第2章 鋼的熱處理

1、第2章 鋼的熱處理學(xué)習(xí)內(nèi)容 本章將介紹鋼的普通熱處理的四個基本環(huán)節(jié)（退火、正火、淬火、回火）。重點討論鋼的退火和正火、淬火和回火的基本原理，基本工藝，特點與應(yīng)用，并簡要介紹鋼的表面熱處理工藝。重點與難點 鋼的普通熱處理的四個基本環(huán)節(jié)與應(yīng)用。2.1 鋼的普通熱處理工藝鋼的普通熱處理工藝2.1.1鋼的退火與正火 退火和正火目的： （1）軟化鋼件以便進(jìn)行切削加工（2）消除殘余應(yīng)力，以防鋼件的變形、開裂；（3）細(xì)化晶粒，改善組織以提高鋼的機械性能；（4）為最終熱處理（淬火、回火做好組織準(zhǔn)備） 1.鋼的退火 定義:將金屬緩慢加熱到一定溫度，保溫足夠時間，然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻)的一種金屬熱處

2、理工藝 。是將亞共析碳鋼加熱到Ac3線以上約20-60C，保溫一定時間， 隨爐緩慢冷卻到600C以下，然后出爐在空氣中冷卻。這種退火主要用于亞共析成分的碳鋼和和金鋼的鑄件，鍛件及 熱扎型材，目的是細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力與組織缺陷，降低硬度，提高塑性，為隨后的切削加工和淬火做好準(zhǔn)備。應(yīng)用：亞共析碳鋼、合金鋼（1）完全退火：（2）等溫退火 等溫退火是為了保證A在P轉(zhuǎn)變區(qū)上部發(fā)生轉(zhuǎn)變，因此冷卻速度很緩慢，所需時間少則十幾小時，多則數(shù)天，因此生產(chǎn)中常用等溫退火來代替完全退火。等溫退火加熱與完全退火相同，但鋼經(jīng)A化后，等溫退火以較快速度冷卻到A1以下，等溫應(yīng)定時間，使A在等溫中發(fā)生P轉(zhuǎn)變，然后再以較快速度

3、冷至室溫，等溫退火時間短，效率高。 應(yīng)用：共析鋼、過共析鋼、合金鋼（3）球化退火 球化退火是將鋼加熱至Ac1以上、Accm以下的雙相區(qū)，較長時間保溫，并緩慢冷卻的工藝。 目的在于使珠光體內(nèi)的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變?yōu)榍蛄顫B碳體，均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、切削性好、冷形變能力大。 適用于共析鋼與過共析的碳鋼及合金工具鋼（如制造刃具、量具、模具用的鋼）。（4）去應(yīng)力退火（低溫退火） 目的：用于消除鑄件，鍛件，焊接件，冷沖壓件以及機加工件中的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在以后機加工或使用中潛在地會產(chǎn)生變形或開裂。 工藝：將工件緩慢加熱到6

4、00-650，保溫一定的時間，然后隨爐緩慢冷卻到200再出爐空冷。2 .鋼的正火 正火和退火的工藝目的基本相同，工藝也基本一樣，只是正火的冷卻速度稍微快一些，故正火的組織比較細(xì)，塔的硬度、強度比退火高（見下面表格）。 定義:將鋼件加熱到臨界點（Ac3，Acm）30-50以上，適當(dāng)保溫進(jìn)行完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，這種熱處理稱正火 正火的目的與退火相同，只是溫度高于退火，且在空氣中冷卻。 正火工藝：正火的加熱溫度與鋼的化學(xué)成分關(guān)系很大低碳鋼加熱溫度為Ac3以上100-150中碳鋼加熱溫度為Ac3以上50-100高碳鋼加熱溫度為Accm以上30-50 保溫時間與工件厚度和加熱爐的形式有關(guān)，冷

