热处理工艺基本知识

第九章钢的热处理工艺钢的退火和正火钢的淬火和回火其它热处理9.1钢的退火与正火9.1.1退火操作及其应用退火：将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(例如随炉冷却)，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做“退火”。1．完全退火方法：将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃，保温一定时间缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰、干沙中自然冷却)到500℃以下，取出空冷。目的：先得到均匀的奥氏体，缓慢冷却转变基本接近相图描述转变过程，得到接近平衡组织，降低硬度，便于加工，消除内应力。用途：碳钢和合金钢的锻、铸、轧制型材，可作为一般要求工件的最终热处理，大多为重要零件的预先热处理。

适用对象：0.3~0.6%C。低碳或过共析钢不适用。

保温时间：t=KD(min)，D为工件有效厚度(mm)，一般K=1.5~2.0min/mm。2．等温退火完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢，可以采用等温退火工艺取代完全退火。方法：加热方法同上(将亚共析钢加热到Ac3以上30~50℃，保温一定时间)，在温度到珠光体转变开始前快速冷却(打开炉门，甚至吹风)到珠光体转变温度区保温到珠光体转变完毕后，取出空冷。目的和用途同完全退火，效率和组织控制较好。3.球化退火方法：将过共析钢加热到Ac1以上30~50℃，保温2-4h，时间，冷却到Ar1温度附近时要足够慢的冷却(保温冷却，比随炉冷却还要缓慢)。目的：最终组织为铁素体的基体上均匀分布颗粒状的渗碳体，称为球状珠光体。用途：降低过共析钢材料的硬度，保证足够的韧性，便于进行机械加工，均匀组织为以后淬火作好组织准备。4.去应力退火方法：将钢较慢(100~150℃/hr)加热到500－650℃(低于A1)，保温后随炉慢冷(50~100℃/hr)到200~300℃以下出炉。

目的：无相变发生，组织没有明显变化，可完全消除残余内应力。如果材料原始有大的弹性应变能存在，可发生再结晶，组织也会有对应的变化。

用途：

锻造冷却未全恢复塑性变形，铸件的冷却热应力，焊接构件的热应力，拉、拔、挤压的加工硬化等都会存在残余内应，利用去应力退火可以消除变形或其它原因产生的内应力。

9.1.2正火将钢加热到Ac3和Accm以上30~50℃，保温得到均匀的奥氏体后，从炉中取出自然空冷，发生珠光体型转变的热处理工艺称为“正火”。由于冷速大于退火，得到的珠光体组织较细，材料硬度和强度均比退火要高。合金钢在空气中冷却可能发生珠光体型、贝氏体型甚至马氏体型相变，但正火一般是指空冷时珠光体转变的这一部分。用途：中低碳钢用正火代替退火进行预先热处理，改善加工性能。普通结构钢(中碳钢)正火尽管未达到最佳性能，但可达到希望的强度和韧性，可以进行机械加工，作为最终热处理的成本较低。过共析钢正火时，可抑制二次渗碳体网状析出，对已经存在网状碳化物的工具钢，利用正火先溶化后抑制，用来消除网状碳化物，为下一部的球化处理作组织准备。9.2钢的淬火淬火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间进行奥氏体化，然后快速冷却到Ms点以下，发生马氏体转变的热处理工艺，叫作“淬火”。

