第三章 钢的热处理工艺

第三章钢的热处理工艺热处理工艺：将工件放入一定的介质中加热、保温、冷却，通过改变组织来控制其性能的操作；制定基础：热处理原理种类：

普通热处理（退火、正火、淬火和回火）表面热处理（表面淬火和化学热处理）形变热处理地位：§３－１钢的退火可作为：预备热处理和最终热处理；钢的退火定义：钢加热到临界点Ac1以上或以下，保温后随炉慢冷以获得近于平衡状态的组织的工艺。目的：

①消除铸锻焊件的内应力；②均匀成分、组织，细化晶粒；③消除内应力和加工硬化；④改善钢的成型性、切削加工性；⑤为淬火作组织上的准备；种类：按加热温度分如图重结晶退火完全退火扩散退火不完全退火球化退火低温退火再结晶退火去应力退火按冷却方式分：等温退火和连续退火

退火工艺

１、完全退火定义：将钢加热到Ａc3以上一定温度，获得完全的、均匀的奥氏体后缓冷，得到近于平衡组织的热处理工艺过程称为完全退火。目的：

消除组织缺陷；细化晶粒、均匀组织、消除内应力；降低硬度、改善切削加工性。适用钢种：0.3～0.6%C的亚共析钢（主要缺陷：锻件和焊接件的魏氏组织、晶粒粗大、带状组织），低碳钢和过共析钢不适用。工艺参数：加热温度：ＡＣ３＋20～30℃原则：得到单相Ａ，又防止Ａ晶粒粗大保温时间：在箱式炉中：τ＝ＫＤ（单位:min,K=1.5～2.0min/mm，D:工件有效厚度:mm)对锻、轧材：τ=(3～4)+(0.2～0.5)Q(单位:h,Q为装如量，单位为t）冷却方式：炉冷，600℃以后出炉空冷组织：Ｆ＋Ｐ性能：硬度低，塑性好；6２、等温退火：定义：将钢奥氏体化后，根据硬度要求快冷到低于Ａr１的某一温度，等温停留到转变完成，再空冷；适用：中碳（0.25~0.6%C）合金钢

优点：缩短了工艺周期；保证工件内外在同一温度转变；

缺点：大件、大批量不适

目的：A转变为P

工艺参数：等温温度、等温时间、冷却；

３、亚共析钢的不完全退火：定义：将钢加热到Ａc１以上30～50℃、保温、得到不完全奥氏体后，缓冷得到近于平衡组织的热处理工艺。目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，减小内应力，改善切削加工性适用钢种：亚共析钢中无大缺陷工艺参数：加热温度ＡC1＋20～30℃,加热时间、冷却同上。优点是节能、节时

４、球化退火定义：将钢中的碳化物转化为球状或粒状的一种不完全退火工艺过程目的：降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，为淬火作准备。适用钢种：共析钢、过共析钢、合金工具钢。工艺参数：球化前要消除网状碳化物；加热温度：ＡＣ１＋20～30℃加热时间：一般为2～4小时或按公式计算冷却速度：炉冷或Ar1以下20℃长时间等温，600℃以后出炉空冷。

