第九章 钢热处理工艺

1、本章目的：本章目的： 介绍钢的常用热处理工艺及其应用。介绍钢的常用热处理工艺及其应用。本章重点：本章重点：（1）各类热处理（退火、正火、淬火、回）各类热处理（退火、正火、淬火、回火）工艺火）工艺组织性能应用的规律和特组织性能应用的规律和特点；点；（2）淬透性、淬硬性的概念与应用）淬透性、淬硬性的概念与应用第九章第九章 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 金属材料加工过程：金属材料加工过程： 冶炼冶炼铸造铸造铸锭铸锭板棒型管板棒型管焊接焊接机加工机加工冷轧冷轧冷拔冷拔深冲深冲锻件锻件铸件铸件机加工机加工零零件件或或构构件件 工艺性能工艺性能预备热处理预备热处理 使用性能使用性能最终热处理最终热处理热轧

2、热轧热锻热锻热处理分类热处理分类n普通热处理：退火、正火、普通热处理：退火、正火、 淬火、回火淬火、回火n表面热处理：表面淬火表面热处理：表面淬火 化学热处理化学热处理n形变热处理：控制轧制形变热处理：控制轧制9-1 钢的退火与正火钢的退火与正火一一 退火退火1 定义：钢加热到适当温度，保温一定时定义：钢加热到适当温度，保温一定时间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平间后缓慢随炉冷却或控制其冷速，获平衡组织的工艺衡组织的工艺。 参见教材参见教材“高于或低于高于或低于AC1”AC1S 2 分类分类（1）高温退火）高温退火 （相变重结晶退火）（相变重结晶退火） T加热加热AC1（2）低温退火）低温退火

3、 T加热加热AC1完全退火完全退火不完全退火不完全退火球化退火球化退火等温退火等温退火扩散退火扩散退火去应力退火去应力退火再结晶退火再结晶退火.3 退火目的退火目的总体：改善组织，提高性能总体：改善组织，提高性能 降低硬度，改善切削加工性能降低硬度，改善切削加工性能 适合机加工的硬度范围：适合机加工的硬度范围：150250HB 细化晶粒；均匀组织细化晶粒；均匀组织 消除内应力。消除内应力。注：目的注：目的 时，常用正火代退火时，常用正火代退火 工艺规范工艺规范特点特点目的目的适用范围适用范围 工艺：工艺：完全奥完全奥氏体化氏体化组织：组织：层片状层片状珠光体珠光体 硬度，改硬度，改善切削加工善

4、切削加工性能；性能； 细化晶粒；细化晶粒；消除内应力；消除内应力；减轻组织不减轻组织不均匀性均匀性(消除消除魏氏组织等魏氏组织等) 亚共析钢、合亚共析钢、合金钢的铸、锻、金钢的铸、锻、热轧、焊件的热轧、焊件的预备热处理预备热处理(切切削加工前削加工前或或热热处理前处理前的预备的预备热处理热处理)4 退火工艺及特点退火工艺及特点 AC3 +2030 AC3 AC1 tT(1) 完全退火完全退火注：目的不同，组织控制注：目的不同，组织控制(珠光体片间距珠光体片间距)不同不同原因：粗片状原因：粗片状P原因：重结晶原因：重结晶45钢锻造后与完全退火后机械性能钢锻造后与完全退火后机械性能状态状态b(Mp

5、a)s(Mpa)(%)(%)k (kJ.m-2)HB锻造锻造6507503004005152040200400230完全完全退火退火60070030035015204050400600200完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅完全退火后强硬度有所下降，而塑韧性较大幅度提高度提高主要目的：改善组织与加工性能主要目的：改善组织与加工性能晶粒细化的原因晶粒细化的原因40钢退火前后金相组织钢退火前后金相组织完全退火完全退火相变重结晶过程相变重结晶过程. 工艺规范工艺规范特点特点目的目的适用范围适用范围 工艺：工艺：不完全奥不完全奥氏体化氏体化组织：组织：球状球状(粒状粒状)珠光体珠光体 降低降低(

