第七 钢热处理工艺

1、第七章 钢的热处理工艺 7.1 退火7.2 正火7.3 淬火7.4 回火 7.5 表面热处理 7.6 化学热处理7.1 退火(Annealing) 退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到一定温度保温一定时间，然后以缓慢的速度冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺； 退火分类： 亚临界退火：低于临界温度A1的退火； 不完全退火：临界温度A1A3(Acm)之间的退火； 完全退火：临界温度A3(Acm)以上的退火； 退火工艺：完全退火（重结晶退火）、等温退火、球化退火(不完全退火）、扩散退火（均匀化退火）、去应力退火（低温退火）、中间退火（再结晶退火）退火目的： 消除残余应力； 降低硬度以改善切削加工

2、性能； 细化晶粒，调整组织。 （1）完全退火(重结晶退火): 把钢加热到Ac32030，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺； 适用钢：亚共析钢，完全退火后组织为F+P; 目的：细化晶粒、降低硬度以改善切削加工性能和消除内应力； 注意：完全退火主要用于亚共析钢，过共析钢不宜采用，因为加热到Accm以上缓冷时，二次渗碳体会以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的韧性大大下降，并可能在以后的热处理中引起裂纹。 （2）等温退火： 是将钢或毛坯加热到Ac32030，保温适当的时间，较快地冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢

3、冷却的热处理工艺。 “等温”的含义是，发生珠光体转变时是在Ar1以下珠光体转变区间的某一温度等温进行； 目的：缩短退火时间，提高生产效率，获得均匀的组织和性能； 注意：等温退火的目的与完全退火相同，但转变较易控制，能获得均匀的预期组织；对于奥氏体较稳定的合金钢，常可大大缩短退火时间。（3）球化退火（不完全退火）：是使钢中碳化物球状化的热处理工艺。 加热温度：Ac11030；适用钢种：主要用于共析钢和过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢，目的是使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化；目的：降低硬度、均匀组织、改善切削性能，为淬火作组织准备，获得粒状珠光体；片状珠光体片状珠光体球状珠光体球状珠光体（4）扩

4、散退火（均匀化退火）：为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺。 温度范围：Ac3或Accm150300，保温时间：10h15h 注意：扩散退火后钢的晶粒粗大，需要完全退火或正火处理； 扩散退火温度区间扩散退火温度区间 （5）去应力退火（低温退火）：为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残余内应力而进行的低温退火。 退火温度： 500-650，保温后随炉缓慢冷却； 目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂； （6）中间退火（再结晶退火）：金属材

5、料由于冷加工产生加工硬化，韧性下降，使进一步加工困难。这时常采用中间退火来恢复韧性，这种在过程之间的退火称为中间退火，通常也称再结晶退火。 温度：Ac1以下1122 保温适当时间，空冷7.2 正火（常化处理）（Normalizing)正火：钢材或钢件加热到Ac3(对于亚共析钢)和 Accm(对于过共析钢)以上30-50，保温适当时间，在静止的或轻微搅动的空气中均匀冷却，得到含有珠光体组织的热处理方式；正火后的组织：亚共析钢为F+S，共析钢为S，过共析钢为S+Fe3CII。 正火应用范围：所有成分的碳钢锻件和铸件。 注意：奥氏体钢、不锈钢和沉淀硬化钢通常不进行正火处理。应用： 作为最终热处理 细

6、化晶粒，组织均匀化，增大P含量并细化，普通结构钢件； 作为预先热处理 淬火或调质处理前，以消除魏氏组织(组织特征是先共析铁素体沿奥氏体一定晶面呈针片状析出）和带状组织，过共析钢是为了消除网状碳化物； 改善切削加工性能 低碳钢和某些低碳低合金钢采用正火来调整硬度。 注意： （1）正火与完全退火的区别在于冷却速度更快，目的是使钢的组织正常化，又称常化处理。 （2）有些钢如W18Cr4V高速钢在空气中冷却得到的是马氏体，不能称为正火，而是淬火。退火和正火的缺陷及其质量控制 1）退火硬度偏高：主要是由于退火时奥氏体化温度低、冷速快等造成。可通过重新退火改善。 2）球化不完全：共析钢和过共析钢球化退火组

