第3章钢的热处理工艺

钢的普通热处理：退火、正火、淬火和回火钢的表面热处理表面淬火：火焰加热、感应加热、激光加热表面化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等钢的特种热处理：真空热处理、可控气氛热处理、形变热处理等第3章钢的热处理工艺1重要零部件的工艺路线:铸造（或锻造）退火(或正火)粗加工淬火回火精加工成品退火与正火冷却速度较慢，主要用来改善材料工艺性能，消除残余应力、改善组织、细化晶粒，调整硬度、改善切削性能等——预备热处理获得优异的综合力学性能——最终热处理23.1钢的退火与正火

3.1.1钢的退火一）定义:

把零件加温到临界温度以上30-50℃，保温一段时间，然后随炉冷却的热处理工艺。

二）目的:

消除应力，降低硬度，细化晶粒，均匀成分和组织，提高力学性能或为最终热处理作组织准备。

3三）分类退火重结晶退火低温退火完全退火扩散退火球化退火再结晶退火去应力退火普通退火等温退火普通球化退火等温球化退火往复球化退火4四）工艺参数:5（1）完全退火A）工艺：

Ac3+（20~30℃），保温后随炉缓慢冷却到500-600℃以下后在空气中继续冷却

。B）特点：

加热过程中获得完全的奥氏体组织，冷却后组织接近平衡组织。C）目的：

细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善切削加工性能。D）适用范围：

用于亚共析成分的碳钢及合金钢的铸件、锻件以及热轧型材。Ac3Ac1完全退火炉冷空冷6（2）等温退火A）工艺：

Ac3+（20~30℃），保温后快冷到Ar1之下某一温度等温，使A在恒温下转变为P，然后出炉空冷。B）特点：

转变在恒温下进行，组织均匀，可大大缩短退火时间。C）目的：

同完全退火。D）适用范围：用于降低硬度的碳钢及合金钢。500℃以下空冷Ac3Ac1炉冷完全退火等温退火Ar17（3）球化退火A）工艺：

Ac1+（20~30℃），保温2-4h后随炉缓冷至600℃以下出炉空冷。B）特点：加热过程中片状渗碳体发生不完全溶解而断开，形成细小渗碳体，冷却过程中以球粒状析出弥散分布在铁素体基体上。C）目的：

使热轧、锻造空冷后组织中的网状二次渗碳体和珠光体中片层状的渗碳体球化，降低硬度，改善切削性能，并为后续的淬火做好组织准备。D）适用范围：

过共析钢、合金工具钢。Ac3Ac1完全退火等温退火球化退火8（4）扩散退火（均匀化退火）A）工艺：是将钢加热到略低于固相线的温度，长时间保温（10~20h）并缓冷，使化学成分和组织均匀化的退火工艺。B）特点：加热温度高，保温时间长。C）目的：消除晶内偏析，使成分均匀化，其实质就是使合金元素的原子充分扩散。D）适用范围：合金钢铸铁和铸锭。后续处理：保温10～20h退火后晶粒较粗大，一般还须进行完全退火或正火处理。9扩散退火工艺10（5）去应力退火A）工艺：

A1以下某一温度（400~500℃），保温后随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。B）特点：低温退火，无组织变化。C）目的：

消除铸、锻、焊件等的残余应力。D）适用范围：所有碳钢。Ac3Ac1完全退火等温退火去应力退火球化退火11（6）再结晶退火A）工艺：将钢加热到再结晶温度以上150~250℃（650-700℃），保温1-3h后缓慢冷却。B）目的：消除加工硬化，降低硬度，提高塑性、韧性，改善切削加工性和压延成型性能。C）适用范围：冷变形加工制品。12共析钢球化退火组织(化染)700五）热处理后的组织13T10钢球化退火组织（化染）500143.1.2钢的正火一）定义:

将钢加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上30-50℃，保温一段时间，完全奥氏体化，然后在空气中冷却，以得到P类型组织的热处理工艺。

二）目的:

消除应力，调整硬度，细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。15三）工艺参数16四）热处理后的组织

S（Wc=0.6～1.4%）S+F（Wc＜0.6%）五）正火的主要应用

（1）作为最终热处理正火可以细化晶粒，均匀化组织，减少亚共析钢中的铁素体含量，从而增加珠光体含量；由于冷却较快，正火组织中珠光体片层较细，提高了钢的强度和硬度。因此，对于机械性能要求不高的普通结构钢零件，可以用正火作为最终热处理。17（2）作为预备热处理