6、过过)共析钢硬共析钢硬度适合切度适合切削；削；为最终为最终热处理做热处理做组织准备组织准备含碳量较高含碳量较高的工、模具的工、模具钢的预备热钢的预备热处理处理 AC1 +2030 ACm或或AC3 AC1 tT (2) 球化退火球化退火 不完全退火的一种。不完全退火的一种。工艺关键：工艺关键： Fe3C形态控制形态控制 球的大小控制球的大小控制 控制奥氏体化程度控制奥氏体化程度控制过冷奥氏体冷却转变的温度控制过冷奥氏体冷却转变的温度片状与球状珠光体组织切削性能比较片状与球状珠光体组织切削性能比较层片状珠光体层片状珠光体粒粒(球球)状状珠光体珠光体刀具刀具T12钢球化退火与完全退火的性能比较：钢

7、球化退火与完全退火的性能比较： 球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，球化退火的强硬度更低，塑韧性更好，碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切碳化物对基体的分割更均匀、彻底，更利切削加工削加工状态状态b(Mpa)(%)(%)HB完全退火完全退火8101530230球化退火球化退火6202040160T12钢完全退火与球化退火后性能比较钢完全退火与球化退火后性能比较T12钢完全退火与球化退火后组织比较钢完全退火与球化退火后组织比较完全退火、球化退火工艺缺陷：完全退火、球化退火工艺缺陷：周期长；变温转变周期长；变温转变组织大小不均组织大小不均 开发出等温转变开发出等温转变(3) 等温退火等温退火 是完

8、全退火、球化退火工艺的改进是完全退火、球化退火工艺的改进普通退火普通退火 等温完全退火等温完全退火等温球化退火等温球化退火 AC3 +2030 AC3 Ar1 tTAc1 AC1 +2030 Ar1 -2030 高速钢等温退火与普通退火工艺曲线高速钢等温退火与普通退火工艺曲线870880 tT4h3h等等温温退退火火普普通通退退火火40 /h720740 炉冷炉冷15 /h空空冷冷空空冷冷 等温退火优势等温退火优势 (1) 缩短工艺时间：高速钢缩短工艺时间：高速钢 40h20h （2）组织均匀：碳化物球大小一致组织均匀：碳化物球大小一致工艺规范工艺规范特点特点目的目的适用范适用范围围 (1)高

9、温、长高温、长时间；时间；(2)需再经重需再经重结晶工艺结晶工艺(完完全退火或正全退火或正火火)以细化晶以细化晶粒粒消除消除或减或减轻偏轻偏析、析、带状带状组织组织等等合金钢合金钢锭大型锭大型铸钢件铸钢件tTAC3或或ACm+ 200300AC3或或ACm(4) 扩散扩散(均匀化均匀化)退火退火工艺工艺名称名称工艺规范工艺规范目的目的适用范围适用范围再结再结晶退晶退火火 消除加工硬消除加工硬化化 完全消除残完全消除残余应力余应力冷塑性变形冷塑性变形件件去应去应力退力退火火消除内应力，消除内应力，防工件变形防工件变形铸、锻、焊、铸、锻、焊、冲压、机加冲压、机加工件工件(5) 再结晶退火与去应力退

10、火再结晶退火与去应力退火AC1650700 300650 tT二二 正火目的、用途和工艺正火目的、用途和工艺 1 定义：定义： 钢加热到钢加热到AC3 或或ACm以上的以上的A区域，区域，保持一定时间后在空气中冷却，以获得保持一定时间后在空气中冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺。接近平衡状态组织的工艺。 又称常化又称常化 正火正火 退火退火与退火的区别与退火的区别 加热温度较高；加热温度较高； 冷却速度较快；冷却速度较快； 获得组织较细获得组织较细(索氏体索氏体) 强硬度与塑韧性较高；强硬度与塑韧性较高； 生产效率较高生产效率较高 正火正火 退火退火 碳钢正火与退火后的硬度（碳钢正火与退火后的

