热处理工艺及设备讲义

PAGEPAGE38热处理工艺及设备教学内容第一讲：绪论（自我介绍，与学生沟通。）举例：例1）：弹簧件：目前用于制作弹簧工件的材料有很多种。首先根据工件使用条件和要求选用合适的弹簧钢，然后加工成形。这时虽然材料和工件的形状都达到了弹簧工件的要求，但性能并没有达到技术要求。这时工件在受力作用下就会发生塑性变形，无法起到弹簧工件的作用。要想使工件充分体现出弹簧的特性，就要根据所用具体材料进行相应热处理来满足。例2）：家用菜刀、剪刀等，这些工件使用性能如何，热处理的好与坏，直接影响刀具的质量，如硬度低时，易出现卷刃现象，如硬度过高，易出现断裂现象等。例3）：学生在钳工实习时制作的小锤子。在钳工制作锤子时，所用工具有：锉刀、锯条和钻头等工具，它们同样是金属材料，为什么锤子能被加工得动？这说明这些工具的硬度比锤子的硬度高，所以能把锤子从原材料加工成锤子的形态。但在钳工加工成形的锤子也只是一个半成品。因为虽然锤子的形状，尺寸达到了要求，但它们的机械性能并没有达到要求。如果这时用它锤击工件，锤子本身就会出现变形。所以要想使锤子不但在尺寸和精度上达到要求而且在性能上也应达到技术要求，为此就要通过进行热处理来完成。例4）：古代刀剑，不经过热处理，是没法上战场使用的。引出本课程的教学目的：认识、理解、掌握、运用《热处理工艺及设备》知识。0绪论0-1热处理的起源和历史春秋战国时期，铸铁的石墨化退火和脱碳退火，应用于农具中；西汉时代，钢铁兵器的淬火提高硬度；三国时代，发现了淬火介质对工件质量的影响；汉魏时期，开始了化学热处理；图0-1热处理工艺曲线示意图明代，有了渗碳工艺；图0-1热处理工艺曲线示意图由于历史原因，新中国成立前的热处理一直停滞不前。0-2热处理的概念、工艺特点1、热处理：采用适当的方式对固态金属或合金进行加热、保温和冷却，以获得所要求的组织结构（或表面化学成分）与性能的工艺。性能包括：工艺性能、机械性能、物理性能和化学性能。1）加热升温的目的使金属材料由低温组织转变为高温组织（举例：钢在常温下其内部有珠光体、铁素体、马氏体、上、下贝氏体等组织。随着温度的升高，当达到727℃或超过727℃时，就发生了组织转变。常温的组织开始转变为高温的组织，也就是向奥氏体转变。）2）保温的目的使工件烧透且组织转变有充足的时间（工件有尺寸、形状，加热有快慢，工件芯部与外表温度要求一致）3）冷却的目的将金属材料的高温组织以不同的冷却速度冷却到室温，获得不同的室温组织，从而达到不同的机械性能。2、工艺特点：热处理工艺是机械制造过程中一个重要的组成环节，与其它工艺相比，有其工艺特点：1）热处理工艺不改变工件的外部形态，只改变内部组织形态，提高其内在质量，赋予各种使用性能；2）热处理工艺不能独立存在，可在机械制造过程中任何一个位置存在，与前后工序起相辅相成的作用；（举例：机加工之前的高温退火、铝合金成品前的固溶处理等）3）操作温度和过程时间范围广；（温度可高达工件的熔点，也可低至零下几十度，而时间短则几秒长则上百小时）4）工艺控制精确；（温度、时间的控制，冷去速度、方法的要求，热处理时工件的摆放及移动速度等）5）加热、冷却介质的多样性和严格性；6）加热冷却的均匀性和区分性。0-3热处理的分类1、按机械加工过程中的位置和作用分：（1）最终热处理；（为获得零件最后使用状态所需性能的热处理）（2）预先热处理；（常在最终热处理之前进行，为其他工艺做好组织性能准备）（3）补充热处理。（常在最终热处理之后进行，为了消除应力或稳定加工效果）2、按零件热处理部位不同分：（1）整体热处理；（2）局部热处理；（3）表面热处理；（4）区分热处理。3、按零件化学成分是否要求变化分：（1）普通热处理；（2）化学热处理。4、按热处理温度分：（1）高温热处理；（2）中温热处理；（3）低温热处理；（4）冷处理。5、按工艺特点、组织转变及形状性能变化分：（1）基本热处理退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效等；（2）化学热处理渗碳、渗氮、渗硼、渗金属、多元渗等；（3）表面淬火火焰淬火、感应淬火、渗液淬火、电接触淬火、激光淬火等；（4）形变热处理高温形变热处理、中温形变热处理、低温形变热处理；（5）复合热处理渗碳淬火、表面淬火自行回火、锻热淬火、焊接余热退火等。0-4国内热处理工艺现状及发展趋势1、现状：与发达国家相比，工艺水平低、质量差、耗能大、成本高、产品缺乏竞争力；工艺研究和设备开发方面远远落后于发到国家，高端精密的热处理工艺设备绝大部分从国外进口。2、发展趋势：（1）节能减排，降低能耗，加强热处理工艺过程的控制与管理，积极采用复合热处理等新热处理工艺；（2）推广无氧化、防脱碳、防热裂的热处理工艺；（3）改造和引进自动化热处理生产线；（4）减少污染、采用清洁能源、采用高效热处理工艺。

第二讲：金属的加热及钢在加热时的转变图0-1热处理工艺曲线示意图提问学生：图0-1热处理工艺曲线示意图1）热处理的定义？热处理的工艺过程？（画右图示意）2）热处理按工艺、特点和形状性能角度如何分类？1金属的加热及钢在加热时的转变1-1热处理的加热过程1、加热物理过程：热的传递方式：传导——温度不同的接触物体间或同一物体中各部分之间的热能传递过程；（举例：烤红薯、用暖水袋暖手等等）对流——流体流动时，流体质点运动引起的热能传递过程；（比如：暖气管、空调、吹风扇等等）辐射——物体间通过热辐射在空间中传递热能的过程。（比如：微波炉、太阳光等等）2、加热影响因素：1）加热介质（画出书中的表1-1，加以说明）一般来说，传导比对流的加热速度要快一倍以上（举个例子：烧水）2）钢件（或合金）成分（画出书中的表1-2，加以说明）钢的化学成分不同决定了其比热、密度和导热系数有差异，则影响着加热速度；一般来说，加热速度与导热系数成正比、与比热、密度成反比，即：v∝λ/cρ。（举例，铝锅、铜壶。合金元素越多，则导热系数越小、密度越大，不宜快速加热）3）钢件（或合金）形状有效受热表面积与体积之比，F/V，其越大，则加热速度越大。3、加热规范的一般原则：与零件有关，也与加热设备、加热方式、装炉量及工艺要求有关1）加热温度确定（画图1-2加热温度优选示意图）过烧——金属或合金在热处理加热时，由于加热温度接近其固相线附近，晶界氧化和开始部分熔化的现象。过热——金属或合金在加热时，加热温度超过相变所需温度，使组织和性能异常的现象。氧化——脱碳——2）加热速度选择采用小的（慢速）加热速度：脆性大的工件、导热性差的工件、大尺寸工件、复杂形状的工件、残余应力大的工件、固体渗碳和退火工艺、具有严重偏析和夹渣物的工件。没有以上因素的工件，从生产效率、节约资源考虑，都应采用大的加热速率。3）加热方法选择（画出书中图1-3示意）（1）冷炉装料：需要加热速度小的工件、装炉量较多的情况；（2）到温装炉：加热速度大、操作方便，截面温差大，退火、正火、淬火等普遍采用的加热方法；（3）高温装炉：炉温比加热温度高100～150℃（4）低温装炉：低于600℃4）加热时间确定理论计算法：一般来说，加热时间包括：工件升温时间、均热时间、保温时间；但理论计算时，加热时间仅指升温时间。（1）表面热流密度恒定时：（传给工件的热量与工件吸收而升温的热量相等）（2）炉温恒定时：（dτ时间内传递给工件表面的热量）经验计算法：τ=a×d常用有效厚度计算方法（画图1-4表示）1-2热处理的加热介质：1、固体介质：木炭、烟煤、石墨、刚玉砂、石英砂、碳化硅等，主要应用于固体渗碳、渗金属等固体化学热处理及无氧化加热。2、液体介质：熔盐、熔碱、熔融金属、各种油类等，主要应用于加热质量要求高的高碳高合金钢的小零件、工模具的加热及某些液体化学热处理，也可用于等温淬火冷却。熔盐——温度140～1300℃熔融金属——有毒、易污染、不易清理，几乎不用；油浴——200℃3、气体介质：1）一般炉气：CO、CO2、H2、O2、N2、CH4等，具有较大氧化性，普通工件加热。2）放热型（DX型）气体：液化石油气、天然气、城市煤气等，与空气混合燃烧发生反应后制得，常用于保护性气体，光亮退火、光亮淬火、光亮热处理。3）吸热型（RX型）气体：丙烷、丁烷、甲烷等，与少量空气混合后，在高温反应罐中，经触媒作用反应制得，常用于钢件防止氧化脱碳，如气体渗碳等。4）氨分解气体：常用于不锈钢、硅钢片、低碳高合金钢的光亮热处理。5）氮基气体、氢气及木炭发生气6）真空气体1-3钢在加热过程中的转变1、奥氏体的形成过程：形核和长大两个基本过程，可分为四个阶段（画图书中9-2示意）1）奥氏体的形核：Ac1温度以上，珠光体不稳定，在F和Fe3C的界面上优先出现奥氏体的（这是因为相界面上碳浓度分布不均、原子排列不规则、能量较高状态）2）奥氏体晶核长大：稳定了的奥氏体晶核开始逐渐长大，依靠Fe、C原子的扩散，晶格改组为面心立方晶格；3）残余渗碳体的溶解：铁素体优先溶解消失于奥氏体中，残余的渗碳体需要时间来溶解消失；4）奥氏体均匀化：浓度不均，则需要长时间的C原子继续扩散均匀，同时伴有奥氏体的合并现象。2、奥氏体的晶粒长大及控制1）奥氏体晶粒度：衡量奥氏体晶粒大小的尺度，对冷却后钢的组织和性能有着重要影响。表示方法有：经理尺寸表示法（晶粒截面的平均直径或单位面积内的晶粒数目）；晶粒度级别指数G表示法——分8级，1最粗、8最细，一般5以上为细晶粒。2）奥氏体晶粒长大：起始晶粒度、实际晶粒度3）晶粒度大小的控制：（1）加热温度和保温时间的控制；（2）加热速度的控制；（快速加热，短时间保温细化晶粒）（3）钢的化学成分；（可抑制晶粒长大的元素：Al、V、Ti、Zr、Nb、W、Cr、Mo等）（4）钢的原始组织；（越细的组织越有利于晶粒长大）

