《金属学与热处理》第五章 钢的热处理

第五章钢的热处理

5.1钢在加热时的组织转变5.2钢在冷却时的组织转变5.3钢的退火与正火5.4钢的淬火5.5钢的回火5.6钢的表面热处理与化学热处理5.7典型零件的热处理分析5.1钢在加热时的组织转变

热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却3个阶段组成。因此，热处理工艺过程可用温度一时间坐标系中的曲线图表示，这种曲线称为热处理工艺曲线。如图5-1所示，是钢的热处理工艺曲线。在热处理工艺中，加热是热处理的第一道工序，大多数情况下是要将钢加热到临界点以上，以获得奥氏体组织。奥氏体虽然是钢在高温状态时的组织，但其晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。热处理中，通常将铁碳相图中的PSK线称为A1线，将GS线称为A3线，将ES线称为Acm线。这些线上每一成分合金的临界点称为A1点、A3点、Acm点。铁碳相图中的A1,A3,Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的组织转变总有滞后现象，在加热时高于而在冷却时低于相图上的临界点。下一页返回5.1钢在加热时的组织转变为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用Ac1,Ac3,Accm表示，冷却时的各临界点分别用Ar1,Ar3,Arcm来表示，如图5-2所示。常用钢的临界点见附录3。

一、钢的奥氏体化下面以共析钢为例说明钢的奥氏体化过程。共析钢在室温时的平衡组织为珠光体，当加热到Ac1以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变。生成的奥氏体相不仅晶格类型与铁素体相和渗碳体相不同，而且含碳量也有很大的差异。由此可知，钢的奥氏体化过程必然伴随着铁原子晶格的改变和碳原子的扩散，其转变过程遵循结晶过程的基本规律，也是通过形核及晶核长大的过程来进行的，如图5-3所示。

1.奥氏体晶核的形成奥氏体晶核最容易在铁素体与渗碳体的界面处生成。如图5-3(a)所示。这是由于界面处原子排列紊乱，位错密度较高，处于不稳定状态，同时界面处的碳浓度处于中间值而接近奥氏体的成分，为奥氏体的形核提供了有利条件。上一页下一页返回5.1钢在加热时的组织转变

2.奥氏体的长大奥氏体晶核生成后逐渐长大，如图5-3(b)所示。与奥氏体相邻的铁素体中的铁原子通过扩散运动转移到奥氏体晶核上来，使奥氏体晶核长大。同时与奥氏体相邻的渗碳体通过分解不断地溶人新生成的奥氏体中，也使奥氏体逐渐长大，直至珠光体全部消失。

3.残余渗碳体的溶解由于奥氏体在化学成分和晶格类型上与铁素体差别较小，而与渗碳体差别较大，故铁素体向奥氏体的转变速度大于渗碳体向奥氏体的溶解速度，这使得珠光体中铁素体完全转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解。随着时间的延长，残余渗碳体继续向奥氏体中溶解，直至全部消失，如图5-3(c)所示。

4.奥氏体的均匀化由于珠光体中的铁素体和渗碳体是两种含碳量相差悬殊的相，所以当残余渗碳体刚刚溶解完后，奥氏体中的碳浓度仍是不均匀的。上一页下一页返回5.1钢在加热时的组织转变在原来渗碳体区域碳浓度高，在原来铁素体区域碳浓度低，需要一定的保温阶段，通过碳原子进一步的扩散，才能使奥氏体的成分趋于均匀化。因此，热处理的保温阶段，不仅是为了使工件热透，也是为了使组织转变完全及奥氏体成分均匀。亚共析钢室温组织由珠光体和铁素体组成，当加热到Ac1时，其组织中的珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，铁素体不断转变为奥氏体，直到Ac3时才全部转变为单一的奥氏体组织。过共析钢的室温组织是珠光体和二次渗碳体，当加热到Ac1时，珠光体转变为奥氏体，温度继续升高，渗碳体逐渐溶解到奥氏体中，直至Accm线时，才全部转变为单相奥氏体组织。二、奥氏体晶粒的长大当珠光体向奥氏体转变刚刚完成时，奥氏体晶粒是比较细小的。这是由于珠光体内铁素体和渗碳体的相界面很多，有利于形成数目众多的奥氏体晶核。不论原来钢的晶粒是粗还是细，通过加热的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。上一页下一页返回5.1钢在加热时的组织转变

奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的组织和性能有明显影响。若奥氏体晶粒细小，则冷却后产物组织的晶粒也细小，其力学性能也越高;若奥氏体晶粒粗大，则冷却后产物组织的晶粒也粗大，其力学性能变差，特别是冲击韧性下降较多。细晶粒组织不仅强度、塑性比粗晶粒高，而且冲击韧性也有明显提高。因此，钢在加热时，为了得到细小而均匀的奥氏体晶粒，必须严格控制加热温度和保温时间。奥氏体晶粒的大小用奥氏体晶粒度级别来表示。晶粒度是指将钢加热到一定温度，保温一定时间后所获得的奥氏体晶粒大小。根据国标规定，在金相显微镜下放大100倍，把显微镜下看到的晶粒与标准晶粒度等级图(图5-4)比较以确定其等级。标准晶粒度等级分为8级，其中1~4级为粗晶粒,5~8级为细晶粒。据粗略估算，4级晶粒度的晶粒直径约为0.091mm,8级的晶粒直径约为0.022mm。上一页下一页返回5.1钢在加热时的组织转变

