热处理工艺及设备讲义

1热处理工艺及设备 教学内容第一讲： 绪论（自我介绍，与学生沟通。 ）举例：例 1）：弹簧件：目前用于制作弹簧工件的材料有很多种。首先根据工件使用条件和要求选用合适的弹簧钢，然后加工成形。这时虽然材料和工件的形状都达到了弹簧工件的要求，但性能并没有达到技术要求。 这时工件在受力作用下就会发生塑性变形，无法起到弹簧工件的作用。要想使工件充分体现出弹簧的特性，就要根据所用具体材料进行相应热处理来满足。例 2）：家用菜刀、剪刀等，这些工件使用性能如何，热处理的好与坏，直接影响刀具的质量，如硬度低时，易出现卷刃现象，如硬度过高，易出现断裂现象等。例 3）：学生在钳工实习时制作的小锤子。在钳工制作锤子时，所用工具有：锉刀、锯条和钻头等工具，它们同样是金属材料，为什么锤子能被加工得动？这说明这些工具的硬度比锤子的硬度高，所以能把锤子从原材料加工成锤子的形态。但在钳工加工成形的锤子也只是一个半成品。因为虽然锤子的形状，尺寸达到了要求，但它们的机械性能并没有达到要求。如果这时用它锤击工件，锤子本身就会出现变形。所以要想使锤子不但在尺寸和精度上达到要求而且在性能上也应达到技术要求，为此就要通过进行热处理来完成。例 4）：古代刀剑，不经过热处理，是没法上战场使用的。引出本课程的教学目的：认识、理解、掌握、运用热处理工艺及设备知识。0 绪论0-1 热处理的起源和历史春秋战国时期，铸铁的石墨化退火和脱碳退火，应用于农具中；西汉时代，钢铁兵器的淬火提高硬度；三国时代，发现了淬火介质对工件质量的影响；汉魏时期，开始了化学热处理；明代，有了渗碳工艺；由于历史原因，新中国成立前的热处理一直停滞不前。0-2 热处理的概念、工艺特点1、热处理：采用适当的方式对固态金属或合金进行加热、保温和冷却，以获得所要求的组织结构（或表面化学成分）与性能的工艺。性能包括：工艺性能、机械性能、物理性能和化学性能。1）加热升温的目的使金属材料由低温组织转变为高温组织（举例：钢在常温下其内部有珠光体、铁素体、马氏体、上、下贝氏体等组织。随着温度的升高，当达到 727或超过 727时，就发生了组织转变。常温的组织开始转变为高温的组织，也就是向奥氏体转变。 ）2）保温的目的使工件烧透且组织转变有充足的时间图 0-1 热处理工艺曲线示意图2（工件有尺寸、形状，加热有快慢，工件芯部与外表温度要求一致）3）冷却的目的将金属材料的高温组织以不同的冷却速度冷却到室温，获得不同的室温组织，从而达到不同的机械性能。2、工艺特点：热处理工艺是机械制造过程中一个重要的组成环节，与其它工艺相比，有其工艺特点：1）热处理工艺不改变工件的外部形态，只改变内部组织形态，提高其内在质量，赋予各种使用性能；2）热处理工艺不能独立存在，可在机械制造过程中任何一个位置存在，与前后工序起相辅相成的作用；（举例：机加工之前的高温退火、铝合金成品前的固溶处理等）3）操作温度和过程时间范围广；（温度可高达工件的熔点，也可低至零下几十度，而时间短则几秒长则上百小时）4）工艺控制精确；（温度、时间的控制，冷去速度、方法的要求，热处理时工件的摆放及移动速度等）5）加热、冷却介质的多样性和严格性；6）加热冷却的均匀性和区分性。0-3 热处理的分类1、按机械加工过程中的位置和作用分：（1）最终热处理；（为获得零件最后使用状态所需性能的热处理）（2）预先热处理；（常在最终热处理之前进行，为其他工艺做好组织性能准备）（3）补充热处理。 （常在最终热处理之后进行，为了消除应力或稳定加工效果）2、按零件热处理部位不同分：（1）整体热处理；（2）局部热处理；（3）表面热处理；（4）区分热处理。3、按零件化学成分是否要求变化分：（1）普通热处理；（2）化学热处理。4、按热处理温度分：（1）高温热处理；（2）中温热处理；（3）低温热处理；（4）冷处理。5、按工艺特点、组织转变及形状性能变化分：（1）基本热处理-退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效等；（2）化学热处理-渗碳、渗氮、渗硼、渗金属、多元渗等；（3）表面淬火-火焰淬火、感应淬火、渗液淬火、电接触淬火、激光淬火等；（4）形变热处理-高温形变热处理、中温形变热处理、低温形变热处理；（5）复合热处理-渗碳淬火、表面淬火自行回火、锻热淬火、焊接余热退火等。30-4 国内热处理工艺现状及发展趋势1、现状：与发达国家相比，工艺水平低、质量差、耗能大、成本高、产品缺乏竞争力；工艺研究和设备开发方面远远落后于发到国家，高端精密的热处理工艺设备绝大部分从国外进口。