第6章 金屬材料

第6章鋼的熱處理

知識(shí)目標(biāo)：了解鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變掌握熱處理基本原理及熱處理的主要目的和工藝特點(diǎn)技能目標(biāo)：掌握鋼的退火、正火、淬火、回火及表面熱處理的方法掌握常用零件的熱處理工藝在零件加工過(guò)程中的作用和位置合理安排零件加工工藝路線6.1概述6.2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變6.3鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變6.4鋼的退火與正火6.5鋼的淬火6.6鋼的回火6.7鋼的表面熱處理6.8典型零件的熱處理分析6.9熱處理設(shè)備簡(jiǎn)介6.10熱處理新工藝技術(shù)簡(jiǎn)介第6章鋼的熱處理6.1概述

6.1.1熱處理的概念6.1.2

熱處理的目的

6.1.3熱處理的作用6.1.4熱處理分類6.1.5熱處理工藝6.1.6為什么熱處理能使鋼的性能發(fā)生變化6.1.1熱處理的概念

金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。

所謂熱處理，就是將固態(tài)金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝。熱處理的概念6.1.2熱處理的目的

熱處理的目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚聿粌H可以改進(jìn)鋼的加工工藝性能，更重要的是可顯著提高鋼的力學(xué)性能，充分發(fā)揮鋼材的潛力，延長(zhǎng)工件的使用壽命，減輕工件自重，節(jié)約材料，降低成本。熱處理的目的6.1.3熱處理的作用★熱處理的作用：挖掘材料潛能，減少零件重量；提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)零件使用壽命。熱處理的作用6.1.4熱處理分類

鋼的熱處理的最基本的類型可根據(jù)加熱和冷卻方式不同，大致分為以下幾類：6.1.5熱處理工藝熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成，并可用溫度-時(shí)間坐標(biāo)圖來(lái)表示，如圖所示為熱處理工藝曲線。圖6-1熱處理工藝曲線加熱分為兩種：一種是在溫度臨界點(diǎn)A1線以下的加熱，此時(shí)不發(fā)生向奧氏體轉(zhuǎn)變；另一種是在溫度臨界點(diǎn)A1線以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過(guò)程稱為奧氏體化。

保溫的目的是要保證工件熱透并防止脫碳和氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接關(guān)系。一般工件越大，導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長(zhǎng)。

冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而獲得不同的性能。6.1.6為什么熱處理能使鋼的性能發(fā)生變化根本原因是由于鐵具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，從而使鋼在加熱和冷卻過(guò)程中，發(fā)生了組織與晶格結(jié)構(gòu)變化。不同的加熱溫度、不同的冷卻速度會(huì)得到不同的組織，因而可得到不同的性能。

6.2.1鋼的奧氏體化6.2.2奧氏體晶粒的長(zhǎng)大6.2.3影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素6.2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變6.2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變

由Fe-Fe3C相圖可了解鋼在加熱時(shí)的組織變化規(guī)律。PSK、GS、ES線表示鋼在緩慢冷卻或加熱過(guò)程中組織發(fā)生變化的臨界點(diǎn)，分別用A1、A3和Acm表示。

共析鋼：加熱到超過(guò)A1溫度時(shí)，全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體；亞共析鋼和過(guò)共析鋼：必須加熱到A3和Acm以上才能獲得單相奧氏體。

加熱、冷卻時(shí)鋼的臨界點(diǎn)Ar1/%A1、A3和Acm是在極其緩慢加熱和冷卻條件下測(cè)得的臨界點(diǎn)，又叫平衡臨界點(diǎn)。由于過(guò)熱和過(guò)冷現(xiàn)象的影響，加熱時(shí)溫度偏向高溫，冷卻時(shí)偏向低溫，這種現(xiàn)象稱為滯后。通常加熱時(shí)的臨界點(diǎn)用符號(hào)Ac1、Ac3、Accm表示；冷卻時(shí)的臨界點(diǎn)用符號(hào)Ar1、Ar3、Arcm表示。

6.2鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)變6.2.1鋼的奧氏體化

通過(guò)加熱獲得奧氏體組織的過(guò)程稱為奧氏體化。共析鋼的奧氏體形成過(guò)程分為以下四個(gè)階段，即晶核形成、晶核長(zhǎng)大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化。圖6-3共析鋼中奧氏體形成過(guò)程示意圖a）形核b）核長(zhǎng)大c）殘余滲碳體溶解d）奧氏體均勻化奧氏體的形成6.2.2奧氏體晶粒的長(zhǎng)大

不論原來(lái)鋼的晶粒是粗或是細(xì)，通過(guò)加熱時(shí)的奧氏體化，都能得到細(xì)小晶粒的奧氏體。但是隨著加熱溫度的升高，保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，奧氏體晶粒會(huì)自發(fā)地長(zhǎng)大。加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越大。晶粒的長(zhǎng)大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進(jìn)行的。6.2.3影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素1.奧氏體晶粒度的概念

晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。根據(jù)奧氏體形成過(guò)程和晶粒長(zhǎng)大情況奧氏體晶粒度可分為：起始晶粒度，實(shí)際晶粒度和本質(zhì)晶粒度。（1）起始晶粒度起始晶粒度是指珠光體剛剛?cè)哭D(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時(shí)的奧氏體晶粒度。（2）實(shí)際晶粒度實(shí)際晶粒度是指鋼在某一具體的熱處理或加熱條件下實(shí)際獲得的奧氏體晶粒度。（3）本質(zhì)晶粒度根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，在930℃±10℃保溫足夠時(shí)間（3～8h）后測(cè)定的鋼中晶粒度的大小。圖6-4奧氏體晶粒長(zhǎng)大傾向示意圖為了測(cè)定或比較鋼的實(shí)際晶粒大小，把試樣在金相顯微鏡下放大100倍，然后與標(biāo)準(zhǔn)晶粒號(hào)（圖6-5）比較以確定其等級(jí)。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度分為8個(gè)等級(jí)。1級(jí)最粗，8級(jí)最細(xì)。其中晶粒度在1～4級(jí)的鋼為粗晶粒鋼，5～8級(jí)的鋼為細(xì)晶粒鋼。圖6-5奧氏體標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級(jí)示意圖2.影響奧氏體晶粒長(zhǎng)大的因素（1）加熱溫度和保溫時(shí)間加熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，奧氏體晶粒越粗大。（2）加熱速度加熱速度越快，奧氏體形核率越高，晶粒越細(xì)小。（3）奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒的長(zhǎng)大傾向增大。（4）合金元素形成穩(wěn)定碳化物的元素（如鈦、釩、鈮、鋯、鎢、鉬、鉻等），形成不溶于奧氏體的氧化物及氮化物的元素（如鋁），促進(jìn)石墨化的元素（如硅、鎳、鈷），以及在結(jié)構(gòu)上自由存在的元素（如銅），都會(huì)阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。而錳和磷則有加速奧氏體晶粒長(zhǎng)大的傾向。所以多數(shù)合金鋼熱處理后晶粒較細(xì)。（5）原始組織

原始組織中珠光體晶粒越細(xì)，加熱后的奧氏體晶粒越細(xì)小。3.奧氏體晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響奧氏體晶粒大小對(duì)后續(xù)的冷卻轉(zhuǎn)變以及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的性能有重要的影響。如奧氏體晶粒細(xì)小，后續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變產(chǎn)物就強(qiáng)度高塑性好，尤其沖擊韌性明顯提高。綜上分析可知，為使熱處理加熱后得到均勻細(xì)小的奧氏體晶粒，提高材料的性能，應(yīng)選擇合適的加熱溫度和保溫時(shí)間，合理選擇鋼的原始組織以及加入一定量的合金元素等措施。★熱處理加熱的目的：獲得均勻細(xì)小的奧氏體組織6.3.1過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變6.3.2馬氏體轉(zhuǎn)變6.3.3過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用6.3鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

6.3鋼在冷卻時(shí)的轉(zhuǎn)變

鋼經(jīng)加熱保溫獲得奧氏體后，冷卻至A1以下時(shí)，過(guò)冷奧氏體將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。在不同的冷卻條件下進(jìn)行冷卻，可以獲得不同的力學(xué)性能。表6-145鋼加熱到840℃，經(jīng)不同條件冷卻后的力學(xué)性能冷卻方法Rm/MPaReL/MPaA5/％Z/％硬度HRC隨爐冷卻53028032.549.315～18空氣中冷卻670～72034015～1845～5018～24油中冷卻90062018～204840～50水中冷卻11007207～812～1452～60在熱處理工藝中，常采用等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種方式，如圖6-6所示。圖6-6奧氏體的冷卻曲線1-連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變2-等溫轉(zhuǎn)變

冷卻轉(zhuǎn)變溫度決定了冷卻后的組織和性能。實(shí)際生產(chǎn)中熱處理采用的冷卻方式主要有：連續(xù)冷卻（如爐冷、空冷、水冷等）；等溫冷卻（如等溫淬火）。6.3.1過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1.過(guò)冷奧氏體的概念

共析溫度以下存在的處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體稱為過(guò)冷奧氏體。

2.等溫轉(zhuǎn)變圖表示過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間關(guān)系的曲線圖稱為過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖，簡(jiǎn)稱等溫轉(zhuǎn)變圖，又因?yàn)槠湫螤钕笥⑽淖帜浮癈”，所以又稱C曲線。

