常见金属热处理工艺基础知识讲解

1、名师精编优秀资料常见金属热处理工艺基础知识讲解第一节介绍基本概念一、金属热处理概念金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺。目的：改善或改变材料的各种性能，女口力学性能（机械性能）、物理性能、 化学性能、工艺性能等。二、金属材料的性能金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。1工艺性能工艺性能指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件 下表现出来的性能。工艺性能包括五大方面：铸造性能：浇注时，液体能充满铸型并得到优质铸件的能力。 锻造性能：材料进行压力加工的性能。焊接性能：材料进行焊接及保证焊缝质量的能力

2、。切削性能：进行机械加工的能力。成型性能：拉、压、拔、冲等。2使用性能使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能。它包括 机 械性能、物理性能、化学性能等。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能， 称为机械性能（或称为力学性能）常说的机械性能主要有：弹性、塑性、刚度、强度、硬度、冲击韧性、疲劳强度和断裂韧性 等。三、热处理工艺过程一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些 过程互相衔接，不可间断。1. 加热温度：加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加

3、热到相变温度以上，以获得高温组织。2. 保温时间转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保 温时间。采用高能密度加热和表面热处理时， 加热速度极快，一般就没有保温时 间，而化学热处理的保温时间往往较长。3. 冷却冷却是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主 要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷 却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢（高速钢W18Cr4V就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。四、介绍热处理加工中常用的一图、二曲线、四火

4、、五转变1. 一图是铁碳合金平衡相图或叫做铁碳合金状态图，可以概括许多常用的钢铁 材料平衡状态的组织转变规律和临界参数。铁碳合金相图由五个基本的单相构 成。铁碳合金状态图(1) 状态图主要点线主要点特性点温度C含义A1538纯铁熔点C1148共晶点D1227渗碳体熔点E1148C在丫 -Fe中最大溶解度G912纯铁的同互异晶转变点P727C在a -Fe中最大溶解度S727共析点Q室温室温时C在a -Fe中最大溶解度主要线：ABCD线：液相线，液相冷却至此开始析出，加热至此全部转化。AHJECF线：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，加热至此开始转化。GS线：A3线，A开始析出F的转变线，加热

5、时F全部溶入A。ES线：Acm线，C在A中溶解度曲线。ECF线：共晶线，含C量2.11-6.69%至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合 物，莱氏体。PSK线：共析线，含C量在0.0218-6.69%至此反生共析反应，产生出珠光体。(2 )铁碳合金分类a）钢含 C 量 0.02182.11%共析钢含C量0.77%亚共析钢含 C 量 0.0218-0.77%过共析钢含 C 量 0.77-2.11%b)白口铸铁含 C 量 2.11-6.69%共晶白口铸铁 含C量4.3%亚共晶白口铸铁含C量2.11-4.3%过共晶白口铸铁含C量436.69%(3)铁碳合金相图的作用a) 在铸造方面：选择合适的浇铸

6、温度，流动性好。b）在煅造方面：选择合适的温度区，奥氏体区。c）在热处理方面：退火，正火，淬火等。2. 二曲线是等温转变曲线（TTT）或者连续转变曲线（CCT），根据这些曲线确 定采用什么样的冷却速度、冷却介质、冷却方式。3. 四火是指热处理基本操作：正火、退火、淬火和回火，是热处理的最基本工 艺方法。4. 五转变是：两个加热转变，室温组织在加热时向奥氏体的转变和马氏体在加 热时的回火转变；三个冷却转变，奥氏体向珠光体的转变、奥氏体向贝氏体的转 变、奥氏体向马氏体的转变。5. 热处理常说的临界点有三个不同的位置1）理论转变温度。2） 加热时实际发生转变的温度，在其临界点的右下角加一个“c”。3

7、） 冷却时实际发生转变的温度，在其临界点的右下角加一个“r”。6 表示含义1）Ai表示钢中发生奥氏体和珠光体之间相互转变的临界点。2）A3表示钢中奥氏体开始析出铁素体或者铁素体完全转变为奥氏体的转变温度。3）Acm则表示从奥氏体中开始析出渗碳体或者渗碳体完全溶解到奥氏体中的临界点。4）铁素体为碳在a Fe中间隙固溶体，常用符号F （或a ）表示。铁素体具有体心立方晶格结构，由于它的间隙很小，因而溶碳能力较差，如在室温时仅 溶碳0.0008%。工业纯铁中含有微量的碳（V 0.02%），因此在室温时其组织 为100%铁素体。5）渗碳体即Fe3C,它是一种具有复杂结构的铁和碳的间隙化合物，其晶格结构

