教学材料《金属材料》-5

第五章钢的热处理工艺方法钢的热处理方法很多，同一种钢采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能及用途。一般可将热处理工艺分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理又称为整体热处理，主要有退火、正火、淬火、回火等工艺方法;表面热处理包括表面淬火、表面化学热处理及表面气相沉积等。返回5.1钢的普通热处理一、退火与正火退火与正火主要用于钢的预先热处理，其目的是为了消除和改善前一道工序(铸、锻、焊等)所造成的某些组织缺陷及内应力，也为随后的切削加工及热处理做好组织和性能上的准备。对一些性能要求不高的工件，正火也可作最终热处理使用。1退火将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。其工艺过程可简单记忆为:加热---保温---炉冷(缓冷)。下一页

返回5.1钢的普通热处理退火的目的:降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工;消除钢中的残余内应力，稳定工件尺寸，防止工件变形和开裂;改善组织，细化晶粒，改善钢的性能并为以后的最终热处理做准备。退火的种类主要有以下几种。各种退火、正火加热温度及工艺曲线分别如图5-1和图5-2所示。(1)完全退火。完全退火的工艺过程:把亚共析钢加热到完全奥氏体化后随炉缓慢冷却(随炉或埋人干砂、石灰中)，获得接近平衡状态组织的热处理工艺。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理完全退火加热温度不宜过高，一般在AC3以上20℃~30℃，保温时间不仅要保证工件心部达到所要求的温度，还要保证工件组织转变所需的时间。完全退火主要适用于亚共析钢(包括合金钢)的铸、锻、焊件。过共析钢不宜采用，否则产生网状碳化物，降低钢的力学性能。完全退火费时，主要原因是冷却时间过长，某些合金钢奥氏体特别稳定，需要十几个小时甚至数大才能完成转变，故生产中常用等温退火代替。(2)球化退火。球化退火是使钢中的碳化物球化，获得球状珠光体的一种热处理工艺。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理球化退火主要用于过共析成分的碳素工具钢和合金工具钢。过共析钢锻件锻后的组织一般为细片状珠光体，如果锻后冷却不当，还会存在网状渗碳体，不仅锻件难以加工，而且钢的脆性增大，淬火时容易产生变形甚至开裂。因此，锻后必须进行球化退火处理，使碳化物球化以获得球状珠光体组织。球化退火的加热温度为人，以上20℃~30℃(一般为780℃左右)，保温后的冷却方式有两种:普通球化退火是采用随炉缓冷，至500℃~600℃出炉空冷;等温球化退火则先在Ar1以下20℃等温足够时间，然后再随炉缓冷至500℃~600℃后出炉空冷。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理若钢的原始组织中存在严重渗碳体网时，应先采用正火将其消除后再进行球化退火。(3)去应力退火。去应力退火是为了去除锻件、铸件、冲压件及机加工工件中的残余应力而进行的退火。去应力退火将工件缓慢加热到500℃~600℃，保温一定时间后随炉慢冷至200℃~300℃以下空冷。去应力退火的目的是消除内应力，以防钢件的变形及开裂。由于加热温度不高，因此，去应力退火是一种无相变的热处理工艺。(4)均匀化退火。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理合金铸件在结晶过程中，往往容易形成较严重的枝晶偏析(晶内的成分和组织结构不均匀)。为了消除铸件的枝晶偏析，使其均匀化，改善其性能，需要进行均匀化退火。均匀化退火的实质是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分不均匀性。由于加热温度高、保温时间长，会引起奥氏体晶粒的严重粗大。因此，均匀化退火后，一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒，消除过热缺陷。2.正火正火是把钢件加热到完全奥氏体化，保温一定时间后出炉空冷的热处理工艺。正火可简单记忆为:加热---保温---空冷。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理

