第四章鋼的熱處理及表面強化技術(shù)

1、概概 述述1 1、熱處理的定義、熱處理的定義: :鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以適當(dāng)?shù)姆绞竭M行鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱加熱、保溫保溫和和冷卻冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝過程。，以獲得所需組織和性能的工藝過程。時間溫度臨界溫度臨界溫度 熱熱加加保溫保溫冷冷 卻卻2.熱處理的主要目的熱處理的主要目的: :改變鋼的性能。改變鋼的性能。3.熱處理的熱處理的應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍: :整個制造業(yè)。整個制造業(yè)。4.按目的、加熱條件和特點不同按目的、加熱條件和特點不同熱處理熱處理分為分為熱處理熱處理普普 通通熱處理熱處理表表 面面熱處理熱處理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面

2、淬火 化化 學(xué)學(xué) 熱處理熱處理感應(yīng)加感應(yīng)加熱淬火熱淬火火焰加火焰加熱淬火熱淬火滲碳滲碳; 滲氮滲氮;碳氮共滲碳氮共滲;鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變鋼加熱時的組織轉(zhuǎn)變 鋼的表面強化技術(shù)鋼的表面強化技術(shù) 鋼的最終熱處理（一）鋼的最終熱處理（一）淬火與回火淬火與回火 鋼的最終熱處理（二）鋼的最終熱處理（二）表面熱處理表面熱處理 鋼的預(yù)備熱處理鋼的預(yù)備熱處理退火與正火退火與正火 鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進行鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需的組織加熱、保溫和冷卻，以獲得所需的組織和性能的工藝方法。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，和性能的工藝方法。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能顯著提高鋼的力學(xué)性能，以滿足零件能

3、顯著提高鋼的力學(xué)性能，以滿足零件的使用要求和延長零件的使用壽命；能的使用要求和延長零件的使用壽命；能改善鋼的加工工藝性能（如切削加工性改善鋼的加工工藝性能（如切削加工性能、沖壓性能等），以提高生產(chǎn)率和加能、沖壓性能等），以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量；還能消除鋼在加工（如鑄造、工質(zhì)量；還能消除鋼在加工（如鑄造、焊接、切削、冷變形等）過程中產(chǎn)生的焊接、切削、冷變形等）過程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定零件的形狀和尺寸。殘余內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定零件的形狀和尺寸。 1奧氏體的形成過程 奧氏體晶核的形成奧氏體晶核的形成 共析鋼：共析鋼：PA A1（PSK）線以上）線以上亞共析鋼：亞共析鋼：P+FA+FA A3（GS）線

4、以上）線以上過共析鋼：過共析鋼：P+ Fe3CII A+ Fe3CII A Acm（ES）線以上）線以上2奧氏體晶粒大小的控制 鋼奧氏體化的加熱溫度愈高、保溫時鋼奧氏體化的加熱溫度愈高、保溫時間愈長，得到的奧氏體晶粒愈粗大，冷卻間愈長，得到的奧氏體晶粒愈粗大，冷卻后鋼的強度、塑性和韌性愈差，且易引起后鋼的強度、塑性和韌性愈差，且易引起淬火裂紋。因此，生產(chǎn)中常需合理控制鋼淬火裂紋。因此，生產(chǎn)中常需合理控制鋼的加熱溫度和保溫時間，以獲得細(xì)晶奧氏的加熱溫度和保溫時間，以獲得細(xì)晶奧氏體組織。體組織。 1、鋼在熱處理時的冷卻方式、鋼在熱處理時的冷卻方式在熱處理生產(chǎn)中，常用的冷卻方式：在熱處理生產(chǎn)中，常用

5、的冷卻方式：等溫冷卻等溫冷卻和和連續(xù)冷卻連續(xù)冷卻。等溫冷卻轉(zhuǎn)變等溫冷卻轉(zhuǎn)變 使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到A1 以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變 使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進行組織轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進行組織轉(zhuǎn)變2過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖 3奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物4、奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的、奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的的（過程）組織和性能的（過程）組織和性能 1、珠光體型轉(zhuǎn)變高溫轉(zhuǎn)變（A1 550 ）A1 650 片層珠光體 25HRC650 60

6、0 細(xì)片狀珠光體（索氏體 S）25HRC30HRC 600 550 極細(xì)片狀珠光體（托氏體 T）35HRC40HRC2.貝氏體型 ( B ) 轉(zhuǎn)變 中溫轉(zhuǎn)變( 550 MS ) 根據(jù)組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度不同，貝氏體一般可分為上貝氏體和下貝氏體兩種550 350 羽毛狀上貝氏體（B上） 40 50HRC350 Ms 黑色針葉狀下貝氏體（B下）下） 45 55HRC與B上上比較， B下下具有良好的綜合力學(xué)性能，在生產(chǎn)中常用等溫淬火來獲得B下下組織3、馬氏體型 ( M ) 轉(zhuǎn)變 (Ms Mf)當(dāng)奧氏體快速過冷至馬氏體點（Ms）以下時則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與前兩種轉(zhuǎn)變不同，馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms

