《热处理原理与工艺》 课件 谈淑咏 第9-14章 钢的淬火及回火-热处理质量检验

钢的淬火及淬火冷却介质第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺钢的淬火及回火

淬火是热处理工艺中最重要的工序，它可以显著提高钢的强度和硬度。

淬火与不同温度的回火相结合，可以得到不同的强度、塑性和韧性的良好配合，满足各种机器零件的力学性能要求。◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火钢的淬火及淬火冷却介质一、钢的淬火把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温后以大于临界冷却速率的速度冷却，得到介稳状态的马氏体或贝氏体组织的热处理工艺方法称为淬火。

通常也将铝合金、铜合金、钛合金等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。钢的淬火及淬火冷却介质一、钢的淬火目的：使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。

也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质在淬火工艺中釆用的冷却介质称为淬火冷却介质。

正确选择淬火介质能充分发挥钢材的潜能，有效防止或减少工件的变形开裂，提高淬火质量。理想淬火介质冷却特性曲线1、理想的淬火冷却介质

当温度较高时，冷速应慢些，以降低热应力；当温度处于C曲线鼻尖位置时，应以较快的冷速快速通过鼻尖位置，以避免产生非马氏体转变。在Ms点附近的温度区域冷速应比较缓慢，以降低马氏体转变时产生的应力。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质2、淬火介质的冷却作用按聚集状态不同，淬火介质可分为固态、液态和气态三种。

液态介质是最常用的淬火介质。（1）无物态变化的淬火介质的冷却过程如熔盐、熔碱、熔融金属及气体，传热方式是传导和对流，其冷却能力取决于介质本身的物理性质（如比容、导热性、流动性等）外，还与工件和介质的温度差有关。工件温度较高时，介质的冷速很高，当工件温度接近介质温度时，冷速迅速降低。

这类淬火介质往往可以使工件获得较高的硬度，变形较小，不易开裂，多用于分级淬火及等温淬火。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质2、淬火介质的冷却作用（2）有物态变化的淬火介质的冷却过程按基本组成可分为水基型和油基型，往往可以通过控制介质的温度、提高压力、增大流速等，改善淬火介质的冷却特性，减少变形和开裂，获得比较理想的淬火效果。淬火过程的冷却机理

蒸汽膜阶段：冷速比较缓慢（AB段），B点为蒸汽膜的破裂温度，称为淬火介质的“特性温度”，是评价淬火介质的重要指标。沸腾阶段：冷速很快（BC段），C点为介质的沸点或分解温度；

对流阶段：冷速最低的阶段（CD段）钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（1）水水是最常用的淬火介质，来源丰富，价格低廉，安全、清洁，具有较强的冷却能力，循环水的冷却能力更大。

但水温升高会使冷却能力急剧下降，因此适用温度一般为20~40℃，最高不超过60℃；水在马氏体转变区的冷速太大，使工件严重变形甚至开裂；不溶或微溶杂质（如油、肥皂等）会显著降低水的冷却能力，使工件淬火后易产生软点。水的冷却特性a）静止水b）循环水钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（2）无机物水溶液

在水中添加一定量（一般为5%~10%）的盐或碱，以提高水的冷却能力。如NaCl水溶液和NaOH水溶液（碱水）的冷却能力均高于水，且随着其浓度的增大而提高。NaCl水溶液的冷却曲线NaOH水溶液的冷却曲线但碱水虽使工件表面呈银白色，具有较好的外观，但对工件及设备腐蚀较大，有剌激性气味，溅在皮肤上有刺激作用，需排风及防护，导致碱水未能在生产中广泛应用。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（3）油

植物油如豆油、芝麻油等，有较好的冷却特性，但易老化、价格贵，已被矿物油取代。矿物油是从天然石油中提炼的，用作淬火介质的一般为润滑油，如锭子油、机油等。20℃水和50℃3#锭子油的冷却速度与银球中心（直径20mm）温度的关系1—水2—油3—水、油中冷却速度之比油的冷却能力也受油温影响，一般使用温度在80℃以下，且淬火油经长期使用后会发生老化。

低温下油的冷却能力较低，马氏体转变时组织应力小，防止淬火裂纹的发生，但是在高温区油的冷却能力也相对比较低，易于发生非马氏体相变。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（4）有机聚合物淬火介质

a.聚乙烯醇（PVA）淬火介质当PVA质量分数较低时，淬火介质冷却能力接近水；当PVA质量分数较高时，淬火介质冷却能力接近油。一般PVA质量分数为0.05%~0.3%的淬火介质在我国感应热处理喷射淬火中应用广泛。

但PVA淬火介质的冷速对浓度波动过于敏感，导致工件淬火质量的均匀性和重复性不易保证，并且使用过程中易分解，易生成糊状膜及皮膜堵塞喷水孔，还存在排放公害等问题。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（4）有机聚合物淬火介质

b.聚烷撑二醇（PAG）淬火介质目前应用最广的聚合物淬火介质。5%的PAG溶液能改善工件表面的浸润性，使淬火更加均匀。10%~20%的PAG溶液冷速与快速淬火油接近，可用于低、中淬透性钢的淬火，以得到所要求的最高机械性能。20%~30%的PAG溶液冷速可适用于多种完全淬透性钢和表面淬硬钢。总体而言，PAG淬火介质的冷却能力比水低，比油高，它能减少工件开裂，提升工件的淬火效果，降低生产事故发生的概率，目前已经变得十分成熟，大量用于热处理行业。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（4）有机聚合物淬火介质

c.聚乙烯吡咯烷酮（PVP）淬火介质PVP浓度的增加会降低淬火液的冷速，因此，中碳钢淬火需要较快的冷速时，采用浓度低于4%的PVP溶液，而高碳钢、合金钢的临界冷却速率较小，可采用较慢的冷速，淬火时选用浓度为4%~10%的PVP溶液。PVP淬火介质的优点是使用浓度低，防裂能力强，具有消泡性和防锈性，管理容易，有较强的抗腐蚀能力，对人体无害，化学耗氧量特别低，不污染环境等，但相对分子质量易变化，遇热或震动就分解等。钢的淬火及淬火冷却介质二、淬火冷却介质3、常用淬火介质及其冷却特性（4）有机聚合物淬火介质

d.聚丙烯酰胺（PAM）淬火介质当PAM浓度较低时，其冷却速率与水相近；当PAM浓度较高时，其冷却速率接近于油。一般来说，喷射淬火时PAM浓度为5%~8%，浸入淬火时PAM浓度为15%~20%。PAM淬火介质使用安全，对设备没有腐蚀作用，配制方便，可以通过改变浓度配比来调节介质的冷却能力，但PAM遇氢氧化钠易发生水。钢的淬透性和淬硬性第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火钢的淬透性和淬硬性一、淬透性与淬硬性的概念钢的淬透性：指钢在淬火时获得马氏体的能力，是钢材固有的一种属性。主要与钢的过冷奥氏体稳定性或钢的临界冷却速率有关。两种钢材淬透性和淬硬性的比较钢的淬硬性：指钢在正常淬火条件下所能够达到的最高硬度。主要与钢的碳含量有关，更确切地说，它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的碳含量。假设有两根不同成分钢材制成的棒料，直径相同，并在相同淬火介质中淬火冷却：右侧钢棒的马氏体区较深，淬透性较好，左侧钢棒的马氏体最高硬度更高，淬硬性较好。钢的淬透性和淬硬性二、影响钢淬透性的因素1.钢的化学成分：碳含量对碳钢临界淬火冷却速率的影响比较复杂；除Co外，所有溶入奥氏体的合金元素都可以提高钢的淬透性。2.奥氏体晶粒度：奥氏体晶粒尺寸增大，淬透性越高。3.奥氏体均匀程度：奥氏体成分越均匀，淬透性越好。4.钢中未溶第二相：降低淬透性。 此外，钢的原始组织中，由于珠光体的类型（片状或球状）及弥散度的不同，奥氏体化时也会影响奥氏体的均匀性，从而影响钢的淬透性。如碳化物越细小，溶入奥氏体越迅速，越有利于提高钢的淬透性。钢的淬透性和淬硬性三、淬透性的测定方法马氏体马氏体索氏体1.临界直径法将某种钢做成各种不同直径的一组圆柱体试样，按规定的条件淬火以后，找出截面中心恰好是含50%马氏体组织的试样，该试样的直径为临界淬透直径（D0）。

