热处理优秀课件

热处理讲义§7-1钢的退火与正火一、钢的退火

将钢加热到临界点Ac1以上或以下的一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为退火。

退火可以达到以下目的：

(1)消除钢锭的成分偏析，使成分均匀化；

(2)消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；

(3)降低硬度，提高塑性，以便于切削加工；

(4)改善高碳钢中碳化物的形态和分布，为淬火作好组织准备。图7-2退火与正火的加热温度范围示意图图7-3普通退火(Ⅰ)与等温退火(Ⅱ)示意图

普通退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上奥氏体化后连续冷却至室温。

等温退火是将钢件加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上奥氏体化后，迅速移入另一温度低于Ar1的炉中等温停留，待转变完成后，出炉空冷至室温。1.完全退火

将亚共析钢加热至Ac3以上20~30℃，保温足够时间奥氏体化后，随炉缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织，这种热处理工艺称为完全退火。

完全退火的目的为：

(1)消除铸、锻件中存在的魏氏组织或带状组织，细化晶粒和均匀组织；

(2)消除铸、锻件中存在的内应力，降低硬度，便于切削加工。

完全退火只适用于亚共析钢，不适用于过共析钢。图7-4热锻轧钢材完全退火工艺曲线2.不完全退火

将亚共析钢在Ac1~Ac3之间或过共析钢在Ac1~Accm之间两相区加热，保温足够时间后缓慢冷却的热处理工艺，称为不完全退火。

不完全退火的目的是：改善珠光体组织，消除内应力，降低硬度以便切削加工。

亚共析钢不完全退火的温度一般为740~780℃，其优点是加热温度低，操作条件好，节省燃料和时间。3.球化退火

球化退火是一种将钢中渗碳体或碳化物由片状变为粒状，均匀分布在铁素体基体上的热处理工艺。主要用于过共析钢，是一种不完全退火。

球化退火的目的是：消除钢中的片状珠光体，代之以粒状珠光体。

经球化退火后的组织有以下优点：由片状珠光体变为粒状珠光体，可降低钢的硬度，改善其切削加工性能；粒状珠光体加热时奥氏体晶粒不易长大，允许有较宽的淬火温度范围，淬火时变形开裂倾向小，即淬火工艺性能好；能获得最佳的淬火组织，即马氏体片细小，残余奥氏体量少，并保留有一定量均匀分布的粒状碳化物。球化退火的加热温度范围一般为：Ac1+20~30℃图7-5GCr15轴承钢球化退火工艺曲线4.扩散退火

扩散退火是通过高温长时间加热，使合金元素扩散均匀，以消除或减弱枝晶偏析的热处理工艺。主要用于合金钢锭或铸件。

扩散退火温度通常为1100~1200℃，保温时间为10~15小时。5.软化退火

软化退火是消除钢锭或合金结构钢锻轧钢材内应力，降低其硬度的热处理工艺。

软化退火温度通常为650~720℃，保温后出炉空冷。6.再结晶退火

再结晶退火是将冷加工后的钢材加热至T再~Ac1之间，通常为650~700℃，使变形晶粒恢复成等轴状晶粒，从而消除加工硬化的热处理工艺。7.去氢退火图7-6防止白点的热处理工艺曲线(a)碳钢及低合金钢；(b)中合金钢二、钢的正火

正火是将钢加热到Ac3或Accm以上约30~50℃，或者更高温度，保温足够时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。

根据钢中过冷奥氏体的稳定性和钢的截面大小，正火后可获得不同的组织，如粗细不同的珠光体、贝氏体、马氏体或它们的混合组织。

正火的目的为：

(1)对于大锻件、截面较大的钢材、铸件，用正火来细化晶粒，均匀组织(如消除魏氏组织或带状组织)，为淬火处理作好组织准备，此时正火相当于退火的效果。

(2)低碳钢退火后硬度太低，切削加工中易粘刀，光洁度较差。改用正火，可提高硬度，改善切削加工性。

(3)可以作为某些中碳钢或中碳低合金钢工件的最终热处理，以代替调质处理，具有一定的综合力学性能。

(4)用于过共析纲，可消除网状二次碳化物，为球化退火作好组织上的准备。§7-2钢的淬火与回火一、钢的淬火

将钢加热到临界点Ac1或Ac3以上的一定温度，保温一定时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，这种热处理工艺称为淬火。