2、发展趋势：（1）节能减排，降低能耗，加强热处理工艺过程的控制与管理，积极采用复合热处理等新热处理工艺；（2）推广无氧化、防脱碳、防热裂的热处理工艺；（3）改造和引进自动化热处理生产线；（4）减少污染、采用清洁能源、采用高效热处理工艺。4第二讲：金属的加热及钢在加热时的转变提问学生：1）热处理的定义？热处理的工艺过程？（画右图示意）2）热处理按工艺、特点和形状性能角度如何分类？1 金属的加热及钢在加热时的转变1-1 热处理的加热过程1、加热物理过程：热的传递方式：传导温度不同的接触物体间或同一物体中各部分之间的热能传递过程；（举例：烤红薯、用暖水袋暖手等等）对流流体流动时，流体质点运动引起的热能传递过程；（比如：暖气管、空调、吹风扇等等）辐射物体间通过热辐射在空间中传递热能的过程。（比如：微波炉、太阳光等等）2、加热影响因素：1）加热介质 （画出书中的表 1-1，加以说明）一般来说，传导比对流的加热速度要快一倍以上 （举个例子：烧水）2）钢件（或合金）成分 （画出书中的表 1-2，加以说明）钢的化学成分不同决定了其比热、密度和导热系数有差异，则影响着加热速度；一般来说，加热速度与导热系数成正比、与比热、密度成反比， 即：v /c。（举例，铝锅、铜壶。合金元素越多，则导热系数越小、密度越大，不宜快速加热）3）钢件（或合金）形状有效受热表面积与体积之比，F/V，其越大，则加热速度越大。3、加热规范的一般原则：与零件有关，也与加热设备、加热方式、装炉量及工艺要求有关1）加热温度确定 （画图 1-2 加热温度优选示意图）过烧金属或合金在热处理加热时，由于加热温度接近其固相线附近，晶界氧化和开始部分熔化的现象。图 0-1 热处理工艺曲线示意图5过热金属或合金在加热时，加热温度超过相变所需温度，使组织和性能异常的现象。氧化脱碳2）加热速度选择采用小的（慢速）加热速度：脆性大的工件、导热性差的工件、大尺寸工件、复杂形状的工件、残余应力大的工件、固体渗碳和退火工艺、具有严重偏析和夹渣物的工件。没有以上因素的工件，从生产效率、节约资源考虑，都应采用大的加热速率。3）加热方法选择 （画出书中图 1-3 示意）（1）冷炉装料：需要加热速度小的工件、装炉量较多的情况；（2）到温装炉：加热速度大、操作方便，截面温差大，退火、正火、淬火等普遍采用的加热方法；（3）高温装炉：炉温比加热温度高 100150 、加热速度大、热应力大、操作不方便，锻件退火或正火，碳钢或低合金钢锻件的淬火。（4）低温装炉：低于 600、加热速度中等、温差较小，热处理温度较低的工件，大型铸锻件，淬火不合格返修件，经过预热要进行高温热处理的、为了减少高温氧化和脱碳的工件。4）加热时间确定理论计算法：一般来说，加热时间包括：工件升温时间、均热时间、保温时间；但理论计算时，加热时间仅指升温时间。（1）表面热流密度恒定时：（传给工件的热量与工件吸收而升温的热量相等）（2）炉温恒定时：（d 时间内传递给工件表面的热量）经验计算法： =ad常用有效厚度计算方法（画图 1-4 表示）1-2 热处理的加热介质：1、固体介质：木炭、烟煤、石墨、刚玉砂、石英砂、碳化硅等，主要应用于固体渗碳、渗金属等固体化学热处理及无氧化加热。62、液体介质：熔盐、熔碱、熔融金属、各种油类等，主要应用于加热质量要求高的高碳高合金钢的小零件、工模具的加热及某些液体化学热处理，也可用于等温淬火冷却。熔盐温度 1401300，价格低、易于清除，使用广泛；熔融金属有毒、易污染、不易清理，几乎不用；油浴200以下，主要用于回火加热。3、气体介质：1）一般炉气：CO、CO 2、H 2、O 2、N 2、CH 4 等，具有较大氧化性，普通工件加热。2）放热型（DX 型）气体：液化石油气、天然气、城市煤气等，与空气混合燃烧发生反应后制得，常用于保护性气体，光亮退火、光亮淬火、光亮热处理。3）吸热型（RX 型）气体：丙烷、丁烷、甲烷等，与少量空气混合后，在高温反应罐中，经触媒作用反应制得，常用于钢件防止氧化脱碳，如气体渗碳等。4）氨分解气体：常用于不锈钢、硅钢片、低碳高合金钢的光亮热处理。5）氮基气体、氢气及木炭发生气6）真空气体1-3 钢在加热过程中的转变1、奥氏体的形成过程：形核和长大两个基本过程，可分为四个阶段（画图书中 9-2 示意）1）奥氏体的形核：A c1 温度以上，珠光体不稳定，在 F 和 Fe3C 的界面上优先出现奥氏体的晶核；（这是因为相界面上碳浓度分布不均、原子排列不规则、能量较高状态）2）奥氏体晶核长大：稳定了的奥氏体晶核开始逐渐长大，依靠 Fe、C 原子的扩散，晶格改组为面心立方晶格；3）残余渗碳体的溶解：铁素体优先溶解消失于奥氏体中，残余的渗碳体需要时间来溶解消失；4）奥氏体均匀化：浓度不均，则需要长时间的 C 原子继续扩散均匀，同时伴有奥氏体的合并现象。