CH4-鋼的熱處理工藝第10-11講2011-5

1、第四章第四章 鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝 供應窄帶鋼行業(yè)熱處理設備供應窄帶鋼行業(yè)熱處理設備毛坯生產毛坯生產 預備熱處理預備熱處理 機械加工機械加工 最終熱處理最終熱處理 機械精加工機械精加工預備熱處理預備熱處理 : 退火退火 ; ; 正火正火最終熱處理最終熱處理 : 淬火淬火 ; ; 回火回火一般機械鋼零件生產的工藝路線一般機械鋼零件生產的工藝路線: : Therefore, 熱處理是一種非常重要的加工方法加工方法，極大部分機械零件都必須經過熱處理！教學內容教學內容4.1 4.1 鋼的退火與正火工藝鋼的退火與正火工藝4.2 4.2 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火4.3 4.3 鋼的表面熱處理鋼

2、的表面熱處理4.4 4.4 鋼的化學熱處理鋼的化學熱處理 過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉變CCTCCT曲線曲線C - continuousC - coolingT - transformationVkVk時 間 ( lg )溫度時 間 ( lg )溫度A1A1PfPsA+PKM sMf水水 冷冷水水 冷冷油油 冷冷油油 冷冷Vk1Vk1爐爐 冷冷爐爐 冷冷空空 冷冷空空 冷冷知識回顧知識回顧Ps：AP開始線Pf：AP終止線K：珠光體型轉變終止線Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）M最小冷速Vk：下臨界冷速完全P最大冷速共析碳鋼共析碳鋼 TTT 曲線與曲線與CCT曲曲線的比

3、較線的比較（1）CCT位于TTT曲線右下方 AP轉變溫度低一些，t長一些（2）CCT無AB轉變 CCT測定困難，常用TTT曲線定性分析C曲線的應用曲線的應用4 41 1 鋼的退火與正火工藝鋼的退火與正火工藝 將鋼件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后將鋼件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻緩慢冷卻的熱處理工藝。的熱處理工藝。退火工藝曲線退火工藝曲線一、退火一、退火 消除應力消除應力;降降低硬度低硬度;細化晶粒細化晶粒;均均勻成分勻成分;為最終熱處為最終熱處理作好組織準備。理作好組織準備。 1完全退火完全退火 加熱溫度：加熱溫度： Ac3以上以上20-30度度 組組 織：織： P+F 目目

4、 的：的： 細化，均勻化粗大、細化，均勻化粗大、 不均勻組織不均勻組織 接近平衡組織接近平衡組織 調整硬度調整硬度切削性切削性 消除內應力消除內應力 應用范圍：應用范圍： 亞共折鋼，共析鋼，亞共折鋼，共析鋼， 不適用于過共析鋼。不適用于過共析鋼。2球化退火（不完全退火）球化退火（不完全退火） 加熱溫度：加熱溫度： Ac1以上以上20-40度度 組組 織：織： 球狀球狀P（F+球狀球狀Cem） 目目 的：的： 使使Cem球化球化HRC，韌性，韌性切削性切削性 為淬火作準備為淬火作準備 應用范圍：應用范圍： 過共析鋼，共析鋼過共析鋼，共析鋼 加熱溫度：加熱溫度： 1050-1150，10-20h,

5、 組織：組織：P+F或或P+Fe3CII 目的：消除偏析目的：消除偏析 后果：粗大晶粒后果：粗大晶粒 （應用完全退火消除）（應用完全退火消除）4再結晶退火再結晶退火 加熱溫度：加熱溫度：Ac1以下以下50-150度，度， 或或T再再+30-50度度 目的：消除加工硬化目的：消除加工硬化5去應力退火去應力退火 500-6503擴散退火（均勻化退火）擴散退火（均勻化退火） 把鋼零件加熱到臨界溫度以上把鋼零件加熱到臨界溫度以上3050,保溫一定時間保溫一定時間,然后然后在空氣中冷卻在空氣中冷卻的的熱處理工藝熱處理工藝。二、正火二、正火 （空冷）（空冷）（1）作最終熱處理，普通結構鋼零件）作最終熱處理

