炉情况的影响 工件的保温时间与工件在炉中的放置及排列情况有较大关系。一般在保温时间公式再乘上装炉方式修正系数k。淬火保温时间经验公式为：。 淬火冷却的基本原则淬火冷却的基本原则 淬入时应保证工件得到最均匀的冷却； 应以最小阻力方向淬入； 还应考虑工件的重心稳定。 淬火要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂淬火

14、要得到马氏体组织，同时又要避免产生变形和开裂 在在“鼻尖鼻尖”温度（温度（650）以上，）以上，在保证不出现珠光体类型组织的前提在保证不出现珠光体类型组织的前提下，可以尽量缓冷；下，可以尽量缓冷； 在在“鼻尖鼻尖”温度附近（温度附近（650-400）则必须快冷，以躲开）则必须快冷，以躲开“鼻鼻尖尖”，保证不产生非马氏体相变；，保证不产生非马氏体相变； 在在Ms点附近又可以缓冷，以减点附近又可以缓冷，以减轻马氏体转变时的相变应力。轻马氏体转变时的相变应力。 常用的淬火冷却介质是常用的淬火冷却介质是水水、盐盐或或碱的水溶液碱的水溶液和和各种矿物各种矿物油油、植物油植物油。3. 淬火冷却介质 常用的

15、淬火冷却介质：常用的淬火冷却介质：水水、油油（各种矿物油各种矿物油、植物油植物油）盐盐或或碱的水溶液碱的水溶液和和有机物质的水溶液及乳化液有机物质的水溶液及乳化液 。实际使用的淬火介质分为两大类。 淬火时发生物态变化的淬火介质。这类介质包括水质淬火剂、油质淬火剂和水溶液等 淬火时不发生物态变化的淬火介质。这类淬火包括各种熔盐、熔碱、熔融金属等 新型淬火介质：新型淬火介质：有机聚合物淬火剂有机聚合物淬火剂 、无机物水溶液无机物水溶液淬火剂淬火剂、流态床冷却流态床冷却 原则原则：保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开

16、裂倾向。小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。时间时间温度MsA1单液淬火单液淬火双液淬火双液淬火分级淬火分级淬火等温淬火等温淬火4 淬火方法淬火方法1）单液淬火）单液淬火概念概念 将奥氏体状态的工件放入一将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。淬火方法。特点特点 操作简单，容易实现机械化操作简单，容易实现机械化适用范围适用范围 形状简单的碳钢和合金钢工形状简单的碳钢和合金钢工件。件。 2）双液淬火）双液淬火 工件先在较强冷却能力介质中冷却到300左右，再在一种冷却能力较弱的介质中冷却，如先水淬后油淬 优点：可有效减少马氏体转变的内应力，减小工件

17、变形开裂的倾向 应用：形状复杂、截面不均匀的工件淬火 缺点：难以掌握双液转换的时刻，转换过早容易淬不硬，转换过迟又容易淬裂。 3）分级淬火）分级淬火 工件在低温盐浴或碱浴炉中淬火，盐浴或碱浴的温度在Ms点附近，停留25min，然后取出空冷 目的：A.工件内外温度较为均匀B.进行马氏体转变，以大大减小淬火应力，防止变形开裂 4）等温淬火）等温淬火 分为贝氏体等温淬火和马氏体等温淬火 （1）贝氏体等温淬火 工件在等温盐浴中淬火，等温停留较长时间，直到贝氏体转变结束，取出空冷. 盐浴温度: 贝氏体区的下部(稍高于Ms) 目的: 获得下贝氏体，以提高强度、硬度、韧性和耐磨性。 应用：用于中、高碳钢 2

18、）马氏体等温淬火 工件置于温度稍低于Ms点的淬火介质中保持，发生部分马氏体转变，取出空冷。 这种等温淬火相当于低于Ms点的分级淬火特点A.冷却速度大，过冷奥氏体不易分解；B.形成的马氏体在等温过程中转变为回火马氏体，使组织应力下降；C.等温过程工件各部分温度趋于一致，空冷冷速较慢，继续形成马氏体量少，组织应力小，变形开裂倾向小。 时间温度 / MsA1表面中心空冷5）预冷淬火法 先将试样空冷一定时间后置于淬火介质中冷却。 预冷可减小工件在随后快冷时各处之间的温差，变形开裂倾向减小。 时间温度 / MsA1表面中心预冷5.钢的淬透性钢的淬透性1）淬透性的概念）淬透性的概念 指奥氏体化后的钢在淬火