淬火的主要目的是：把奥氏体化工件淬成马氏体，以便在适当温度回火后，获得所需要的力学性能。1.淬火工艺参数的选择(1)加热温度图7-7碳钢的淬火加热温度范围亚共析钢的淬火加热温度为：Ac3+30~50℃过共析钢的淬火加热温度为：Ac1+30~50℃(2)保温时间

保温时间是指工件装炉后，炉温回升到淬火加热温度后所需保持的时间。

保温的目的是：①使工件透热，即工件整个截面都达到规定的淬火加热温度；②完成加热时的转变过程，获得所需成分的细晶粒奥氏体。(3)冷却介质及冷却方法图7-8钢的理想淬火冷却曲线淬火介质冷却速度(℃/s)在650~550℃区间在300~200℃区间水(18℃)水(26℃)水(50℃)水(74℃)10%苛性钠水溶液(18℃)10%氯性钠水溶液(18℃)矿质机油油水乳状液60050010030120011001007027027027020030030020200表7-1常用淬火介质的冷却速度

常用的淬火冷却方法有以下几种：

①单液淬火

将奥氏体化后的高温工件迅速投入到一种淬火冷却介质中，连续冷却到室温，这种淬火冷却方式称为单液淬火。

②双液淬火

将奥氏体化后的高温工件迅速投入水中急冷，防止工件发生珠光体和贝氏体转变，待工件表面温度接近Ms点时，立即从水中取出，投入油中冷却，在油冷过程中发生马氏体转变，这种淬火冷却方式称为双液淬火。图7-9各种淬火方法的冷却曲线示意图(a)单液淬火(b)双液淬火(c)分级淬火(d)等温淬火

③分级淬火

将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴或碱浴中，等温停留一段时间(以不发生贝氏体转变为准)，使工件内外温度均匀，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为分级淬火。

④等温淬火

将奥氏体化后的高温工件迅速投入温度略高于Ms点的盐浴中，停留足够时间，使过冷奥氏体等温转变为下贝氏体，然后取出空冷，这种淬火冷却方式称为等温淬火。2.钢的淬透性

淬透性是指奥氏体化后的钢接受淬火的能力。其大小通常用一定条件下淬火后钢的淬透层深度来表示，它主要取决于钢的临界冷却速度的大小。(1)工件截面上冷却速度的分布与淬透情况(2)淬透性的测定方法①断口评级法

按GB227-63规定，试样尺寸为20×20×100mm，中间开一个V型缺口；或Φ22×100mm，中间开环形缺口，缺口深均为3~5mm。试样分别加热至(a)(b)图7-10工件截面的冷却速度(a)与未淬透区(b)示意图

淬透层深度为：表面至半马氏体区(即由50%马氏体和50%非马氏体组成)的距离。图7-11淬硬-未淬硬区过渡部分的马氏体量与硬度变化760℃、800℃、840℃淬火，从缺口处打断试样，观察断口形貌，对照相应的评级标准图来评定淬透性等级。标准中规定了0~5六个级别，0级淬透性最小，5级淬透性最大。

此方法适用于碳素工具钢和低合金工具钢。②顶端淬火法

按GB225-63规定，试样尺寸为Φ25×100mm，喷水管内径为12.5mm，喷水口与试样顶端的距离为12.5mm，喷水柱自由高度为65mm。

此方法适用于碳素结构钢和合金结构钢。(a)(b)图7-12顶端淬火法示意图(a)淬火装置；(b)淬透性曲线

钢的淬透性应表示为J，d为至水冷端距离；HRC为该处的硬度值。图7-13由淬透性曲线换算为截面上硬度分布的关系曲线(a)淬入缓动水中；(b)淬入缓动油中

临界淬透直径是：在某种淬火介质中，圆柱形试样中心刚好为半马氏体时的最大直径。图7-14某种钢材的淬透性曲线图7-15直径为50mm的某钢材淬火后沿截面的硬度分布图二、钢的回火

