鋼的熱處理藝和化學處理

1、鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理第三篇第三篇鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理1. 熱處理及其主要參數(shù) 熱處理就是在固態(tài)下，將金屬以一定的加熱速度加熱到預定的溫度，保溫一定的時間，再以預定的冷卻速度進行冷卻的綜合工藝方法 。 加熱溫度（加熱溫度（t t）、保時溫間（）、保時溫間（t t）、冷卻速度）、冷卻速度(v(v冷冷) )是熱處理過程中的三個主要工藝參數(shù)。改變工藝參數(shù)就可以得到不同的性能，其原因是不同工藝參數(shù)下的熱處理得到不同的組織，從而獲得不同的性能。 熱處理工藝曲線示意圖 鋼的熱處理及金屬的表面處

2、理鋼的熱處理及金屬的表面處理熱處理工藝曲線示意圖鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2. 2. 熱處理的主要作用熱處理的主要作用 改變工件的內(nèi)部組織； 改變工件的性能，便于切削加工，或者滿足工件使用性能 的要求； 改變工件表層的成分、組織、性能； 熱處理可以消除鑄造、鍛造、焊接等加工工藝過程中所造 成的多種缺陷。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3. 熱處理的分類鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理4. 4. 表面處理表面處理 表面處理表面處理是指通過化學或電化學的方法使金屬表面或表層生成新的物質(zhì)，這些物質(zhì)具有不同于工件基體的性能，從而提高工件

3、表層的耐腐蝕性、硬度，或者起到裝飾作用。 表面處理工藝方法有很多，除了以上介紹的表面熱處理工藝方法以外，還有噴丸處理、高密度太陽能表面處理、離子注入表面處理、發(fā)黑處理、發(fā)藍處理等。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理一、鋼在加熱時的組織轉變 （一）相變溫度第一節(jié) 鋼的熱處理基本原理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理（二）奧氏體的形成和晶粒長大 1、 奧氏體的形成(1) a晶核的形成； (2) a晶粒的長大；(3) 殘余fe3c溶解； (4) a均勻化階段。共析鋼的奧氏體形成過程 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2、影響a晶粒大小的因素圖3-

4、4 加熱溫度對晶粒度的影響 為得到好的機械性能，就要控制a晶粒的大小。（1）材質(zhì)方面（2）工藝因素方面加熱溫度：如過高，a晶粒長大，一般剛好超過相變溫度。保溫時間：時間長，a晶粒長大。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理二、鋼在冷卻時的組織轉變 鋼的熱處理冷卻有兩種方式：等溫冷卻與連續(xù)冷卻。鋼的熱處理冷卻有兩種方式：等溫冷卻與連續(xù)冷卻。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理(一)等溫冷卻組織轉變（以共析鋼為例）鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理1. 高溫組織轉變2. 中溫組織轉變3. 低溫組織轉變鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處

5、理珠光體3800倍索氏體8000倍屈氏體8000倍珠光體型組織鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理電子顯微照片 5000 倍光學顯微照片 500 倍上貝氏體形態(tài)光學顯微照片 500倍 下貝氏體形態(tài)電子顯微照片 12000倍 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理板條馬氏體片狀馬氏體 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理馬氏體形態(tài)與碳質(zhì)量分數(shù)的關系鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理（二）共析鋼的連續(xù)冷卻組織轉變鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理一、退火一、退火概念： 將鋼加熱到一定溫度，保溫一定時間，然后隨爐冷或將

6、工件埋入石灰等冷卻能力弱的介質(zhì)中緩慢冷卻到600以下，再空冷至室溫的熱處理工藝稱為退火。退火工藝方法： 完全退火 不完全退火 擴散退火 再結晶退火 去應力退火第二節(jié)第二節(jié) 鋼的普通熱處理鋼的普通熱處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理1. 完全退火（亞共析鋼） 完全退火 是將鋼件加熱至ac3以上2030，經(jīng)過完全奧氏體化后進行緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝，。 作用和目的 細化晶粒 均勻組織 消除內(nèi)應力 降低硬度 改善鋼的切削加工性 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2. 不完全退火（球化退火）（共析鋼和過共析鋼）不完全退火 是將鋼加熱至ac1+（