19、时获得马氏体的能力指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力 钢的淬透性大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深钢的淬透性大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度来表示。度来表示。 通常采用从淬火工件表面到半马氏体区距离作为淬透层通常采用从淬火工件表面到半马氏体区距离作为淬透层深度。深度。淬透性是钢的固有属性，其大小主要取决于钢的临界冷却速率淬透性是钢的固有属性，其大小主要取决于钢的临界冷却速率Vc。 50%M表面心部淬硬层大尺寸工件的淬透情况示意图2）淬透性的测量方法）淬透性的测量方法(1)断口检验法断口检验法 根据淬火后钢材根据淬火后钢材断口组织的粗细断口组织的粗细来判断淬透深度。来判断淬透深

20、度。 淬透部分的组织较细淬透部分的组织较细，呈，呈绢状断口绢状断口，未淬透部分的组织较粗未淬透部分的组织较粗。 该法只适用于该法只适用于非合金钢非合金钢，特别是，特别是碳素工具钢碳素工具钢。 （2）P-F法法 这是这是标准化的断口检验法标准化的断口检验法. 主要适用于主要适用于工具钢工具钢。 P代表代表淬透深度淬透深度，F表示表示断口的形貌断口的形貌。F根据瑞典标准采用根据瑞典标准采用断口晶粒度断口晶粒度No.110，10个级别加以评定。个级别加以评定。 （3）热盐水试验法）热盐水试验法 把长、宽各把长、宽各25.4mm，厚，厚2.5mm的试样在的试样在6090的的10盐水中淬火后，在盐水中淬

21、火后，在规定的位置测量其硬度规定的位置测量其硬度HRC。 该方法用于测量该方法用于测量低淬透性钢低淬透性钢的淬透性。的淬透性。 （4）临界直径法。）临界直径法。 对对不同直径不同直径的一组的一组圆柱体圆柱体试样淬火，找出试样淬火，找出截面中心恰好是含截面中心恰好是含50%马氏体的试样马氏体的试样，其直径大小规定为，其直径大小规定为临界淬透直径临界淬透直径D0。 在相同的冷却条件下，在相同的冷却条件下，D0越大，则钢的淬透性也越大。越大，则钢的淬透性也越大。冷却介质的冷速不同，临界淬透直径冷却介质的冷速不同，临界淬透直径D0也不同。也不同。 钢材在冷却强度无限大的冷却介质中淬火，试样能够淬透的最

22、大直径，称为理想临界直径Di。 Di是排除淬火介质的影响而反映钢固有的淬透性的判据。 试验时，先将标准试样加热至奥氏体化状态，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。(5)末端淬火法末端淬火法，简称，简称端淬法端淬法 试样冷却完毕后，沿其轴线方向相对的两侧各磨去0.40.5mm，在此平面上从试样末端开始，测量1.5mm、3mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm前8个测量点和以后每隔5mm的硬度值，绘出硬度与至末端距离的关系曲线，称为端淬曲线。 由于同一种钢号的化学成分允许在一定范围内波动，因而相关手册中给出的不是一条曲线，而是一条带，称之为淬透性带 钢的淬透性值通常用J-d 表示

23、。J表示末端淬透性，d 表示从测量点到淬火端面的距离（单位为mm），表示该处的硬度值（或为HRC，或为HV30）。J35-15，表示距淬火端15mm 处的硬度值为35HRC；JHV450-10表示距淬火端10mm处的硬度值为450HV30。 主要因素是化学成分主要因素是化学成分 B.合金元素合金元素 除除Co以外，所有以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性透性。 未溶入奥氏体中的元素未溶入奥氏体中的元素，形成碳化物、氮化物及其，形成碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，使临界冷却速度增大，他非金属夹杂物，使临界冷却速度增大，降低淬透性降低淬透性。 奥氏体温度奥氏