7、织中出现细片状珠光体和点状珠光体，不仅使硬度偏高，而且在随后淬火时开裂倾向大。可通过重新球化退火，使渗碳体呈圆而匀分布。 3）退火时形成石墨碳：碳素工具钢如果退火温度高、保温时间长或多次返修退火，会导致渗碳体发生分解形成石墨碳，且在石墨周围是大块铁素体。由于石墨碳的存在，淬火时易形成软点和开裂，工模具在使用过程中易发生磨损或崩刃。 4）过共析钢正火时出现网状二次渗碳体：过共析钢球化退火前为消除二次渗碳体采用正火处理，如果工件尺寸太大，冷速过于缓慢，则达不到消除二次网状渗碳体的目的。必须采用鼓风冷却或喷淋水冷等方法加快正火冷却速度。7.3 淬火（Quenching)淬火：经过奥氏体化的钢以大于临

8、界冷却速度vk进行冷却，获得不平衡组织（马氏体或下贝氏体）的热处理工艺； 1、淬火加热温度 亚共析钢：Ac3以上30-50 共(过共)析钢：Ac1以上30-50 淬火加热时间:包括升温时间和保温时间两个阶段，工厂中采用经验公式计算。 2、淬火冷却介质 淬火时如何达到既能获得马氏体组织，又能减小变形和开裂倾向的目的？寻找一种比较理想的从淬火的上设法改进。 应只在C曲线鼻尖处快冷，而在附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。 使淬火钢件的冷却过程符合理想冷却速度的介质。l理想淬火介质的冷却能力 650以上缓冷，降低淬火热应力； 650 -400 快冷，避免P或B转变； 400 以

9、下缓冷，减少组织应力；l常用介质：水和油 水，冷却能力大，形状简单、截面较大的碳钢零件； 油，冷却能力小，合金钢； 盐浴，冷却能力中等，减少零件淬火时的变形，主要用于分级淬火和等温淬火；1）单液淬火法2）双液淬火法3）分级淬火法4）等温淬火7.1 钢的退火7.2 钢的正火7.4 钢的回火1） 单液淬火法2） 双液淬火法3） 分级淬火法4） 等温淬火工艺过程： 将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中连续冷却到室温的操作方法。 水淬则淬火应力大，容易产生变形与开裂； 用油淬则不易淬硬，容易产生软点。 操作简单，容易实现机械化和自动化。 小尺寸且形状简单的零件 先将奥氏体状态的工件在的淬火介质中冷却到

10、稍高于温度时，再立即转入的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。3 淬火冷却方法 先水冷后油冷 先油冷后空冷 准确地控制零件由一种介质转入另一介质时的温度，要求较高的操作技术。 尺寸较大的零件 将奥氏体状态的工件首先淬入或钢的Ms温度的液态介质中，适当保温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，完成马氏体转变。 淬火时工件内部温度均匀，组织转变几乎同时进行，因而减小了内应力，显著降低了变形开裂倾向。 液态介质（熔盐等）的冷却能力有限 对变形要求严格且尺寸又较小的工件（如刀具、量具）。 将奥氏体化后的工件快冷到下贝氏体转变温度区（260400）等温保持足够时间，使之转变为组织，而后

11、于空气中冷却的淬火方法。 工件的强度、硬度高，塑性、韧性好 淬火应力小，变形小 多用于形状复杂、尺寸较小、精度要求高的工件（如模具、齿轮等）。2 淬透性的测定方法3 淬透性的实际意义 淬透性是钢的主要热处理性能。 选材和制订热处理工艺的重要依据之一。网带式淬火炉 指钢在淬火时形成的能力，其大小用钢在一定条件下淬火所获得的来表示。 不同成分的钢接受淬火时形成马氏体的能力不同，容易形成马氏体的钢淬透性高（好），反之则低（差）。 同样形状和尺寸的工件，用不同的钢制造，在相同的条件下淬火，较大的钢，其 例：直径为30mm的45钢和40CrNiMo试样棒，加热到奥氏体区（840），然后用水进行淬火。分析