7、2040）之間，經(jīng)過保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。 作用和目的 使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化（退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并為以后的淬火作組織準備。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3. 擴散退火擴散退火（又稱均勻化退火） 是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。作用和目的 消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的成分偏析，使成分和組織均勻化。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理4. 4. 再結晶退火再結晶退火再結晶退火再結晶退火 是把冷變形后

8、的金屬加熱到再結晶溫度以上保溫適當?shù)臅r間，使變形晶粒重新轉變?yōu)榫鶆虻容S晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝。 作用和目的作用和目的 就是要消除加工硬化，降低強度和硬度，使鋼的機械性能恢復到冷變形前的狀態(tài)。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理5. 去應力退火去應力退火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應力而進行的低溫退火，稱為去應力退火。 作用和目的 減少和消除工件在鑄造、鍛造、焊接、切削、熱處理等加工過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應力，穩(wěn)定工件的尺寸，防止工件的變形。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及

9、金屬的表面處理二、正火正火 鋼材或鋼件加熱到ac3(對于亞共析鋼)和accm(對于過共析鋼)以上30 50 , 保溫適當時間后, 在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理稱為正火。正火后的組織 亞共析鋼為f+s 共析鋼為s 過共析鋼為s+fe3cii 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理正火的目的：正火的目的： 正火的目的是使鋼的組織正?；?，亦稱常化處理，一般用于以下方面：1. 改善鋼的切削加工性能；2. 消除工件的熱加工缺陷；3. 消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，便于球化退火；4. 代替調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理，提高加工效率。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理三、淬火 淬

10、火就是把鋼件加熱到ac3或ac1以上溫度，經(jīng)過保溫后速冷卻至室溫的熱處理工藝。1. 淬火的目的 （兩種方法）等溫淬火：目的是獲得下貝氏體普通淬火：目的是獲得馬氏體鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2. 淬火工藝淬火質(zhì)量取決于淬火的三個要素： 加熱溫度 保溫時間 冷卻速度鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理1）加熱溫度鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2）保溫時間 保溫的目的是使工件燒透，組織轉變充分。保溫時間主要根據(jù)鋼的成分特點、加熱介質(zhì)和零件尺寸來確定。 3）冷卻速度 為了獲得馬氏體組織，工件在淬火冷卻介質(zhì)中的冷卻必須有足夠快的冷卻速度。

11、實際冷卻速度v必須大于該鋼的臨界淬火冷卻速度vc。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3. 常用的淬火方法鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理4. 鋼的淬硬性與淬透性1）鋼的淬硬性定義： 是指鋼能夠淬硬的程度，也就是鋼淬火后得到的馬氏體的硬度的高低。它是指鋼在正常淬火 條件下可能達到的最高硬度。實際意義： 當要求硬度高、耐磨性好時，應選用含碳量高的鋼。 影響因素： c%=0.8%以下，含c量增加，淬硬性提高； c%0.8%以后，沒有明顯提高。 例：t10 40cr 20crmnti 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2 2）鋼的淬透性）鋼的淬

12、透性 定義： 是指鋼在一定淬火條件下淬火獲得馬氏體層深度的多少，以鋼在一定淬火條件下得到馬氏體深度來表示，深度越大，淬透性越好。 實際意義： 淬透性是合理選用鋼材及制定熱處理工藝的重要依據(jù)之一。 影響因素： 鋼的淬透性主要與合金元素及其含量有關，合金元素（除鈷、鋁外）使“c”曲線右移，減小臨界淬火冷卻速度，提高鋼的淬透性。例：20crmnti 40cr t10 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理5. 鋼的主要淬火缺陷1）硬度過低或硬度過高2) 脆性過大3）過熱與過燒4）變形與開裂鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理四、回火四、回火 回火回火是把淬火后的工件淬火

13、后的工件重新加熱到a1以下某一溫度，經(jīng)保溫后空冷至室溫的熱處理工藝。 1、回火的目的 消除內(nèi)應力 ； 穩(wěn)定工件組織 ； 調(diào)整組織、性能 。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2、回火的種類 低溫回火（150250） 回火組織： 亞共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體(回火m)。 過共析鋼低溫回火后組織為回火馬氏體碳化物殘余 奧氏體。 目的： 降低淬火應力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度(一般為58 hrc64 hrc)和高耐磨性。 應用： 用于處理各種高碳鋼工具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理 中溫回火（350500）