回火是将淬火钢件加热到低于A1的某一温度，保温一段时间，然后以适当方式冷却至室温的热处理工艺。

回火的主要目的为：(1)获得所需组织以改善性能；(2)稳定组织与尺寸；(3)消除内应力。

按回火温度的不同，可将回火分为以下三类：

1.低温回火

在150~250℃之间进行，回火后组织为回火马氏体。

目的是在保持高强度、高硬度的前提下，降低钢的淬火内应力，减小其脆性。

主要用来处理刀具、量具、冷作模具、滚动轴承和渗碳件等。

2.中温回火

在350~500℃之间进行，回火后组织为回火屈氏体。

中温回火后具有最高的弹性极限和足够的韧性。

主要用来处理各种弹簧，也可用于处理要求高强度的工件，如刀杆、轴套等。

3.高温回火

在500~650℃之间进行，回火后组织为回火索氏体。

淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。

调质处理后工件既具有较高的强度，又具有良好的塑性和韧性，即具有高的综合力学性能。

调质处理广泛用于要求高强度并受冲击或交变负荷的重要工件，如连杆、轴等。§7-3钢的表面淬火

表面淬火是一种强化工件表面层的热处理工艺。一、感应加热基本原理

将工件放在通有交变电流的感应圈内，感应圈周围的交变磁场会使工件产生感应电流，这个电流在工件内自成回路，称为涡流。

工件上产生的感应电流在工件截面上的分布是不均匀的，在工件表面电流密度最大，心部几乎没有电流通过，这种现象称为集肤效应。图7-16感应加热表面淬火示意图电流透入工件表面层的深度为：δ=(冷态20℃)δ=(热态800℃)式中δ—电流透入深度(mm)；f—电流频率(Hz)。

工件表面在感应电流作用下，很快被加热到淬火温度，而后又被急速冷却，这一过程就是感应加热表面淬火处理。二、感应加热表面淬火的特点感应加热是靠工件表面层感应电流直接加热，因而加热效率高，加热速度快(可达1000℃/秒)，无保温过程。虽然感应加热表面淬火的加热温度高，但由于加热速度快，无保温过程，故能获得细晶粒奥氏体，淬火后得隐晶马氏体，工件表面硬度高(比普通淬火高2~3HRC)，氧化、脱碳少。感应加热表面淬火后，淬硬的表面层中存在很大的残余压应力，有效地提高了工件的疲劳强度。由于不是整体加热，淬火冷却时，工件的变形小。4.

感应加热表面淬火生产效率高，便于实现机械化、自动化。三、感应加热表面淬火工艺参数的选择1.感应加热的频率及功率

根据电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为以下三类：

(1)高频感应加热淬火

采用电子管式高频设备，工作频率通常为200~250kHz，可获得1~2mm厚的硬化层，一般用于处理中小模数齿轮和小轴。

(2)中频感应加热淬火

生产上采用机械式中频发电机组或可控硅变频器，可提供频率为1000、2500或8000Hz的电流，能获得3~5mm厚的硬化层，主要用于大模数齿轮、较大尺寸的轴、钢轨轨端及轨面全长淬火。

(3)工频感应加热淬火

工频感应加热是采用工业上常用的50Hz工频电流，因而只需降压变压器。能获得10~15mm厚的硬化层，主要用于深层和穿透加热，如大工件的表面淬火、锻件的穿透加热等。