3.等溫轉(zhuǎn)變圖的建立奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立是利用過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)和性能的變化來(lái)測(cè)定的。測(cè)定的方法有金相測(cè)定法、硬度測(cè)定法、膨脹測(cè)定法、磁性測(cè)定法，以及X射線結(jié)構(gòu)分析測(cè)定等方法。過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變圖6-7共析鋼奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的建立圖6-8共析鋼等溫轉(zhuǎn)變圖4.奧體氏等溫轉(zhuǎn)變圖的分析

5.影響C曲線的因素影響C曲線形狀和位置的因素很多，主要有：（1）碳的影響亞共析鋼的C曲線，隨著含碳量的增加向右移；過(guò)共析鋼的C曲線，隨著含碳量的增加向左移。在碳鋼中以共析鋼的C曲線離縱軸最遠(yuǎn)，過(guò)冷奧氏體最穩(wěn)定。圖6-9亞共析鋼、共析鋼、過(guò)共析鋼的C曲線比較（a）亞共析鋼（b）共析鋼（c）過(guò)共析鋼P(yáng)—珠光體；S—索氏體；T—屈氏體；B—貝氏體；M—馬氏體；A—奧氏體（2）合金元素的影響

（3）加熱溫度和保溫時(shí)間的影響

6.過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能

（1）珠光體型組織轉(zhuǎn)變（A1～550℃）（2）貝氏體型組織轉(zhuǎn)變（550℃～Ms）圖6-10合金元素等溫轉(zhuǎn)變圖的影響圖6-11珠光體型顯微組織a）珠光體b）索氏體c）屈氏體a)光學(xué)顯微像b)電鏡像圖6-12上貝氏體的顯微組織a)光學(xué)顯微像b)電鏡像圖6-13下貝氏體的顯微組織示意圖表6-2共析鋼過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物和性能轉(zhuǎn)變類型轉(zhuǎn)變溫度/℃轉(zhuǎn)變產(chǎn)物符號(hào)顯微組織形態(tài)性能特點(diǎn)高溫轉(zhuǎn)變A1～650珠光體P粗片狀鐵素體和滲碳體混合物強(qiáng)度較高、硬度適中HRC＜25，有一定的塑性、綜合力學(xué)性能較好650～600索氏體S細(xì)片狀鐵素體和滲碳體混合物硬度為25～35HRC,綜合力學(xué)性能優(yōu)于珠光體600～550屈氏體T極細(xì)片狀鐵素體和滲碳體混合物硬度為35～40HRC,綜合力學(xué)性能優(yōu)于索氏體中溫轉(zhuǎn)變550～350上貝氏體B上細(xì)條狀滲碳體分布于片狀的鐵素體之間，呈羽毛狀硬度為40～45HRC，強(qiáng)度低，塑性很差350～Ms下貝氏體B下細(xì)小的碳化物分布于針葉狀的鐵素體之間，呈黑色針狀硬度為45～55HRC，具有較高的強(qiáng)度及良好的塑性和韌性6.3.2過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖的應(yīng)用1.過(guò)冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變2.等溫轉(zhuǎn)變圖在連續(xù)轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用圖6-14共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖圖6-15等溫轉(zhuǎn)變圖在連續(xù)冷卻中的應(yīng)用3.馬氏體轉(zhuǎn)變

圖6-16碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)Ms與Mf溫度的影響（1）馬氏體轉(zhuǎn)變過(guò)程

（2）馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)

圖6-17馬氏體晶格結(jié)構(gòu)示意圖馬氏體轉(zhuǎn)變（3）馬氏體的組織形態(tài)

a)示意圖b)光學(xué)顯微像c)電鏡像圖6-18板條狀馬氏體的形態(tài)a)示意圖b)光學(xué)顯微像c)電鏡像圖6-19針狀馬氏體的形態(tài)（4）馬氏體的性能馬氏體的性能取決于馬氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與組織形態(tài)。1）強(qiáng)度與硬度

主要取決于馬氏體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，隨馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，強(qiáng)度與硬度隨之升高。圖6-20碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)馬氏體硬度的影響2）塑性與韌性

隨馬氏體中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，塑性與韌性急劇下降。3）比容

鋼的組織中，馬氏體比容最大、奧氏體最小、珠光體居中，所以?shī)W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時(shí)，必然伴隨體積膨脹而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。（C）/％（5）馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)

馬氏體轉(zhuǎn)變也是形核、長(zhǎng)大的過(guò)程，但有下列特點(diǎn):1)轉(zhuǎn)變的非擴(kuò)散性2)轉(zhuǎn)變的速度極快3)轉(zhuǎn)變的非等溫性4)轉(zhuǎn)變的不徹底性（6）馬氏體的臨界冷卻速度

鋼中奧氏體在連續(xù)冷卻過(guò)程中，全部過(guò)冷到Ms線以下向馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。6.4鋼的退火與正火6.4.1退火6.4.2正火6.4.1退火1.退火的定義

