钢的热处理及表面热处理

1、钢的热处理及表面热处理一、教学目的及要求通过本章学习， 使学生理解热处理的基本概念， 掌握钢的加热转变和冷却转变的基本规 律及特点。掌握并了解钢的常用热处理工艺，并能够进行热处理工艺分析。二、主要内容1热处理的基本概念2钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点3钢的退火和正火，钢的淬火和回火4 钢的表面淬火和化学热处理5. 退火、正火、淬火、回火的目的；退火、正火、淬火、回火的工艺过程及其对 零件加工和使用的影响。6. 表面热处理的目的、 分类；常用的表面热处理工艺 （感应加热表面淬火和渗碳） ； 了解表面热处理的典型零件。三、学时安排讲课 5 学时四、教学重点1钢在加热和冷却时的

2、组织转变及转变产物的形态和性能特点2常用热处理工艺及应用五、教学难点1钢的过冷奥氏体转变2钢的热处理工艺及应用3钢的淬透性的概念热处理1定义： 指将材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，以适当速度冷却，以获 得所需组织结构和性能的工艺方法。2热处理的工艺过程 。包括三个阶段：加热、保温和冷却，如图所示。加热 ：热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。保温：目的是要保证工件烧透，防止脱碳、 氧化等。 保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般，按每分种12毫米计算；工件越大，材料的导热性越差，保温时间就越长。冷却 ：最后一道工序，也是最重要一道工序。冷却速度

3、不同，工件热处理后的组织和性 能不同。3目的和作用在工业生产中，热处理的应用很广泛。据统计，在机床制造中，约60% 70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达 70%80%，而工模具及滚动 轴承，则要 100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。目的 ：一是提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。二是改善材料的工艺性能，确 保后续加工的顺利进行。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。4基本类型（1）根据加热和冷却方式，以及组织和性能特点的不同分类（见教材）（2）按热处理在零件生产工艺过程中的位置和作用不同分类预备热处理： 是零

4、件加工过程中的一道中间工序 （也称为中间热处理） ，其目的是改善 锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。最终热处理： 是指能赋予工件使用性能的热处理， 其目的是使经过成型工艺达到要求的 形状和尺寸的零件达到所需要的使用性能。根据铁碳平衡相图，共析钢加热到超过A1 温度时，全部转变为奥氏体；而亚共析钢和过共析钢加热到 A3 和 Acm 以上获得单相奥氏体。通常把加热时的实际临界温度标以字母“C”'如AcAC3、ACcm ；而把冷却时的实际临界温度标以字母 “r,”如Ar 1> A3、Arcm等。其物理意义分别为：Aci :加热时珠光体向奥氏体转变的温度；

5、Ar 1：冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；Ac 3 ：加热时先共析铁素体全部转变为奥氏体的终了温度；Ar 3:冷却时奥氏体向铁素体转变的开始温度；ACcm：加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度；Arcm:冷却时从奥氏体中开始析出二次渗碳体的温度。第一节 钢在加热时的组织转变加热是热处理的首道工序，大多是先把钢件加热到高温， 目的是使钢得到奥氏体组织 。 通常将这一过程称为钢的奥氏体化。一、奥氏体的形成1共析钢加热时奥氏体的形成过程 奥氏体的形成遵循一般的相变规律，包括形核与长大两个基本过程，可分为四个阶段： （ 1）奥氏体晶核的形成。 将钢加热到 Ac 1以上时，珠光体转变成奥氏体，奥氏体

6、晶核 首先在铁素体和渗碳体的相界面形成。（ 2）奥氏体长大。 稳定的奥氏体晶核形成后，开始长大生成小晶体，同时又有新的晶 核形成。（ 3）残余渗碳体的溶解。 由于铁素体的碳浓度和结构与奥氏体相近，铁素体转变为奥 氏体的速度远比渗碳体向奥氏体中的溶解快。（ 4）奥氏体成分的均匀化。 在渗碳体全部溶解完时，奥氏体的成分是不均匀的，需要 保温一定时间，碳原子充分扩散，获得均匀的单相奥氏体。2亚共析钢与过共析钢加热时奥氏体的形成亚共析钢与过共析钢的室温平衡组织分别为（P+F ）和（P + Fe3C n）。其中，加热时珠光体转变为奥氏体的过程与共析钢的相同； 不同的是： 亚共析钢多了铁素体向奥氏体的转

7、变过程， 过共析钢多了二次渗碳体的溶解过程。 所以， 亚共析钢要得到全部奥氏体需加热到 AC3以上，对过共析钢要在 ACcm以上。这一过程为 完全奥氏体化。如果亚共析钢仅在 AciAc 3温度之间加热，加热后的组织是“ A + F两相共存；对过共析钢在AciAc cm温度之间加热，加热后的组织应为“ A+ F®Cn”两相共存。这一过程为 不完全奥氏体化 。在加热后的冷却过程中， 只是奥氏体向其它的组织转变， 铁素体或二次渗碳体则不会发 生转变，保留在钢的室温组织中，会对钢的力学性能产生影响。二、奥氏体晶粒的大小及控制1. 奥氏体晶粒度 一表示奥氏体晶粒大小晶粒度评级（冶标）：00,

