材料性能及其加工第3章 钢的热处理.ppt

第3章 钢的热处理,本章知识点 先导案例 第一节钢在加热时的转变 第二节钢在冷却时的转变 第三节热处理工艺 第四节钢的表面热处理 第五节热处理工艺的应用,下一页,第3章 钢的热处理,知识扩展 先导案例解决 本章小结 思考题,上一页,本章知识点,1掌握钢在加热和冷却时的组织转变情况。 2掌握热处理的基本工艺方法和钢的表面热处理。 3了解热处理的工艺应用情况。,返回,先导案例,试分析同一钢材，是否经过热处理以后，所得到材料性能会完全一样吗？为什么？ 钢的热处理是将固态钢材采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组 织结构与性能的工艺。热处理是改善钢材性能的重要工艺措施。其不仅可用于强化钢材，提高机械零件的使用性能，还可用于改善钢材的工艺性能。因此，热处理在机械制造中的应用极为广泛。本章主要介绍热处理的基本原理、常用热处理工艺方法及其应用。,下一页,返回,先导案例,热处理工艺方法很多，根据工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热方法，将热处理工艺按两个层次进行分类。 （1）整体热处理主要包括退火、正火、淬火和回火等。 （2）表面热处理主要包括表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等。 热处理的工艺要素是温度和时间。其工艺曲线如图3-1所示。任何热处理过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，其中保温是加热的继续。因此，要掌握钢的热处理原理，主要就是要掌握钢在加热和冷却时的组织转变规律。,上一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,由铁碳合金状态图可知，A1、A3、Acm各临界点是固态下铁碳合金的组织转变线，是在极其缓慢的加热或冷却条件下得到的。但在实际生产中，加热或冷却速度都比较快，固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度（如图3-2） 。 为区别实际加热和冷却时的临界点（又称相变点），将加热时的各临界点用Ac1、Ac2、Accm表示，冷却时的各临界点用Ar1、Ar3、Arcm来表示。钢的临界点是制订热处理工艺参数的重要依据，各种钢的临界点温度可查热处理手册或有关手册。,下一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,一、奥氏体的形成 以共析钢为例，室温时组织为珠光体，其为片层相间的铁素体和渗碳体交替而组成的机械混合物。当加热到Ac1以上时，发生珠光体向奥氏体的转变（即奥氏体化）。其转变过程可分为三个阶段，如图3-3所示。 1晶核的形成和长大 奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。奥氏体晶核形成后，通过铁、碳原子的扩散，使相邻立方晶格的铁素体不断改组为面心立方晶格的奥氏体，同时滲碳体的又不断溶入奥氏体，促使奥氏体晶核逐渐长大，直至铁素体全部消失。,下一页,上一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,2剩余渗碳体的溶解 由于渗碳体的晶体结构和碳含量都与奥氏体相差很大，所以渗碳体的溶解比铁素体的溶解要慢。随着保温时间的延长，剩余渗碳体通过碳原子的扩散，不断溶解到奥氏体中，直到全部消失为止。,下一页,上一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,3奥氏体均匀化 当剩余渗碳体全部溶解时，奥氏体的成份是不均匀的。原渗碳体处的碳浓度高于铁素体处的碳浓度。必须延长保温时间，使碳原子充分扩散，直至得到成份均匀的奥氏体。所以热处理加热后保温的目的，一是使工件热透，组织转变完全。二是获得成份均匀的奥氏体，以便冷却后获得良好的组织与性能。 亚共析钢和过共析钢加热时的奥氏体的形成过程，与共析钢基本相同。亚共析钢室温组织为铁素体珠光体，过共析钢室温组织为二次渗碳体珠光体。当加热到Ac1时，珠光体向奥氏体转变，但必须分别加热到Ac3或Accm以上，并保温一定时间后，才能获得成份均匀的单相奥氏体。,下一页,上一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,二、奥氏体晶粒的长大及控制 1奥氏体晶粒的长大 当珠光体向奥氏体转变刚完成时，由于奥氏体是在片状珠光体的两相（铁素体与渗碳体）界面上形核，晶核数量多，获得细小的奥氏体晶粒。随着加热温度升高或保温时间延长，奥氏体晶粒就长大，因为高温下原子扩散能力增强，通过大晶粒“吞并”小晶粒可以减少晶界表面积，从而使晶界表面能降低，奥氏体组织处于更稳定的状态。奥氏体晶粒的大小直接影响到热处理后的力学性能。加热时获得的奥氏体晶粒细小，则冷却后转变产物的晶粒也细小，其强度、塑性和韧性较好；反之，粗大的奥氏体晶粒冷却后转变的产物晶粒也粗大，其强度、塑性较差，特别是韧性显著降低。,下一页,上一页,返回,第一节 钢在加热时的转变,2奥氏体晶粒大小的控制 （1）加热温度和保温时间，加热温度越高，晶粒长大越快，奥氏体晶粒越粗大。因此，必须严格控制加热温度。当加热温度一定时，随着保温时间延长，晶粒不断长大，但长大速度越来越慢，不会无限长大。所以，延长保温时间的影响要比提高加热温度小得多。 （2）加热速度，当加热温度一定时，加热速度越快，则过热度越大（奥氏体化的实际温度越高），形核率越高，因而奥氏体的起始晶粒越小。此外，加热速度越快，则加热时间越短，使晶粒来不及长大，所以快速短时加热是细化晶粒的重要手段之一。 （3）加入Al、Nb、V、Ti、Zr等合金元素，合金元素一般都能阻碍奥氏体晶粒的长大，即能细化晶粒。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,钢经加热奥氏体化后，可以采用不同方式冷却，获 得所需要的组织和性能。冷却过程是钢热处理的关键工 序。 实际生产中，奥氏体冷却速度较快，必须过冷到A1 温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转 变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。 过冷奥氏体有两种冷却转变方式（见图3-4）： （1）等温冷却。把加热到奥氏体的钢，先以较快的,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,冷却速度过冷到A1线以下的一定温度，这时的奥氏体尚未转变，称为过冷奥氏体。然后保持此温度，使奥氏体在恒温下进行转变，转变结束后，再继续冷却到室温，称为等温冷却，用这种冷却方式研究钢在冷却过程中的组织转变，比较方便。 （2）连续冷却。把加热到奥氏体的钢，以某种速度连续冷却下来，使奥氏体在A1线以下的连续冷却过程中发生组织转变，称为连续冷却。钢在水中、油液中进行冷却，都属于连续冷却。连续冷却在生产中应用普遍。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,一、奥氏体等温转变曲线的建立 以共析钢为例，把一些试样都加热到奥氏体状态，然后分别快速冷却到A1线以下不同温度，如700、600、500、400、300、200等，并在恒温条件下，通过仪器和测量手段，测出奥氏体在不同温度下开始转变和转变结束的时间，转变的产物和性能，描绘在以温度时间为坐标的图上，并把开始转变点和转变结束点连成线，就成为共析钢的过冷奥氏体等温转变曲线，如图3-5所示。 过冷奥氏体等温转变曲线形似字母“C”，习惯上称为C曲线。从C曲线上可以了解到不同温度下转变的产物，供制订热处理工艺时参考。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,二、共析钢过冷奥氏体等温转变的产物 从C曲线上可以看出；在不同温度下，奥氏体的转变产物和性能均不同。根据转变产物的组织、特征，可将奥氏体转变的产物分为三种类型。 1高温转变产物 共析钢奥氏体过冷到727550之间进行等温转变得到的最终产物，其显微组织属于珠光体类型。是由铁素体和渗碳体的层片状组织构成的机械混合物。过冷度越大，层片就越细，强度和硬度就越高。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,过冷到727650之间得到的产物属于正常珠光体（P） 。 过冷到650600之间得到的产物属于细珠光体，称为索氏体（S），其层片状组织较珠光体细，故强度和硬度较高。过冷到600550，得到的产物属于极细珠光体，称为托氏体（T）。 珠光体、索氏体和托氏体都是由渗碳体和铁素体组成的机械混合物。它们之间的区别仅在于层片组织的粗细不同而已，所以统称为珠光体类型。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,2中温转变产物 共析钢奥氏体过冷到550230进行等温转变得到的最终产物，属于贝氏体类型组织。他们都是由含碳过饱和的铁素体和微小的渗碳体混合而成，较珠光体型组织有更高的硬度。根据转变产物的形态及转变温度，可将贝氏体型组织分为上贝氏体和下贝氏体两种。 在550350转变得到的产物称为上贝氏体（B上）。其组织特征为一排排由晶界向晶内生长的铁素体条，在铁素体条之间断续地分布着渗碳体。这种组织在显微镜下呈羽毛状，其强度和硬度比珠光体型组织高，但塑性和韧性较差。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,在350230转变得到的产物称为下贝氏体（B下） 。它由含碳过饱和度更大的铁素体构成，并呈黑色针叶状形态。碳化物呈非常细小的质点，有规律地排列在铁素体里面。下贝氏体既有较高的强度和硬度，又有较高的塑性和韧性。从性能上讲，上贝氏体脆性大，基本上无实用价值，而下贝氏体则具有较高的硬度、强度、塑性和韧性相配合的综合机械性能。因此，生产中常采用等温淬火来得到下贝氏体组织。高温、中温转变产物的性能见表3-1。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,3低温转变产物 共析钢奥氏体过冷到230（Ms）以下，就转变为马氏体。此时，温度已低至使碳原子无法进行扩散，只有铁原子可在原子间进行小间距活动。当-Fe转变成-Fe后，碳原子只能保留在-Fe晶格中间，所以，马氏体实际上就是碳在-Fe中的过饱和固溶体，其特征是非扩散型的组织。 马氏体的组织形态分两类：板条状马氏体和针片状马氏体。板条状马氏体显微组织为一束束细长、板条状组织，一般在含碳量较低的淬火钢中出现。针片状马氏体显微组织呈交叉的针叶状，一般在含碳量较高的淬火钢中出现。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,马氏体的硬度和强度主要取决于马氏体中的含碳量，而马氏体中的含碳量与原来奥氏体中的含碳量相同。当奥氏体中的含碳量超过0.5%时，随含碳量的增加，淬火后钢中残余奥氏体的量增多，硬度就会有所下降。 针片状马氏体硬度高、脆性大；板条状马氏体不仅硬度、强度较高，且韧性、塑性也较好。近年来，在生产中低碳马氏体得到广泛的应用。 马氏体的电阻率比奥氏体和珠光体高，还具有强磁性和高矫顽力，所以，永久磁铁材料多为马氏体组织。板条状马氏体与针状马氏体的性能比较见表3-2。