退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。臺(tái)車(chē)式退火爐2.退火的目的（1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能。（2）細(xì)化晶粒，均勻成分，為最終熱處理作準(zhǔn)備。（3）消除鋼中的殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂。為什么退火臺(tái)車(chē)式熱處理爐3.常用的退火方法（1）完全退火完全退火又稱為重結(jié)晶退火。這種退火主要用于亞共析鋼成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件及熱軋型材，有時(shí)也用于焊接結(jié)構(gòu)件。一般常作為一些不重要工件的最終熱處理，或作為某些重要件的預(yù)備熱處理。（2）球化退火球化退火主要用于共析或過(guò)共析鋼及合金工具鋼制造的刃具、量具、模具和滾動(dòng)軸承等。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為以后淬火做好準(zhǔn)備。圖6-21球狀珠光體的顯微組織退火工藝（3）去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火，這種退火主要用來(lái)去除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件及機(jī)械加工件等的殘余內(nèi)應(yīng)力。（4）等溫退火

將鋼加熱到Ac1或Ac3以上某一溫度，保溫后以較快速度冷卻到珠光體溫度區(qū)間內(nèi)的某一溫度并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后出爐空冷的退火工藝。等溫退火的目的與完全退火相同，但等溫退火后組織均勻，性能一致，且生產(chǎn)周期短。主要用于中碳合金鋼及一些高合金鋼的大型鑄鍛件及沖壓件等。各種退火加熱溫度6.4.2正火1.正火的定義

所謂正火，就是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫一定時(shí)間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。2.正火與退火的區(qū)別

正火與退火的目的基本相同。正火加熱的溫度稍微高些，冷卻的速度稍快，得到的組織較細(xì)小，所以強(qiáng)度、硬度比退火的高。表6-345鋼退火、正火狀態(tài)的力學(xué)性能比較狀態(tài)Rm

/MPaA/％ak/J·cm－2硬度/HBS正火700～80015～2050～80～220退火650～70015～2040～60180鋼的正火3.正火的適用范圍（1）改善鋼的切削加工性能。（2）消除熱加工缺陷。（3）消除過(guò)共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。（4）提高普通結(jié)構(gòu)零件的機(jī)械性能。4.退火和正火的選擇

（１）含碳量＜0.25％的低碳鋼，通常采用正火代替退火。（２）含碳量在0.25～0.5％之間的中碳鋼也可用正火代替退火。（３）含碳量在0.5～0.75％之間的鋼，一般采用完全退火（４）含碳量＞0.75％的高碳鋼或工具鋼一般均采用球化退火作為預(yù)備熱處理。a）加熱溫度范圍b）熱處理工藝曲線圖6-23各種退火和正火工藝示意圖1-完全退火2-球化退火3-去應(yīng)力退火4-正火圖6-22退火與正火后鋼的硬度值范圍1－正火2－完全退火3－球化退火C/%C/%t6.5鋼的淬火

淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1點(diǎn)以上某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后以適當(dāng)速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。6.5.1淬火工藝6.5.2鋼的淬透性與淬硬性6.5.3淬火缺陷6.5.4零件的結(jié)構(gòu)形狀與熱處理的工藝性能鋼的淬火拉刀鹽浴熱處理6.5.1淬火工藝

1.淬火的目的

淬火的目的是為了得到馬氏體（或下貝氏體）組織，提高鋼的強(qiáng)度、硬度及耐磨性。2.淬火加熱溫度

淬火加熱溫度的依據(jù)是Fe-Fe3C相圖上的臨界點(diǎn)來(lái)選擇，如圖6-24所示。圖6-24碳鋼淬火加熱溫度范圍示意圖3.淬火冷卻介質(zhì)

工件進(jìn)行淬火冷卻所使用的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)（或淬火介質(zhì)）。常用的淬火介質(zhì)有礦物油、水、鹽水、堿水等，其冷卻能力依次增加。4.淬火方法

生產(chǎn)上常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級(jí)淬火、貝氏體等溫淬火和復(fù)合淬火。

