第八章 钢热处理工艺

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制钢的热处理工艺及化学热处理钢的热处理工艺及化学热处理 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 退火、正火退火、正火、淬火、回火淬火、回火 钢的表面热处理钢的表面热处理 钢的化学热处理钢的化学热处理第第 八八 章章材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制 热处理方法普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热渗碳渗氮碳氮共渗其他形变真空其他感应加热(高、中、低频)材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固

2、 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制退火：退火：将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。目的： （1）消除组织缺陷； （2）均匀化学成分及组织，细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残 余应力； （3）降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削

3、加工性能。总之，退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理，为淬火做好组织准备。 一一 钢的热处理工艺钢的热处理工艺材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制第一类退火（扩散退火、再结晶退火、去应力退火）是不以组织转变为目的的工艺方法，由不平衡状态过渡到平衡状态。第二类退火（完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火）是以改变组织和性能为目的，改变钢中珠光体、铁素体和碳化物等组织形态及分布。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变

4、及及 组组 织织 控控 制制各种退火加热温度范围材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制完全退火完全退火 将钢件或钢材加热到Ac3以上2030 ,经完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。主要应用于亚共析钢。 目的：细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。不宜采用完全退火：低碳钢低碳钢： 完全退火后硬度偏低，不利于切削加工；过共析钢：过共析钢：加热到Accm以上奥氏体状态缓慢冷却退火时，有网状二次渗碳 体的析出，使钢的强度，塑性和冲击韧性显著降低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金

5、属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制等温退火等温退火 完全退火由于要随炉冷却所需时间较长，为了提高生产率，常常将钢较快冷却到稍低于Ar1温度（约 600 ）等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷到室温，可大大缩短退火时间，这种退火叫等温退火。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制不完全退火不完全退火 目的： 消除内应力，降低硬度。亚共析钢亚共析钢：如铁素体已均匀细小，珠光体片间距较小，硬度偏高，内应力如铁素体已均匀细小，珠光体片间距较小，硬度偏高，内应力 较大，可以通过不完全退火来降低硬度和消除内应力。较大，可以

6、通过不完全退火来降低硬度和消除内应力。过共析钢：过共析钢：主要获得主要获得球状珠光体组织球状珠光体组织，以消除内应力，降低硬度，改善切，以消除内应力，降低硬度，改善切 削加工性能。削加工性能。 将钢件或钢材加热到Ac1 Ac3之间（亚共析钢）或 Ac1 Accm之间（过共析钢），经保温后缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火球化退火 目的：降低硬度，均匀组织，改善切削加工性能。 使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用于过共析钢和合金工具钢。材料科学与工程学院材料科

7、学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火的原因：球化退火的原因： （1）过共析钢若为层片状珠光体和网状二次渗碳体： 硬度高，难以进行切削加工； 脆性大，容易产生淬火变形及开裂。 球化退火可得到粒状珠光体。 （2）奥氏体中要保留大量未溶解碳化物质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。 所以球化退火工艺如下：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火工艺：球化退火工艺：（目的：使未溶碳化物颗粒和局部高碳区形成碳化物核心并局部聚集球化，得到粒状珠光体组织）（1）温度一般在Ac1以上20-

8、30 不高的温度进行；（2）保温时间不能太长，2-4h为宜；（3）冷却方式采用炉冷； 如温度过高，保温时间太长，大部分碳化物溶解，并形成均匀奥氏体，在随后冷却过程中奥氏体容易转变为片状珠光体，球化效果较差。 如冷却速度太快或等温温度太低，珠光体在较低温度下形成，碳化物颗粒太细小，弥散度大，聚集作用小，容易形成片状碳化物，从而使硬度偏高。 如冷却速度过慢或等温温度太高，形成碳化物颗粒粗大，聚集作用也很强烈，容易形成粗细不等的粒状碳化物，使硬度偏低。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火举例：碳素工具钢：（1）加热到Ac1以上

9、20-30保温后以极慢速度冷却，以保证碳化物充分球化，冷至600出炉冷却。温度时间Ac1Ar1740750炉冷炉冷600 出炉空冷一次加热球化退火工艺一次加热球化退火工艺材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火举例：碳素工具钢：（2）加热到Ac1以上20-30保温4h后，在快速冷却到Ar1以下20左右等温36h，使碳化物充分球化，冷至600出炉冷却。温度时间Ac1Ar1740750快快冷冷600 出炉空冷等温球化退火工艺等温球化退火工艺炉冷炉冷690710材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变