目的：钢的淬火组织主要是马氏体，可以提高钢的高硬度，保证高的耐磨性和承受高的接触应力。虽然马氏体不是热处理所要得到的最终组织，但马氏体再经过适当的回火，可以得到需要的组织和使用性能，最终达到理想的性能。9.2.1淬火加热温度淬火加热温度的确定应以获得晶粒细小、成分均匀的奥氏体为原则，以便得到细小的马氏体组织。亚共析钢：Ac3以上30~50℃，铁素体可以全部溶解得到得到单一的奥氏体，从而消除未溶铁素体而带来的软相。也不宜过高，防止奥氏体晶粒粗大带来马氏体粗大，并且温度高带来的热变形也将严重。过共析钢：含碳量在0.8以上时，Ac1以上30~50℃。这时得到的马氏体有了足够的硬度同时保持未溶解的颗粒状碳化物也可以提高材料的硬度和耐磨性。如果加热温度过高，淬火开裂的倾向加大，淬火后残余奥氏体量增加反而降低硬度；合金钢：合金元素大多可以阻止奥氏体晶粒长大，为了合金元素的均匀，加热温度和保温时间都要比碳钢稍微提高一些。9.2.2淬淬火火冷冷却却介介质质理想想的的淬淬火火冷冷却却速速度度为保保证证得得到到多多的的马马氏氏体体，，冷冷却却速速度度应应该该大大于于临临界界冷冷却却速速度度Vc；；为为防防止止零零件件变变形形、、开开裂裂，，冷冷却却应应慢慢一一些些。。所所以以理理想想的的冷冷却却速速度度如如图图，，开开始始冷冷却却慢慢一一些些，，在在快快要要发发生生组组织织转转变变时时快快冷冷，，以以躲躲开开鼻鼻子子尖尖，，随随后后又又慢慢冷冷让让马马氏氏体体转转变变慢慢慢慢的的进进行行。。常用用淬淬火火介介质质盐水水、、碱碱水水10－－15％％的的NaCl水水溶溶液液是是最最强强的的冷冷却却介介质质。。清水水直接接冷冷却却和和沸沸腾腾的的蒸蒸汽汽冷冷却却，，冷冷却却能能力力也也很很强强。。碱浴浴、、硝硝盐盐浴浴熔融融的的氢氢氧氧化化钠钠、、硝硝酸酸盐盐、、亚亚硝硝酸酸盐盐导导热热能能力力很很强强，，在在120－－180℃℃以以上上的的高高温温下下有有好好的的冷冷却却能能力力。。矿物物油油冷却却能能力力约约为为水水的的1/4－－1/8，，用用于于奥奥氏氏体体较较稳稳定定钢钢，，如如大大多多数数合合金金钢钢，，可可以以有有效效防防止止零零件件的的变变形形开开裂裂。。9.2.3淬火火方方法法单液液淬淬火火直接接放放入入某某介介质质(水水或或油油)中中冷冷却却到到室室温温。。方方法法简简单单，，易易于于操操作作。。双液液淬淬火火(水水淬淬油油冷冷)对对复复杂杂碳碳钢钢零零件件，，先先在在水水或或盐盐水水中中快快速速冷冷却却，，躲躲开开鼻鼻子子温温度度，，估估计计温温度度低低于于500℃℃时时立立即即转转入入油油中中，，放放慢慢冷冷却却速速度度继继续续冷冷却却到到室室温温。。分级级淬淬火火淬入入150－－260℃℃硝硝盐盐浴浴中中躲躲过过了了鼻鼻尖尖，，停停留留一一段段时时间间让让表表面面和和心心部部温温度度均均匀匀，，热热应应力力松松弛弛。。取取出出空空冷冷。。等温温淬淬火火直接接淬淬入入硝硝盐盐浴浴中中保保温温，，发发生生贝贝氏氏体体转转变变。。局部部淬淬火火局部部加加热热法法或或局局部部冷冷却却法法冷处处理理冷却却到到室室温温以以下下的的过过程程称称为为““冷冷处处理理””。。