圖6-26各種淬火方法的冷卻示意圖①—單液淬火②—雙介質(zhì)淬火③—馬氏體分級(jí)淬火④—貝氏體等溫淬火圖6-27單液淬火示意圖圖6-28雙介質(zhì)淬火示意圖圖6-29馬氏體分級(jí)淬火1—表面2—心部圖6-30貝氏體等溫淬火示意圖1—表面2—心部圖6-31卡規(guī)及其局部淬火法表6-5各種淬火方法冷卻方式、特點(diǎn)及應(yīng)用淬火方法冷卻方式特點(diǎn)和應(yīng)用單液淬火法將奧氏體化的工件放入一種淬火介質(zhì)中一直冷卻到室溫操作簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化，適用于形狀簡(jiǎn)單的鋼件雙液淬火法將奧氏體化的工件在水中冷卻到接近Ms點(diǎn)時(shí)，立即取出放入油中冷卻防止低溫馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)鋼件發(fā)生裂紋，常用于形狀復(fù)雜的合金鋼分級(jí)淬火法將奧氏體化的工件放入溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴中，使工件各部分與鹽浴的溫度一致后，取出空冷完成M轉(zhuǎn)變大大減少熱應(yīng)力和變形開(kāi)裂傾向，但鹽浴的冷卻能力較小，故只適用于截面尺寸小于10mm的鋼件。如刀具、量具等等溫淬火法將奧氏體化的工件放入溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴中,在該溫度下保溫，使過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w組織后，取出空冷。它常用來(lái)處理形狀復(fù)雜、尺寸要求精確、強(qiáng)韌性高的工具、模具和彈簧等局部淬火法對(duì)工件局部要求硬化的部位進(jìn)行加熱淬火主要用于對(duì)零件的局部有高硬度要求的工件冷處理把淬火冷卻到室溫的鋼繼續(xù)冷卻到-70～-80℃，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，然后低溫回火，消除應(yīng)力，穩(wěn)定組織。提高硬度、耐磨性、穩(wěn)定尺寸，適用于一些高精度的工件，如精密量具、精密絲杠、精密軸承等復(fù)合淬火將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然后在下貝氏體溫度區(qū)等溫。獲得M+B組織。這種冷卻方法可使較大截面的工件獲得組織M+B組織。適用于合金工具鋼工件，可避免回火脆性，減少殘余奧氏體量和變形開(kāi)裂傾向。6.5.2鋼的淬透性與淬硬性1.淬透性

淬透性是指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。影響淬透性的因素是鋼的臨界冷卻速度。凡是增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學(xué)成分），均能提高鋼的淬透性。圖6-32工件淬透層與淬火冷卻速度的關(guān)系圖6-33淬透性對(duì)調(diào)質(zhì)后鋼的力學(xué)性能的影響2.淬硬性

淬硬性是指鋼在理想條件下進(jìn)行淬火所能達(dá)到最高硬度的能力。淬硬性的影響因素是鋼中含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，淬硬性越高，反之，淬硬性越低。對(duì)比項(xiàng)目淬硬性淬透性基本概念鋼材在理想條件下淬火，可獲得的最高硬度值鋼材在規(guī)定條件下淬火所能獲得的淬層深度影響因素主要是含碳量主要是臨界冷卻速度，合金元素含量測(cè)量方式通過(guò)硬度的測(cè)試即可獲得其淬硬性常用的有臨界直徑和端淬法實(shí)際冷卻速度的影響對(duì)淬硬性的影響比較小對(duì)淬透性的影響比較大實(shí)際應(yīng)用根據(jù)零件提出的硬度要求為參考依據(jù)，按所需的含碳量進(jìn)行材料的選取是設(shè)計(jì)零件時(shí)根據(jù)零件實(shí)際工作時(shí)的受力情況進(jìn)行選材的重要依據(jù)3.如何區(qū)分鋼的淬硬性和淬透性淬透性和淬硬性是兩個(gè)完全不同的概念。它們之間相互獨(dú)立，互不相關(guān)。淬透性好的材料淬硬性不一定好，相反淬硬性好的材料淬透性也不一定好。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中一定要根據(jù)不同要求合理選擇。

6.5.3淬火缺陷

缺陷

由于淬火加熱溫度高，冷卻劇烈，因而容易產(chǎn)生一些缺陷。常遇到的缺陷有以下幾種：1.氧化與脫碳

2.過(guò)熱與過(guò)燒

3.變形與開(kāi)裂

4.硬度不足和軟點(diǎn)

5.其它組織缺陷

6.5.4零件的結(jié)構(gòu)形狀與熱處理的工藝性能1．避免尖角與棱角2．避免厚薄懸殊3．采用封閉（避免開(kāi)口）、對(duì)稱結(jié)構(gòu)4．采用組合結(jié)構(gòu)圖6-34磨床頂尖6.6鋼的回火

回火是將工件淬硬后，再加熱到Ac1以下某一溫度，保持一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火目的主要有以下幾點(diǎn)：1）降低脆性，減小或消除淬火應(yīng)力；2）獲得工件所需要的力學(xué)性能；3）穩(wěn)定組織和尺寸；4）對(duì)于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火（或回火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當(dāng)聚集，將硬度降低，以利切削加工。鋼的回火6.6.1鋼在回火時(shí)組織和性能的變化6.6.2回火的方法及其應(yīng)用