工艺类型：

普通球化退火、等温球化退火、循环球化退火注意：普通球化退火效果较差，等温球化退火效果较好，循环球化退火的效果最佳，但考虑生产成本，一般用等温球化退火，成本不高效果又好。10５、扩扩散退退火（（均匀匀化退退火））定义：：将钢锭锭或锻锻件加加热到到稍低低于固固相线线以下下某温温度长长时间间保温温，然然后缓缓冷以以消除除化学学成分分的不不均匀匀现象象，称称为扩扩散退退火。。目的：：均匀成成分，，均匀匀组织织适用钢钢种：：中、高高合金金钢工艺参参数：：加热温温度：Ac3（Acm）+150～～300℃℃（碳碳钢1100～～1200℃℃；；合金金钢1200～～1300℃℃）保温时时间：：与钢种种和偏偏析程程度有有关，，（30～60））min/25mm或或（（1.5～～2.5））min/mm按装炉炉量Q计算算：ττ＝８８.５５＋ＱＱ/４４（小小时））Ｑ：装装炉量量（吨吨），，一般般为１１０～～１５５ｈ；；问题：：一般扩扩散退退火加加热温温度高高，时时间长长，晶晶粒会会粗大大，扩扩散退退火之之后要要进行行一次次完全全退火火或正正火来来进行行细化化晶粒粒，消消除过过热缺缺陷。。周期长长、能能耗大大、氧氧化脱脱碳严严重、、成本本高故：有有时可可采用用完全全退火火来代代替。。12６、去应力力退火火定义：：为消除除铸锻锻焊件件的内内应力力而进进行的的退火火叫作作去应应力退退火。。目的：：去应力力，稳稳定尺尺寸，，防止止变形形和开开裂。。工艺：：加热温温度：：小于Ac1，500～650℃，，铸件件为500～550℃，，焊件件为500～600℃（（大焊焊件用用火焰焰或工工频感感应加加热局局部退退火））。保温时时间：：由工件件的尺尺寸和和装炉炉量决决定。。钢3min/mm，铸铸铁6min/mm。冷却：：缓冷，，以免免产生生新的的应力力。7、再再结晶晶退火火定义：：将冷变变形后后的金金属加加热到到再结结晶温温度以以上，，使变变形的的晶粒粒转变变为均均匀细细小的的等轴轴晶粒粒而消消除加加工硬硬化的的热处处理工工艺过过程。。工艺：：加热温温度：：T再＋150~250℃℃T再：与成分、、变形形度有有关，，纯铁铁：450℃℃钢钢：：650～～700℃℃。保温时时间：1-3h。冷却方方式：：空冷。。中间退退火或或最终终热处处理。。§３－－2钢钢的的正火火（正正常化化或常常化））定义：将钢加热到到Ａc3（（或Ａcm）以上的的某温度，，完全Ａ化化后，保温温，空冷以以得到珠光光体类型的的组织，称称为正火。。目的：①改善切削削加工性能能：②消除热加加工缺陷；；③普通结构构件：要求求不高，可可以作为最最终热处理理来应用；；适用钢种：：碳钢，低、、中合金钢钢；工艺参数：：加热温度：：Ａc3（或或Ａcm））＋30～～50℃对一些合金金钢，Ａc3＋100～150℃；原则：晶粒粒不粗化的的前提；加热时间：：工件烧透，，采用经验验公式即可可，与成分分、原始组织、、装炉量和和加热设备备。冷却：空冷、风冷冷、正火后的组组织：①含碳量＜＜0.6％％Ｃ：Ｐ＋＋少量Ｆ；；②含碳量在在0.6～～1.4％％Ｃ之间：：Ｐ正火的实质质：奥氏体化加加伪共析转转变；正火与退火火的比较：：实质上：正正火是退火火的一个特特例；共同点：ＡＡ→Ｐ；扩扩散型相变变，得到软软韧组织不同点：工工艺上，组组织上，性性能上；正火的应用用改善钢的切切削加工性性（含碳低于于0.25%的---HB140-190）；；消除过共析析钢的网状状碳化物，，为球化退退火作准备备（抑制二次次碳化物的的析出，获获得伪共析析体。）消除热加工工缺陷（中碳结构构钢铸、锻锻、轧件、、焊接件的的魏氏组织织、粗大晶晶粒、带状状组织）提高普通结结构件的机机械性能18退火和正火火的选取原原则（１）Ｗｃｃ＜0.25％的低低碳钢，采采用正火，，利于切削削加工；防防止游离三三次渗碳体体的析出，，提高工件件的冷变形形性。