可消除中碳结构钢铸、锻、焊等热加工产生的组织缺陷，细化晶粒，均匀化组织，消除内应力，为后序热处理作组织准备。对过共析钢正火可消除或抑制网状二次渗碳体量的形成，为球化退火作组织准备。如：T12钢退火组织中的Fe3CⅡ网（连续网），球化退火前必须先进行正火以消除Fe3CⅡ网，得到片层状P然后再进行球化退火。18（3）改善切削加工性一般来说，钢的硬度为170~230HB，组织中无大块铁素体时，切削加工性较好。对于低、中碳结构，正火可得到合适的硬度，改善切削加工性。191）由于冷却速度较退火快，所得组织比退火时要细；2）正火后的零件的强度和硬度比退火时高，且含碳量越高，差别越大；3）低碳钢经正火处理后的强度与硬度，与退火处理的差别不多，但正火处理是在炉外进行，不占用设备，生产率高，所以低碳钢多采用正火代替退火处理。4）中碳钢的正火可替代调质处理，为高频淬火作准备。5）高碳钢可消除网状渗碳体，为球化退火做准备。六）正火与退火的对比203.2钢的淬火3.2.1淬火及其目的一）淬火的定义

把零件加温到临界温度以上30～50℃，保温一段时间，然后快速冷却使A转变为M的热处理工艺。

二）淬火的目的（淬火+回火）

淬火的目在于提高材料的强度、硬度和耐磨性，与回火配合后可赋予工件最终的使用性能。1.提高强度、硬度和耐磨性—采用淬火＋低回组织为M回＋ε-碳化物，用于各种工模具。2.提高弹性—采用淬火＋中回；组织为T回火（α+θ），用于各种弹簧。3.提高综合性能－采用淬火＋高回；组织为S回火（α+θ），用于各种轴类。213.2.2淬火工艺（1）淬火加热温度22亚共析钢：TA＝Ac3＋（30～50℃）T过高晶粒粗大；T过低欠热，有自由F硬度不足。过共析钢：TA＝Ac1＋（30～50℃）（1）T过高，碳化物溶解，M片％↑易于变形和开裂；（2）选择TA＝Ac1＋（30～50℃）温度加热保留部分未熔碳化物，以提高钢的硬度与耐磨性，同时由于降低了A中的C含量，使基体的C％↓，使M条％↑，b↑，δ↑、αk↑。合金钢：奥氏体化温度可以适当升高。因为大多数合金元素都能阻碍A晶粒的长大，使A化温度升高。如：W18Cr4V钢，AC1＝860～880℃，TA=1280℃，晶粒度为9级。23（2）淬火保温时间

淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。

（a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；（b）零件尺寸越大，保温时间越长；（c）生产中常根据热处理手册中的经验公式确定保温时间。24理想冷却速度理想冷却速度：1）在A1～650℃之间慢冷，以↓热应力；2）在650～400℃之间快冷，以避开“鼻尖”防发生非M相变；3）在400℃以下慢冷，以↓组织应力。（3）淬火冷却介质25常用淬火介质介绍1．自来水（30℃以下）

冷却特性：在650-550℃冷却能力大、在Ms附近点冷速极快，淬硬能力较强。

应用：自来水主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件淬火，且组织应力较大。

优点：经济、便宜、易于实现自动化。2．盐水（10％～15％NaCl（或NaOH，Na2CO3)水溶液、30℃）

冷却特性：在650～300℃时冷速是自来水的10倍；在200℃时仍然很快。

应用：用于水淬不透的形状简单的碳素钢。结论：碳素钢一般采用水冷或盐水冷却。

263.油—20#机油，60～80℃

冷却特性：600～550℃及200℃时冷却速度低于水；

缺点：１）淬硬能力低；２）易于老化。

应用：合金钢淬火（因合金钢的C曲线靠右，vc较小）

4.盐浴和碱浴盐浴和碱浴（由溶融的NaNO3+KNO3，KOH+NaOH，KCl+NaCl+BaCl2等组成）主要用作等温淬火、分级淬火的冷却介质。273.2.3淬火方法1-单液淬火

指在一种淬火介质中冷却到底的工艺。优点：单液淬火法操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点：单液淬火组织应力、热应力都较大，淬火变形较大。水淬变形开裂倾向大，油淬冷却能力低，大件淬不硬。不同淬火法示意图1－单液淬火2－双液淬火3－分级淬火4－等温淬火28将奥氏体化后的工件先在一种冷却能力较强的介质中冷却，避免珠光体转变，当工件冷至300℃左右时，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却发生马氏体转变。目的：在650℃～Ms之间快冷：使v＞vＫ