8、0, 1 , 2,，10共12个等级；其中，3级以下为粗晶粒， 46级中等晶粒， 78级为细晶粒， 8级以上为超细晶粒。根据加热时奥氏体晶粒长大的超势,钢种有意义：渗碳！本质细晶粒钢： 加热时， A 不容易长大，含 Nb,Ti,V 等元素的钢；本质粗晶粒钢 ：加热时， A 晶粒容易长大。2奥氏体晶粒的大小的控制 一般从以下几个方面考虑（ 1）加热温度和保温时间。加热温度高，保温时间长，奥氏体晶粒长大。加热温度高，保温时间短，可获得细小的晶粒。 加热温度一定，延长保温时间，晶粒不断长大，并趋于稳定。原因： 原子的扩散能力主要与温度有关。保温的目的主要是为了使工件温度均匀，奥氏 体的成分均匀化。（

9、 2）加热速度。 在实际生产中，常采用 快速加热和短时保温 的方法来获得细小晶粒。 原因： 加热速度越快，过热度越大，奥氏体化温度越高，形核率和长大速率越大，但前 者大于后者，可获得细小的奥氏体起始晶粒；另一方面，温度较高时，界面能高，原子扩散 能力增强，细小晶粒反而易于长大，所以保温时间又不能太长。（3）原始组织。（4）钢的化学成分碳元素的影响 ：随碳含量增加，奥氏体晶粒长大倾向增加；当有未溶碳化物存在时，可 阻碍晶粒长大，得到细小奥氏体晶粒。合金元素影响：A .钢中加入Al、V、Zr、Ti、Nb元素可起到细化晶粒的作用。因为能形成高熔点、弥 散分布的碳化物或氮化物，阻碍晶界移动，强烈阻碍奥

10、氏体晶粒长大。B. Mn、 P 及过量的 Al 等溶入奥氏体中，可加速铁的扩散，促进奥氏体晶粒的长大。三、钢加热时常见的缺陷及防止措施1. 常见的缺陷氧化： 钢在氧化性气氛（如气氛中有 O2、 CO2、 H2O 等）加热时易被氧化，工件表面 形成 FeO、 Fe2O3 、 Fe3O4 等氧化物，导致钢的烧损，零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的是 严重影响后序热处理的质量。脱碳： 指钢中的碳被烧损，导致钢件表面含碳量降低的现象，常伴随氧化发生。脱碳的气氛主要有氧化性气氛和 H2气氛。脱碳使钢件表面的含碳量降低，使钢件强度硬度降低， 特别是疲劳强度和耐磨性严重下降。过热： 指加热温度比正常温度偏高，

11、出现的奥氏体晶粒粗大的现象。过热使钢件的强度 和塑韧性降低，热处理后变形加大。过热的工件可通过重新奥氏体化，细化晶粒来补救。 过烧： 指钢加热的温度太高，奥氏体晶界局部或全部氧化甚至熔化的现象。过烧使工件 变脆，如果锻造一锻即裂。过烧的工件只能报废，无法挽救，属于致命性缺陷。2防止措施（ 1）在真空中加热： 工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺 的发展方向，在发达国家应用普遍。问题在于，真空热处理设备投资大，成本较高。（ 2）可控气氛加热： 工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳、 不增碳、 不氧化的气氛下加热。 实践证明它是行之有效与可靠的方法， 是现代热

12、处理的发展 方向之一。（ 3）盐浴加热： 将工件置于一熔化了的中性熔融的盐浴炉中加热，盐浴进行充分脱氧， 保证工件加热过程中少氧化， 甚至无氧化。 缺点主要是粘在工件上的盐难以清洗， 操作过程 中盐液遇水易炸，不小心灼伤人体，不太安全，操作过程中要多加小心。第二节 钢在冷却时的转变一、过冷奥氏体奥氏体在临界点 A 1以上是稳定相，冷却至 A 1 以下就成了不稳定相， 要发生组织转变。 定义：把 在临界温度 A 1 以下尚未发生组织转变的不稳定奥氏体称为 过冷奥氏体 。 等温转变： 过冷奥氏体转变是在 临界点以下某个温度下等温过程 中发生的，就称为过 冷奥氏体的等温转变。连续转变： 转变在 连续

13、冷却 的过程中发生的就称为过冷奥氏体的 连续冷却转变 。 等温冷却和连续冷却是工业生产中常用的两种热处理冷却方式。 钢中过冷奥氏体在冷却 过程中的转变规律常用过冷奥氏体转变图来描述，表示转变产物与温度、时间之间的关系， 是选择和制定热处理工艺的重要依据。二、过冷奥氏体等温转变曲线（以共析钢为例）1等温转变曲线的建立（1） 准备几组共析钢小试样 （5组，每组8个试样，小圆片试样的尺寸：直径1015mm , 厚度 1.0 1.1mm）;（2） 把这些试样加热至 A1（727°C）以上奥氏体化（如 8000C）;（ 3）然后迅速把各组试样分别迅速放入 A1（7270C） 以下的不同温度（

14、700， 650， 600， 550, 500°C）的恒温箱中保温；（4） 记录时间，每隔一定时间取出一块试样，立即淬入水中（保持当时的组织状态）（5）测量硬度,并在显微镜下观察其组织,找出各个等温温度下的转变开始时间和转 变了时间,并画在 “温度时间”坐标系中。6）将转变开始点连接起来 A 转变开始线；转变终了点连接起来 该曲线称过冷奥氏体等温曲线。孕育期 :试样放入临界温度以下到开始发生转变之间的这段时间, 度轴的距离。 鼻尖处 孕育期最短,鼻尖处的温度称为鼻温,共析钢在A 转变终了线。即 A 开始转变线到温5500C 左右。是描绘 过冷奥氏体在不同温度下等温过程中,转变产物与温