5、卻既可采用空冷也可采用吹風(fēng)冷卻，但注意工件冷卻時不能堆放在一起，應(yīng)散開放置。 正火后的組織與性能：正火實際上是退火的一種特殊情況，兩者不同之處主要在于正火的冷卻速度較退火快，因此有偽共析組織。 正火的應(yīng)用 普通結(jié)構(gòu)零件，當(dāng)機械性能要求不太高時，用正火作為最終熱處理；作為預(yù)備熱處理，改善低碳鋼或低碳合金鋼的切削加工性能；消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，改善鋼的性能，并為以后的熱處理做好準(zhǔn)備。3.退火和正火的選擇 (1)從切削加工性考慮 一般認(rèn)為硬度在170230HBS范圍內(nèi)的鋼材，其切削加工性能較好。硬度高刀具易磨損，難加工。硬度低，易“粘刀”，使刀具發(fā)熱磨損，表面粗糙度值高。（2）從使用性能考慮對于

6、過共析鋼來說，正火處理比退火處理具有較好的機械性能。零件性能要求不高，可用正火作最終熱處理。反之，零件性能要求高，形狀復(fù)雜，則用退火處理。（3）從經(jīng)濟上考慮正火比退火的生產(chǎn)周期短，陳本低，操作方便，故在可能的條件下，應(yīng)優(yōu)先采用正火。2.1.2鋼的淬火鋼的淬火 概念：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體或下馬貝氏組織的熱處理工藝稱為淬火. 目的：獲得馬氏體或下貝氏體，提高鋼的強度和硬度。淬火工藝（1）淬火加熱溫度的選擇淬火溫度的高低與鋼的化學(xué)成分有關(guān)亞共析鋼 tAc3+(3070)共析鋼，過共析鋼 tAc1+(3070) 對于亞共析鋼，適宜的淬火溫度

7、一般為Ac3+(3050)，這樣可獲得均勻細(xì)小馬氏體組織，如果淬火溫度溫度過高，將會獲得粗大的馬氏體組織，同時引起鋼件的較嚴(yán)重的變形。如果淬火溫度過低，則在淬火組織中會出現(xiàn)鐵素體組織，造成鋼的硬度不足，強度不高。對于過共析鋼，適宜的淬火溫度一般為Ac1+(3050)，這樣可獲得均勻細(xì)小的馬氏體和粒狀滲碳體的混合組織。如果淬火溫度過高，則將獲得粗片狀馬氏體組織，同時會引起嚴(yán)重變形，淬火開裂傾向增大；還由于滲碳體溶解過多，淬火后鋼中殘余奧氏體量過多，降低了鋼的硬度和耐磨性。如果淬火溫度過低，則可能得到非馬氏體，鋼的硬度達(dá)不到要求。對于合金鋼，因為大多數(shù)合金元素阻礙奧氏體晶粒長大（Mn，P除外）所以

8、淬火溫度允許比碳鋼稍微提高一些，這樣可使合金元素充分溶解和均勻化，以便取得較好的淬火效果。 （2）加熱時間的選擇 加熱時間指的是升溫與保溫所需時間，加熱時間的長短與很多因素有關(guān)，例如，鋼的成分、原始組織、工件形狀、尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐方式、爐溫等許多因素有關(guān)，確切計算加熱時間很困難，只是給出一個經(jīng)驗公式： t = a KDt 加熱時間；a 加熱系數(shù)；K裝爐修正系數(shù)，D 工件有效厚度（3）淬火冷卻介質(zhì) 理想淬火冷卻速度 加熱到A狀態(tài)的鋼，冷卻速度必須大于臨界冷卻速度是才能獲得要求的馬氏體組織。 常用的淬火冷卻介質(zhì)：油、水、鹽水、堿水等。 淬火方法 單液淬火：直冷，簡單易操作。 雙液淬火：先快后慢