在Ms以下慢冷以↓组织应力。碳钢：先水淬后油冷；合金钢：先油后空气。优点：淬火应力小，减少了变形和开裂的可能性。缺点：在水中停留的时间不易控制，对操作技术要求较高。2-双液淬火29先将奥氏体化后的工件淬入温度稍高于Ms点的盐浴（或碱浴）中，保温适当的时间，待工件内外都达到介质温度，在奥氏体转变前取出空冷完成马氏体转变。

分级淬火是在空冷中发生M相变的，内应力小。

3-分级淬火30指在B温度区域等温，发生B下转变。内应力↓↓，变形小。不同淬火方法产生的内应力大小为：单液淬火应力

>双液淬火

>分级淬火

>等温淬火（应力最小）4-等温淬火不同淬火法示意图1－单液淬火2－双液淬火3－分级淬火4－等温淬火31其它淬火5.局部淬火6.冷处理用干冰（固态CO2）和酒精混合获得-70~-80℃的低温，也可使用液化乙烯（-130℃）或液氮（-192℃）等介质——提高硬度、耐磨性，稳定尺寸，但应力较大，应注意及时回火。

32钢淬透性——指钢在淬火时获得马氏体的能力。

淬透层深度（δ）

表层（100％M）至半M层（50％M）的深度。淬透层深度（δ）越大，钢的淬透性越好。淬透性与淬硬层深度关系：在尺寸、形状均相同的条件下，淬透性大的钢，淬硬层深度越深。3.2.4钢的淬透性33

钢的淬透性主要取决于钢的临界淬火速度大小，与工件尺寸、淬火介质无关。钢的临界淬火速度越小，C曲线越靠右，钢的淬透性越好。因此凡能提高过冷A稳定性，使C曲线右移，从而降低临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性。（1）碳含量

在正常加热条件下，亚共析钢的C曲线随碳含量的增加向右移，临界冷却速度降低，淬透性增大；过共析钢的C曲线随碳含量的增加向左移，临界冷却速度增大，淬透性降低。（2）合金元素

除Co和Al以外，大多数合金元素溶入奥氏体后均使C曲线向右移，降低临界冷却速度，提高钢的淬透性。（1）影响淬透性的因素34（3）加热条件

提高加热温度或延长保温时间一方面可使更多的合金元素溶入奥氏体；同时使奥氏体晶粒长大，成分均匀化，从而减少了形核率，二者都能稳定过冷奥氏体，使C曲线向右移，提高钢的淬透性。（4）钢中未溶第二相

未溶入奥氏体的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，由于能促进奥氏体转变产物的形核，减少过冷奥氏体的稳定性，使淬透性降低。35（2）钢的淬硬性

钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度称为钢的淬硬性。钢的淬硬性主要取决于马氏体中的碳含量，也就是淬火前奥氏体中碳含量，碳含量越高，淬硬性越好。淬硬性与钢的淬透性是两个不同的概念。36（3）淬透性的实际应用1、大截面零件或动载荷下工作应选高淬透性钢。2.形状复杂的或形状简单，尺寸较大的零件应选高淬透性钢。3.焊接零件应选低淬透性钢。37（4）淬透性的测量方法端淬试验示意图标准：BG/T226-1988《钢的淬透性末端淬火试验方法》钢的淬透性用JHRC/d表示，其中d表示淬透性曲线上测试点至水冷端的距离（mm），HRC为该处的硬度值。J表示末端淬透性3839生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。403.3钢的回火

定义：回火是将淬火钢加热到Al以下某一温度，经保温适当时间后冷却到室温的热处理工艺。

回火目的：１）淬火得到的淬火马氏体组织很脆，存在较大的内应力，容易产生变形和开裂。２）淬火马氏体和残余奥氏体都是亚稳定组织，在适当条件下有可能分解，导致零件形状、尺寸和使用性能的变化。３）为获得要求的强度、硬度、塑性和韧性。因此淬火钢一般不直接使用，必须进行回火。413.3.1回火的分类和应用根据回火温度对淬火钢力学性能的要求，一般将回火分为三类：