三、影响奥氏体晶粒长大的因素

1.加热温度和保温时间加热温度越高，晶粒长大速度越快，奥氏体晶粒越易粗化。保温时间越长，也会引起晶粒长大，但后者的影响要比前者小。为了获得细小的奥氏体晶粒，应合理地选择加热温度和保温时间。

2.加热速度加热速度越快，转变的温度区间越宽，实际奥氏体化温度越高，形核率越大，晶粒越细小。快速加热和短时间保温是生产上细化晶粒的常用方法。例如高频感应加热表面淬火就是利用这一原理来获得细晶粒的。上一页下一页返回5.1钢在加热时的组织转变

3.钢的组织和成分钢的原始组织越细小，相界面的数量越多，越有利于奥氏体晶核的形成，并且奥氏体晶粒越细小。钢中的化学成分对晶粒大小也有影响。一般来说，钢中的含碳量越高，奥氏体晶粒的长大倾向也增加。但当奥氏体晶界上存在残余渗碳体时，有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。当钢中含有钨、钼、钒、铌、钛等合金元素时，会生成氧化物或碳化物，均有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，而锰、磷等合金元素则有促进奥氏体晶粒长大的作用。上一页返回5.2钢在冷却时的组织转变

冷却过程是钢热处理的关键，对热处理后的组织与性能起着极其重要的作用。采用不同的冷却速度或冷却方式，对同一种钢用相同的加热条件获得奥氏体组织，可使钢获得不同的组织和性能。例如45钢制造的直径为15mm的轴，经840℃加热后，在空气中冷却，其表面硬度小于209HBS;在油中冷却，其表面硬度可达45HRC左右;在水中冷却，其表面硬度则可达56HRC左右。可见，同样的材料，加热条件相同，但由于冷却条件不同，它们在性能上会产生明显差别。为了弄清产生差别的原因，就要了解奥氏体在冷却过程中的组织变化规律。在热处理工艺中，钢奥氏体化后的冷却方式有两种，如图5-5所示。一种是等温冷却，即将奥氏体化的钢迅速冷却到A1以下某一温度保温，使奥氏体在此温度发生组织转变，转变结束后，再空冷到室温;另一种是连续冷却，即奥氏体化的钢以不同冷却速度从高温连续冷却到室温，使奥氏体在连续冷却过程中发生组织转变。下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变下面以共析钢为例，说明冷却方式对钢组织和性能的影响。一、过冷奥氏体的等温转变由铁碳相图可知，奥氏体在临界点A1温度以上时是稳定的。奥氏体在临界点A1以下是不稳定的，组织要发生转变，但并不是一冷却到A1温度以下立即发生转变，而是要经过一段时间后才开始转变。这种在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。钢在冷却时的转变，实质上就是过冷奥氏体的转变。过冷奥氏体在不同温度下进行转变，将获得不同的组织。表示过冷奥氏体的转变温度、转变时间与转变产物之间的关系曲线图称为等温转变图。

1.等温转变图的建立奥氏体等温转变图是用实验方法建立的。下面以共析钢为例来说明等温转变图的建立。其步骤如下。

.制备若干个一定尺寸的共析钢试样，将其加热到Ac1以上的温度，使其组织转变成为均匀的奥氏体。上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变

.将奥氏体化的试样分别迅速地放入低于A1的不同温度(例如700℃,650℃,600℃,550℃,500℃,450℃,350℃，…)熔盐槽中，迫使奥氏体过冷，发生等温转变。

.刚出过冷奥氏体等温转变开始和终了时间，把它们记在时间一温度的坐标图上，然后分别连接各开始转变点(a点)和转变终了点(b点)，便得到如图5-6所示的曲线图，这一曲线图称为奥氏体等温转变图。不同钢种的等温转变图略有差异，图5-7为共析钢的等温转变图。由于奥氏体等温转变图的形状类似英文字母“C”，故亦称为C曲线。在共析钢的等温转变图中，A1线与Ms线之间为过冷奥氏体等温转变区间。其中，在A1线以上是奥氏体稳定区域。aa‘为过冷奥氏体等温转变的开始线，在转变开始线左方是过冷奥氏体区(这一段时间称为孕育期);bb‘为过冷奥氏体等温转变终了线，在转变终了线右方，转变已经完成，是转变产物区;在aa’线与bb’线之间是过渡区，为过冷奥氏体及其等温转变产物共存区。过冷奥氏体等温转变时都要经过一段孕育期，孕育期长短随过冷度的变化而变化。在C曲线拐弯处(约550℃)，孕育期最短，此时奥氏体最不稳定，最容易发生转变，其转变速度也最快，这里常称为等温转变图的“鼻尖”。上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变在等温转变图的下方Ms线与Mf线之间为马氏体转变区，马氏体是奥氏体连续冷却转变的一种组织，而不是等温转变的产物。Ms线为过冷奥氏体向马氏体转变开始线，约230℃;Mf线为过冷奥氏体向马氏体转变终了线，约-50℃。

2.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能过冷奥氏体在A1以下等温转变的温度不同，转变产物也不同。在Ms点以上，可发生以下两种类型的转变:(1)珠光体型转变过冷奥氏体在A1~550℃范围内等温分解为铁素体和渗碳体的片层状混合物—珠光体，如图5-8所示。由于转变的温度高，它可以通过奥氏体晶格的改组和铁、碳原子的扩散，来实现奥氏体转变为铁素体和渗碳体，这是一个扩散型相变。在珠光体转变区内，转变温度越低(过冷度越大)，形成的珠光体片层越薄。通常又根据形成的珠光体片层的间距大小，把珠光体分为3类:一是A1~650℃温度范围内等温转变所获得的粗片层状的渗碳体与铁素体构成的共析体，仍称为珠光体，用符号P表示，在光学显微镜下就能分辨出片层状的形态;二是650℃~600℃温度范围内等温转变所获得的较薄片层状珠光体，称为索氏体，用符号S表示，上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变在大于1000倍的光学显微镜下才能分辨出其片层状的形态;三是600℃~550℃温度范围内等温转变所获得的更细片层状珠光体，称为托氏体，用符号T表示，它要在2000倍以上的电子显微镜下才能分辨出其片层状的形态。

珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小，片层间距越小，则相界面越多，塑性变形抗力越大，强度和硬度越高，同时，塑性和韧性也有所改善。

(2)贝氏体型转变过冷奥氏体在550℃~Ms温度范围内，由于转变温度较低，原子的活动能力较弱，在此转变过程中铁原子不发生扩散，而只进行晶格改组，碳原子虽发生扩散，但扩散速度较慢，转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和度的铁素体和分散的渗碳体(或碳化物)的混合物，称为贝氏体，用符号B表示。贝氏体有上贝氏体和下贝氏体两种，通常把550~350℃范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，用符号B上表示。上贝氏体中渗碳体以不连续的细条状分布于平行排列的铁素体片层之间，在显微镜下呈羽毛状，如图5-9(a)所示。上贝氏体的硬度为40~45HRC，但塑性很差，基本上无实用价值。上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变在350℃~Ms范围内形成的贝氏体称为上贝氏体，用符号B上表示。下贝氏体中的碳化物呈细小颗粒状或短杆状，均匀分布在针叶状的铁素体内，在显微镜下呈黑色针状的组织，如图5-9(b)所示。下贝氏体的硬度可达45~55HRC，且强度、塑性、韧性均高于上贝氏体，具有良好的综合力学性能，是一种实用价值很高的组织，对于强度、韧性要求较高而且形状复杂的零件常需使用下贝氏体组织。共析钢过冷奥氏体等温转变产物的组织和力学性能如表5-1所示。

3.马氏体转变当钢从奥氏体区急冷到Ms以下时，奥氏体转变为马氏体。这是一种非扩散过程。在马氏体转变过程中，由于转变温度低，原子扩散能力小，只能发生γ一Fe向α一Fe的晶格改变，碳原子不发生扩散，碳原子全部保留在α一Fe晶格中，因此，固溶在奥氏体中的碳，转变后原封不动地保留在铁的晶格中，形成碳在α一Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用符号M表示。过饱和的碳使马氏体的体心立方晶格发生畸变，形成体心正方晶格，如图5-10所示。上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变二、过冷奥氏体等温转变图的应用

1.在等温转变图上估计连续冷却转变产物在实际生产中，过冷奥氏体转变大多是在连续冷却条件下进行的。由于连续冷却转变图的测定比较困难，故常用等温转变图近似地分析连续冷却转变的过程。下面以共析钢为例说明过冷奥氏体等温转变图的应用。把代表连续冷却的冷却曲线叠画在等温转变图上，根据它们同C曲线相交的位置，便可大致估计其冷却转变情况，如图5-13所示。例如，图中冷却速度v1相当于随炉冷却速度，奥氏体将在A1以下附近的温度进行转变，得到粗片的珠光体组织;v2相当于在空气中的冷却速度，可估计出它将转变为索氏体;v3相当于在油中的冷却速度，奥氏体在“鼻尖”附近分解一小部分转变为托氏体，而其余的奥氏体则冷却到Ms~Mf范围内转变为马氏体，最后得到托氏体和马氏体组织;v4相当于在水中冷却速度，它不与C曲线相交，奥氏体将全部过冷到Ms以下向马氏体转变。上一页下一页返回5.2钢在冷却时的组织转变

2.确定马氏体临界冷却速度为了使奥氏体过冷至Ms之前不发生任何转变，冷却后得到马氏体组织，就必须使其冷却速度大于v临(图5-13)。显然，应恰好与C曲线“鼻尖”相切。表示钢中奥氏体在连续冷却时不发生分解而全部转变为马氏体的最小冷却速度，称为马氏体临界冷却速度。上一页返回5.3钢的退火与正火

在机械零件或工具、模具等工件的制造过程中，一般要经过各种冷、热加工等工序，而且在各工序之间往往要穿插各种热处理工序。在实际生产中常把热处理分为预备热处理和最终热处理两类。为了消除前道工序造成的某些缺陷，或为随后的切削加工及最终热处理作准备的热处理，称为预备热处理;为了使工件满足使用条件下的性能要求而进行的热处理，称为最终热处理。退火与正火工艺常用作预备热处理。

一、退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。退火的主要目的有:·降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工;下一页返回5.3钢的退火与正火

.细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后的热处理作准备;.消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。根据钢的化学成分和退火目的不同，常用的退火方法可分为完全退火、球化退火、去应力退火、等温退火、均匀化退火等。

1.完全退火完全退火是将钢加热到完全奥氏体化(Ac3以上30℃~50℃)，随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的退火工艺方法。在完全退火加热过程中，钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中，奥氏体转变为细小而均匀的平衡组织(铁素体+珠光体)，从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢等亚共析成分的锻件、铸件、热轧型材及焊接件等。过共析钢不宜采用完全退火，因为过共析钢完全退火需加热到Accm以上，在缓慢冷却时，钢中将析出网状渗碳体，使钢的力学性能变坏。上一页下一页返回5.3钢的退火与正火