9.2.4淬淬火火组组织织缺缺陷陷加热热缺缺陷陷过热热、、过过烧烧、、氧氧化化脱脱碳碳、、奥奥氏氏体体晶晶粒粒过过大大等等。。硬度度不不足足或或出出现现软软点点前者者是是整整体体硬硬度度低低于于要要求求，，后后者者是是个个别别部部位位硬硬度度低低于于要要求求。。产产生生原原因因有有加加热热不不足足，，冷冷却却介介质质的的冷冷却却能能力力不不够够，，工工件件表表面面不不干干净净，，局局部部散散热热不不良良等等。。变形形与与开开裂裂零件件淬淬火火后后发发生生变变形形是是热热应应力力和和组组织织应应力力综综合合作作用用的的结结构构，，完完全全不不变变形形是是困困难难的的，，但但超超量量的的变变形形甚甚至至开开裂裂则则是是要要防防止止的的。。减减小小变变形形的的途途径径有有：：零零件件结结构构设设计计合合理理，，结结构构对对称称，，避避免免过过大大的的尺尺寸寸突突变变；；淬淬火火前前组组织织要要均均匀匀，，必必要要时时经经过过退退火火或或正正火火；；加加热热温温度度适适当当，，不不要要过过热热；；冷冷却却介介质质和和方方法法适适当当，，包包括括入入水水的的角角度度；；及及时时回回火火，，防防止止当当时时未未裂裂在在放放置置时时开开裂裂。。9.2.5钢钢的的淬淬透透性性当试试样样尺尺寸寸较较大大时时，，从从表表面面向向内内冷冷却却速速度度逐逐渐渐减减小小，，当当冷冷却却速速度度低低于于Vc，，就就不不能能得得到到全全部部马马氏氏体体，，随随着着深深度度的的加加深深，，马马氏氏体体的的数数量量愈愈来来愈愈少少，，到到达达一一定定的的深深度度后后，，冷冷却却速速度度低低于于Vc’，，根根本本不不能能发发生生马马氏氏体体相相变变。。所所以以大大尺尺寸寸试试样样想想全全部部得得到到马马氏氏体体是是不不可可能能的的，，随随着着马马氏氏体体数数量量的的减减少少，，对对应应的的硬硬度度也也不不断断下下降降，，通常常把把淬淬火火钢钢从从表表面面到到马马氏氏体体组组织织占占50％％处处的的距距离离成成为为淬淬透透层层深深度度。实实际际淬淬透透层层的的深深度度除除了了与与材材料料本本身身有有关关外外，，还还与与试试样样的的大大小小、、冷冷却却方方式式有有密密切切的的关关系系。。淬透透层层深深度度1.淬淬透透性性的的概概念念同样样形形状状和和尺尺寸寸的的工工件件，，在在同同样样加加热热和和冷冷却却条条件件下下淬淬火火，，由由于于钢钢种种类类不不同同，，淬淬透透层层的的深深度度将将不不同同，，把把钢在淬淬火后后能获获得淬淬透层层深度度的一一种性性质或或获得得马氏氏体的的能力力叫淬淬透性性。它是是一种种材料料特性性，与与零件件的尺尺寸和和淬火火工艺艺无关关，并并不直直接表表明钢钢淬火火能得得到多多大的的淬透透层深深度，，同样样淬透透性的的钢，，用不不同冷冷却方方法得得到的的淬透透层深深度是是不一一样的的。。淬透性性淬硬性性指在正正常情情况下下，淬淬火后后能得得到多多高的的硬度度，也也就是是形成成全部部马氏氏体所所能达达到的的最高高硬度度。显显然它它决定定于淬淬火时时奥氏体体的含含碳量量。淬火火后的的实际际硬度度决定定于钢钢的淬淬硬性性和实实际获获得的的马氏氏体比比例。。钢的淬淬透性性好坏坏取决决于钢钢的过过冷奥奥氏体体的稳稳定性性，即即C曲曲线上上的临临界冷冷却速速度。。