材料科学和工程第十三章钢的热处理和典型举例

1、材料科学和工程第十三章钢的热处理和典型举例齿轮热处理轴承热处理弹簧热处理工具热处理轴的热处理基本思路：工作条件（载荷，环境）失效形式性能要求材料热处理工艺1、工作条件用于传递动力、改变方向或速度的重要零件，受力情况复杂。2、常见失效形式 齿轮接触面磨损或齿面塑性变形（表面硬度不足）； 齿轮面剥落（疲劳损坏、点蚀）； 断齿（强度低 或超载）一.齿轮热处理一.齿轮热处理3.齿轮的技术要求 齿面高的硬度、接触疲劳、耐磨损性能； 齿轮根部及齿轮具有高的强度和韧性。4.齿轮用钢 低、中碳轻载齿轮：45， 调质或正火中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火重载齿轮：20Cr、20CrMnTi，

2、渗碳淬火高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质渗氮1）渗碳齿轮材料：20CrMnTi、 20Cr、 30CrMnTiA等服役场合：高速重载（汽车齿轮）下料工艺：锻造正火切削加工渗碳淬火低温回火5.齿轮热处理工艺精加工掌握各热处理工序的目的，工艺，组织(1)正火 细化晶粒；调整硬度，便于切削加工 加热至Ac3+3050,空冷, 组织细珠光体+(少量铁素体)(2)渗碳 提高表面含碳量 920930保温39h (3)渗碳后淬火 获得马氏体，提高表面硬度 直接淬火或一次淬火 表面：高碳M+Ar+碳化物,过渡层:M+Ar, 心部:低碳M+F（少量） (4)回火 消除淬火应力，低温200，MM回下料锻造正

3、火切削加工渗碳淬火低温回火精加工 20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线加工工艺路线:下料 锻造 粗加工 半精加工 精车加工及 精磨 5.齿轮热处理工艺2）中载齿轮（中碳钢）热处理（表面淬火） 适用于3555,40Cr,35CrMn,35CrMo,42SiMn等材料齿轮。正火调质表面淬火低温回火(1)正火(或完全退火） 细化晶粒，调整硬度 加热至Ac3+3050,空冷, 细珠光体+(少量铁素体)(2)调质热处理 使心部具有良好强韧性 加热至Ac3+3050后淬火+500600高温回火, 回火索氏体(3)表面感应淬火(表面火焰淬火) 提高表面硬度 表面加热至Ac3+3050，心部没有加

4、热。 淬火后表面获得马氏体+残余奥氏体, 过渡层马氏体+F残余奥氏体, 心部回火索氏体 (4)低温回火 消除淬火应力，低温200，MM回 轻载齿轮：45， 调质或正火中载齿轮：45、40Cr， 调质，耐磨部位表面淬火重载齿轮：20Cr、20CrMnTi， 渗碳淬火高精度齿轮：38CrMoAlA， 调质渗氮二、滚动轴承热处理滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承1、工作条件高载荷，交变应力高转速，一定冲击。 接触疲劳破坏二、滚动轴承热处理2、失效形式塑性变形 磨损3、性能要求:（内外圈和滚动体）高的硬度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;尺寸稳定性滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承二、滚动轴承热处理4、轴承

5、用钢:二、滚动轴承热处理G Cr15 含Cr量WCr 1.5 %滚动轴承钢高碳1.15%GCr15轴承钢制造轴承的工艺路线锻造 机加工 球化退火淬火+ 冷处理 ( 60 80;1h )低温回火正火磨削加工稳定化处理 ( 120 150；5 10h )5、热处理工艺预备热处理:正火：消除网状碳化物，细化晶粒球化退火：降低硬度，提高韧性，为淬火组织准备淬火:获得马氏体组织 810860（温度偏高），让Cr尽量溶入A，又不致于导致晶粒粗大，A含碳过高；油冷冷处理:获得马氏体组织,减少Ar低温回火:消除残余应力，保持高硬度.二、滚动轴承热处理汽车板簧扭转弹簧大型热卷弹簧弹簧丝三、弹簧热处理1、工作条件

6、储存能量和减轻震动,主要承受拉力、压力、扭力、交变载荷；2、失效形式： 疲劳断裂，永久变形3、性能要求： 高的强度极限、弹性极限、疲劳极限、成型加工性能（塑性成型、热处理性能）4、常用材料 65、65Mn、60Si2Mn等中碳钢及中碳合金钢5、热处理工艺（一）冷成形弹簧（小弹簧） 由强化过的钢丝（铅淬冷拔、冷拔、淬火+回火的钢丝）冷卷成弹簧， 只需进行去应力退火（加热温度250 300 ），以消除变形过程中或淬火中形成的残余应力，稳定尺寸。 （二）热成形弹簧 采用热轧钢丝或钢板制成（如汽车板簧） 淬火提高强度， 中温回火消除应力，提高弹性极限。 淬火温度Ac3以上，回火温度350 450 ，

7、组织：回火屈氏体大型热卷弹簧去应力退火淬火+中温回火（或采用等温淬火）或采用等温淬火，得到贝氏体组织（三）沉淀硬化处理对于17-7PH(0Cr17Ni7Al)沉淀硬化钢，在冷拉或固溶处理状态下成型的弹簧。主要工艺过程如下：（1）固溶处理：奥氏体化，获得均匀一致的奥氏体组织（2）成型加工（3）调整热处理（或淬火处理）加热到奥氏体化稍低温度，冷却，获得低碳马氏体+残余奥氏体组织（4）深冷处理：使淬火状态下残余奥氏体继续转变为低碳马氏体（根据需要确定）（5）沉淀硬化处理在480 550 保温1小时左右，使碳化物析出弥散强化。（四）弹簧的其它强化处理（1）形变热处理对于60Si2Mn、55Si2Mn等