第三讲：钢在冷却时的转变提问复习：（1）加热时间的确定？加热温度的确定？加热速度的确定？（2）钢在加热过程中发生了哪些转变？1-4钢在冷却时的转变1-4-1冷却条件对钢性能的影响（画书上表9-1）连续冷却：将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷到室温。等温冷却：把奥氏体化后的钢件迅速冷到临界点以下某个温度，等温保持一定时间后再冷至室温。1-4-2过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）1、过冷奥氏体：临界点以下暂时存在的奥氏体，是介稳定相。TTT曲线（Time-Temperature-Transition）：反映过冷奥氏体等温转变动力学的实验曲线，C曲线。（残余奥氏体：未发生转变的过冷奥氏体）2、共析碳钢C曲线分析（画出书上图9-4C曲线图）（1）C曲线中，A1温度线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边和右边的C曲线分别为过冷奥氏体转变开始线、终了线。（2）共分几个区域：高于A1的奥氏体稳定区、转变开始线以左的过冷奥氏体区、转变终了线以右和Ms点以下为转变产物区、转变开始线与终了线之间为过冷奥氏体和转变产物的共存区。（3）过冷奥氏体在不同温度等温转变时，都要经过一段孕育期，即为纵坐标到转变开始线之间的距离。550℃为鼻温，孕育期最短、转变时间最短。（4）发生三种转变：高温的珠光体转变、中温的贝氏体转变、低温的马氏体转变。1-4-3影响因素1、奥氏体成分的影响：碳浓度、合金元素2、奥氏体化状态的影响：晶粒度、均匀化、晶体缺陷密度等3、应力和塑性变形的影响：1-4-4过冷奥氏体连续冷却转变曲线1、CCT曲线（continuous-cooling-transition）(画图书上9-8)CCT曲线的临界冷却速度（Vc）、TTT曲线的临界冷却速度（Vk）、上下临界冷却速度（这里，提问学生：a、要获得全部马氏体，冷却曲线如何画？全部为珠光体呢？）1-5珠光体转变1-5-1定义：在高温时发生的扩散性相变，生成铁素体与渗碳体的机械混合物（写出反应式）典型的扩散型转变，退火、正火和索氏体化处理时，发生的主要相变为珠光体转变。1-5-2组织形态、结构和性能1、片状珠光体：由具有一定厚度的片状铁素体与片状渗碳体交替排列堆叠而成；分为片状珠光体、细片状珠光体（索氏体S）、极细片珠光体（屈氏体T）2、球状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体组织；（球化退火）3、性能：片间距和粒度越小，则强度、硬度越高，塑性、韧性越好。一般来说，退火后球状珠光体的性能比片状珠光体的性能好。魏氏体组织会降低钢的力学性能，应该避免，或经过正火、退火、锻造来消除。1-6马氏体转变1-6-1定义：在较低的温度下发生的无扩散性相变，生成碳在α-Fe中过饱和的间隙固溶体。典型的无扩散相变、淬火处理时，发生的主要相变为马氏体转变。1-6-2主要特点：1、无扩散性相变、以共格切变的方式进行；2、具有一定的位向关系和惯习面；3、表面浮凸现象，说明是切变转变；4、转变在一个温度范围内完成，必须冷却到Mf以下，才能转变完成，否则都会存在残余奥氏体；5、高速长大，不需要孕育期。1-6-3形态及其亚结构1、板条马氏体：一般为低碳钢、中碳钢、不锈钢的典型马氏体组织，扁条状和薄板状；2、片状马氏体：一般为高碳钢、中碳钢、高镍的铁镍合金的典型马氏体组织，双凸透镜或竹叶状；3、亚结构：孪晶4、影响因素：奥氏体的碳含量、马氏体形成温度。1-6-4性能1、高强度、高硬度：固溶强化、相变强化、时效强化、细晶强化2、塑性和韧性：受碳含量及亚结构影响马氏体的强度主要取决于碳含量，塑性和韧性主要取决于亚结构。1-7贝氏体转变1-7-1定义：在中温条件下进行碳原子扩散和铁原子不扩散性转变，形成残余奥氏体与珠光体的混合物；1-7-2形态上贝氏体：350-550℃转变，形成羽毛状的贝氏体；下贝氏体：350℃以下转变，形成针状的贝氏体；粒状贝氏体：贝氏体形成温度最上部。1-7-3性能性能主要受到形成温度、化学成分影响；下贝氏体具有良好的综合力学性能，尤其韧性更加。