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,三、亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线 亚共析钢和过共析钢的过冷奥氏体在转变为珠光体之前，要分别析出先析铁素体和先析渗碳体。因此，与共析钢相比，亚共析钢和过共析钢的等温转变曲线均多了一条先析相的析出线，如图3-6所示。同时C曲线位置也相对左移，说明亚共析钢和过共析钢过冷奥氏体的稳定性比共析钢差。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,四、奥氏体等温转变曲线的应用 在生产中，奥氏体的转变多是在连续冷却过程中进行的。而连续冷却的奥氏体转变曲线的测定比较困难，所以，一般连续冷却的热处理，常以等温转变C曲线作为依据来分析连续冷却的过程。如图3-7所示。冷却速度v1相当随炉冷却（退火）的速度，从与C曲线相交点的温度（在27650）可以估计出转变组织为珠光体。冷却速度v2相当于空冷（正火）的速度，根据和C曲线相交点的温度可估计出转变组织为索氏体。v3相当于油冷的速度。它只与珠光体开始转变曲线相交，故只有一部分奥氏体转变为托氏体，而剩余的部分奥氏体随后在更低温度下转变为马氏体，结果得到托氏体与马氏体的混合组织。,下一页,上一页,返回,第二节 钢在冷却时的转变,v4相当于水冷的速度，它与C曲线不相交，奥氏体一直过冷到Ms以下时就转变为马氏体和少量残余奥氏体。 vK恰恰与C曲线鼻尖相切，它表示奥氏体在连续冷却过程中不分解为珠光体型组织，而转变为马氏体和少量残余奥氏体的最小冷却速度，vK称为临界冷却速度。用奥氏体等温转变C曲线来分析连续冷却转变过程，只能近似地反映奥氏体转变的过程。 vK的大小与C曲线的位置有关。除CO外大多数合金元素能使C曲线位置右移而降低vK。含碳低于0.77%时，含碳量越低，钢的C曲线位置越向左移，而vK就越大。所以，45钢必须水冷，才能获得马氏体。而低碳钢则因vK过高，工艺上无法实现，而难以淬硬。,上一页,返回,第三节 热处理工艺,一、钢的退火与正火 机械零件经过铸造、锻压、焊接等工艺后，会存在内应力、组织粗大、不均匀、偏析等缺陷。但经过适当的退火或正火处理，上述缺陷可以得到改善。因此，退火和正火常被用作预先热处理，以便为后面的加工或热处理做好准备。若对工件性能没有其他要求，例如一些箱体、焊接容器等，退火或正火就可作为最终热处理工艺。 1退火 退火就是将工件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火主要用于铸、锻、焊毛坯或半成品零件。,下一页,返回,第三节 热处理工艺,退火的目的：降低钢的硬度，提高塑性，改善其切削加工性能。均匀钢的成份，细化晶粒，改善组织与性能；消除工件的内应力，防止变形与开裂。为最终热处理作准备。 根据钢的成份和退火目的不同，退火可分为完全退火、再结晶退火、球化退火、均匀化退火和去应力退火等。 （1）完全退火（普通退火），完全退火主要用于亚共析钢。目的是细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除应力。方法是先将钢加热到Ac3以上3050，保温一定时间，得到成份均匀晶粒细小的奥氏体，然后随炉或在石灰、砂子中缓慢冷却到室温，也可以在退火温度缓冷到500600时，将钢取出空冷。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,退火后得到接近平衡的组织，即铁素体+珠光体。普通退火不能用于过共析钢。因缓冷时会沿晶界析出网状渗碳体，显著降低钢的塑性和韧性。 （2）球化退火（不完全退火），球化退火主要用于共析钢与过共析钢。目的是消除应力、降低硬度、提高韧性。使珠光体中的渗碳体球化，以便于切削加工，也使以后热处理加热时易于奥氏体化。方法是将钢加热到Ac1以上2030，保温一定时间后，缓慢冷却到室温。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,亚共析钢不能采用这种退火方法。因为这种方法退火温度略高于Ac1，钢中只有珠光体组织通过重结晶得到改善，而铁素体得不到改善。不完全退火用于过共析钢，当加热到稍高于Ac1的温度时，其组织为细晶粒奥氏体+未溶渗碳体。在保温过程中，未溶渗碳体聚集成小颗粒状，在随后缓冷或等温过程中，这些小颗粒状渗碳体成为结晶核心，通过碳原子的扩散，得到颗粒状渗碳体+铁素体，称为球化珠光体。它的硬度低，可切削性好，淬火时不易变形和开裂，是制造刃具、模具、量具过程中不可缺少的预先热处理工序。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（3）再结晶退火，目的是消除加工硬化，恢复塑性，主要用于经冷塑性加工，如冷轧、冷冲、冷拔而发生加工硬化的钢件，其工艺是将冷塑性加工后的钢件加热到再结晶温度以上（一般为650700），保温后缓慢冷却。 （4）低温退火（去应力退火），主要用于消除铸件、焊件中的内应力，稳定零件尺寸。其工艺是将零件毛坯缓慢加热到500650，经一定时间保温，然后缓慢冷却至室温，或缓冷到300200后取出空冷。 由于加热温度不超过Ac1，所以，钢中组织不发生相变，而内应力却在加热和冷却过程中消除。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（5）均匀化退火（扩散退火），目的是消除钢的偏析，提高钢的质量。主要用于合金钢铸件，其工艺是将钢加热到1 0501 150，保温1020h，然后缓慢冷却。 2正火 正火是将钢件加热到Ac3或Accm以上3050。保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却，从而得到索氏体组织。 