总的的来说说有：：钢的含含碳量量，共共析钢钢的淬淬透性性最高高；合金元元素中中除Co外外，绝绝大部部分都都使C曲线线右移移，提提高淬淬透性性；钢钢的成成分组组织不不均匀匀，或或因含含有某某些微微量杂杂质，，组成成第二二相质质点存存在，，可促促使奥奥氏体体分解解，降降低钢钢的淬淬透性性；奥氏体体化的的温度度、时时间参参数影影响奥奥氏体体的均均匀性性和稳稳定性性，影影响淬淬透程程度，，但这这不全全部为为材料料特征征。影响淬淬透性性的因因素2.淬淬透透性的的测定定方法法目前普普遍采采用的的是““末端端淬火火法””(简简称端端淬)方法法，按按国家家标准准GB225－－63执行行。将f25×100的试样样加热热奥氏氏体化化后，，迅速速放在在专门门的设设备中中喷水水冷却却。喷喷水条条件：：喷水水管孔孔直径径f12.5，，水温23-30℃，，自由水水柱高高度65±±5mm，，喷水水口到到端面面距离离12.5mm。测测量出出到端端面不不同距距离的的硬度度，作作出硬硬度－－距离离曲线线，即即淬透透性曲曲线。。淬透性性的表表示方方法：：JHRC-d，其其中J表示端端淬法法，HRC为硬硬度，，d到到端面面的距距离。。J40-6表表示在在淬透透性带带上距距末端端6mm处处的硬硬度为为40HRC。。显然然J40-6比比J35-6淬淬透性性好。。3.淬淬透透性的的意义义钢的淬淬透性性不同同，淬淬火后后表层层和心心部的的组织织、性性能也也有一一定的的差别别，在在机械械设计计和施施工工工艺主主要注注意以以下问问题：：重要零零件对对心部部性能能要求求较高高的，，如连连杆、、锻模模等，，为保保证心心部的的性能能需要要淬透透，选选用淬淬透性性较高高的钢钢；对对焊接接件为为减小小热影影响区区内出出现淬淬火组组织，，造成成变形形开裂裂，应应用淬淬透性性较低低的钢钢为宜宜。根据钢钢的淬淬透性性不同同，在在淬火火时选选用合合适的的淬火火冷却却介质质。对于大大尺寸寸、低低淬透透性的的钢，，反正正淬不不透，，进行行淬火火后回回火的的意义义不大大，经经常直直接用用正火火来代代替调调质，，可以以减少少因淬淬火带带来的的可能能开裂裂，工工艺简简单经经济。。9.3钢钢的的回火火9.3.1回回火火概念念消除内内应力力钢在淬淬火后后，存存在较较大的的内应应力，，加上上淬火火马氏氏体性性能较较脆时时，容容易出出现开开裂，，有的的零件件淬火火当时时未裂裂，在在大的的内应应力作作用下下，放放置或或稍有有受力力就开开裂。。利用用回火火可以以消除除或减减小内内应力力，达达到防防止以以后变变形开开裂。。将淬火后的工工件，，加热热到A1以下的的某一一温度度，保保温一一段时时间，，然后后冷却却到室室温的的一种种热处处理工工艺操操作叫叫“回回火””。目的9.3.5回回火种种类及及其应应用回火温温度为为150－250℃，得到到的组组织为为回火马马氏体体，保留留淬火火时的的高硬硬度，，消除除淬火火的残残余应应力。。这时时钢有有好的的耐磨磨性，，常用用于轴轴承、、冷作作模具具的热热处理理，回回火温温度低低于200℃时时，硬硬度可可达到到58－64HRC。低温回回火回火温温度为为350－－500℃℃，得到到的组组织是是回火屈屈氏体体，在具具有一一定韧韧性的的同时时，有有高的的弹性性极限限和屈屈服强强度。。主要要用于于弹簧簧类和和要求求较高高强度度硬度度又要要一定定韧性性的工工件，，如刀刀杆、、轴套套等。。