第四讲退火与正火提问：a、画出C曲线；画出CCT曲线；b、指出哪条是连续冷却曲线，哪条是等温冷却曲线？并说明它们最终的相变产物。c、什么是马氏体转变？主要特点？第二章退火与正火退火与正火是生产中常用的预备热处理工艺。一般为了消除铸、锻和焊件的内应力以及成分、组织的不均匀性，为下道工序做好组织准备。2-1退火的定义及分类一、退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。温度：高于Ac3、Ac1，或低于A1；（画出书上图9-1，并与铁碳相图对比说明A1A3Acm等温度点）冷却方式：随炉冷却；组织：平衡组织，珠光体组织。二、目的：在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。要消除的组织缺陷一般有：魏氏体组织、带状组织、粗大晶粒等；后续的工艺操作一般有：切削加工、淬火等。三、分类：再结晶退火：加热到再结晶温度（低于A1），靠生成新晶粒及晶粒长大以消除由冷变形所引起的晶格歪曲与性能变化的一种热处理工艺。相变重结晶退火：在相变温度以上发生结构、组织与性能变化的一种热处理工艺。低温退火：加热到相变温度以下，进行消除内应力，防止变形，降低硬度，恢复塑性和消除加工硬化，改善切削与冲压加工性等的热处理工艺，亦称之为软化退火或去应力退火。2-2退火工艺（画图9-43）1、完全退火：为改善热锻、热轧、焊接或铸造过程由于温度过高在钢件内出现的不良组织，提高机械性能，或为使钢件软化，以改善加工性能与消除内应力，而采用的热处理工艺。a、加热温度：一般采用Ac3+（20～50b、加热速度：不同钢种采用不同加热速度，一般的，碳钢选150～200℃/h，低合金钢选100℃/h，高合金钢选50℃/h。对于大型工件及装炉量大的工况，因透热性差，宜在c、保温时间：为使工件透烧，保证内外组织转变完成和均匀化，一般的，碳钢选1.5～2min/mm，低合金钢2～2.5min/mm，高合金钢2.5～3min/mm。装箱保护退火时，应根据箱子大小和箱内填充剂进行适当延长，一般需增加1～4h。d、冷却速度：控制冷却速度保证奥氏体向珠光体转变全部完成、又不获得高的弥散度。碳钢选100～200℃/h，低合金钢选50～100℃/h，高合金钢选20～e、冷却方式：为了提高设备利用率，并使组织充分转变，由退火温度至550℃为炉冷，55f、应用：碳素结构钢和合金钢的锻件、轧件、铸件和焊接件，不宜用于过共析钢件。2、不完全退火：为消除碳素结构钢和低合金结构钢因热加工所产生的内应力，使钢件软化或改善工具钢被切削性而采用的热处理工艺。由于加热温度在两相区进行，仅发生部分相变重结晶，铁素体或碳化物形态、分布仍保留。a、加热温度：Ac1～Ac3或Ac1～Ac3b、加热速度：同完全退火c、保温时间：同完全退火d、冷却速度：同完全退火e、冷却方式：同完全退火f、应用：碳素结构钢、碳素工具钢、低合金结构钢和低合金工具钢的热锻件和热轧件。3、球化退火：是不完全退火的一种特例，使钢中碳化物球化并均匀分布在铁素体基体上，获得粒状珠光体的退火工艺。目的：改善工具钢的可切削性；为淬火作好金相组织准备。a、球化退火工艺（画图2-2）（1）主要用于淬火或冷加工后钢的球化；（2）多次重复使钢中原晶界上的碳化物和珠光体中渗碳体经过溶解和重新析出、聚集而达到球化目的；此方法适用于原始组织为珠光体的钢；（3）主要使碳化物溶解，而后快速冷却，以防网状碳化物析出；（4）过共析钢最常用的球化；（5）使网状碳化物或大块碳化物完全溶解，以利其后球化；（6）与（5）类似。b、影响球化质量因素：化学成分：碳含量增加有利于球化，加入可形成碳化物的元素不利球化；原始组织：网状碳化物很难球化，马氏体、细小的珠光体或贝氏体有利于球化，冷变形后组织有利于球化；加热温度与等温温度：加热温度过高或过低、等温温度过高或过低，都不利于球化；球化时间：不宜过长，否则球化碳化物变粗，硬度下降；冷却速度：冷却速度会影响碳化物的弥散度，冷却速度小有利于球化，采用缓慢冷却进行球化退火是保证得到理想组织的重要因素。c、应用：广泛应用于工具钢、轴承钢和量具钢，作为预先热处理。4、等温退火：与完全退火相同，但可有效缩短生产周期a、加热温度：Ac3+（20～50℃）或Ac1+（20～b、加热速度：同完全退火c、保温时间：同完全退火d、等温温度：根据C曲线及硬度要求确定e、冷却速度：大件随炉冷却，小件空冷f、冷却方式：>500℃随炉冷，<g、应用：球化退火不少是采用等温退火缩短生产周期，用以消除Cr-Ni钢及Cr-Ni-Mn钢锻件中的白点。5、扩散退火（均匀化退火）：为了消除和降低铸件凝固时所引起的成分偏析，达到成分、组织均匀化的热处理工艺。特点：高温长时间加热、能耗大、成本高，工件易过热和烧损a、加热温度：根据合金元素含量及偏析程度而定，一般采用1050～120b、加热速度：低合金钢选100℃/h，高合金钢选20c、保温时间：2.5～3min/mmd、冷却速度：低合金钢选50～100℃/h，高合金钢选20e、冷却方式：同完全退火f、应用：优质合金钢铸件；另外，经扩散退火的铸钢件晶粒粗大，韧性塑性差，需要一次完全退火或正火来重新细化组织，提高机械性能。6、再结晶退火：把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除加工硬化和残余应力的热处理工艺。目的：消除冷作硬化、提高塑性、改善切削及压延成型性能。a、加热温度：Tr+（150～250℃），Tr为再结晶温度，0.4×熔化温度，b、保温时间：1～4hc、冷却方式：空冷d、应用：冷作加工（冷挤、冷拔、冷轧、冷弯等）件、成型加工件7、软化或去应力退火：为消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力而进行的热处理工艺。特点：消除内应力、降低硬度、提高尺寸稳定性、防止工件开裂和变形a、加热温度：一般的，铸铁500～600℃，碳钢及低合金钢550～650b、加热速度：100～15c、保温时间：2～6hd、冷却速度：50～100e、冷却方式：>500℃>400℃f、应用：碳钢与合金钢的锻件、机加工件，铸铁件，焊接结构件。

第五讲：退火与正火的应用及其选择提问：退火温度、冷却方式、组织？退火的目的？退火的分类？45#钢的完全退火工艺？2-3退火工艺控制组织的基本原则（1）退火处理后珠光体的形状决定于退火加热温度；（一般的，退火温度高，奥氏体成分越均匀，可获得片状珠光体，反之，退火温度低，组织成分不均匀，可获得粒状或球状珠光体）（2）退火温度过低，且保温时间不足，原始组织中片状组织没有被破坏，则退火组织仍可能保留细片状珠光体；（3）退火温度过低，且冷却速度过快，致使碳化物结晶核心细而多，退火组织可获得点状珠光体；（4）冷却速度不影响珠光体的形状，但决定了碳化物的弥散度，因而决定了退火后的硬度；（5）欲获较软组织，可将钢加热到临界点（Ac1）以上30℃处保温，然后冷却到Ac1以下30℃处保温；（6）退火缓冷到500℃左右，就可以放置于空气中冷却，对组织转变已无影响；（7）欲细化淬火的粗大过热组织，可通过提高退火时的奥氏体化温度（Ac3+60～100℃）或延长奥氏体化保温时间的办法或适当提高加热速度进行奥氏体化，使奥氏体晶粒发生再结晶，从而消除组织结构的遗传性。2-4正火工艺一、正火概念将钢加热到Ac3或Acm以上适当温度，保温一定时间后在空气中冷却，从而得到珠光体型组织的热处理工艺。目的：加速合金碳化物的溶解和奥氏体均匀化，为了消除热加工所造成组织缺陷，消除网状碳化物，细化晶粒，为淬火作好准备，同时也可为不重要零件作为提高机械性能的最终热处理而采用正火处理。二、工艺规范a、加热温度：亚共析钢Ac3+40～60℃，过共析钢Acm+40～b、保温时间：1.5～2min/mmc、冷却方式：空冷，对大件可用吹风、喷雾和调节工件堆放距离等方法控制钢的冷却速率。d、应用：碳钢和合金钢铸件、锻件、板材、管材、带材或型钢。应注意的是：（1）正火是退火的一个特例，只适用与碳钢与某些低合金钢，常由于钢种、截面尺寸不同其结果差异较大；（碳钢空冷为珠光体组织，合金钢空冷可为珠光体组织或贝氏体组织或马氏体组织；大型锻件空冷相当于炉冷，低合金钢细小件空冷接近于淬火）（2）纠正过热严重的钢一般采用两次正火，即高温正火（Ac3+100～150℃）+低温正火；（3）较大截面的钢材采用高温正火Ac3+100℃；2-5退火与正火的选择一、退火与正火钢的组织与性能（1）组织a、正火组织比退火细；b、正火冷速比退火大，先共析产物（F、Fe3C）不能充分析出；（例如：45#钢退火后组织为45%F+55%c、合金钢中碳化物稳定，加热不易溶于奥氏体中，退火后形成粒状珠光体，但正火后粒状碳化物分布在马氏体基体上导致硬度高，故正火不作为合金钢机加工之前的预先热处理；d、退火正火均可使钢的晶粒细化，但加热温度不能过高，否则正火会形成魏氏体组织，退火会形成过热粗晶粒组织；（2）性能一般的，正火钢的性能要比退火钢的性能好。二、退火与正火的选择（1）为改善组织缺陷并为淬火作好金相组织准备时：对亚共析钢，一般选择完全退火或正火；对碳钢和低合金钢且零件尺寸不太小，一般选择正火；对过共析钢，选择球化退火；（2）为改善加工性能时：钢的被切削性的最理想硬度为HB160～210；组织上看，亚共析钢的片状组织比球状组织的被切削性好，共析钢和过共析钢的球状组织被切削性能好，因此：低碳钢和低碳合金钢选用正火；中碳钢和中碳合金钢选用退火（完全退火或不完全退火）；零件小或薄的中碳合金结构钢（40CrMn、38CrMoV等）选用正火+高温回火；共析钢与过共析钢选用球化退火；高合金钢（18Cr2Ni4W等）选用软化退火；（3）为改善冷加工变形能力时：采用软化退火与再结晶退火，其退火温度：碳钢600℃，合金钢700℃（4）为消除残余内应力时：一般采用软化退火，但退火温度有区别：焊接结构件采用600～650℃，已精加工的零件采用200℃零件的内应力消除程度与退火温度的高低和保温时间的长短有关；（温度越高时间越长，越彻底）（5）为提高零件的机械性能时：只为提高机械性能的碳钢件，采用正火；即要求一定的机械性能又要求改善切削性能的含碳量较高的钢件，采用退火；（6）为消除化学成分不均匀性时：成分偏析不严重时，可退火也可正火；很严重时，采用扩散退火。作业：画出共析碳钢的TTT图。为获得下列组织应选用何种冷却方法？并在TTT图中画出冷却曲线。（1）S+P；（2）全部B下；（3）M+AR；（4）T+M+AR；（5）T+B+M+AR简述退火工艺方法的种类、目的、特点及用途；指出下列钢种正火的主要目的及正火后的组织：（1）20钢齿轮；（2）45钢小轴；（3）T12钢锉刀由于发现锻轧后的GCr9SiMn轴承钢中存在网状碳化物和片状珠光体，同时为淬火做组织准备，应采用何种预备热处理？并给出具体的工艺参数和工艺路线图。