6.6鋼的回火6.6.1鋼在回火時(shí)組織和性能的變化

根據(jù)轉(zhuǎn)變情況，回火過(guò)程一般有以下四個(gè)階段的變化：1.馬氏體的分解

2.殘余奧氏體分解

3.滲碳體的形成

4.滲碳體的聚集長(zhǎng)大

隨回火溫度的不同可得到三種類型的回火組織，如圖6-42：a)回火馬氏體b)回火屈氏體c)回火索氏體圖6-42鋼（45鋼）的回火顯微組織6.6.2回火的方法及其應(yīng)用根據(jù)回火溫度范圍不同，回火可分為：1.低溫回火（＜250℃）可得到回火馬氏體組織，保持了淬火鋼高的硬度和耐磨性，降低了內(nèi)應(yīng)力，減小了脆性；2.中溫回火（350℃～500℃）可得到回火托氏體組織，使工件獲得高的彈性極限、屈服點(diǎn)和一定的韌性；3.高溫回火（＞500℃～650℃）可得到回火索氏體組織，有較高的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學(xué)性能。熱處理狀態(tài)Rm/MPaA/%αK/J/cm2HBS正火700～80015～2050～80162～220調(diào)質(zhì)750～85020～2580～120210～250表6-545鋼經(jīng)正火與調(diào)質(zhì)后的性能比較40鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖6-3640鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系4.回火脆性

在250～350℃和500～650℃時(shí)，鋼的沖擊韌性明顯下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。（1）低溫回火脆性淬火鋼在250～350℃范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性叫做低溫回火脆性，也叫第一類回火脆性。（2）高溫回火脆性淬火鋼在500～650℃范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也稱為第二類回火脆性。圖6-37鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系6.7鋼的表面熱處理在扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變載荷、沖擊載荷的作用下工作的機(jī)械零件，它的表面層承受著比心部高的應(yīng)力，在有摩擦的場(chǎng)合，表面層還不斷地被磨損，因此對(duì)零件的表面層提出了強(qiáng)化的要求，使它的表面具有高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而心部仍保持足夠的塑性和韌性，即達(dá)到零件“外硬內(nèi)韌”的性能要求。為了滿足這樣的性能要求，就需要進(jìn)行表面熱處理或化學(xué)熱處理。圖6-38表面和心部性能要求不同的零件6.7.1表面淬火6.7.2化學(xué)熱處理6.7.1表面淬火鋼的表面熱處理是僅對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理以改善表層的組織和性能的熱處理工藝。表面淬火主要是通過(guò)快速加熱與立即淬火冷卻相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即利用快速加熱使鋼件表面很快地達(dá)到淬火的溫度，而不等熱量傳至中心，即迅速予以冷卻，如此便可以只使表層被淬硬為馬氏體，而中心仍為未淬火組織，即原來(lái)塑性和韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火

根據(jù)加熱方法不同，表面淬火法主要有：1.感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流通過(guò)工件所產(chǎn)生的熱量，使工件表面、局部或整體加熱，并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝。（1）感應(yīng)加熱表面淬火原理（2）感應(yīng)加熱的頻率選用

1）高頻加熱電流頻率在200～300kHz，一般淬硬層深度為0.5～2.0mm。適用于在摩擦條件下工作的零件。2）中頻加熱電流頻率1～10kHz,一般淬硬層深度為2～8mm。適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。3）工頻加熱電流頻率50Hz，不需要變頻設(shè)備，淬硬層深度可達(dá)10～15mm。適用于較大直徑零件的透熱及大直徑零件（如軋輥）的表面淬火。圖6-40頻感應(yīng)加熱（3）感應(yīng)加熱表面淬火特點(diǎn)感應(yīng)加熱表面淬火加熱速度極快，加熱時(shí)間短（幾秒到幾十秒）；感應(yīng)加熱淬火件晶粒細(xì)，硬度高（比普通淬火高2～3HRC），且淬火質(zhì)量好；淬硬層深度易于控制，通過(guò)控制交流電頻率來(lái)控制淬硬層深度；生產(chǎn)效率高易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，適于大批量生產(chǎn)。但其設(shè)備與淬火工藝匹配比較麻煩，因?yàn)殡妳?shù)常發(fā)生變化；需要淬火的零件要有一定的感應(yīng)器與其相對(duì)應(yīng)；要求使用專業(yè)化強(qiáng)的淬火機(jī)床；設(shè)備維修比較復(fù)雜。（4）感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用2.火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應(yīng)用可燃?xì)怏w（如氧－乙炔火焰）對(duì)工件表面進(jìn)行加熱，隨即快速冷卻以獲得表面硬化效果的淬火工藝。圖6-41火焰加熱表面淬火示意圖1-工件2-燒嘴3-噴水管火焰加熱溫度很高（約3000℃以上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)燒嘴的位置和移動(dòng)速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。6.7.2鋼的化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中，使一種或幾種元素滲入工件表層，以改變表層的化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到使工件表面具有某些特殊的力學(xué)性能或物理化學(xué)性能的一種熱處理工藝，稱為化學(xué)熱處理。與表面淬火比較，化學(xué)熱處理的主要特點(diǎn)是：不僅改變了工件表層的組織，同時(shí)也使化學(xué)成分發(fā)生了變化。化學(xué)熱處理的基本過(guò)程是由以下三個(gè)階段組成：（1）分解滲入介質(zhì)在一定溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出活性原子。（2）吸收活性原子被工件表面吸附，并溶入工件材料晶格中或與其中元素形成化合物。（3）擴(kuò)散被吸附的原子由表面逐漸向心部擴(kuò)散，形成一定深度的滲層。鋼的化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理的方法很多，最常用的化學(xué)熱處理工藝有滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

