第2章鋼的熱處理工藝

1、金屬材料及熱處理 主講教師：趙忠魁 第二章 鋼的熱處理工藝 鋼的熱處理工藝 通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼 的組織結構以獲得工件所要求性能的一種 熱加工技術。 分類 普通熱處理（退火、正火、淬火、回火） 表面熱處理（表面淬火、化學熱處理） 形變熱處理 一、退火 什么是退火？ 將鋼加熱到相變溫度Ac1以上或以下，保溫以 后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）以獲得接近平衡狀 態(tài)組織的一種熱處理工藝。 目的： 均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒， 調(diào)整硬度，消除內(nèi)應力和加工硬化調(diào)整硬度，消除內(nèi)應力和加工硬化 ，改善，改善 鋼鋼 的成形和切削加工性能，的成形和切削加工性能， 為淬火做好組織準備。 （1）按加熱溫

2、度分為臨界溫度以上或以下按加熱溫度分為臨界溫度以上或以下 臨界溫度以上 l 完全退火 l 擴散退火 l 不完全退火 l 球化退火 臨界溫度以下 l 再結晶退火 l 去應力退火 （2）按冷卻方式）按冷卻方式 等溫退火 連續(xù)冷卻退火 分類分類 加熱溫度范圍 1.完全退火 概念概念 將鋼件或鋼材加熱到Ac3以上2030，經(jīng)完全奧 氏體化后進行隨爐緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處 理工藝。 目的目的 均勻組織，細化晶粒均勻組織，細化晶粒 降低硬度，消除內(nèi)應力降低硬度，消除內(nèi)應力 改善鋼的切削加工性能改善鋼的切削加工性能。 適用鋼材適用鋼材 中碳鋼（消除魏氏組織、晶粒粗大、帶狀組織等） 實際生產(chǎn)中，實

3、際生產(chǎn)中，600出爐空冷出爐空冷。 等溫退火等溫退火 將奧氏體化后的鋼較快地 冷卻到稍低于Ar1溫度等溫，使 奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，再空冷 到室溫的熱處理工藝。 縮短退火時間 適用于高碳鋼、合金工 具鋼和高合金鋼。 （1）概念 （2）目的 （3）適用鋼種 2.不完全退火 概念 將鋼加熱到Ac1Ac3(亞共析鋼)或Ac1Accm (過共析鋼) 之間的雙相區(qū)，保溫后緩慢冷卻的熱處理工藝。 對亞共析鋼，可代替完全退火。 對過共析鋼，即為球化退火。 3.球化退火 概念概念 鋼隨爐升溫加熱到鋼隨爐升溫加熱到Ac1Accm以下的雙相區(qū)以下的雙相區(qū)，保溫，保溫 后緩慢冷卻的熱處理工藝。后緩慢冷卻的熱處理工藝。

4、 目的目的 讓其中的碳化物讓其中的碳化物球化球化（?；┖停；┖拖W(wǎng)狀的二次消除網(wǎng)狀的二次 滲碳體滲碳體。（因此叫做球化退火。）。（因此叫做球化退火。） 主要適用于共析或過共析的工模具鋼主要適用于共析或過共析的工模具鋼 適用鋼種適用鋼種 T10鋼球化退火組織 ( 化染 ) 500 4.擴散退火（均勻化退火） 概念概念 將工件加熱到將工件加熱到略低于固相線的溫度略低于固相線的溫度（亞共析鋼通常為（亞共析鋼通常為 10501150），長時間（一般），長時間（一般1020h）保溫，然后隨）保溫，然后隨 爐緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝。爐緩慢冷卻到室溫的熱處理工藝。 （也叫均勻化退火。） 目的目的

5、均勻鋼內(nèi)部的化學成分，消除偏析。均勻鋼內(nèi)部的化學成分，消除偏析。 主要于鑄造后的高合金鋼。主要于鑄造后的高合金鋼。 適用情況適用情況 5.去應力退火 概念概念 為了消除由于變形加工以及鑄造、焊接過程引起的殘為了消除由于變形加工以及鑄造、焊接過程引起的殘 余內(nèi)應力而進行的退火稱為余內(nèi)應力而進行的退火稱為去應力退火去應力退火。 退火溫度退火溫度不超過Ac1，一般500650。 6.再結晶退火 概念 把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當?shù)?時間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶而消除加工硬化 的熱處理工藝。 二、正火 概念概念 將鋼材或鋼件加熱到將鋼材或鋼件加熱到臨界溫度以上臨界溫度以上，保溫