2.球化退火球化退火是将钢加热到Ac1以上20℃~30℃，保温一定时间，以不大于50℃/h的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。

球化退火后的组织为铁素体基体上弥散分布球状(粒状)渗碳体的组织，称为球状珠光体。如图5-14所示。球状珠光体同片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时工件的变形和开裂倾向小。球化退火适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢在锻造加工后进行球化退火，一方面有利于切削加工;另一方面也为最后的淬火处理作好组织准备。

3.去应力退火

去应力退火是将钢加热到略低于A1的温度(一般取500℃~650℃)，保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。上一页下一页返回5.3钢的退火与正火去应力退火的目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力，稳定工件尺寸并防止其变形与开裂。

4.等温退火等温退火是指将钢加热到Ac3以上30℃~50℃(亚共析钢)或Ac1以上20℃~30℃(共析钢和过共析钢)，保温一定时间后以较快速度冷却到珠光体温度区间内的某一温度，经等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后出炉空冷的退火工艺。等温退火的目的与完全退火或球化退火相同。但等温退火后组织粗细均匀，性能一致，生产周期短，生产率高。主要用于高碳钢、高合金钢及合金工具钢等。

5.均匀化退火均匀化退火是指将钢的铸锭或铸件加热到Ac3以上150℃~200℃，保持10~15h后随炉冷却的退火工艺。均匀化退火的目的是消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分和组织均匀化。由于加热温度高、保持时间长，奥氏体晶粒严重粗化，因此，均匀退火后还需进行一次完全退火或正火。上一页下一页返回5.3钢的退火与正火二、正火将钢加热到Ac3或Accm以上30℃~50℃，保温适当的时间，在空气中冷却的工艺方法，称为正火。正火与退火的主要区别在于正火的冷却速度较快，过冷度较大，所以正火后所获得的组织比较细小，组织中珠光体的数量较多，因而强度、硬度比退火后的高。正火主要用于以下几个方面。

.改善低破钢和低破合金钢的切削加工性。一般认为硬度在160~230HBS范围内的塑性材料，其切削加工性最好。硬度过高时难以加工，而且刀具容易磨损。硬度过低，切削时容易“私刀”，使刀具发热而磨损，而且工件的表面质量较低。低破钢和低破合金钢退火后的硬度在160HBS以下，切削加工性不良，而正火能适当提高其硬度，改善切削加工性。

.消除过共析钢中的网状渗碳体。正火加热时可使网状二次渗碳体溶入奥氏体中，在空气中冷却时，由于过冷度较大，二次渗破体来不及析出，因而可消除网状二次渗破体，改善钢的力学性能，并为球化退火作组织准备。上一页下一页返回5.3钢的退火与正火

.作为重要零件的预备热处理。正火可以消除由于热加工造成的组织缺陷，细化晶粒，改善切削加工性能，减小工件在淬火时的变形与开裂倾向，所以正火常作为重要工件的预备热处理。

.作为普通零件的最终热处理。正火可细化晶粒，其组织力学性能较高，所以当力学性能要求不太高时，正火可作为普通结构零件的最终热处理。正火比退火生产周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。但在零件形状较复杂时，由于正火的冷却速度较快，有开裂的危险，则采用退火为宜。各种退火与正火工艺的加热温度与热处理工艺曲线如图5-15所示。上一页返回5.4钢的淬火

淬火是指将钢加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和(或)下贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是为了得到马氏体(或下贝氏体)组织，提高钢的强度、硬度及耐磨性，再经适当回火后使工件获得良好使用性能，更好地发挥钢材的潜力。因此，重要的结构零件及各种工具等都要进行淬火处理。

一、淬火工艺

1.淬火加热温度的选择不同的钢，其淬火加热温度也不同。碳钢的淬火加热温度可由Fe~Fe3C相图来确定，如图5-16所示。亚共析碳钢的淬火加热温度一般为Ac1点以上30℃~50℃，在此温度范围内，可获得全部细小的奥氏体晶粒，淬火后得到细小均匀的马氏体组织。若加热温度过高，则会引起奥氏体晶粒粗大，淬火后钢的性能变差，而且还容易引起钢的氧化与脱碳现象;若加热温度过低，淬火组织中将出现铁素体，使淬火后钢的硬度及耐磨性下降。下一页返回5.4钢的淬火

共析碳钢和过共析碳钢的淬火加热温度一般为Ac1点以上30℃~50℃，此时的组织为奥氏体和粒状渗碳体，淬火后获得细小马氏体和粒状渗碳体组织，能保证达到高硬度和高耐磨性的要求。若淬火加热温度超过Accm点，将导致渗碳体消失，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大片状马氏体，残留奥氏体量增多，硬度及耐磨性下降，脆性增加，而且钢的氧化与脱碳现象严重;若淬火加热温度过低，可能得到非马氏体组织，达不到淬火的要求。在实际生产中，应综合考虑各种因素，结合具体条件通过试验来确定合适的淬火加热温度。

2.加热时间的选择通常工件淬火加热时，其升温与保温所需时间的总和称为加热时间。工件淬火的加热时间与钢的化学成分、原始组织、工件的形状及尺寸、加热介质、加热温度等许多因素有关。生产中常根据工件的有效厚度由经验公式来确定，即:τ=αD上一页下一页返回5.4钢的淬火式中τ—加热时间，min;α—加热系数，min/mm;D—工件的有效厚度，mm。工件有效厚度是指工件加热时，在最快传热方向上的截面厚度。加热系数是指工件的单位有效厚度所需的加热时间，其值与钢的化学成分、工件形状、工件尺寸及加热介质等因素有关。有效厚度的取值方法和加热系数可查有关热处理手册。