中温回回火回火温温度为为500－－650℃℃，得得到的的组织织是回火索索氏体体，目的的是使使钢得得到强强度、、硬度度、塑塑性、、韧性性有良良好配配合的的综合合力学学性能能，尤尤其是是冲击击韧性性高，，且可可以直直接进进行机机械加加工。。淬火后后进行行高温温回火火的工工艺通通常称称为““调质”处理理。主要用用于承承受较较大应应力，，特别别是有有冲击击应力力场合合下的的结构构零件件，如如各种种轴、、连杆杆、齿齿轮等等，对对具有有第二二类回回火脆脆性的的钢注注意回回火后后应在在水或或油中中冷却却。高温回回火9.4钢钢的的表面面热处处理机械零零件在在服役役时，，常常常要求求表面面与心心部具具有不不同的的力学学性能能，能能更好好的发发挥材材料的的潜力力作用用。例例如在在机械械中常常用的的齿轮，表面面承受受巨大大的接接触应应力，，希望望有高高的硬硬度来来提高高其耐耐磨性性和接接触疲疲劳抗抗力，，同时时又要要传递递动力力，齿齿部经经受弯弯曲疲疲劳，，要求求材料料有高高的韧韧性，，但一一般材材料当当硬度度高时时韧性性就差差，然然而若若材料料表面面具有有高硬硬度，，心部部有高高的韧韧性就就可以以兼顾顾二者者的需需求，，内燃燃机的的曲轴轴也是是同样样的情情况，，传递递动力力且轴轴颈处处耐磨磨。达达到材材料表表面和和心部部具有有不同同性能能的方方法可可能多多种：：一种是是相同同的材材料，，表面面和心心部经经过不不同方方式的的热处处理；另一种种方法法是通通过改改变材材料表表面成成分的的方法法来达达到具具有不不同的的性能能。9.4.1表表面淬淬火基本原原理：：首先对对零件件进行行整体体热处处理，，让零零件心心部达达到要要求的的性能能，例例如轴轴、机机床齿齿轮类类先进进行调调质，，再利利用快快速加加热的的方法法，只只将工工件的的部分分表层层奥氏氏体化化，然然后淬淬火。。表面面淬火火不改改变材材料的的化学学成分分，只只表面面获得得马氏氏体组组织，，得到到强化化和硬硬化心心部组组织并并不发发生变变化，，保持持高的的韧性性。淬火组组织：：加热时时，从从表面面到心心部的的温度度不同同，淬淬火后后组织织也不不同，，最表表层加加热温温度到到Ac3以上上，为为细小小的马马氏体体，可可能有有少量量未溶溶的铁铁素体体；次次表层层温度度在Ac1－Ac3之间间，加加热组组织为为铁素素体加加奥氏氏体，，淬火火组织织为铁铁素体体加马马氏体体或铁铁素体体加屈屈氏体体；里里层温温度在在Ac1以下下，未未奥氏氏体化化，不不可能能形成成马氏氏体，，心部部依然然保留留原始始组织织。3.加加热热方法法感应加加热表表面淬淬火工件置置于中中频或或高频频(500-500kHz)的交交变磁磁场中中，在在工件件上有有感应应电流流，由由于电电流的的集肤肤效应应，电电流集集中于于表层层，大大的电电流产产生的的热量量将工工件表表面迅迅速达达到800－－1000℃，，然后后迅速速置于于水中中或喷喷水冷冷却，，达到到表层层淬硬硬的结结果。。由于于加热热速度度快，，温度度高，，奥氏氏体晶晶粒细细，硬硬度高高于普普通淬淬火硬硬度2－3HRC，，象45、、40Cr、40MnB经正正火或或调质质后表表面淬淬火，，表层层硬度度大于于50HRC。。感应加加热表表面淬淬火感应功功率越越大，，频率率越高高，淬淬硬层层越浅浅。如如20-500kHz获获得的的淬硬硬层＜＜2mm，，而0.5－10kHz下淬淬硬层层为2－6mm。此此外感感应圈圈的形形状和和结构构对淬淬火质质量也也有很很大的的影响响。