8、中碳钢具有较高的形变强化效果，因此这类弹簧适合于热成型+淬火+回火（2）化学热处理对于在铁素体状态下能进行元素扩散渗的弹簧材料，可以不改变弹簧整体强度、韧性和弹性极限情况下，化学渗提高弹簧表面硬度和疲劳强度。典型工艺热成型加工+淬火+回火-化学渗处理。（3）喷丸强化使弹簧零件表面获得压应力，提高弹簧的使用寿命510倍。（五）弹簧的稳定化处理为了减少弹性不完整性、或滞弹性，对弹簧进行加荷、或机械稳定、或加温加荷处理，以保证弹簧在使用过程中弹性稳定。工具一般包括刃具、模具、量具常用钢包括： 碳素工具钢、 低合金工具钢、 高合金工具钢（高速钢等）四.工具热处理模具量具刃具成分特点：高碳四.工具热处理

9、4.1 刃具热处理 性能要求 高硬度(HRC60) ，主要取决于含碳量。 高耐磨性， 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 红硬性 即高温下保持高硬度的能力 足够的韧性 以防止脆断和崩刃。刃具用钢 碳素工具钢：T7T12（1.2%C）木工凿手锤圆冲T12钢正常淬火组织球状珠光体碳工钢热处理及组织热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的： 降低硬度，便于加工； 为淬火作组织准备。 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+AR(少量) 丝锥板牙刃具用钢 低合金工具钢： CrWMn、9SiCr 热处理及组织同碳素工具钢， 只是淬火介质为油（碳工钢为水）。板牙丝锥 9 SiCr 钢板牙热处

10、理工艺曲线板牙W18Cr4V的生产工艺及热处理铸造 锻造 球化退火 机加工 淬火+三次高温回火 磨削加工刃具用钢 高合金刃具钢：（高速钢） W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2 W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织 420 铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理（正火）来消除, 只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 球化退火:消除应力, 降低硬度，便于机加工, 调整组织,为淬火作好组织准备。 球化退火后的组织 : S + 粒状 Cm球化退火温度830880易于机械加工。

11、W18Cr4V球化退火组织 420 淬火 : 12001300 淬火后的组织:M+Cm+AR(2025%)（温度高）高速钢淬火温度高的原因：让C和Me充分溶入A，淬火后得到高合金马氏体高温回火时产生二次硬化效应，提高硬度提高红硬性三次高温回火在560回火时 , 产生二次硬化多次回火,获得更多碳化物析出 让残余奥氏体转变。回火组织： S回+碳化物+Ar ( 1 2 % )*淬火后A残约2025 %。*第一次回火后A残约剩1518 %。*第二次回火后A残约剩35 %。*第三次回火后A残约剩12 %。组织硬度为HRC65以上。 W18Cr4V钢的热处理过程示意图进展:现在对这种热处理工艺还不满意,对

12、高速钢淬火+回火后,再进行TiN沉积四.工具热处理4.2 冷作模具热处理 性能要求:高硬度（HRC5060）；高耐磨性、强度和韧性；热处理变形小;汽车冲压模具 应用:冷冲模、冷镦模、冷挤模、搓丝板等 冷作模具用钢:碳素工具钢：T7T8低合金工具钢： 9SiCr、9Mn2V、CrWMn或GCr15高合金工具钢： Cr12、Cr12MoV（ C1.4%2.3%、 Cr11%12%） Cr12型冷作模具钢的热处理（ C1.4%2.3%、Cr11%12%）球化退火 冷作模具钢铸态组织极不均匀,含有大量共晶碳化物，需反复锻打后退火处理。 球化退火温度830880，获得细化碳化物+珠光体组织，易于机械加工

13、。淬火+回火 一次硬化法： 较低温度淬火（980）低温回火 回火组织为M回+碳化物+Ar 二次硬化法： 较高温度淬火（1050）23次高温回火 回火组织为S回+碳化物+Ar(少量）四.工具热处理4.3 热作模具热处理 性能要求: 应用: 热作模具用钢:使热金属或液态金属成型的模具，包括热锻模、热挤压模和压铸模等。高的热硬性、高温耐磨性;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力和导热性; 中碳 0.6 %;热变形模具钢，5CrNiMo、5CrMnMo压铸模具，3Cr2W8V 5 CrMnMo热处理: 热处理工艺: 完全退火 淬火 550回火 曲轴模具热处理后的组织: S回 3 Cr2W8V钢热处

14、理: 热处理工艺: 淬火 + 550三次回火 回火时二次硬化现象HRC47 汽车四缸压铸模四.工具热处理4.4 量具热处理 性能要求: 量具用钢:高的硬度（HRC62）和耐磨性，热处理变形小、尺寸稳定，保证尺寸精度。卡 尺量 规千分尺碳素工具钢：T8T12低合金工具钢：淬透性高，用于精度要求较高的量具。 CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr千分尺卡尺特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。 下限温度淬火及冷处理，目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。淬火 冷处理 ( - 70 - 80 ) 低温回火 时效处理 ( 120130,几十小时 ) 热处理: CrWMn钢制造块规退火后热处理工艺650820840油冷3h-70-80 冷处理1401603h11012036h时效处理精磨3h研磨温度时间受