15、度、时间之间关系的曲线图,2过冷奥氏体等温曲线又称 TTT 曲线或 C 曲线。图为共析钢的过冷奥氏体等温曲线图。（解释：转变开始线、终了线、Ms和 Mf)三、共析碳钢过冷奥氏体等温转变类型及转变产物根据过冷奥氏体在不同温度间的转变特点,将其分为三类： 珠光体型转变、 贝氏体型转变和马氏体型转变。转变产物取决于等温的温度。一）珠光体型转变1 转变温度 ： 7270C 5500C2 转变产物： 珠光体珠光体 是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物,这种类型的转变称为珠光体转变。根据奥氏体化温度和程度不同,过冷奥氏体可以形成片状珠光体和球状珠光体。1）片状珠光体 ：由共析反应形成, 是由铁素体片和渗碳体

16、片交替排列的层片状组织,形貌为层片状。珠光体中铁素体和渗碳体层片的粗细与转变温度有关。 转变温度越低, 过冷度越大, 珠 光体的层片越细。在7270C 6500C :珠光体片层较粗，称为粗片状珠光体，简称珠光体，用P表示；在650°C 600°C:珠光体层片较细，称为索氏体，用S表示；在600°C-550°C :珠光体层片极细，称为屈氏体，用T表示。层片越细,珠光体的强度硬度越高,塑性韧性越好。三者相比: 屈氏体的强度硬度最高,塑性韧性最好；索氏体次之；珠光体再次之。例如：冷拔弹簧钢丝，等温处理成索氏体，变性量可达80%，强度达到3000MPa。(2)球

17、状珠光体由片状珠光体经球化退火得到，是渗碳体呈颗粒状均匀分布在铁素体基体上的组织，形貌为颗粒状。在实际生产中，高碳工模具钢多采用球化退火获得球状珠光体来改善组织和切削加工 性能。(二)贝氏体型转变1 转变温度： 在550 2300C ( Ms)温度之间。2. 转变产物：贝氏体，记为B。3定义：贝氏体是 由过饱和铁素体和渗碳体组成的机械混合物。4.组织形态和性能特点：有两种类型，其组织形态与等温温度有关。(1) 上贝氏体，记为B上：在550 3500C之间形成，呈羽毛状，细小的短棒状渗碳体 分布在过饱和铁素体片间。性能特点：硬度高，强度低，塑性韧性差，少用。(2) 下贝氏体，记为B下：在350

18、Ms (230°C)之间形成，呈针片状或竹叶状状，渗 碳体以短片状分布在过饱和铁素体针片的内部，具有较高的位错密度。性能特点：具有较高的强度硬度(4555HRC )和良好的塑性韧性，即良好的综合力 学性能。工业中，对于中碳钢、中碳合金钢，希望得到下贝氏体组织，提高钢的强韧性。(三)马氏体型转变1. 转变温度： Ms (230°C)Mf之间。2. 转变产物：马氏体，记为 M。3定义、结构：马氏体是 碳在Fe中形成的过饱和固溶体，体心正方晶格结构。4.主要转变特点(1) 是无扩性相变；(2) 在MsMf范围内不断降温中形成，冷却中断转变中止，转变量随温度的降低而增加；(3) A

19、向M的转变是一个体积膨胀过程，引起内应力。(A的比容小，M的比容大)(4) 马氏体转变不能完全进行到底，有一定量的残余奥氏体。钢的组织中存在残余奥氏体会使零件尺寸不稳定、硬度降低，应尽量减少。措施： 采用多次回火或冷处理。 工模具钢量具钢的热处理中常采用这种工艺来减少残余 奥氏体量，提高尺寸稳定性及耐磨性。5马氏体的组织形态和性能特点： 有两种类型。（ 1）板条马氏体 ：呈板条状； 具有较高的强度和良好的韧性， 即良好的综合力学性能。Ms 温度较高、含碳量较低的钢淬火时易得到板条马氏体。板条马氏体是低、中碳钢和低、中碳合金钢淬火组织中的一种典型组织形态。（2）片状马氏体 ：呈针片状或竹叶状；具

20、有高的强度和硬度，但塑性韧性差，即硬而脆。Mf较低、含碳量较高的钢淬火时易得到。片状马氏体主要出现在中高碳钢、 中高碳合金钢和高镍的铁镍合金的淬火组织中。 必须 经过回火处理后才能使用。6影响马氏体性能的因素马氏体组织的最主要特点是高强度和高硬度。硬度： 主要取决于其本身的含碳量，与合金元素含量关系不大。随着碳含量的增加，马氏体的硬度升高。对淬火钢来说，当含碳量为0.60.8%时，硬度达到最高；含碳量进一步增加时，硬度提高趋于平缓。马氏体的高强度： 是由于碳在 aFe中的过饱和而产生的固溶强化，相变时在马氏体内部造成大量的位错或孪晶等晶格缺陷而产生的相变强化， 以及时效强化效应等综合作用的结