小于此直径时均可被淬透，大于此直径时不能被淬透。钢的淬透性和淬硬性三、淬透性的测定方法1.临界直径法引入理想临界直径Di：假设冷却介质的淬火烈度无穷大（淬火烈度是表征淬火介质从热材料或工件中吸取热量能力的指标），此时所能淬透（心部形成50%马氏体）的最大直径。理想临界直径Di、实际临界直径D0与淬火烈度H关系图Di取决于钢的成分，而与试样尺寸及冷却介质无关。它是反映钢淬透性的基本判据，在工程应用时作为基本换算量，使各种淬透性评定方法之间以及不同淬火介质的临界直径之间建立起一定的关系。钢的淬透性和淬硬性三、淬透性的测定方法2.端淬法W.E.Jominy等人于1938年建议采用的，国外常称为“Jominy”端淬法。钢的淬透性值通常表示为。端淬试样、试验装置及端淬曲线的测定试验时，将按规定加热到淬火温度的试样迅速转移到端淬装置上，进行喷水冷却。绘出硬度与水冷端距离的关系曲线，即端淬曲线，也称为淬透性曲线。（d为至水冷端的距离，HRC为在该处测得的硬度值）钢的淬透性和淬硬性四、淬透性的应用钢的淬透性及淬透性曲线在合理选择材料，预测材料的组织与性能，以及制定热处理工艺等方面都具有重要的使用价值1.

根据淬透性曲线求圆棒工件截面的硬度分布例：若选用45Mn2钢制造直径50mm的轴，求水淬后沿截面上的硬度分布曲线。第一步：查出直径50mm圆棒截面在不同位置处对应的端淬距离，即在圆棒直径50mm引水平线与表面、3R/4、R/2及中心的曲线相交，得到距水冷端的距离。圆棒静水中淬火钢的淬透性和淬硬性四、淬透性的应用1.

根据淬透性曲线求圆棒工件截面的硬度分布例：若选用45Mn2钢制造直径50mm的轴，求水淬后沿截面上的硬度分布曲线。45Mn2的淬透性曲线第二步：査出对应点的硬度分别为55HRC（表面）、52HRC（3R/4处）、42HRC（R/2处）、31HRC（中心），据此可画出硬度分布曲线。钢的淬透性和淬硬性四、淬透性的应用2.

根据工件的硬度要求，用淬透性曲线协助选择钢种与热处理工艺例：用40MnB钢制造直径45mm的轴，要求淬火后在R/2处的硬度不低于40HRC，问油淬是否合适。圆棒静油中淬火第一步：从纵坐标上直径为45mm处作一水平线，与R/2处相交的交点横坐标即对应的距水冷端距离，约为13.5mm。钢的淬透性和淬硬性四、淬透性的应用2.

根据工件的硬度要求，用淬透性曲线协助选择钢种与热处理工艺例：用40MnB钢制造直径45mm的轴，要求淬火后在R/2处的硬度不低于40HRC，问油淬是否合适。第二步：根据40MnB钢淬透性曲线找出对应的硬度值，约为34HRC，小于要求的40HRC。可见，油淬不能满足要求，若水淬则可满足要求。40MnB钢的淬透性曲线淬火应力、变形及开裂第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火淬火应力、变形及开裂一、淬火应力淬火应力是指在淬火过程中，由于工件不同部位的温度差异及组织转变不同时所引起的内应力。淬火应力受钢的成分、工件的尺寸大小和结构形状、热处理工艺条件等多种因素的影响，难以测量。目前人们仅能测定淬火后工件表面的残余应力，并借助剥层法经校正来估算其残余应力分布与大小。

近年来，运用传热学和弹塑性力学原理，采用有限元法对工件内淬火应力进行数值分析得到了进一步的发展。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力1.热应力热应力是工件在加热（或冷却）时，由于不同部位的温度差异，导致热胀（或冷缩）的不一致所引起的应力。工件冷却时热应力的变化

淬火冷却时，由于热应力引起的残余应力：

表面为压应力，心部为拉应力材料的热导率越大，热膨胀系数越小，热应力越小。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力1.热应力含碳量0.3%的钢棒（ϕ44mm）在700℃水冷时的残余热应力如果考虑热应力在工件三个方向上的分布情况：沿直径方向（径向应力），心部为拉应力，表面应力为零，一般可不予考虑；沿心轴方向（纵向或轴向应力）及切线方向（切向应力），表面均为压应力，心部为拉应力，特别是轴向拉应力相当大。常见的大型轴类零件如轧辐等，因冷却后轴向残余应力很大，再加上心部往往存在气孔、夹杂、锻造裂纹等缺陷，容易造成横向开裂。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力2.组织应力工件在热处理过程中各部位冷速不同，其各部位组织转变具有不同时性，由此引起的应力称为组织应力，也叫相变应力。组织应力引起的残余应力与热应力正好相反：

表面为拉应力，心部为压应力组织应力大小与钢的化学成分、冶金质量、钢件结构尺寸、钢的导热性、钢在马氏体温度范围的冷速及钢的淬透性等因素有关。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力2.组织应力

Fe-Ni合金圆柱试样残余组织应力的分布如果考虑组织应力在工件三个方向上的分布情况：轴向、切向试样表面为拉应力，心部受压应力，且切向表面拉应力要大于轴向表面拉应力；所有方向试样心部都是受压应力，最大压应力在试样最中心。淬火应力、变形及开裂一、淬火应力

实际工件在淬火冷却过程中，在组织转变发生之前只有热应力产生，到Ms以下则热应力与组织应力同时产生，且以组织应力为主。这两种应力综合的结果便决定了钢件中实际存在的内应力，但这种综合作用是十分复杂的。

由上述分析可知，热应力和组织应力二者的变化规律正好相反，如果恰当利用其彼此相反的特性，使热应力和组织应力相互抵消，可以显著减少淬火引起的变形和开裂。淬火应力、变形及开裂二、淬火变形1.淬火变形的基本规律

热应力引起的形状变形：工件沿最大尺寸方向收缩，沿最小尺寸方向增长，力图使工件的棱角变圆，平面凸起。即杆件趋于鼓形，扁平件趋于铁饼形，正方件趋于球形，套筒趋于瓮形。组织应力引起的变形：变形趋向与热应力相反，即沿最大尺寸方向伸长，沿最小尺寸方向收缩，力图使工件的棱角突出，平面内凹。即正方件八角突出，杆件长度伸长、直径缩小至樽形，套筒趋于长鼓形，扁平件呈双凹透镜形状。淬火应力、变形及开裂二、淬火变形1.淬火变形的基本规律淬火应力、变形及开裂二、淬火变形2.影响淬火变形的因素（1）钢的淬透性。钢的淬透性较好，热应力相对较小，工件一般以组织应力造成的变形为主。（2）奥氏体的化学成分。奥氏体中碳含量越低，组织应力越小，热应力的作用越大；合金元素含量越高，淬火变形较小。（3）原始组织。原始组织是指淬火前的组织状况，比如钢的带状组织和成分偏析易使钢加热至奥氏体状态后存在成分的不均匀性，可能导致淬火后组织的不均匀性，造成工件不均匀的变形。（4）热处理工艺。淬火加热温度越高，冷却速率越大，淬火变形越大。（5）工件形状与尺寸。一般来讲，形状简单、截面对称的工件淬火变形小；工件尺寸越大，变形越大。淬火应力、变形及开裂三、淬火开裂1.淬火裂纹的种类纵向裂纹横向裂纹和弧形裂纹表面网状裂纹（不同裂纹深度）