24、体温度、塑性变形塑性变形及及外加应力外加应力都会影响淬透性。都会影响淬透性。4）影响淬透性的因素）影响淬透性的因素 含碳量。 共析钢的临界冷速最小，淬透性最好； 亚共析钢随含碳量增加，淬透性提高； 过共析钢随含碳量增加，淬透性降低。 7. 冷处理冷处理 将淬火后已冷到将淬火后已冷到室温室温的工件的工件继续深冷继续深冷至至零下温度零下温度，使，使淬火后保留下来的淬火后保留下来的残余奥氏残余奥氏体继续向体继续向马氏体转变马氏体转变，达到减，达到减少或消除残余奥氏体的目的。少或消除残余奥氏体的目的。 工件经冷处理后，其硬度和耐磨性得到较大提高，由于残余奥氏体减小或者消除，尺寸稳定性增加。 应用：高碳

25、合金工具钢、经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件 液氮淬火法是常用冷处理方法。 四、钢的回火 什么是什么是回火回火？ 将淬火后的零件将淬火后的零件加热到低于加热到低于Ac1的某一温度的某一温度并并保温保温，然后，然后冷却到室温冷却到室温的热处理工艺称为回火。的热处理工艺称为回火。 一般是紧接淬火以后的热处理工艺。一般是紧接淬火以后的热处理工艺。 淬火后淬火后回火目的回火目的 降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形； 减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸； 调整工件的内部组织和性能，以满足工件的调整工件的内部组织和性能，以满足

26、工件的 使用要求。使用要求。 低温回火低温回火 150250 特别适合刀具、量具、滚动轴承和高频表面淬火工件。大部分材特别适合刀具、量具、滚动轴承和高频表面淬火工件。大部分材料是淬火高碳钢和高碳合金钢料是淬火高碳钢和高碳合金钢中温回火中温回火 350500 主要用于各种弹簧零件和热锻磨具。主要用于各种弹簧零件和热锻磨具。高温回火高温回火 500650 主要适用于中碳结构钢和低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、主要适用于中碳结构钢和低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机场主轴、齿轮等连杆螺栓、汽车半轴、机场主轴、齿轮等钢件淬火后进行高温回火的热处理工艺又称调质处理 回火工艺回火工

27、艺 按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回火、高温回火。 按照回火温度和工件所要求的性能，一般将回火分为三类钢的回火回火索氏体回火索氏体 回火屈氏体回火屈氏体 回火马氏体回火马氏体 回火马氏体回火马氏体 回火后钢的的组织回火后钢的的组织马氏体马氏体2. 回火时间的确定回火时间的确定 列经验公式计算：bDt 3. 回火后冷却回火后冷却 一般钢种回火保温后，大都在空气中冷却。 重要零件为了避免产生内应力，采用缓慢冷却。 回火脆性较明显的合金钢（Cr钢、Cr-Mn钢、Si-Mn钢），为了避免回火脆性的产生，在450650回火后，需油冷、水冷。 2.2 钢的表面热处理 什么是表面热处理？

28、 仅对钢的表面快速加热、冷却，把表层淬成马氏体，使表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持原来良好的韧性和塑性的热处理方法，称为表面热处理。 注意：表面热处理不改变钢的成分。 按加热方式可分为 感应加热 火焰加热 电接触加热 激光加热 加热器通入电流，工件表面在几秒钟之内迅速加热到远高于Ac3以上的温度，接着迅速冷却工件（例如向加热了的工件喷水冷却）表面，在零件表面获得一定深度的硬化层。 2.2.1 感应加热表面热处理感应加热表面热处理 1. 感应加热感应加热 感应线圈通以交流电时，就会在它的内部和周围产生与交流频率相同的交变磁场。若把工件置于感应磁场中，则其内部将产生感应电流并由于电阻的作用被加