12、两根试样棒截面的组织，测定其硬度。 结果：45钢表面组织为M，心部组织为F+S，表面硬度55HRC，心部硬度仅20HRC，说明45钢试样棒心部未淬火； 40CrNiMo试样棒表面至心部均为M组织，硬度均为55HRC，可见40CrNiMo的淬透性比45钢好。 工件淬火时，由表面至心部的冷却速度逐渐降低，只有冷却速度大于钢的临界冷却速度v临界的区域才能得到全部马氏体。M量和硬度随量和硬度随深度的变化深度的变化 指由工件到的深度。M量和硬度随深度的变化M量和硬度随量和硬度随深度的变化深度的变化利用淬透性曲线比较钢的淬透性，找出钢的半马氏体区对应的距水冷端的距离。该距离越大，则淬透性越好。 与 和 深

13、度 是指钢在淬火时获得的能力。 钢的淬透性好坏取决于，或者说，取决于。 从说，它取决于奥氏体的化学成分、晶粒度和均匀性。表示钢淬火时的硬化能力。 指钢在淬火后获得的所能达到的，取决于马氏体中的。 例如： 高碳工具钢的淬透性较差，但淬硬性却很高； 而低碳合金钢淬透性很好，但淬硬性却不高。 淬透性与淬硬性两者没有必然的联系。 是钢材本身固有的属性。相同奥氏体化温度下的同一钢种，其淬透性是确定不变的。其大小用规定条件下的淬透层深度表示。 是实际工件在具体条件下淬得的马氏体和半马氏体的深度，是变化的，与钢的淬透性及外在因素（如淬火介质、零件尺寸）有关。 (1) 碳含量 (2) 合金元素 (3) 奥氏体

14、化温度 (4) 钢中未溶第二相 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。 除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。 (1) 碳含量 在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少

15、，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。 (2) 合金元素 除钴以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。 (3) 奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。 (4) 钢中未溶第二相 钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。 2） 末端淬火法 将同一种钢不同直径的圆棒试样加热至单相A区，然后在同一淬火介质中冷却，测出其能全部淬硬成M的最

16、大直径D0即为临界直径。水淬M非MD0D0 D0越大，表示钢的淬透性越好； 临界直径法用不同钢在同一淬火介质中的临界直径来比较它们的淬透性大小。 对于截面承载均匀的重要件,要全部淬透。如螺栓、连杆、模具等。 对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/21/3)，如轴类、齿轮等。高强螺栓柴油机连杆齿轮GB/T 225-2006钢淬透性的末端淬火试验方法钢淬透性的末端淬火试验方法(Jominy试验试验)淬透性淬透性-“-“末端淬火法末端淬火法”测定测定（GB/T225-2006）151035540JJdHRCJJ-表示末端淬透性；d-至水冷端的距离，mmHRC-在该处测得的硬度

17、值2）根据淬透性曲线可求出沿工件截面的硬度分布1 1）根据淬透性曲线可以比较不同钢种淬透性大）根据淬透性曲线可以比较不同钢种淬透性大小小40Cr钢的淬透性比钢的淬透性比45钢好钢好2 2） 根据淬透性曲线可求出沿工件截面的硬度根据淬透性曲线可求出沿工件截面的硬度分布分布预测预测直径直径钢轴淬火后断面的硬度分布钢轴淬火后断面的硬度分布等温退火等温退火P退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)A1MSMf时间时间温度温度淬火淬火PP均匀均匀A细细A？回火是针对淬火钢进行的一种热处理工艺。钢的回火：是将淬火