正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺，都是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，而退火是随炉冷却。由于在空气中冷却速度比随炉冷却快，冷却曲线将穿过C曲线的索氏体转变区域。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,亚共析钢正火后得到索氏体+铁素体组织，其中，铁素体量较少。过共析钢可得到索氏体组织，并且消除了网状渗碳体。根据转变的组织可知，正火钢的强度和硬度比退火钢高。 正火操作简单，生产周期短，可提高钢的机械性能，在生产中得到广泛应用，主要用于以下几方面。 （1）作为对力学性能要求不高零件的最终热处理。 （2）改善低碳钢的可切削性。低碳钢硬度低、韧性大，切削时不易断屑，容易产生“粘刀”，表面粗糙。正火后硬度增加，韧性下降，切削时易于断屑，工件表面粗糙度值降低。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（3）作为中碳钢的预备热处理。中碳钢正火后，组织均匀，晶粒细小，可改善切削性能，减小淬火时的变形、开裂倾向。用普通退火虽然也能达到这种目的，但效率低。 退火和正火工艺的加热温度范围与工艺曲线如图3-8所示。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,二、钢的淬火与回火 1淬火 1）淬火工艺 淬火是将钢加热到Ac3或Ac1以上3050，保温一定时间，然后以适当速度冷却而获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。 淬火的目的就是为了得到马氏体（或贝氏体）组织、提高钢的硬度、强度和耐磨性，并与适当的回火工艺相配合，获得所要求的力学性能。 （1）淬火的加热。亚共析钢的淬火加热温度一般为Ac3以上3050，共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1以上3050，如图3-9所示。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,对亚共析钢，在Ac3以上3050加热，得到全部细晶粒的奥氏体，淬火后为均匀细小的马氏体；若在Ac1和Ac3之间加热，此时组织为铁素体和奥氏体，则淬火组织中将有先析出铁素体存在，使淬火钢的强度和硬度降低。 对共析钢和过共析钢，在Ac1以上3050加热，此时组织为奥氏体和粒状渗碳体。淬火后，奥氏体转变为马氏体，渗碳体保留在组织中，形成细小马氏体基体上均匀分布着细小碳化物颗粒的组织，不仅有利于提高钢的硬度和耐磨性，而且脆性也小。若加热到ACcm以上进行完全奥氏体化淬火，不仅奥氏体晶粒粗大，淬火后马氏体粗大，增加脆性，工件氧化、脱碳严重，增大淬火应力，增加变形与开裂倾向，而且钢中残余奥氏体量增多，使钢的硬度和耐磨性下降。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（2）加热介质和保温时间。淬火加热通常在电炉、燃料炉、盐浴炉和铅浴炉中进行。工件在浴炉中加热，与工件接触的介质是溶盐或溶铅，表面氧化、脱碳较少，淬火后质量较高。工件在电炉或燃料炉中加热，与工件接触的介质是空气或燃气，表面氧化、脱碳较严重，但操作方便，电炉的温度易于控制，适于大件热处理。 保温时间也是影响淬火质量的因素，如保温时间太短，则奥氏体成份不均匀，甚至工件心部未热透，淬火后出现软点或淬不硬。如保温时间太长，则将助长氧化、脱碳和晶粒粗化。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,保温时间的长短与加热介质、钢的成份、工件尺寸和形状、装炉量等有关。常用的计算工件装炉后达到淬火温度所需时间的方法是：用每毫米的加热时间乘上工件的有效厚度。有效厚度的加热时间如下。 在箱式炉中，碳钢为11.3 min/mm；合金钢为1.52 min/mm。 在盐浴炉中，碳钢为0.40.5 min/mm；合金钢为0.51 min/mm。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（3）常用的淬火冷却介质。常用的淬火介质是有水、矿物油、盐水、碱水等。 水是最常用的冷却介质。其具有冷却速度快，使用方便，价格低廉等特点。但是在300200范围内冷却速度仍然很快，易造成工件变形和开裂。因此仅适用于形状简单的碳钢工件。水温一般低于40。 为了提高水的冷却能力，在水中加入少量（5%10%）的盐或碱，即可得到盐水或碱水。盐水和碱水对零件有锈蚀作用，零件淬火后很好清洗。主要用于形状简单的中、低碳钢零件。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,常用的淬火用油有柴油、机油、变压器油等，油在300200的冷却能力比水小，对减少工件的变形和开裂很有利，但油在650400的冷却能力也比水小，易碰到C曲线，得到非马氏体组织。故油只能用于过冷奥氏体稳定性较好（即淬透性较好）的低合金钢和合金钢的淬火。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,2）淬火方法 （1）单液淬火法。将加热到奥氏体化的钢，直接浸入水中或油中，一直冷却到室温后取出，称为单液淬火法，如图3-10（a）所示。这种淬火方法操作简单，易于掌握。其缺点是对形状复杂的零件容易造成变形和开裂，只适用于形状简单的零件。 （2）双液淬火法。为了防止形状复杂的零件在低温范围内马氏体转变时发生裂纹，可先在水中将钢件冷却到00300，然后，再浸入油中继续冷却，如图3-10（b）所示，这种方法是利用水在C曲线鼻尖附近冷却能力大和油在300以下冷却能力小的特点。