第六讲：淬火工艺及钢的淬透性提问：正火的概念及工艺规范？小而薄的40CrMn钢零件（中碳合金结构钢）要改善其切削加工性能，可选择什么热处理工艺？第三章淬火与回火（钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要的、应用最广泛的工序；淬火可显著提高钢的强度和硬度，回火即可消除淬火内应力又可得到强度、硬度和韧性的不同配合，因此，淬火和回火是密不可分的两道热处理工艺，往往作为工件的最终热处理工艺）3-1淬火一、定义淬火：将钢加热到一定温度（高于Ac3或Ac1）后，并保温一定时间，随后快速冷却，使其得到不平衡状态组织（马氏体或下贝氏体组织）的热处理工艺。1、临界冷却速度（νc）（画书上图3-1）上临界速度νc：全部获得马氏体组织的最小冷却速度；下临界速度νc·：全部获得珠光体组织的最大冷却速度；2、淬火（获得全部马氏体组织）的必要条件冷速：大于上临界速度(ν>νc)温度：低于马氏体转变温度（t<Ms）二、目的1、提高钢的硬度和耐磨性2、提高综合机械性能（强度、韧性、塑性等）3、改善钢的特殊性能（磁钢的高矫顽力、不锈钢的高耐蚀性、耐热钢的高温强度等）不平衡状态组织，就是不稳定组织，不全是马氏体，可以有残余奥氏体，生产上使用一般都需要较稳定组织。三、分类（画书上表9-3）3-2淬火介质（冷却介质、淬火剂、冷却剂）一、对淬火冷却介质的要求淬火介质，必须要求足够的冷却速度，保证获得所需要的组织和性能，但不能使工件变形及开裂。1、理想淬火介质(画图3-2)根据C曲线分为三个温度区：奥氏体稳定区>650℃，奥氏体不稳定区650～400℃，奥氏体较为稳定区<400℃。理想的淬火冷却曲线（画图3-3）：在鼻子上面的高温区应缓冷减小热应力，在鼻子附近须快冷防过冷奥氏体分解，而在Ms点附近应尽量缓冷减少马氏体转变产生的组织应力。理想淬火介质要求（画表3-1）2、淬火介质的分类与要求分类：第一类：淬火时不发生物态变化（辐射、传导、对流进行降温），有熔盐、熔碱与空气；第二类：淬火时发生物态变化（汽化进行降温），有水、油、水溶液。要求：（1）具有一定冷却能力，成分稳定不变质、粘度小、流动性好，无毒无味，不腐蚀工件，淬火后易于清洗，来源广、价格低。（2）相变角度上，奥氏体不稳定区冷却能力大，不发生珠光体转变，马氏体形成区冷却能力小一些，可保证淬火后质量。3、淬火介质的冷却机理（1）第一类：通过淬火介质的自身性质（导热性、比热、粘度、介质温度等）影响冷却能力；（2）第二类：通过物态变化过程的吸热，影响冷却能力。第二类冷却可分三个阶段：蒸汽冷却、沸腾冷却、对流冷却，要求：蒸汽冷却不能太长，沸腾冷却应剧烈，对流冷却开始温度要高于马氏体转变点。4、影响因素（1）自身内在因素：比热、汽化热、蒸汽压、导热性、粘度、表面张力；（2）外界因素：添加物、介质温度、搅拌、工件淬火温度、工件尺寸5、淬硬能力的评定急冷度（钢的硬化层深度）：H=α/λ，α为钢表面与淬火介质的热交换系数，λ为钢的导热系数。二、常用淬火介质1、水高温区冷速较低，低温区冷速很大，导致工件极易开裂（马氏体转变产生的组织应力开裂）优点：清洁、安全、廉价、不需要清洗等；缺点：只适合形状简单、尺寸不大的碳钢工件。2、盐水、碱水溶液蒸汽膜阶段极短，冷却能力大，可获得高而均匀的硬度优点：冷却均匀、无软点产生，淬裂倾向小；缺点：可腐蚀工件和设备、要清洗、对人体有害。3、油优点：工件变形与开裂倾向小；缺点：粘度影响冷却能力，只适合合金钢和小截面的碳钢工件（画表9-5，常用淬火介质的冷却特性）

第七讲：淬火方法和淬火工艺规范提问：淬火的必要条件？淬火介质的分类及冷却机理？3-3淬火方法工件具体情况与淬火介质（尽量减小淬火应力、工件变形，防止开裂），决定淬火方法。1、单液淬火（1）定义：指将加热到淬火温度并保温一定时间后的工件放入一种淬火介质连续冷却至室温的淬火方法。（画图3-16a）（2）淬火介质：水（碳钢）、油（合金钢）、空气、各种水溶性介质（3）优缺点：操作简单、经济、易实现机械化、应用最广；但对某些形状复杂的工件水淬易变形开裂而油淬硬度不足。2、双液淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，先浸入一种冷却能力强的介质中（使过冷奥氏体不发生向珠光体转变），待其冷却到稍高于Ms后立即转入冷却能力弱的介质中冷却（使过冷奥氏体缓慢转变为马氏体）的淬火方法。（画图3-16b）（2）淬火介质：水、油、空气等；一般都是水淬+空冷+油冷。（3）优缺点：残余应力小、不易变形和开裂；但对操作者技术和经验水平要求高，水冷时间不易控制。（4）水冷时间控制的经验：a、按每5-6mm有效厚度约1s计算；b、振动或水的响声停止的一瞬间；c、工件表面变黑，再延长一倍时间。3、分级淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，由奥氏体温度淬入稍高于或稍低于Ms温度的液态介质中，并适当保温直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后取出空冷至室温，以获得马氏体组织的淬火方法。（画图3-16c）（2）淬火介质：油、熔盐、空气等。（3）优缺点：不易开裂和变形（残余应力小）；但尺寸稳定性差（残余奥氏体增多），只适合于变性要求严格且尺寸较小的工件。4、等温淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，快冷到下贝氏体转变温度区（260-400℃）等温保持足够时间，获得下贝氏体组织的淬火方法。（画图3-16d）（2）淬火介质：熔盐等。（3）优缺点：强度、硬度高，塑性、韧性好，淬火应力小，变形小；但只适合于形状复杂、尺寸较小、精度要求高的工件。3-4淬火工艺规范1、淬火加热温度淬火的主要工艺参数之一，根据钢的临界点来确定，同时还应考虑工件的形状尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。碳钢淬火加热温度范围的一般原则：（1）亚共析钢：Ac3+40-60℃依据：a、应保证加热时得到成分均匀的奥氏体；b、应保证加热时得到细小的奥氏体晶粒；c、尽可能低的氧化脱碳及淬火后的变形开裂倾向；d、获得高的机械性能。原因：（根据铁碳相图可知）a、若加热温度低于Ac3，（则加热后组织为奥氏体+铁素体，）淬火后得到马氏体与铁素体的混合物，这是不完全淬火，硬度和强度较低；b、而超过Ac3温度过高，（则奥氏体晶粒粗大）淬火后马氏体粗大、且容易造成氧化脱碳严重，变形开裂倾向大，韧性不好。（2）共析钢和过共析钢：Ac1+40-60℃依据：a、应保证加热时碳或合金元素充分溶解，得到较高的硬度和耐磨性；b、应保证加热时奥氏体晶粒不粗大；c、获得较高的机械性能。原因：a、温度低于Ac1，则无法进行奥氏体转变；b、温度高于Acm，则碳化物溶解，马氏体组织粗大，且氧化脱碳严重，残余奥氏体增多，致使硬度和耐磨性降低；另外，脆性增加，淬火变形开裂倾向增大。（3）合金钢：由临界点Ac1或Ac3决定，但要考虑合金元素的作用依据：a、含有有利于碳化物形成的元素时，淬火温度可偏高些；b、含碳、锰较高的本质粗晶粒钢，淬火温度应偏低。（4）其他情况：a、组织方面：有严重带状组织、球状组织时，可适当提高淬火温度；碳化物偏析严重、片状组织时可适当降低淬火温度；b、工件形状尺寸方面：形状简单、尺寸较大时，可适当提高淬火温度；形状复杂、尺寸较小时，淬火温度应适当降低些；c、淬火介质方面：油淬时取上限，水淬时取上限；d、炉型方面：盐浴炉加热时取下限，箱式炉加热时取上限；e、返修工件及加热脱碳倾向严重的工件，取下限；而要求红硬性的工件，取上限。（各种不同牌号钢的临界点、淬火介质、淬火温度范围，都可以在钢的热处理工艺手册上找到，但具体的工艺参数确定，还是要根据实际生产和试验确定。）2、淬火加热时间升温时间+保温时间τ=α·k·Dα为加热系数（可查）；k为装炉修正系数（取1.5-2.0）；D为有效厚度；3、淬火介质选择（1）选择油冷的情况：a、形状简单、要求不严的合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、薄壁高碳钢制件；b、45钢、高碳钢、低碳钢渗碳件等的厚度小于4mm，直径小于5mm；c、45钢，要求HRC25-29(厚度小于50mm)，或HRC20-24（厚度小于75mm）。（2）选择水淬的情况：a、形状简单，尺寸较大的45钢或中碳钢制件；b、形状简单的高碳钢或低碳钢渗碳件。（3）选择碱浴、硝盐浴的情况：a、形状复杂、尺寸小的45钢、高碳钢制件，碱浴；b、形状复杂、要求变形小的合金钢制件，碱浴或硝盐浴。4、冷却方式遵循下列原则：a、细长的工件（钻头、丝锥、锉刀等）应垂直淬入介质中，否则将发生弯曲；b、薄而平的工件（圆盘铣刀等）应立着淬入介质中；c、薄壁环状工件，其轴应垂直液面淬入介质；d、具有凹面的工件，不要使凹面向下淬入介质中，否则凹面处会产生蒸汽膜。