8、为复杂晶格。含6.69%碳。在室温平衡状态下，铁碳合金（钢）中的碳大多 数以渗碳体形式存在于组织中。6）珠光体为铁素体和渗碳体两相的机械混合物，用符号 P表示。7）奥氏体（一种在高温（ 727C）存在的组织）为碳在丫一Fe中间隙固溶体, 常用符号A （或丫）表示。渗碳体具有面心立方晶格结构，由于它的间隙比 铁素体大，因而溶碳能力比铁素体强，如铁素体溶碳量最大为0.02% （727C 时），而奥氏体溶碳量最大可达 2.11% （1148C时）第二节金属热处理工艺分类、作用及用途金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。一、整体热处理整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的

9、速度冷却，以改变其整体力学 性能的金属热处理工艺。整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。1.退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后 缓慢冷却的热 处理工艺。退火的目的：1 ）软化钢件以便进行切削加工；2）消除残余应力，以防钢件的变形、开裂；3 ）细化晶粒，改善组织以提高钢的机械性能；4）为最终热处理（淬火回火）作好组织上的准备。常见退火有：完全退火、球化退火、去应力退火等。（1）完全退火完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火。主要用于亚共析成分的各种碳钢（C含量小于

10、0.77%）和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。完全退火操作 是将亚共析钢工件加热至 Ac3以上3050 C,保温一定时 间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500 C以下在空气中冷却。（2）球化退火球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具、量具、模具所用的钢种）。其 主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以 后淬火作好准备。球化退火操作是将过共析钢工件加热至Ac1以上3050 C,保温一定时间后，随炉缓慢冷却至500 C以下在空气中冷却。（3）去应力退火去应力退火又称低温退火（或高温回火）

11、。主要用于消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。 如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削 加工过程中产生变形或裂纹。去应力退火操作 是将钢件随炉缓慢加热 （100150 C /h ）至500650 T （v A1），经一段时间保温后， 随炉缓慢冷却（50100 C /h ）至300200 C 以下出炉。金属材料去应力回火温度（C）再结晶退火温度（C）钢碳素结构钢及合金结构钢500 650680-720碳素弹簧钢280 300铝及其工业纯铝100350-420合金普通硬铝合金100350-370铜及其合金（黄铜）270 300600-7002正火：是将工件

12、加热到适宜的温度后在空气中冷却。主要应用：1）用于普通结构零件，作为最终热处理；2）用于低、中碳结构 钢，作为预先热处理，可获得合适的硬度，便于切削加工；3）用于过共析钢，可抑制或消除网状二次渗碳体的形成，以便在进一步球化退火中，得到良好的“球 化体”组织。在热处理过程中返修件必须正火后重新淬火。正火操作是将钢件加热至Ac3或Accm以上3050 °C，保温一定时间后，从 炉中取出在空气中冷却。正火与退火的明显不同点是正火冷却速度稍快。3 淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介 质中快速冷却。淬火后 钢件变硬，但同时变脆。淬火的目的一般是为了获得马氏体，提

13、高钢的机械性能。钢的淬火操作是将钢件加热至Ac3或Ac1以上3050C，保温一定时间后， 从炉中取出在冷却液中快速冷却。最常用的冷却介质是盐水、水和油。盐水浓度为1015%用于淬形状简单、硬度要求高而均匀、表面要求光洁、 变形要求不严格的碳钢零件。在盐水中停留的时间一般以46mm/s计算。油为10号机油。只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺 寸的碳钢工件的淬火。（1）淬硬层深度（又叫淬透层的深度）：由钢的表面至内部马氏体组织占 50% 处的距离。把钢在淬火后能获得淬硬层深度的一种性质叫做 淬透性（又叫可淬 性）。淬硬层越深，就表明钢的淬透性越好。（2）淬硬性（又叫可硬性）：是指钢

14、在正常淬火条件下，以超过 Vk（临界冷却 速度）的速度冷却所形成的马氏体组织所能到达的最高硬度， 而不是指马氏体组 织的深度。常用钢的临界直径钢号半马氏体区硬度（HRC2040 C水中冷却的 临界直径mm矿物油中冷却的临界直径mm353881348404010 1559.5454213 16.569.5604711 1761215Cr3510 1851120Cr3812 1961230Cr4114 2571440Cr4430 3819 2865Mn5325 3017 2560Si2 Mn5255 6232 464回火：为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650C的某一适当温度进行

15、长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。回火的主要目的：1）降低脆性，消除或减少内应力。2）获得工件所要求的 机械性能。3）稳定工件尺寸。4）对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或 正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下三种：（1）低温回火（150-250度）低温回火所得组织为回火马氏体。目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等， 回火后硬度一般为58 - 64HRC（二）中温