14、 回火組織： 回火屈氏體，是極細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物 。 目的： 是提高彈性和韌性，并保持一定的硬度(一般為35 hrc45 hrc) 。 應用： 用于各種彈簧、鍛模、壓鑄模等工件的熱處理。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理 高溫回火（500650） 回火組織： 回火索氏體，是較細小的鐵素體與球狀滲碳體的混合物。 目的： 使具有一定強度和硬度，又有較高的沖擊韌性，也就是具有良好的綜合機械性能。 應用： 用于受力大而復雜的零件，如傳動軸、連桿、曲軸、齒輪等 。 淬火后高溫回火這一綜合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理 。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3、回火

15、工藝參數(shù) 回火溫度和回火時間4、鋼在回火時主要缺陷 硬度過低 硬度過高、脆性過大鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理一、鋼的表面淬火1、表面淬火 表面淬火是利用快速加熱的方法，使鋼件表層迅速奧氏體化，當熱量尚未傳至心部時，將其迅速冷卻。 2、種類 感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、激光加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等 第三節(jié) 鋼的表面熱處理鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3、應用材料、組織性能 表面淬火一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼,如45、40cr、40mnb鋼等。 調(diào)質(zhì)處理+表面淬火+低溫回火，表層得到回火馬氏體，硬而耐磨；心部為回火索氏體，強而韌。

16、用于齒輪、軸類等零件的表面硬化，提高耐磨性。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理4、感應加熱表面淬火 （1）原理過程感應加熱表面淬火示意圖感應加熱表面淬火鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理 （2）種類 高頻淬火； 中頻淬火； 工頻淬火 （3）特點優(yōu)點：a、高質(zhì)高效；缺點：b、投入較大； c、專用感應加熱圈，中間形狀和零件形狀相似； d、靈活性差； e、零件尺寸較大、數(shù)量較小的不適合。 （4）應用 較大批量，零件數(shù)量較多，形狀規(guī)則簡單中小尺寸件）。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理9sicr 高頻淬火高頻淬火 m針針+k +a 4%硝酸酒精溶

17、液硝酸酒精溶液p球狀球狀鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理crwmn 高頻淬火高頻淬火 m針針+k +a 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理其他加熱淬火方法: 火焰加熱表面淬火 電接觸加熱表面淬火 激光加熱淬火鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理40cr 激光淬火激光淬火 m+a m + k +f p +f 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液激光淬火區(qū)激光淬火區(qū)未淬火區(qū)未淬火區(qū)熱影響區(qū)熱影響區(qū)鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理t10a 激光淬火激光淬火 m粗大粗大+a m針針+k p球球 4%硝酸酒精溶

18、液硝酸酒精溶液激激光光淬淬火火區(qū)區(qū)未淬未淬火區(qū)火區(qū)熱熱影影響響區(qū)區(qū)鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理二、化學熱處理1、化學熱處理 化學熱處理是將工件放入一定的化學介質(zhì)中，經(jīng)過加熱保溫，使介質(zhì)中分解產(chǎn)生一種或幾種元素的活性原子被工件表面吸收，并向表層一定深度擴散，從而改變其表層化學成分、組織和性能的一種熱處理工藝方法。 2、種類 滲碳、滲氮（氮化）、碳氮共滲（氰化）、滲硼、滲金屬（如滲鋁、滲鉻） 等。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3、常用方法3-1 滲碳 滲碳是把工件置于滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使活性碳原子產(chǎn)生并滲入工件表層的化學熱處理方法。井式氣體滲碳電阻

19、爐結構示意圖1-風扇 2-廢氣出口 3-爐蓋 4-砂封 5-電阻元件 6-耐熱罐 7-工件 8-爐體 9-滲劑入口 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理2）適用材料、組織性能滲碳用鋼一般為低碳鋼。表面滲碳 整體淬火+回火表層為高碳回火馬氏體，硬而耐磨；內(nèi)部為低碳回火馬氏體，較好的強韌性。3）特點（與表面淬火相比） 優(yōu)點：更硬更耐磨； 缺點：效率低、費用高，并且易變形。4）應用 一般應用于受力較大、表面摩擦較大的低碳鋼件。 如齒輪、軸類、鏈條、套筒等。 鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理(5).滲碳工藝滲碳材料、滲碳材料、c c碳鋼或低合金鋼碳鋼或低合金鋼滲碳方