11、硬度（HB）状态状态结构钢结构钢 软的软的 中等的中等的 硬的硬的工具钢工具钢退火退火正火正火125140160190185230220270正火与退火态正火与退火态45钢机械性能钢机械性能状态状态b(MPa)(%)k (J.cm-2)HB正火正火70080015205080220完全退完全退火火65070015204060180注：正火态强硬度与塑韧性均较高注：正火态强硬度与塑韧性均较高2 目的：目的： 细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷；细化晶粒，消除铸锻焊件组织缺陷； 提高低碳钢硬度，改善切削加工性能；提高低碳钢硬度，改善切削加工性能； 消除高碳钢网状二次渗碳体，为球化退火消除高碳钢网状二次

12、渗碳体，为球化退火作组织准备；作组织准备； 型材或大型复杂铸钢件的最终热处理型材或大型复杂铸钢件的最终热处理三三 正火与退火的选用正火与退火的选用 C%0.75% 球化退火球化退火 C%0.9% 有网状碳化物有网状碳化物 正火正火(消网消网)球化退火球化退火注意：注意： 1 退火与正火退火与正火珠光体类型组织的应用珠光体类型组织的应用 2 能用正火处则不用退火。能用正火处则不用退火。 正火可作为大件或不重要工件的最终正火可作为大件或不重要工件的最终热处理，而退火一般不作为最终热处理热处理，而退火一般不作为最终热处理9-2 钢的淬火与回火钢的淬火与回火淬火：淬火：AC3 或或AC1以上，奥氏体化

13、，以上，奥氏体化， V冷冷 VC急剧冷却，获马氏体组织。急剧冷却，获马氏体组织。等温淬火等温淬火B下下等温淬火等温淬火 AC1 MS VC VC 淬火淬火 1 加热温度加热温度（1）化学成分：）化学成分： 亚共析钢：亚共析钢： AC3 +3050 过共析钢：过共析钢： AC1 +3050一一 淬火加热工艺参数的选择淬火加热工艺参数的选择 AC1 ACmAC3M+ARAM+AR+A+Fe3C(C)()A+FM+FFe3C若若T Acm C%，MS；AR 粗大粗大M， 氧化脱碳氧化脱碳，变形开裂，变形开裂低合金钢：低合金钢： AC3 或或AC1 +50100 高合金钢：高合金钢： AC3 或或AC

14、1 +300400 （2）工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒）工件尺寸、形状、淬火介质、晶粒长大倾向等长大倾向等2 保温时间保温时间 保温保温= 升温升温+ 热透热透+转转6008001280 W18Cr4V：Tt 3 淬火介质淬火介质（1） 淬火介质的要求淬火介质的要求 鼻点冷速大鼻点冷速大, MS附近冷速小；附近冷速小； 稳定，成本低；稳定，成本低； 安全：无毒；不腐蚀工件。安全：无毒；不腐蚀工件。TA1MS水水油油 (2) 常用淬火介质常用淬火介质 水：水： 鼻温：鼻温：150/S； Ms：450 /S。 优点：冷却能力强；成本低。优点：冷却能力强；成本低。 缺点：缺点：M 转变温区冷速过大

15、，变形；转变温区冷速过大，变形； 应用：小尺寸、形状简单碳钢件应用：小尺寸、形状简单碳钢件 油油 Vmax ： 100250 /S ， 400500； 鼻温：鼻温：6070/S；Ms：50 /S。 优点：优点：M转变温区冷速小，不易变形；转变温区冷速小，不易变形； 缺点：鼻温区冷速过小，淬不透。缺点：鼻温区冷速过小，淬不透。 应用：合金钢件应用：合金钢件 10%NaCl水溶液；水溶液； 15%NaOH水溶液；水溶液； 5%Na2CO3水溶液；水溶液； 使蒸汽膜提前破裂；使蒸汽膜提前破裂； 但腐蚀但腐蚀 盐水与碱水盐水与碱水钢的淬透性钢的淬透性为什么引入为什么引入“淬透性淬透性”概念概念V表V心

