第六章鋼的熱處理工藝

第六章鋼的熱處理工藝第一頁，共五十八頁，2022年，8月28日鋼的熱處理工藝：根據(jù)鋼在加熱和冷卻過程中的轉(zhuǎn)變規(guī)律制定的鋼在熱處理時(shí)具體的加熱、保溫和冷卻的工藝參數(shù)。第二頁，共五十八頁，2022年，8月28日熱處理工藝第三頁，共五十八頁，2022年，8月28日6.1鋼的普通熱處理普通熱處理:退火、正火、淬火和回火，熱處理的“四把火”。退火

退火：將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到預(yù)定的某一溫度，保溫后緩慢冷卻

(一般為隨爐冷卻或埋入石灰中)，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。第四頁，共五十八頁，2022年，8月28日退火分為：完全退火、等溫退火、球化退火、再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火等。完全退火

定義：將鋼件或毛坯加熱到Ac3以上20℃～30℃，保溫一段時(shí)間，獲得完全奧氏體后，緩慢冷卻(隨爐冷卻)到500℃～600℃以下出爐空冷。第五頁，共五十八頁，2022年，8月28日完全退火的目的（1）改善熱加工造成的粗大、不均勻的組織；（2）中碳以上碳鋼和合金鋼降低硬度，改善，切削加工性能(170HB～230HB時(shí)易于切削加工)；（3）消除鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力。第六頁，共五十八頁，2022年，8月28日適用范圍含碳量為0.25％～0.77％的亞共析成分的碳鋼、合金鋼和工程鑄件、鍛件和熱軋型材。過共析鋼不宜采用完全退火。?網(wǎng)狀二次滲碳體的析出使鋼的強(qiáng)度，韌性和沖擊韌性顯著降低缺點(diǎn)：需要很長的時(shí)間第七頁，共五十八頁，2022年，8月28日等溫退火將鋼件或毛坯加熱至Ac3(或Acl)以上20℃～30℃

，保溫一定時(shí)間后，較快地冷卻至珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)保溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w后，再緩冷。等溫退火的目的與完全退火相同。等溫退火時(shí)的轉(zhuǎn)變?nèi)菀卓刂疲塬@得均勻的預(yù)期組織，適宜大型制件及合金鋼制件，可縮短退火周期。第八頁，共五十八頁，2022年，8月28日球化退火

球化退火：將鋼件或毛坯加熱到略高于Acl的溫度（20-30℃），經(jīng)長時(shí)間保溫，使鋼中二次滲碳體自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀(或稱球狀)滲碳體，然后以緩慢的速度冷卻到室溫的工藝方法。保溫時(shí)間：2-4小時(shí)第九頁，共五十八頁，2022年，8月28日1.球化退火的目的降低硬度，改善切削加工性能；均勻組織，為淬火作組織準(zhǔn)備。

2.球化退火的適用范圍

碳素工具鋼、合金彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼和合金工具鋼等共析鋼和過共析鋼(含碳量大于0.77％)。奧氏體化后碳濃度分布不均勻，過冷后滲碳體形核，并長大，形成球狀球狀珠光體。第十頁，共五十八頁，2022年，8月28日擴(kuò)散退火（均勻化退火）將鋼錠、鑄件加熱到略低于固相線溫度(鋼的熔點(diǎn)以下100℃～200℃)，長時(shí)間保溫并緩冷，使鋼錠等化學(xué)成分和組織均勻化。加熱溫度高Ac3或者Accm以上150-300℃退火時(shí)間：t=8.5+Q/4(Q為裝爐量），一般擴(kuò)散退火時(shí)間為10-15小時(shí)。擴(kuò)散退火高溫長時(shí)間加熱奧氏體晶粒粗大，需要進(jìn)行完全退火或正火來細(xì)化晶粒?；蛳^熱的缺陷第十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日生產(chǎn)周期長，消耗能量大，成本高。所以只適用于優(yōu)質(zhì)合金鋼，存在嚴(yán)重偏析的合金鋼鑄件。第十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火1.去應(yīng)力退火又稱低溫退火。它是將鋼加熱到500℃～650℃(Ac1溫度以下)，保溫一段時(shí)間，然后緩慢冷卻到室溫的工藝方法。目的：消除鑄件、鍛件和焊接件以及冷變形加工造成的內(nèi)應(yīng)力。去應(yīng)力退火溫度低、不改變工件原來的組織。鋼的保溫時(shí)間為3min/mm，鑄鐵：6min/mm冷卻過程要緩慢以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。第十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.再結(jié)晶退火（1）消除冷變形加工(冷軋、冷拉、冷沖)產(chǎn)生的畸變組織；（2）消除加工硬化。（3）加熱溫度為再結(jié)晶溫度以上150℃