6、，普通結構鋼零件 a.a.細化細化A A晶粒，組織均勻化晶粒，組織均勻化 b. b. 減少亞共析鋼中減少亞共析鋼中F%P%F%P%，細化組織，細化組織強度，韌性，硬度強度，韌性，硬度 （2）預先熱處理）預先熱處理 a. a. 消除魏氏組織，帶狀組織；細化組織消除魏氏組織，帶狀組織；細化組織為淬火、調質作準備為淬火、調質作準備 b. b. 使過共析鋼中使過共析鋼中FeFe3 3C CIIII使其不形成連續(xù)網狀，為球化作準備使其不形成連續(xù)網狀，為球化作準備（3）改善切削加工性能）改善切削加工性能（低碳鋼） 臨界溫度：Ac3Ac3或或Accm+30-50Accm+30-50 組織：組織：S+（F或或

7、Fe3C）應用及目的：應用及目的：以以45#鋼為例的正火工藝曲線：鋼為例的正火工藝曲線： 保溫時間的經驗公式:=KD(單位為單位為min,式中式中,K加熱系數(shù)加熱系數(shù),一般一般K=1.5-2.0m/min, 若裝爐量若裝爐量大則可延長保溫時間大則可延長保溫時間,D工件有效厚度工件有效厚度,單位為單位為m) 操作步驟如下：操作步驟如下： 入爐入爐保溫保溫出爐出爐空冷空冷三、退火、正火的選擇三、退火、正火的選擇 工具鋼工具鋼正火正火+球化退火球化退火 結構鋼結構鋼正火正火 返修件返修件退火退火正火：冷速快，材料組織細化，機械性能好。正火：冷速快，材料組織細化，機械性能好。1切削加工 低碳鋼正火 中

8、高碳鋼完全退火 高碳鋼、合金工具鋼正火球化退火2作為最終熱處理正火3為最終熱處理提供良好的組織狀態(tài)4. 正火可替代完全退火以提高效率4.2 4.2 鋼的淬火與回火鋼的淬火與回火加熱到加熱到AC3、AC1相變溫度相變溫度以上，保溫，以上，保溫，快速冷卻快速冷卻M+A 1 1淬火溫度的決定淬火溫度的決定 亞共析鋼Ac3+30-50度 共析鋼 Ac1+30-50度 過共析鋼 Ac1+30-50度 A、 保留一定的CemHRC，耐磨性 B、 A中C%M中C%M脆性 C、 A中C%M過飽和度殘余A 淬火溫度過高淬火溫度過高A粗大粗大M粗大粗大力學性能力學性能，淬火溫度過高淬火溫度過高A粗大粗大M粗大粗大

9、淬火應力淬火應力變形，開裂變形，開裂一、淬火一、淬火650以上，慢，減小熱應力650-400，快，避免跨越C曲線400以下，慢，減輕相變應力理想淬火冷卻曲線示意圖理想淬火冷卻曲線示意圖不同淬火方法示意圖不同淬火方法示意圖2 2淬火介質淬火介質保證保證 快速冷卻快速冷卻以以45#鋼為例的淬火工藝曲線：鋼為例的淬火工藝曲線： 入爐入爐保溫保溫出爐出爐油冷油冷(或水冷或水冷) 二、鋼的淬透性二、鋼的淬透性 1淬透性：淬透性：淬火條件下得到淬火條件下得到M組織的能力，取決于組織的能力，取決于 VK（上臨界冷卻速度）（上臨界冷卻速度）2淬硬性：淬硬性：鋼在淬火后獲得硬度的能力，取決于鋼在淬火后獲得硬度的

10、能力，取決于M中中C%， C%淬硬性淬硬性3影響淬透性的因素影響淬透性的因素 VK，C曲線曲線 C%亞共析鋼 C%淬透性，過共析鋼C%淬透性 奧氏體化溫度奧氏體化溫度 Tt淬透性 合金元素合金元素 除Co%以外，C曲線右移，淬透性 未溶第二相未溶第二相 淬透性 影響影響C曲線的因素曲線的因素（1）根據服役條件，確定對鋼淬透性的要求； 選材的依據（2）熱處理工藝制定的依據；（3）尺寸效應。4淬透性的應用淬透性的應用 三、回火三、回火 a. 消除淬火應力，降低脆性；消除淬火應力，降低脆性； b. 穩(wěn)定工件尺寸，由于穩(wěn)定工件尺寸，由于M，殘余，殘余A不穩(wěn)定；不穩(wěn)定； c. 獲得要求的強度、硬度、塑性