3.淬火介质为保证奥氏体向马氏体转变以获得全部马氏体组织，淬火冷却速度应大于临界冷却速度，但冷却速度过大会导致淬火内应力增大，容易引起工件的变形与开裂。因此，理想的淬火冷却速度如图5-17所示。

目前，生产中常用的淬火介质主要有水、油、盐浴、盐或碱的水溶液等。其中水的冷却能力较强，但淬火时易使工件发生变形或开裂，因此它适合作为形状简单或奥氏体稳定性较小的碳钢工件的淬火介质;油的冷却能力较弱，有利于减少工件的变形或开裂倾向，适合作为奥氏体稳定性较高的合金钢的淬火介质。上一页下一页返回5.4钢的淬火

4.淬火方法根据工件的化学成分、形状、尺寸和技术要求等，结合各种淬火介质的特性，应选择简便而经济的淬火方法。生产中常用的淬火方法如图5-18所示。

(1)单液淬火将已奥氏体化的工件在单一淬火介质中连续冷却的淬火方法，称为单液淬火，如图5-18冷却曲线①所示。这种方法的特点是操作简便，易实现机械化和自动化，但由于单一淬火介质的冷却性能不理想，故单液淬火仅适用于形状简单的工件。

(2)双介质淬火将已奥氏体化的工件先浸入一种冷却能力较强的淬火介质中冷却，当温度降到稍高于Ms点温度时，立即将工件转入另一种冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使其发生马氏体转变的淬火方法，称为双介质淬火，如图5-18冷却曲线②所示。这种方法的特点是能够将两种冷却能力不同的淬火介质的长处结合起来，克服了单介质淬火的缺点，既保证了获得马氏体组织，又减小了淬火内应力，有效地防止了工件的变形或开裂。双介质淬火法可适用于形状较复杂及尺寸较大的工件。上一页下一页返回5.4钢的淬火

(3)马氏体分级淬火将已奥氏体化的工件浸人温度在M。点附近的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件内外温差消除后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5-18冷却曲线③所示。马氏体分级淬火可有效地减小淬火内应力，防止工件变形或开裂，适用于尺寸较小且形状复杂的工件。

(4)贝氏体等温淬火将已奥氏体化的工件快速冷却到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火方法，称为贝氏体等温淬火，如图5-18冷却曲线④所示。贝氏体等温淬火后工件的淬火内应力和变形小，具有较高的塑性、韧性和耐磨性，适用于截面尺寸小、形状复杂、尺寸精度及综合力学性能要求较高的工件。

5.冷处理冷处理是指工件淬火冷却到室温后，继续在低于室温的介质中冷却的工艺方法。其目的是减少或消除残留奥氏体，稳定工件尺寸，提高硬度及耐磨性。上一页下一页返回5.4钢的淬火

二、钢的淬透性与淬硬性淬透性是评定钢淬火质量的一个重要指标，它对于钢材的选用及热处理工艺的制定具有重要意义。淬透性是指在规定条件下决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即钢在淬火时获得马氏体组织的能力，获得马氏体组织能力强的。淬透性好坏，主要取决于钢的临界冷却速度。因此，凡是能增加过冷奥氏体稳定性的因素，或凡是使钢的等温转变图位置右移，减小临界冷却速度的因素，都是提高淬透性的因素。淬透性一般用淬火时所能得到的淬透层深度(或淬硬层深度)来表示。淬火时，工件截面上各处的冷却速度是不同的，表面的冷却速度最大，越到中心冷却速度越小。如果工件表面及中心的冷却速度都大于钢的临界冷却速度，则淬火后沿工件的整个截面均能获得马氏体组织，即钢被淬透了;如果中心的冷却速度小于钢的临界冷却速度，则只有工件的表层获得马氏体组织，而心部得到非马氏体组织，即钢未被淬透，如图5-19所示。其中工件表层马氏体区的深度即为淬透层深度(或淬硬层深度)。上一页下一页返回5.4钢的淬火

淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化时所能达到最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于马氏体中的含碳量，马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越好，淬火后钢的硬度值越高。淬透性与淬硬性是两个完全不同的概念，淬透性好的钢，淬硬性不一定高。

三、淬火缺陷

1.氧化与脱碳氧化是指工件在加热时，加热介质中的氧、二氧化碳和水等与工件表层的铁原子发生反应形成氧化物的过程。其结果是在工件表面形成一层松脆的氧化铁皮，造成材料损耗，降低工件的承载能力和表面质量。脱碳是指加热时，气体介质与工件表层的碳原子相互作用，造成工件表层含碳量降低的现象。其结果是使工件表层的性能下降，表面质量降低。为了防止氧化和脱碳，对于重要零件，通常可在盐浴炉内进行加热，要求更高时，可在工件表面涂覆保护剂或在保护气氛及真空中加热。上一页下一页返回5.4钢的淬火

2.过热与过烧工件在热处理加热时，由于加热温度偏高而使奥氏体晶粒粗化，造成力学性能显著下降的现象称为过热。工件过热后所形成的粗大奥氏体晶粒可通过退火或正火来消除。由于加热温度过高，造成奥氏体晶界氧化和部分熔化的现象称为过烧。过烧后的工件的无法补救，只能报废。为了防止工件的过热与过烧，必须合理制定加热规范，严格控制加热温度和加热时间。