既可保证奥氏体不会分解为珠光体，又可使在马氏体转变期间应力减小，从而防止了零件的开裂，但这种方法要求操作人员有较高的操作技能。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（3）马氏体分级淬火。工件加热奥氏体化后，先浸入温度在Ms点附近（150260）的盐浴或碱浴中，保温一定时间，待工件整体温度趋于一致后，再取出空冷，以获得马氏体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火，如图3-10（c）所示。 此方法比双介质淬火容易操作，但明显减小了工件淬火的内应力，降低工件变形和开裂。主要适用于尺寸较小，形状复杂或截面不均匀的碳钢和合金钢工件。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（4）贝氏体等温淬火。工件加热奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间（260240）等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺称为贝氏体等温淬火，如图3-10（d）所示。 此方法可显著地减少淬火应力和变形，工件经贝氏体等温淬火强度、韧性和耐磨性较好，但生产率较低。适用于形状复杂、尺寸精度要求较高，并且硬度和韧性都要求较高的工件，如各种冷、热冲模，成型刃具和弹簧等。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（5）冷处理。把淬火后冷却到室温的钢继续冷却到零下温度，如-80-70，称为冷处理工艺。冷处理可使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全，减少残余奥氏体的数量，从而更加提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。冷处理的实质是淬火钢在零下温度的淬火，适用于Mf温度位于0以下的高碳钢和合金钢。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,3）钢的淬透性和淬硬性 （1）钢的淬透性。钢的淬透性是以在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布的特性，其含义是钢试样在规定条件下淬火时获得马氏体组织深度的能力，是钢的一种重要的热处理工艺性能。淬硬深度是从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般为550HV）处的垂直距离。淬硬深度越深，淬透性越好。 影响钢的淬透性的主要因素是钢的化学成份，含碳量为0.77的共析钢在碳钢中淬透性最好，大多数合金元素（除Co外）都能显著提高钢的淬透性。此外，淬火加热温度、钢的原始组织也会影响到钢的淬透性。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,钢的淬透性是钢的基本属性，是合理选材和正确制订热处理工艺的重要依据。对于承受较大负荷（特别是受拉、压、剪切力）的结构零件，应选用淬透性较好的钢；对于承受弯曲和扭转应力的轴类零件，因表层承受应力大，芯部承受应力小，故可选用淬透性低的钢。焊接件一般不选用淬透性高的钢，否则易在焊缝及热影响区出现淬火组织，造成工件变形和开裂。钢的淬透性对提高零件的力学性能，发挥钢材的潜力，具有重要意义。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（2）钢的淬硬性。钢的淬硬性是指钢试样在规定条件下淬火硬化所能达到的最高硬度的能力，其含义是钢试样在规定条件下淬火时马氏体组织所能达到的硬度。钢的淬硬性主要取决于钢中含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。 淬硬性与淬透性是两个截然不同的概念。淬硬性好的钢，其淬透性不一定好；反之，淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。如碳素工具钢淬火后的硬度虽然很高（淬硬性好），但淬透性却很低；而某些低合金钢，淬火后的硬度虽然不高，但淬透性却很好。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,2回火 将淬火后获得马氏体组织的钢重新加热到AC1以下的某一温度，经保温后缓慢冷到室温。这一热处理过程称为回火。 回火是紧接淬火之后的热处理工序，淬火与回火常作为零件的最终热处理。 回火的目的是：获得工件所需要的力学性能；消除或减少内应力，降低钢的脆性，防止工件变形和开裂；稳定工件组织和尺寸，保证精度。 回火时回火温度是决定钢的组织和性能的主要因素，随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。温度越高，其变化越明显。40钢力学性能与回火温度的关系如图3-11所示。,下一页,上一页,返回,第三节 热处理工艺,（1）低温回火（150250）。低温回火的硬度可达HRC5665，常用于要求高硬度及耐磨的各类高碳钢的工具、模具、滚动轴承以及其他渗碳淬火和表面淬火的零件。 （2）中温回火（350500）。中温回火的硬度为HRC4050，常用于要求强度较高的零件，如轴套、刀杆以及各种弹簧等。 （3）高温回火（500650）。高温回火的硬度为HRC2540，具有适当的强度与高塑性、韧性的综合机械性能。所以，淬火后的高温回火亦称调质处理，常用于受力复杂的重要零件，如连杆、轴类、齿轮、螺栓等。