1.鋼的滲碳

鋼的滲碳就是鋼件置于滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝。根據(jù)所用滲碳劑在滲碳過(guò)程中聚集狀態(tài)的不同，滲碳方法可以分為固體滲碳法、液體滲碳法及氣體滲碳法三種。氣體滲碳爐及氣體滲碳法示意圖1－爐體2－工件3－耐熱管4－電阻絲5－爐蓋6－廢氣火焰7－風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)在氣體滲碳時(shí)，由于含碳的氣氛在鋼的表面進(jìn)行以下的氣相反應(yīng)，提供活性原子溶解于高溫奧氏體中，然后向鋼的內(nèi)部擴(kuò)散而進(jìn)行滲碳。其反應(yīng)式如下：2CO【C】＋CO2

CH4【C】＋2H2

CO+H2【C】＋H2O根據(jù)不同要求，鋼件滲碳后可選用下列三種熱處理工藝：1）直接淬火法2）一次淬火法3）二次淬火法

2.鋼的滲氮（氮化）

滲氮是在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。滲氮的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強(qiáng)度。目前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的、比較成熟的是氣體滲氮和離子滲氮。

圖6-46離子滲氮示意圖1-密封橡膠棒2-陰極3-工件4-觀測(cè)孔5-真空室外殼6-陽(yáng)極3.碳氮共滲碳氮共滲在奧氏體狀態(tài)下，同時(shí)將碳、氮滲入工件表層，并以滲碳為主的化學(xué)熱處理工藝稱為碳氮共滲。最早，碳氮共滲是在含氰根的鹽浴中進(jìn)行的，故此又稱氰化。4.氮碳共滲（軟氮化）在工件表層同時(shí)滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學(xué)熱處理工藝，稱為氮碳共滲，也稱軟氮化。其特點(diǎn)是加熱溫度低（560℃左右），保溫3～4h后，隨即出爐空冷，生產(chǎn)周期短，工件變形小，滲層硬度隨比滲氮低，但韌性好。一般用于模具、量具及高速鋼刀具等。5.滲金屬

可采用固體或液體方式向鋼中滲入硼、鉻、釩等滲金屬元素，在鋼表層形成一層碳的金屬化合物。6.表面防護(hù)處理

有許多機(jī)械零件和工具在熱處理或加工成形后，需經(jīng)過(guò)表面防護(hù)處理提高其防銹能力和美觀。鋼鐵制件常用的表面防護(hù)處理有氧化處理、磷化處理以及蒸氣處理。6.8典型零件的熱處理分析6.8.1熱處理的工序位置6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析6.8.1熱處理的工序位置根據(jù)熱處理的目的和工序位置不同，熱處理可分為：1.預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理包括退火、正火和調(diào)質(zhì)處理等。退火、正火通常安排在零件的毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前；調(diào)質(zhì)處理一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前。目的是獲得良好的綜合力學(xué)性能，為最終熱處理做準(zhǔn)備。對(duì)于使用性能要求不高的零件，退火、正火、調(diào)質(zhì)也可以作為最終熱處理。2.最終熱處理最終熱處理包括淬火、回火、表面淬火和化學(xué)熱處理等，一般安排在半精加工或精加工之后。6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析1.齒輪類

（1）機(jī)床齒輪一般機(jī)床齒輪選用中碳鋼制造，并經(jīng)高頻感應(yīng)熱處理，所得到的硬度、耐磨性、強(qiáng)度及韌性已能滿足其性能要求，而且高頻淬火具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)床齒輪加工工藝路線： 下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→高頻淬火及回火→精磨。正火處理、調(diào)質(zhì)處理為預(yù)備熱處理。高頻淬火及低溫回火為最終熱處理。6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析（2）汽車(chē)、拖拉機(jī)齒輪常用20CrMnTi鋼制造

工藝路線：備料→鍛造→正火→機(jī)械加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒。表6-820CrMnTi汽車(chē)變速齒輪加工中熱處理工序的作用分析熱處理名稱性質(zhì)加熱溫度（℃）作用正火預(yù)備熱處理855～875消除毛坯的鍛造應(yīng)力；降低硬度，改善切削加工性能；均勻組織，細(xì)化晶粒，為以后的熱處理做好組織準(zhǔn)備滲碳最終熱處理900～950保證齒面的含碳量在0.85％以上，滲碳安排在齒面粗加工之后，并根據(jù)粗加工后余量確定滲層深度淬火+低溫回火760～780表面獲得針狀高碳馬氏體，有足夠的硬度，經(jīng)回火后應(yīng)達(dá)58～62HRC；心部可得到板條狀低碳馬氏體，具有較高的強(qiáng)度和韌性，硬度達(dá)33～48HRC200～2202.軸類（1）普通車(chē)床變速箱主軸