～250℃

。（4）使冷變形后被拉長的晶粒重新形核長大為等軸晶，消除加工硬化效果。把冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保溫適當(dāng)時(shí)間，使新的等軸晶粒代替原來的變形晶粒，從而消除加工硬化的熱處理工藝。第十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日正火正火：將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)和Accm(過共析鋼)以上30℃～50℃，保溫一段時(shí)間后，在空氣中或在強(qiáng)制流動(dòng)的空氣中冷卻到室溫的工藝方法。得到珠光體組織。與完全退火相比：冷卻速度較快，組織轉(zhuǎn)變的溫度也比較低，相同鋼材正火后獲得的珠光體的組織細(xì)，硬度，強(qiáng)度高。保溫時(shí)間同完全退火的保溫時(shí)間。以工件燒透，心部達(dá)到要求的溫度。第十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日正火的目的：

1．作為最終熱處理（1）對(duì)強(qiáng)度要求不高的零件，正火可以作為最終熱處理。（2）正火可以細(xì)化晶粒，使組織均勻化。（3）減少亞共析鋼中鐵素體含量，使珠光體含量增多并細(xì)化。2．作為預(yù)先熱處理（1）截面較大的結(jié)構(gòu)鋼件，消除魏氏組織和帶狀組織，獲得細(xì)小均勻的組織，為淬火或調(diào)質(zhì)處理作組織準(zhǔn)備。（2）碳素工具鋼和合金工具鋼，消除網(wǎng)狀滲碳體，為球化退火作組織準(zhǔn)備。

3．改善切削加工性能正火可改善低碳鋼(含碳量低于0.25％)的切削加工性能。低碳鋼，退火后硬度過低，切削加工時(shí)容易“粘刀”，表面粗糙。通過正火使硬度提高至140HB～190HB，改善切削加工性能。第十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日消除熱加工缺陷消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火第十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日退火和正火的選用原則含碳量≤0.25%的低碳鋼，采用正火取代退火。較快的冷去速度避免三次滲碳體的析出，從而提高強(qiáng)度。中碳鋼0.25%-0.5%，用正火代替退火，正火成本低，生產(chǎn)率高。0.5%-0.75%，采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。高碳鋼≥0.75%采用球化退火綜合考慮：使用性能和經(jīng)濟(jì)性能第十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火與回火鋼的熱處理中最重要，應(yīng)用最廣泛為消除淬火應(yīng)力，和得到不同強(qiáng)度，硬度和韌性需要進(jìn)行回火處理，淬火與回火密不可分第十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火將鋼加熱到Ac3或Ac1線以上(30～50℃)保溫一段時(shí)間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻，獲得馬氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。目的：獲得盡量多的馬氏體并結(jié)合不同溫度的回火獲得需要的性能：彈簧鋼經(jīng)淬火+中溫回火可獲得很高的彈性極限。工具鋼經(jīng)淬火+低溫回火可獲得很高的硬度和耐磨性。第二十頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火溫度亞共析鋼淬火加熱溫度：Ac3以上30℃～50℃；共析鋼、過共析鋼淬火加熱溫度：Ac1以上30℃～50℃。第二十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日1.亞共析碳鋼：在淬火溫度加熱，為晶粒細(xì)小的奧氏體，淬火后為細(xì)小的馬氏體組織。（1）加熱溫度過高：奧氏體晶粒粗化，淬火得到粗大馬氏體，鋼脆化。（2）加熱溫度過低：如在Ac1～Ac3之間，加熱時(shí)為奧氏體+鐵素體。淬火后為馬氏體+鐵素體(+殘余奧氏體)，淬火硬度不足。第二十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.共析鋼和過共析鋼：在淬火加熱之前球化退火，加熱到Acl以上30℃～50℃不完全奧氏體化后，其組織：奧氏體+部分未溶的細(xì)粒狀滲碳體顆粒。淬火后，馬氏體+未溶滲碳體顆粒。不降低淬火鋼的硬度，提高它的耐磨性。（1）加熱溫度過高（在Accm以上）:A的含碳量增加，淬火殘余奧氏體量增多，降低鋼的硬度與耐磨性。A晶粒粗大。淬火后片狀馬氏體粗大，顯微裂紋多，增加脆性。淬火內(nèi)應(yīng)力增加，極易引起工件的淬火變形和開裂。第二十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火加熱保溫時(shí)間