淬火裂纹通常可以分为纵向裂纹、横向裂纹、弧形裂纹、网状裂纹、剥离裂纹和显微裂纹。淬火应力、变形及开裂三、淬火开裂2.影响淬火开裂的因素（1）原材料缺陷。原材料中的缩孔、白点、裂痕、非金属夹杂、偏析及带状组织等，都可能成为产生淬火裂纹的根源。（2）锻造与轧制后存在的缺陷。由于锻、轧工艺控制不当，零件毛坯可能形成裂纹或带状组织、过热、过烧及表面严重脱碳等缺陷，这些缺陷在淬火时会更加严重。（3）工件结构设计或选材不当。工件壁厚相差悬殊或具有尺寸突变（尖角、棱角、凹槽等），增大淬火开裂倾向。（4）淬火工艺不当。这是淬火裂纹形成的主要原因。淬火加热温度过高，加热速度太快或各部分加热速度不均匀，冷却速度过快，淬火后未及时回火，表面脱碳或双介质淬火时出水出油温度掌握不当等，都易造成工件开裂。淬火工艺的制定第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火淬火工艺的制定一、淬火加热规范的确定1.

淬火加热温度的确定

原则：主要根据钢的临界点来确定，其应以得到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。

亚共析钢：Ac3+(30~50)℃，使工件心部铁素体能完全溶解于奥氏体中，且奥氏体成分比较均匀，晶粒又不致粗大。

共析钢和过共析钢：Ac1+(30~50)℃，加热状态为细小奥氏体晶粒和未溶解碳化物，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布的球状碳化物，这种组织不仅有高的强度、硬度和耐磨性，而且也有较好的韧性。淬火工艺的制定一、淬火加热规范的确定1.

淬火加热温度的确定确定淬火加热温度时，还应考虑工件的形状、尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方式等因素。

（1）工件尺寸大，加热速度快时，淬火加热温度选得高一些，但形状较复杂、容易变形开裂的工件，加热速度应较慢，淬火加热温度取下限；

（2）考虑原始组织时，如果先共析铁素体比较粗大或珠光体片间距较大，淬火温度取得高一些。对过共析钢，为了加速合金碳化物的溶解以及合金元素的均匀化，也应采取较高的淬火温度；

（3）考虑选用淬火介质和冷却方式时，在选用冷却速率较低的淬火介质和淬火方法的情况下，为了增加过冷奥氏体的稳定性，常取稍高的淬火加热温度。淬火工艺的制定一、淬火加热规范的确定2.

淬火加热时间的确定淬火加热时间应包括工件整个截面加热到预定淬火温度，并使之在该温度下完成组织转变、碳化物溶解和奥氏体成分均匀化所需的时间。

τ加热时间（min）；

α加热系数（min/mm），即工件单位厚度需要的加热时间，其大小与工件尺寸、加热介质和钢的化学成分有关；K装炉修正系数，一般为1~1.5，装炉量大时，值可取上限；D零件有效厚度（mm）淬火工艺的制定二、淬火介质及冷却方式的确定（1）首要原则是在满足工件淬透层深度要求的前提下，选择淬火烈度最低的淬火介质。（2）结合过冷奥氏体连续冷却转变曲线选择淬火介质时，还应考虑其冷却特性。淬火介质的冷却特性应保证被淬火钢在过冷奥氏体最不稳定区有足够的冷却能力，而在马氏体转变区冷却速率相对缓慢。（3）淬火介质的冷却特性在使用过程中还应该稳定，长期使用和存放不易变质，价格低廉，来源丰富，无毒无环境污染。1.

淬火介质的选择

淬火工艺的制定二、淬火介质及冷却方式的确定一般来说，工件淬入淬火介质时应使其冷却比较均匀：（1）厚薄不均的工件，厚的部分先淬入；（2）细长工件一般应垂直淬入；（3）薄而平的工件应侧放直立淬入；（4）薄壁环状零件应沿其轴线方向淬入；（5）具有闭腔或盲孔的工件应使腔口或孔向上淬入；（6）截面不对称的工件应以一定角度斜着淬入。2.

冷却方式的选择

淬火工艺的制定三、淬火方法的选择双介质淬火：先在一种冷却能力较强的介质中冷却到300℃后转入冷却能力较弱的介质，如水淬油冷、油淬空冷。适用于形状复杂的高碳钢工件、大型合金钢工件。等温淬火：在高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并等温停留后空冷。适用于中碳以上的钢、形状复杂、变形要求小的工件。马氏体分级淬火：在稍高于Ms点温度的盐浴或碱浴中保温后取出来空冷。适用于形状复杂、厚薄不均、尺寸较小的工件。单介质淬火：一种介质连续冷却。操作简单，易实现机械化，应用广泛。适用于形状简单零件、截面无变化。钢的回火组织转变及回火类型第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火钢的回火组织转变及回火类型一、回火的定义与目的定义：将淬火后的零件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后，以适当的方式冷却到室温的热处理工艺。目的：（1）合理地调整钢的硬度和强度，提高钢的韧性，使工件满足使用性能要求。（2）淬火后获得的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，通过回火可稳定组织，使工件在长期使用过程中不发生组织转变，稳定工件的形状与尺寸。（3）降低或消除工件的淬火内应力，减少工件的变形，防止开裂。钢的回火组织转变及回火类型二、回火的分类及应用1.淬火钢在回火过程中的组织与性能变化①200℃以下马氏体分解：得到过饱和α+细小弥散碳化物ε相，即回火马氏体（M回）②200℃

300℃残余奥氏体转变：组织仍以回火马氏体为主③300~400℃回火托氏体形成：组织为回火托氏体（T回，针状F+弥散分布细粒状Fe3C）④400℃以上渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶：组织为回火索氏体（S回，多边形的等轴F+粒状Fe3C）总的趋势是，随着回火温度升高，强度、硬度下降，塑性、韧性上升钢的回火组织转变及回火类型二、回火的分类及应用2.回火类型（1）低温回火（150℃~250℃），组织是回火马氏体

目的：保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。

性能：58~64HRC，高的硬度和耐磨性。

应用：刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。（2）中温回火（350℃~500℃），组织为回火托氏体

目的：得到回火托氏体，较高的弹性和屈服点，适当的韧性。

性能：

35~50HRC，具有高的弹性极限和屈服点，有良好的塑性和韧性。应用：弹簧、锻模、冲击工具等。（3）高温回火（500~650℃），组织为回火索氏体目的：经调质处理（淬火+高温回火）后，钢具有优良的综合机械性能，得到回火索氏体。性能：25~35HRC，较好的综合力学性能。

应用：广泛用于各种重要结构件，如曲轴、连杆、螺栓等重要的机器零件。钢的回火组织转变及回火类型三、钢的回火脆性随着回火温度的提高，总体上淬火钢的硬度和强度降低，塑性和韧性得到提高和改善，但在200~400℃以及450~650℃回火时，钢的冲击韧性反而比在较低温度回火时更低。这种工件淬火后在某些温度区间回火产生的脆化现象，称为回火脆性。