21、果。另外，奥氏体晶粒越细小，马氏体尺寸越小，其强度也越高。塑性和韧性： 取决于马氏体的亚结构。板条马氏体的亚结构为位错，具有高的强度和 良好的韧性， 特点是具有良好的综合机械性能； 片状马氏体的亚结构为孪晶， 具有高的强度 和硬度，但塑韧性很差，特点是硬而脆。7应用要求高硬度高耐磨性的零件，得到高碳的片状马氏体组织，如工模具、渗碳件等。要求综合力学性能好的零件，得到低碳马氏体，如发动机连杆、螺栓、石油钻井的吊环 和吊钳等。四、影响 C 曲线的主要因素1含碳量的影响对C曲线形状的影响：亚共析钢，在P转变之前有先共析铁素体析出， C曲线上有AF 转变线。过共析钢，在 P转变之前有二次渗碳体析出，

22、C曲线上有A Fe3C转变线。对C曲线位置的影响： 亚共析钢，Wcf ,C曲线右移，转变推迟。过共析钢：Wcf, C曲线左移，C曲线左移。共析钢的 C 曲线最靠右。三者相比，淬火时，共析钢最易获得马氏体组织，易淬火。对Ms和Mf的影响： WC , MsJ, Mf残余奥氏体量增多。问题？：比较45钢、T8钢和T12钢淬火时，哪个最易？2合金元素的影响除 Co 元素外，其它溶入奥氏体中的合金元素都使 C 曲线右移。3奥氏体化温度五、过冷奥氏体连续冷却转变曲线（ CCT 曲线）1共析碳钢的 CCT 曲线由三条线组成：Ps线为过冷奥氏体转变为珠光体的开始线，Pf为转变终了线，两线之间为转变过渡区。 K

23、K线为转变的中止线，当冷却曲线碰到此线时，过冷奥氏体向珠光体 型组织转变中止，继续冷却一直保持到 Ms 点以下，剩余的过冷奥氏体转变为马氏体。淬火临界冷却速度 Vk :指获得全部马氏体组织（实际还含有一小部分残余奥氏体）的 最小冷却速度，为 CCT 曲线的临界冷却速度，又称淬火临界冷却速度 。在连续转变冷却曲线中， 过冷奥氏体的转变产物取决于冷却速度。 由图可以看出：当V冷 Vk时，得到全部马氏体组织；当V冷 Vk '时，得到全部珠光体组织；Vk， V冷 Vk时，得到（P+ M ）组织。Vk越小，奥氏体越稳定，因而即使在较慢的冷却速度下也会得到马氏体组织，这对淬 火工艺操作具有十分重要

24、的意义。2.共析碳钢的 CCT 曲线与 TTT 曲线的（ 1） CCT 曲线位于 TTT 曲线的右下方。说明在连续冷却时过冷奥氏体在较低温度下 和经过较长时间后才开始珠光体转变，即孕育期长些，过冷度大些。（ 2） CCT 曲线中没有贝氏体转变区。 说明共析钢要获得贝氏体组织必须采用等温冷却。六、C曲线的应用1用 TTT 曲线来估计连续冷却转变得到的组织以共析钢为例说明。方法 : 将连续冷却速度线画在钢的 C 曲线上，分析冷却速度线与 C 曲线相交点的位置 来判断得到的室温组织。1)U700650 C 随炉冷P170 220HBS2)U650600 C 空冷S25 35HRC3)U3油冷TM A

25、r4555HRC4)U水冷M Ar55 65HRC2在正确选材和制定热处理工艺方面（ 1） 正确制定淬火的冷却制度，选择淬火剂；（ 2） 制定分级淬火规范和等温淬火制度；（ 3） 制定经济合理的退火工艺，如等温退火时等温时间的确定；（ 4） 分析淬火转变产物的类型，并估计其性能。第三节 钢的退火和正火生产中，常用零件的预备热处理工艺，安排在锻造之后机加工之前。一、钢的退火工艺1定义将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。又称 “焖火 ”。2工艺加热温度：临界点（ACi、 AC3或ACcm）以上或以下。冷却方式：一般采用炉冷。生产中为了提高生产率， 通常冷却到 500 C左

26、右出炉空冷或等温冷却方式，等温的温度和时间根据钢的“C曲线”确定。保温时间：保证透烧，一般以1.01.5mm/min计算，并钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式有关。3常用退火工艺、目的及应用（ 1）完全退火应 用： 适用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材。不适用于过共析钢。目 的：细化晶粒，均匀组织；调整硬度，改善切削加工性能；消除内应力。加热温度：Ac3+ 20-30C，单相奥氏体区，完全奥氏体化。室温组织：P+F，可认为是平衡组织。2球化退火（不完全退火）定义： 使钢中碳化物球化而进行的退火工艺称为球化退火。应用： 主要用于共析钢、过共析钢和高碳合金钢的刃具、量具、

27、模具等的预备热处理。目的： 使钢中碳化物球化，降低硬度，提高塑性和切削加工性能；为淬火作组织准备。加热温度：Aci+ 2030C, A和二次渗碳体两相区，不完全奥氏体化。组 织 ：球状珠光体（ F 基体上分布颗粒状 Fe3C） 3扩散退火（均匀化退火）应用：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。目的：消除偏析，使成分均匀化。加热温度：Ac 3或以上150200C（ 1050-1150C）,保温1020h。组织：亚共析钢为 P+F。后果：晶粒粗大。 由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此，一般还需要进行一次完全退火或正火，细化晶粒、消除过热缺陷。4去应力退火工 艺：将工件缓