6、后，保溫后空冷空冷的熱的熱 處理工藝。處理工藝。 亞共析鋼的加熱溫度為Ac33050 過共析鋼的加熱溫度為Accm3050。 正火與退火的主要區(qū)別正火與退火的主要區(qū)別 冷卻速度不同，正火冷卻速度較大，得到的珠光體組冷卻速度不同，正火冷卻速度較大，得到的珠光體組 織很細，因而強度和硬度也較高?？椇芗殻蚨鴱姸群陀捕纫草^高。 應用應用 （1）消除網(wǎng)狀二次滲碳體）消除網(wǎng)狀二次滲碳體 （2）作為最終熱處理，提高工件的力學性能）作為最終熱處理，提高工件的力學性能 （3）改善切削加工性能）改善切削加工性能 （4）消除熱加工缺陷。）消除熱加工缺陷。 三、退火和正火的選用 含碳量0.75鋼，選用球化退火 中碳

7、鋼、合金鋼正火硬度高不易切削，選 用完全退火 在要求不高時，盡量選用正火。 三、鋼的淬火 概念概念 將亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼與過共析鋼加熱 到Ac1以上（低于Accm）的溫度，保溫后以大于臨界冷卻 速度Vk的速度快速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處 理工藝。 目的目的 獲得馬氏體，提高鋼的力學性能。 選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織選擇淬火溫度的原則是獲得均勻細小的奧氏體組織。 過共析鋼淬火溫度： 一般為Ac1以上3050 圖6-14是碳鋼的淬火溫度范圍。 （1）淬火溫度的確定 亞共析鋼的淬火溫度： 一般為Ac3以上30 50，淬火后獲得均勻 細小的馬氏體組織。 （2）加

8、熱時間的確定 加熱時間由升溫時間和保溫時間組成。 由零件入爐溫度升至淬火溫度所需的時間為升溫時間，并 以此作為保溫時間的開始。 保溫時間是指零件燒透即完成奧氏體化過程所需要的時間。 加熱時間通常根據(jù)經(jīng)驗公式估算或通過實驗確定。生產(chǎn)中 往往要通過實驗確定合理的加熱及保溫時間，以保證工件 質(zhì)量。 淬火要得到馬氏體組織，同時又要避免產(chǎn)生變形和開裂淬火要得到馬氏體組織，同時又要避免產(chǎn)生變形和開裂 在在“鼻尖鼻尖”溫度以上，在保證不溫度以上，在保證不 出現(xiàn)珠光體類型組織的前提下，可以出現(xiàn)珠光體類型組織的前提下，可以 盡量緩冷；盡量緩冷； 在在“鼻尖鼻尖”溫度附近則必須快冷，溫度附近則必須快冷， 以躲開以

9、躲開“鼻尖鼻尖”，保證不產(chǎn)生非馬氏，保證不產(chǎn)生非馬氏 體相變；體相變； 在在Ms點附近又可以緩冷，以減點附近又可以緩冷，以減 輕馬氏體轉(zhuǎn)變時的相變應力。輕馬氏體轉(zhuǎn)變時的相變應力。 常用的淬火冷卻介質(zhì)是常用的淬火冷卻介質(zhì)是水水、鹽鹽或或堿的水溶液堿的水溶液和和各種礦物各種礦物 油油、植物油植物油。 （3）淬火冷卻介質(zhì)的確定 原則原則：保證在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減保證在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減 小淬火應力，減少工件變形和開裂傾向。小淬火應力，減少工件變形和開裂傾向。 時間時間 溫度 Ms A1 單液淬火單液淬火雙液淬火雙液淬火 分級淬火分級淬火 等溫淬火等溫淬火