钢在回火过程中可能发生两种回火脆性，即第一类回火脆性（又称低温回火脆性）和第二类回火脆性（又称高温回火脆性）。广义上说，钢的回火脆性还应该包括各类钢回火时出现的其他脆性。钢的回火组织转变及回火类型三、钢的回火脆性1.第一类回火脆性定义：工件淬火后在200~400℃回火时出现的脆性。特征：回火后的冷却速度对第一类回火脆性没有影响。产生机理：碳化物薄膜理论、杂质元素晶界偏聚理论、残余奥氏体转变理论。影响因素：

（1）有害杂质元素，包括S、P、As、Sn、Sb、Cu、N、H、O等，将导致第一类回火脆性；（2）促进第一类回火脆性的元素，包括Mn、Si、Cr、Ni、V、C等；（3）减弱第一类回火脆性的元素，包括Mo、W、Ti、Al等，其中以Mo的效果最显著。除化学成分外，奥氏体晶粒越粗大，残余奥氏体量越多，第一类回火脆性越严重。钢的回火组织转变及回火类型三、钢的回火脆性2.第二类回火脆性定义：合金钢工件淬火后，在400~550℃或更高温度回火后缓慢冷却所产生的脆性。特征：回火后的冷却速度越慢，韧性降低越显著。产生机理：目前尚不清楚，但广为认可的主要是杂质晶界偏聚理论。影响因素：

（1）杂质元素如P、Sn、Sb、As、B、S等，与Ni、Cr、Mn、Si等合金元素共同存在时才会引起第二类回火脆性（2）促进第二类回火脆性的合金元素，如Ni、Cr、Mn、Si等，但必须有杂质元素同时存在才能表现出促进作用；（3）抑制第二类回火脆性的元素，如Al、Mo、W、V、Ti等。除化学成分外，回火时间延长，回火后的冷速越慢，脆化程度增加。回火工艺的制定第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火回火工艺的制定回火温度和回火时间对ωC=0.98%的钢回火硬度影响对不同种钢来说，在淬火后组织状态相同情况下，如果回火后的硬度相同，则其它力学性能指标（Rm、ReL、Z、αK）基本上也相同，而且生产上测量硬度又很方便，所以常以硬度来衡量碳钢的回火特性。

T回火温度（K）；

τ回火时间（s或h）；C为与碳含量有关的常数。注：对于含有W、Mo、Cr、V合金元素的淬火钢，由于存在二次硬化，随着回火温度的升高，其硬度反而升高，回火特性不同于一般碳钢和合金钢，此时不能简单地用M参数来表征回火程度。回火工艺的制定一、回火温度的选择回火温度应根据工件材料和技术要求，按照钢的回火温度与性能的关系来确定，此外还应结合淬火工件特性、要求及现场生产情况：（1）采用强烈的淬火介质（如盐水、碱水等）淬火时，回火温度应取上限；分级或等温淬火的工件淬火后硬度相对较低，回火温度可取下限。（2）釆用油冷淬火时，若工件出炉温度较高，尤其是大件，回火温度取下限。（3）装箱工件回火时，回火温度取上限；不装箱工件回火时，温度可取下限。（4）用箱式炉回火时，回火温度尽量取上限；用盐浴炉回火时，回火温度可取下限。（5）当合金工具钢、渗碳件和高碳钢淬火后硬度超过56HRC，或中碳钢淬火后硬度超过45HRC时，可按正常温度回火。若低于上述硬度，回火温度应取低一些。回火工艺的制定二、回火时间的确定回火时间应包括按工件截面均匀达到回火温度所需的加热时间，以及按M参数达到要求回火硬度完成组织转变所需的时间，如果考虑内应力的消除，则还应考虑不同回火温度下应力弛豫所需要的时间。回火工艺的制定三、回火冷却方式回火后工件一般在空气中冷却。对于一些工模具，回火后不允许水冷，以防开裂。对于具有第二类回火脆性的钢件，回火后应进行油冷，以抑制回火脆性。对于性能要求较高的工件，在防止开裂条件下，可进行油冷或水冷，然后进行一次低温补充回火，以消除快冷产生的内应力。淬火工艺的新发展第九章钢的淬火及回火热处理原理与工艺◆钢的淬火及淬火冷却介质◆钢的淬透性和淬硬性◆淬火应力、变形及开裂◆淬火工艺的制定◆钢的回火组织转变及回火类型◆回火工艺的制定◆淬火工艺的新发展钢的淬火及回火淬火工艺的新发展为了充分发挥材料的潜力，在满足各类机器零件日益提高的性能要求的前提下，还要满足高效、节能、环保等方面日益苛刻的要求，热处理工作者不断探索具有更高强韧化效果的新途径，开发出一系列新的淬火工艺与技术。一、奥氏体晶粒的超细化处理淬火工艺的新发展一般把钢的晶粒度细化到10级以上的处理方法称为“晶粒超细化”处理。经超细化处理后再淬火，可明显提高钢的强韧性，显著降低钢的脆性转化温度。1.

超快速加热法

超快速加热法是釆用具有超快速加热的能源来实现的，如大功率电脉冲感应加热、电子束加热和激光加热皆属此类。

釆用这种方法可使工件表面或局部获得超细化的奥氏体晶粒，淬火后硬度和耐磨性显著提高。一、奥氏体晶粒的超细化处理淬火工艺的新发展2.

快速循环加热淬火法首先将工件快速加热到Ac3以上，经短时间保温后，迅速冷却，如此循环多次。由于每加热一次，奥氏体晶粒就被细化一次，这种方法对其它所有能淬硬的钢均可使用。45钢快速循环加热淬火工艺过程一般来说，原始组织中的碳化物越细小，加热速度越快，最高加热温度越低时，晶粒细化效果越好。

当然，对于尺寸较大的工件，要使整体都快速加热和冷却是困难的。二、碳化物的超细化处理淬火工艺的新发展细化碳化物并使之均匀分布是改善高碳钢强韧性的一个有效途径。

高碳工具钢的最终热处理工艺大都为淬火及低温回火，但最终热处理状态下的碳化物尺寸、形态和分布在很大程度上受其原始组织的影响，所以往往把使碳化物超细化而获得适当原始组织的预备热处理与最终热处理看成是一个不可分割的整体。预备热处理都有一个共同特点，即首先进行高温固溶加热，使毛坯组织中的碳化物全部溶解，然后采取不同的工艺方法得到细小均匀分布的碳化物。二、碳化物的超细化处理淬火工艺的新发展1.高温固溶化淬火+高温回火（即高温调质处理）高温固溶化淬火不仅可以抑制先共析碳化物的析出，而且淬火得到的马氏体和残余奥氏体组织经高温回火后，可得到球状的碳化物，并呈均匀弥散分布。如Cr12MoV钢经1100℃×40min加热油冷至室温，再经690℃×0.5h+750℃×2.5h炉冷到500℃后空冷至室温，最后进行980℃淬火+240℃回火，最终硬度为HRC62.6，模具使用寿命大幅度提高。二、碳化物的超细化处理淬火工艺的新发展2.高温固溶化+等温处理高碳钢经高温固溶化淬火处理易引起开裂，为此开发了“高温固溶化+等温处理”方法来细化碳化物。如GCrl5钢先在1040℃加热30min进行高温固溶化，使碳化物全部溶入奥氏体，然后于620℃等温得到细片状珠光体，或于425℃等温得到贝氏体组织，最后按常规工艺进行淬火回火，可使碳化物尺寸达0.1μm，模具的接触疲劳寿命提高2~3倍。在碳化物超细化的基础上再进行奥氏体晶粒超细化处理，称为双细化处理，可以产生更好的强韧化效果。三、控制马氏体、贝氏体组织形态及其组成的淬火淬火工艺的新发展1.中碳合金钢的超高温淬火提高中碳合金钢的淬火温度，可使奥氏体成分均匀化，有利于在淬火后得到较多的板条马氏体。