2、奥氏体的晶粒长大及控制1）奥氏体晶粒度：衡量奥氏体晶粒大小的尺度，对冷却后钢的组织和性能有着重要影响。表示方法有：经理尺寸表示法（晶粒截面的平均直径或单位面积内的晶粒数目） ；晶粒度级别指数 G 表示法分 8 级，1 最粗、8 最细，一般 5 以上为细晶粒。2）奥氏体晶粒长大：起始晶粒度、实际晶粒度3）晶粒度大小的控制：（1）加热温度和保温时间的控制；（2）加热速度的控制；（快速加热，短时间保温细化晶粒）7（3）钢的化学成分；（可抑制晶粒长大的元素：Al、V、Ti、Zr、Nb 、W 、Cr、Mo 等）（4）钢的原始组织；（越细的组织越有利于晶粒长大）8第三讲：钢在冷却时的转变提问复习：（1）加热时间的确定？加热温度的确定？加热速度的确定？（2）钢在加热过程中发生了哪些转变？1-4 钢在冷却时的转变1-4-1 冷却条件对钢性能的影响 （画书上表 9-1）连续冷却：将奥氏体化后的钢件以一定的冷却速度从高温一直连续冷到室温。等温冷却：把奥氏体化后的钢件迅速冷到临界点以下某个温度，等温保持一定时间后再冷至室温。1-4-2 过冷奥氏体等温转变曲线（C 曲线）1、过冷奥氏体：临界点以下暂时存在的奥氏体，是介稳定相。TTT 曲线（Time-Temperature-Transition）：反映过冷奥氏体等温转变动力学的实验曲线，C 曲线。（残余奥氏体：未发生转变的过冷奥氏体）2、共析碳钢 C 曲线分析 （画出书上图 9-4 C 曲线图）（1）C 曲线中，A1 温度线是奥氏体向珠光体转变的临界温度；左边和右边的 C 曲线分别为过冷奥氏体转变开始线、终了线。（2）共分几个区域：高于 A1 的奥氏体稳定区、转变开始线以左的过冷奥氏体区、转变终了线以右和 Ms 点以下为转变产物区、转变开始线与终了线之间为过冷奥氏体和转变产物的共存区。（3）过冷奥氏体在不同温度等温转变时，都要经过一段孕育期，即为纵坐标到转变开始线之间的距离。550为鼻温，孕育期最短、转变时间最短。（4）发生三种转变：高温的珠光体转变、中温的贝氏体转变、低温的马氏体转变。1-4-3 影响因素1、奥氏体成分的影响：碳浓度、合金元素2、奥氏体化状态的影响：晶粒度、均匀化、晶体缺陷密度等3、应力和塑性变形的影响：1-4-4 过冷奥氏体连续冷却转变曲线1、CCT 曲线（ continuous-cooling-transition） (画图书上 9-8)CCT 曲线的临界冷却速度（V c） 、TTT 曲线的临界冷却速度（V k） 、上下临界冷却速度9（这里，提问学生：a、要获得全部马氏体，冷却曲线如何画？全部为珠光体呢？）1-5 珠光体转变1-5-1 定义：在高温时发生的扩散性相变，生成铁素体与渗碳体的机械混合物 （写出反应式）典型的扩散型转变，退火、正火和索氏体化处理时，发生的主要相变为珠光体转变。1-5-2 组织形态、结构和性能1、片状珠光体：由具有一定厚度的片状铁素体与片状渗碳体交替排列堆叠而成；分为片状珠光体、细片状珠光体（索氏体 S） 、极细片珠光体（屈氏体 T）2、球状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体组织；（球化退火）3、性能：片间距和粒度越小，则强度、硬度越高，塑性、韧性越好。一般来说，退火后球状珠光体的性能比片状珠光体的性能好。魏氏体组织会降低钢的力学性能，应该避免，或经过正火、退火、锻造来消除。1-6 马氏体转变1-6-1 定义：在较低的温度下发生的无扩散性相变，生成碳在 -Fe 中过饱和的间隙固溶体。典型的无扩散相变、淬火处理时，发生的主要相变为马氏体转变。1-6-2 主要特点：1、无扩散性相变、以共格切变的方式进行；2、具有一定的位向关系和惯习面；3、表面浮凸现象，说明是切变转变；4、转变在一个温度范围内完成，必须冷却到 Mf 以下，才能转变完成，否则都会存在残余奥氏体；5、高速长大，不需要孕育期。1-6-3 形态及其亚结构1、板条马氏体：一般为低碳钢、中碳钢、不锈钢的典型马氏体组织，扁条状和薄板状；2、片状马氏体：一般为高碳钢、中碳钢、高镍的铁镍合金的典型马氏体组织，双凸透镜或竹叶状；3、亚结构：孪晶4、影响因素：奥氏体的碳含量、马氏体形成温度。1-6-4 性能1、高强度、高硬度：固溶强化、相变强化、时效强化、细晶强化2、塑性和韧性：受碳含量及亚结构影响马氏体的强度主要取决于碳含量，塑性和韧性主要取决于亚结构。