16、VC淬透层深度淬透层深度VCV表V心1 钢的淬透性概念钢的淬透性概念 淬透层深度：由工件表面淬透层深度：由工件表面半马氏体半马氏体点点(50%M)的深度。的深度。 奥氏体化的钢淬火时获得马氏体的能力奥氏体化的钢淬火时获得马氏体的能力 用钢在一定条件下淬火获得的淬用钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度表示其大小。透层深度表示其大小。硬度测量法：硬度测量法：50%M的硬度的硬度 C%淬透层深度淬透层深度50%M淬透性与淬透层深度的差别淬透性与淬透层深度的差别影响淬透性的因素：影响淬透性的因素： 与影响与影响 C 曲线因素一致曲线因素一致 与钢种、奥氏体化条件有关。与钢种、奥氏体化条件有关。实际淬透层

17、深度：实际淬透层深度： 与淬透性、工件大小、淬火介质等与淬透性、工件大小、淬火介质等有关有关淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可淬硬性：钢淬火时的硬化能力，用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示。能得到的最高硬度表示。 取决于马氏体中的取决于马氏体中的 C% 。 淬透性淬透性: 取决于钢的临界冷却速度取决于钢的临界冷却速度 合金元素合金元素 例：例：T10、15MnVB淬透性与淬硬性比较淬透性与淬硬性比较2 淬透性与淬硬性淬透性与淬硬性3 淬透性测定方法淬透性测定方法（1）顶端淬火法）顶端淬火法 25100（2）临界淬火直径）临界淬火直径临界淬火直径：钢在某种淬火介质中临界淬火直径：钢在某种

18、淬火介质中能完全淬透的最大直径能完全淬透的最大直径(Dk)临界淬火直径测量方法：临界淬火直径测量方法： C%半马氏体硬度；半马氏体硬度； 测该钢端淬曲线测该钢端淬曲线找出对应半找出对应半马氏体硬度的马氏体硬度的d端端值值 ； 根据对零件淬透深度的实际要求根据对零件淬透深度的实际要求(淬透至淬透至1/2R、3/4R、中心等中心等)从下从下图查出对应的临界淬火直径图查出对应的临界淬火直径DkTA1MS分分级级淬淬火火双双液液淬淬火火等等温温淬淬火火单单液液淬淬火火三三 淬火方法淬火方法 1 单液淬火单液淬火 尺寸小、尺寸小、 形状简单的碳钢、合金钢件形状简单的碳钢、合金钢件 2 双液淬火（水淬油冷

19、）双液淬火（水淬油冷） 尺寸较大碳钢件。尺寸较大碳钢件。3 分级淬火分级淬火 稍高于稍高于MS ，盐浴；盐浴； 小尺寸工模具、变形小、精密件小尺寸工模具、变形小、精密件三三 淬火方法淬火方法4 等温淬火等温淬火淬火热应力、组织应力小，变形小淬火热应力、组织应力小，变形小 形状复杂、尺寸精密件。形状复杂、尺寸精密件。 5 冷处理冷处理目的：目的： 减少减少AR%，HRC； 稳定尺寸；稳定尺寸； 挽救挽救四四 钢的回火工艺钢的回火工艺1 回火工艺参数的选择回火工艺参数的选择 回火温度的选择回火温度的选择： （1）零件使用性能）零件使用性能硬度硬度回火温度回火温度（2）应力消除：）应力消除： T50