如40CrNiMoA钢采用1200℃加热油淬，与正常温度（870℃）加热油淬相比，其断裂韧性可提高约70%，原因就是超高温淬火后得到的几乎都是板条状马氏体，而且在马氏体板条周围有1×10-5~2×10-5mm厚的残余奥氏体薄膜存在，这种薄膜很稳定，即使冷至-183℃也不转变，它对高的局部应力集中不敏感，不易产生裂纹，能提高断裂韧性。三、控制马氏体、贝氏体组织形态及其组成的淬火淬火工艺的新发展2.高碳钢的低温短时加热淬火采用快速加热至略高于Ac1的温度，短时保温淬火，得到以板条马氏体为主的组织，使高碳钢在保持高硬度的同时还具有良好的韧性。如T10A制作的冷锹凸模常规热处理工艺为760~780℃加热水淬或油淬，然后180~220℃回火，硬度为61~62HRC，冲击韧性为10J/cm2，易出现崩刃和折断，为此降低淬火温度（约750℃），适当缩短保温时间，减少碳化物的固溶，防止奥氏体中碳含量增加，淬火后获得了50%以上的板条马氏体，硬度达60~61HRC，冲击韧性达20J/cm2。三、控制马氏体、贝氏体组织形态及其组成的淬火淬火工艺的新发展3.获得马氏体加贝氏体复合组织的淬火目前工业中广泛应用的高强度或超高强度钢，可以通过控制等温转变过程或冷却速率的方法来获得适当数量的马氏体加贝氏体复合组织，以达到良好的强韧性。如40CrNi2Si2MoVA钢（中碳低合金超高强度钢）淬火后显微组织为板条马氏体、下贝氏体和残余奥氏体，300℃回火后，回火马氏体、下贝氏体和残余奥氏体的形态、数量和分布达到较好的匹配，强化效果显著，具有较好的综合力学性能。四、使钢中保留适当数量塑性第二相的淬火淬火工艺的新发展1.亚共析钢的亚温淬火（α+γ两相区淬火）釆用亚温淬火对改善结构钢的韧性，降低韧脆转化温度，以及抑制第二类回火脆性具有明显效果。但碳含量越高，亚温淬火的强韧化效果越小。亚温淬火前的原始组织不应有大块铁素体存在，因此亚温淬火前需进行正常淬火或调质（有时也可正火）。如16Mn经常规工艺（900℃加热淬火及600℃回火）后，冲击韧性为110J/cm2，韧脆转化温度为-22℃。若经900℃预冷淬火及800℃亚温淬火和600℃回火后，冲击韧性提高为167J/cm2，韧脆转化温度降至-63℃。四、使钢中保留适当数量塑性第二相的淬火淬火工艺的新发展2.控制残余奥氏体形态、数量和稳定性的热处理对一定成分的钢来说，通过调整淬火加热温度、冷却规范以及回火工艺等，可以在很大程度上控制残余奥氏体的形态、分布、数量和稳定性。GCrl5采用不同的淬火介质冷却后，残余奧氏体量可在0~15%范围变化，钢的接触疲劳强度随残余奥氏体量增多而提高。钢的表面淬火第十章其他热处理热处理原理与工艺◆钢的表面淬火◆钢的渗碳◆钢的渗氮◆真空热处理◆形变热处理其他热处理钢的表面淬火

表面淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的热处理方法。表面淬火时钢处于非平衡加热状态：（1）在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度增加而提高。（2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大。（3）提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒。（4）快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，降低了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线左移。奥氏体成分的不均匀性又会导致淬火后马氏体成分的不均匀，所以尽管淬火后硬度较高，但回火时硬度下降也较快，因此回火温度应比普通加热淬火回火时略低。钢的表面淬火目的：达到外硬内韧的效果，提高表面层的硬度和耐磨性；

表面压应力状态，提高疲劳强度。应用：承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。分类：常以供给表面能量的形式不同而命名及分类——

感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、

激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火、

电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、

等离子束加热表面淬火、红外线聚焦加热表面淬火等。钢的表面淬火一、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，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。感应加热表面淬火示意图钢在800~900℃的电流透入深度δ热及在室温20℃时的电流透入深度δ冷与电流频率f（Hz）：钢的表面淬火类型感应加热频率感应加热层深度（mm）应用高频感应加热淬火70~1000KHz0.5~2表面质量好，脆性小——适于要求淬硬层深度较浅的中小零件（如小模数齿轮、轴类、链轮、高强度螺栓、螺母等）中频感应加热淬火500~10000Hz2~10适于要求淬硬层深度较深的大中零件（如大模数齿轮、尺寸较大的凸轮轴、曲轴等）工频感应加热淬火50Hz10~15适于大型工件（如轧钢机轧辊Ф>300mm）超音频感应加热淬火20~40KHz2以上适用于模数为3~6的齿轮，链轮、花键轴、凸轮等一、感应加热表面淬火钢的表面淬火一、感应加热表面淬火感应加热表面淬火的特点：

①加热速度快，生产率高。

②淬火后表层马氏体晶粒细小，硬度高。

③加热时不易产生氧化、脱碳及变形。

④表层存在残余应力，有较高的疲劳强度。

⑤感应淬火前应进行预备热处理（调质或正火），

感应淬火后应低温回火（一般不高于200℃），

表面为回火马氏体（55-58HRC），心部时预备热处理情况而定。

⑥设备昂贵，不适于单件生产。形状复杂零件的处理比较困难。

⑦最适于表面淬火处理的材料是碳含量为0.4%~0.5%的中碳钢。

钢的表面淬火一、感应加热表面淬火感应加热淬火件的常用工艺路线：

多用于中碳（合金钢）锻造→退火或正火→粗机械加工→调质或正火→精机械加工→感应加热淬火+低温回火→磨削钢的表面淬火二、火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧-乙炔气体或其它可燃气体（如天然气、煤气、石油气等）以一定的比例混合进行燃烧，形成强烈的高温火焰，将工件迅速加热到淬火温度，然后急冷，使工件表面获得要求的硬度和一定的硬化层深度，心部仍然保持原始组织的一种表面淬火方法。还原区温度最高（一般距焰心顶端2〜3mm处温度达最高值），应尽量利用这个高温区加热工件氧-乙炔焰结构及温度分布示意图1-焰心2-还原区3-全燃区钢的表面淬火二、火焰加热表面淬火优点：