9、，降低組織應(yīng)力。 分級淬火：快-恒-快，降低熱應(yīng)力與組織應(yīng)力。 等溫淬火：得到貝氏體（工模具、彈簧）。 局部淬火：量具等的局部區(qū)域。（4）淬火缺陷的防止方法 熱處理生產(chǎn)中，由于熱處理工藝處理不當(dāng)，常會給工件帶來缺陷，如氧化，脫碳，過熱，過燒，硬度不足，變形與開裂等。氧化：氧化是因為鋼在有氧化性氣體中加熱時，會發(fā)生氧化而在表面形成一層氧化皮，在高溫下，甚至晶界也回會發(fā)生氧化。 脫碳：鋼在某些介質(zhì)中加熱時，這些介質(zhì)會使鋼表面的含碳量下降，我們稱這現(xiàn)象為“脫碳”。減少或防止鋼在淬火中氧化與脫碳的方法有：采用脫氧良好的鹽溶爐加熱；在可控保護氣氛爐中加熱；在真空爐中加熱；預(yù)留足夠的加工余量。 變形與開裂

10、：工件的變形與開裂是熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合的結(jié)果，但熱應(yīng)力與組織應(yīng)力方向恰好相反，如果熱處理適當(dāng)，它們可部分相互抵消，可使殘余應(yīng)力減小，但是當(dāng)殘余應(yīng)力超過鋼的屈服強度時，工件就發(fā)生變形，殘余應(yīng)力超過鋼的抗拉強度時，工件就產(chǎn)生開裂。為減小變形或開裂，除了正確選擇鋼材和合理設(shè)計工件的結(jié)構(gòu)外，在工藝上可采取下列措施： 1）采用合理的鍛造與預(yù)先熱處理； 2）采用合理的熱處理工藝； 3）采用正確的操作方法； 4）對于淬火易開裂的部分，如鍵槽，孔眼等用石棉堵塞。 2.1.3鋼的回火鋼的回火 概念：將經(jīng)過淬火的鋼加熱到AC1以下的適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后冷卻到室溫以獲得所需組織和性能的熱處理工藝。回火的目

11、的降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力。獲得工件所要求的機械性能。穩(wěn)定工件的尺寸。對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當(dāng)聚集，降低硬度，以利于切削加工。2.回火的分類及應(yīng)用回火類型回火溫度組織性能應(yīng)用組織形態(tài)低溫回火150250 M高硬度和高耐磨脆性及殘余應(yīng)力低。工模具鋼，表面淬火及滲碳淬火件過飽和-Fe+碳化物中溫回火350500 T彈性極限和屈服極限高彈性元件F針狀+ Fe3C細(xì)粒狀高溫回火500650 S良好的綜合機械性能重要零件F多邊形Fe3C細(xì)粒狀淬火鋼回火時組織和性能的變化 鋼在淬火后的組織是馬氏體及少量殘余奧氏體，他們都是不穩(wěn)定的組織，都有向穩(wěn)定組織（鐵素體

12、和滲碳體或碳化物的兩相混合物）轉(zhuǎn)變的傾向。但在室溫下，原子活動能力很差，這種轉(zhuǎn)變速度極慢。淬火鋼的回火正是促進(jìn)這種轉(zhuǎn)變易于進(jìn)行。 按回火溫度的不同，回火時淬火鋼的組織轉(zhuǎn)變可以分為四個階段。在回火過程中由于組織發(fā)生了變化，鋼的性能也發(fā)生了改變，一般是隨著回火溫度的升高，鋼的強度、硬度下降，而塑性、韌性提高。 鋼的屈服強度300以下回火時，隨著回火溫度的升高而提高，這主要是由于淬火內(nèi)應(yīng)力的消除和高度分散的極細(xì)碳化物的強化作用。 鋼的韌性在400以下還比較低，以后隨著溫度的升高而迅速上升，到600可達(dá)最大值。 量具、精密軸承零件等要求在整個存放和使用過程中尺寸不發(fā)生變化，這就應(yīng)使淬火過程中的殘余奧氏