火焰加加热表表面淬淬火用氧－－乙炔炔(或或其它它燃料料气)的高高温火火焰，，可达达近3000℃℃，快快速加加热工工件的的表面面，使使表层层迅速速达到到淬火火温度度，喷喷水冷冷却，，也能能达到到表面面淬火火的目目的。。根据据操作作者控控制，，淬硬硬层深深度可可在0.8－6mm范围围。优优点是是简单单、方方便、、价廉廉，特特别是是大型型工件件，但但质量量的控控制完完全决决定于于操作作者。。9.4.2化化学学热处处理简简介化学热热处理理是将将材料料置于于一定定的化化学介介质中中加热热、保保温，，使介介质中中一种种或几几种元元素的的原子子渗入入工件件表层层，以改变变工件件表层层化学学成分分和组组织结结构，，来获获得心心部和和表层层兼顾顾有不不同性性能要要求的的热处处理方方法。。过程：：介质分分解出出活性性原子子介质加加热分分解释释放出出待渗渗活性性原子子；界面上上的原原子交交换活性原原子被被材料料表面面吸收收和溶溶解；；材料内内原子子的扩扩散吸收渗渗入的的原子子向内内部扩扩散，，形成成一定定的扩扩散层层，以以保温温时间间来控控制扩扩散层层的深深度。。种类：：钢利用用化学学热处处理能能改变变的成成分有有C、、N、、O、、H、、B等等原子子尺寸寸较小小的元元素或或少数数活性性元素素，如如Al。在在热处处理中中无论论有意意或无无意使使钢表表层发发生成成分变变化的的有氧氧化还还原、、脱碳碳、渗碳、氮化化、渗渗硼、、渗铝铝等。。9.4.3渗渗碳碳1.目目的及及用途途：提高钢钢制工工件表表面的的含碳碳量然然后淬淬火，，达到到提高高工件件表面面硬度度、耐耐磨性性和抗抗接触触疲劳劳性，，并使使心部部具有有良好好的塑塑性和和韧性性。主主要用用于承承受强强摩擦擦、冲冲击应应力及及易发发生接接触疲疲劳损损伤的的零件件，如如汽车车齿轮轮、销销轴、、链条条、套套筒、、摩擦擦片等等。2.渗渗碳碳用钢钢低碳钢钢或低低碳合合金钢钢，淬淬火后后心部部得到到低碳碳马氏氏体，，保持持好的的塑性性和韧韧性。。3.渗渗碳方方法：：为了环环保和和便于于控制制，目目前基基本上上都采采用气气体渗渗碳法法。通通入炉炉内的的有丙丙烷、、天然然气或或滴入入甲醇醇、乙乙醇、、丙酮酮、煤煤油等等，经经过一一次高高温分分解后后，气气体的的主要要成分分有CO、、CO2、H2、H2O、CH4、N2等。按按化学学平衡衡原理理，存存在一一定量量的活活性碳碳[C]，，可以以向奥奥氏体体中溶溶解。。4.基基本本原理理分解、、吸附附、扩扩散三过程程活性原原子的的产生生2COCO2+[C]；；CH42H2+[C];CO+H2H2O+[C]对于渗渗氮：：2NH33H2+2[N];由由于活活性原原子处处于高高能状状态，，能克服钢钢件表表面铁铁原子子的结结合力力进入入其表表层晶晶格。。加入入催化化剂促促进活活性原子的的产生生，，如Na2CO3、BaCO3等分解解放出出CO2,CO2再和和碳粒粒反应应生成CO,CO在在钢表表面反反应分分解出出[C]。活性原原子的的吸附附和扩扩散钢件表表面存存在很很多位位错和和晶界界露头头，为为活性性原子子渗入入提供供了通通道。。表面面越干干净、、越新新鲜，，粗糙糙度高高，吸吸附能能力越越强。。一般般渗前前对钢钢件表表面采采用化化学方方法进进行轻轻微侵侵蚀，，促进进原子子吸附附和扩扩散。。5.控控制参数数控制气体体的成分分决定表表层的含含碳量；；渗碳温度度高，原原子的活活动能力力强，渗渗碳速度度快，同同样渗层层深度可可节省时时间，提提