加熱保溫時(shí)間的影響因素：加熱爐的類型、鋼種、工件尺寸大小等有關(guān)，一般根據(jù)熱處理手冊(cè)中的經(jīng)驗(yàn)公式確定。第二十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火過程中工件截面各部分冷卻速度不同，只有冷卻速度大于臨界淬火速度才能得到馬氏體，工件心部可能得到珠光體，貝氏體等非馬氏體組織。這就涉及到一個(gè)“淬透性”的問題。第二十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火應(yīng)力熱應(yīng)力（各部分冷卻速度不同）組織應(yīng)力（奧氏體，珠光體，貝氏體，馬氏體）含碳量，合金元素，工件尺寸，淬火介質(zhì)都影響著淬火應(yīng)力的大小第二十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火冷卻方式冷卻介質(zhì)應(yīng)保證工件得到馬氏體，同時(shí)變形小，不開裂。第二十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日1.理想的淬火曲線：650℃以上緩冷，降低熱應(yīng)力。650℃～400℃快速冷卻，保證奧氏體不分解。400℃以下緩冷，減少馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)的相變應(yīng)力第二十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日常用的淬火冷卻介質(zhì)：（主要是水、油。）（1）水：水在650℃

～550℃高溫區(qū)冷卻能力較強(qiáng)，在300℃

～200℃低溫區(qū)冷卻能力也強(qiáng)，淬火零件易變形開裂。適用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。水溫升高，在高溫區(qū)的冷卻能力顯著下降，低溫區(qū)的冷卻能力仍然很強(qiáng)。淬火時(shí)水溫不應(yīng)超過30℃。（2）鹽水、堿水：（冷卻能力比清水更強(qiáng)）例如濃度為10％NaCl或10％NaOH的水溶液可使高溫區(qū)(650℃

～550℃的冷卻能力顯著提高。第二十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日（3）油：油也是一種常用的淬火介質(zhì)。如礦物油，如錠子油、機(jī)油等。優(yōu)點(diǎn)：在300℃

～200℃低溫區(qū)的冷卻速度比水小得多，從而可大大降低淬火工件的相變應(yīng)力，減小工件變形和開裂傾向。油在6500C～5500C高溫區(qū)間冷卻能力低是其主要缺點(diǎn)。提高油溫可以降低黏度，增加流動(dòng)性，提高高溫區(qū)間的冷卻能力。但是油溫過高，容易著火，應(yīng)控制在600C～800C。適用于形狀復(fù)雜的合金鋼工件；小截面、形狀復(fù)雜的碳鋼工件的淬火。第三十頁，共五十八頁，2022年，8月28日（4）鹽浴淬火：為減少工件的變形，熔融狀態(tài)的鹽也常用作淬火介質(zhì)，稱作鹽浴淬火。1其特點(diǎn)是沸點(diǎn)高，冷卻能力介于水、油之間；2常用于等溫淬火和分級(jí)淬火，3處理形狀復(fù)雜、尺寸小、變形要求嚴(yán)格的工件等。第三十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日有機(jī)水溶液：美國：15%聚乙烯醇+0.4%抗粘附劑+0.1%防泡劑國內(nèi)：水玻璃-堿水溶液、過飽和硝酸鹽水溶液第三十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日淬火方法淬火方法的選擇：獲得馬氏體和減少內(nèi)應(yīng)力、減少工件的變形和開裂。常用的淬火方法：1.單介質(zhì)淬火、2.雙介質(zhì)淬火、3.分級(jí)淬火、4.等溫淬火。

第三十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日鋼的淬透性淬透性:

