第三章热处理

1、第一节 概 述 第二节 钢的热处理原理 第三节 钢的热处理工艺,第三章 钢的热处理,公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢 的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕 下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体 存在，说明是经过淬火的。,早在公元前770前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。,随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火 质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打 制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中 国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意 了

2、油和尿的冷却能力。,中国出土的西汉(公元前206公元24)中山靖王墓中 的宝剑,心部含碳量为0.150.4%，而表面含碳量却达 0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手 艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。,1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。,法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英 国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初 步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热 处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程 中金属的氧化和脱碳

3、等。,18501880年，对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。18891890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。,19011925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；,20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。,第一节 概 述,钢铁材料的强韧化途径： 1. 对钢铁材料实施热处理； 2. 调整钢的化学成分，加入合金元素，改善钢

4、的性能。,时间,温度,临界温度,热 加,保温,冷 却,热处理只改变材料组织性能，而不改变其形状和大小。 基本过程为：加热-保温-冷却,热处理的工艺曲线,热处理的作用： 1.消除原材料在冶金和机械制造过程中所产生的缺陷，并改善工艺性能； 2.提高工件的机械性能，以满足使用要求。 零件经适当热处理后，可以提高强度和硬度，增强耐磨性或改善塑性，切削加工性等。,热处理的应用： 1.机床制造中占：60-80%； 2.汽车、拖拉机制造中占：70-80%； 3.各类工具、模具等几乎占100%。,热处理方法,热处理,普通热处理,表面热处理,特殊热处理,表面淬火,化学热处理,火焰加热,感应加热(高、中、低频),

5、第二节 钢的热处理原理,一、钢的热处理相变温度,加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等； 把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。,钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。,二、 加热时钢的组织转变,1. 奥氏体的形成过程 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。,以共析钢的奥氏体形成过程为例,1）奥氏体形核：奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体的界面上形成。,2）奥氏体晶核长大： 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不断溶入到奥氏体中去而进行的。,4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，

6、奥氏体的成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩散才能获得均匀化的奥氏体。,3）残留渗碳体的溶解： 铁素体全部消失以后，仍有部分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。,亚共析钢的加热过程：,过共析钢的加热过程：,2、奥氏体晶粒大小及其控制,1）晶粒大小的表示方法 晶粒大小采用的是与标准金相图片（标准评级 图）相比较的方法来评定晶粒大小的级别。通常 将晶粒大小分为8级，1级最粗，8级最细。通常 14级为粗晶粒度，58级为细晶粒度。,c. 钢的化学成分 大多数合金元素能阻止奥氏体晶粒长大，有利于得 到细晶粒钢。 Mn和P是促进奥氏体晶粒长大的

7、元素，须严格控制加 热温度。,b. 加热速度 加热速度越快，过热度越大，奥氏体实际形成温度 越高，可获得细小的起始晶粒。,2）奥氏体晶粒大小的控制 a.加热温度与保温时间 加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。,三、冷却时钢的组织转变,1、钢的冷却方式 热处理时常用的冷却方 式有两种：一是等温冷却 （常用于理论研究）；二是 连续冷却（常用于生产）。,过冷奥氏体等温冷却曲线,C曲线反应 了“温度时间转变量”的关系，所以又称为TTT图。 （Temperature-TimeTransformation Diagram）。,曲线的左边一条线为过冷奥氏体转变开始线；右边一条线为过冷奥氏体转变终了

8、线。该曲线下部还有两条水平线，分别表示奥氏体向马氏体转变的开始温度Ms线和转变结束温度Mf线。,过冷奥氏体等温冷却曲线曲线分析,在C曲线中，在不同过冷奥氏体开始出现组织转变的时间不同，这段时间称为“孕育期”。其中，以C曲线最突出处（凸点）所对应的温度孕育期最短。,过冷奥氏体等温冷却曲线形似“C”字，故俗称C曲线，反应了“温度时间转变量”的关系，所以C曲线又称为TTT图（Temperature-TimeTransformation Diagram）。,3. 过冷奥氏体的连续冷却转变,C曲线反应了过冷奥氏体等温转变的全貌，但在实际生产中，钢的热处理大多是采用连续冷却，因此，测出奥氏体的连续冷却曲线