（２）Ｗｃｃ＝0.25～0.5％的中中碳钢，也也采用正火火，因成本本低；（３）Ｗｃｃ＝０.5～０.75%的中中高碳钢，，一般采用用完全退火火；（４）Ｗｃｃ＞０.75%的的高碳钢钢，一般采采用球化退退火，便于于降低硬度度，改善切切削加工性性。（5））含碳量、、合金元素素高，奥氏氏体稳定高高，缓冷得得到马氏体体和贝氏体体，应高温温回火。§３－3钢钢的淬火火定义：将钢加热到到临界点（（Ａc3或Ａc1）以上的某某温度，保保温后以大大于临界冷冷却速度的的冷速冷却却以获得马马氏体（或或下贝氏体体）组织的的热处理工工艺叫做淬淬火。目的：强硬化；工艺特点：关键：加热热温度、冷冷速足够大大；带来的问题题：内应力力；1、淬火应力1)热应力：工件加热或或冷却时由由于内外温温差导致热热胀冷缩不不一致而产产生的内应应力。将工件加热热到Ac1以下保温温后快冷，，其表面和和心部温度度及热应力力。影响因素:冷速、加热热温度、截截面尺寸、、导热系数数、线膨胀胀系数。2)组织应力力工件在冷冷却过程程中，由由于内外外温差造造成组织织转变不不同时，，引起内内外比容容的不同同变化，，而产生生的内应应力。奥氏体--珠光光体--贝氏体体--马马氏体，，比容逐逐渐增大大，体积积膨胀。。与热应力力正好相相反。表表面：压压—拉影响因素素：化学成分分、冶金金质量、、钢件结结构尺寸寸、导热热性、冷冷速、淬淬透性等等。3)实际工件件的淬火火应力组织应力力和热应应力的迭迭加，很很复杂。。与钢中的的碳和合合金元素素、工件件尺寸、、淬淬火介质质、冷却却方法有有关；C%高，，马氏体体的比容容提高，，组织应应力提高高；C%高，，Ms点点下降，，组织应应力下降降。总之之，含碳碳量越高高，组织织应力越越大。合金元素素：导热性下下降，热热、组应应力均增增加。奥奥氏体越越稳定，，组织应应力越大大。工件尺寸寸：大，心部部不易得得到M，，热应力力越大。。淬火介质质：高温区冷冷却快，，热应力力大；Ms点冷冷却却快，组组织应力力大。减小工件件淬火应应力的方方法：温温差差减小。。2、淬火加热热温度：：原则：得到均匀匀细小的的Ａ组织织，以便便冷却后后得到均均匀细小小的马氏氏体组织织；亚共析钢钢：Ａc3＋＋30～～50℃℃共析、过过共析钢钢：Ａc1＋＋30～～50℃℃合金钢:低合金钢钢：Ａc1或ＡＡc3+50～100℃℃；高高合金金钢：温温度更高高；（考虑合合金元素素的作用用，淬火火加热温温度应相相应提高高，以使使合金元元素的作作用充分分发挥））亚共析钢钢组织:细小板条条M+少量残残余奥氏氏体；过共析钢钢组织:隐晶M＋＋细小小碳化物物＋残余奥奥氏体淬火加热热温度选选取原因：①若亚共共析钢于于Ａc3以下温温度淬火火，在淬淬火组织织中将出出现铁素素体，造造成软点点；也不不能超过过Ac3太多，，否则ＡＡ晶粒粗粗大。②若过共共析钢于于Ａcm以上温温度淬火火，奥氏氏体的含含碳量提提高，Ms和Mf点降降低，将将使残余余奥氏体体量增加加，导致致淬硬性性的降低低；同时时，Ａ粗粗化，将将会在淬淬火组织织中出现现粗大的片状高高碳孪晶晶马氏体体，增加加钢的脆脆性。例：球状珠光光体的T8钢分分别在600℃℃、780℃℃、1000℃淬淬火：4、淬火冷却却介质对淬火介介质的要要求：①冷速大大于临界界淬火速速度；②理想的的冷速；；③无毒、、无公害害；④价格便便宜、性性能稳定定；慢650℃→快快→慢400℃℃;图为理想想淬火介介质冷却却曲线。。3、淬火火加热时时间：原则：保证零件件内外达达到规定定的温度度，完成组织织转变；；26常用冷却却介质：：表10-1所示示：①水：中-慢，，低-快快。使用温度度：＜３３０℃；；适用于：：尺寸不不大，形形状简单单的碳钢钢工件②盐水、碱碱水：中-快，，低-快快。