感应加热时，供给工件单位表面的功率称为比功率，用P0表示。

已知比功率P0和同时加热的工件总表面积S，则加热工件所需的总功率P总=SP0

若已知感应圈的效率为η1，淬火变压器的效率为η2，则感应加热设备的输出功率P输=SP0/η1η2通常η1

=η2

≈0.75~0.85。2.淬火温度及加热方式

由于感应加热速度很快，钢的各临界点(Ac1、Ac3、Acm)有不同程度的升高，因此感应加热表面淬火的加热温度需高于普通淬火，为Ac3+80~150℃。

感应加热方式有以下两种：

(1)同时加热淬火法：将工件需淬硬的表面同时加热到淬火温度，并通过感应器的喷射孔喷射冷却剂使工件加热表面冷却的淬火方法，称为同时加热淬火法。在特殊情况下也可将工件取下放入淬火槽(水或油槽)内冷却。图7-17同时加热淬火法

当工件淬硬面积小于设备允许的最大加热面积时，可采用此法。

(2)连续加热淬火法：

工件按一定的速度相对于感应器移动，依次进行加热和冷却，喷水可以由感应器喷出，也可由附加喷水圈喷出，这种边加热边淬火的方法称为连续加热淬火法。

此法可用较小功率处理较大的淬硬面积。当工件淬硬面积大、设备功率不足时，可采用此法。图7-18连续加热淬火法(a)无附加喷水圈；(b)有附加喷水圈3.冷却方式

感应加热表面淬火的冷却方式主要有以下两种：

(1)喷射冷却：通过感应器或喷水圈内壁的小孔将淬火冷却介质喷射到工件的红热表面，使工件表面急冷。

(2)浸液冷却：将工件需淬硬的表面同时加热到淬火温度，然后立即整体浸入淬火槽或转入喷水圈中急冷。

合金钢制工件采用浸液法冷却(油冷)，其它大多数工件采用喷射法冷却。4.感应加热表面淬火后的回火

感应加热表面淬火后，必须进行低温回火，回火方式有以下三种：

(1)炉内回火：将感应加热表面淬火后的工件装入回火炉内进行回火。

(2)自行回火：淬火冷却时控制喷射或浸液的时间，使淬硬层内部的余热迅速传到工件表面，当工件表面温度回升到一定值时即可达到回火的目的。

(3)感应回火：工件在通过淬火感应器及喷水冷却后，接着通过回火感应器进行回火加热。图7-19回火温度与淬火45钢表面硬度的关系1-高频淬火；2-普通淬火钢

号要求硬度(HRC)淬火后硬度(HRC)回火温度(℃)回火时间(min)4540~45≥50≥55280~300300~32045~6045~6045~50≥50≥55200~220200~25045~6045~6050~55≥55180~200605053~6054~60160~1806042SiMn45~5050~55220~250180~22045~6060~9015、20Cr、18CrMnTi20CrMnMoV20SiMnVB56~6257~62(渗碳后)180~20060~120表7-2几种常用钢材感应加热表面淬火后炉内回火温度与硬度值图7-20感应加热表面淬火与自行回火过程中的温度变化曲线图7-21表面淬火零件的硬度与不同回火规范的关系×炉内回火；●感应回火；○自行回火§7-4钢的化学热处理

钢的化学热处理是将钢件放在一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入钢件表面，以改变钢件表面层的化学成分，从而获得预期的组织和性能的热处理过程。

与表面淬火相比，化学热处理的主要优点是：(1)表面强化效果极为显著；(2)可获得某些特殊的性能，如抗蚀性、抗高温氧化性以及极高的耐磨性。

化学热处理的种类很多，都以渗入钢中的元素命名，如渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。

化学热处理应由以下五个基本过程所组成：1.气氛的形成

为了获得一定的渗层，采用一定的渗剂，在一定的工艺条件下渗剂经过化学反应而形成一定的气氛。例如向工作炉内滴入煤油、丙酮或甲醇、丙酮等渗碳剂，在渗碳温度下，煤油、丙酮或甲醇、丙酮发生裂解，形成由CO、H2、CO2、CH4、H2O等组成的气氛。2.吸附