9、，即CCT图（右图阴影部分），有很大的现实意义。,Continuous Cooling Transformation Diagram,临界冷却速度：是指使奥氏体在冷却过程中直接转变成 马氏体而不发生其它转变的最小冷却速度，即临界淬火 速度。,一般零件的加工路线： 毛坯（铸、锻）预先热处理切削加工最终热处理磨削加工。 预先热处理：退火、正火。 最终热处理：淬火、回火。,第三节 钢的热处理工艺,1、概念：将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后在炉中缓慢地冷却的热处理工艺。,2、目的： 1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能； 2）细化晶粒，消除组织缺陷； 3）消除内应力 。,一、退火,3、分类： 根

10、据钢的成分和处理目的的不同，可分为完全退火、球化退火和去应力退火。 （1）完全退火 1、定义：将钢加热Ac3以上3050C ，完全奥氏体后，保温一定时间随之缓慢冷却到500C以下，出炉空冷。 2、目的：细化晶粒，消除内应力，降低硬度，以利于切削加工。 3、适用范围：亚共析钢型材。,（2）球化退火 1、定义：将钢加热到Ac1以上2030 C ，保温后随炉缓冷至600 C，出炉空冷。 2、目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。 3、适用范围：主要用于过共析钢及合金工具钢。,（3）去应力退火 1、定义：将钢加热到500-600 C，保温后随炉缓冷至200-300 C出炉空冷。又称低温退火。 2

11、、目的：消除铸件、锻件和焊接件的内应力 。（没有发生组织变化） 3、适用范围：用于所有的钢。,1、概念： 将钢件加热到Ac3或Accm线以上3050 C ，保温适当的时间后，在空气中冷却的热处理工艺。,2、目的： 1）对低碳钢，可细化晶粒，提高硬度，改善加工性能； 2）对中碳钢，可提高硬度和强度，作为最终热处理； 3）对高碳钢，可为球化退火作准备 。,二、正火,退火、正火主要目的： 消除前工序的组织缺陷，细化晶粒，提高钢的力学性能。 调整硬度以利于切削加工。 消除残余内应力，防止工件变形。 为最终热处理做好组织上准备,各种退火和正火的一般加热范围,正火和退火的区别： 正火冷却速度比退火稍快，组

12、织较细，强度、硬度比退火高。 正火操作简单，成本较低，生产率较高。 正火和退火的选择： 切削加工性。 使用性能 。 经济性。,三、 淬 火,淬 火将钢加热到Ac1或Ac3以上，保温一定时 间，然后快速冷却以获得马氏体组织的热处 理工艺称为淬火。 目的：获得马氏体组织，从而提高钢的硬度和耐磨 性。,1. 淬火温度的选择,2. 淬火冷却介质,3. 淬火冷却方法,为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。,通常的淬火方法 包括单液淬火、 双液淬火、分级 淬火和等温淬火 等，如图所示。,淬火方法 （1）单液淬火 形状简单的碳钢件在水中淬火，合金钢和

13、 小尺寸碳钢件在油中淬火 （2）双液淬火形状复杂的高碳钢工件和尺寸较大的合金钢件 （3）分级淬火尺寸较小、形状复杂工件的淬火 （4）等温淬火形状复杂，尺寸要求较精确，强韧性要求较高的小型工模具及弹簧等的淬火,四、 回 火,1.回火把淬火后的钢件，重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。,2.目的： 1）降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形开裂。 2）获得工件所需要的力学性能。 3）稳定工件尺寸。 4）改善某些合金钢的切削性能。,回火的目的是降低淬火应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具

14、、滚动轴承和渗碳件等。（一般为58HRC64HRC ）,3. 回火的种类：,1）低温回火（150250）,3. 回火的种类：,3）高温回火（500650）,回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。一般把淬火加高温回火的热处理称为“调质处理”。适用于中碳结构钢制作的曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等重要机器零件。（28HRC33）,1.表面淬火 目的：表层有较高硬度、耐磨性，而心部保持着原来的塑性、韧性。 目前生产中常用感应加热，其次是火焰加热。 通常：淬火前正火或调质，淬火后低温回火。 常用于中碳钢、中碳低合金钢、高碳工具钢、铸铁等，硬度可比普通淬火高23HRC,五、