29、热。 感应电流在工件表层密度最大，而心部几乎为零，这种现象称为集肤效应。 电流透入工件表层的深度主要与电流频率关系： 通过频率的选用可以得到不同工件所要求的淬硬层深度。 电流频率越高，感应电流透入深度越浅，加热层也越薄。f500第一类：超高频感应加热淬火电流频率：27MHz 淬硬层深度： 0.15mm应用：圆盘锯等形状复杂工件 第二类 高频感应加热淬火 常用电流频率：200300kHz 淬硬层深度： 0.52.0mm 应用：适用于中小模数的齿轮及中小尺寸的轴类零件等。 第二类 中频感应加热淬火 常用电流频率：25008000Hz 淬硬层深度： 26mm 应用：适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮

30、等。 第三类 工频感应加热淬火 电流频率：50赫兹 淬硬层深度：可达1015mm 应用：大直径零件如轧辊、火车车轮等的表面淬火。 感应加热表面淬火的分类感应加热表面淬火的分类据电流频率的不同，分为四类： 感应加热适用的材料 中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB等。 这些钢经预先热处理（正火或调质处理）后再表面淬火，心部有较高的综合机械性能，表面也有较高的硬度和耐磨性。 铸铁也是适合于表面淬火的材料组织组织 A.亚共析钢亚共析钢 图2.18 45钢高频感应淬火后的组织和硬度整个加热层分为三个区。1区：加热温度超过Ac3，淬火得到完全马氏体组织。越靠近表面，马氏体组织越粗大，越靠近里

31、面，马氏体则较细，带有隐针状特征。2区：温度Ac1Ac3之间，淬火得到马氏体和铁素体混合组织。越远离表面，温度越低，铁素体量越大。该层为过渡层。3区：温度低于Ac1，不会发生马氏体相变，仍保留原始组织。 B.过共析钢 表层组织为马氏体+碳化物+残余奥氏体，过渡层为马氏体+碳化物+少量屈氏体，心部组织为珠光体+碳化物。 感应加热表面淬火的特点 由于感应加热速度极快，过热度增大，使钢的临界点升高，故感应加热淬火温度(工件表面温度)高于一般淬火温度。由于感应加热速度快，奥氏体晶粒不易长大，淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，使工件表层硬度比普通淬火高2HRC3HRC，耐磨性也有较大提高。表面淬火后，

32、淬硬层中马氏体的比体积较原始组织大，因此表层存在很大的残余压应力，能显著提高零件的弯曲、抗扭疲劳强度。小尺寸零件可提高23 倍，大尺寸零件可提高20%30%。由于感应加热速度快、时间短，故淬火后无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小，易于实现机械化与自动化。2火焰加热表面淬火 火焰加热淬火是火焰加热温度很高（约火焰加热淬火是火焰加热温度很高（约3000以以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。 用乙炔氧或煤气氧等火焰直接加热工件表面，然后立即喷水冷却，以获得

33、表面硬化效果的淬火方法。 特点 概念2.3 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质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。 常用的化学热处理有渗碳、渗氮（俗称氮化）、碳氮共渗（俗称氰化和软氮化）等。还有渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。 发兰、磷化可以归为表面处理，不属于化学热处理。 化学热处理过程包括分解、吸收、扩散三个基本过程。 2.3.1 渗碳 渗碳就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热奥氏体化并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺。 目的：通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好

34、的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。 与表面淬火相比，渗碳主要用于那些对表面有较高耐磨性要求，并承受较大冲击载荷的零件。 渗碳用钢为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。 渗碳方法可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳 1.气体渗碳 是将工件置于密封的气体渗碳炉内，加热到完全奥氏体化温度（一般900-950），并通入渗碳介质使工件渗碳。 介质： A. 向炉内滴入易分解的有机液体（如煤油、苯、甲醇、醋酸乙酯等） B.直接通入气体介质（天然气、丙烷气及煤气等 ）通过在钢的表面上发生反应，形成活性碳原子。反应如下： 钢的气体渗碳钢的

35、气体渗碳图5-29 气体渗碳炉渗碳过程可分为三个阶段 （1）渗碳介质的分解 CnH2n+2（n+1）H2+nC CnH2nnH2+nC 2COCO2+C CO+H2H2O+C（2）碳原子的吸收。 （3）碳原子的扩散。 2.固体渗碳 是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900950，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。 固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与15%20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐起催化作用，反应如下：零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 3.渗碳工艺及组织渗碳工艺及组织 渗碳