10、变 及及 组组 织织 控控 制制球化退火举例：碳素工具钢：（3）为了加速球化过程，提高球化质量，可采用往复球化退火工艺。加热到略高于Ac1点的温度保温后，又冷却到略低于Ar1温度保温，并反复加热和冷却多次，最后空冷至室温。温度时间Ac1Ar1740750600 出炉空冷往复球化往复球化退火工艺退火工艺680690炉炉冷冷炉炉冷冷炉炉冷冷740750740750680690材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制扩散退火扩散退火 目的： 消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。加热温度：加热温度：Ac3

11、或Accm以上150300 ，具体根据钢种而定。 只是针对一些偏析程度大的铸件进行，其他的采用完全退火即可。 将钢锭、铸件或锻坯加热到略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制去应力退火去应力退火 目的： 消除工件的残余内应力，防治开裂和变形； 降低硬度，提高工件的尺寸稳定性；加热温度：加热温度：550-650 ； 铸铁一般处于500-550 ，超过550 容易造成珠光体的石墨化。冷却 速度要缓慢，以免产生新的应力； 为了消除由于变形加工及铸造和焊接过程

12、中引起的残余内应力而进行的退火。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制再结晶退火再结晶退火 目的： 消除加工硬化，使工件机械性能恢复到加工前的水平。加热温度：纯铁加热温度：纯铁450 ，纯铜270 ，纯铝100 ； 一般来说，变形量越大，再结晶温度越低，再结晶退火温度也就越低。 把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制退火分类退火分类加热温度加热温度冷却方式冷却

13、方式主要目的主要目的适用范围适用范围完全退火球化退火等温退火扩散退火去应力退火再结晶退火A3线以上30-50CA1线以上20-40CA3线以上30-50CA3线以上150-250CA1线以下600-650C再结晶以上150C缓慢冷却缓冷至600C空冷快冷至A1线下保温缓慢冷却缓慢冷却缓慢冷却消除粗晶和不均匀组织将片状P变为球状P获得均匀组织消除偏析消除残余应力消除加工硬化亚共析钢过共析钢合金钢高合金钢合金钢铸锭铸件铸、锻、焊件冷塑性变形件材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固

14、态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制正火：正火：将钢加热至Ac3或Acm以上适当温度，保温后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。与完全退火不同点：正火冷却速度较快，转变温度较低，因此获得的珠光体组织较细，钢的强度和硬度也较高。目的： （1）改善钢的切削加工性能； （2）消除热加工缺陷组织，均匀组织，细化晶粒，消除内应力； （3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化处理； （4）提高普通结构零件的机械性能。应用：一般作为预备热处理，也可作大型或形状复杂零件的终热处理。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制钢的种类正 火

15、 主 要 目 的低碳低合金钢中碳钢过共析钢高合金钢消除过热组织、细化晶粒、改善切削性消除组织缺陷、保持硬度、为调质做准备消除网状二次渗碳体、为球化退火和淬火做准备淬火作用（空淬）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制退火和正火的选用：一般根据钢种、冷热加工工艺、零件的使用性能及其经济性综合进行考虑：（1）C小于小于0.250.25，正火代替退火。，正火代替退火。p因为较快的冷却速度，可防止低碳钢沿晶界析出游离的三次渗碳体；p可以提

16、高钢的硬度，改善低碳钢的切削加工性能；p在没有其他热处理工艺时，正火可细化晶粒，提高低碳钢的强度。（2）C处于处于0.250.250.50.5，正火代替退火。，正火代替退火。p虽然正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，成本较低，生产率高。（3）C处于处于0. 50. 50.750.75，采用完全退火。，采用完全退火。p由于硬度显著高于退火，难以进行切削加工，所以采用完全退火，降低硬度。（4）C处于处于0.750.75以上高碳钢，采用球化退火。以上高碳钢，采用球化退火。p如有网状二次渗碳体，则应该先进行正火消除。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组