1-7 贝氏体转变1-7-1 定义：在中温条件下进行碳原子扩散和铁原子不扩散性转变，形成残余奥氏体与珠光体的混合物；1-7-2 形态上贝氏体：350-550转变，形成羽毛状的贝氏体；下贝氏体：350以下转变，形成针状的贝氏体；粒状贝氏体：贝氏体形成温度最上部。101-7-3 性能性能主要受到形成温度、化学成分影响；下贝氏体具有良好的综合力学性能，尤其韧性更加。11第四讲 退火与正火提问：a、画出 C 曲线；画出 CCT 曲线；b、指出哪条是连续冷却曲线，哪条是等温冷却曲线？并说明它们最终的相变产物。c、什么是马氏体转变？主要特点？第二章 退火与正火退火与正火是生产中常用的预备热处理工艺。一般为了消除铸、锻和焊件的内应力以及成分、组织的不均匀性，为下道工序做好组织准备。2-1 退火的定义及分类 一、退火：把钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。温度：高于 Ac3、A c1，或低于 A1；（画出书上图 9-1，并与铁碳相图对比说明 A1 A3 Acm 等温度点）冷却方式：随炉冷却；组织：平衡组织，珠光体组织。二、目的：在于均匀化学成分、改善机械性能及工艺性能、消除或减少内应力并为零件最终热处理作好组织准备。要消除的组织缺陷一般有：魏氏体组织、带状组织、粗大晶粒等；后续的工艺操作一般有：切削加工、淬火等。三、分类：再结晶退火：加热到再结晶温度（低于 A1） ，靠生成新晶粒及晶粒长大以消除由冷变形所引起的晶格歪曲与性能变化的一种热处理工艺。相变重结晶退火：在相变温度以上发生结构、组织与性能变化的一种热处理工艺。低温退火：加热到相变温度以下，进行消除内应力，防止变形，降低硬度，恢复塑性和消除加工硬化，改善切削与冲压加工性等的热处理工艺，亦称之为软化退火或去应力退火。2-2 退火工艺（画图 9-43）1、完全退火：为改善热锻、热轧、焊接或铸造过程由于温度过高在钢件内出现的不良组织，提高机械性能，或为使钢件软化，以改善加工性能与消除内应力，而采用的热处理工艺。a、加热温度：一般采用 Ac3 +（2050 ）b、加热速度：不同钢种采用不同加热速度，一般的，碳钢选 150200 /h，低合金钢选 100 /h ，高合金钢选 50 /h 。对于大型工件及装炉量大的工况，因透热性差，宜在 550650 停留一段时间，再继续升温。c、保温时间：为使工件透烧，保证内外组织转变完成和均匀化，一般的，碳钢选 1.52 min/mm，低合金钢 22.5 min/mm，高合金钢 2.53 min/mm。装箱保护退火时，应根据箱子大小和箱内填充剂进行适当延长，一般需增加 14 h。d、冷却速度：控制冷却速度保证奥氏体向珠光体转变全部完成、又不获得高的弥散度。碳钢选12100200 /h，低合金钢选 50100 /h ，高合金钢选 2050 /h。e、冷却方式：为了提高设备利用率，并使组织充分转变，由退火温度至 550 为炉冷，550 以下取出空冷。f、应用：碳素结构钢和合金钢的锻件、轧件、铸件和焊接件，不宜用于过共析钢件。2、不完全退火：为消除碳素结构钢和低合金结构钢因热加工所产生的内应力，使钢件软化或改善工具钢被切削性而采用的热处理工艺。由于加热温度在两相区进行，仅发生部分相变重结晶，铁素体或碳化物形态、分布仍保留。a、加热温度：A c1A c3 或 Ac1A c3b、加热速度：同完全退火c、保温时间：同完全退火d、冷却速度：同完全退火e、冷却方式：同完全退火f、应用：碳素结构钢、碳素工具钢、低合金结构钢和低合金工具钢的热锻件和热轧件。3、球化退火：是不完全退火的一种特例，使钢中碳化物球化并均匀分布在铁素体基体上，获得粒状珠光体的退火工艺。目的：改善工具钢的可切削性；为淬火作好金相组织准备。a、球化退火工艺（画图 2-2）（1）主要用于淬火或冷加工后钢的球化；（2）多次重复使钢中原晶界上的碳化物和珠光体中渗碳体经过溶解和重新析出、聚集而达到球化目的；此方法适用于原始组织为珠光体的钢；（3）主要使碳化物溶解，而后快速冷却，以防网状碳化物析出；（4）过共析钢最常用的球化；（5）使网状碳化物或大块碳化物完全溶解，以利其后球化；（6）与（5）类似。b、影响球化质量因素：化学成分：碳含量增加有利于球化，加入可形成碳化物的元素不利球化；原始组织：网状碳化物很难球化，马氏体、细小的珠光体或贝氏体有利于球化，冷变形后组织有利于球化；加热温度与等温温度：加热温度过高或过低、等温温度过高或过低，都不利于球化；球化时间：不宜过长，否则球化碳化物变粗，硬度下降；冷却速度：冷却速度会影响碳化物的弥散度，冷却速度小有利于球化，采用缓慢冷却进行球化退火是保证得到理想组织的重要因素。