正火冷却速度较快，过冷度较大，因此，正火后所获得的组织是比较细的珠光体，即索氏体。正火与完全退火相比，两者的加热温度相同，但正火的冷却速度较快，转变温度较低。因此，亚共析钢正火后析出的铁素体较退火时少，而索氏体量较多;而过共析钢正火可抑制先共析网状渗碳体的析出。正火后，钢的强度和硬度比退火高一些，综合性能比较好正火成本较低、生产率较高。在生产中可应用于以下几种情况：(1)对力学性能要求不高的普通结构钢零件的最终热处理。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理(2)消除过共析钢中的网状Fe3CⅡ，细化晶粒，为球化退火做准备.(3)改善低碳钢及低碳合金钢的切削加工性能。正火能减少低碳钢中先析铁素体，提高珠光体的比例并细化晶粒。所以能提高低碳钢的硬度，改善其切削加工性。(4)作为中碳结构钢的较重要工件的预先热处理，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，且热处理后硬度还在160~230HBS范围内，具有良好切削加工性，并能减少工件在淬火时的变形与开裂，提高工件质量。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理正火与退火目的相近，在选择时，可根据具体情况加以考虑。

1)改善切削加工性，中低碳结构钢采用正火;中高碳结构钢采用完全退火;过共析枢及合金工具钢采用球化退火。

2)从热处理工艺性方面考虑，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)从加工成本方面考虑，正火时间短，成本低，退火成本较高。在保证质量的前提下优先选择正火。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理二、淬火与回火1.淬火淬火是最重要、应用最广的热处理工艺。它是将钢件加热到相变温度，保温一定时间，然后快速(大于淬火临界冷却速度)冷却至Ms以下，以得到马氏体组织的热处理工艺。淬火可简单记忆为:加热---保温---快冷。淬火的目的是为了得到马氏体组织(等温淬火获得下贝氏体组织是特例)。淬火是发挥材料性能潜力的重要手段之一。钢材通过淬火后可以显著提高硬度、强度及耐磨性，在经过不同方式的回火后可以满足零件的各种使用性能要求。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理(1)淬火加热温度。淬火加热温度的选择应以获得均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。大多数合金钢含有阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素，因此，与同等含碳量的碳钢相比，合金钢的淬火温度要高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果。而对含有促进奥氏体长大元素(如锰等)的合金钢，淬火加热温度则应低一些，以防止晶粒粗大。(2)淬火介质。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理淬火是操作难度较大的一种热处理工艺，为保证钢件淬火后得到马氏体组织，淬火介质必须使钢件淬火冷却速度大于马氏体临界冷却速度，即冷却曲线不能与C曲线相交。但过快的冷却速度又会产生很大的淬火应力，引起变形和开裂。因此，冷却曲线又不能过于陡峭。要解决这个矛盾，方法有两种:一是选择理想的淬火介质;二是改进淬火的冷却方法理想的淬火介质应该是:在650℃以上慢速冷却以减小热应力;在650℃~400℃之间快速冷却，避免与C曲线相交;400℃以下冷却速度再次放慢，以减小淬火应力，防止变形和开裂。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理常用的淬火介质有:水、水溶液、矿物油等。从冷却速度来看:盐水>水>盐浴>油。淬火介质应具有足够的冷却能力、良好的冷却性能和较宽的使用范围，同时还应具有不易老化、不腐蚀零件、不易燃、易清洗、无公害、价廉等特点。为了寻求更理想的淬火介质，目前已发展了一些新型淬火介质，如聚乙烯醇水溶液、三硝水溶液等。(3)淬火工艺方法常用的淬火工艺方法有四种，它们的冷却曲线如图5-6所示。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理1)单液淬火法。单液淬火就是将加热到奥氏体状态的工件置人某种淬火介质中，使工件连续冷却至介质温度的淬火方法。其冷却曲线如图5-6中曲线①所示。碳钢的水中淬火，合金钢的油中淬火都是单液淬火。单液淬火法操作简单，易于实现自动控制。