回火组织：回火M，硬度可到58~64HRC

目的：是在保证淬火后工件的高硬度、高耐磨性的基础上，降低淬火应力，提高工件韧性。

应用：处理各种切削刀具、冷作模具、量具、滚动轴承、表面淬火件及渗碳件等。

（1）低温回火（150~250℃）42回火针片状马氏体回火隐晶马氏体43回火组织：

回火屈氏体（T回），硬度一般为35~45HRC。

金相形态：Fe3C呈微细粒状弥散分布在F基体上。

目的：使钢件具有高的弹性极限，屈服极限和一定的韧性。

应用：各种弹簧。如：60Si2Mn、65Mn、60、65、85钢。

（2）中温回火（350～500℃）44组织：回火索氏体（S回），硬度一般为25-35HRC。

金相形态：在F基体上均匀分布细粒状Fe3C。

性能：较高的强度和硬度，良好的塑性和韧性。即具有良好的综合机械性能。

应用：应用于各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如各种轴类、连杆、齿轮、螺栓等。如：40Cr、45、40CrNiMo钢等。45钢调质处理得到回火索氏体：Fe3C呈细粒状分布在F基体上。45钢正火得到索氏体：Fe3C呈细片状分布在F基体上。两者性能截然不同。其组织、性能比较如下表：（3）高温回火（500～650℃）45回火索氏体组织45钢（20～40mm）调质和正火组织及机械性能比较由此表可以看出：45钢调质处理的性能比正火后性能综合机械性能好，不仅强度高，塑性、韧性也较好。463.3.2回火保温时间回火保温时间应保证工件热透，同时保证组织转变充分进行。回火保温时间一般可参考以下公式确定：tk=Kh+AhD式中：tK——回火保温时间，min；Kh——回火保温时间基数，min；Ah——回火保温时间系数，min/mm；D——工件有效厚度，mm473.3.3回火后的冷却一般在空气中冷却；对于一些重要的机器零件，为了防止重新产生内应力，变形和开裂，通常采用缓慢冷却的方式；对于具有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。483.3.4淬火、回火时常见的工艺缺陷1.氧化和脱碳2.变形与开裂3.硬度不足与软点4.过热与过烧过热是指晶粒过分长大，致使零件力学性能明显降低的现象。过烧是指组织中沿晶界产生了氧化或熔化的现象。若加热温度过高或保温时间过长，将引起零件过热或过烧现象。零件一且产生过烧即成为废品。49工业中如齿轮、凸轮、曲轴等对性能的要求为：表面高硬度、高强度及好的耐磨性，而心部高韧性，对这类零件需要进行表面热处理。表面淬火仅对钢的表面快速加热、冷却，把表层淬成马氏体，心部组织不变的热处理工艺。3.4.1.1感应加热表面淬火在感应圈内通一交变电流，于是在感应圈内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中便产生感生电流，感应电流在工件内自成回路（涡流），由电能转变成热能，使工件表面快速加热，随后喷水快速冷却就达到了表面淬火的目的。3.4钢的表面热处理50集肤效应：感应加热时，感生电流集中在工件表面的一种效应。感生电流的频率（f）越大集肤效应越强，电流透入深度越浅，淬透层越浅。碳钢淬硬层深度与电流频率的关系：=500/f0.51.淬透层深度δ=0.5～2mm时，选高频加热f=80~1000kHz。2.淬透层深度δ=3～6mm时，

选中频加热f=2500~8000Hz。3.淬透层深度δ=10～15mm时，选工频加热f=50Hz。感应加热表面淬火示意图51（1）加热速度极快，使Ac3↑↑，短时获得高温，从而使ΔT↑↑，达到细化晶粒的目的。（2）由于晶粒细小，得到隐晶M，强化了组织。（3）较高的表面残余压应力，可提高工件的疲劳强度并降低缺口敏感性。（4）氧化和脱碳少，而且由于心部未被加热，淬火变形小。（5）加热温度和淬硬层厚度易于控制，便于实现机械化和自动化。案例：如：机床主轴，承受较大载荷，要求具有良好的综合力学性能，而且轴颈要求耐磨，硬度要求50～55HRC。可选45钢整体调质，然后轴颈进行表面淬火+低温回火处理。调质处理即满足整体性能要求，局部表面淬火又满足了轴颈的硬度要求。感应加热表面淬火的特点52感应加热表面淬火前、后的热处理淬火前一般要进行预先热处理，为表面淬火作组织准备，并可获得最终的心部组织。当心部性能要求不高时，一般采用正火；而重要零件如齿轮等，一般采用调质作为预先热处理。淬火后零件要进行低温回火（180~200℃），以减小淬火应力。回火后组织：表层为回火马氏体，心部仍为预先热处理组织。感应加热表面淬火零件的典型加工工艺路线为：锻造正火或退火粗机加工调质精机加工感应加热表面淬火低温回火精磨533.4.1.2火焰加热表面淬火1）火焰加热表面淬火的基本方法542）火焰加热表面淬火的特点:*设备简单,操作方便,成本低。*淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。553.4.2化学热处理一）化学热处理概述对于某些齿轮类零件，如汽车变速箱齿轮，内燃机凸轮等在工作中承受强烈的摩擦磨损，和较大的交变载荷，冲击载荷。要求表面高硬度、高耐磨和高的接触疲劳强度，一定的韧性；心部具有高的韧性和足够高的强度。对这类材料需要进行表面化学热处理。化学热处理是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。56二）化学热处理的基本过程:2.吸收:活性原子被零件表面吸收溶解。3.扩散:活性原子由零件表面向内部扩散，形成一定的扩散层。1.分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。CH42H2+[C]2NH33H2+2[N]573.4.2.1渗碳定义：将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺。目的：通过渗碳及随后的淬火+低温回火，使表面获得高碳回火M，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火M或S，具有一定的强度和良好的韧性配合。用钢：低碳钢和低碳合金钢如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMo等。方法：固体、气体、液体渗碳，目前广泛应用的是气体渗碳法。58零件渗碳剂试棒盖泥封渗碳箱固体渗剂：木炭+碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）（1）渗碳方法固体渗碳法示意图59气体渗碳法示意图在井式渗碳炉中滴入煤油，煤油在高温下裂解渗碳性介质－甲烷气体（CH4）和CO气体及氢气，该气体在钢的表面分解出活性碳原子-[C]，在较高温度进入钢的表面。CH4→[C]+2H22CO→[C]＋CO2