13c、应用：广泛应用于工具钢、轴承钢和量具钢，作为预先热处理。4、等温退火：与完全退火相同，但可有效缩短生产周期a、加热温度：A c3 +（2050 ）或 Ac1 +（2050 ）b、加热速度：同完全退火c、保温时间：同完全退火d、等温温度：根据 C 曲线及硬度要求确定e、冷却速度：大件随炉冷却，小件空冷f、冷却方式：500 随炉冷，500 为炉冷，400 为炉冷， c)温度：低于马氏体转变温度（t650，奥氏体不稳定区 650400，奥氏体较为稳定区400。理想的淬火冷却曲线（画图 3-3）：在鼻子上面的高温区应缓冷减小热应力，在鼻子附近须快冷防过冷奥氏体分解，而在 Ms 点附近应尽量缓冷减少马氏体转变产生的组织应力。理想淬火介质要求（画表 3-1）192、淬火介质的分类与要求分类：第一类：淬火时不发生物态变化（辐射、传导、对流进行降温） ，有熔盐、熔碱与空气；第二类：淬火时发生物态变化（汽化进行降温） ，有水、油、水溶液。要求：（1）具有一定冷却能力，成分稳定不变质、粘度小、流动性好，无毒无味，不腐蚀工件，淬火后易于清洗，来源广、价格低。（2）相变角度上，奥氏体不稳定区冷却能力大，不发生珠光体转变，马氏体形成区冷却能力小一些，可保证淬火后质量。3、淬火介质的冷却机理（1）第一类：通过淬火介质的自身性质（导热性、比热、粘度、介质温度等）影响冷却能力；（2）第二类：通过物态变化过程的吸热，影响冷却能力。第二类冷却可分三个阶段：蒸汽冷却、沸腾冷却、对流冷却，要求：蒸汽冷却不能太长，沸腾冷却应剧烈，对流冷却开始温度要高于马氏体转变点。4、影响因素（1）自身内在因素：比热、汽化热、蒸汽压、导热性、粘度、表面张力；（2）外界因素：添加物、介质温度、搅拌、工件淬火温度、工件尺寸5、淬硬能力的评定急冷度（钢的硬化层深度）：H=/， 为钢表面与淬火介质的热交换系数， 为钢的导热系数。二、常用淬火介质1、水高温区冷速较低，低温区冷速很大，导致工件极易开裂（马氏体转变产生的组织应力开裂）优点：清洁、安全、廉价、不需要清洗等；缺点：只适合形状简单、尺寸不大的碳钢工件。2、盐水、碱水溶液蒸汽膜阶段极短，冷却能力大，可获得高而均匀的硬度优点：冷却均匀、无软点产生，淬裂倾向小；缺点：可腐蚀工件和设备、要清洗、对人体有害。 3、油优点：工件变形与开裂倾向小；缺点：粘度影响冷却能力，只适合合金钢和小截面的碳钢工件（画表 9-5，常用淬火介质的冷却特性）20第七讲：淬火方法和淬火工艺规范提问：淬火的必要条件？淬火介质的分类及冷却机理？3-3 淬火方法工件具体情况与淬火介质（尽量减小淬火应力、工件变形，防止开裂） ，决定淬火方法。1、单液淬火（1）定义：指将加热到淬火温度并保温一定时间后的工件放入一种淬火介质连续冷却至室温的淬火方法。 （画图 3-16a）（2）淬火介质：水（碳钢） 、油（合金钢） 、空气、各种水溶性介质（3）优缺点：操作简单、经济、易实现机械化、应用最广；但对某些形状复杂的工件水淬易变形开裂而油淬硬度不足。2、双液淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，先浸入一种冷却能力强的介质中（使过冷奥氏体不发生向珠光体转变） ，待其冷却到稍高于 Ms 后立即转入冷却能力弱的介质中冷却（使过冷奥氏体缓慢转变为马氏体）的淬火方法。 （画图 3-16b）（2）淬火介质：水、油、空气等；一般都是水淬+空冷+油冷。（3）优缺点：残余应力小、不易变形和开裂；但对操作者技术和经验水平要求高，水冷时间不易控制。（4）水冷时间控制的经验：a、按每 5-6mm 有效厚度约 1s 计算；b、振动或水的响声停止的一瞬间；c、工件表面变黑，再延长一倍时间。3、分级淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，由奥氏体温度淬入稍高于或稍低于 Ms 温度的液态介质中，并适当保温直至工件各部分温度达到淬火介质的温度，然后取出空冷至室温，以获得马氏体组织的淬火方法。 （画图 3-16c）（2）淬火介质：油、熔盐、空气等。（3）优缺点：不易开裂和变形（残余应力小） ；但尺寸稳定性差（残余奥氏体增多） ，只适合于变性要求严格且尺寸较小的工件。4、等温淬火（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，快冷到下贝氏体转变温度区（260-400）等温保持足够时间，获得下贝氏体组织的淬火方法。 （画图 3-16d）（2）淬火介质：熔盐等。（3）优缺点：强度、硬度高，塑性、韧性好，淬火应力小，变形小；但只适合于形状复杂、尺寸较小、精度要求高的工件。3-4 淬火工艺规范1、淬火加热温度21淬火的主要工艺参数之一，根据钢的临界点来确定，同时还应考虑工件的形状尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。碳钢淬火加热温度范围的一般原则：（1）亚共析钢：A c3 + 40-60依据：a、应保证加热时得到成分均匀的奥氏体；b、应保证加热时得到细小的奥氏体晶粒；c、尽可能低的氧化脱碳及淬火后的变形开裂倾向；d、获得高的机械性能。原因：（根据铁碳相图可知）a、若加热温度低于 Ac3， （则加热后组织为奥氏体+铁素体， ）淬火后得到马氏体与铁素体的混合物，这是不完全淬火，硬度和强度较低；b、而超过 Ac3 温度过高， （则奥氏体晶粒粗大）淬火后马氏体粗大、且容易造成氧化脱碳严重，变形开裂倾向大，韧性不好。（2）共析钢和过共析钢：A c1 + 40-60依据：a、应保证加热时碳或合金元素充分溶解，得到较高的硬度和耐磨性；b、应保证加热时奥氏体晶粒不粗大；c、获得较高的机械性能。原因：a、温度低于 Ac1，则无法进行奥氏体转变；b、温度高于 Acm，则碳化物溶解，马氏体组织粗大，且氧化脱碳严重，残余奥氏体增多，致使硬度和耐磨性降低；另外，脆性增加，淬火变形开裂倾向增大。（3）合金钢：由临界点 Ac1 或 Ac3 决定，但要考虑合金元素的作用依据：a、含有有利于碳化物形成的元素时，淬火温度可偏高些；b、含碳、锰较高的本质粗晶粒钢，淬火温度应偏低。（4）其他情况：a、组织方面：有严重带状组织、球状组织时，可适当提高淬火温度；碳化物偏析严重、片状组织时可适当降低淬火温度；b、工件形状尺寸方面：形状简单、尺寸较大时，可适当提高淬火温度；形状复杂、尺寸较小时，淬火温度应适当降低些；c、淬火介质方面：油淬时取上限，水淬时取上限；d、炉型方面：盐浴炉加热时取下限，箱式炉加热时取上限；e、返修工件及加热脱碳倾向严重的工件，取下限；而要求红硬性的工件，取上限。（各种不同牌号钢的临界点、淬火介质、淬火温度范围，都可以在钢的热处理工艺手册上找到，但具体的工艺参数确定，还是要根据实际生产和试验确定。 ）2、淬火加热时间升温时间+保温时间=kD 为加热系数（可查） ；k 为装炉修正系数（取 1.5-2.0） ；D 为有效厚度；3、淬火介质选择22（1）选择油冷的情况：a、形状简单、要求不严的合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、薄壁高碳钢制件；b、45 钢、高碳钢、低碳钢渗碳件等的厚度小于 4mm，直径小于 5mm；c、45 钢，要求 HRC25-29(厚度小于 50mm)，或 HRC20-24（厚度小于 75mm） 。（2）选择水淬的情况：a、形状简单，尺寸较大的 45 钢或中碳钢制件；b、形状简单的高碳钢或低碳钢渗碳件。（3）选择碱浴、硝盐浴的情况：a、形状复杂、尺寸小的 45 钢、高碳钢制件，碱浴；b、形状复杂、要求变形小的合金钢制件，碱浴或硝盐浴。4、冷却方式遵循下列原则：a、细长的工件（钻头、丝锥、锉刀等）应垂直淬入介质中，否则将发生弯曲；b、薄而平的工件（圆盘铣刀等）应立着淬入介质中；c、薄壁环状工件，其轴应垂直液面淬入介质；d、具有凹面的工件，不要使凹面向下淬入介质中，否则凹面处会产生蒸汽膜。23第八讲：钢的淬透性和回火提问：淬火方法有哪些？亚共析钢的淬火温度可以选择 700 度么，为什么？碳含量为 0.8%的高碳钢可以在 920 度进行淬火么，为什么？3-5 钢的淬透性（淬透性是钢的主要热处理工艺性能，它对合理选用材料及正确制订热处理工艺具有十分重要的意义）一、淬透性和淬硬性1、淬透性（1）概念：指钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢的一种属性。（2）大小：通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度来表示。（3）淬透层深度：由工件表面到半马氏体区（马氏体和非马氏体组织各一半的区域）的深度。（4）淬透性的好坏：由钢的临界冷速或过冷奥氏体的稳定性决定。2、淬硬性（1）概念：指钢淬火后所能达到的最高硬度，取决于马氏体的碳含量。（2）大小：由工件的硬度值来表示。