第四章金属材料热处理

第四章金属材料热处理

4.1热处理概念、意义及分类一.热处理概念热处理是将金属材料在固态下进行加热、保温、冷却，通过改变其内部组织结构，来改变其性能的工艺二.热处理意义同一种钢经不同热处理工艺可获不同性能，以满足不同用途101三.热处理分类

1.按在工艺路线中的工序位置分零件工艺流程：下料→毛坯成形(锻造)→预备热处理→粗加工→最终热处理→精加工→装配预备热处理：改善加工工艺性，为后续工序作好组织性能准备最终热处理：提高使用性能，延长使用寿命2.按热处理的目的要求和工艺方法分普通热处理：退火、正火、淬火、回火表面热处理：表面淬火、化学热处理其它热处理：形变热处理、超细化热处理1024.2退火与正火

通常作为预备热处理，用于铸、锻、轧、焊后的毛坯件对于不重要或受力小的零件，也可作为最终热处理一.退火加热至预定温度保温后缓慢冷却(炉冷）

103

(一)完全退火亚共析钢,完全A化后缓冷，获接近平衡组织加热:Ac3以上30-50℃冷却:炉冷

目的：(1)降低硬度，改善切削加工性(2)消除残余应力(3)均匀细化晶粒，改善力学性能104

(二)球化退火用于共、过共析钢，使碳化物球化加热:Ac1以上10～30℃冷却:炉冷目的：(1)降低硬度，改善切削加工性(2)提高塑性，减少淬火变形开裂

为保证球化质量，对网状渗碳体严重的钢，应在球化退火前先进行正火消除网状渗碳体105(三)去应力退火缓慢加热至500～650℃保温后炉冷目的:消除内应力，稳定工件尺寸形状，减小变形和开裂倾向

无组织变化106二.正火

钢加热完全A化后，在空气中冷却加热:Ac3或Accm冷却:空冷以上30～50℃

107正火的力学性能优于退火。另外,正火较退火生产周期短，生产率高，操作简单，成本低目的与应用:1.0.15～0.25%C钢改善切削加工性能2.0.3～0.5%C钢:优选正火,简化工艺3.≥1.0%C钢:消除网状Fe3CⅡ，保证球退质量4.普通结构零件：作为最终热处理

1084.3钢的淬火将钢加热至Ac1或Ac3以上保温后，在冷却介质中迅速冷却，以获得M或B下的工艺目的：提高钢的强度、硬度(强化)一.淬火加热温度和时间淬火加热的目的是为了获得均匀、细小的A晶粒，是保证淬火质量的前提(一)加热温度是淬火加热的关键(根据状态图确定)1091.亚共析钢

Ac3以上30-50℃获均匀细小A，淬火后获均匀细小M温度过高：晶粒粗大，变形大温度过低(<AC3)：组织中存在F，降低淬火钢件的强度和硬度

1102.过共析钢Ac1以上30-50℃获均匀细小A+未溶粒状Fe3C，淬火后获均匀细小M+未溶粒状Fe3C，利于提高硬度、耐磨性温度过高：(1)晶粒粗大，脆，变形开裂大(2)未溶Fe3C量减少，淬火后A残量增加，钢的硬度、耐磨性下降111(二)加热时间

包括升温时间和保温时间要求：1.保证完成组织转变，以防出现淬不硬或软点2.防止氧化、脱碳、晶粒粗大要合理，不宜过短或过长二.淬火冷却介质和方法

淬火冷却的目的是获得M或B下组织，是保证淬火质量的关键淬火冷却的关键是冷却速度(根据冷却转变曲线—C曲线)112

对淬火冷却速度的要求：1.保证A充分转变为M或B下—冷却速度>Vk2.避免产生很大的淬火内应力，以减小变形、防止开裂—冷却速度不宜过快理想冷却速度：通过采用不同的冷却介质和冷却方法获得113(一)淬火介质

使零件获得某种冷却速度的介质，即具有一定冷却能力的介质(二)淬火方法1.单介质淬火2.双介质淬火1143.马氏体分级淬火分级主要起均温作用，M在随后的空冷中转变4.下贝氏体等温淬火B下在等温过程中转变，≥0.5%C钢,B下的综合性能优于M，具较高强度、硬度和韧性5.冷处理尽量减少钢中残余A，获得尽可能多M，以提高钢的硬度和耐磨性，并稳定工件尺寸1154.4钢的表面淬火一.概述

承受弯、扭交变载荷及冲击载荷并在摩擦条件下工作的零件，要求表面具有较高强度、硬度、耐磨性、疲劳强度，而心部具有足够塑性和韧性(一)特点仅对工件表层淬火(心部不变)工艺关键：快速加热表层，立即迅速冷却实施结果：表层获M，心部为表淬前组织，实现“外较硬、心较韧”状态116(二)适用材料

0.4～0.5%C钢C%量过高：淬硬表层脆、易开裂，心部塑、韧性也较差C%量过低：淬硬表层硬度、耐磨性不足、心部强度也较低(三)表淬前后热处理1.表淬前调质或正火，提高心部强韧性2.表淬后低温回火，减小表层脆性与内应力117(四)最终组织和性能1.最终组织表层为M回心部S回(调质)或S+F(正火)2.最终性能