3.变形与开裂变形是指工件在淬火后出现形状或尺寸改变的现象。开裂是指工件在淬火时出现裂纹的现象。变形与开裂是由于工件在淬火时其内部产生较大淬火内应力造成的。淬火内应力包括热应力和相变应力。热应力是指工件在加热或冷却时，由于不同部位存在温度差异而导致热胀或冷缩不均匀所产生的应力;相变应力是指在热处理过程中，因工件不同部位组织转变不同步而产生的应力。当淬火内应力大于钢的屈服点时，工件就会产生变形;淬火内应力超过钢的抗拉强度时，工件就会产生开裂。上一页下一页返回5.4钢的淬火

为了减少工件在淬火时的变形，防止开裂，应制定合理的淬火工艺规范，采用适当的淬火方法，并且在淬火后及时进行回火处理。

4.硬度不足

工件在淬火后硬度未达到技术要求，称为硬度不足。产生的原因有加热温度偏低，保温时间过短、淬火介质的冷却能力不够、工件表面氧化或脱碳等。工件淬火后，表面存在硬度偏低的局部区域，则称为软点。一般情况下，可在退火或正火后，重新进行正确的淬火予以消除。上一页返回5.5钢的回火

回火是指工件淬火后，再加热到Ac1点以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火是紧接淬火的一道热处理工序，其目的是获得工件所需组织，以改善性能;消除残留奥氏体，稳定工件尺寸;消除淬火内应力，防止工件变形与开裂。一、淬火钢在回火时组织和性能的变化淬火钢中的马氏体和残留奥氏体都是不稳定组织，它们在回火过程中都会向稳定的铁素体和渗碳体两相组织转变，其回火过程一般可分为以下4个阶段。

1.马氏体分解淬火钢在100℃以下回火时，其组织和性能基本保持不变。当回火温度超过100℃以后，马氏体开始分解，马氏体中过饱和碳原子以一种极细小的碳化物形式析出，使马氏体中碳的质量分数降低，过饱和程度下降，晶格畸变程度降低。下一页返回5.5钢的回火但由于这一阶段温度较低，马氏体中仅析出了一部分过饱和碳原子，所以它仍是碳在α一Fe中的过饱和固溶体。所析出的细小碳化物均匀地分布在马氏体基体上。这种过饱和α固溶体和细小碳化物所组成的混合组织称为回火马氏体，如图5-20所示。由于回火马氏体中的碳化物极为细小，呈弥散分布，且α固溶体仍是过饱和状态，所以在回火第一阶段淬火钢的硬度并不降低。但由于碳化物的析出，使晶格畸变程度降低，淬火内应力有所减小。

2.残留奥氏体的转变当回火温度在200℃~300℃范围内时，残留奥氏体发生转变。残余奥氏体的转变与过冷奥氏体等温转变时的性质相同，所以在这一温度区间残留奥氏体转变为下贝氏体。由于回火第一阶段马氏体的分解尚未结束，所以在回火第二阶段，残留奥氏体转变为下贝氏体的同时，马氏体继续分解。虽然马氏体的继续分解会使淬火钢的硬度下降，但由于残余奥氏体转变为下贝氏体，提高了硬度，淬火钢的整体硬度并没有明显的降低，淬火内应力却进一步减小。上一页下一页返回5.5钢的回火

3.碳化物的转变回火温度在250℃~400℃范围内时，由于原子的活动能力增强，碳原子继续从过饱和的a固溶体中析出，同时，所析出的细小碳化物也逐渐转变为细小颗粒状渗碳体。经第三阶段回火后，钢的组织是由铁素体和细小颗粒状渗碳体组成的，称为回火托氏体，如图5-21所示。此时淬火钢的硬度降低，淬火内应力基本消除。

4.渗碳体的聚集长大与铁素体再结晶当回火温度在400℃以上时，渗碳体颗粒将聚集长大。渗碳体颗粒的聚集长大是通过小颗粒渗碳体不断溶人铁素体中，而铁素体中的碳原子借助于扩散不断地向大颗粒渗碳体上沉积来实现的。回火温度越高，渗碳体颗粒越粗大，钢的强度、硬度越低。回火第三阶段结束后，钢的组织虽然已是铁素体和颗粒状渗碳体，但铁素体仍然保持着原来马氏体的片状或板条状形态，当回火温度升高到500℃~600℃范围内时，铁素体逐渐发生再结晶，失去原来片状或板条状形态，而成为多边形晶粒。此时钢的组织为铁素体基体上分布颗粒状渗碳体，这种组织称为回火索氏体，如图5-22所示。上一页下一页返回5.5钢的回火

淬火钢在回火过程中，由于组织发生了变化，钢的性能也随之发生改变。一般随回火温度升高，强度、硬度降低，而塑性、韧性升高，如图5-23所示。二、回火方法及其应用回火是最终热处理步骤，回火温度是决定钢的组织和性能的主要因素。回火温度可根据工件的力学性能要求进行选择。按回火温度的不同，回火可分为以下3种。

1.低温回火低温回火的温度范围是250℃以下，所得组织为回火马氏体。目的是使工件保持淬火组织的高硬度和高耐磨性，降低淬火内应力和脆性。低温回火后的硬度一般为58~64HRC，主要用于各种切削刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承以及渗碳件等。

2.中温回火

中温回火的温度范围是350℃~500℃，所得组织为回火托氏体。目的是使工件获得高的弹性极限、屈服强度和韧性。中温回火后的硬度一般为35~50HRC，主要用于各种弹簧及模具的热处理。上一页下一页返回5.5钢的回火