18、后的钢再加热到相变点以下的温度，保温后以适当的冷却速度冷却的热处理工艺。目的：提高钢的韧性和塑性，消除淬火应力，提高零件尺寸的稳定性。 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。类。 淬火加高温回火的热处理称作淬火加高温回火的热处理称作，简称，简称。广泛用于广泛用于各种结构件如轴、各种结构件如轴、齿轮齿轮等热处理。也可作为等热处理。也可作为要求较高精密件、量具等要求较高精密件、量具等预备热处理。预备热处理。 适用于各种适用于各种高碳高碳钢、渗碳件钢、渗碳件及及表表面淬火件面淬火件。 应用应用获得良好的综合力学性能，获得良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时

19、，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。具有良好的塑性和韧性。 提高提高 e及及 s，同时使工件具有同时使工件具有一定韧性一定韧性 。在保留高硬度、在保留高硬度、高耐磨性的同时，高耐磨性的同时，降低内应力降低内应力。 回火目的回火目的S回回 T回回 M回回 回火组织回火组织500-650350-500150-250 回火温度回火温度 高温回火高温回火 中温回火中温回火 低温回火低温回火 适用于适用于弹簧热处理弹簧热处理 注意：钢不在250350范围内回火，因为这一温度范围发生低温回火脆性的温度范围。 有些钢在某一温度范有些钢在某一温度范围内回火时，其围内回火时，其冲击冲击韧性韧性比在较

20、低温度回比在较低温度回火时还显著下降，这火时还显著下降，这种脆化现象称为种脆化现象称为回火回火脆性脆性。 一、低温回火脆性一、低温回火脆性 “ “第一类回火脆第一类回火脆性性” “ “不可逆回火脆不可逆回火脆性性” 二、高温回火脆性二、高温回火脆性 “ “第二类回火脆第二类回火脆性性” “ “可逆回火脆可逆回火脆性性”回火脆性回火脆性一、低温回火脆性一、低温回火脆性 （ 250250400400）二、高温回火脆性二、高温回火脆性 （450450650650，回火后慢，回火后慢冷）冷） 一、低温回火脆性形成温度： 250400材料： 几乎所有的钢种形成原因： 由于碳化物-Fe5C2和-Fe3C沿

21、着马氏体条或片的界面呈薄片状析出，形成脆性薄壳，割裂了马氏体基体，因而脆性大增。防止方法： 避免在脆化温度范围内回火(无法消除，只能避开）。 回火脆性一、低温回火脆性 “第一类回火脆性” “不可逆回火脆性”二、高温回火脆性形成条件：450650、慢冷材 料： 合金结构钢 形成原因： 由于P、As、Sb、Sn等微量杂质元素在晶界上偏聚和析出，降低了晶界断裂强度。 钢中含有Mn、Cr、Ni等合金元素时，可促进磷等元素在晶界上的偏聚，因而更易出现这种回火脆性。 在钢中若加入0.5%Mo或者1%W，由于阻止有害元素向晶界的扩散，从而可基本消除这种回火脆性。 采用在A1A3之间加热淬火（亚临界淬火），使

22、组织中残存少量铁素体，使P、As、Sb、Sn等杂质优先跑到铁素体中，而不进入奥氏体中，淬火成马氏体后几乎不含这些脆性杂质元素，因此可大大减轻高温回火脆性。 4.1 概述4.2 钢在加热时的转变4.3 钢在冷却时的转变4.5 钢的热处理工艺 将淬火钢加热到以下某一温度，保温后以适当方式冷至室温的一种热处理工艺。 它是淬火后不可缺少的热处理工艺。原因：1. 淬火钢具有高的硬度和大的淬火应力，除低碳钢外，一般都很脆。 因此，淬火钢实际上无法直接使用，必须进行回火。2. 淬火钢的组织是：马氏体+残余奥氏体。 M、残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，它们都有向铁素体和渗碳体稳定状态转化的趋势。该转化需要