28、慢加热到 AC1以下适当温度，保温 13h后随炉缓冷。一般地， 钢件在 500650 C；铸铁件在 500550 C；焊接件为 500600 C。目的、应用： 消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢 件的尺寸，减少变形，防止开裂。如机床床身（铸件），内燃机汽缸体，冷卷弹簧。5再结晶退火工 艺：加热到AC1以下50-150C,或T 再+30-50C,保温，缓冷。目的： 消除加工硬化，恢复钢材的塑韧性。应用： 冷加工后的工件消除加工硬化。如在钢丝拉拔过程中，中间进行的退火。二、钢的正火定 义：把钢件加热到完全奥氏体化，保温，然后在空气中冷却的热处理工艺。加热温度：亚共析钢

29、Ac3+30-50 C ;共析钢AC1+30-50 C ;过共析钢 Accm+30-50 C保温时间： 以工件透烧为准，同时考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。冷却方式： 空气中自然冷却； 对于大件也可采用吹风、 喷雾和调节钢件堆放距离等方法 控制钢件的冷却速度。组 织：共析钢S、亚共析钢（F+S）、过共析钢（Fe3Cu+ S ）目的、应用 ：1对力学性能要求不高的普通结构钢零件作为最终热处理。目的： 细化晶粒，均匀组织；同时，使亚共析钢组织中F%、P%T,从而提高钢的强度硬度和塑韧性。2消除过共析钢中的网状 FesCii，细化晶粒，为球化退火作准备。3改善低碳钢或低碳合金钢（Wc&l

30、t;0.25 %）的切削加工性能。4消除中碳结构钢经过铸、锻、轧制以及焊接等热加工后出现的粗大晶粒和带状组织 等缺陷。5.对某些大型 或形状复杂的工件， 在保证使用性能的前提下可用正火代替淬火，以避免可能发生的严重变形和开裂现象。三、退火、正火的选择1. 退火与正火的主要区别主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较大， 得到的珠光体组织比较细。因而，同 一种钢，正火后经强度硬度比退火的高。2. 退火与正火的选择根据具体情况，一般以下三个方面考虑：（ 1）改善切削加工性低碳钢宜采用正火；含碳量在0.250.45 %之间的中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳量在0.450.77 %之间的高碳钢则

31、必须采用完全退火；过共析钢则宜采用球化退火。低、中碳结构钢t正火；中高碳结构钢t完全退火，合金工具钢t球化退火。（ 2）热处理工艺性 形状复杂、尺寸大或重要零件采用退火。退火冷却慢，内应力小，工件不易变形开裂。 一般零件，可采用正火。（ 3）加工成本。 正火成本低，退火成本高。在保证质量前提下尽量采用正火，降低成 本，提高生产效率。第四节 钢的淬火淬火是热处理中应用最广的工艺之一。一、淬火的目的定义： 将钢件加热到 AC3 或 AC1 临界温度以上，保温一定时间，然后以适当速度冷却 获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。目的： 获得马氏体和（或）贝氏体组织，提高硬度、强度、耐磨性以满足零件

32、的使用 性能。从工艺的角度出发， 淬火温度和淬火介质的选择是影响淬火效果的重要因素， 而这些都 取决于钢和合金的性质。二、淬火加热温度的确定1碳钢加热温度的确定碳钢的淬火加热温度由 FeFe 3 C 相图确定，其目的是淬火后得到高硬度的细小马氏 体。（图示）亚共析钢：Ac 3+3050 C ；完全A化，获得细小 A晶粒，淬火后可得细小 M组织，无F 相，强度硬度较高。共 析钢：Ac什3050C。得到细小 M。过共析钢：Ac什3050C。原因：保留一定量的FesC, HRCT，耐磨性T;同时，A中C%，获得的M中C%M过饱和度从而使M脆性J, Ar % 若淬火温度过高 f 粗大 粗大f力学性能J

33、同时，淬火应力 fT变形，开裂K所以，过共析钢在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒A 和细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后组织为片状 M 基体上均匀分布着细小的碳化物和极少量 Ar ,这种组织具有高 的强度硬度,耐磨性好,脆性相对较小。2合金钢加热温度的确定对于合金钢的淬火温度, 可根据其临界温度及所含合金元素的性质, 参照上述原则确定。 一般是：Aci 或 AC3+ 50 100C。三、淬火介质理想淬火介质：6500C以上，慢，减小热应力；650-400°C，快，避免与 C曲线相交； 4000C 以下,慢,减小淬火应力,防止变形和开裂。常用淬火介质有：水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等

34、。新型淬火剂 ： 有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。水盐水或碱水机油盐浴或碱浴冷却能力强更强较弱介于水油之间变形开裂倾向大更大较小小适用范围小而简单碳钢及低合金钢淬火小而复杂、变形要的碳钢件合金结构钢求小的重要零件四、淬火方法淬火方法的分类是以冷却方式的不同划分的，常用的淬火工艺方法有： 单介质淬火、 双介质淬火、分级淬火和等温淬火。（每种方法要有举例）1单介质淬火将加热奥氏体化后的钢件放入单一淬火介质中， 连续冷却到室温的操作方法。 碳钢的水 中淬火，合金钢的油中淬火都是单介质淬火法。特点： 操作简单，易于实现自动控制，但水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小， 淬透直径小， 大件无法淬

35、透。 只适用于 形 状简单、尺寸较小碳钢和合金钢工件。2双介质淬火用两种冷却介质。先浸入一种冷却能力强的介质中，待冷却到接近 Ms 点时立即转入下 一种冷却能力弱的介质中的操作方法。如先水后油、先水后空气等。 特点： 在马氏体转变区 冷速减慢，可减小应力，减少变形、开裂倾向，但不好掌握。 适用于 中等尺寸、形状复杂的 高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。3马氏体分级淬火将加热奥氏体化的钢件， 先浸入温度稍高或稍低于钢的 Ms 点的液态介质中， 等温保持 适当时间，然后取出空冷到室温，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。淬火介质 ：燃点较高的油、盐浴和碱浴。等温目的： 使工件表面和心部温度均匀。