（3）影响因素：碳含量、冷却速度、工件尺寸、晶粒度大小等。淬透性和淬硬性之间没有线性关系，淬透性表征工件获得马氏体厚度的能力，而淬硬性表征工件获得最高硬度的能力。二、淬透性和组织、性能之间的关系（画图 3-8）1、完全淬透：整个截面组织与性能一致，则综合机械性能会较高；2、芯部未淬透：芯部与表面组织与性能不一致，则芯部综合机械性能会比表面差；3、只有浅层淬透：只有表层的综合性能好，但整体的综合机械性能会很差。三、影响淬透性的因素：1、奥氏体化学成分：主要影响 C 曲线的位置和钢的临界冷却速度；（冷却速度愈小或 C 曲线位置右移，则奥氏体稳定性越好，越不易转变为珠光体，则越有利于形成马氏体，则淬透性越好；2、奥氏体均匀度和奥氏体化温度：奥氏体均匀度和奥氏体化温度越高，越有利于钢的淬透性；3、奥氏体晶粒度：晶粒越大，越有利于钢的淬透性。4、奥氏体中非金属夹杂物和稳定碳化物：越多，则淬透性越差；（因为降低了奥氏体的稳定性，从而增大了临界冷却速度，则降低了淬透性）5、原始组织：片状、粗大、球状的组织越有利于淬透性。四、影响硬化层厚度的因素影响淬透性的因素都会影响硬化层厚度，另外，冷却速度、淬火介质、工件形状等也对硬化层厚度有影响。五、淬透性的评定标准（画图 3-10）24（评定淬透性的标准一般通常认为应除马氏体外，还允许含有一定百分数的非马氏体组织）一般来说，淬透性的评定标准：表面至半马氏体组织的距离。六、淬透性表示和测定方法1、断口法（画图 3-11）：试样横截面的硬度分布曲线，或直接测横截面的硬化层深度；2、临界直径表示法：某种淬火介质中，所能得到最大的淬透直径，用 D0 来表示，D 0 越大，则淬透性越好。 （钢的临界淬透直径可查）3、末端淬火法：（画图 9-47）普遍采用的方法半马氏体区离试样末端距离越大，则淬透性越好。用 J（HRC/d ）表示，J 表示末端淬透性，d 表示至水冷端距离。七、淬透性在生产中的应用和意义1、应用：a、连杆螺栓，承受均匀狡辩的拉（压）应力，必须保证整个截面均匀一致的组织和性能；b、承受弯曲和扭转应力的轴类，其危险应力一般在离表面至 1/4 或 1/3 的半径处，这个部位需要高强高韧性，其它部位承受应力较低不需要太高的强度，特别是芯部，若完全淬透，反而会使寿命降低；c、热锻模，要求高强高韧，硬化层深度越高，寿命越高。d、弹簧，必须淬透，且要求全部获得 90%以上马氏体，否则会引起弹性极限显著降低。2、意义：a、为使用部门和机械设计人员在选择钢种时提供了一项重要的参考数据；b、热处理工作者可依据钢的淬透性决定在工艺上能否采用缓和的冷却介质，减少工件的热应力和变形开裂等缺陷；c、恰如其分的选择具有适当淬透性的钢种，可节约资源，降低成本，节能环保。3-6 回火回火是热处理过程中的最后一道工序，关系着工件的使用寿命。一、定义：将淬火钢加热至 Ac1 以下某一温度并保温一定时间后，以适当方式冷到室温，使不稳定组织转变为较稳定组织的热处理工艺。二、目的：a、消除或减小工件的淬火应力；b、适当降低硬度、提高塑性和韧性，得到较高的综合机械性能；c、稳定组织，使工件尺寸在长期使用过程中不发生变化。三、分类：1、低温回火（150-250）：a、组织：回火马氏体，淬火应力部分消除，显微裂纹大部分愈合；b、性能：保持了淬火马氏体的高强度高硬度和良好耐磨性，又适当提高了韧性；c、冷却方式：空冷；25d、应用：工、模、量具，滚动轴承，渗碳淬火和高频表面淬火件等。2、中温回火（350-500）：a、组织：回火屈氏体，淬火应力基本消除；b、性能：具有高的弹性极限、较好的塑性和韧性；c、冷却方式：空冷；d、应用：弹簧钢件和热锻模具淬火件等3、高温回火（500-650）：（又称 “调质” ）a、组织：回火索氏体；b、性能：具有良好的综合机械性能；c、冷却方式：水冷或油冷；d、应用：中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴、齿轮等重要的机器零件。4、多次回火由于残余奥氏体和内应力不能很好消除，因此需要进行多次回火；有高速钢、高合金钢，特别是具有回火硬化的钢。四、回火工艺制定1、回火温度选择a、采用强烈淬火介质时，取上限，分级或等温淬火时，取下限；b、采用冷油淬火时，取下限；c、装箱工件，取上限，不装箱工件取下限；d、箱式回火取上限，盐浴炉回火取下限；2、回火时间选择空气炉中按 2-5min/mm 选取，最短不低于 30-40min；液体介质中，时间可缩短 50-60%的时间。