23、一定的温度和时间条件。 回火的目的： 减少或消除淬火工件的内应力，防止变形或开裂； 降低脆性，提高钢的塑性和韧性； 稳定钢的组织和尺寸； 获得所需的强度、硬度、塑性、韧性的配合，以满足不同的工件性能要求。4.4 钢在回火时的转变 4.4.2 淬火钢在回火时力学性能的变化 4.4.3 回火转变产物 4.4.4 回火脆性过冷奥氏体的等温转变马氏体转变的特点：非扩散型转变，M 是碳在 -Fe 中的过饱和固溶体；M为体心正方晶格。b. M 的形成速度很快，无孕育期，是一个连续冷却的转变过程； c. M形成时造成时会体积膨胀，在钢中造成很大的内应力，严重时将使被处理零件开裂;d. M 转变不彻底，总要残

24、留少量A 。残余A的质量分数与Ms、Mf的的高低有关。A中的碳质量分数越高， Ms、Mf 越低，残余A质量分数就越高。w(c)0.6，标上A；马氏体的形态特点马氏体的形态有板条状和针状（片状）两种; w(c)1.0为针状M(高碳M、孪晶M）呈竹叶状或凸透镜状 0.25 w(c) 0.4%的马氏体： 回火温度升高到250以上，-碳化物逐渐溶解，同时沿着112M晶面析出-碳化物（分子式为Fe5C2，具有单斜晶格） -碳化物呈小片状平行地分布在马氏体片中，并保持一定的位向关系。 马氏体分解和残余奥氏体转变时形成的-碳化物是亚稳定相，在250400范围内回火，将发生-碳化物向稳定相渗碳体（-碳化物）的

25、转变。 转变过程是通过-碳化物重新溶入固溶体而稳定相渗碳体不断析出这样一种方式而进行的，在转变过程中，固溶体只起到碳原子的输送通道的作用，刚形成的渗碳体仍是薄片状。 温度升高到400左右，固溶体完全分解，但仍保持针状外形。此时，-碳化物已消失，渗碳体由薄片状逐渐聚集长大成细颗粒状。 最终得到针状铁素体片状（或小颗粒状）渗碳体的混合组织，称为回火屈氏体。回火屈氏体回火屈氏体研究表明： 在碳浓度小于的马氏体回火时，不形成。 在碳浓度小于的马氏体回火时，也不析出，而是直接形成-碳化物。一、马氏体中碳原子的偏聚（20100）二、马氏体分解（100250）三、残余奥氏体的转变（250300）四、碳化物转

26、变（250400） 回火温度升高到400以上，渗碳体明显聚集长大。 无论片状渗碳体的球化或粒状渗碳体的长大，都是通过不稳定的、细小的渗碳体质点重新溶入固溶体，而较稳定的、较大的颗粒状渗碳体不断接受从相扩散来的碳原子而长大的方式来完成的。 在碳化物聚集长大的同时，相的状态也在不断发生变化。一般地说，回火温度升高到400以上时，相发生回复过程，至600，相发生再结晶过程，从而失去针状形态，形成多边形的铁素体。光镜下光镜下回火索氏体回火索氏体 4.4.1 淬火钢在回火时的转变 4.4.2 淬火钢在回火时力学性能的变化 4.4.3 回火转变产物 4.4.4 回火脆性硬度： 在200以下回火时硬度降低很

27、少； 在200以上回火时硬度显著降低； 而且温度越高，回火硬度越低。 随着回火温度的升高，钢的强度指标不断下降，而塑性指标则不断上升，在400以上回火时提高得最显著。 在350左右回火时，钢的弹性极限达到极大值。 在500600回火时，塑性达到较高的数值，并且保留相当高的强度。（中碳钢） 4.4.1 淬火钢在回火时的转变 4.4.2 淬火钢在回火时力学性能的变化 4.4.3 回火转变产物 4.4.4 回火脆性一、回火马氏体二、回火屈氏体三、回火索氏体四、回火珠光体 它是200以下的回火转变产物。 它是在马氏体基体中分布着大量微细的-碳化物。回火马氏体 是在350450范围内的回火转变产物。 它是在相基体中弥散分布着微小粒状或片状碳化物，相已经回复，其亚结构不同于马氏体，但尚未再结晶，故仍具有马氏体的针状特征。回火屈氏体回火屈氏体在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称