第八讲：钢的淬透性和回火提问：淬火方法有哪些？亚共析钢的淬火温度可以选择700度么，为什么？碳含量为0.8%的高碳钢可以在920度进行淬火么，为什么？3-5钢的淬透性（淬透性是钢的主要热处理工艺性能，它对合理选用材料及正确制订热处理工艺具有十分重要的意义）一、淬透性和淬硬性1、淬透性（1）概念：指钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢的一种属性。（2）大小：通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度来表示。（3）淬透层深度：由工件表面到半马氏体区（马氏体和非马氏体组织各一半的区域）的深度。（4）淬透性的好坏：由钢的临界冷速或过冷奥氏体的稳定性决定。2、淬硬性（1）概念：指钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于马氏体的碳含量。（2）大小：由工件的硬度值来表示。（3）影响因素：碳含量、冷却速度、工件尺寸、晶粒度大小等。淬透性和淬硬性之间没有线性关系，淬透性表征工件获得马氏体厚度的能力，而淬硬性表征工件获得最高硬度的能力。二、淬透性和组织、性能之间的关系（画图3-8）1、完全淬透：整个截面组织与性能一致，则综合机械性能会较高；2、芯部未淬透：芯部与表面组织与性能不一致，则芯部综合机械性能会比表面差；3、只有浅层淬透：只有表层的综合性能好，但整体的综合机械性能会很差。三、影响淬透性的因素：1、奥氏体化学成分：主要影响C曲线的位置和钢的临界冷却速度；（冷却速度愈小或C曲线位置右移，则奥氏体稳定性越好，越不易转变为珠光体，则越有利于形成马氏体，则淬透性越好；2、奥氏体均匀度和奥氏体化温度：奥氏体均匀度和奥氏体化温度越高，越有利于钢的淬透性；3、奥氏体晶粒度：晶粒越大，越有利于钢的淬透性。4、奥氏体中非金属夹杂物和稳定碳化物：越多，则淬透性越差；（因为降低了奥氏体的稳定性，从而增大了临界冷却速度，则降低了淬透性）5、原始组织：片状、粗大、球状的组织越有利于淬透性。四、影响硬化层厚度的因素影响淬透性的因素都会影响硬化层厚度，另外，冷却速度、淬火介质、工件形状等也对硬化层厚度有影响。五、淬透性的评定标准（画图3-10）（评定淬透性的标准一般通常认为应除马氏体外，还允许含有一定百分数的非马氏体组织）一般来说，淬透性的评定标准：表面至半马氏体组织的距离。六、淬透性表示和测定方法1、断口法（画图3-11）：试样横截面的硬度分布曲线，或直接测横截面的硬化层深度；2、临界直径表示法：某种淬火介质中，所能得到最大的淬透直径，用D0来表示，D0越大，则淬透性越好。（钢的临界淬透直径可查）3、末端淬火法：（画图9-47）普遍采用的方法半马氏体区离试样末端距离越大，则淬透性越好。用J（HRC/d）表示，J表示末端淬透性，d表示至水冷端距离。七、淬透性在生产中的应用和意义1、应用：a、连杆螺栓，承受均匀狡辩的拉（压）应力，必须保证整个截面均匀一致的组织和性能；b、承受弯曲和扭转应力的轴类，其危险应力一般在离表面至1/4或1/3的半径处，这个部位需要高强高韧性，其它部位承受应力较低不需要太高的强度，特别是芯部，若完全淬透，反而会使寿命降低；c、热锻模，要求高强高韧，硬化层深度越高，寿命越高。d、弹簧，必须淬透，且要求全部获得90%以上马氏体，否则会引起弹性极限显著降低。2、意义：a、为使用部门和机械设计人员在选择钢种时提供了一项重要的参考数据；b、热处理工作者可依据钢的淬透性决定在工艺上能否采用缓和的冷却介质，减少工件的热应力和变形开裂等缺陷；c、恰如其分的选择具有适当淬透性的钢种，可节约资源，降低成本，节能环保。3-6回火回火是热处理过程中的最后一道工序，关系着工件的使用寿命。一、定义：将淬火钢加热至Ac1以下某一温度并保温一定时间后，以适当方式冷到室温，使不稳定组织转变为较稳定组织的热处理工艺。二、目的：a、消除或减小工件的淬火应力；b、适当降低硬度、提高塑性和韧性，得到较高的综合机械性能；c、稳定组织，使工件尺寸在长期使用过程中不发生变化。三、分类：1、低温回火（150-250℃a、组织：回火马氏体，淬火应力部分消除，显微裂纹大部分愈合；b、性能：保持了淬火马氏体的高强度高硬度和良好耐磨性，又适当提高了韧性；c、冷却方式：空冷；d、应用：工、模、量具，滚动轴承，渗碳淬火和高频表面淬火件等。2、中温回火（350-500℃a、组织：回火屈氏体，淬火应力基本消除；b、性能：具有高的弹性极限、较好的塑性和韧性；c、冷却方式：空冷；d、应用：弹簧钢件和热锻模具淬火件等3、高温回火（500-650℃）：（又称“调质”a、组织：回火索氏体；b、性能：具有良好的综合机械性能；c、冷却方式：水冷或油冷；d、应用：中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴、齿轮等重要的机器零件。4、多次回火由于残余奥氏体和内应力不能很好消除，因此需要进行多次回火；有高速钢、高合金钢，特别是具有回火硬化的钢。四、回火工艺制定1、回火温度选择a、采用强烈淬火介质时，取上限，分级或等温淬火时，取下限；b、采用冷油淬火时，取下限；c、装箱工件，取上限，不装箱工件取下限；d、箱式回火取上限，盐浴炉回火取下限；2、回火时间选择空气炉中按2-5min/mm选取，最短不低于30-40min；液体介质中，时间可缩短50-60%的时间。3、回火注意事项：a、淬火后工件不能放到第二天才回火；（自然时效的因素）b、250-400℃（特别是300℃）是第一类回火脆性区，要尽量避免在此温度区回火；具有第二类回火脆性的钢材450五、时效钢淬火冷却到室温后，残余奥氏体会发生转变而使体积膨胀，同时钢中马氏体会发生分解而体积收缩，从而引起钢的变形。对于尺寸稳定性要求高的精密工件，需要进行时效处理。（其它金属或合金，其热处理工艺也包括四把火，只是淬火一般称为固溶，回火称为人工时效）作业：何谓钢的淬透性？淬硬性？说明影响淬透性、淬硬性和淬透层深度的因素。试述淬火的目的、淬火方法、并比较各种淬火方法的优缺点。