20、法氣體、液體、固體、真空滲碳滲碳方法氣體、液體、固體、真空滲碳(a)(a)、氣體滲碳、氣體滲碳設備井式滲碳爐設備井式滲碳爐滲碳氣氛煤氣、液化石油氣；煤油、丙酮滲碳氣氛煤氣、液化石油氣；煤油、丙酮加熱溫度加熱溫度900900 10 加熱時間加熱時間 3-7h3-7h滲層深度滲層深度 0.4-1.6mm0.4-1.6mm表面碳濃度表面碳濃度: 0.85-1.05%c: 0.85-1.05%c鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理( b ).( b ).固體滲碳固體滲碳設備箱式電阻爐設備箱式電阻爐滲碳氣氛木炭滲碳氣氛木炭+ +碳酸鈉碳酸鈉加熱溫度加熱溫度930 930 1010 加熱時

21、間加熱時間 3-7h3-7h滲層深度滲層深度 0.4-1.6mm0.4-1.6mm表面碳濃度表面碳濃度: 0.85-1.05%: 0.85-1.05%滲后不能直接淬火滲后不能直接淬火適合小件和單件適合小件和單件鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理(c)真空滲碳 比氣體滲碳節(jié)約時間2/3.(6).滲碳后熱處理 預冷直接淬火 緩冷一次淬火 緩冷二次淬火鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理過共析過共析pfe3c共析（共析（p）亞共析（亞共析（pf）心部心部滲碳后的組織：滲碳后的組織：緩冷：緩冷： p+kpp+f心部心部淬火：淬火： k+m針針+a m針針+ a m針針

22、+m板條板條m板條板條鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理20crmnti 滲碳淬火滲碳淬火+低回低回 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液 k+m針針+a m針針+ a m針針+m板條板條m板條板條鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3-2 滲氮（氮化）滲氮：向工件表面滲入活性氮原子，在工件表層獲得一定深度的富氮硬化層的化學熱處理工藝稱為滲氮（氮化）。1）設備過程 2）適用材料、組織性能氮化用鋼通常是含有al、cr、mo等元素的合金鋼。氮化用鋼 調(diào)制處理 表面滲氮表層：氮化物質(zhì)，hrc70以上，硬度更高，耐磨性更好， 耐熱，耐腐蝕，抗疲勞性都好。內(nèi)部：中碳合金回火索氏

23、體，具有更高的強度， 更好的韌性。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3）特點（和滲c相比 ）優(yōu)點：表層性能更優(yōu)良，變形??；缺點：效率低，費用高，滲層淺，鋼種受限。4）應用 在高溫腐蝕性介質(zhì)中工作，受力大，表面摩擦大的重要精密件，如航空齒輪。鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理(5)鋼的滲氮工藝 目的:提高硬度耐磨性疲勞性能抗咬合性 滲氮用鋼:38crmoal 滲氮方法:氣體離子(a).氣體滲氮 加熱溫度500-570 保溫時間 20-70h 滲層深度 0.2-0.5mm 深層硬度1000-1200hv鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理（b b

24、）. .離子滲氮離子滲氮 溫度溫度480-540 480-540 氣氛氣氛: :氨氣、氮氣和氫氣混合氣氨氣、氮氣和氫氣混合氣 壓力：壓力：133-1333pa 1133-1333pa 1大氣壓大氣壓=101300pa=101300pa 電壓：電壓：500v500v 電極：工件電極：工件- -陰極陰極 容器容器- -陽極陽極 滲氮時間：滲氮時間：1/3-1/41/3-1/4氣體滲氮時間氣體滲氮時間 特點：無脆性白亮層特點：無脆性白亮層鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理40cr 滲氮空冷滲氮空冷+心部原始組織（心部原始組織（ s回回） 4%硝酸酒精溶液硝酸酒精溶液4540crs回回鋼的熱處理及金屬的表面處理鋼的熱處理及金屬的表面處理3-3 碳氮共滲（氰化） 碳氮共滲是同時向工件表面滲入活性碳原子和活性氮原子的一種化學熱處理工藝，因早期只使用劇毒的氰鹽（nacn或kcn）作為介質(zhì)，故又名為氰化。 根據(jù)氰化溫度的不同，氣體氰化又分為高溫氰化(900950)、中溫氰化(800870)和低溫氰化(500600)三種工藝方法。 鋼的熱處理及金