是鋼的固有屬性，鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。

（1）大?。河娩撛谝欢l件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。在相同的形狀和尺寸條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。（2）淬透層的深度：由工件表面至半馬氏體區(qū)的深度。半馬氏體區(qū)的組織是由50％馬氏體和50％分解產(chǎn)物組成的。第三十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日（3）淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度（小），過冷奧氏體的穩(wěn)定性（越穩(wěn)定）。

（4）淬硬性：鋼淬火后形成的馬氏體組織所能達(dá)到的硬度。主要取決于馬氏體中的含碳量，馬氏體中碳含量越高，淬硬性越大。第三十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日影響淬透性的因素①含碳量：在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好。亞共析鋼隨含碳量增加，臨界冷速減小，淬透性提高；過共析鋼隨含碳量增加，臨界冷速增加，淬透性降低。②合金元素：除Co以外，其余合金元素溶于奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性。③奧氏體化溫度：提高鋼材的奧氏體化溫度，將使奧氏體成分均勻、晶粒長大，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。④鋼中未溶第二相：鋼加熱奧氏體化時(shí)，未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物，成為非自發(fā)形核核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。第三十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日回火將淬火后的零件加熱到低于Acl的某一溫度并保溫，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹗蔷o接淬火的一道熱處理工藝，大多數(shù)淬火鋼都要進(jìn)行回火。第三十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日回火的目的穩(wěn)定工件組織和尺寸，減小或消除淬火應(yīng)力，提高鋼的塑性和韌性，獲得工件所需的力學(xué)性能，以滿足不同工件的性能要求。第三十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日回火可分為四個(gè)階段。第一階段(100℃以下)：馬氏體中碳的騙聚過飽和M中碳偏聚到位錯(cuò)線附近的間隙位置第二階段(200℃以下)：馬氏體分解。從過飽和M析出彌散的ε-碳化物第三階段(200℃～300℃)：殘余奧氏體分解。殘余奧氏體分解為α和ε-碳化物的機(jī)械混合物（回火M或B下）第四階段(250℃～400℃)：碳化物的轉(zhuǎn)變。ε-碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的x-碳化物,θ-碳化物第五階段(400℃以上)：滲碳體的聚集長大與α相的再結(jié)晶。第三十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日回火分為低溫、中溫和高溫回火。

第四十頁，共五十八頁，2022年，8月28日低溫回火1.低溫回火溫度：150℃～250℃。2.低溫回火后組織：

亞共析鋼低溫回火后組織：回火M；過共析鋼低溫回火后組織：回火M+碳化物+殘余A。3.低溫回火的目的：保持高硬度(58HRC～64HRC)、強(qiáng)度和耐磨性的情況下，適當(dāng)提高淬火鋼的韌性，同時(shí)顯著降低鋼的淬火應(yīng)力和脆性。4.低溫回火鋼：高碳鋼和高合金鋼。應(yīng)用于工具、量具、滾動(dòng)軸承、滲碳工件、表面淬火工件等。5.人工時(shí)效或穩(wěn)定化處理（120℃～250℃、保溫幾十小時(shí)）：精密量具、軸承、絲杠等零件為了減少在最后加工工序中形成的附加應(yīng)力，增加尺寸穩(wěn)定性。第四十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日中溫回火1.回火溫度：在350℃～500℃之間。2.回火組織：回火屈氏體組織（鐵素體基體+彌散分布細(xì)粒狀滲碳體）。回火屈氏體組織中的鐵素體：保留著馬氏體的形態(tài)。3.回火后工件性能：內(nèi)應(yīng)力基本消除，具有高的彈性極限和屈服極限、較高的強(qiáng)度和硬度(35HRC～45HRC)、良好的塑性和韌性。4.中溫回火主要用于各種彈簧零件及熱鍛模具。第四十二頁，共五十八頁，2022年，8月28日高溫回火