7、 Mf之間）連續(xù)冷卻時完成的（1）分析奧氏體的等溫冷）分析奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變卻轉(zhuǎn)變 （2）估計奧氏體的連續(xù)冷）估計奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變卻轉(zhuǎn)變 1、退火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度（臨界溫度以臨界溫度以 上上3050 ），保溫一定時間，然 后在爐中緩慢地冷卻的熱處理工藝。2、目的為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷； 3）消除內(nèi)應(yīng)力 。1）完全退火定義：將鋼加熱Ac3以上3050C,完全奧氏體后， 保溫一定時間隨之緩慢冷卻到600C以下 ，出爐空冷。組織：細(xì)小而均勻的平衡組織（鐵素體+珠光體）目的：細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，以利 于切削加工

8、。適用范圍：亞共析鋼型材。2）球化退火定義：將鋼加熱到Ac1以上2030 C，保溫后隨 爐緩冷至600 C，出爐空冷，使鋼中碳化 物呈球狀的工藝方法。組織：球狀珠光體（滲碳體呈球形的細(xì)小顆粒，彌散 分布在鐵素體基體中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性 能。適用范圍：主要用于過共析鋼、合金工具鋼。3）去應(yīng)力退火定義：將鋼加熱到Ac1以下（一般約為500 600 C），保溫后隨爐緩冷至200-300 C 出爐空冷，又稱低溫退火。目的：消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力 。 （沒有發(fā)生組織變化）適用范圍：用于所有的鋼。1、概念：、概念：將鋼件加熱到將鋼件加熱到Ac3或或Accm線以上線以上305

9、0 C ，保溫適當(dāng)?shù)臅r間后，在，保溫適當(dāng)?shù)臅r間后，在空氣空氣中冷卻。中冷卻。2、正火與退火的區(qū)別：、正火與退火的區(qū)別：正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強度、退火稍快，正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強度、硬度比退火鋼高。硬度比退火鋼高。 3 3、目的及應(yīng)用：、目的及應(yīng)用：1 1）對力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火）對力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火 最為最終熱處理，以提高其強度、硬度和韌性。最為最終熱處理，以提高其強度、硬度和韌性。2 2）對低、中碳鋼（）對低、中碳鋼（S+F ），可用正火

10、作為預(yù)備熱），可用正火作為預(yù)備熱 處理，可提高硬度和強度，改善切削加工性；處理，可提高硬度和強度，改善切削加工性；3 3）對高碳鋼（）對高碳鋼（S ），正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成，），正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成， 可為球化退火作準(zhǔn)備可為球化退火作準(zhǔn)備 。 正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復(fù)雜時，由于正火的冷卻速度較快，又引起狀較復(fù)雜時，由于正火的冷卻速度較快，又引起開裂的危險，則采用退火為宜。開裂的危險，則采用退火為宜。圖圖4-12 碳鋼正火與退火后的大致硬度碳鋼

11、正火與退火后的大致硬度 機械制造最常用的鋼件毛坯是軋材、鍛件和鑄件。機械制造最常用的鋼件毛坯是軋材、鍛件和鑄件。當(dāng)采用軋材毛坯時，因軋鋼廠已對其進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，?dāng)采用軋材毛坯時，因軋鋼廠已對其進行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，故可直接切削加工而不再進行預(yù)備熱處理；當(dāng)以鍛鋼件故可直接切削加工而不再進行預(yù)備熱處理；當(dāng)以鍛鋼件或鑄鋼件做毛坯時，應(yīng)先退火或正火然后再行切削加工?；蜩T鋼件做毛坯時，應(yīng)先退火或正火然后再行切削加工。選用退火或正火時，不僅應(yīng)考慮消除鑄件或鍛件的熱加選用退火或正火時，不僅應(yīng)考慮消除鑄件或鍛件的熱加工缺陷，還需考慮改善鋼的切削加工性能。工缺陷，還需考慮改善鋼的切削加工性能。概念概念 將鋼件加熱

12、到將鋼件加熱到Ac3或或Ac1以上某一溫以上某一溫度，保持一定時間后，快速冷卻的熱處理度，保持一定時間后，快速冷卻的熱處理工藝。工藝。目的目的 為了獲得馬氏體（或貝氏體）組織，為了獲得馬氏體（或貝氏體）組織，提高鋼的硬度、強度和耐磨性，并保持足提高鋼的硬度、強度和耐磨性，并保持足夠的韌性夠的韌性1淬火工藝淬火工藝（1）淬火加熱溫度）淬火加熱溫度（2）加熱保溫時間）加熱保溫時間 （3）淬火介質(zhì)）淬火介質(zhì) 2常用淬火方法常用淬火方法（1）單介質(zhì)淬火法）單介質(zhì)淬火法 （2）雙介質(zhì)淬火法）雙介質(zhì)淬火法 （3）馬氏體分級淬火法）馬氏體分級淬火法 （4）貝氏體等溫淬火法）貝氏體等溫淬火法 淬火加熱后組織淬

