第四章钢的热处理及表面强化技术

第4章钢的热处理及表面强化技术

概述1、热处理的定义:钢的热处理是将钢在固态下以适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织和性能的工艺过程。时间温度临界温度热加保温冷却2.热处理的主要目的:改变钢的性能。3.热处理的应用范围:整个制造业。4.按目的、加热条件和特点不同热处理分为热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应加热淬火火焰加热淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;钢加热时的组织转变

钢的表面强化技术钢的最终热处理（一）——淬火与回火钢的最终热处理（二）——表面热处理钢的预备热处理——退火与正火本章要点钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以获得所需的组织和性能的工艺方法。通过适当的热处理，能显著提高钢的力学性能，以满足零件的使用要求和延长零件的使用寿命；能改善钢的加工工艺性能（如切削加工性能、冲压性能等），以提高生产率和加工质量；还能消除钢在加工（如铸造、焊接、切削、冷变形等）过程中产生的残余内应力，以稳定零件的形状和尺寸。钢热处理时的组织转变1．奥氏体的形成过程一、钢加热时奥氏体的形成奥氏体晶核的形成共析钢：P→AA1（PSK）线以上亚共析钢：P+F→A+F→AA3（GS）线以上过共析钢：P+Fe3CII→A+Fe3CII→AAcm（ES）线以上2．奥氏体晶粒大小的控制

钢奥氏体化的加热温度愈高、保温时间愈长，得到的奥氏体晶粒愈粗大，冷却后钢的强度、塑性和韧性愈差，且易引起淬火裂纹。因此，生产中常需合理控制钢的加热温度和保温时间，以获得细晶奥氏体组织。

1、钢在热处理时的冷却方式在热处理生产中，常用的冷却方式：等温冷却和连续冷却。等温冷却转变使加热到奥氏体化的钢以较快的冷却速度冷到A1

以下某温度保温，在等温下发生组织转变。连续冷却转变使加热到奥氏体化的钢连续降温进行组织转变二、奥氏体冷却时的组织转变二、奥氏体冷却时的组织转变2．过冷奥氏体等温转变图3．奥氏体冷却转变的产物（1）珠光体类组织。

（2）贝氏体组织。（3）马氏体组织。4、奥氏体冷却转变的的（过程）组织和性能

1、珠光体型转变—高温转变（A1~550℃）A1~650℃片层珠光体<25HRC650℃~600℃细片状珠光体（索氏体S）25HRC~30HRC600℃~550℃极细片状珠光体（托氏体T）35HRC~40HRC2.贝氏体型(B)转变—中温转变(550℃～MS)根据组织形态和转变温度不同，贝氏体一般可分为上贝氏体和下贝氏体两种550~350℃羽毛状上贝氏体（B上）40~50HRC350~Ms黑色针叶状下贝氏体（B下）45~55HRC与B上比较，B下具有良好的综合力学性能，在生产中常用等温淬火来获得B下组织3、马氏体型(M)转变(Ms～Mf)当奥氏体快速过冷至马氏体点（Ms）以下时则发生马氏体转变。与前两种转变不同，马氏体转变是在一定温度范围内（Ms～Mf之间）连续冷却时完成的三、C曲线的应用

（1）分析奥氏体的等温冷却转变（2）估计奥氏体的连续冷却转变钢的预备热处理——退火与正火1、退火：将钢加热到适当温度（临界温度以上30～50℃

），保温一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。2、目的——为最终热处理作好组织准备

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）细化晶粒，消除组织缺陷；

3）消除内应力。一、钢的退火1钢的退火分类

3．去应力退火1．完全退火

2．球化退火1）完全退火定义：将钢加热Ac3以上30~50ºC,完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到600ºC以下，出炉空冷。组织：细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体）目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。适用范围：亚共析钢型材。2）球化退火定义：将钢加热到Ac1以上20~30ºC，保温后随炉缓冷至600ºC，出炉空冷，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。组织：球状珠光体（渗碳体呈球形的细小颗粒，弥散分布在铁素体基体中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。适用范围：主要用于过共析钢、合金工具钢。3）去应力退火定义：将钢加热到Ac1以下（一般约为500—600ºC），保温后随炉缓冷至200--300ºC出炉空冷，又称低温退火。目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力。（没有发生组织变化）适用范围：用于所有的钢。2钢的正火1、概念：将钢件加热到Ac3或Accm线以上30～50ºC

，保温适当的时间后，在空气中冷却。2、正火与退火的区别：正火与退火的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，正火后得到的珠光体组织比较细，强度、硬度比退火钢高。3、目的及应用：1）对力学性能要求不高的结构、零件，可用正火最为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。2）对低、中碳钢（S+F），可用正火作为预备热处理，可提高硬度和强度，改善切削加工性；3）对高碳钢（S），正火可抑制渗碳体网的形成，可为球化退火作准备。

正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，又引起开裂的危险，则采用退火为宜。3、预备热处理在零件制造中的应用图4-12碳钢正火与退火后的大致硬度机械制造最常用的钢件毛坯是轧材、锻件和铸件。当采用轧材毛坯时，因轧钢厂已对其进行适当的热处理，故可直接切削加工而不再进行预备热处理；当以锻钢件或铸钢件做毛坯时，应先退火或正火然后再行切削加工。选用退火或正火时，不仅应考虑消除铸件或锻件的热加工缺陷，还需考虑改善钢的切削加工性能。钢的最终热处理（一）——淬火与回火一、钢的淬火概念将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间后，快速冷却的热处理工艺。目的为了获得马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度、强度和耐磨性，并保持足够的韧性一、钢的淬火1．淬火工艺（1）淬火加热温度（2）加热保温时间（3）淬火介质2．常用淬火方法（1）单介质淬火法（2）双介质淬火法（3）马氏体分级淬火法（4）贝氏体等温淬火法淬火加热后组织