2)双液淬火法。双液淬火就是将加热到奥氏体状态的工件先在冷却能力强的淬火介质中快速冷却至接近Ms点的温度，然后再移人冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却条件下转变为马氏体。例如先水后油的双介质淬火法，其冷却曲线如图5-6中曲线②所示。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理3)分级淬火法。分级淬火是将加热至奥氏体状态的工件先淬人略高于该钢Ms点的盐浴或碱浴中停留一定时间，待工件各部分与热浴的温度一致后取出空冷至室温，完成马氏体转变的方法。其冷却曲线如图5-6中曲线③所示。4)等温淬火法等温淬火法是将加热到奥氏体状态的工件淬人温度稍高于Ms的盐浴中等温，保持足够长的时间(一般为30~60min)，使之转变成下贝氏体组织，然后将工件取出在空气中冷却的淬火方法。其冷却曲线如图5-6中曲线④所示。组织转变是在等温过程中完成的。除上述几种淬火法外，某些工件，如冲头，只是局部要求高硬度，可将工件整体或局部加热后进行局部淬火。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理(4)淬火工艺问题。钢在淬火过程中除了发生前述的加热缺陷(过热、过烧、氧化、脱碳)之外，还会出现如下的工艺问题。1)变形与开裂。工件在淬火过程中往往会发生变形或开裂，这主要是因为在组织转变过程中存在结构与体积变化、不同部位的温度存在差异等导致淬火应力所致。可通过适当选择材料、改进结构设计、合理选择淬火方法及工艺规范等措施来有效减少淬火变形、避免淬火开裂。2)淬硬性。淬硬性是钢材通过淬火达到最高硬度的能力。淬硬性的高低主要取决于其含碳量不同材料的淬硬性进行比较时，只需对其获得的最高硬度进行比较即可。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理3)淬透性。淬透性表示钢材淬火后获得淬硬层深度的能力。钢材淬火后其淬硬层组织为马氏体。为了获得马氏体，要求其实际冷却的速度应大于临界冷却速度。在实际冷却过程中，从工件表层到心部的冷却速度逐渐降低，所以在表层的一定厚度内冷却速度大于临界冷却速度，获得了马氏体的淬硬层，而当距表层某一深处的冷却速度开始低于临界冷却速度时，其淬火后的组织为非马氏体，我们说此时钢件没有淬透。钢材淬透性的好坏，常用淬硬层深度来表示。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理淬硬层深度是指从工件表面(全马氏体)测量至半马氏体区(50%马氏体)的垂直距离。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。淬透性好的钢较淬透性差的钢容易整体淬硬。钢的淬透性与钢的临界冷却速度有关。临界冷却速度越慢，钢的淬透性越好。合金钢的淬透性高于碳素钢，对于淬透性要求高的零件，应优先选择合金钢钢的淬透性是钢材本身所固有的属性，与外部条件无关。同一种钢在不同介质中淬火，其淬硬层深度是不同的，但这并不是淬透性有差异。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理淬透性与淬硬性是不同的两个概念。淬透性是指淬硬层的深度，而淬硬性是指淬火后表面硬度的高低。淬透性好，淬硬性不一定好，如淬透性好的低碳合金钢，淬火后的硬度并不高;淬硬性好，淬透性不一定好，如高碳钢的淬透性较差，但淬硬性较高，即淬火后的硬度高。

2.回火将淬火钢重新加热到Ac1，点以下的某一温度，保温一定时间后冷却到室温的热处理工艺称为回火。回火可以消除内应力、稳定组织、调整力学性能。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。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理(1)低温回火。淬火钢在150~250℃之间回火称低温回火。回火后组织为回火马氏体，用符号“M回”表示。回火马氏体组织由过饱和碳的固溶体与极细的特殊碳化物所组成。(2)中温回火。淬火钢在350~500℃之间回火称中温回火。回火后组织为回火托氏体，用符号“T回”表示回火托氏体组织由保持马氏体形态的铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成。回火托氏体具有高的屈强比，高的弹性极限和足够的塑性及韧性，淬火内应力基本消除。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理(3)高温回火。淬火钢在500~650℃之间回火称高温回火。回火后组织为回火索氏体，用符号“S回”表示，它是由多边形铁素体和粒状渗碳体组成，内应力完全消除、硬度明显下降。回火索氏体具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。生产中常把“淬火+高温回火”热处理工艺称为“调质”。钢在调质处理后的力学性能(强度、韧性)比相同硬度的正火处理好，这是因为调质后的渗碳体呈粒状，正火后的渗碳体为片状。调质一般作为最终热处理，但也作为表面淬火和化学热处理的预先热处理。调质后的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低的表面粗糙度值。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理