36、 等温过程中不发生组织转变， 马氏体中空冷条 件下进行。淬火后组织： 马氏体。特点 ：工件温度均匀，组织转变缓慢，减小应力，变形开裂倾向显著降低。应用： 适用于变形要求严格且尺寸不大的工件。4 下贝氏体等温淬火将奥氏体化后的钢件放入稍高于 Ms 温度的盐浴中， 等温保持一定时间， 使奥氏体转变 为下贝氏体的淬火工艺，也叫等温淬火。淬火介质 ：盐浴或碱浴。等温目的： 得到综合性能良好的下贝氏体组织。等温时间由钢的 TTT 曲线确定，一般为3060min，较分级淬火时间要长，等温过程中过冷 A向下贝氏体组织转变。淬火后组织： 下贝氏体。特点： 减小淬火应力，防止变形和开裂，零件综合力学性能好。应用

37、： 主要适于形状复杂、截面不大、要求精度高并具有良好强韧性的零件。另外，还有采用复合淬火工艺的。 工件急冷至 Ms 以下获得 10 20马氏体，然后 在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使截面较大的工件获得（ M+B 下）组织。预淬时形 成的马氏体可促进贝氏体转变， 在等温时又使马氏体回火。 复合淬火多用于合金工具钢工件， 可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。5冷处理马氏体的转变特点是转变不彻底， 总是存在残余奥氏体。 为了减少组织中残余奥氏体量， 生产中常采用冷处理的方法。工艺过程： 把淬火后的钢件冷却到室温以下某一温度，并停留一定时间， 使残余奥氏体充分转变成马氏体。冷却

38、介质 ：常用的是干冰和液氮。目的： （1）减少残余奥氏体量，稳定尺寸；（ 2）提高硬度和耐磨性。应用： 主要用于要求高硬度高耐磨及要求精密度高的零件，如精密轴承、 精密模具、 量具等。第五节 钢的淬透性和淬硬性一、淬透性和淬硬性的概念钢在淬火时获得马氏体的能力。淬透性是钢本身固有的一种属性，与工件大小及冷却 介质的类型无关， 取决于 V k。淬硬性指钢钢在淬火后获得最高硬度的能力， 取决于M中C% , C%T淬硬性K淬透性好的钢， 淬硬性不一定好，即淬火易得到马氏体组织， 但硬度不一定高；反之亦 然。如：低碳合金钢的淬透性好， 但硬度不高； 而碳素工具钢的淬透性较差， 但淬硬性较高， 即淬火后

39、的硬度高。二、影响淬透性的因素钢的淬透性取决于 Vk,而Vk取决于C曲线的位置。C曲线越靠右，Vk越小，意味着 越容易得到马氏体 。主要影响因素：1含碳量亚共析钢，CW , C曲线右移，VkJ,淬硬性f;过共析钢，c%r, c曲线左移，Vk f淬硬性j；共析钢的 C 曲线最靠右， Vk 最小，淬透性最好。2 合金元素。除Co元素外，其它溶入 A中的Me使C曲线右移，Vk J,淬透性f3奥氏体化条件主要是加热温度和保温时间。三、淬透性的测定方法常用临界淬火直径法和端淬试验法。1临界淬火直径法指钢棒在规定介质中冷却时，心部获得50马氏体时的最大直径，用 Dc 表示。其中，50马氏体转变量是为了便于

40、测量而人为选定的，可通过金相检验和硬度测量确定。生产中常用钢的临界淬火直径表示淬透性的大小。 钢的临界淬火直径可通过查阅合金钢 手册获得。如表！， Dc 值越大，淬透性越好。2 端淬试验法用$ 25X 100mn的标准试样，经加热奥氏体化后对末端喷水冷却。冷却后，将试样沿轴 线方向在相对180°的两边各磨去0.20.5mm深度，再从试样末端起每隔 1.5mm测量一次硬 度值HRC，即可得到沿试样轴向的硬度分布曲线，称作钢的淬透性曲线。试样上距末端越 远，冷却速度越小，其硬度也随之下降。淬透性高的，硬度下降趋势较缓慢；淬透性低的， 硬度急剧下降。 如 40Cr 比 45 钢的淬透性好。

41、 由于钢的化学成分允许在一个范围内波动， 所 以在手册中给出的各种钢的淬透性曲线不是一条线，而是一个范围。HRC表示方法：用J表示钢的淬透性值。式中 J表示端淬试样法，d为至水冷端距离。如d40J 一 表示距水冷端距离为 20mm处试样的硬度值为 40HRC。20四、淬透性的应用一实际意义两个方面：一是合理选材；二是为制定热理工艺提供依据。为保证工件淬火时得到完全马氏体组织，一般要求选用的钢有足够的淬透性。如淬透性不同的钢棒淬火并高温回火后的力学性能：完全淬透的钢高温回火后，其力学性能沿截面是均匀的；淬透性低的钢心部未能淬透，则心部的力学性能特别是冲击韧性较低。对同一成分钢,选用冷却能力强的淬