11、、韌性。獲得要求的強度、硬度、塑性、韌性。1回火目的回火目的（淬火組織的問題）（淬火組織的問題） 定義: 把淬火后的零件重新加溫到 A1線以下某個溫度,保溫一段時間,然后冷卻到窒溫。工藝參數(shù)及組織工藝參數(shù)及組織淬火淬火 + 高溫回火高溫回火 = 調質處理調質處理 2鋼在回火時的組織轉變鋼在回火時的組織轉變 a. 馬氏體分解（馬氏體分解（200以下）以下）：析出-Fe2.4C碳化物（亞穩(wěn)定） 回火組織：回火馬氏體M過飽和固溶體十亞穩(wěn)定碳化物（極細的) 作用：晶格畸變降低，淬火應力有所下降。 b. 殘余殘余A分解（分解（200-300）：AM（或AB下） 組織：回火馬氏體M c. 回火屈氏體回火屈

12、氏體T形成（形成（250-400 ）：Fe3C; F維持M外形 組織：回火屈氏體T(F+ Fe3C) d. 碳化物的聚集長大，鐵素體的回復與再結晶（400） 組織：回火索氏體SF（等軸晶）+ Fe3C（粒） e. 碳化物碳化物Fe3C片片細粒狀細粒狀Fe3C。3回火工藝組織一性能關系（及應用）回火工藝組織一性能關系（及應用） （1 1）低溫回火（低溫回火（150-250150-250） 回火馬氏體回火馬氏體 M 降低淬火應力，提高韌性，保證高硬度（降低淬火應力，提高韌性，保證高硬度（HRC58-64HRC58-64）和耐磨性）和耐磨性 高碳的工具、模具、滾動軸承，滲碳與表面淬火的零件高碳的工具

13、、模具、滾動軸承，滲碳與表面淬火的零件（2 2）中溫回火（中溫回火（350-500350-500） 回火屈氏體回火屈氏體 T T 高彈性極限和屈服強度，一定的韌性，硬度一般為高彈性極限和屈服強度，一定的韌性，硬度一般為HRC35-45HRC35-45 彈簧彈簧 （3 3）高溫回火（高溫回火（500-650500-650） 回火索氏體回火索氏體 S S 淬火高溫回火淬火高溫回火調質處理調質處理 綜合機械性能好(強度、韌性、塑性的配合)，硬度一般為HRC25-35 承受交變載荷，連桿、軸、齒輪等重要結構件承受交變載荷，連桿、軸、齒輪等重要結構件最終熱處理最終熱處理 精密量具、模具精密量具、模具預先

14、熱處理預先熱處理回火馬氏體組織金相圖回火馬氏體組織金相圖1、高碳回火馬氏體：、高碳回火馬氏體： 強度、硬度高、塑性、韌性差2、低碳回火馬氏體：、低碳回火馬氏體： 高的強度與韌性，硬度、耐磨性也較好?；鼗鹎象w組織金相圖回火屈氏體組織金相圖屈服強度與彈性極限高42CrMo 400 45鋼鋼 400 回火索氏體組織金相圖回火索氏體組織金相圖綜合機械性能好（見下頁）正火與正火與調質處理調質處理的比較：的比較：4545鋼鋼 b b (MN/m (MN/m2 2) (%) a) (%) ak k(kJ/m(kJ/m2 2) HB ) HB 組織組織 正火正火 700-800 12-20 500-800

15、163-220 700-800 12-20 500-800 163-220 細片細片S+FS+F調質調質 750-850 20-25 800-1200 210-250 750-850 20-25 800-1200 210-250 細粒細粒S S淬火淬火+高溫回火高溫回火調質處理調質處理 200200度以下，度以下，HRCHRC不變。不變。 200-300200-300度，度，M M分解，殘余分解，殘余A A轉變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，轉變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大， 高碳鋼硬度高碳鋼硬度, ,有一定的升高。有一定的升高。 300300度，度，HRCHRC降低。降低。 1 1、韌、韌 性：性： 40

16、0400度開始升高，度開始升高，600600度最高。度最高。 2 2、彈性極限：、彈性極限： 在在300-400300-400度最高。度最高。 3 3、塑、塑 性：性： 在在600-650600-650度最高。度最高。 4 4、高碳回火馬氏體：、高碳回火馬氏體： 強度、硬度高、塑性、韌性差強度、硬度高、塑性、韌性差 6 6、低碳回火馬氏體：、低碳回火馬氏體： 高的強度與韌性，硬度、耐磨高的強度與韌性，硬度、耐磨 性也較好。性也較好。 7 7、回火屈氏體：、回火屈氏體： 屈服強度與彈性極限高屈服強度與彈性極限高 8 8、回火索氏體：、回火索氏體： 綜合機械性能。綜合機械性能。（4 4）回火溫度與