13、體盡量少，這時可進(jìn)行冷處理，即把淬冷至室溫的鋼繼續(xù)冷卻到-80-70（也可冷卻到更低的溫度），保持一段時間，使殘余奧氏體在繼續(xù)冷卻的過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。這樣可提高鋼的硬度和耐磨性，并穩(wěn)定鋼的尺寸。獲得低溫的方法是采用干冰（固態(tài)CO2）與酒精的混合劑或冷凍劑。只有特殊的冷處理才將鋼置于-103的液化乙烯或-192的液態(tài)氮中。采用此法時必須防止產(chǎn)生裂紋，故可考慮先回一次火，然后冷處理，冷處理后再進(jìn)行回火。時效處理 概念：將淬火后的金屬工件置於室溫或較高溫度下保持適當(dāng)時間，以提高金屬強度的熱處理工藝。 室溫下進(jìn)行的時效處理是自然時效；較高溫度下進(jìn)行的時效處理是人工時效。 在機械生產(chǎn)中，為了穩(wěn)定鑄件尺

14、寸，常將鑄件在室溫下長期放置，然后才進(jìn)行切削加工。這種措施也被稱為時效。但這種時效不屬於金屬熱處理工藝。 作用是為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化，對在低溫或動載荷條件下的鋼材構(gòu)件進(jìn)行時效處理，以消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定鋼材組織和尺寸，尤為重要。 鋼的淬透性 淬透性表示的是鋼在淬火時所能得到的淬硬層深度。 鋼的淬硬性指的是鋼在淬火能達(dá)到的最高硬度。用不同的鋼制成相同形狀和尺寸的工件，在同樣條件下淬火，淬透性好的鋼淬硬層較深，淬透性差的鋼淬硬層較淺。鋼的表面熱處理鋼的表面熱處理 1、表面熱處理目的：使零件具有“表硬心韌” 的性能特點。例如：齒輪等 分類：表面淬火、表面化學(xué)熱處理

15、表面淬火、表面化學(xué)熱處理2、表面淬火表面淬火目的：表面與心部的成分一致，組織不一樣。 工藝：將工件表面快速加熱到奧氏體區(qū)，在熱量尚未達(dá)到心部時立即迅速冷卻，使表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法。 分類：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火、激光加熱表面淬火 應(yīng)用場合：中碳鋼（Wc 0.40.5%）, 如40、45鋼機床齒輪、軸等零件。 3、常用的表面淬火技術(shù)常用的表面淬火技術(shù)1）、火焰加熱表面淬火）、火焰加熱表面淬火 裝置：如圖一。淬硬層深度：26mm優(yōu)點：方法簡便；無需特殊設(shè)備；適用于單件、小批量生產(chǎn)零件；缺點：需要操作熟練，否則造成質(zhì)量不穩(wěn)定 應(yīng)用： 軋鋼機齒輪

16、、軋輥； 礦山機械齒輪、軸； 機床導(dǎo)軌、齒輪； 2）、感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火 裝置：如圖二淬硬層與頻率有關(guān)： 0.22mm，高頻感應(yīng)加熱（1001000KHZ）圖二2-8mm，中頻感應(yīng)加熱（0.510KHZ）； 1015mm，工頻感應(yīng)加熱（50HZ） 特點：淬火質(zhì)量好，表層組織細(xì)、硬度高、脆性小、生產(chǎn)效率高、便于自動化，缺點是設(shè)備昂貴，勞動條件差。 3）、激光加熱表面淬火）、激光加熱表面淬火工藝： 將高功率密度的激光束照射到工件表面，使表面快速加熱到奧氏體區(qū)，依靠工件本身熱傳導(dǎo)迅速自冷而獲得一定淬硬層的工藝操作。硬化層：12mm應(yīng)用：汽車、拖拉機汽缸套、汽缸、活塞環(huán)、凸輪軸等零件；特