表层较高硬度(40～55HRC)、耐磨性、疲劳强度心部良好综合力学性能118二.感应加热表面淬火

(一)基本原理电磁感应电流的集肤效应，使工件表层产生热效应而迅速加热成A，再迅速喷水冷却淬火成M，心部不变

淬硬层深度:＝(500～600/f

电流频率愈高，淬硬层愈薄

119(二)分类1.高频感应加热200～300KHz，淬硬层深0.5～2mm小型轴、中小模数齿轮2.中频感应加热2500Hz～8000Hz，淬硬层深2～10mm大模数齿轮、较大凸轮轴、曲轴3.工频感应加热50Hz，淬硬层深10～15mm轧辊、大型工模具等大尺寸零件120(三)特点

1.优点(1)速度快，生产率高，生产过程易控制(2)晶粒细，硬度高、脆性低(3)工件表面质量好，变形小，氧化脱碳少(4)表面压应力，疲劳强度高(5)适于大批量生产2.不足(1)淬火硬度受钢含C量限制(2)复杂件淬硬层难以沿轮廓均布(3)设备贵,不宜单件生产121三.火焰加热表面淬火

用乙炔—氧等可燃气体火焰加热工件表面A化立即喷水冷却淬硬深度一般为2～8mm，除用于中碳钢外，还可用于铸铁适于单件、小批量处理大型件、复杂形状件或局部表面的表面淬火不足是淬火质量不稳定1224.5钢的回火一.回火目的回火是将淬火钢重新加热到A1以下温度，保温后冷至室温的热处理工艺

零件淬火后必须回火才能使用，且应及时回火(1)降低脆性，减小或消除淬火内应力(2)获得强、硬、塑、韧不同匹配的性能(3)稳定组织性能与形状尺寸123二.回火组织转变钢件淬火后在回火加热保温过程中，组织由不稳定稳定决定组织转变程度的关键是回火加热温度12458～64HRC35～45HRC25～35HRC大都合金元素会减缓回火转变过程，使转变温度提高三.回火性能变化

回火温度升高，强、硬度降低，

塑、韧性升高，300～400℃最大合金元素会减缓回火时的硬度降低过程S回、T回的屈服强度、塑性、韧性均优于A直接分解组织S、T原因：S回、T回中Fe3C为粒状,S、T中Fe3C为片状125四.回火工艺及应用分类应用回火后的组织与性能取决于回火温度，所以回火工艺的关键是回火加热温度在不同温度回火，具不同的强度、硬度、塑性、韧性的配合126

回火最终决定了淬火零件使用态的组织和性能

淬火+高温回火合称调质127五.回火脆性

指淬火钢在某些条件下回火时冲击韧性反而显著下降(脆化)的现象(一)第一类回火脆性淬火钢在300℃左右回火时，冲击韧性明显下降又称不可逆回火脆性或低温回火脆性避免在该温度范围回火128(二)第二类回火脆性含Cr、Ni、Mn的钢淬火后在500～650℃回火后缓冷，冲击韧性明显下降又称可逆回火脆性或高温回火脆性避免产生的方法：(1)回火后快冷(2)钢中加W、Mo(3)提高钢的纯洁度1294.6钢的淬透性一.淬透性概念及影响因素(一)淬透性概念钢淬火时获得M的能力用规定淬火条件下获得的淬硬层深度表示

淬硬层深，淬透性大实际规定淬硬层指:从工件表面至半M区的垂直距离半M区硬度取决于含碳量130(二)淬透性的影响因素

主要是钢的Vk，Vk愈小，淬透性愈好

1.碳素钢中，共析钢淬透性最好

2.合金钢淬透性显著优于碳素钢

淬透性主要取决于合金元素131(三)淬透性与淬硬层深度、淬硬性间的区别

1.淬透性是钢材本身固有的性能，主要取决于钢的Vk，不受工艺条件的影响。它用规定工艺条件下的淬硬层深度表示2.淬透层深度实际工件淬火时获得的淬硬层深度(1)取决于钢的淬透性(2)与工艺条件有关132133

3.淬硬性淬火后能获得的最高硬度，主要取决于M含碳量，含碳量愈高，淬硬性愈高(1)淬硬性不等于实际淬火硬度(2)淬透性好并非淬硬性高二.淬透性的测试方法(一)临界直径法钢在冷却介质中完全淬透的最大直径D0(二)端淬试验法134

钢的淬透性值用表示

如:40Cr钢淬透性,45钢淬透性135三.淬透性与选材的关系(一)淬透性对选材的意义1.淬透性好，可采用较小冷速,变形小2.淬透性好，淬硬层厚，力学性能好136淬硬层深度相同工件尺寸冷却介质相同淬硬层相对愈深，整体力学性能愈高注意:淬透性不等于实际淬硬层深度(二)如何根据淬透性选材1.合理确定钢的淬透性要求