M+Fe3C+A残Ac1+30～50过共析钢M+A残Ac1+30～50共析钢M+A残Ac3+30～50亚共析钢Wc＞0.5%MAc3+30～50亚共析钢Wc≤0.5%最终组织淬火温度(℃)钢种单液淬火将加热后的零件投入一种冷却剂中冷却至室温。优点：操作简单，容易实现自动化缺点：易产生淬火缺陷，水中淬火易产生变形和裂纹，油中淬火易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。应用：碳钢一般用水作冷却介质，合金钢可用油作冷却介质。双液淬火将加热的工件先投入一种冷却能力强的介质中冷却，然后在接近Ms点温度（钢的组织还未开始转变时迅速取出），马上浸入另一种冷却能力弱的介质中使之发生马氏体转变的淬火，称为双介质淬火。优点：内应力小，变形及开裂小。缺点：操作困难，不易掌握应用：由碳素工具钢制造的易开裂工件，如丝锥。马氏体分级淬火：定义：将加热的工件先放入温度为Ms点附近的盐或碱浴

中，稍加停留，等工件整体温度趋于均匀时，再取出空冷以获得马氏体。优点：有效减小内应力，防止变形与开裂缺点：对于碳钢零件，淬火后会出现非马氏体组织应用：

尺寸小，形状复杂工件贝氏体等温淬火：定义：将加热的工件先放入稍高于Ms点温度的盐或碱浴

中，保温足够时间，使其发生下贝氏转变后出炉空冷。优点：内应力小，工件不易变形与开裂，具有良好的综合力学性能。应用：用于处理形状复杂，尺寸要求精确，并且硬度和韧性都要求较高的工件如：各种冷、热冲模，成型刃具，弹簧等二、淬火钢的回火1．回火对淬火钢组织及性能的影响2淬火钢的回火2．回火的种类及应用（1）低温回火：回火温度为150℃～250℃，其目的是获得高硬度、高耐磨的回火马氏体组织，常用于要求高硬度（56℃～64HRC或53～58HRC）的各种工具、耐磨零件以及渗碳淬火或表面淬火零件等。（2）中温回火：回火温度为350℃～500℃，其目的是获得高强度和足够韧性的回火托氏体组织，主要用于硬度要求为35℃～52HRC的各种弹簧、热作模具及某些螺钉、销钉等高强度零件。（3）高温回火：回火温度为500℃～650℃，其目的是获得综合力学性能良好的回火索氏体组织。钢的淬火+高温回火的复合热处理，称为调质。调质主要用于硬度要求20～32HRC、综合力学性能良好的重要零件，如主轴、曲轴、某些齿轮以及表面淬火件或渗氮零件等。3钢的淬硬性与淬透性1．钢的淬硬性2．钢的淬透性1）淬透性:指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。2）影响淬透性的因素:

钢的临界冷却速度，Vc越低，钢的淬透性越好钢的化学成分（增加过冷奥氏体稳定性，降低Vc，钢的淬透性越好）3）淬透性的应用:淬透性好的钢，经淬火回火后，截面上组织均匀一致，综合力学性能好。因此，钢的淬透性对提高大截面零件的力学性能，发挥材料潜力，具有重要的意义。淬透性好的钢，在淬火冷却时可采用比较缓和的淬火介质，减小工件淬火的变形及开裂倾向。淬硬性：是指钢在理想条件下淬火成马氏体后所能达到的最高硬度。影响钢的淬硬性的因素主要取决于钢含碳量。低碳钢淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳钢淬火的最高硬度值高，淬硬性好。淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬硬性钢种小低碳素结构钢(20)小高碳素工具钢(T10A)大低低碳合金结构钢(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具钢(Cr12MoV)钢的最终热处理（二）——表面热处理1钢的表面淬火1．概述

钢的表面淬火是指将钢件表层快速加热奥氏体化，并淬火成马氏体，而心部保持原有组织不变的表面热处理工艺。它主要用于表层要求较高的硬度（52～58HRC）和耐磨性，心部要求综合力学性能良好（22～28HRC）的表面淬火零件，如轴类、齿轮、曲轴等。1钢的表面淬火2．表面淬火的常用方法（1）感应加热表面淬火（2）火焰加热表面淬火2钢的渗碳1．概述

渗碳是将钢件在渗碳介质中加热至900℃～950℃保温，使渗碳介质分解释放出活性碳原子渗入钢件，以增加其表层WC的化学热处理工艺。它主要用于表面要求高硬度（58～64HRC）、高耐磨性，心部要求较高强韧性（相当于35～45HRC）渗碳零件，如工作条件恶劣的汽车齿轮、石油钻机齿轮、机车轴承等。2．常用渗碳方法（1）气体渗碳（2）固体渗碳3钢的渗氮渗氮（氮化）是向钢件表层渗入氮原子，以提高其的表面硬度和耐磨性化学热处理工艺。常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮和软氮化。1．气体渗氮2．离子氮化和软氮化钢的表面强化技术1电镀硬铬和化学镀镍磷1．电镀硬铬（1）电镀硬铬的原理（2）电镀硬铬层的性能与应用2．化学镀镍磷化学镀是指在无外