17、點：淬火質(zhì)量好，組織超細(xì)化，硬度高、脆性極小、工件變形小、不需要回火、節(jié)約能源、無污染、效率高、便于自動化，但是設(shè)備昂貴。4、表面化學(xué)熱處理表面化學(xué)熱處理目的：表層與心部的成分、組織都不同工藝：將工件置于某種化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱、保溫和冷卻使介質(zhì)中的某些元素滲入工件表層以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到“表硬心韌”的性能特點。 可滲的元素：滲碳、氮、碳氮共滲（C、N、CN）；滲硼、鉻(B、Cr）；滲鋁、硅 (Al 、Si)；滲硫(S)化學(xué)熱處理的種類很多，根據(jù)滲入元素的不同，化學(xué)熱處理有滲碳、氮化、碳氮共滲、滲金屬等。不論哪一種方法都是通過以下三個基本過程來完成的：分解，介質(zhì)在一定的溫度

18、下，發(fā)生化學(xué)分解，產(chǎn)生能被零件表面吸收的活性原子； 吸收，活性原子首先吸附在零件的表面，然后被零件表面吸收；擴散，滲入的活性原子，在一定的溫度下，由表面向中心形成一定厚度的滲層形成一定厚度的滲層。鋼的化學(xué)熱處理常用的工藝方法有滲碳、氮化和碳氮共滲三種。 1、滲碳技術(shù)滲碳是向零件表面滲入碳原子的過程。它是將工件置于含碳的介質(zhì)中加熱和保溫，使活性碳原子滲入鋼的表面，以達(dá)到提高鋼的表面含碳量的熱處理工藝。 為了達(dá)到上述目的，滲碳零件必須用低碳鋼或低碳合金鋼來制造。滲碳方法可以分為固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳三種，應(yīng)用較廣泛的是氣體滲碳。氣體滲碳是將工件置于密封的加熱爐中，通人氣體滲碳劑，如煤油、丙酮

19、、甲醇等，并加熱到900 950，這些滲碳劑在高溫下分解。對于使用性能要求很高的滲碳零件，經(jīng)常采用兩次淬火或一次正火加一次淬火，以保證心部和表層都達(dá)到高的性能。滲碳后的第一次淬火或正火主要是為了心部的亞共析鋼原始組織發(fā)生重結(jié)晶，使晶粒再次細(xì)化，同時可消除表面可能存在的網(wǎng)狀滲碳體，故其加熱溫度常選擇為大于Ac3以上的溫度。第二次淬火主要是為了使表面層晶粒變小、組織細(xì)化，故其淬火溫度按共析鋼和過共析鋼的正常淬火溫度來考慮，即Ac1+(30 -50)。滲碳零件經(jīng)兩次淬火后，再進(jìn)行170 200低溫回火，其主要目的是為了保持表面的硬度及降低淬火的殘余應(yīng)力。而對于一些機械性能要求不很高的滲碳零件，則可自

20、滲碳溫度直接淬火，或在滲碳后再加熱至850 900淬火（一次淬火法）。2鋼的氮化氮化是向鋼的表面滲入氮原子的過程。其目的是為了提高鋼表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。目前工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的是氣體氮化、離子氮化。 (1)氣體氮化 氣體氮化是將工件放入密閉的爐內(nèi)加熱到500 600，通入氨氣( NH3)，氨氣分解出活性氮原子，活性氮原子被零件表面吸收，與鋼中的Al，Cr，Mo形成氮化物，并向心部擴散，氮化層一般為0.1-0.6mm。氮化后隨爐降溫到200以下停止供氮，工件出爐。 氮化和滲碳相比有如下特點：氮化后的零件不用淬火就能得到高硬度和耐磨性，且在600650時仍能保持高硬度（即熱硬性好