第九讲：感应加热淬火期中课堂随考：（一个学时）一、名词解释（共30分，每个5分）热处理珠光体转变马氏体转变软化退火淬火淬透性二、简答题（共70分）1、加热温度确定的一般原则？（10分）2、试述淬火的目的、淬火方法、并比较各种淬火方法的优缺点。（20分）3、何谓钢的淬透性？淬硬性？说明影响淬透性、淬硬性和淬透层深度的因素。（20分）4、Φ30×78mm的40Cr钢锻件要进行完全退火处理，则其完全退火工艺参数分别是多少？并画出完全退火工艺曲线。（20分）4表面淬火表面热处理：表面强化处理（不改变工件表面化学成分）、化学热处理（改变工件表面化学成分）。表面淬火：将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而芯部仍然保持淬火前组织（调质或正火组织）的热处理方法。优点：工艺简单、变形小、生产率高等。缺点：设备费用昂贵、不适用于单件生产。分类：按供给表面能量形式的不同而分：感应加热淬火、火焰加热淬火、电接触加热淬火、电解液加热淬火、激光加热淬火、电子束加热淬火、等等。表面淬火用材料：一般为0.35%-0.50%C的中碳钢，如45#、40Cr钢等4-1感应加热表面淬火（高频淬火）利用电磁感应原理进行加热按设备产生频率不同可分为高频（100-1000kHz）：常用200-300kHz，可获硬化层深度0.5-2mm，主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火，电源设备为电子管式高频发生器；中频（1-10kHz）：常用2.5-8kHz，可获3-6mm深硬化层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如曲轴、凸轮轴、大中模数齿轮，较大尺寸轴及钢轨等，电源设备为中频发电机或可控硅中频发生器；工频（50Hz）：硬化层深度10-15mm以上，适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大工件，如轧辊等，不需要变频设备。一、优点：（1）内热源直接加热、加热速度快、热效率高、节能显著；（2）只加热工件表面，变形小；（3）加热时间短、氧化脱碳少‘（4）表面硬度高，缺口敏感性小，疲劳强度、耐磨性有较大提高；（5）可用优质碳素结构钢代替合金结构钢；（6）不仅应用于工件表面和内孔，还可以应用于工件穿透加热与化学热处理；（7）设备紧凑、使用简便、劳动条件好；（8）易于在加工生产线中，对加热过程进行精确控制，产品质量稳定。二、感应加热原理（画图9-48）将工件置于铜管制成的感应圈中，向感应圈通以一定频率的交变电流，其周围即产生与电流变化频率相同的交变磁场，则工件内产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流，感应电流沿工件表面自成回路，将电能转化成热能，使工件加热。这些自成回路的感应电流称为涡流，在被加热工件中的分布由表及里呈指数规律衰减，主要集中在工件表层，内部几乎没有，此现象称为集肤效应。感应加热淬火：利用感应电流的集肤效应，迅速加热工件表面层至淬火温度，立即喷液或浸液冷却使工件表面淬火。通入感应圈的电流频率越高，感应涡流的集肤效应越强烈，故电流透入深度越薄，淬硬层深度也越薄。δ=（500-600）/f1/2三、对相变的影响（加热时间仅几秒或十几秒就达到淬火温度，对相变有一定影响）1、对加热相变影响a、奥氏体形成——提高加热速度，使相变点Ac1、Ac3、Acm都升高；（因短时间内到达理论相变点温度后，其内部由于扩散不及时，不能有效进行奥氏体形核，则迫使相变点升高温度，才能获取更大的能量形核长大。）b、奥氏体均匀化——提高加热速度，奥氏体相变温度Ac1升c、奥氏体晶粒大小——提高加热速度，奥氏体晶粒变细；（类似于提高冷却速度，凝固组织越细小）2、对冷却相变影响加热速度快，奥氏体成分不均匀、存在未溶碳化物与高碳偏聚区（相当于熔体内有异质点和成分过冷，则很容易形核），则很不稳定，c曲线左移，很容易发生相变；高碳区的奥氏体容易转变成高碳针片状马氏体，低碳区的奥氏体容易形成低碳板条状马氏体。3、对回火相变影响由于马氏体成分不均匀性较大，容易发生转变，因此回火温度不宜偏高，要偏低。

第十讲：表面感应淬火提问：a、表面热处理分为哪几类？激光加热淬火属于哪类？b、现有一个小模数的齿轮，需要进行1mm深的表面强化热处理，应采用什么热处理手段？四、高频淬火后的组织与性能1、组织（画图4-7）分为三个区：第Ⅰ区（完全淬火层）：温度高于Ac3，全部马氏体组织；第Ⅱ区（过渡层）：温度在Ac3～Ac,1之间，马氏体+未溶铁素体；第Ⅲ区：温度在Ac,1以下，珠光体（或珠光体+铁素体）。（如果加热层较深，在硬化层中还可出现：马氏体+贝氏体、或马氏体+贝氏体+屈氏体+少量铁素体）2、硬化层的测量硬度法、断口法、金相法、腐蚀法3、性能（1）硬度：比普通淬火后硬度高2-3个HRC；（2）耐磨性：比普通淬火件的耐磨性高，但比渗碳淬火件要低；（3）疲劳强度：显著提高工件的疲劳强度。五、工艺1、频率的选择根据工件的尺寸和硬化层厚度要求，选择电流频率。频率越高，透入深度越浅；反之越深。硬化层厚度应小于透入层厚度，最好为透入层厚度的一半。2、单位表面功率（比功率ΔP）（可通过查表获得）比功率大小决定了加热速度的快慢与加热温度的高低；工件加热所需功率为：P1=ΔP·FcFc为工件淬火加热面积3、加热温度与加热速度加热速度提高，则加热温度也要相应提高4、加热时间一般利用图表来确定；5、移动速度工件的移动速度与一次淬火的加热时间相当；加热功率确定时，移动速度越慢，淬火温度越高，硬化层越厚；6、淬火冷却介质一般为水，也可用乳化液；冷却方式为水喷，压力为0.1-0.3Mpa（不能太高，否则会淬裂），水温为15-30℃（超过30℃不易淬硬）；冷却时间为1-2倍的高频淬火加热时间；连续淬火时，一般在加热结束后2-10s内停止冷却。7、高频淬火质量评定（1）金相组织与硬度金相组织分10级：1-2级为过热粗针马氏体；3级为略有过热的中等针状马氏体；4-5级为细针马氏体；6级为隐晶马氏体；7级为碳浓度分布不均匀的隐晶马氏体；8级为加热不足的马氏体、屈氏体和少量铁素体；9-10级为不完全淬火的马氏体和大量铁素体。高频淬火工件以4-6级为理想组织。硬度：根据设计要求。（2）硬化层测定a、从表面测量至50%M+50%T处；b、从表面测量至20%铁素体处；等等8、影响高频淬火质量因素（1）化学成分：主要涉及到碳含量，要严格控制；（比如40Cr钢为0.37%-0.42%C、45钢为0.42%-0.47%C）（2）原始组织：要求细小、均匀；（3）表面脱碳与过热：表面脱碳会硬度值降低，过热会产生粗针马氏体和大量残余奥氏体。9、提高高频淬火件性能及精度的措施（1）合理确定硬化层厚度与分布；（2）原始组织应采用正火或调质处理；（3）合理设计感应器；（保证加热和冷却均匀）六、回火工艺目的：消除内应力、消除脆性，保持高硬度和高耐磨性。（1）炉内回火；（2）自行回火；（利用工件高频淬火后的余热）（3）高频回火；（4）高频淬火件要立即回火；（可稳定组织、消除内应力）4-2火焰表面淬火1、定义：将工件置于可燃气体产生的火焰中加热到奥氏体化温度，经水或水溶液冷却，获得一定硬度和硬化层厚度的一种表面淬火方法；2、优点：对各种形状与尺寸工件表面进行局部淬火，设备简单、使用方便，成本低廉、无氧化脱碳、变形小、淬火后表面清洁；3、缺点：淬火温度不易控制，易过热，硬化层厚度不易控制。4-3电解液加热表面淬火1、优点：可对工件进行局部淬火，工艺及设备简单、变形小、成本低廉、无氧化脱碳等；2、缺点：温度不易控制，易过热或熔化。作业：淬火加热温度的选取原则？影响高频淬火件质量的因素有哪些？提高措施有哪些？高频感应淬火后，工件的组织分布如何？其性能又有哪些变化？