10、（4）淬火方法）淬火方法 1）單液淬火）單液淬火 概念概念 將奧氏體狀態(tài)的工件放入一將奧氏體狀態(tài)的工件放入一 種淬火介質(zhì)中一直冷卻到室溫的種淬火介質(zhì)中一直冷卻到室溫的 淬火方法。淬火方法。 特點特點 操作簡單，容易實現(xiàn)機械化操作簡單，容易實現(xiàn)機械化 適用范圍適用范圍 形狀簡單的碳鋼和合金鋼工形狀簡單的碳鋼和合金鋼工 件。件。 2）雙液淬火）雙液淬火 概念 先將奧氏體狀態(tài) 的工件在冷卻能力強 的淬火介質(zhì)中冷卻至 接近Ms點溫度時， 再立即轉(zhuǎn)入冷卻能力 較弱的淬火介質(zhì)中冷 卻，直至完成馬氏體 轉(zhuǎn)變。 3）分級淬火）分級淬火 概念 將奧氏體狀態(tài)的工 件首先淬入略高于鋼的 Ms點的鹽浴或堿浴爐中 保溫

11、，當工件內(nèi)外溫度 均勻后，再從浴爐中取 出空冷至室溫，完成馬 氏體轉(zhuǎn)變。 4）等溫淬火）等溫淬火 將奧氏體化后的工 件在稍高于Ms溫度的鹽 浴或堿浴中冷卻并保溫 足夠時間，從而獲得下 貝氏體組織的淬火方法。 （5）鋼的淬透性）鋼的淬透性 1）淬透性的概念）淬透性的概念 指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，指奧氏體化后的鋼在淬火時獲得馬氏體的能力， 鋼的淬透性大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深鋼的淬透性大小用鋼在一定條件下淬火獲得的淬透層深 度來表示。度來表示。 通常采用從淬火工件表面到半馬氏體區(qū)距離作為淬透層通常采用從淬火工件表面到半馬氏體區(qū)距離作為淬透層 深度。深度。 2）影響淬透

12、性的因素）影響淬透性的因素 主要因素是化學成分主要因素是化學成分 除除Co以外，所有溶于奧氏體中的合金元素都提高淬透性。以外，所有溶于奧氏體中的合金元素都提高淬透性。 奧氏體的均勻性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都奧氏體的均勻性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都 會影響淬透性。會影響淬透性。 試驗時，先將標準試樣加熱至奧氏體化溫度，停留30 40min，然后迅速放在端淬試驗臺上噴水冷卻。 3）淬透性的測定及其表示方法）淬透性的測定及其表示方法 淬透性的測定方法很多，有淬透性的測定方法很多，有臨界淬火直徑法圖臨界淬火直徑法圖和和末端淬火法末端淬火法。 應用得最廣泛的是應用得最廣泛的是“末端淬火

13、法末端淬火法”，簡稱，簡稱端淬試驗端淬試驗 a) 全淬透 b) 未淬透 未淬透鋼未淬透鋼 淬透鋼淬透鋼 四、鋼的回火 什么是回火？ 淬火后再將工件加熱到Ac1溫度以下某一溫度，保溫 后再冷卻到室溫的一種熱處理工藝。 一般是緊接淬火以后的熱處理工藝。 淬火后回火目的 降低或消除內(nèi)應力，以防止工件開裂和變形； 減少或消除殘余奧氏體，以穩(wěn)定工件尺寸； 調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，以滿足工件的 使用要求。 低溫回火低溫回火 150250 特別適合刀具、量具、滾動軸承和高頻表面淬火工件。大部分材特別適合刀具、量具、滾動軸承和高頻表面淬火工件。大部分材 料是淬火高碳鋼和高碳合金鋼料是淬火高碳鋼和高碳合金鋼

14、中溫回火中溫回火 350500 主要用于各種彈簧零件和熱鍛磨具。主要用于各種彈簧零件和熱鍛磨具。 高溫回火高溫回火 500650 主要適用于中碳結構鋼和低合金結構鋼，用來制作曲軸、連桿、主要適用于中碳結構鋼和低合金結構鋼，用來制作曲軸、連桿、 連桿螺栓、汽車半軸、機場主軸、齒輪等連桿螺栓、汽車半軸、機場主軸、齒輪等 淬火加高溫回火又稱調(diào)質(zhì)處理 回火工藝回火工藝 按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低溫回火，中溫 回火、高溫回火。 按照回火溫度和工件所要求的性能，一般將回火分為三類 五、鋼的表面淬火 什么是表面淬火？ 僅對鋼的表面快速加熱、冷卻，把表面淬成馬氏體， 心部組織不變的熱處理工藝。 注