21、）；氮化溫度低，故變形??；氮化零件具有很好的耐蝕性，可防止水、蒸汽、堿性溶液的腐蝕；氮化后，顯著地提高了鋼的疲勞強度。這是因為氮化層具有較大的殘余壓應(yīng)力，它能部分地抵消在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩了疲勞破壞過程。離子氮化 離子氮化的原理是將需要氮化的工件作陰極，以爐壁作陽極，在真空室內(nèi)通入氨氣，并在陰、陽極之間通以高壓直流電。在高壓電場作用下，氨氣被電離，形成輝光放電。被電離的氮離子以很大的速度轟擊工件表面，使工件的表面溫度升高（一般為450600），并使氮離子在陰極上奪取電子后還原成氮原子而滲入工件表面，經(jīng)擴散形成氮化層。 離子氮化的主要優(yōu)點是氮化速度快，氮化時間僅為氣體氮化的1/2 1/

22、4；零件變形小，不易形成連續(xù)的脆性層。氮化質(zhì)量好；對材料適應(yīng)性也較氣體氮化強，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、有色金屬等都可進(jìn)行離子滲氮。但離子氮化所需的設(shè)備復(fù)雜，成本高，故主要用于精密的中小型零件的氮化處理。碳氮共滲 中溫氣體碳氮共滲常用煤油和氨氣等作為共溶劑。共滲處理溫度在700 880范圍之間，它對滲層的碳、氮濃度和深度的影響很大。在此范圍內(nèi)溫度升高，滲層的碳濃度升高而氮濃度降低。這就是常說的高溫以滲碳為主，低溫以滲氮為主的現(xiàn)象。它與滲碳相比，加熱溫度低，工件變形小，滲層有較高的硬度、耐磨性和疲勞強度及較好的耐蝕性，且生產(chǎn)周期大大縮短。它可用于齒輪、凸輪、活塞銷等代替滲碳處理，也可用較低溫度( 7

23、00 780)對那些尺寸小、形狀復(fù)雜且變形要求很小的耐磨零件，如自行車、縫紉機及儀表零件等進(jìn)行處理。熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計人員在設(shè)計零件時，不但要考慮零件的結(jié)構(gòu)形狀符合設(shè)計要求，而且要注意零件熱處理的結(jié)構(gòu)工藝性，以避免零件在熱處理時淬火變形和開裂，導(dǎo)致零件報廢。熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性應(yīng)注意以下幾點： 1）形狀力求簡單，盡量對稱，使應(yīng)力分布均勻。圖2 -7所示為鏜桿截面，兩側(cè)對稱開槽，這樣變形較小。 2）避免尖角銳邊，應(yīng)將其倒鈍或改成圓角，且圓角半徑盡可能大，避免應(yīng)力集中，如圖2-8所示。3）盡量減少零件上的孔、槽和肋，若確實需要，應(yīng)采取相應(yīng)的防護措施（如綁石棉繩和堵孔等），以減少這些地方

24、因應(yīng)力集中引起的開裂傾向。4)盡量使零件截面均勻，厚薄大致相同。必要時開工藝孔和工藝槽，并合理地分布孔的位置和數(shù)量，或改盲孔為通孔等，如圖2 -9所示。 5)某些易變形的零件，可采用封閉結(jié)構(gòu)。如彈簧夾頭熱處理后再把槽口切開，如圖2-10所示。6)當(dāng)形狀特別復(fù)雜或不同部位有不同的性能要求時，可改為組合結(jié)構(gòu)。如圖2-11所示為一鏜床頂尖。該頂尖在工作時被頻繁使用，要求有高的熱硬性。原設(shè)計整體采用W18Cr4V鋼制造，在整體淬火后，出現(xiàn)了裂紋；后改為組合結(jié)構(gòu)，頂尖仍用W18Cr4V鋼制造，尾部用45鋼，分別熱處理后采用熱套方式配合。這樣，既解決了開裂，又節(jié)約了合金鋼，效果較好。 熱處理技術(shù)條件及工序位置 熱處理零件圖