17、织织 控控 制制淬火：淬火：将钢加热至Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或者下贝氏体）的热处理工艺。l 必须将钢加热至必须将钢加热至Ac3或或Ac1以上获得奥氏体组织；以上获得奥氏体组织；l 冷却速度必须大于临界冷却速度获得全部马氏体组织（含残余奥氏体）；冷却速度必须大于临界冷却速度获得全部马氏体组织（含残余奥氏体）；目的： 使奥氏体化后的工件获得尽量多得马氏体并配以不同温度回火获得各种需要的性能。例如：淬火低温回火：淬火低温回火：提高工具、轴承、渗碳零件或其他高强度耐磨件的硬度和耐磨性；淬火高温回火：淬火高温回火：可以使结构钢得到强韧结合的优良综合机械

18、性能；淬火中温回火：淬火中温回火：可以显著提高弹簧钢的弹性极限。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制1.淬火温度及冷却介质淬火温度及冷却介质（1）淬火温度亚共析钢： Ac3+（3050） 全部奥氏体淬火后为细小马氏体。若温度过低若温度过低(于于Ac1Ac3之间之间)，在淬火组织中将出现铁素体，造成淬火硬度不足。，在淬火组织中将出现铁素体，造成淬火硬度不足。若加热远远超过若加热远远超过Ac3以上以上，将使，将使A晶粒长大，淬火后得到粗大晶粒长大，淬火后得到粗大M，使钢性能下降，使钢性能下降， 但但对于某些合金钢为了使其中合金元素完

19、全溶于对于某些合金钢为了使其中合金元素完全溶于A中，温度可适当提高。中，温度可适当提高。 共析钢和过共析钢： Ac1+（3050） 全部奥氏体或奥氏体和渗碳体淬火后为细小马氏体和少量二次渗碳体如果加热温度过高如果加热温度过高(在在Accm以上以上)，碳化物全部溶入A中，结果A中含碳量增加，Ms和Mf降低，淬火后AR增多，钢的硬度和耐磨性降低。也会使A晶粒增大，增大脆性。若淬火温度过低，若淬火温度过低，得到非马氏体组织，钢的硬度达不到要求。 低合金钢： Ac3或Ac1+（50100）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制淬淬 火火

20、温温 度度 范范 围围材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制（2）淬火冷却介质 要得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于该钢种的临界冷却速度，而快冷总是不可避免地要造成很大的内应力，往往会引起钢件的变形和开裂。因此，冷却介质对钢的理想淬火冷却速度应是“慢慢快快慢慢” 理想的淬火介质：在A1 650冷却慢，在600400快速冷却，在300200缓慢冷却。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制 水及水溶液 在（在（650400）范围内冷速很大，保证工件获得马氏体组织，但在

21、范围内冷速很大，保证工件获得马氏体组织，但在300以下冷却能力仍然很强，工件易发生变形和开裂，以下冷却能力仍然很强，工件易发生变形和开裂， 这是水的最大这是水的最大弱点。一般用于形状简单碳钢件的淬火。弱点。一般用于形状简单碳钢件的淬火。 盐水 冷却能力比一般清水还强,因为工件表面的结晶盐发生爆炸,破坏了包围工件的蒸汽膜,有利于散热.油类淬火剂 多为矿物油,一般用于合金钢或小尺寸碳钢件的淬火.材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制 2. 淬火方法淬火方法 （1）单液淬火）单液淬火 将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方

22、法。 优缺点：操作简单，易实现机械化与自动化，适用于形状简单的工件，但此法水冷变形大，油冷难淬硬，可将油、水双冷结合起来进行如下的双液淬火。（2）双液淬火）双液淬火 将加热的碳钢先在水或盐水中冷却，冷到（300400）时迅速移入油中冷却，这种水淬油冷的方法称为双液淬火法。 优缺点：既可使工件淬硬，又能减少淬火的内应力，有效地防止产生淬火裂纹，主要用于形状复杂的高碳工具钢，如丝锥、板牙等。缺点是操作困难，技术要熟练。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制（3）分级淬火）分级淬火 分级淬火法是把加热好的工件先投入温度稍高于Ms点的盐