第十一讲：化学热处理提问：高频淬火后的组织分为几个区？高频淬火件的理想组织应该为多少级？提高高频淬火件性能及精度的措施有哪些？5化学热处理5-1概述一、定义：将工件放在活性介质中加热到一定温度，使工件表面与周围介质起化学作用，工件表面的化学成分发生变化，随之改变其金相组织与性能的一种热处理工艺。作用：强化表面、保护表面特点：a、表面化学成分发生改变；b、既有各种物理化学过程，又有复杂的冶金过程（渗层与金属基体紧密结合）；c、渗层与金属基体间无明显的分界面，两者的组织、成分与性能呈梯度变化；（与电镀及磷化或氧化处理的区别）二、分类广义上分：表面扩散渗入、表面合金复层渗入元素分：非金属渗入、金属渗入；单元渗入、多元渗入；（画表5-1）渗入元素对钢表面性能的作用：a、提高表面硬度、耐磨性；b、提高抗咬合、抗擦伤能力；c、提高抗氧化性、抗蚀性。（画表5-2）5-2化学热处理的基本过程分解、吸收、扩散一、分解过程：渗剂发生分解反应例如：渗碳剂的分解2CO→CO2+[C]CH4→2H2+[C]渗氮剂的分解2NH3→3H2+2[C]（活性原子：指那些在一定化学反应中刚产生的，以原子状态存在的元素。）渗剂中分解出活性原子的速度，与渗剂的性质、数量、分解温度以及有无催化剂有关。二、吸收过程：活性原子被钢件表面吸收吸收方式：溶解、形成化合物例如：[C]向奥氏体中溶解，[N]向铁素体中溶解；若达到饱和，则形成碳化物或氮化物；一般来说，金属渗入元素与铁形成置换固溶体，非金属渗入元素溶于铁中形成间隙固溶体。吸收过程的强弱与活性介质的分解速度、渗入元素的性质、扩散速度、钢的成分及其表面状态有关。三、扩散过程：渗入原子由表面向内部扩散，并形成一定厚度的扩散层扩散速度与浓度梯度、温度、晶体结构、晶体缺陷、渗入元素性质等因素有关。三个过程互相制约，分解是前提，扩散是关键。渗层深度与温度、时间、表面浓度有关。5-3渗层的形成过程与结构一、多相渗层的形成过程（画图5-2、5-3）提高渗层最外层的浓度梯度，是加速化学热处理的一个重要途径。而要达到高的浓度梯度，必须提供高浓度的炉气和洁净的活性表面。二、渗层的组织结构1、温度的影响（画图5-4）温度越高，则α固溶体层越厚；2、冷却速度的影响（画图5-5）缓冷，有助于渗入元素继续向工件内部扩散。5-4渗碳理想渗碳工艺必须满足的要求：1）表层获得所要求的碳含量；一般要求的范围为0.8%-1.05%。耐磨要求取上限，强韧要求取下限。（亚共析成分时，耐磨性和硬度不理想；高于1.05%时，易形成网状或块状碳化物，脆性大，容易剥落；而在此范围内，经淬火和低温回火后渗层组织为马氏体+细小碳化物，高硬度、高耐磨性。）2）合适的渗碳层厚度；一般机械零件渗碳层厚度在0.5-2.0mm范围内。（与工件大小和服役条件有关）3）平缓的浓度梯度；（陡峭的浓度梯度易发生应力集中而断裂）4）尽可能短的渗碳时间及稳定的渗碳质量。渗碳质量决定于渗碳层厚度、表面碳浓度及理想的浓度分布。渗碳温度：要高于Ac3，一般在900～940℃范围，且有提高的趋势，为了减少生产时间。渗碳时间：与渗层厚度呈抛物线关系，时间越长，厚度越大。δ=Kτ1/2一、气体渗碳——目前应用最广泛的一种渗碳方法1、优点：生产周期短（约为固体渗碳周期的一半）、质量均匀、易于控制、操作方便。2、设备：井式炉（RJJ型）（最普遍应用的一种炉子）3、渗剂：煤油、醇类、酮类（直接滴入炉内热烈分解而获得渗碳气氛）渗剂选择要满足下列条件：a、产气量高；b、产生的炭黑少；c、含硫量低。（1）煤油：可分解出极强渗碳作用的碳氢化合物（如CH4、C3H8），但容易形成炭黑和焦油；（2）甲醇或乙醇：不易产生活性碳原子，一般作为稀释剂或排气剂；（3）丙酮：较多量活性碳原子，渗碳能力强，且清洁环保。4、排气工艺：在重新装入渗碳件后，需要滴入排气剂或渗碳剂，排出炉内的O2、H2O、CO2等氧化性气体。5、渗碳工艺：（1）一段渗碳法：操作简单、但渗碳层浓度、梯度及生产周期不理想；（2）分段渗碳法：强渗阶段和扩散阶段（画图5-11）

第十二讲：渗碳提问：化学热处理的定义、特点及分类？化学热处理的基本过程？渗层的组织结构主要由什么来决定？二、液体渗碳1、缺点：高温挥发、有毒、管理保存不便、成本高、污染环境。2、设备：盐浴炉3、渗剂：a、氰化物盐浴（有毒、已被禁止）；b、“603”盐浴：5%Na2CO3+15%KCl+10%NaCl+20%（NH2）2c、中性盐：35%K2CO3（或Na2CO3）+25%KCl+25%NaCl+15%SiC（或木炭、粉或石墨）4、工艺：（1）“603”液体渗碳：a、渗碳温度920～940℃；b、装炉量为盐浴总量的50-70%；c、（2）无毒液体渗碳（中性盐浴）：a、渗碳温度1000℃；b、渗碳时间4h；c、渗层厚度1.5mm三、固体渗碳1、本质：依靠CO气氛进行渗碳2、设备：渗碳箱（装有固体渗碳剂的箱子）、加热炉3、渗剂：能产生活性碳原子的固体物质（木炭、焦炭、锯木屑等）+催化剂（BaCO3、Na2CO3等）4、非渗碳部位防止渗碳方法：a、镀铜；b、涂膏剂；c、渗碳厚度2倍的加工余量（这里可以提问学生，为何要2倍以上，不能1倍或3倍。主要从渗碳厚度的计算角度考虑）。四、渗碳件的热处理1、钢渗碳后的缓冷组织a、一般来说，表面碳含量大于0.8%时，表面组织为：Fe3CⅡb、若碳含量大于1.1%时，则Fe3CⅡc、若碳含量很高，超过奥氏体的最大碳含量（2.11%，这里可以提问学生），则出现严重的网状渗碳体外，还可能出现大块状的渗碳体；而在合金渗碳钢中，不会出现网状渗碳体，出现颗粒状或大块状碳化物。2、渗碳件热处理需满足要求：（1）合理的渗层金相组织；（不允许网状碳化物，残余奥氏体应少，表面硬度不低于HRC58）（2）足够的心部强度，HRC38-45；（不允许有大量铁素体，重要工件不允许淬火后有未溶解铁素体）（3）表面层只允许有极少量局部脱碳发生；（4）尽可能较少热处理后的变形。工艺：（1）直接淬火法（画图5-12）a、优点：方便、节能、生产率高、脱碳少、变形小；b、缺点：淬火温度较高，晶粒较粗大，表层残余奥氏体量增多，容易变形和表层硬度降低，无法消除表面严重的网状碳化物组织。c、生产上很少使用直接淬火法，一般采用预冷后淬火法（降温到略高于Ar3，然后淬火，如图5-12）d、预冷后淬火法，是气体渗碳连续作业炉的生产上广泛采用的热处理方法。e、由于此法晶粒容易粗大，仅适用于本质细晶粒钢。（2）一次淬火法（画图5-13）a、优点：与直接淬火法相同，适用于细晶粒钢；b、缺点：淬火温度高，表面残余奥氏体量大，无法消除表面严重的网状碳化物组织。（3）两次淬火法（画图5-14）a、缺点：工艺复杂、工件易变形、易氧化脱碳、周期长、成本高；b、第一次淬火作用细化芯部晶粒，消除表面网状碳化物，第二次淬火作用细化表层晶粒；c、仅适用于为了消除网状碳化物而采用的热处理工艺。3、渗碳层厚度测定方法断口目测法（工厂炉前使用）、金相测定法（日常检验使用）、剥层化学分析法（科学研究使用）五、缺陷及防止1、大块状或网状碳化物防止：严格控制表面碳浓度；消除：适当提高淬火温度、两次淬火、正火+淬火、高温回火2、渗碳层过厚或太薄防止：严格控制工艺参数；消除：太薄可通过补渗3、渗碳层不均匀清洗工件表面、工件装炉合理布置、定期清理炉内积碳等措施防止4、淬火硬度不足渗碳层浓度偏低造成的，可通过严格控制工艺参数及工艺过程防止；热处理工艺不合理造成的，可通过严格选择和控制淬火温度进行防止5、心部硬度过高或不足硬度不足：提高淬火温度，使铁素体完全溶解；硬度过高：适当降低淬火温度。6、表面氧化与腐蚀清洁工件表面、提纯渗碳剂、烘干渗碳剂等措施防止