设备简单，使用方便，成本低；不受工件体积大小的限制，可灵活移动使用；淬火后表面清洁，无氧化、脱碳现象，变形也小。旋转火焰淬火法示意图缺点：

表面容易过热；较难得到小于2mm的淬硬层深度，只适用于火焰喷射方便的表层上；所采用的混合气体有爆炸危险。钢的表面淬火三、高能束表面淬火高能束表面淬火及改性技术，包括高频脉冲、激光以及电子束表面淬火及离子注入等，具有效率高、能量高、质量高等优势，同时还有着低成本、节能、环保等特点，能够提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蚀性以及抗高温氧化性等性能，是满足高端零部件制备的重要技术途径。传统的表面淬火工艺虽已较为成熟且应用广泛，但是仍然存在处理周期长、能耗较大以及环境污染等问题，特别是在提高复杂零件表面性能方面已经不能满足日益增长的要求。钢的表面淬火三、高能束表面淬火1、脉冲加热表面淬火：目前主要指用高频脉冲加热，脉冲加热的感应线圈类似于高频加热感应器，它是以能量密度很高的能源对金属表面超高速加热，可在若干毫秒时间内加热到淬火温度，然后靠未加热的金属内部迅速热传导自激冷。但它受冲击能量的限制，不适用于大型零件的表面硬化，也不适用于导热性差的合金钢的表面硬化。2、激光加热表面淬火：激光具有高达106W/cm2的能量密度，可使金属表面在几十毫秒内升高到所需淬火温度。升温快，加热集中，停止照射时可以把热量迅速传至周围未被加热金属，不用冷却剂就达到自行淬火的效果，畸变很小，但激光加热受工件表面黑度影响。3、电子束加热表面淬火：与激光加热表面淬火相似，都是利用高能热源对金属工件的表面加热淬火的表面强化工艺。不同的是，电子束加热是利用电子流轰击金属表面，通过电子流和金属中的原子碰撞来传递能量进行加热的，其加热效率更高，工件表面无需特殊处理，但电子束系统需要有一定真空度，电子束加热的可控性较差。钢的渗碳第十章其他热处理热处理原理与工艺◆钢的表面淬火◆钢的渗碳◆钢的渗氮◆真空热处理◆形变热处理其他热处理化学热处理定义：将工件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的某一种或几种元素渗入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。特点：既改变表层组织，又改变表层的化学成分；

获得比表面淬火更高的表面硬度、耐磨性和疲劳强度；提高耐蚀性和高温抗氧化性。基本过程：加热、分解、吸收、扩散化学热处理化学热处理的历史十分悠久，其中渗碳技术最早可追溯到我国的战国时期。从工业革命到二十世纪，国内的材料科学发展在各个方面均与国际先进水平存在巨大差距。为了实现赶超跨越，必须把工业崛起作为根本，将科学技术创新放在第一位，只争朝夕，创新实干。应用：用于那些对表面有较高耐磨性要求，并承受较大冲击载荷的零件，如汽车变速箱齿轮、活塞销、摩擦片等重要零件。目的：ωc=0.1%~0.25%的低碳钢件表面得到ωc=1.0%~1.2%的高碳，再经淬火加低温回火处理使表面获得高硬度、高耐磨性（58~64HRC），而心部仍保持一定的强度及较高的塑性、韧性（30~45HRC）。渗碳钢：低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。定义：将钢件在渗碳介质中加热（900~950℃）并保温使碳原子渗入表层的化学热处理工艺。钢的渗碳锻造→正火→机械加工→渗碳+淬火+低温回火→精加工渗碳方法：气体渗碳法：将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。

渗剂：气体（煤气、液化气等）或有机液体（煤油、甲醇）

优点：质量高、效率高，劳动条件好

缺点：渗层成分与深度不易控制固体渗碳法：将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。

渗剂：木炭

优点：操作简单缺点：渗速慢，劳动条件差真空渗碳法：将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳优点：表面质量好，渗碳速度快缺点：成本高，碳积累在加热元件表面易造成短路钢的渗碳气体渗碳法：钢的渗碳（1）滴注式气体渗碳。一般釆用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体（如甲醇）产生的气体碳势较低，作为稀释气体；另一种液体（如丙酮）产生的气体碳势较高，作为富化气。改变两种液体的滴入比例，可使零件表面含碳量控制在要求的范围内。这种方法无须特殊设备，只要对现有井式渗碳炉稍加改装，配上一套测量控制仪表即可。所谓碳势指的是在一定温度下加热时，当炉气与工件的脱碳、增碳反应达到平衡时工件表面的碳含量。碳势决定了渗碳件表面可达到的碳含量，碳势越高，渗碳能力越强。碳势通常采用低碳钢箔片在该炉气中的平衡碳含量来表示。目前碳势的测定常采用露点仪、CO2红外仪、氧探头等方法。气体渗碳法：钢的渗碳（2）吸热式气氛渗碳。吸热式气氛是原料气（天然气、丙烷、液化石油气、城市煤气）与少于或等于理论空气需要量一半的空气，在高温及催化剂的作用下，不完全燃烧生成的气氛。用吸热式气氛进行渗碳时，往往采用吸热式气氛加富化气的混合气进行渗碳，其碳势控制靠调节富化气的添加量来实现。一般常用丙烷作富化气。由于吸热式气氛需要有特殊的气体发生设备，其启动需要一定的过程，一般适用于大批量生产的连续作业炉。连续式渗碳在贯通式炉内进行，贯通式炉一般分成四个区，对应于渗碳过程的四个阶段（加热、渗碳、扩散和预冷淬火）。不同区域要求气氛碳势不同，需分区控制。（3）氮基气氛渗碳。指以氮气为载体，添加富化气或其它供碳剂的气体渗碳方法。该方法具有能耗低、安全、无毒等优点，但渗碳气氛的可控性越差，其关键在于碳势的控制。随着高精度的渗碳气氛稳定性控制，氮基气氛渗碳技术将获得快速发展。渗碳工艺：渗碳温度：一般为900~950℃渗碳时间：视渗碳层深度（一般为0.5-2mm）而定，气体渗碳0.2~0.25mm/h渗碳缓冷后组织：

表层为P+网状Fe3CⅡ心部为F+P中间为过渡区钢的渗碳渗碳时间t（h）渗层深度d（mm）渗碳温度T（K）轴类件：（0.1-0.2)R（R为轴半径）齿轮：（0.1-0.3)m（m为模数）薄片件：（0.2-0.3)t（t为工件厚度）注：在图纸上应注明不要求渗碳的部位以防渗碳淬硬，或多留加工余量，最后再去除多余的渗层。渗层太薄引起表层疲劳剥落渗层太厚耐冲击载荷的能力降低钢的渗碳渗碳工艺：渗碳层的厚度：

►从表面到过渡层一半处的厚度；

►从表面到维氏硬度为550HV处的垂直距离（试验力9.807N，即1kgf）节省时间和成本，但晶粒粗，常用心部强度高，韧性较好，且晶粒细化但周期长、复杂、易变形氧化脱碳，少用◆预冷直接淬火：对于碳钢，预冷至略高于Ar3。对于多数合金钢，通常预冷温度在850~880℃之间。◆一次加热淬火：一般合金渗碳钢，常采用稍高于Ac3的温度（830~860℃）加热淬火。◆二次加热淬火：第一次淬火的加热温度应高于心部的Ac3，第二次淬火主要是为细化表层组织，温度选择稍高于表层的Ac1。钢的渗碳渗碳工艺：渗碳→淬火+150-190℃低温回火钢的渗氮第十章其他热处理热处理原理与工艺◆钢的表面淬火◆钢的渗碳◆钢的渗氮◆真空热处理◆形变热处理其他热处理钢的渗氮目的：

◆氮化后硬度很高（1000~1100HV），具有很高的耐磨性和热硬性。

◆渗氮层体积增大，造成表面压应力，疲劳强度大大提高。

◆氮化温度低，零件变形小。◆表面形成化学稳定性较高的氮化物层，耐蚀性好，在水中、过热蒸气和碱性溶液中很稳定。应用：适用于耐磨性、精度要求高的零件及耐热、耐磨及耐蚀件，如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。定义：在一定温度下（一般在Ac1以下，约520~600℃）使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

α相是N在α-Fe中的间隙固溶体γ’相是以Fe4N为基的固溶体

ε相是含氮范围很宽的化合物（Fe2~3N）钢的渗氮缺点：渗氮方法：2NH3→3H2十2[N]钢的渗氮气体渗氮：钢的渗氮气体渗氮装置示意图1-液氨瓶2-干燥箱3-压力表4-流量计5-进气管6-热电偶7-渗氮炉8-氨分解率计9-U压力计10-泡泡瓶将工件装入渗氮罐密封并在加热炉内加热，同时立即向渗氮罐内通入氨气，渗氮完成后随炉冷却，炉温降至200℃以下停氨，出炉、开箱。生产中常通过调节氨分解率控制渗氮过程。氨分解率计是利用氨气溶解于水而其分解产物不溶解于水的特性而制的。