23、浴或碱中快速冷却停留一段时间，待其表面与心部达到介质温度后取出空冷，使之发生马氏体转变。 优缺点：比双液淬火进一步减少了应力和变形，操作较易。但由于盐浴、碱浴的冷却能力较小，故只适用于形状较复杂、尺寸较小的工作。 （4）等温淬火）等温淬火 此法与分级淬火法相类似，只是在盐浴或碱浴中的保温时间要足够长，使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷。 优缺点：由于淬火内应力小，能有效地防止变形和开裂，但此法缺点是生产周期较长又要一定设备，常用于薄、细而形状复杂的尺寸要求精确，并且要求强韧性高的工件，如成型刀具、模具和弹簧等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态

24、态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制3.淬硬性与淬透性淬硬性与淬透性淬硬性是钢在理想条件下淬火硬化所能达到的最高硬度,跟含碳含碳量有关量有关。淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。大小用钢在一定条件下淬火获得淬硬层深度来表示。跟合金元素合金元素有关有关，合金元素含量越高，淬透性越好。温度时间表面临界心部A1材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相

25、变变 及及 组组 织织 控控 制制回火：回火：将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。目的目的： 减小或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。例如：淬火低温回火（淬火低温回火（150250）：）：回火马氏体。回火马氏体。实用于刀具、量具、滚动轴承、渗碳件和高频表面淬火工件，大部分是淬火高碳钢和高碳合金钢。提高硬度和耐磨性，降低淬火应力和脆性，进一步提高钢的强度和塑性。淬火中温回火（淬火中温回火（350500） ：屈氏体。屈氏体。主要实用于弹簧零件和热锻模具，可以显

26、著提高弹簧钢的弹性极限，较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。淬火高温回火（淬火高温回火（500650） ：索氏体。索氏体。也叫调制处理，也叫调制处理，适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件，要求有较高的强度并能承受冲击和交变负荷的作用。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制回火种类加热温度达到的硬度应用范围低温回火中温回火高温回火150-200C350-500C500-650CHRC60HRC35-50HRC20刃具、模具弹簧重要结构件材料科学与工程学院材料科学与工程学

27、院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制二二 钢的表面热处理钢的表面热处理1、表面淬火 仅对工件表面层进行热处理，以改变其组织和性能的工艺。1）感应加热表面淬火 A.感应加热表面淬火基本原理 （1）高频感应加热表面淬火 频率50KHz300KHz，淬硬层深度0.5mm2.0mm 应用：中小模数齿轮和中小尺寸的轴类零件材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属

28、固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制感应加热表面淬火示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制（2）中频感应加热表面淬火 频率1KHz10KHz，淬硬层深度2mm10mm 应用：大、中模数齿轮和较大直径轴类零件 （3）工频感应加热表面淬火 频率50Hz，淬硬层深度10mm20mm 应用：大直径轧辊、火车车轮等零件 B.感应加热表面淬火特点及应用 适用于中碳钢和中碳合金钢的成批大量生产。材料科学与工程学院材料科学与

29、工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制感应加热表面淬火材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制 2.火焰加热表面淬火 利用氧乙炔（或其他可燃气）火焰对零件表面进行加热，随之冷却的工艺。 适用于单件小批生产。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制化学热处理：化学热处理： 将金属工件放入含有某种活性原子的化学介质中，通过加热使介质中的原子

30、扩散渗入工件一定深度的表层，改变其化学成分和组织并获得与心部不同性能的热处理工艺。 目的：目的：钢件表面可以获得比表面淬火更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并且具 有减磨、耐蚀等特殊性能； 钢件心部具有良好的塑性和韧性。二二 钢的化学热处理钢的化学热处理 渗碳 渗氮 碳、氮共渗 多元共渗 渗硼 渗金属化学热处理通常是由分解，吸附和扩散三个基本过程材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制 1.钢的渗碳 目的：提高表层的硬度的耐磨性，并保持心部良好的韧性。 分类：气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。 （1）气体渗碳 加热到 900950，工件在井式渗碳炉中，滴入易于热分解和气化的液体进行渗碳。 （2）固体渗碳 颗粒状的木炭为渗碳剂，平均速度为0.1mm / h. （3）渗碳后的组织和热处理 表层含碳量0.85%1.05%，渗碳层厚度为0.5mm2.5mm 渗碳后进行淬火和低温回火。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 金金 属属 固固 态态 相相 变变 及及 组组 织织 控控 制制渗