13、火加熱后組織 M+Fe3C+A殘殘 Ac1+3050過共析鋼過共析鋼 M + A殘殘 Ac1+3050 共析鋼共析鋼 M + A殘殘 Ac3+3050亞共析鋼亞共析鋼Wc0.5% M Ac3+3050亞共析鋼亞共析鋼Wc0.5% 最終組織最終組織淬火溫度淬火溫度() 鋼種鋼種單液淬火 將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。 優(yōu)點：操作簡單，容易實現(xiàn)自動化缺點：易產(chǎn)生淬火缺陷， 水中淬火易產(chǎn)生變形和 裂紋，油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。應(yīng)用：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。雙液淬火將加熱的工件先投入一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷卻，然后在接近Ms點溫度（鋼的組織還未開始

14、轉(zhuǎn)變時迅速取出），馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱為雙介質(zhì)淬火。優(yōu)點：內(nèi)應(yīng)力小，變形及開裂小。缺點：操作困難，不易掌握應(yīng)用：由碳素工具鋼制造的易開裂工件，如絲錐。 馬氏體分級淬火：定義：將加熱的工件先放入溫度為Ms點附近的鹽或堿浴 中，稍加停留，等工件整體溫度趨于均勻時，再 取出空冷以獲得馬氏體。優(yōu)點：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開裂缺點：對于碳鋼零件，淬火后會出現(xiàn)非馬氏體組織應(yīng)用： 尺寸小，形狀復(fù)雜工件 貝氏體等溫淬火：定義：將加熱的工件先放入稍高于Ms點溫度的鹽或堿浴 中，保溫足夠時間，使其發(fā)生下貝氏轉(zhuǎn)變后出爐 空冷。優(yōu)點：內(nèi)應(yīng)力小，工件不易變形與開裂，具有良好的

15、綜合力學(xué)性能。應(yīng)用：用于處理形狀復(fù)雜，尺寸要求精確，并且硬度和韌性都要求較高的工件如：各種冷、熱沖模，成型刃具，彈簧等1回火對淬火鋼組織及性能的影響回火對淬火鋼組織及性能的影響 2回火的種類及應(yīng)用回火的種類及應(yīng)用 （1）低溫回火：回火溫度為）低溫回火：回火溫度為150250，其目的是獲得高硬度、高，其目的是獲得高硬度、高耐磨的回火馬氏體組織，常用于要求高硬度（耐磨的回火馬氏體組織，常用于要求高硬度（5664HRC 或或5358HRC）的各種工具、耐磨零件以及滲碳淬火或表面淬火零件等。）的各種工具、耐磨零件以及滲碳淬火或表面淬火零件等。（2）中溫回火：回火溫度為）中溫回火：回火溫度為350500

16、，其目的是獲得高強度和足，其目的是獲得高強度和足夠韌性的回火托氏體組織，主要用于硬度要求為夠韌性的回火托氏體組織，主要用于硬度要求為3552HRC的各種的各種彈簧、熱作模具及某些螺釘、銷釘?shù)雀邚姸攘慵?。彈簧、熱作模具及某些螺釘、銷釘?shù)雀邚姸攘慵?。?）高溫回火：回火溫度為）高溫回火：回火溫度為500650，其目的是獲得綜合力學(xué)性，其目的是獲得綜合力學(xué)性能良好的回火索氏體組織。鋼的淬火能良好的回火索氏體組織。鋼的淬火+高溫回火的復(fù)合熱處理，稱為調(diào)高溫回火的復(fù)合熱處理，稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)主要用于硬度要求質(zhì)。調(diào)質(zhì)主要用于硬度要求2032HRC、綜合力學(xué)性能良好的重要零、綜合力學(xué)性能良好的重要零件，如主軸

17、、曲軸、某些齒輪以及表面淬火件或滲氮零件等。件，如主軸、曲軸、某些齒輪以及表面淬火件或滲氮零件等。 1鋼的淬硬性鋼的淬硬性 2鋼的淬透性鋼的淬透性 1）淬透性）淬透性:指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得 馬氏體組織深度的能力。馬氏體組織深度的能力。2）影響淬透性的因素）影響淬透性的因素: 鋼的臨界冷卻速度，鋼的臨界冷卻速度，Vc越低，鋼的淬透性越好越低，鋼的淬透性越好 鋼的化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分 （增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，降低（增加過冷奧氏體穩(wěn)定性，降低Vc，鋼的淬透性越好），鋼的淬透性越好）3）淬透性的應(yīng)用）淬透性的應(yīng)用: 淬透性好的鋼，經(jīng)淬火回火后，截面上組織