15、意：表面熱處理不改變鋼的成分。 按加熱方式可分為 感應加熱 火焰加熱 電接觸加熱 電解加熱 加熱器通入電流，工 件表面在幾秒鐘之內(nèi)迅速加 熱到遠高于Ac3以上的溫度， 接著迅速冷卻工件（例如向 加熱了的工件噴水冷卻）表 面，在零件表面獲得一定深 度的硬化層。 1. 感應加熱感應加熱 感應線圈通以交流電時，就會在它的內(nèi)部和周圍產(chǎn)生與 交流頻率相同的交變磁場。若把工件置于感應磁場中，則 其內(nèi)部將產(chǎn)生感應電流并由于電阻的作用被加熱。 感應電流在工件表層密度最大，而心部幾乎為零，這 種現(xiàn)象稱為集膚效應。 電流透入工件表層的深度主要與電流頻率有關。如下 式所示： 通過頻率的選用可以得 到不同工件所要求的

16、淬硬層 深度。 電流頻率越高，感 應電流透入深度越淺，加 熱層也越薄。 第一類 高頻感應加熱淬火 常用電流頻率：801000kHz 淬硬層深度： 0.52.0mm 應用：適用于中小模數(shù)的齒輪及中小尺寸的軸類零件等。 第二類 中頻感應加熱淬火 常用電流頻率：25008000Hz 淬硬層深度： 210mm 應用：適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。 第三類 工頻感應加熱淬火 電流頻率：50赫茲 淬硬層深度：可達1015mm 應用：適用于較大直徑零件的穿透加熱及大直徑零件如軋輥、 火車車輪等的表面淬火。 感應加熱表面淬火的分類感應加熱表面淬火的分類 據(jù)電流頻率的不同，可將感應加熱表面淬火分為三類：

17、 感應加熱適用的材料 中碳鋼和中碳低合金鋼，如45、40Cr、40MnB等。 這些鋼經(jīng)預先熱處理（正火或調(diào)質(zhì)處理）后再 表面淬火，心部有較高的綜合機械性能，表面也有較 高的硬度和耐磨性。 鑄鐵也是適合于表面淬火的材料 感應加熱表面淬火的特點 由于感應加熱速度極快，過熱度增大，使鋼的臨界點升高， 故感應加熱淬火溫度(工件表面溫度)高于一般淬火溫度。 由于感應加熱速度快，奧氏體晶粒不易長大，淬火后獲得非 常細小的隱晶馬氏體組織，使工件表層硬度比普通淬火高 2HRC3HRC，耐磨性也有較大提高。 表面淬火后，淬硬層中馬氏體的比體積較原始組織大，因此 表層存在很大的殘余壓應力，能顯著提高零件的彎曲、抗

18、扭疲 勞強度。小尺寸零件可提高23 倍，大尺寸零件可提高20% 30%。 由于感應加熱速度快、時間短，故淬火后無氧 化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小，易于實現(xiàn)機 械化與自動化。 2火焰加熱表面淬火 火焰加熱淬火是火焰加熱溫度很高（約火焰加熱淬火是火焰加熱溫度很高（約3000以以 上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過調(diào)節(jié)燒嘴的上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過調(diào)節(jié)燒嘴的 位置和移動速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。位置和移動速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。 用乙炔氧或煤 氣氧等火焰直接加熱 工件表面，然后立即噴 水冷卻，以獲得表面硬 化效果的淬火方法。 特點 概念 3其它類型的表面淬火 （1）

19、電接觸加熱表面淬火 利用觸頭和工件間的接觸電阻在通以大電流 時產(chǎn)生的電阻熱，將工件表面迅速加熱到淬火溫 度，當電極移開，借工件本身來加熱部分的熱傳 導來淬火冷卻的熱處理工藝稱為電接觸加熱表面 淬火。 （2）激光熱處理 激光熱處理開始于七十年代，它是將激光 器發(fā)射出的激光對準處理工件進行掃描加熱，一 般加熱以后空氣中冷卻。 六、化學熱處理 化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質(zhì)中 保溫，使一種或幾種元素滲入它的表面，改變其 化學成分和組織，達到改進表面性能，滿足技術 要求的熱處理過程。 常用的化學熱處理有滲碳、滲氮（俗稱氮化）、 碳氮共滲（俗稱氰化和軟氮化）等。還有滲硫、 滲硼、滲鋁、滲釩、滲