使用温度度：＜６６０℃；；适用于：：碳钢、、低合金金钢；③油：中-慢，，低-慢慢使用温度度：＜８８０℃；；适用于：：合金钢钢；④低温硝盐盐：50%KNO3+50%NaNO2;熔点：145℃℃；使用用温度：：160~500℃;适用于：油淬淬不硬，水淬淬开裂的碳钢钢；５、常用淬火火方法单液淬火法：：图①适用：形状简单、尺尺寸较大的工工件；优点：简便、易于实实现机械化；；缺点：易变形、开裂裂；预冷淬火法双液淬火法（水淬油冷））：图②优点：减少变形；缺点：难以控制；分级淬火法：：冷却介质为低低温盐浴、碱碱浴.图③适用：尺寸较小，形形状复杂的工工件；优点：减小内应力，，减小变形、、开裂；缺点：工件尺寸不能能太大；29等温淬火法：：在ＭＳ点以上一定温温度等温一定定时间，获得得下贝氏体的的操作。图④等温温度：ＭＳ～ＭＳ＋３０℃；等温时间：根据Ｃ曲线确确定；优点：变形小，不开开裂，可不回回火；适用：尺寸小，薄厚厚不均，要求求强度高、韧性好的工件件；６、、钢钢的的淬淬透透性性：：如图图１１００－－６６1)淬淬透透性性概概念念：：钢在在淬淬火火时时获获得得马马氏氏体体的的能能力力大大小小，，一一般般用用在在一一定定的的条条件件下下淬淬火火获获得得的的淬淬透透层层深深度度来来表表示示。。淬透透层层（（淬淬硬硬层层））：冷冷却却速速度度大大于于临临界界淬淬火火速速度度，，淬淬成成马马氏氏体体的的部部分分；；淬透透层层的的确确定定：由由表表面面到到５５００％％ＭＭ（（半半马马氏氏体体））处处的的厚厚度度；；原因因如图图钢中中半半马马氏氏体体的的硬硬度度主主要要取取决决于于含含碳碳量量，，如图图影响响淬淬硬硬层层深深度度的的因因素素：ａ、、成成分分ｂｂ、、介介质质的的冷冷却却能能力力ｃｃ、、工工件件尺尺寸寸2)影影响响淬淬透透性性的的因因素素：：过冷冷奥奥氏氏体体的的稳稳定定性性；；注意意:淬透透性性与与淬淬透透层层深深度度的的区区别别：淬透透性性是是钢钢的的固固有有属属性性，，钢钢的的成成分分一一定定，，则则钢钢的淬淬透透性性就就定定了了。。淬淬透透层层深深度度（（工工件件表表面面到到半半马氏体体区的的距离离）与与具体体条件件有关关；注意:淬硬硬性与与淬透透性的的区别别：淬硬性性：钢淬火火时，，获得得的ＭＭ的最最高硬硬度（（钢淬火时时的硬硬化能能力））；取取决于于M中中的含含碳量量3)淬淬透性性的测测定方方法临界淬淬火直直径法法：是指钢钢在某某种淬淬火介介质中中能完完全淬淬透（（心部部马氏氏体的的体积积分数数为50%或90%、95%）的的最大大直径径（Dc））。Dc越越大，，钢的的淬透透性越越好。。条件件是淬淬火介介质相相同。。Dc油＜Dc水-------，但但-----概念直直观，，但测测定费费时费费力。。意义：：选择择钢种种、热热处理理工艺艺、淬淬火介介质。。末端淬淬火法法奥氏体体化后后，迅迅速放放入实实验装装置。。水温温20-30℃℃，水水柱高高为65±±5mm，，两侧侧各磨磨去0.2-0.5mm，隔隔1.5mm。。38根据淬淬透性性曲线线，通通常用用J（（HRC/ｄ））表示示钢的的淬透透性，，例如如，ＪＪ（40/6））表示示在淬淬透性性带上上距末末端6ｍｍｍ处的的硬度度为HRC40。钢的淬透透性对机机械性能能的影响响：淬透的钢钢回火后后性能由由表面到到心部都都一致；；没淬透的的钢，回回火到与与①同一一硬度时时，表心心组织不不同，性性能不同同，心部部的强度度和韧性性低；选材时应应注意：：淬透性性、变形形、开裂裂。39§３－4钢的的回火定义：将淬火钢钢加热到到Ａ１以以下某温温度，使使其转变变为稳定定的回火火组织，，并以适适当的方方式（空空冷）冷冷却到室室温的热热处理工工艺过程程称为回回火。类型：低温回火火、中中温回火火、高高温回火火１、低温温回火：：回火温度度：150～～250℃的回回火；回火组织织：回火马氏氏体性能特点点：保持马氏氏体的高高硬度和和高耐磨磨性，适当的提提高了韧韧性；适用：刃具、、量具高频表面淬火的工件。