回火是紧接淬火后的一道工序，也是最后一道热处理工序，是决定工件最终组织和使用性能及使用寿命的一道关键工序。回火工艺主要取决于回火温度，而与冷却过程无关(一般选择空冷)。上述回火温度值主要针对碳钢。如果是合金钢，由于其合金元素对组织转变的阻碍作用，因此，合金钢回火时三种回火温度数字都有不同程度的增大。总体上说，随回火温度的升高，钢的强度硬度下降，塑性韧性提高。为便于学习和记忆，将三种回火归纳成一个简单的表格，见表5-1。钢在某些温度区间回火时会产生回火脆性现象，导致冲击韧度明显下降。回火中存在两个回火脆性温度区。上一页

下一页

返回5.1钢的普通热处理低温回火脆性区:在250~4000C。一般认为是由于马氏体中在晶界析出薄片状的碳化物所致，具有不可逆性，唯一办法是避免在该温度区间回火。高温回火脆性区:在500℃~6500C多见于合金钢，主要是由于某些杂质元素及合金元素在晶界上严重偏聚引起的，这些元素削弱了晶界上原子间的结合力，弱化了晶界。上一页

返回5.2钢的表面热处理齿轮、曲轴、模具等零件由于要承受各种载荷的作用，因此，要求其具有高强度、高硬度及高耐磨性的同时，还要具有足够的韧性，这样的材料是很难找到的。只有通过合理的热处理工艺，使零件表面具有高的强度、硬度和耐磨性，而心部具有一定的强度、足够的塑性和韧性。采用表面热处理可以达到这种“表面硬、心部韧”的性能要求。一、表面淬火表面淬火是将工件表面决速加热到淬火温度，不等热量传至心部，立即进行淬火冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原有塑性、韧性较好的原始组织的一种热处理方法。下一页