18、均勻一致，綜淬透性好的鋼，經(jīng)淬火回火后，截面上組織均勻一致，綜 合力學(xué)性能好。因此，鋼的淬透性對提高大截面零件的力合力學(xué)性能好。因此，鋼的淬透性對提高大截面零件的力 學(xué)性能，發(fā)揮材料潛力，具有重要的意義。學(xué)性能，發(fā)揮材料潛力，具有重要的意義。 淬透性好的鋼，在淬火冷卻時可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，淬透性好的鋼，在淬火冷卻時可采用比較緩和的淬火介質(zhì)， 減小工件淬火的變形及開裂傾向。減小工件淬火的變形及開裂傾向。淬硬性：淬硬性：是指鋼在理想條件下淬火成馬氏體后所能是指鋼在理想條件下淬火成馬氏體后所能 達到的最高硬度。達到的最高硬度。 影響鋼的淬硬性的因素影響鋼的淬硬性的因素 主要取決于鋼含碳量。主要

19、取決于鋼含碳量。低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好。高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好。淬硬性與淬透性之間的關(guān)系淬硬性與淬透性之間的關(guān)系:淬透性淬透性淬硬性淬硬性鋼鋼 種種小小低低碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 ( 20 )小小高高碳素工具鋼碳素工具鋼( T10A )大大低低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼低碳合金結(jié)構(gòu)鋼( 18Cr2Ni4WA )大大高高高碳高合金工具鋼高碳高合金工具鋼( Cr12MoV )1概述概述 鋼的表面淬火是指將鋼件表層快速加熱奧氏體鋼的表面淬火是指將鋼件表層快速加熱奧氏體化，并淬火成馬氏體，而心部保持原有組織不變的化，并淬

20、火成馬氏體，而心部保持原有組織不變的表面熱處理工藝。它主要用于表層要求較高的硬度表面熱處理工藝。它主要用于表層要求較高的硬度（5258HRC）和耐磨性，心部要求綜合力學(xué)性）和耐磨性，心部要求綜合力學(xué)性能良好（能良好（2228HRC）的表面淬火零件，如軸類、）的表面淬火零件，如軸類、齒輪、曲軸等。齒輪、曲軸等。 2表面淬火的常用方法表面淬火的常用方法 （1）感應(yīng)加熱表面淬火）感應(yīng)加熱表面淬火 （2）火焰加熱表面淬火）火焰加熱表面淬火 1概述概述 滲碳是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱至滲碳是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱至900950保保溫，使?jié)B碳介質(zhì)分解釋放出活性碳原子滲入鋼件，以增加溫，使?jié)B碳介質(zhì)分解釋放出活

21、性碳原子滲入鋼件，以增加其表層其表層WC的化學(xué)熱處理工藝。它主要用于表面要求高硬的化學(xué)熱處理工藝。它主要用于表面要求高硬度（度（5864HRC）、高耐磨性，心部要求較高強韌性）、高耐磨性，心部要求較高強韌性（相當(dāng)于（相當(dāng)于3545HRC）滲碳零件，如工作條件惡劣的汽）滲碳零件，如工作條件惡劣的汽車齒輪、石油鉆機齒輪、機車軸承等。車齒輪、石油鉆機齒輪、機車軸承等。 2常用滲碳方法常用滲碳方法 （1）氣體滲碳）氣體滲碳 （2）固體滲碳）固體滲碳 1氣體滲氮氣體滲氮 2離子氮化和軟離子氮化和軟氮化氮化 1電鍍硬鉻電鍍硬鉻 2化學(xué)鍍鎳磷化學(xué)鍍鎳磷 化學(xué)鍍是指在無外加電流條件下，利用化學(xué)方法在金屬表面沉積其他金屬化學(xué)鍍是指在無外加電流條件下，利用化學(xué)方法在金屬表面沉積其他金屬或合金的工藝方法?；瘜W(xué)鍍鎳磷合金可提高工件表面的硬度、抗粘著性、減或合金的工藝方法?；瘜W(xué)鍍鎳磷合金可提高工件表面的硬度、抗粘著性、減摩性，從而提高其耐磨性。摩性，從而提高其耐磨性。 氣相沉積是指在一定成分的氣體中加熱至一定溫氣相沉積是指在一定成分的氣體中加熱至一定溫度，通過化學(xué)或物理作用在鋼件表面沉積其他金屬或度，通過化學(xué)或物理作用在鋼件表面沉積其他金屬或金屬化合物的工藝方法。在鋼件表面沉積金屬化合物的工藝方法。在鋼件表面沉積TiN、TiC等等