3.高温回火高温回火得到的组织是回火索氏体，其具有良好的综合力学性能(足够的强度与高韧性相配合)，硬度达200~330HBS。生产中常把淬火及高温回火的复合热处理工艺称为“调质”。调质处理广泛应用于受力构件，如螺栓、连杆、齿轮、曲轴等。对于在交变载荷下工作的重要零件，要求其整个截面得到均匀的回火索氏体组织，首先必须使零件淬透，因此，随着调质零件尺寸不同，要求钢的淬透性也不同。大零件要求选用高淬透性的钢，小零件则可以选用淬透性较低的钢。调质钢与正火钢相比，不仅强度较高，而且塑性、韧性远高于后者，这是由于调质后钢的组织是回火索氏体，其渗碳体呈球粒状，而正火后的索氏体中渗碳体呈薄片状，因此，重要零件均应采用调质处理。表5-2为45钢经正火或调质后的力学性能的比较。上一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理

在机械设备中，一些在弯曲、扭转、冲击载荷、摩擦条件下工作的齿轮、凸轮、曲轴等机器零件表面要求须具有高硬度和耐磨性，而心部要有足够的塑性和韧性，仅从选材方面去考虑是很难达到此要求的。如用高碳钢，虽然硬度高，但心部韧性不足，若用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低，不耐磨，所以为满足这类零件的性能要求，就要进行表面热处理。常用的表面热处理方法有表面淬火及化学热处理两种。

一、表面淬火表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺，这是一种只改变工件表层组织与性能的局部热处理方法。根据淬火加热方法的不同，常用的表面淬火有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火两种。

1.火焰加热表面淬火下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理

应用氧一乙炔(或其他可燃气体)火焰对零件表面进行快速加热，随之快速冷却的工艺，称为火焰加热表面淬火，如图5-24所示。火焰淬火的淬硬层深度一般为2~6mm。若要获得更深的淬硬层，往往会引起零件表面严重的过热，且易产生淬火裂纹。由于火焰表面淬火方法简便，无须特殊设备，可适用于单件或小批生产的大型零件和需要局部淬火的工具和零件，如大型轴类、大模数齿轮、锤子等。但火焰表面淬火较易过热，淬火质量往往不够稳定，工作条件差，因此限制了它在机械制造业中的应用范围。

2.感应加热表面淬火利用电磁感应原理产生感应电流，使工件表面局部快速加热，然后快速冷却的淬火工艺，称为感应加热表面淬火。它的原理如图5-25所示:在一个线圈中通过一定频率的交流电时，在它周围便产生交变磁场。若把工件放人线圈中，工件中就会产生与线圈频率相同而方向相反的感应电流。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理这种感应电流在工件中的分布是不均匀的，主要集中在表面层，越靠近表面，电流密度越大;频率越高，电流集中的表面层越薄。这种现象称为“集肤效应”，它是感应电流能使工件表面层加热的基本依据。大量的电阻热，使工件表层迅速达到淬火温度(心部温度仍接近室温)，随即快速冷却，就可达到表面淬火的目的。为了得到不同的淬硬层深度，可采用不同频率的电流进行加热，电流频率与淬硬层深度的关系，如表5-3所示。

二、化学热处理化学热处理是将工件置于一定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而使工件表面具有某些特殊的机械或物理化学性能的一种热处理工艺。化学热处理与其他热处理相比，不仅改变了钢的组织，而且改变了钢表层的化学成分。化学热处理的种类很多，根据渗入元素不同，化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等多种。由于渗入元素不同，会使工件表面所具备的性能也不同。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理如渗碳和碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度;氮化、渗硼、渗铬使表面特别硬，显著提高耐磨性和耐蚀性;渗硫可提高减摩性;渗硅可提高耐酸性;渗铝可提高耐热和抗氧化性，等等。不论哪一种方法，都是通过以下3个基本过程来完成的。

.分解:介质在一定的温度下，发生化学分解，产生渗入元素的活性原子。

.吸收:活性原子被工件表面吸收。例如活性原子溶入铁的晶格中形成固溶体或与铁化合形成金属化合物等。

.扩散:渗入的活性原子，由表面向中心扩散，形成一定厚度的扩散层(渗层)。常用的化学热处理方法有以下几种。

1.钢的渗碳将工件置于渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺称为渗碳，其目的是提高工件表层的含碳量。渗碳后，经淬火及低温回火，使零件表面获得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度及较高的塑性和韧性。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理

为了达到上述要求，渗碳零件必须用低碳钢或低碳合金钢来制造。按照采用的渗碳剂不同，渗碳法可分为气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳3种，常用的是前面两种，尤其是气体渗碳。气体渗碳法生产率高，劳动条件较好，渗碳质量容易控制，并易于实现机械化、自动化，故在当前工业中得到极广泛的应用。气体渗碳是将工件置于气体渗碳剂中进行渗碳的工艺。图5-26所示为气体渗碳示意图:工件置于密封的加热炉中，加热到900℃~950℃，滴入煤油、丙酮、甲醇等渗碳剂。这些渗碳剂在高温下分解，产生活性原子，其反应式如下:2C0→[C]+CO2CH4→2H2+[C]