17、機械性能的關系回火溫度與機械性能的關系4合金元素對回火轉變的影響合金元素對回火轉變的影響a. 提高回火穩(wěn)定性提高回火穩(wěn)定性 回火穩(wěn)定性：指鋼在回火時，抵抗回火造成軟化的能力?；鼗鸱€(wěn)定性：指鋼在回火時，抵抗回火造成軟化的能力。b. 增大增大回火脆性（見下頁）回火脆性（見下頁） 回火脆性：指隨回火溫度升高時，在回火脆性：指隨回火溫度升高時，在250400和和450-650 兩個區(qū)出現(xiàn)沖擊韌性明顯下降的脆化現(xiàn)象。兩個區(qū)出現(xiàn)沖擊韌性明顯下降的脆化現(xiàn)象。 c. 產生產生二次硬化（見下后頁）二次硬化（見下后頁） （1 1）低溫回火脆性低溫回火脆性（250-400250-400） 碳化物片沿碳化物片沿M晶界

18、析出晶界析出 避免在此溫度回火避免在此溫度回火（3 3）高溫回火脆性高溫回火脆性（450-650450-650） P等元素在原A晶界偏聚，慢冷時 Cr、Ni等促進偏聚 Mo等抑制偏聚 減少減少P等雜質元素，等雜質元素， 添加添加Mo等合金元素等合金元素 二次硬化效應二次硬化效應：一些：一些MoMo、W W、V V含量較高的鋼回火時，硬含量較高的鋼回火時，硬度并不隨回火溫度的升高單調度并不隨回火溫度的升高單調降低，而是在某一溫度（約降低，而是在某一溫度（約400400）后反而開始增大，并）后反而開始增大，并在另一更高溫度（在另一更高溫度（550550 ）達）達到峰值。到峰值。如圖鉬鋼合金如圖鉬鋼

19、合金回火類型回火類型回火溫度回火溫度 組織組織 性能及應用性能及應用 組織形態(tài)組織形態(tài) 低溫回火低溫回火 150250 回火回火M（M） 保持高硬度，降低脆性保持高硬度，降低脆性及殘余應力，用于工模及殘余應力，用于工模具鋼，表面淬火及滲碳具鋼，表面淬火及滲碳淬火件淬火件 過飽和過飽和a-Fe+e 碳化物碳化物 中溫回火中溫回火 350-500 回火屈氏體回火屈氏體（T ） 硬度下降，韌性、彈性硬度下降，韌性、彈性極限和屈服強度極限和屈服強度，用，用于彈性元件于彈性元件 保留馬氏體保留馬氏體針形針形F+細細粒粒Fe3C 高溫回火高溫回火 500-650 回火索氏體回火索氏體（S ） 強度、硬度、

20、塑性、韌強度、硬度、塑性、韌性、良好綜合機械性能，性、良好綜合機械性能，優(yōu)于正火得到的組織。優(yōu)于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。中碳鋼、重要零件采用。 多邊形多邊形F+粒狀粒狀Fe3C 5回火工藝及其應用回火工藝及其應用 記注：淬火記注：淬火+高溫回火高溫回火調質處理調質處理 以以45#鋼為例的鋼為例的工藝曲線：工藝曲線： 淬火淬火+高溫回火高溫回火調質處理調質處理4.3 4.3 鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理表面淬火：表面淬火： 不改變表面化學成分，只改變其表面組織的局部不改變表面化學成分，只改變其表面組織的局部 熱處理方法。熱處理方法。 一、感應加熱表面淬火一、感應加熱表面淬火 1原理

21、原理 交變磁場交變磁場感應電流感應電流工件電阻工件電阻加熱，集膚效應加熱，集膚效應 表面加熱表面加熱 2分類分類 a. 高頻高頻 200-300KHz，淬硬深度，淬硬深度 0.5-2mm 小工件小工件 b. 中頻中頻2500-8000Hz 淬硬深度淬硬深度2-5mm 尺寸較大的工件尺寸較大的工件 c. 低低頻頻 50Hz 淬硬深度淬硬深度10-15mm 大型工件大型工件 d. 超音頻超音頻 30-40KHz 3鋼種鋼種 中碳鋼和中碳低合金鋼中碳鋼和中碳低合金鋼a. 加熱速度快加熱速度快 幾秒幾秒幾十秒幾十秒b. 加熱時實際晶粒組小，淬火得到極細馬氏體，硬度加熱時實際晶粒組小，淬火得到極細馬氏體