氨分解率越低，通氮越多，氮势越高。气体渗氮：钢的渗氮（1）强化渗氮：以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为目的（2）防腐渗氮：以提高工件表面抗腐蚀性能为目的等温渗氮工艺两段渗氮工艺三段渗氮工艺渗氮钢的工艺路线：锻造—正火—粗加工—调质—精加工—去应力—粗磨—渗氮—精磨或研磨钢的渗氮38CrMoAl：用于制作高耐磨性、高疲劳强度和相当大的强度、处理后尺寸精度高的氮化零件，如仿模、气缸套、齿轮、高压阀门、镗杆、蜗杆、磨床主轴等。但尺寸较大的零件不宜采用。钢的渗氮感应加热淬火件的常用工艺路线：多用于中碳（合金钢）锻造→退火或正火→粗机械加工→调质或正火→精机械加工→感应加热淬火+低温回火→磨削渗碳工件的一般工艺路线：多用于低碳（合金钢）锻造→正火→机械加工→渗碳+淬火+低温回火→精加工渗氮零件的一般工艺路线：多用于中碳合金钢锻造→正火（或退火）→粗加工→调质→精加工→去应力退火→粗磨→氮化→精磨或研磨（要求高精度）钢的渗氮离子化学热处理

离子化学热处理是在低真空容器中，在炉壁（阳极）和工件（阴极）间施加直流高压，产生的辉光放电效应使目标气体电离，生成大量的正离子，离子在电场的作用下加速轰击位于阴极的工件，使工件表面产生升温、溅射、注入与扩散等物理化学反应，所需元素渗入工件，从而获得期望的渗层。离子化学热处理设备结构示意图优点：与传统热处理方式相比，离子化学热处理的渗速更快，可以在较低的温度下进行，热处理后的工件变形小，还能够更好地控制渗层的成分结构，得到高质量的渗层，在节能和环保等方面都有着明显的优势。离子化学热处理1.离子渗氮

离子渗氮时，把作为阴极的工件放在真空室，充以稀薄氮气或氢气、氮气的混合气体，在阴极和阳极之间加上直流高压后，产生大量的电子、离子和被激发的原子，它们在高压电场的作用下冲向工件表面，产生大量的热把工件表面加热，同时活性氮离子和氮原子被工件表面所吸附，并迅速扩散，形成一定厚度的渗氮层，氢离子则可以清除工件表面的氧化膜。

离子渗氮适用于所有钢种和铸铁，渗氮速度快，渗氮层及渗氮组织可控，变形极小，可显著提高钢的表面硬度和疲劳强度。离子化学热处理2.离子渗硫离子渗硫可以在金属表面生成具有润滑作用的硫化物层，有效降低摩擦系数，提高金属表面的抗擦伤性能和抗咬合性能，减少金属零件的磨损。

虽然离子渗硫层有着较好的润滑效果，但往往由于厚度太薄且硬度较低，在摩擦过程中容易损耗，难以长时间稳定发挥减摩耐磨的作用，因此，离子渗硫需要与其他表面处理技术相结合，通过增加基体的硬度来实现更好的摩擦学性能。真空热处理第十章其他热处理热处理原理与工艺◆钢的表面淬火◆钢的渗碳◆钢的渗氮◆真空热处理◆形变热处理◆离子化学热处理其他热处理真空热处理当金属的热处理过程是在真空中进行时就称为真空热处理。真空可以指压力小于正常一个大气压（负压）的任何气态空间。真空状态下负压的程度称为真空度。气压越低，真空度越高，反之，气压越高，真空度越低。根据真空度的大小，真空通常被分为:

低真空(10~10-2)×1333.3Pa、中真空(10-3~10-4)×1333.3Pa、

高真空(10-5~10-7)×1333.3Pa、超高真空＞10-8×1333.3Pa真空度还常用真空状态内水蒸气的露点来表示：真空热处理真空热处理几乎可实现全部热处理工艺，如淬火、退火、回火、渗碳、渗氮等，且在淬火工艺中可实现气淬、油淬、硝盐淬火、水淬等。优点：真空会对金属表面进行脱脂、分解金属表面氧化物、进行真空保护等，表面质量好，工作环境好，操作安全，没有污染和公害，其应用范围日益扩大；热效率高，可实现快速升温和降温，稳定性和重复性好。缺点：当真空度提高时，蒸气压高的金属（如Mn、Cr等）容易蒸发，损害钢材本身化学成分并污染其它金属表面，使零件之间或零件与料筐之间黏结，造成电气短路、材质改性等缺陷。此外，真空加热油淬会引起钢件渗碳，损害材料表面性能。真空热处理对于钢来说，真空退火的主要目的之一就是要求表面达到一定的光亮度。真空退火钢件的光亮度与真空度、退火温度和出炉温度有关。一、真空退火工具钢真空退火温度、真空度与光亮度的关系a）真空度2.7Pab）真空度2.7×10-2Pa真空热处理二、真空淬火

真空淬火加热主要靠辐射传热进行，在工件中引起的应力和变形与普通淬火相比要小。（1）真空气淬。气冷的冷速较小，价格较贵，有一定的应用。（2）真空油淬。真空油淬时，真空度越高，越有利于获得光亮表面，但会降低真空淬火油的冷却能力，因此，一般先在低压下加热，临淬火之前通入高纯度的保护气氛（惰性气体或氮气），增高压力再淬火。

★真空油淬时还应避免淬火油槽的油蒸气进入炉膛，以防发生爆炸。此外，真空容器内的通电导体在较高的电压下，会产生辉光放电现象，严重的会产生弧光放电，烧毁电热元件、隔热层等，造成重大事故和损失。真空热处理三、真空回火在真空中加热时，600℃以下升温相对缓慢，而回火温度大部分在此范围内，所以真空回火应在排气、升温后，立即通入惰性气体，利用惰性气体进行强制对流传热。真空热处理四、真空渗碳和常规气体渗碳相比，真空渗碳具有一系列优点，如在渗层中不会出现内氧化和反常组织等缺陷，工件表面光亮，渗速快，易于实现离子渗碳和高温渗碳。真空渗碳后再施行高压气淬，可有效减少渗碳淬火的钢件变形。真空渗碳的工艺曲线1—抽真空2—升温脱气3—均热4—渗碳及扩散5—淬火加热（细化晶粒）6―淬火冷却真空热处理五、真空渗氮

真空渗氮是使用真空炉对钢铁零件进行整体加热，充入少量气体，在低压状态下产生活性氮原子向钢中渗入并扩散而实现硬化。

真空渗氮处理后，渗层中的化合物层是ε单相组织，没有其它脆性相，硬度高，韧性好，分布均匀，耐磨性高，抗摩擦烧伤、抗热咬合等性能都很优异，但这种化合物层易使锻模在锻造初期引起龟裂，在焊接修补时易生成针孔。

也可通过对送入炉内的含活化物质的复合气体的种类和量进行控制，得到几乎没有化合物层而只有扩散层的组织，适用于实施高温回火的热作模具。但仅有扩散层组织时，模具的抗咬合性、耐熔敷、熔损性能不够好。形变热处理第十章其他热处理热处理原理与工艺◆钢的表面淬火◆钢的渗碳◆钢的渗氮◆真空热处理◆形变热处理其他热处理形变热处理形变热处理是将形变强化和相变强化相结合的一种综合强化工艺。轧制、锻造、挤压、拉拔等共析分解、马氏体相变、脱溶等先形变后相变在相变过程中进行形变在某两种相变之间进行形变它利用金属材料在形变过程中组织结构的改变影响相变过程和相变产物，以得到所期望的组织与性能，广泛应用于生产金属板材、带材、管材、丝材以及各种零件如板簧、连杆、叶片、工具、模具等。形变热处理1.