42、火介质可以使钢件表面温度快速降低，淬硬深度增加。但温度梯度 增大，增加工件变形和开裂倾向。因此在实际淬火操作中，常需要采用较缓和的冷却介质， 如油或空气流等，这就要求钢具有高的淬透性。能在空气中冷却形成马氏体的钢称为空淬钢， 如一些高合金模具钢。某些情况下又不要求工件完全淬透，如工具和有些机器部件往往希望高疲劳强度或耐磨的硬表面， 表面层淬成马氏体而心部不淬透，使表面层中产生压应力， 有利于防止疲劳裂纹的形成并阻止其扩展。选材的一般规律：（1）表面和心部力学性能一致的零件，即要求表面和心部组织一致，如螺栓、连杆、锻模、弹簧、锤杆（承受拉压载荷），选用淬透性高的钢。（2）表面心部力学性能不一致的

43、零件， 通常是要求表面强度硬度高、心部塑性韧性好，即要求组织不一致，如轴类零件、冷镦模具、齿轮，可选用淬透性低的钢。（3）焊接件，选用淬透性低的钢。在此基础上，还需考虑尺寸效应。第六节钢的回火钢（尤其是中碳和高碳钢）淬火态的特征是强度硬度高，但很脆，残余内应力大，组织不稳定，必须经过回火处理才能使用。回火是紧接淬火后的一道工序，也是最后一道热处理工序，是决定工件使用状态下组织和性能及使用寿命的一道关键工序。一、回火的目的定义：把淬火后的钢件再加热到 A i以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。目的：（1）降低或消除内应力，降低脆性;（2）稳定组织，以稳定零件的尺寸和形

44、状。马氏体和残余奥氏体都是亚稳定组织，有自发向稳定组织转变的趋热，这将影响零件的精度和性能。（3）调整工件的内部组织，获得所需的力学性能。二、回火分类、组织及应用 根据回火温度的高低，把回火分为三类：低温回火、中温回火和高温回火。1低温回火回火温度：150°C-250 °CO回火组织：回火马氏体（M回），为低过饱和度 a固溶体上分布着极细小的£碳化物,形态与回火前的马氏体基本相同。性能特点：内应力和脆性降低，仍保持高硬度、强度和良好的耐磨性能，硬度58 -64HRC O应用： 适用于各种刃具、量具、模具、滚动轴承件以及渗碳、碳氮共渗和表面淬火件的回火处理。2中温回

45、火回火温度： ， 350-500CO回火组织：回火屈氏体（T回），为马氏体形F基体上分布着细小粒状 Fe3C° F尚未再结晶，仍保持马氏体的形态。性能特点：内应力完全消失，硬度降低（3550HRC），具有高的弹性极限ce和屈强比c/ c良好的塑韧性。应用：主用于弹性元件及热作模具的热处理。3高温回火回火温度： 500-6500CO回火组织：回火索氏体（S回），为等轴状F基体上分布着颗粒状 Fe3C° F已再结晶， 呈等轴状。性能特点： 硬度降低（ 2535HRC， 220330HBS） ，强度高，塑韧性好，具有良好综合力学性能，优于正火得到的组织。应用：生产中，把 “淬火高

46、温回火 ”的复合热处理工艺称为 调质处理。 广泛 用于中碳结构钢、 低合金结构钢制作的汽车、 拖拉机、 机床等承受较大载荷的结 构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要零件的回火处理；此外， 还常作为表面淬火、渗碳的前处理工序。一般规律：随回火温度T,强度，硬度J,塑性韧性三、回火脆性指有些钢淬火后，在 250400C或500650C范围内回火时，出现冲击韧性明显下降 的脆化现象， 称为钢的回火脆性。 根据回火脆性形成温度的不同， 分为低温回火脆性和高温 回火脆性。1 低温回火脆性（第一类回火脆性）在250400C范围内回火时出现的脆化现象。几乎所有工业用钢都不同程度存在。产生原因：普

47、遍认为，淬火钢在 250400 C范围内回火时，碳化物以断续的薄片状在 原奥氏体晶界或在马氏体界面上析出， 形成薄壳， 低了马氏体界面处的断裂强度， 是导致低 温 回 火 脆 性 的 主 要 原 因 。 这 类 回 火 脆 性 一 旦 产 生 无 法 消 除 。 图 钢的韧性与回火温度的关系防止办法： （1）钢中加入硅元素，使马氏体的分解推迟，提高低温回火温度；（2）避免在此温度范围内回火。必要时采用等温淬火。2高温回火脆性（第二类回火脆性）许多合金钢淬火后在 500550C之间回火，或在600C以上温度回火后以缓慢的冷却速 度通过500550 C区间时发生的脆化现象。 如果重新加热到 600

48、C以上温度后快速冷却， 可 以恢复韧性 ，因此又称为可逆回火脆性。产生原因：已经证明，钢中P、Sn、Sb、As等杂质元素在500550C温度向原奥氏体晶 界偏聚，导致高温回火脆性。防止办法： 快冷可避免；一旦产生采用重新加热保温后再快速冷却消除。钢在600C以上温度回火后快速冷却可以抑止杂质元素的偏析，在热处理操作中常用来避免发生高温回火脆性。 钢中加入适量的钼、钨等元素，抑制杂质元素向晶界偏聚。 降低钢中杂质元素的含量。 采用高温形变淬火热处理工艺，可大大减轻回火脆性的产生。 其中，较为实用的是第二种和第四种方法。四、钢在回火后的性能及回火工艺的选择淬火钢回火后的性能取决于它的内部显微组织；