1.調(diào)質(zhì)處理：高溫回火溫度為500℃～650℃。通常將淬火和隨后的高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。2.高溫回火的組織：回火索氏體，即鐵素體+細(xì)粒狀滲碳體?；鼗鹚魇象w中的鐵素體：再結(jié)晶的多邊形鐵素體。3.高溫回火后鋼性能：具有強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能，硬度為25HRC～35HRC。4.應(yīng)用：中碳結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼制造的各種受力比較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車半軸、機(jī)床齒輪及主軸等。第四十三頁，共五十八頁，2022年，8月28日軟化回火：某些不能通過退火來軟化的高合金鋼，可以在600℃~680℃進(jìn)行軟化回火。第四十四頁，共五十八頁，2022年，8月28日回火脆性回火脆性：鋼在回火時(shí)，即在250℃～400℃和450℃～650℃兩個(gè)溫度區(qū)間回火后，鋼的沖擊韌性明顯下降。這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性?；鼗鸫嘈钥煞譃閮深悾?/p>

1.第一類回火脆性(低溫回火脆性)

不可逆回火脆性：鋼在250℃

～350℃范圍內(nèi)回火時(shí)出現(xiàn)的脆性。因?yàn)檫@種回火脆性產(chǎn)生后無法消除，所以也稱它為不可逆回火脆性。低溫回火脆性產(chǎn)生的原因：回火馬氏體中分解出穩(wěn)定的細(xì)片狀化合物。防止低溫回火脆性：避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。為了保證要求的力學(xué)性能，必須在脆化溫度回火時(shí)，可采取等溫淬火。第四十五頁，共五十八頁，2022年，8月28日2.第二類回火脆性(高溫回火脆性)可逆回火脆性：有些合金鋼尤其是含Cr、Ni、Mn等元素的合金鋼，在450℃～650℃高溫回火后緩冷時(shí)，會(huì)使沖擊韌性下降。這種脆性稱為高溫回火脆性，有時(shí)也稱可逆回火脆性。防止高溫回火脆性：回火后快冷則不出現(xiàn)脆性。這種脆性的產(chǎn)生與加熱和冷卻條件有關(guān)。第四十六頁，共五十八頁，2022年，8月28日鋼的表面熱處理在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷下工作的零件：截面上承受的應(yīng)力不同：越往心部應(yīng)力越小。就要求表面達(dá)到一定的硬度強(qiáng)度，心部保持高韌性。普通熱處理很難實(shí)現(xiàn)！鋼的表面熱處理：僅對(duì)鋼的表面快速加熱、冷卻，把表層淬成馬氏體，心部組織不變的熱處理工藝稱為表面熱處理。第四十七頁，共五十八頁，2022年，8月28日常用的表面熱處理方法感應(yīng)加熱表面淬火火焰加熱表面淬火電接觸加熱表面淬火高能加熱表面淬火

第四十八頁，共五十八頁，2022年，8月28日感應(yīng)加熱淬火利用電磁感應(yīng)原理，在工件表面產(chǎn)生密度很高的感應(yīng)電流，使工件表面加熱至奧氏體狀態(tài)，然后快冷獲得馬氏體組織的淬火方法。感應(yīng)圈→通交流電→交變磁場→工件在磁場中，表面產(chǎn)生感應(yīng)電流“渦流”

→肌膚效應(yīng)→工件內(nèi)部幾乎不存在電流→渦流將電能轉(zhuǎn)化成電能→工件表面加熱第四十九頁，共五十八頁，2022年，8月28日感應(yīng)加熱表面熱處理的特點(diǎn)(1)感應(yīng)加熱淬火溫度高于一般淬火溫度。

(2)工件表層硬度比普通淬火高2HRC～3HRC，耐磨性有較大提高。

(3)表層存在很大的殘余壓應(yīng)力，能顯著提高零件的彎曲、抗扭疲勞強(qiáng)度。

(4)加熱速度快、時(shí)間短，淬火后無氧化、脫碳現(xiàn)象。（5）工件變形小，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。

缺點(diǎn)是設(shè)備昂貴，形狀復(fù)雜的零件處理比較困難。

第五十頁，共五十八頁，2022年，8月28日鋼的化學(xué)熱處理將工件放入含有某種活性原子的化學(xué)介質(zhì)中，通過加熱使介質(zhì)中原子滲入工件一定深度的表層，改變鋼件表層化學(xué)成分和組織，獲得與心部不同性能的熱處理工藝。表面：很好的強(qiáng)度，硬度，耐磨性心部：良好的塑性和韌性第五十一頁，共五十八頁，2022年，8月28日化學(xué)熱