返回5.2钢的表面热处理表面淬火大多选用中碳钢或中碳低合金钢等低淬透性钢。含碳量过高，会降低心部韧性;含碳量过低，会影响其淬火后的表层硬度和耐磨性。此外，铸铁也可以通过表面淬火提高耐磨性。在表面淬火之前，重要零件先要调质，不重要件要正火。表面淬火后，再进行低温回火，以减少淬火应力、降低脆性、稳定组织。根据工件表面加热方式的不同，钢的表面淬火主要有感应加热、火焰加热及激光加热表面淬火工艺。目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火，其次是火焰加热表面淬火。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理1.感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，从而使工件表面迅速加热，使之转变成奥氏体，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。图5-7为感应加热表面淬火示意图。感应加热表面淬火特点:感应加热速度极快，没有保温，加热温度应高于普通淬火时的相应加热温度30℃~2000C;可以获得细小马氏体，比普通淬火硬度高2~3HRC，且韧性好;工件表面不易氧化、脱碳，工件变形小，表面质量高;表面形成残余压应力使疲劳强度提高20%~30%;淬硬层深度易控制;时间短，操作易于实现机械化、自动化。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理工件淬硬层的深度与频率有关。频率越高，集肤效应越显著，淬硬层越浅。根据不同的电流频率可将感应加热表面淬火分为三类:(1)高频淬火。电流频率为200~300kHz，淬硬层深度为0.5~2mm，特别适宜中小型零件的表面淬火(2)中频淬火。电流频率为2500~8000Hz，淬硬层深度为2~10mm。(3)工频淬火。电流频率为50Hz，淬硬层深度可达10mm以上。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火就是在短时间内将零件表面用高温火焰加热至临界温度以上，并随之进行快速冷却，而使工件表面淬硬的淬火方法。常用火焰为乙炔火焰，或甲烷火焰。火焰喷射于工件表面加热，然后喷水冷却。火焰加热表面淬硬层通常为2~8mm。火焰加热表面淬火在加热时必须注意控制好加热温度与适当的加热速度，以防止过热甚至过烧。火焰加热表面淬火设备简单，操作方便，但火焰加热温度不易控制，零件表面易过热，淬火质量不够稳定，只适应于大型件的小批生产。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理二、表面化学热处理将金属工件放入一定温度的活性介质中加热和保温，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，并获得与心部不同性能的热处理工艺叫做表面化学热处理。化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火更高的硬度、耐磨性和疲劳强度。心部具有良好塑性和韧性的同时，还可获得更高的强度，从而更好地达到“表硬心韧”的性能特点。化学热处理有三个基本过程:①分解:从介质中分解出活性原子;②吸附:活性原子在工件表面吸附;③扩散:活性原子向工件内部迁移扩散，形成扩散层(渗层)。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理1.钢的渗碳将低碳钢件在渗碳介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺称为渗碳。工件经过渗碳及随后的淬火并低温回火后可以获得很高的表面硬度、耐磨性以及高的疲劳强度;而心部仍保持低碳，具有良好的塑性和韧性。常用渗碳钢为低碳钢及低碳合金钢。渗碳的方式有固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种。(1)固体渗碳。固体渗碳是将低碳钢件放入装满固体渗碳剂(木炭和催渗剂)的密封渗碳箱中，然后送人炉内加热至900℃~950℃的渗碳温度后保温，以使活性碳原子分解并渗入工件表面，获得一定深度的渗层的热处理方法。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理(2)液体渗碳。液体渗碳是将钢件放在含碳的盐浴介质中加热，使钢件表面吸收碳原子并向心部扩散的一种渗碳方法。(3)气体渗碳。气体渗碳是把零件放入含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行渗碳的热处理方法。渗碳后的淬火法有三种(如图5-9所示):直接淬火、一次淬火、二次淬火。(1)直接淬火。渗碳后预冷至淬火温度直接淬火，随后进行180℃左右的低温回火。预冷的目的是减少淬火应力和变形。(2)一次淬火。零件渗碳后出炉空冷至室温，再加热到淬火温度后进行淬火+低温回火。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理(3)二次淬火。对组织和力学性能要求很高的的零件采用二次淬火。第一次淬火的目的主要是细化零件心部的粗大组织及提高其力学性能，加热温度应为心部的淬火加热温度(850℃~900℃)。第二次淬火的目的是为了改善渗碳层的组织和性能，使表面能得到细针马氏体及细小均匀的粒状碳化物，从而得到高硬度及耐磨性，所以加热温度较低(760℃~800℃)。采用二次加热淬火的零件变形较大，常用正火来代替第一次淬火。对渗碳件，在设计图纸上应标明渗碳的部位(全部或局部)及渗层深度，渗碳淬火、回火后的硬度等。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理2.钢的渗氮渗氮工艺又叫氮化，它是将工件放入一定温度，含活性氮原子的介质中，使工件表层渗入氮原子，从而生成金属氮化物硬化层的热处理工艺。其主要目的是提高工件表层含氮量，以提高工件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性。渗氮处理的优点是:钢件渗氮后其表面硬度可高达1000HV(相当于70HRC)，具有极高的耐磨性。因此，钢渗氮后，不再需要进行淬火处理。目前广泛使用的渗氮方法主要有气体渗氮和离子渗氮。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理(1)气体渗氮。气体渗氮是将氨气通入渗氮罐中并加热到渗氮温度，使其分解出活性氮原子并被钢件表层吸收，扩散成一定深度的渗氮层的热处理工艺。(2)离子渗氮。离子渗氮是将工件放在低于一个大气压的真空容器内，通入氨气，以真空容器为阳极，工件为阴极，在两极间加直流高压，迫使电离后的氮正离子高速冲击工件(阴极)，使其渗入工件表面，夺取电子后还原成氮原子，被工件表面所吸收，并逐渐向内部扩散，形成渗氮层。由于离子轰击工件表面，将巨大的动能转变成热能把工件加热，使工件温度升到渗氮温度。上一页

下一页

返回5.2钢的表面热处理3.碳氮共渗碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮原子，习惯上又称作氰化。它在一定程度上克服了渗氮层硬度虽高但渗层较浅，而渗碳处理虽硬化深度大，但表面硬度较低的缺