20、0，1h； T200，23h； 回火后冷却方式：回火后冷却方式： 回火脆性钢回火脆性钢水、油冷；水、油冷； 高合金钢的多次回火高合金钢的多次回火 回火温度对高碳低合金钢回火温度对高碳低合金钢(0.82C、0.84Mn)机械性机械性能的影响能的影响 回火温度对低碳和中碳合金钢机械性能的影响回火温度对低碳和中碳合金钢机械性能的影响 a对低碳合金钢机械性能的影响；对低碳合金钢机械性能的影响；b对中碳合金钢机械性能的影响对中碳合金钢机械性能的影响 2 回火种类回火种类 回火温度回火温度，内应力，内应力； 强硬度强硬度；塑韧性；塑韧性。 根据温度不同划分回火种类根据温度不同划分回火种类组织：组织： 回火

21、马氏体回火马氏体(与淬火马氏体比较与淬火马氏体比较) 片状过饱和片状过饱和+碳化物，共格碳化物，共格高碳钢：淬火片状高碳钢：淬火片状M回火回火M（1）低温回火（）低温回火（150250）保持高强硬度；微裂纹焊合；保持高强硬度；微裂纹焊合； 内应力和脆性内应力和脆性；韧性略；韧性略。低碳钢：板条低碳钢：板条M，只有只有C的的偏聚偏聚 应用：应用： 工、模具钢；工、模具钢； 低碳马氏体钢低碳马氏体钢低温回火组织的性能低温回火组织的性能（2）中温回火（）中温回火（350500）组织：组织： 条、针状条、针状 (未再结晶，平衡未再结晶，平衡C)相相 + 弥散分布细粒状弥散分布细粒状相相 回火屈氏体（与

22、屈氏体比较）回火屈氏体（与屈氏体比较）中温回火组织的性能中温回火组织的性能 基体已回复；内应力基体已回复；内应力； 弹性极限高；弹性极限高； 较高的强硬度与良好韧性较高的强硬度与良好韧性应用：弹簧钢、热锻模应用：弹簧钢、热锻模（3）高温回火（）高温回火（550680）组织：组织： 等轴状等轴状(再结晶再结晶)相相 + 均匀分布粒均匀分布粒状状(球化球化)相相 回火索氏体（与索氏体比较）回火索氏体（与索氏体比较）高温回火组织的性能高温回火组织的性能 内应力基本消除，内应力基本消除， 强度与韧性最佳配合；强度与韧性最佳配合； 综合机械性能高综合机械性能高 应用：重要结构件，轴、齿轮应用：重要结构件

23、，轴、齿轮 调质处理：淬火调质处理：淬火+高温回火高温回火片状片状粒状粒状bSHRC(0.8%C),305020060040080010退火与淬、回火退火与淬、回火组织性能比较组织性能比较五五 钢的淬、回火缺陷钢的淬、回火缺陷1 种类：种类： 变形、开裂、氧化、脱碳、变形、开裂、氧化、脱碳、 硬度不足、软点、过热、过烧硬度不足、软点、过热、过烧 过热：晶粒粗大过热：晶粒粗大重结晶消除重结晶消除 过烧：晶界熔化或氧化过烧：晶界熔化或氧化无法挽回无法挽回 2 变形与淬火应力变形与淬火应力 变形方式：体积变化、弯曲翘曲。变形方式：体积变化、弯曲翘曲。 产生原因：加热或冷却中热胀冷缩产生原因：加热或冷却中热胀冷缩 组织转变不同步组织转变不同步内应力内应力 种种 类：热应力、组织应力类：热应力、组织应力 改进方法改进方法分级淬火、等温淬火分级淬火、等温淬火第九章第九章 习题与思考题习题与思考题 1 确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目确定下列钢件的退火方法，并指出退火的目的与退火后的组织：的与退火后的组织： （1）经冷轧后的钢板，要求降低硬度；）经冷轧后的钢板，要求降低硬度； （2）锻造过热的）锻造过热的60钢锻坯；钢锻坯； （3）具有片状渗碳体的）具有片状渗碳体的T12钢坯。