16、回火（350 500度）中温回火所得组织为回火屈氏体。目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为 35 45HRC（三）高温回火（500 650度）高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。主要用于各种重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆，螺栓，齿 轮及轴类等。回火后硬度一般为200350HB回火脆性，是指淬火钢回火后出现韧性下降的现象。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，低温回火脆性，主要发生在回火 温度为250350 C时，第二类回火脆性又

17、称可逆回火脆性，高温回火脆性。发生的温度在450650 °C。5 固溶处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体 中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。主要目的是提高强度和硬度，消除压力加工过程中所产生的内应力， 使其获得均 匀的成份、组织和性能。主要用于有色金属合金强化热处理。对铝合金来说固溶处理就是淬火 (将铝合金加热到a相区，保温后在水中冷 却)。如铝合金热处理代号：T 4 固溶体处理后，直接自然时效。T 6 固溶处 理后人工时效。6. 时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造、锻造后，在较高的 温度放置或室温下，保持其性能，形状，尺寸随

18、时间而变化的热处理工艺。时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。在机械生产中，为了稳定铸件尺寸，常将铸件在室温下长期放置，然后 才进行切削加工。这种措施也被称为时效。(1)人工时效处理：将工件加热到较咼温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺(2)自然时效处理：将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象。二、表面热处理1. 表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。2. 特点：经处理后工件表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部 仍保持足够的塑性和韧性。表面层被淬硬为马氏体，而中心仍为未淬火组织，即 原来塑性和韧性较好的退

19、火、正火或调质状态的组织。3. 广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷， 又要求整体具有良好的塑性和韧性 的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。4. 表面淬火是表面热处理的主要方法。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热（高频、中频、工频）表面淬 火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热 表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。表面淬火用钢的含碳量以0.40.5%为宜。5. 感应加热表面淬火的特点：（1）感应加热时，钢的加热速度极大，致使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高，转变温度范围扩大，转变所需时间缩短。（

20、2）表层得到极细的所谓“隐晶马氏体”，它具有比普通淬火稍高的硬度（高23HRC和较低的脆性，并具有较高的疲劳强度。（3）工件不易氧化和脱碳，变形小。6. 感应加热表面淬火的技术条件一般包括： 表面硬度、淬硬层深度、淬硬区分 布、预先热处理以及变形要求等。 一般淬硬层深度为半径的1/10左右时，可得 到强度、韧性和耐疲劳性的最好配合。对于小直径（1020mm零件，其淬硬层 深度可取半径的1/5 ;对截面较大零件可取小于半径的1/10。感应加热表面淬火 预先热处理有两种：正火和调质。7. 感应加热方式的适用范围感应加热方式的适用范围加热方式一般淬硬层深度（mm适用范围高频加热0.5 2.5中小型零

21、件加热，如小模数齿轮、中小型圆柱零件中频加热210直径较大的轴类和大中等模数的齿轮低频加热10 20较大直径零件的加热大直径零件（如轧辊）表面淬火（应用工频表面淬 火时零件直径一般要在C 30mm以上）8火焰加热表面淬火：常用中碳钢及中碳合金结构钢(合金元素总量v 3%。 还可用于铸铁件如灰铸铁、合金铸铁进行表面淬火。淬硬层深度一般为26mm三、化学热处理1 化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。2. 区别：表面热处理与化学热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。3化学热处理目的：(1) 提高零件

22、的耐磨性。(2) 提高零件的疲劳强度。(3) 提高零件的抗蚀性与抗高温氧化性。例如，渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能。4化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗 等方法。(1) 钢的渗碳：渗碳是向钢的表面层渗入碳原子的过程。其目的是使工件在热 处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。分为气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳 三种，常用的是前两种，尤其是气 体渗碳。渗碳层一般为0.22mm不允许高硬度的部位如装配孔等，可采 取镀铜方法来防止渗碳，或者采取多留加工余量方法，待零件渗碳后淬火 前再去掉该部位的渗碳层。(2) 钢的氮化：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是

23、提高表 面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。在氮化之前必须将工件进行调质处理， 获得回火索氏体组织。氮化层一般不超过 0.60.7mm氮化 层硬度HV85O氮化层具有高的 热硬性(即在600650 C仍有较高的硬 度)。不要氮化的部分应镀铜或镀锡保护，亦可放1mm余量，于氮化处理后磨去。(3) 钢的碳氮共渗：向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。又称氰化。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度、耐磨性和疲劳强度。温度为700880 C。时间19小时。渗层深度0.21mm低温气体碳氮共渗 (即 气体软氮化)以渗氮为主，其 主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。温度为570 C以下，时间仅 16小