,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,许多机械零件，如齿轮、轴、凸轮等，是在摩擦、冲击载荷及交变载荷作用下工作，要求零件表面具有高的硬度和耐磨性，芯部需要有足够的强度和韧性。这时采用整体热处理方法是不能达到要求的，生产中广泛采用表面热处理或渗碳、渗氮等化学热处理方法。,下一页,返回,第四节 钢的表面热处理,一、钢的表面热处理 表面热处理是只对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺，其中以表面淬火最为常用。 表面淬火是仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。表面淬火不改变零件表层的化学成份，只改变表层的组织，并且芯部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。其目的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而芯部具有足够的强度和韧性。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,1感应淬火 感应淬火是指利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或整体加热，并快速冷却的淬火工艺。 感应电流透入工件表层的深度主要取决于交流电频率的高低。频率越高，淬硬层深度越小。 感应加热表面淬火加热速度快，通常仅需几秒到几十秒的时间就可达到加热温度；工件表面质量高，不易氧化脱碳，淬火变形小，淬火后表层可获得极细的马氏体，硬度比普通淬火高HRC23；淬硬层深度易于控制，易实现机械化和自动化及大批量生产，劳动生产率高。但设备昂贵，维修调整较难，故不宜用于形状复杂的零件生产。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,感应加热表面淬火主要用于中碳钢或中碳低合金钢，也可用于工具钢。目前应用最广的是汽车、拖拉机和工程机械中的齿轮、轴类等零件。零件在表面淬火前一般先进行正火或调质处理，表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,2火焰表面淬火 火焰表面淬火是应用氧乙炔（或其他可燃气体）火焰，对零件表面加热，然后快速冷却的淬火。其淬硬层深度一般为26mm。火焰加热表面淬火设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产效率低，淬火质量较难控制。适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳低合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等零件的表面淬火。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,3激光加热表面淬火法 激光加热表面淬火法是近年发展起来的表面强化新技术。它用激光扫描工件表面，用红外线将工件表面温度迅速加热到钢的临界点上，随着激光束的离开，工件表面的热量迅速向周围散开，可自行冷却淬火。激光淬火的淬硬层深度一般为0.30.5mm，可得到极细的马氏体组织。适用于其他表面淬火方法难于做到的复杂形状的工件，如拐角、盲孔、深孔等。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,二、化学热处理 化学热处理是将工件放入一定温度的活性介质中加热并保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变其化学成份、组织和性能的热处理工艺。化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,1钢的渗碳 渗碳是将工件放入富碳的介质中加热到高温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 渗碳一般采用WC为0.150.20的低碳钢或低碳合金钢，其目的是使工件表面获得高碳浓度（WC=0.85%1.05%）。气体渗碳时，将工件装挂在密闭的渗碳炉中（如图3-12所示），加热到900950， 通入渗碳气体（如煤气、石油液化气、丙烷等）或易分解的有机液体（如煤油、丙酮等），保温一段时间，渗碳气体或有机液体在高温下分解产生活性碳原子，活性碳原子逐渐渗入工件表面，并向芯部扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳层深度可通过控制保温时间来达到，一般为0.52.5mm。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,工件渗碳后必须进行淬火和低温回火。最终表层为细小片状的回火高碳马氏体及少量渗碳体，获得高的硬度（HRC6064）、耐磨性及疲劳强度；芯部组织取决于钢的淬透性，一般低碳钢芯部组织为铁素体和珠光体，硬度为HBS110150，低合金钢（20CrMnT钢）通常芯部组织为回火低碳马氏体和少量铁素体，硬度为HRC3545，具有较高的强韧性和塑性。 气体渗碳的渗碳层质量高，渗碳过程易于控制，生产率高，劳动条件好，易于实现机械化和自动化，适于成批或大量生产。主要用于受磨损和较大冲击载荷的零件，如齿轮、活塞销、凸轮、轴类等。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,固体渗碳法是将混合均匀的渗碳剂（主要是木炭，其次是少量碳酸盐）与工件按图3-13所示的要求装入渗碳箱中，密封后放入炉中加热到900950，使其呈单相奥氏体状态，有较强的溶碳能力。