22、，硬度，脆性脆性c. 殘余壓應力殘余壓應力提高壽命提高壽命d. 不易氧化、脫碳、變形小不易氧化、脫碳、變形小e. 工藝易控制，設備成本高工藝易控制，設備成本高4特點特點 鍛造鍛造退火式正火退火式正火粗加工粗加工調度調度精加工精加工表面表面淬火淬火低溫回火低溫回火（粗磨（粗磨時效時效精磨）精磨）5工藝路線工藝路線4.4 4.4 鋼的化學熱處理鋼的化學熱處理一、滲碳一、滲碳 ：AC3以上；以上；900950 ， 低碳鋼低碳鋼 1目的及應用目的及應用 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的強度提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的強度 和良好的塑性和韌性和良好的塑性和韌性2鋼種鋼種 低碳鋼，

23、低碳合金鋼低碳鋼，低碳合金鋼3加工工藝路線加工工藝路線 鍛造鍛造正火正火切削加工切削加工滲碳滲碳淬火（直接淬火、一次淬火，淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）二次淬火）低溫回火低溫回火噴丸噴丸磨削磨削（1）直接淬火）直接淬火 （如圖（如圖a、b曲線）曲線） 奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余A多，耐磨性低，變形大。多，耐磨性低，變形大。 只適用于本質細晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。只適用于本質細晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。（2）一次淬火）一次淬火 （如圖（如圖c曲線）曲線） 心部要求高心部要求高 AC3以上以上 表面要求高，表面要求高，AC1以上以上30-500

24、 （3）二次淬火）二次淬火 （如圖（如圖d曲線）曲線） 第一次，改變心部組織第一次，改變心部組織 AC3以上以上30-500 第二次，細化表面組織第二次，細化表面組織 AC1以上以上30-500 4滲碳工藝滲碳工藝-組織組織-性能關系性能關系 加熱溫度，保溫時間滲碳層厚度A3鋼多元共滲滲層鋼多元共滲滲層 X400 42rMo鋼多元共滲組織鋼多元共滲組織 X400 二、氮化二、氮化 （含（含Al, Cr, Mo，V的鋼）的鋼） 它系指在一定溫度（一般在它系指在一定溫度（一般在AC1）以下，使活性氮原子滲入工件表）以下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度和良好的

25、耐蝕面的化學熱處理工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度和良好的耐蝕性能，且因氮化溫度低、變形小，因此在工藝中的應用也非常廣泛。性能，且因氮化溫度低、變形小，因此在工藝中的應用也非常廣泛。常用的氮化方法又氣體氮化、離子氮化、氮碳共滲（軟氮化）等。常用的氮化方法又氣體氮化、離子氮化、氮碳共滲（軟氮化）等。 氣體氮化是將工件放在密封的爐內加熱，并通入氮氣。滲碳的加氣體氮化是將工件放在密封的爐內加熱，并通入氮氣。滲碳的加熱溫度低（小于熱溫度低（小于Ac1溫度，鋼的組織處于鐵素體狀態(tài)），因此工件變溫度，鋼的組織處于鐵素體狀態(tài)），因此工件變形小、氧化脫碳少。形小、氧化脫碳少。氣體氮化的原理：氣體氮化的原理：

26、 氨氣在氨氣在300以上是便可以受熱分解出活性氮原子，以上是便可以受熱分解出活性氮原子， 即：即：2NH33H2+2N 活性氮原子被鋼的表面吸收，形成固溶體和化合物?；钚缘颖讳摰谋砻嫖?，形成固溶體和化合物。氣體氮化的溫度：氣體氮化的溫度： 如果滲氮的目的是為了獲得高的硬度、高耐磨性和高的疲如果滲氮的目的是為了獲得高的硬度、高耐磨性和高的疲勞強度，則氮化溫度為勞強度，則氮化溫度為500570，氮化時間為，氮化時間為3050h。 如果滲氮的目的是單純提高零件的抗腐蝕性能，則氮化溫如果滲氮的目的是單純提高零件的抗腐蝕性能，則氮化溫度宜為度宜為590720 ，。，。氣體氮化的工藝路線：氣體氮化的工藝路線： 鍛造鍛造退火退火機械粗加工機械粗加工調質調質半精加工半精加工去應力去應力退火退火粗磨粗磨氮化氮化精磨精磨說明：說明： 為保證零件的心部具有良好的綜合力學性能，氮化前要經過為保證零件的心部具有良好的綜合力學性能，氮化前要經過調質處理；調質處理； 為減少在氮化中的變形，在切削加工后要進行去應力退火。為減少在氮化中的變形，在切削加工后要進行去應力退火。氮化作為最后工序氮化作為最后工序鋼的氮化層顯微組織鋼的氮