60渗碳温度：900～950℃;渗碳时间：根据渗层深度的要求来确定，一般为3～9小时。（2）渗碳后的组织渗碳件表层的碳浓度一般控制在1.0%左右，因此渗碳件缓冷后外层为过共析组织P+Fe3CⅡ，心部为原始低碳亚共析组织F+P，中间为过渡组织。一般规定，从表层到过渡层的一半处的深度为渗层厚度。渗碳温度越高、时间越长，则得到的渗层深度越厚。61渗层组织（渗碳后缓慢冷却，从内层到外层组织）:

原始组织－亚共析层－共析层－过共析层低碳钢缓冷后的显微组织62（3）渗碳后的热处理（1）直接淬火法（１）渗碳后零件出炉直接进入冷却介质淬火。优点：工艺简单、经济、生产率高。缺点：零件在渗碳时经过长期高温加热，奥氏体晶粒容易长大。淬火后M粗大，残余奥氏体较多。另外淬火变形较大。适用：一般只用于本质细晶粒的合金渗碳钢或耐磨性要求比较低和承载能力低的工件。（２）为了减少变形，渗碳后工件预冷到略高于心部Ar3的温度后再淬火。63（2）一次加热淬火法一次淬火法是将工件渗碳后空冷到室温（正火），然后再重新加热淬火。对心部组织性能要求较高的合金渗碳钢工件，淬火加热温度略高于心部的Ac3，目的是使心部晶粒细化，并得到低碳马氏体组织。对于承载不大而表面性能要求较高的工件，加热温度应选用Ac1以上30~50℃，使表层晶粒细化，而心部组织变化不大。64（3）二次加热淬火法二次淬火法，工件渗碳后首先正火，然后再重新加热淬火。第一次淬火加热到Ac3以上30~50℃，细化心部组织。第二次淬火加热到Ac1以上30~50℃，使表面层获得细马氏体和均匀分布的粒状渗碳体组织。二次淬火法工艺复杂，生产周期长，成本高，变形大。二次淬火法适用于表面要求高耐磨性、心部要求良好韧性的零件。65渗碳淬火后热处理及工艺路线渗碳淬火后要在160~180℃进行低温回火，以消除淬火应力，提高韧性。渗碳零件的典型工艺路线一般为：锻造正火机加工渗碳淬火低温回火精磨渗碳层一般按工件轮廓分布，不需渗碳的部位，如内花键部位，可镀铜防渗。66渗碳钢淬火、回火后的性能（1）渗碳件表面为过共析钢，淬火、低温回火后表层组织为回火M、粒状碳化物和少量残余奥氏体混合组织，硬度可达60~62HRC；而心部组织为低碳回火马氏体（淬透时），硬度为30~45HRC，或S或T、F混合组织（未淬透时），硬度为138~185HBS。因此渗碳淬火工件表面硬度高，具有良好的耐磨性，心部具有很好的塑性和韧性。（2）表层形成高碳马氏体时，体积膨胀较大，结果在表面层形成残余压应力，因而提高了工件的疲劳强度。673.4.2.2渗氮定义：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，形成含氮硬化层的化学热处理工艺。目的：提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用渗氮方法：有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。氮化钢：中碳钢、中碳合金钢，一般都采用能形成稳定氮化物的中碳合金钢，如38CrMoAlA、38CrWVAlA等。Al、Cr、Mo、W、V等合金元