20、鉻等。 發(fā)蘭、磷化可以歸為表面處理，不屬于化學熱處 理。 化學熱處理過程包括分解、吸收、擴散三個基本 過程。 1滲碳 滲碳就是將低碳鋼放入高碳介質(zhì)中加熱、保溫， 以獲得高碳表層的化學熱處理工藝。 滲碳的主要目的是提高零件表層的含碳量，以便 大大提高表層硬度，增強零件的抗磨損能力，同 時保持心部的良好韌性。 與表面淬火相比，滲碳主要用于那些對表面有較 高耐磨性要求，并承受較大沖擊載荷的零件。 滲碳用鋼為低碳鋼及低碳合金鋼，如20、20Cr、 20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。含碳量 提高，將降低工件心部的韌性。 （1）滲碳方法）滲碳方法 根據(jù)使用時滲碳劑的不同狀態(tài)，滲碳方

21、法可 以分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳三種，常 用的是前兩種，尤其是氣體滲碳。 a）氣體滲碳 是將工件置于密封的氣體滲碳爐內(nèi)，加熱到 900以上（一般900950），使鋼奧氏體 化，向爐內(nèi)滴入易分解的有機液體（如煤油、苯、 甲醇、醋酸乙酯等），或直接通入滲碳氣氛通過 在鋼的表面上發(fā)生反應，形成活性碳原子。反應 如下： 鋼的氣體滲碳鋼的氣體滲碳 圖5-29 氣體滲碳爐 b）固體滲碳 是將工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋 子和耐火泥封好，然后放在爐中加熱至900 950，保溫足夠長時間，得到一定厚度的滲碳 層。 固體滲碳劑通常是一定粒度的木炭與15% 20%的碳酸鹽（BaCO3或Na2CO3）

22、的混合物。 木炭提供滲碳所需要的活性炭原子，碳酸鹽起催 化作用，反應如下： 鋼的固體滲碳鋼的固體滲碳 零件零件 滲碳劑滲碳劑 試棒試棒蓋蓋 泥封泥封 滲碳箱滲碳箱 圖5-30 鋼的固體滲碳爐 （2）滲碳工藝及組織）滲碳工藝及組織 滲碳處理的工藝參數(shù)是滲碳溫度和滲碳時間。 由于奧氏體的溶碳能力較大，因此滲碳溫度 必須高于Ac3溫度。加熱溫度越高，則滲碳速度越 快，滲碳層越厚，生產(chǎn)率也越高。但為了避免奧 氏體晶粒過分長大，所以滲碳溫度不能太高，通 常為900950。 在溫度一定的情況下，滲碳時間取決于滲碳 層的厚度。 下表是不同滲碳溫度下，不同滲碳時間的滲層厚 度。 （3）滲碳后的熱處理 滲碳工藝

23、的加熱溫度高，時間較長，還需淬火才 能達到硬度要求，所以鋼滲碳以后必須進行熱處 理才能達到預期目的。如汽車、機車、礦山機械、 起重機械等用的大量傳動齒輪都采用滲碳熱處理 工藝提高其耐磨損性能。 滲碳件的熱處理方法有三種，如圖6-21所示。 （a）預冷直接淬火法 （b）預冷一次淬火法 （c）預冷二次淬火法 2滲氮（氮化） 滲氮工藝又叫氮化。它的主要目的是提高零件表 層含氮量以增強表面硬度和耐磨性、提高疲勞強 度和抗蝕性。 （1）氮化工藝 a）氣體氮化。 b）離子氮化。 與氣體氮化相比，離子氮化的特點是處理周期短， 僅為氣體氮化的1/31/4（例如38CrMoAl鋼，氮 化層深度若達到0.350.7mm，氣體氮化一般需 70小時，而離子氮化僅需1520小時），零件的 表面不易形成連續(xù)的白色脆性層。 （2）氮化后的組織和性能 氮化后零件表面硬度比滲碳的還高，耐磨損性能 很好，同時滲層一般處于壓應力，疲勞強度高，但脆 性較大。氮化層還具有一定的抗蝕性能。氮化后零件 變形很小，通常毋需再加工，也不必再熱處理強化。 適合于