形变对母相的作用

形变使相变前的母相组织结构甚至成分都发生变化，形变后或形变过程中的相变在相变动力学和相变产物的类型、形貌等方面都不同于一般热处理，从而得到良好的性能。当在再结晶温度以上形变（高温形变）时，道次形变量如超过再结晶临界变形量，则母相发生再结晶，晶粒得到细化。若进行多道次形变，则发生多次再结晶，母相的晶粒显著细化；当在再结晶温度以下形变（低温形变）时，母相不发生再结晶，仅产生大量晶体缺陷，或仅发生回复过程，形成多边化亚结构；当形变诱发母相析出第二相时，析出的第二相又与位错交互作用，使母相的成分与结构皆发生变化。

一、形变在热处理中的作用形变热处理

一、形变在热处理中的作用2.

形变对铁素体-珠光体型相变的作用

形变后发生了再结晶的细奥氏体晶粒，可使冷却转变后的铁素体也得到相应细化。

形变后未发生再结晶的奥氏体，含有大量晶体缺陷，可以为铁素体的转变提供大量形核位置，并使铁素体形核的热激活过程更容易进行。

因此，上述两者均可使转变后的铁素体晶粒细化。此外，形变的奥氏体加速扩散过程，从而加速铁素体转变速度，提高铁素体形成的温度。形变热处理

一、形变在热处理中的作用3.

形变对淬火时马氏体、贝氏体转变的作用

再结晶的奥氏体仅能细化所转变的马氏体或贝氏体组织，而形变未再结晶的奥氏体对马氏体和贝氏体转变的作用却是多方面的：1）奥氏体含有大量晶体缺陷，阻碍马氏体、贝氏体晶体长大，使组织细化。2）奥氏体中的缺陷被马氏体或贝氏体继承，位错密度提高。3）形变诱发析出第二相降低奥氏体中碳和合金元素的含量，减少孪晶马氏体，增多板条状马氏体的数量。4）形变诱发析出的第二相质点钉扎了奥氏体已有的可动位错，进一步形变时会促进奥氏体增殖出大量新位错，提高转变后的马氏体或贝氏体的位错密度。5）高位错密度的马氏体在回火后得到的回火马氏体中碳化物质点更细小，分布更均匀。马氏体组织的细化、孪晶马氏体的减少以及回火时均匀的碳化物分布，都是形变淬火钢韧性好的原因。形变热处理

一、形变在热处理中的作用4.形变诱发马氏体相变在Ms点以上一定温度范围内进行形变，会促使奥氏体在形变温度下发生马氏体转变，这种因形变而促成的马氏体称为“形变诱发马氏体”。产生形变诱发马氏体的温度最高上限称为形变诱发马氏体开始转变点，用Md表示。Md温度高于Ms温度，即在Md~Ms温度范围内通过形变就能诱发奥氏体发生马氏体相变。

形变诱发马氏体可提高钢的强度，更重要的是，在奥氏体基体中的应力集中会由于形变诱发马氏体而得以弛豫，从而避免微裂纹的产生与扩展，提高钢的塑性。形变热处理

一、形变在热处理中的作用形变热处理的优点：形变热处理是在Ms点以上温度经塑性变形后，立即利用余热进行热处理，达到形变强化与相变强化的双层强化的效果，得到比单一强化更高力学性能的一种热处理工艺；节省工序，减少能源消耗，减少钢材的热处理缺陷，提高零件的产品性能；与普通热处理相比，形变热处理可使金属材料达到更好的强度与韧性配合；有些钢，特别是微合金化钢，唯有釆用形变热处理才能充分发挥钢中合金元素的作用，得到强度高、塑性好的性能；应用范围很广，各种钢和有色金属均可进行形变热处理。形变热处理二、形变热处理的分类a）高温形变淬火b）高温形变正火c）高温形变等温淬火d）低温形变淬火e）低温形变等温淬火f）相变中形变的形变热处理g）珠光体的冷形变h）珠光体的温加工i）回火马氏体的时效形变热处理二、形变热处理的分类1.

相变前形变的形变热处理（1）高温形变热处理高温形变淬火是将钢加热至奥氏体稳定区进行形变，随后淬火获得马氏体组织，包括锻后余热淬火、热轧淬火等。一般高温形变淬火可使强度提高10%~30%时，塑性提高40%~50%，冲击韧性成倍增长。高温形变正火的加热和形变条件与高温形变淬火相同，但随后采取空冷或控制冷却获得铁素体+珠光体或贝氏体组织，这种工艺又叫“控制轧制”。这种工艺可显著提高钢的强韧性，大大降低钢的韧脆转化温度。高温形变等温淬火是采用与前两者相同的加热和形变条件，但随后在贝氏体区等温，获得贝氏体组织。这种等温贝氏体组织被明显细化，并继承了高温形变热处理形成的位错，其性能比普通贝氏体要优越得多。形变热处理二、形变热处理的分类1.

相变前形变的形变热处理（2）低温形变热处理低温形变淬火是将钢奥氏体化后快速冷却至亚稳奥氏体区，在具有最长转变孕育期的温度（500~600℃）进行形变，然后淬火获得马氏体组织。这种热处理在保证一定塑性的条件下，大幅度地提高强度，适用于强度要求很高的零件，如火箭壳体、飞机起落架、炮弹壳、模具和冲头等。低温形变等温淬火是采用与上者相同的加热和形变条件，随后在贝氏体区进行等温淬火，获得贝氏体组织。采用这种工艺可以得到塑性较高的钢，适用于热作模具及高强度钢制造的小零件。形变热处理二、形变热处理的分类2.

相变中形变的形变热处理（1）等温形变热处理等温形变热处理是将钢加热到Ac3温度以上奥氏体化，然后迅速冷却至Ac1以下亚稳奥氏体区，在某一温度同时进行形变和相变（等温转变）的工艺。根据形变和相变温度的不同，等温形变热处理可分为获得珠光体的等温形变处理和获得贝氏体的等温形变处理。前者在提高强度方面的效果并不显著，但可大大提高冲击韧性，降低韧脆转变温度。后者在提高强度方面的效果要比前者显著得多，而塑性却与之相近，主要适用于通常进行等温淬火的轴、小齿轮、弹簧、链结等小零件。形变热处理二、形变热处理的分类2.

相变中形变的形变热处理（2）马氏体相变过程中的形变热处理利用钢中奥氏体在Md~Ms之间形变诱发马氏体而获得强化。这种工艺也可以在室温诱发马氏体形变，利用相变诱发塑性（TransformationInducedPlasticity，简称TRIP）现象使钢件在使用中不断发生马氏体转变，从而兼有高强度和超塑性。具有这种特性的钢被称为变塑钢。

这种钢一般在成分设计上保证了其在经过特定的加工处理后Ms点低于室温，Md点高于室温，这样钢在室温使用时才可具备本种特性。形变热处理二、形变热处理的分类3.

相变后形变的形变热处理（1）珠光体的冷形变。钢丝坯料经过奥氏体化后，通过铅浴等温分解得到细密而均匀的珠光体组织，随后进行冷拔。铅浴温度越低，冷拉变形量越大，冷拔钢丝的强度就越高。（2）珠光体的温加工。加工珠光体轴承钢