第十三讲：渗氮及碳氮共渗提问：固体、液体、气体渗碳三种工艺相比较而言，哪种渗碳速度最快？哪种渗层碳浓度分布最均匀？渗碳件热处理需要满足的要求？为了消除气体渗碳件渗层的网状碳化物，能否采用一次淬火法？5-5渗氮（氮化）一、概述1、定义：将氮渗入钢件表面层的化学热处理。2、钢件渗氮后特点：（1）表面硬度高，热硬性和热稳定性好（如在600℃左右能维持高硬度和高力学性能），耐磨性好；（2）变形小（因为渗氮温度低，500-700℃）；（3）疲劳强度可提高25%-30%，高频淬火后，更可提高50%；（4）耐腐蚀能力大大提高；（5）不再热处理；3、缺点：工艺时间长、成本高、渗氮层薄而脆3、渗氮过程：NH3分解、活性N原子的吸收、N原子的扩散氨气的分解是个可逆过程：，同时4、氨分解率（对渗层的质量有影响）、氮原子吸收率（对渗氮时间有影响）二、Fe-N相图与组织（画图5-15）三、渗氮用钢一般只选择渗氮钢（高合金钢38CrMoAl等，合金元素与N形成的合金氮化物性能高），不选择碳钢（碳钢不能获得高硬度和高耐磨性，形成的氮化物不稳定，高温易分解和聚集粗化）四、渗碳工艺1、工艺路线：下料→锻造→正火→粗车→调质→半精车→稳定处理→粗磨→时效→半精磨→不渗氮部位防护处理→渗氮→精磨→研磨→装配（提问与渗碳工艺的区别在那里？）2、渗氮前处理1）调质处理：改善工件机械加工性能，获得均匀的回火索氏体组织；回火温度越高，工件硬度越低，基体组织碳化物弥散度越小，氮原子越容易渗入。2）稳定处理及时效：都是为了彻底消除工件的内应力，稳定尺寸，减小变形；稳定处理温度要低于回火温度，时效温度要低于稳定处理温度，且时间都要很长。（如T4280坐标镗床主轴，38CrMoAlA钢，调质回火温度为650-670℃，2.5h，稳定处理温度为620-640℃，10h，而时效处理为180-2003、渗氮1）等温渗氮（一级渗氮、一段渗氮）（画图5-16）a、一般温度为480-530℃b、温度低、周期长、渗层较浅；c、应用于尺寸精密、硬度高的工件。2）二段渗氮（二级渗氮）——目前应用最广泛的渗氮工艺（画图5-17）a、第一段温度较低，为了获得高弥散度、高硬度的合金氮化物；b、第二段温度较高，增加扩散速度，缩短渗氮时间；3）三段渗氮（三级渗氮）：第二段渗氮温度比二段渗氮的温度高，所以渗氮速度快同一渗氮厚度，等温渗氮所花时间最长，二段渗氮可节省15%的时间，三段渗氮可节省50%的时间。五、影响渗氮质量的因素1、渗氮温度：要适中，太高或太低都不利于获得理想渗层性能；2、渗氮时间：一般不超过100h，再增加对渗层厚度和性能影响不大；3、氨分解率：分解率要适中，太低或太高会影响渗层氮浓度和性能，过高会降低硬度；4、工件的变形：变形后很难校直。六、渗氮后质量检查1、厚度检查：金相法、断口法2、硬度检查：轻型洛氏硬度计（HRN）、维氏硬度计（HV）3、脆性检查：根据维氏硬度计压头的棱锥在工件表面上的压痕形状，分为四级1级-不脆，压痕边缘完整无缺；2级-略脆，压痕边缘有轻微崩碎；3级-脆，压痕边缘崩碎较大；4级-极脆，压痕边缘严重脆裂。七、性能1、硬度和耐磨性：硬度比渗碳件高很多，耐磨性大大优于渗碳件（磨损仅为渗碳件的1/4）；2、红硬性：600℃以下，高温硬度几乎不变，但即使超过900℃，硬度也不会低于未渗氮的硬度；3、疲劳性能：渗氮层内形成的压应力，使抗疲劳能力增强，渗层越厚，则抗疲劳能力越好；4、耐腐蚀性能：除了海水、酸性介质中腐蚀性能不好外，在其它介质中的耐腐蚀性能十分优良。5-6氮碳共渗（软氮化）（液体氮碳工艺有毒被限制）气体氮碳工艺较为普遍，温度较低（500-600℃），渗氮为主、渗碳为辅5-7碳氮共渗（液体碳氮共渗工艺有毒被限制）气体碳氮共渗较为普遍，低温时（520-580℃）相当于氮碳共渗，高温（790-930兼具渗碳工艺（渗层硬度分布曲线较平缓而能承受较大的工作负荷）和渗氮工艺（高硬度、优异耐磨性、低温、周期短等）的优点5-8渗硼为了获得高硬度、良好的抗蚀性（硫酸、盐酸和碱中，但硝酸不耐腐蚀）5-9渗铬为了获得抗氧化性、耐蚀性（耐酸、耐碱、耐热）5-10渗铝为了获得高温抗氧化性

第十四讲：热处理工艺设计提问：渗氮工艺的特点及缺点？渗氮前要进行哪些工序？渗氮工艺有哪几种？为何要分段渗氮？碳氮共渗工艺以渗什么元素为主？6热处理工艺设计a、热处理工艺设计考虑：可靠性、安全性、再现性、经济性。b、热处理工艺设计的主要任务是：决定工件的几何形状与加工精度，提出工件服役条件下所要求各种性能及满足性能要求应选用的材料，确定适当的基本加工路线，并考虑到在生产准备与制造时的经济性和方便性。c、设计应根据：工件要求、技术条件、工厂规模、产品特点、产品失效形式、现场条件等，确定热处理设备，以达到提高工件质量、便于管理、降低成本。6-1热处理件结构形状要求一、设计1、避免应力集中：（画图8-1）1）界面急剧变化的工件（淬火时产生过大的内应力，引起变形或开裂），采用平滑过渡或圆弧过渡；2）外形尖锐、尖角的工件（淬裂的策源地），用圆弧代替尖角；3）工件的孔或模具型腔，孔之间应有一定距离。2、尽量简单、均衡、规则、对称（画图8-2）：1）球形优于立方体、长方体，圆柱体优于圆锥体，圆形截面优于椭圆形截面，方形截面优于矩形截面；2）尽可能的把各种功能孔的尺寸与位置布置成均衡对称；3）辅助孔不应位于交叉刃口的延长线上，更不应靠近小锐角；（画图8-3）4）盲孔尽可能改为通孔；3、防止降低工件机械强度：工件薄壁或者性能最差部位，尽可能通过选材和工艺规范防止性能降低；4、充分考虑热处理工艺性：淬透性、淬硬性、变形和开裂倾向、过热敏感性、氧化脱碳敏感性等工艺指标与材料选择、成本控制、生产周期、出现废品的情况有关；二、设计中的实际措施（由于形状和尺寸各异，不可能遵循以上设计原则）（1）设计成合理形状，淬硬后再磨去不必要部位；（2）非对称形状的工件，可在不重要位置或具有加工余量位置采用加工工艺孔等措施改善散热条件；（3）大型形状复杂工件，可采用拼镶结构，解决加工难、热处理难；（4）刻字、印痕的位置应离应力集中程度高的孔尽量远。6-2正确选择工件材料一、选材原则：（1）机械性能、物理性能、化学性能应满足工件的服役条件要求；（2）应具有良好的加工工艺性能（如锻造、切削、变形淬裂危险性小等）；（3）经济性好（来源广泛、价格低、成品率高、管理方便等），工件寿命长。二、满足服役条件要求：服役条件（拉伸负荷、往复负荷、弹性变形、冲击负荷、磨损）、失效分析三、具有良好的加工工艺性能：(冷加工工艺、热加工工艺)重选或修改重选或修改初选材料制定加工工艺路线提出对材料的工艺性能要求综合比较初选材料确定材料不合格四、选材方法：1、承受拉伸冲击多种负荷时（要求高强度、高韧性），选质量效应小、淬透性好的钢，如合金钢；若要求精度高、变形小，则选用油淬钢（合金钢），不选水淬钢（碳钢）；在满足使用性能的前提下，尽量选用低含碳量的钢（低碳钢的塑性和韧性比高碳钢要好）；2、承受交变负荷时，要考虑材料的强度、韧性、抗疲劳强度，还要考虑工件表面粗糙度、凹槽、螺纹、棱角、材质、组织、内部缺陷等等；3、承受冲击负荷时，要考虑碳含量或合金元素含量、回火组织、晶粒度等；4、承受摩擦磨损时，主要考虑碳、氮元素的表面含量及淬火组织；（滑动摩擦时中低碳钢，滚动摩擦时轴承钢）5、表面硬化处理工件，要考虑材料成分、硬化层厚度、冷却速度、芯部硬度等因素；6-3工艺设计包括：工艺在整个工件加工制造过程中的位置、工艺选择、工艺规程的拟定一、位置：（画图8-5）性能要求不高、要求较高的一般工件、要求较高的精密工件二、工艺选择：1、热处理技术条件：需要考虑材料，组织，硬化层、渗碳层、渗氮层的厚度，机械性能（抗拉性能指标、冲击性能指标、硬度指标这三个指标来衡量）；2、工艺性考虑：先进性、可行性、经济性3、工厂生产条件和生产类型4、节能环保要求三、金相组织：在满足使用性能的条件下，尽量控制工件的组织使晶界断裂转化为晶内断裂（如下贝氏体、马氏体）四、热处理工艺规程拟定1、保证质量节约成本；2、选择合适的热处理工艺；3、选择合理的加热与冷却方法；4、力求优化各工序，避免重复；5、确定工艺间的质量检查和控制方法，及其使用的设备。6-4热处理工艺在加工工艺中的地位预先热处理、冷热加工配合6-5设计思路及效果评定思路：采用节能环保的新技术和设备；评定：达到技术要求、质量稳定、经济效益明显等

第十五讲：热处理设备提问：热处理工艺设计的主要任务？工件材料的选取原则？热处理工艺规程拟定需要主要的问题？7热处理设备7-1传热理论：传导传热、对流传热、辐射传热（阅读加热炉或者材料热传输原理相关知识）7-2筑炉材料包括：耐火材料、隔热材料、炉外和炉内