45鋼圖6-48車(chē)床主軸示意圖加工工藝路線：下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→內(nèi)錐孔及外圓錐面的局部淬火、低溫回火→粗磨（外圓、內(nèi)錐孔、外圓錐面）→銑花鍵→花鍵感應(yīng)加熱表面淬火、低溫回火→精磨。正火、調(diào)質(zhì)處理為預(yù)備熱處理。內(nèi)錐孔、外圓錐面局部鹽浴淬火、低溫回火后獲得所要求的硬度，以保證裝配精度和不易磨損。花鍵部分高頻感應(yīng)加熱淬火、低溫回火獲得表面硬度48～52HRC。

工藝路線：

下料→鍛造→正火→機(jī)械加工→調(diào)質(zhì)→盤(pán)部鉆孔→磨花鍵。圖6-49汽車(chē)半軸（2）汽車(chē)半軸中型載重汽車(chē)目前選用40Cr鋼，而重型載重汽車(chē)則選用性能更高的40CrMnMo鋼。

3.其它類型（扁銼T12鋼）圖6-50銼刀工藝路線：備料→鍛造→正火、球化退火→機(jī)械加工→銼身局部淬火、回火→機(jī)械加工。6.9.1加熱爐的分類6.9.2選擇熱處理使用能源應(yīng)考慮的一般原則6.9.3感應(yīng)加熱設(shè)備6.9熱處理設(shè)備簡(jiǎn)介6.9熱處理設(shè)備簡(jiǎn)介

6.9.1加熱爐的分類

1.按使用能源分類可分為電爐、燃料（煤、油、氣）爐。目前電爐應(yīng)用較為廣泛。

2.按工作溫度分類可分為高溫爐（1000～1300℃）、中溫爐（650～1000℃）、低溫爐（＜650℃）。

3.按爐膛內(nèi)加熱介質(zhì)分類可分為空氣爐、可控氣氛爐、浴爐、流態(tài)粒子爐、真空爐、離子滲氮爐等。

4.按工藝用途分類可分為正火爐、退火爐、淬火爐、回火爐、滲碳爐、氮化爐、碳氮共滲爐等。

5.按爐型分類可分為箱式爐、井式爐、臺(tái)車(chē)式爐、罩式爐、推桿式爐、轉(zhuǎn)底式爐、振底式爐、傳送帶式爐等。

6.按作業(yè)方式分類可分為周期式作業(yè)爐、連續(xù)式作業(yè)爐、半連續(xù)式作業(yè)爐等。井式熱處理爐井式熱處理爐臺(tái)車(chē)式熱處理爐箱式熱處理爐立式龍門(mén)型熱處理爐6.9.2選擇熱處理使用能源應(yīng)考慮的一般原則

1．生產(chǎn)成本

2．因地制宜

3．操作、控溫與維護(hù)

4．工藝要求5．環(huán)境影響6.9.3感應(yīng)加熱設(shè)備

感應(yīng)加熱淬火具有加熱速度快、生產(chǎn)效率高、變形小、勞動(dòng)條件好、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，在冶金、機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)感應(yīng)加熱設(shè)備工作頻率的不同，可分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻感應(yīng)加熱裝置。6.10熱處理新工藝技術(shù)簡(jiǎn)介6.10.1形變熱處理6.10.2激光熱處理6.10.3保護(hù)氣氛熱處理6.10.4真空熱處理6.10.5計(jì)算機(jī)在熱處理的應(yīng)用6.10.1形變熱處理

形變熱處理是將塑性變形（鍛、軋等）和熱處理工藝緊密結(jié)合起來(lái)的一種熱處理方法。

形變熱處理可分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理兩種，如圖6-69所示。圖6-69形變熱處理工藝圖a)低溫形變熱處理b）高溫形變熱處理形變熱處理1．高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是將工件加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一段時(shí)間，在該溫度下進(jìn)行塑性變形，然后立即進(jìn)行淬火處理，以獲得馬氏體組織，稱為高溫形變淬火。2．低溫形變熱處理

低溫形變熱處理是將工件加熱到奧氏體化溫度以上，保溫后迅速冷卻到過(guò)冷奧氏體的亞穩(wěn)定區(qū)（500℃～600℃）進(jìn)行大量的（60%～90%）塑性變形，隨后進(jìn)行淬火、回火的綜合工藝方法。3．復(fù)合形變熱處理是將兩種或兩種以