在渗碳温度下，木炭与渗碳箱中的少量氧气生成CO，再经分解便产生活性碳原子，从而被钢的表面吸收。随着保温时间的延长，碳原子向深层扩散。生产中一般按每小时渗0.10.15 mm来控制渗碳时间。 一般渗碳零件的工艺路线锻造 正火 粗加工 半精加工渗碳 淬火+低温回火磨削。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,2钢的渗氮（氮化） 渗氮是在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。 渗氮能使零件获得比渗碳更高的表面硬度、耐磨性以及提高其耐蚀性和疲劳强度。 目前应用最广的是气体渗氮。气体渗氮是将工件置于通有氨气（NH3）的密闭炉内，加热到500560，氨分解产生的活性氮离子N被工件表面吸收，并逐渐向芯部扩散，从而形成渗氮层。渗氮层的深度一般为0.10.6mm。渗氮最常用的钢是38CrMoAl，渗氮前应进行调质处理。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,因渗氮后表面形成一层坚硬的氮化物，渗氮层硬度高达1 0001 200HV，耐磨性好。渗氮温度低，工件变形小。渗氮层存在压应力，耐疲劳性好。渗氮层致密，耐蚀性较好。所以，渗氮主要用于耐磨性和精度要求高的精密零件、承受交变载荷的重要零件及较高温度下工作的耐磨零件，如精密丝杠、镗床主轴、汽轮机阀门、高精度传动齿轮、高速柴油机曲轴等。但渗氮生产周期长，成本高，渗氮层薄而脆，因而不宜承受集中重载荷。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,为克服渗氮工艺时间长、成本高等缺点，出现了碳氮共渗、离子氮化等新方法。 一般氮化零件的工艺路线锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火磨削氮化精磨。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,3碳氮共渗 把碳和氮同时渗入零件表层的过程称作氰化。根据处理的温度不同，可分为高温、中温及低温氰化。高温氰化时，碳的浓度比氮的浓度高，以渗碳为主；在低温氰化时，氮的浓度比碳的浓度高，以渗氮为主。 高温气体氰化时，向炉内通入氨气并滴入煤油，或通入氨气与液化气（丙烷裂化）的混合气体。在高温下，它们同时分解出活性的碳原子和氮原子，共同渗入零件表面层内，从而形成氰化层。 工作负荷较大的零件，要求氰化层较深。进行高温气体氰化，加热温度为900950。氰化时间依层深要求而定，通常，可得到的氰化层深度为0.52.0mm。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,工作负荷中等的零件，采用中温氰化，加热温度为800870，氰化层深度为0.20.5mm。零件在中温氰化后应进行淬火和低温回火。淬火后得到含氮的高碳马氏体组织，硬度可达HRC6065，耐磨性高，但脆性大。 低温氰化主要用于提高各种高速钢刀具及高铬钢模具的耐磨性，以延长其使用寿命。低温氰化温度约为450550，时间为12.5h，氰化层深度为0.030.05mm，硬度可达HRC6872，使用寿命可提高1.52倍。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,4其他化学热处理方法 （1）渗铝。钢的表面渗入铝的过程称为渗铝。渗铝的目的是使钢的表面具有高的抗氧化性能，渗铝的零件在00900高温下仍不氧化。渗铝方法是将零件装在铁箱内，周围塞满49%的铝铁（FeAl3）。49%的氧化铝（Al2O3）及2%的氯化氨（NH4C1）的混合粉末，置于9501 000温度下加热416h，然后随炉冷却，即可得到深度为0.51.0mm的渗铝层。,下一页,上一页,返回,第四节 钢的表面热处理,（2）渗铬。钢的表面渗入铬的过程称为渗铬。渗铬的目的是增加零件的抗蚀性。碳钢渗铬后，可得到高的硬度和耐磨性。渗铬方法是将零件装在铁箱中，周围填满由铬铁粉、镁砂、氯化氨和耐火黏土组成的渗铬剂，置于1 1001 150温度下保温1015h。 其他化学热处理方法还有渗硅、渗硼、渗硫等。渗硅可增加钢的耐蚀性，渗硼可增加钢的耐热性。渗硫可增加钢的耐磨性。,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,在机械零件制造过程中，确定零件热处理方法和合理安排零件加工工艺路线中的热处理工序位置，直接关系到产品质量和经济效益。因此，掌握热处理技术条件的相关内容、正确制订和实施热处理工艺规范是非常重要的。 1热处理技术条件的标注 设计者根据零件的性能要求，提出热处理技术条件，并标注在零件图上。其内容包括最终热处理方法及热处理后应达到的力学性能，供热处理生产及检验时用。,下一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,热处理技术条件可用国家标准（BGT126931990）规定的热处理代号来标注，也可用简单的文字和数字来说明。一般零件只标出硬度值，重要的零件还应标出强度、塑性、韧性判据或金相组织要求。对于化学热处理零件，还应标注渗层部位和渗层深度。标定的硬度值允许有一定的波动范围，布氏硬度值一般为3040个单位左右，洛氏硬度值为5个单位左右。如“调质HBS230250”、“表面淬火、回火HRC4247”等。 热处理技术条件一般标注在零件图标题栏的上方（技术要求中），所标的内容应合理，不需规定具体的热处理工艺，热处理工作者可根据材料成份及技术要求等，结合实际情况和操作水平等因素决定。