特点：较高的硬度和强度２、中温温回火：：回火温度度：３５０～～５５００℃回火组织织：回火屈氏氏体性能特点点：高的弹性性极限适用：弹性元件件的热处处理３、高温温回火：：回火温度度：500～～6５0℃回火组织织：回火索氏氏体性能特点点：综合机机械性能能优良适用：各种轴类类、连杆杆、连杆杆螺栓、、汽车半半轴、机机床主主轴及齿齿轮的热热处理；；调质处理理：淬火火＋高温温回火；；43４、工艺艺参数：：回火时间间：１～２２ｈ；如如图１００－１１１所示；；回火冷却却：空冷（（对于存存在高温温回脆的的工件：：空冷→水水冷、油油冷→低低温回火火）回火温度度：所要求的的硬度越越高，回回火温度度越低；；高合金钢钢在600-680℃℃软化化退火。。三、淬火火加热的的缺陷１、过热热：概念：加热温度度过高、、保温时时间过长长，造成成的粗大大的晶粒粒组织；；危害：①淬火裂裂纹；②②Ｍ体粗粗大；补救办法法：延长回火火时间（（轻）；；退火后后重新加加热淬火火（严重重）２、过烧烧：概念：加热温度度过高造造成Ａ的的局部晶晶界熔化化现象。。危害：设备失灵灵…只能能报废：：３、氧化化：概念：工件表面面与O2、H2O、CO2等反应生生成了氧氧化铁铁，使金金属铁被被损失掉掉；加热温度度570℃℃，Fe3O4致密;570℃℃，FeO松松散。危害：尺寸、性性能不均均、光洁洁度防止：低温短时时加热；；盐浴加加热、保保护气氛氛加热或或刷涂料料；４、脱碳碳：概念：工件表面面的碳参参与反应应而烧损损；Cγ-Fe+O2=CO2，Cγ-Fe+CO2=2COCγ-Fe+H2O=CO+H2，Cγ-Fe+2H2=CH4危害：硬度、耐磨磨性、疲劳性性。防止：改变炉内气氛氛（碳势）；；保护加热或刷涂料。。§３－5其其它类型的热热处理一、钢的形变变热处理定义：将塑性变形和和热处理有机机的结合在一一起的一种复复合热处理工工艺优点：强、塑、韧韧、节能分类：高温形变热处处理、低温形形变热处理：：491、高温形变变热处理性能：强度高，塑塑性、低温温韧性都提高高适用：普通碳钢、低低合金钢强韧化原因：：２、低温形变变热处理适用：合金钢性能：提高抗拉强度度和疲劳强度度强化原因：晶粒、亚晶细细化、K细小小、孪晶减少少。缺点：工艺难二、钢的表面面淬火概念：将工件表面快快速加热到淬淬火温度，迅迅速冷却后，，使工件表面面层获得淬火火组织的热处处理方法。目的：表硬心韧；种类：感应加热表面面淬火火焰加热表面面淬火电解液加热表表面淬火电接触加热表表面淬火激光加热表面面淬火１、感应加热热表面淬火概念:利用电磁感应应现象，在工工件表面产生生密度很高感感生电流，使使工件表面迅迅速被加热的的一种淬火方方法。一般,电流的的频率越高，，加热深度就就越小，加热热速度越快。。