活性碳原子溶入钢表面奥氏体中，并向内部扩散，最后形成一定深度的渗碳层。渗碳时最主要的工艺参数是渗碳温度和保温时间。加热温度越高，渗碳速度就越大，且扩散层的厚度也越大。但温度过高会引起钢件中晶粒长大，使钢变脆，故加热温度应选择适当，一般在900~950℃范围。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理保温时间主要取决于所需要的扩散层的厚度，不过当保温时间越长时，厚度增长速度会逐渐减慢。一般可按每小时渗人0.2~0.25mm/h的速度估算。零件渗碳后，其表面含碳量可达0.85%~1.05%，并从表面到心部逐渐减小，心部仍保持原来低碳钢的含碳量。在缓慢冷却条件下，渗碳层的组织由表面向中心依次为:过共析区、共析区、亚共析区(过渡层)，中心仍为原来组织。图5-27为低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层组织。

渗碳只改变工件表面化学成分。要使渗碳件表层具有高的硬度、高的耐磨性和心部良好韧性，渗碳后还必须进行热处理，常用的是淬火后低温回火。渗碳零件经淬火及低温回火后，表层显微组织为细针回火马氏体和均匀分布的细粒渗碳体，硬度高达58~64HRC;心部是低碳钢，其显微组织仍为铁素体和珠光体(某些低碳合金钢，其心部组织为低碳回火马氏体及铁素体)，具有较高的韧性和适当的强度。

2.钢的渗氮在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺称为渗氮，其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理目前工业中应用最广泛的是气体渗氮。工件在气体介质中进行渗氮称为气体渗氮。渗氮时将工件放入密闭的炉内，加热到500℃~600℃后通入氨气(NH3)，氨气分解出活性氮原子:2NH3→2[N]+3H2

活性氮原子与钢表面的合金元素Al,Cr,Mo形成氮化物，并向心部扩散形成一定深度的渗氮层。渗氮层深度一般为0.1~0.6mm。渗氮与渗碳相比，有如下特点。

.渗氮层具有很高的硬度和耐磨性，疲劳强度高，并具有一定热硬性，工件渗氮后不用淬火表面就可得到高硬度。如38CrMoAl钢渗氮层硬度高达69~72HRC，而且在600℃~650℃时仍可保持;.渗氮温度低(一般约570℃)，工件变形小;.渗氮零件具有很好的耐蚀性，可防止水、蒸汽、碱性溶液的腐蚀。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理

渗氮虽然具有上述优点，但因其生产周期长，成本高，渗氮层薄而脆，不宜承受集中的重载荷，使渗氮的应用受到一定限制。在生产中渗氮主要用来处理重要和复杂的精密零件，如精密丝杠、铿杆、排气阀、精密机床的主轴等。渗氮用钢是含有Al,Cr,Mo等合金元素的钢，通常用的是38CrMoAl，其次是35CrMo,18CrNiW等。

3.碳氮共渗在一定温度下，将碳、氮同时渗人工件表层奥氏体中(以渗碳为主)的化学热处理工艺，称为碳氮共渗。常用的方法为气体碳氮共渗。

气体碳氮共渗的温度为820℃~870℃，共渗层表面含碳量0.7%~1.0%，含氮量0.15%~0.5%。热处理后，表层组织为含碳、氮的马氏体及均匀分布的细小碳氮化合物。上一页下一页返回5.6钢的表面热处理与化学热处理

碳氮共渗同渗碳相比，具有很多优点。它不仅加热温度低，零件变形小，生产周期短，而且渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。目前工厂里常用碳氮共渗来处理汽车和机床上的齿轮、蜗杆和轴类等零件。以渗氮为主的碳氮共渗，也称为“软氮化”。其常用的共渗介质是尿素[(NH2)2CO]，加热温度一般不超过570℃，处理时间仅为1~3h。与一般渗氮相比，渗层硬度较低，脆性较小。软氮化常用于处理模具、量具、高速钢刀具等。上一页返回5.7典型零件的热处理分析

热处理是机械制造过程中的重要工序，正确理解热处理的技术条件，合理安排热处理工艺在整个加工过程中的位置，对于改善钢的切削加工性能、保证零件的质量、满足使用要求，具有重要的意义。

一、热处理的技术条件工件在热处理后组织应当达到的力学性能、精度和工艺性能等要求，统称为热处理技术条件。热处理的技术条件是根据零件工作特性提出的。一般零件均以硬度作为热处理技术条件;对渗碳零件应标注渗碳层深度，对某些性能要求较高的零件还须标注力学性能指标或金相组织要求。热处理技术条件的标注，可用文字在零件图样上扼要说明，也可用附录4所规定的热处理工艺代号来表示。下一页返回5.7典型零件的热处理分析二、热处理的工序位置零件的加工是沿一定的工艺路线进行的，合理安排热处理的工序位置，对于保证零件质量，改善切削加工性能具有重要意义。根据热处理的目的和工序位置的不同，热处理可分为预备热处理和最终热处理两大类，两者工序位置安排的一般规律如下。

1.预备热处理预备热处理包括退火、正火、调质等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生产之后、切削加工之前，以消除毛坯的内应力、均匀组织、改善切削加工性，并为以后的热处理作组织准备。对于精密零件，为了消除切削加工的残余应力，在半精加工以后还安排去应力退火。调质工序一般安排在粗加工之后、精加工或半精加工之前，目的是获得良好的综合力学性能，为以后的热处理作组织准备。调质一般不安排在粗加工之前，以免表面调质层在粗加工时大部分被切削，失去调质处理的作用。这对于淬透性差的碳钢零件尤为重要。上一页下一页返回5.7典型零件的热处理分析

2.最终热处理最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。零件经这类热处理后，获得所需的使用性能。因其硬度较高，除磨削外，不宜进行其他形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，在毛坯时进行退火、正火或调质即可满足要求，这时退火、正火和调质也可作为最终热处