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,2热处理工艺的位置 根据热处理的目的和工序位置的不同，热处理可分为预先热处理和最终热处理两大类。其工序位置安排如下。 1）预先热处理 预先热处理包括退火、正火和调质等。其工序位置一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，精加工之前。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,（1）退火、正火的工序位置。退火和正火作为预先热处理通常安排在毛坯生产之后，粗加工之前。其作用是消除毛坯的内应力，细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性，为最终热处理作好组织准备。对某些精密零件，可在切削加工工序之间安排去应力退火。对一些性能要求不高的中碳钢零件，正火可作为最终热处理。 （2）调质处理的工序位置。一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前，其目的是提高零件的综合力学性能。调质处理可为表面淬火零件和易变形零件的淬火作组织准备。氮化零件在氮化前，一般先进行调质处理，以提高零件整体的力学性能。对于一般性能要求不高的零件，调质也可作为最终热处理。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,2）最终热处理 最终热处理包括各种淬火、回火及化学热处理。零件经这类热处理后硬度较高或处理层较浅，除磨削外，一般不再进行其他切削加工。所以其工序位置一般安排在半精加工之后，磨削之前。 淬火工序位置。 a整体淬火工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工、半精加工淬火、回火磨削。 b表面淬火工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工调质半精加工表面淬火低温回火磨削。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用, 渗碳工序位置。 a整体渗碳的工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工、半精加工渗碳淬火、低温回火磨削。 b局部渗碳的工艺路线一般为：下料锻造退火（正火）粗加工、半精加工保护非渗碳部位渗碳切除防渗余量淬火、低温回火磨削。 渗氮工序位置。 渗氮零件（38CrMoAlA钢）的工艺路线一般为：下料锻造退火粗加工调质半精加工去应力退火粗磨渗氮精磨或研磨。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,3热处理零件的结构工艺性 热处理零件结构工艺性是指在设计需要进行热处理的零件时，特别是需淬火的零件，既要保证零件的使用性能要求，又要考虑热处理工艺对零件结构的要求。如果零件结构工艺性不合理，则可能造成淬火变形、开裂等热处理缺陷，从而使零件报废，造成不必要的损失。一般应注意以下几点。 1）避免尖角与棱角 零件的尖角与棱角是淬火应力集中的地方，容易成为淬火裂纹源。一般尽量将其设计成圆角、倒角，如图3-14所示。,下一页,上一页,返回,第五节 热处理工艺的应用,2）避免截面厚薄悬殊，合理安排空洞和键槽截面厚薄悬殊的零件，淬火冷却时，由于冷却不均匀造成零件变形和开裂。一般采用将零件薄处加厚，或开工艺孔、变不通孔为通孔等方法，如图3-15所示。 3）采用封闭、对称结构 由于开口或不对称结构零件淬火时应力分布不均匀，容易引起变形，故应改为封闭或对称结构，如图3-16所示。 4）采用组合结构 对某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件，尽可能采用组合结构或镶拼结构，如图3-16所示。,上一页,返回,知识扩展,近年来，随着热处理新工艺、新设备、新技术的不断创新以及计算机的应用，使热处理生产的机械化、自动化水平不断提高，其产品的质量和性能不断改进。目前，热处理技术一方面是对常规热处理方法进行工艺改进，另一方面是在新能源、新工艺方面的突破，从而达到既节约能源，提高经济效益，减少或防止环境污染，又能获得优异的性能。,下一页,返回,知识扩展,1真空热处理 在真空环境（低于一个大气压）中进行的热处理称为真空热处理。主要有真空淬火、真空退火、真空回火等。真空热处理可大大减少工件的氧化和脱碳；升温速度慢，工件截面温差小，热处理变形小；表面氧化物、油污在真空加热时分解，被真空泵排出，使得工件表面光洁美观，提高了工件的疲劳强度、耐磨性和韧性；工艺操作条件好，易实现机械化和自动化，节约能源，减少污染。但设备较复杂，价格昂贵。目前主要用于工模具和精密零件的热处理。,下一页,上一页,返回,知识扩展,2可控气氛热处理 可控气氛热处理是指在成份可控的炉气中进行的热处理。其目的是防止工件加热时产生氧化、脱碳等现象，提高工件表面质量；有效地进行渗碳、碳氮共渗等化学热处理；对脱碳的工件施行复碳等。通过建立气体渗碳数学模型和计算机碳势优化控制以及碳势动态控制，在气体渗碳中实现渗层浓度分布的优化控制、层深的精确控制和生产率的提高，取得重大效益。,下一页,上一页,返回,知识扩展,3激光热处理 激光热处理是利用专门的激光器发生能量密度极高的激光，以极快速度加热工件表面，自冷淬火后使工件强化的热处理。目前生产中大都使用CO2气体激光器，其功率可达1015kW以下，效率高，并能长时间连续工作。通过控制激光入射功率密度、照射时间及照射方式，即可达到不同的淬硬层深度、硬度、组织及其他性能要求。,下一页,上一页,返回,知识扩展,激光热处理具有加热速度快，加热到相变温度以上仅需要百分之几秒；淬火不用冷却介质，而是靠工件自身的热传导自冷淬火；