种类:１）高频加热表面面淬火电流频率：80～1000KHz，，硬化层深度：0.5～２２mm；适用：中小模数齿轮轮、小轴２）中频加热表面面淬火电流频率：2500～8000Hz；硬化层深度：：3～6mm；；适用：曲轴、凸轮轴轴、大模数齿齿轮、钢轨３）工频加热表面面淬火电流频率：50Hz；；硬化层深度:10～15mm适用：大直径钢材、、大工件。54特点:１）加热速度度快;２）工件表面面形成隐晶马马氏体，压应应力，有利于于疲劳寿命的的提高;３）硬度、耐耐磨性比普通通淬火的耐磨磨性高;４）不易产生生氧化和脱碳碳，变形小；；５）生产率高高，易于实现现自动化生产产。6）设备费费用高。工艺：淬火加热温度度：AC3＋（150～～200℃）），不保温冷却：喷水；低温回火：150～180℃，降应应力。预处理：对于心部性能能要求高的零零件:调质处处理;对于心部性能能要求不高的的零件:正火火处理；适用：中碳钢、中碳碳合金结构钢钢；三、钢的化学学热处理定义：将工件放入某某种化学介质质中，通过加加热、保温和和冷却使介质质中的某些元元素的原子扩扩散到表层中中，以改变表表层的化学成成分和组织，，从而使其表表层具有与心心部不同的特特殊性能的一一种操作。优点：可获得表硬心心韧的性能；；分类：根据渗入元素素的不同，可可分为渗碳、、渗氮、碳氮氮共渗等；基本操作：①将工件加热热到一定温度度，从而有利利于吸收渗渗入元素的““活性原子””；②由化合物分分解或离子转转变而得到渗渗入元素的““活性原子””；例如：渗渗碳CO、CH4分解出[C]；渗氮氨气气分解出[N]。③活性原子被被吸附，并溶溶入工件表面面，形成固溶溶体，在活性性原子的浓度度很高时，还还可以形成化化合物；④渗入原子在在一定温度下下，由表层向向内扩散，形形成一定的扩扩散层；1、钢的渗碳：定义：向钢的表面层层渗入碳原子子的过程。目的：使工件在热处处理后表面具具有高硬度和和高耐磨性，，而心部仍保保持一定的强强度和较高的的塑性和韧性性；分类：气体渗碳法、、固体渗碳法法、液体渗碳碳法；适用:低碳钢；；1.1气体体渗碳法：将工件置于于密封的加热热炉中，通入入气体渗碳剂剂（如：滴入入煤油、通入入甲烷、丙烷烷等），在900~950℃加热，，保温、使钢钢件表面层增增碳的过程；；1.1.1气气相反应：：CH4→[C]+2H2；2CO→[C]+CO2；CO+H2→[C]+H2O；活性碳原子溶溶入高温奥氏氏体中，而后后向钢的内部部扩散，实现现渗碳；1.1.2工工艺参数数：加热温度：Ac3以上50~80℃，即900~950℃，T↑↑→渗碳速度度↑→渗碳层层↑；但温度过高，，会使钢件中中的晶粒长大大，使钢变脆脆；保温时间：所需的渗碳层层↑→渗碳时时间↑；1.1.3渗渗碳后的组组织:低碳钢渗碳后后缓冷：表面层：P+Fe3CⅡ；（渗碳后表表层的最佳