49、钢的显微组织又随其化学成分、 淬火工艺及回火工艺而异。 回火温度 是决定回火后工件硬度的主要因素， 其高低应根据工件的工作 条件、性能要求和钢种等因素确定，并应避开低温回火脆性温度区。碳素结构钢：在100250 C之间回火后能获得较好的力学性能。合金结构钢： 为了获得良好的综合力学性能， 往往在三个不同温度范围回火： 超高强度钢约在200300 C；弹簧钢在 460 C附近；调质钢在 550650 C回火。碳素及合金工具钢： 要求具有高硬度和高强度，回火温度一般不超过200 C。回火时具有二次硬化的合金结构钢、模具钢和高速钢等在500650C范围内回火。回火时间：应保证工件透烧和组织转变的充分

50、进行，一般为13小时。冷却方式： 回火后 一般采空中缓冷， 防止重新产生内应力； 对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。第七节 钢的表面热处理表面热处理的目的1. 提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。t保证高精度2. 使零件心部具有足够高的塑性和韧性。t防止脆性断裂。二、表面热处理的分类及工艺特点主要有两大类：表面淬火和化学热处理。（一）表面淬火1. 工艺： 将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使 表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。工艺特点：（ 1 ） 不改变工件表面化学成分，只改变表面组

51、织和性能； （2）表面与心部的成分一致，组织不同。2. 所用材料一般多用中碳钢、中碳合金钢，也有用工具钢、球墨铸铁等。典型零件 :如用 40、 45 钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。3. 常用表面淬火方法主要有： 感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。1 ）感应加热表面淬火原理： 通以一定频率交变电流的感应线圈，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流（涡流），利用工件的电阻而将工件加热；由于感应电流的集肤效应，使工件表 层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。工件淬硬层的深度与频率有关：A. 0.22mm，高频感应加热（1

52、00 500KHz ），适用于中小型齿轮、轴等零件；B. 210mm，中频感应加热（0.5 10KHz ），大中型齿轮、轴；C. 10 15mm，工频感应加热（50Hz），用于大型轴、轧辊等零件。特点： 淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高；生产频率高、便 于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。应用：主要 零件类型是轴类、齿轮类、工模具，最常见的有： 齿轮，如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿 山机械等上的大模数齿轮。轴类，如花键轴、汽车半轴和机床主轴轴颈、凸轮轴、镗杆、钻杆、轧辊、火车轮等。工模具，如滚丝模、游标卡尺量爪面、剪刀刃、锉刀

53、等。（ 2）火焰加热表面淬火利用气体燃烧的火焰加热工件表面（乙炔 氧、煤气 氧、天然气），使工件表层快 速加热至奥氏体化，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬的一种淬火工艺。淬硬层深度： 2 8mm特点及应用 ：操作简便，设备简单，成本低，但质量不稳定；适于单件、小批量生产。典型零件： 轧钢机齿轮、轧辊；矿山机械齿轮、轴；普通机床导轨、齿轮。（ 3）激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是利用激光对工件表面的照射和扫描，依靠工件的自激冷却而淬火。 激光是一种具有高亮度、 方向性和单色性强、 能量密度高的强光源。 目前应用于热处理 的大多是CO2气体激光器，提供的激光波长为10.6 ym硬化层深度： 1

54、 2mm特点及应用： 加热和冷却极快，淬火后组织细小、硬度高、淬硬层薄、工件变形小、不需回火，生产效率高，属绿色制造，已成功应用于汽车和拖拉机的气缸和缸套、活塞 环、凸轮轴、机床导轨等零件的表面处理，前景广阔，但设备昂贵，大规模应用受到限 制。4. 表面淬火零件一般工艺路线下料T锻造T退火或正火T机加工T调质处理T表面淬火T低温回火T精磨预处理： 正火或调质处理。目的是细化和均匀组织，使工件心部具有良好的强韧性。后处理：表面淬火后再低温回火（200 C左右）。目的是消除淬火应力，工件表面保持 高的硬度和耐磨性。零件使用态组织（最终）：表层为回火M ;心部为表面淬火前的组织 （二）钢的化学热处理

55、1工艺： 将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却，使介质中的某些元素 渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧 ”的性能特点。工艺特点： （ 1） 既改变工件表面化学成分，又改变表面组织和性能;（ 2）表面与心部的成分不同、组织不同。2目的： 提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性和韧性。 3化学热处理分类 根据渗入元素的不同来分，主要有渗碳、渗氮、多元渗、渗铝、渗铬等渗非金属和渗金 属两大类。其中：渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度;渗硼 、渗铬是提高零件的耐磨性和耐腐蚀性;渗铝、渗硅可使零件的耐热性和抗氧化性f ；渗硫是为了零件的减摩，减小零件的摩擦系数。（1）渗碳 （重点讲）渗碳是将工件放入渗碳介质中加热、 保温， 使活性碳原子渗入， 以提高工件表层碳含量 的热处理工艺。目的： 通过提高工件表层含碳量， 以提高工件的表面硬度和耐磨性， 同时使心部保持一 定的强度和良好的塑韧性。常用的材料： 低碳钢和低碳合金钢， 20、 25、 20Cr、 20CrMnTi （用于汽车齿轮）、 20CrMnMo 、 18Cr2Ni4W 等。渗碳方法： 根据渗碳剂的状态不同，渗碳方法可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗 碳三种，常用的是气体渗碳法和固体渗碳法。气体渗碳：