36、处理的工艺参数是渗碳温度和渗碳时间。 由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于Ac3温度。加热温度越高，则渗碳速度越快，渗碳层越厚，生产率也越高。但为了避免奥氏体晶粒过分长大，所以渗碳温度不能太高，通常为900950。 在温度一定的情况下，渗碳时间取决于渗碳层的厚度。 渗碳后的组织渗碳后的组织 渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3 等。 渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织(珠光体碳化物)、共析组织(珠光体)、亚共析组织(珠光体+铁素体)的过渡层，直至心部的原始组织。 对于碳钢，渗层深度规定为：从表层到过渡层一半(50%P+50%-Fe

37、)的厚度。 4.渗碳后的热处理渗碳工艺的加热温度高，时间较长，还需淬火才能达到硬度要求，所以钢渗碳以后必须进行热处理才能达到预期目的。如汽车、机车、矿山机械、起重机械等用的大量传动齿轮都采用渗碳热处理工艺提高其耐磨损性能。 渗碳件的热处理方法有三种，如图6-21所示。 图2.22 渗碳后热处理示意图2.3.2渗氮（氮化） 目的目的:提高零件表面硬度提高零件表面硬度(可达可达10001200HV)、耐磨性、疲、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等劳强度、热硬性和耐蚀性等 。氮化工艺氮化工艺气体氮化气体氮化离子氮化离子氮化包括包括: 与气体氮化相比，离子氮化的特点是处理周期短，仅为气体与气体氮化相比

38、，离子氮化的特点是处理周期短，仅为气体氮化的氮化的1/31/4（例如（例如38CrMoAl钢，氮化层深度若达到钢，氮化层深度若达到0.350.7mm，气体氮化一般需，气体氮化一般需70小时，而离子氮化仅需小时，而离子氮化仅需1520小小时），零件的表面不易形成连续的白色脆性层。时），零件的表面不易形成连续的白色脆性层。概念：概念：渗氮渗氮是指在是指在一定温度一定温度下使下使活性氮原子活性氮原子渗入工件表面，渗入工件表面，形成形成含氮硬化层含氮硬化层的的化学热处理化学热处理工艺。工艺。 渗氮原理渗氮原理 应用场合应用场合 要求处理精度高、冲击载荷小、抗磨损能力强的零件，要求处理精度高、冲击载荷小

39、、抗磨损能力强的零件，如一些精密零件、精密齿轮都可用氮化工艺处理。如一些精密零件、精密齿轮都可用氮化工艺处理。2/1ktd 供氮介质为无水氨气或氨+氢或氨+氮，渗氮分三个阶段。（1）氨气分解。NH3=N+3/2 H2，或Fe+NH3=Fe(N)+ 3/2 H2 （2）氮原子的吸收。少数被吸收，多数氮原子结合成氮气逸出。表面易生成 化合物，氮原子熔于化合物层，并向内扩散。（3）氮原子的扩散。氮原子的原子半径比碳原子小，扩散系数比C原子大。渗氮层深度随时间呈抛物线的关系。2.渗氮热处理渗氮热处理 渗氮后不需要热处理渗氮后不需要热处理。这是由于渗氮是通过氮原子和。这是由于渗氮是通过氮原子和铁原子或合

40、金元素形成氮化物来强化合金。铁原子或合金元素形成氮化物来强化合金。 渗氮钢件的心部性能由渗氮前热处理决定渗氮钢件的心部性能由渗氮前热处理决定。 渗氮前热处理一般为调质处理渗氮前热处理一般为调质处理。 淬火温度淬火温度由钢的由钢的Ac3决定；决定； 淬火介质淬火介质取决于钢的淬透性；取决于钢的淬透性； 回火温度回火温度的选择不仅要根据对心部的硬度要求的选择不仅要根据对心部的硬度要求 3. 渗氮工艺渗氮工艺 1）渗氮温度和时间 渗氮温度。渗氮温度影响渗氮层的深度和硬度。渗氮温度越低，表面硬度升高、渗层深度下降。 渗氮时间。渗氮时间影响渗层深度和硬度。渗氮时间越长，渗层越大，表面硬度越高。2）气体氮