3、回火注意事项：a、淬火后工件不能放到第二天才回火；（自然时效的因素）b、250-400（特别是 300 ）是第一类回火脆性区，要尽量避免在此温度区回火；具有第二类回火脆性的钢材 450-650高温回火后应快冷，可消除回火脆性。五、时效钢淬火冷却到室温后，残余奥氏体会发生转变而使体积膨胀，同时钢中马氏体会发生分解而体积收缩，从而引起钢的变形。对于尺寸稳定性要求高的精密工件，需要进行时效处理。（其它金属或合金，其热处理工艺也包括四把火，只是淬火一般称为固溶，回火称为人工时效）作业：1、 何谓钢的淬透性？淬硬性？说明影响淬透性、淬硬性和淬透层深度的因素。2、 试述淬火的目的、淬火方法、并比较各种淬火方法的优缺点。26第九讲：感应加热淬火期中课堂随考：（一个学时）一、名词解释（共 30 分，每个 5 分）热处理 珠光体转变 马氏体转变 软化退火 淬火 淬透性二、简答题（共 70 分）1、加热温度确定的一般原则？（10 分）2、试述淬火的目的、淬火方法、并比较各种淬火方法的优缺点。 （20 分）3、何谓钢的淬透性？淬硬性？说明影响淬透性、淬硬性和淬透层深度的因素。 （20 分）4、3078 mm 的 40Cr 钢锻件要进行完全退火处理，则其完全退火工艺参数分别是多少？并画出完全退火工艺曲线。 （20 分）4 表面淬火表面热处理：表面强化处理（不改变工件表面化学成分） 、化学热处理（改变工件表面化学成分） 。表面淬火：将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而芯部仍然保持淬火前组织（调质或正火组织）的热处理方法。优点：工艺简单、变形小、生产率高等。缺点：设备费用昂贵、不适用于单件生产。分类：按供给表面能量形式的不同而分：感应加热淬火、火焰加热淬火、电接触加热淬火、电解液加热淬火、激光加热淬火、电子束加热淬火、等等。表面淬火用材料：一般为 0.35%-0.50%C 的中碳钢，如 45#、40Cr 钢等4-1 感应加热表面淬火（高频淬火）利用电磁感应原理进行加热按设备产生频率不同可分为高频（100-1000kHz ）：常用 200-300kHz，可获硬化层深度 0.5-2mm，主要用于中小模数齿轮和小轴的表面淬火，电源设备为电子管式高频发生器；中频（1-10kHz ）：常用 2.5-8kHz，可获 3-6mm 深硬化层，主要用于要求淬硬层较深的零件，如曲轴、凸轮轴、大中模数齿轮，较大尺寸轴及钢轨等，电源设备为中频发电机或可控硅中频发生器；工频（50Hz）：硬化层深度 10-15mm 以上，适用于大直径钢材的穿透加热及要求淬硬层深的大工件，如轧辊等，不需要变频设备。一、优点：（1）内热源直接加热、加热速度快、热效率高、节能显著；（2）只加热工件表面，变形小；（3）加热时间短、氧化脱碳少（4）表面硬度高，缺口敏感性小，疲劳强度、耐磨性有较大提高；27（5）可用优质碳素结构钢代替合金结构钢；（6）不仅应用于工件表面和内孔，还可以应用于工件穿透加热与化学热处理；（7）设备紧凑、使用简便、劳动条件好；（8）易于在加工生产线中，对加热过程进行精确控制，产品质量稳定。二、感应加热原理（画图 9-48）将工件置于铜管制成的感应圈中，向感应圈通以一定频率的交变电流，其周围即产生与电流变化频率相同的交变磁场，则工件内产生与感应圈频率相同而方向相反的感应电流，感应电流沿工件表面自成回路，将电能转化成热能，使工件加热。这些自成回路的感应电流称为涡流，在被加热工件中的分布由表及里呈指数规律衰减，主要集中在工件表层，内部几乎没有，此现象称为集肤效应。感应加热淬火：利用感应电流的集肤效应，迅速加热工件表面层至淬火温度，立即喷液或浸液冷却使工件表面淬火。通入感应圈的电流频率越高，感应涡流的集肤效应越强烈，故电流透入深度越薄，淬硬层深度也越薄。=（500-600 ）/ f 1/2三、对相变的影响（加热时间仅几秒或十几秒就达到淬火温度，对相变有一定影响）1、对加热相变影响a、奥氏体形成提高加热速度，使相变点 Ac1、A c3、 Acm 都升高；（因短时间内到达理论相变点温度后，其内部由于扩散不及时，不能有效进行奥氏体形核，则迫使相变点升高温度，才能获取更大的能量形核长大。 ）b、奥氏体均匀化提高加热速度，奥氏体相变温度 Ac1 升高，导致奥氏体内浓度差增大，奥氏体不易均匀；c、奥氏体晶粒大小提高加热速度，奥氏体晶粒变细；（类似于提高冷却速度，凝固组织越细小）2、对冷却相变影响加热速度快，奥氏体成分不均匀、存在未溶碳化物与高碳偏聚区（相当于熔体内有异质点和成分过冷，则很容易形核） ，则很不稳定，c 曲