(1)整个截面均匀受载的重要零件(连杆、锻模、锤杆等)，应选淬透性高的钢(2)弹簧类零件要求高屈强比，刃具类工件要求均匀高强度高硬度，应选淬透性高的钢(3)承受弯曲、扭转应力的零件(汽车半轴、机车主轴、发电机转子轴、齿轮等)，可选淬透性较低的钢1372.必须考虑工件的尺寸效应热处理强化效果随零件尺寸增大而下降淬透性好的钢，尺寸效应不明显对要求淬透深度大的大截面工件，必须选用高淬透性材料3.应考虑工件的形状与精度

形状复杂或精度要求高的工件，应选高淬透性钢材，以减缓淬火冷却速度1384.7钢的化学热处理

一.概述(一)工艺工件置于特定化学活性介质中加热、保温，活性原子渗入工件表层，改变表层成分、组织与性能(二)特点1.表层成分变化，性能提高幅度大2.渗层沿工件轮廓均布3.工艺复杂、周期长、成本高(三)目的1.提高工件表层硬度与耐磨性2.获特殊性能(耐蚀、耐热等)139渗碳齿轮二.渗碳

低碳钢置于渗碳介质中加热(900～950℃)保温,活性C原子渗入表层,获高碳渗层仅改变表层C量(心部C量不变)(一)渗碳方法按渗碳介质的工作状态分:★1.气体渗碳(采用煤油、煤气、液化气等);2.液体渗碳;3.固体渗碳(二)渗碳质量保证1.渗碳件原材料含碳量最宜0.1～0.25%C钢，一般≯0.3%C过高，心部韧性降低;过低，心部强度降低140

2.渗碳后表面含碳量0.85～1.05%最宜过低：硬度低，耐磨性差过高：脆，渗层易剥落,淬后A残多，性能差3.渗碳层深度渗碳表面到过渡区一半组织处的厚度渗层深度:一般0.5～2.5mm太薄：耐磨性差，且易引起剥落太厚：抗冲击性能低一般，尺寸大，承受载荷大，磨损大的零件，渗碳层厚些1411424.不需要渗碳部位的处理(1)渗碳前镀铜(2)预留加工余量，渗碳后、淬火前切除渗碳质量主要取决于渗碳气氛、加热温度、保温时间等工艺参数(三)渗后热处理及其组织与性能

渗碳仅改变表层含C量，组织性能不理想1.渗后热处理淬火+低温回火2.处理后表层组织M回+C化物(Fe3C)3.处理后表层性能高硬度(58～64HRC)、高耐磨性(四)应用渗碳热处理件较表淬件的表面更硬更耐磨，心部更韧更耐冲击,用于承受磨损与冲击大的工件，如汽车主轴、汽车变速齿轮等,但渗碳件变形较大，热硬性较低143三.渗氮

工件置于渗N介质中加热(550～570℃)保温，活性N原子渗入表层，获渗N层(一)渗氮工艺广泛应用气体渗氮(采用氨气)温度低，时间长，渗层薄(二)渗氮用钢工件渗氮后的性能主要取决于表面形成的氮化物，故渗氮用钢采用含氮化物形成元素如Cr、Al、Mo、Ti、V等的合金钢如38CrMoAl是典型的合金渗氮钢144(三)渗氮前热处理

调质(或正火)，保证心部强韧性,并保证渗氮层质量表层性能在渗后获得，故渗后无需热处理(四)渗氮件性能与应用1.性能表层—高硬度(850～1000HV)高耐磨性,高热硬性(600℃)高耐蚀性,高疲劳强度心部—具良好综合机械性能工件变形小、精度高1452.不足(1)N化层薄(<0.6～0.7mm)而脆，抗压强度低，不耐冲击,(2)生产周期长，成本高3.应用

用于要求高硬度、高耐磨性和高精度零件，如高精度机床主轴、镗床镗杆、高精度齿轮、精密量具和汽轮机阀门146四.碳氮共渗

在一定温度下同时渗入C、N元素的化学热处理工艺(一)中温碳氮共渗1.共渗工艺在820～860℃进行以渗C为主的C、N共渗(采用煤油和氨气)2.共渗特点兼具渗C、渗N特点(1)共渗温度较渗碳低(2)共渗速度快、时间短，生产率高

147(3)零件变形较渗碳小(4)共渗后经淬火、低温回火处理，表层为含N回火M，硬度较渗C高，达60～65HRC，耐磨性提高，且疲劳强度、耐蚀性较好(5)渗层较渗碳薄,通常<1mm)3.共渗应用常用来代替渗碳处理，用于处理汽车、机床齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销等零件(二)低温氮碳共渗1.共渗工艺在500～570℃对零件表面进行以渗N为主的N、C共渗(采用尿素)，又称软氮化1482.共渗特点

(1)处理时间短,一般1～3h，零件变形很小(2)渗层脆性较低,不易剥落(3)不受钢种限制，碳素钢、合金钢、刃具、模具、铸铁等均可(4)渗层很薄，仅0.01～0.02mm(5)渗层硬度较渗N低，但仍具较高耐磨性、疲劳强度、抗咬合和抗擦伤能力3.共渗应用常用来代替渗氮处理1494.8热处理件结构