24、时。5.小结：整体热处理、表面热处理和化学热处理之间关系通常，钢件硬化的同时会带来脆化。用表面硬化方法提高 表面硬度时, 仍能保持心部处于较好的 韧性状态，因此它比零件整体淬火硬化方法能更 好地解决钢件硬化与其韧性的矛盾。化学热处理使钢件 表层的化学成分与组织同时改变，因此它比高、中频电感应、火焰淬火等表面淬火硬化方法效果更好。如果渗入元素选择适 当，可获得适应零件多种性能要求的表面层。应根据零件的性能要求以及工艺的易行性与经济指标，合理地选用工艺类型。例如，渗碳与渗氮可提高零件的耐磨性；但渗碳是在高温(9001000C)下进行，在不太长的时间内(610小时)可获得可观的渗层 ，故一般要求硬

25、化层较深(0.92.5mm)的耐磨零件多采用渗碳处理，既可满足性能要求，又较经济。当零件尺寸变形要求很严时 ,采用低温(500600C)进行的渗氮处理, 可保证零件尺寸精度； 但渗氮层增厚缓慢，渗氮时间常需十几甚至几十个小 时，是一种不经济的方法。6.硬度表示方法：HB是布氏硬度，HRC是洛氏硬度，HV是维氏硬度。各在什么 场合下使用？(1) 布氏硬度一般用在退火状态的材料 上，因为比较软，打洛氏硬度太低，不 准而且硬度区间区分不开；（2）洛氏硬度一般用在钢材热处理后，也就是淬火或淬火+回火后，这时布氏硬 度就不适合了，用洛氏比较好；（3）维氏硬度一般用于打材料表面硬度，比如进行表面处理的材料

26、，包括渗、 镀等工艺，这时只需要知道表面硬度即可， 而洛氏和布氏硬度都是压痕太深， 直 接打到基体上了，对表面硬度基本忽略了，所以想要知道表面硬度只能采用维氏 硬度。第三节常用钢材选用一、渗碳钢1. 用途：主要用于制造齿轮、凸轮、活塞销等零件。2. 性能要求：表面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧；具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在 高的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。3. 成分特点：低碳： 含碳量一般为0.10.25%，以保证心部有足够的塑性和韧性，碳高则心部韧性下降。合金元素：主加元素为Cr、Mn Ni、B等，它们的主要作用是

27、提高钢的淬透性，从而提高心部的强度和韧性；辅加 元素为W Mo V、Ti等强碳化物形成元素，这些元素通过形成稳定的碳化 物来细化奥氏体晶粒，同时还能提高渗碳层的耐磨性。4. 热处理和组织特点：渗碳件一般的工艺路线为：下料一锻造一正火一机加工f渗碳f淬火+低温回火f磨削。渗碳温度为900950°C，渗碳后的热处理通常采用直接淬火加低温回火，但对渗碳时易过热的钢种如20、20Mn2等，渗碳后需先正火，以消除晶粒粗大的过热组织，然后再淬火和低温回火。淬火温度一般为 AC1+3050C。使用状态下的组织为：表面是高碳回火马氏体加颗粒状碳化物加少量残余奥氏体（硬度达HRC562），心部是低碳回

28、火马氏体加铁素体（淬透）或铁素体加屈氏体（未淬透）。5. 常用钢种及用途根据淬透性不同，可将渗碳钢分为三类 低淬透性渗碳钢：典型钢种如20Mn2、20Cr、20MnV等，其淬透性和心部 强度均较低，水中临界直径不超过 2035mm只适用于 制造受冲击载荷较 小的耐磨件，如小轴、小齿轮、活塞销等。 中淬透性渗碳钢：典型钢种如20CrMnTi、12CrNi3、20MnB等，其淬透性较高，油中临界直径约为 2560mm力学性能和工艺性能良好，大量用于 制造承受高速中载、抗冲击和耐磨损的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮、离合器轴等。 高淬透性渗碳钢：典型钢种如12CrNi4、20Cr2Ni4、18Cr2

29、Ni4WA等，其油 中临界直径大于100mm且具有良好的韧性，主要 用于制造大截面、高载荷 的重要耐磨件，如飞机、坦克的曲轴和齿轮等。二、调质钢1. 用途：主要用于各种重要的结构零件，特别是在交变负荷下工作的连杆，螺 栓，齿轮及轴类等。2. 性能要求：强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。淬火成马氏体，并在500C -650C回火。热处理后的金相组织是回火索氏体。回火后硬度一般为200350HB3. 成分特点：调质钢为含碳量0.300.50%的中碳结构钢和合金结构钢。一般 在调质状态下使用，也有再经高频感应加热表面淬火， 提高表面硬度，用以制造 在重载荷和冲击条件下工作的耐磨件。加入提高淬透性的元素Cr、Mn Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性 外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45 钢的性能高很多。加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入 Mo W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：M