由于钢件表面的原子受到的引力作用不平衡，所以有吸附其它质点到其表面以降低表面自由能的趋势。吸附时，铁对分解产生活性原子有催化作用。例如，在渗碳过程中，以一氧化碳为渗剂时，铁促进它的分解：2CO→CO2+[C]。3.分解反应

当气氛中的其它分子与被吸附的分子相互碰撞或因本身的热振动达到一定能量时就会发生化学分解，析出所需要的活性原子。例如渗碳时：2CO→CO2+[C]。

总之，吸附和分解两个步骤，就是工件表面对气体分解反应起催化作用的过程。4.吸收

当分解反应析出的活性原子(仍吸附在工件表面)具有足够的能量时，就通过溶解或结合成化合物的形式进入金属表面，即被工件吸收。可用下式说明渗碳时活性碳原子的吸收过程：Fe·[C]吸附Fe·C溶3Fe·[C]吸附Fe3C5.扩散

钢的表面吸收活性原子后，渗入元素的浓度大大提高，这样就在表面与内部之间形成了浓度差。在一定的温度下，原子向着低浓度方向扩散，结果便得到一定厚度的扩散层。图7-22渗碳层的碳浓度分布一、渗碳

将低碳钢件放入增碳活性介质中，在900~950℃加热保温，使活性碳原子渗入钢的表面以达到高碳，这种热处理工艺称为渗碳。

由于渗碳工件心部要求具有较高的韧性，因此渗碳用钢是含碳量为0.15~0.25%的低碳钢或低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo等。

根据渗碳介质状态的不同，渗碳工艺有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种。其中应用最广泛的是气体渗碳。渗碳层碳浓度(%)0.80.931.151.42疲劳强度(×107N/m2)85.392.182.366.61.渗碳的技术要求(1)渗碳层含碳量表7-3渗碳层碳浓度对疲劳强度的影响(2)渗碳层深度

对于一般零件，渗碳层的含碳量控制在0.85~1.05%之间，渗碳层的深度控制在0.5~2.0mm之内。图7-2318CrMnTi钢950℃渗碳5.5小时后的耐磨性1-降温到840℃油淬，200℃回火1.5小时2-二次加热到840℃油淬，200℃回火1.5小时图7-24渗碳后截面碳浓度分布图7-25渗碳层深度对18CrMnMo钢疲劳强度的影响(3)渗碳层碳浓度梯度

渗碳层碳浓度梯度应当是平缓的，这将有助于加强渗碳层与基体金属之间的结合。(4)淬火回火后渗碳层表面硬度

淬火回火后渗碳层表面硬度取决于渗碳钢的成分和渗碳后表面的碳浓度，对于低碳钢和低合金钢，淬火回火后渗碳层表面硬度一般要求达到HRC60~63；对于中、高合金钢，由于淬火后渗碳层内存在较多的残余奥氏体，所以渗碳层表面硬度较低，一般只要求达到HRC56~60。2.渗碳工艺(1)渗碳温度

由于碳在铁素体中的溶解度极低，故渗碳处理均在单相奥氏体区进行，渗碳温度必须在Ac3以上，通常为920~950℃。(2)渗碳时间

渗碳时间主要根据所要求的渗碳层深度、渗碳温度以及钢的成分来确定。在介质的渗碳能力一定的条件下，渗碳层深度是温度和时间的函数。在渗碳温度固定的情况下，渗碳层深度与时间呈抛物线关系。图7-26铁碳相图图7-27渗碳层的表面碳浓度及碳在渗层中的分布与钢的状态图的关系(a)在T1＞Ac3温度进行渗碳；(b)钢的状态图；(c)在T2＜Ac3进行渗碳图7-2820钢渗碳温度与碳浓度的关系图7-29气体渗碳时温度和时间对渗层深度的影响图7-30渗碳时间与渗层深度的关系

在实际生产中，渗碳温度与时间应恰当配合，既要提高生产率，又要得到给定的渗层深度和表面碳浓度以及渗层碳浓度的