41、势的选择 控制氨分解率。选择氨分解率时的基本原则是，欲使气氛氮势高，应选择低分解率；反之，要获得低氮势，则选择高分解率。 控制气氛氮势。根据渗氮温度及实验图来确定白层生成门槛值，按照比例配置NH3+H2混合气，控制NH3的流量。 根据渗氮目的不同，渗氮工艺分为两大类： 一类是以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为主要目的而进行的渗氮，称为强化渗氮； 一类是以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮，称为为抗腐蚀渗氮。 5. 常用渗氮工艺常用渗氮工艺 （1）等温渗氮 （2）多段渗氮工艺 （3）抗腐蚀渗氮 渗氮温度较高 3碳氮共渗（碳氮共渗（氰化处理）什么是碳氮共渗？什么是碳氮共渗？ 碳氮共渗是同时向

42、零件渗入碳氮共渗是同时向零件渗入C、N两种元素的化学两种元素的化学热处理工艺。热处理工艺。氰化氰化液体氰化液体氰化气体氰化气体氰化中温氰化中温氰化低温氰化低温氰化液体氰化有毒，污染环境，劳动条件差液体氰化有毒，污染环境，劳动条件差中温气体渗氮工艺中温气体渗氮工艺以以渗碳为主渗碳为主，用于提高结构件，用于提高结构件(如齿轮、如齿轮、蜗轮、轴类件蜗轮、轴类件)的硬度、耐磨性和疲劳性；的硬度、耐磨性和疲劳性；低气体渗氮工艺低气体渗氮工艺以以渗氮为主渗氮为主，主要用于提高工模具的表面硬，主要用于提高工模具的表面硬度、耐磨性和抗咬合性。度、耐磨性和抗咬合性。 碳氮共渗件常选用碳氮共渗件常选用低碳或中碳钢

43、低碳或中碳钢及及中碳合金钢中碳合金钢 共渗后可直接淬火和低温回火 渗层组织渗层组织：细片细片(针针)回火马氏体回火马氏体加加少量粒状碳氮化合物少量粒状碳氮化合物和和残余奥氏体残余奥氏体，硬度为，硬度为5863HRC；心部组织与硬度心部组织与硬度：取决于钢的成分和淬透性。：取决于钢的成分和淬透性。 催渗技术催渗技术能能缩短化学热处理的工艺过程周期缩短化学热处理的工艺过程周期和和提高渗层质量。提高渗层质量。 常用催渗剂为常用催渗剂为稀土稀土 2.4 钢的热处理新技术钢的热处理新技术 2.4.1 可控气氛热处理可控气氛热处理 在炉气成分可控的热处理炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。 可控气氛则是实

44、现无氧化加热的最主要措施。 正确控制热处理炉内的炉气成分，可为某种热处理过程提供元素的来源。 A.吸热式气氛: 气体反应中需要吸收外热源的能量，才能使反应向正方向发生的热处理气氛。 B.放热式气氛:依靠自身的燃烧放热反应而制成的气体,放出大量热量 C.滴注式气氛 2.4.2 真空热处理真空热处理 真空热处理是在0.0133Pa1.33Pa真空度的真空介质中对工件进行热处理的工艺。 特点：特点：真空热处理真空热处理无氧化无氧化、无脱碳无脱碳、无元素贫化无元素贫化，可以实现可以实现光亮热处理光亮热处理，可以使零件可以使零件脱脂脱脂、脱气脱气，避免表面污染避免表面污染和和氢脆氢脆；同时可以实现同时可以实现控制加热和冷却控制加热和冷却，减少热处理变形减少热处理变形。提高提高材料性能材料性能；还具有便于还具有便于自动化自动化、柔性化柔性化和和清洁热处理清洁热处理等优点。等优点。 2.4.3 离子渗扩热处理离子渗扩热处理 离子渗扩热处理离子渗扩热处理是利用是利用阴极阴极(工件工件)和和阳极阳极间的间的辉光放电辉光放电产生产生的的等离子体等离子体轰击轰击工件，使工件表层的工件，使工件表层的成分成分、组织组织及及性能性能发发生变化的热处理工艺。生变化的热处理工艺。 1. 离子渗氮离子渗氮 在真空室内进行。工