工程材料及热加工—钢的热处理工艺

1、热处理工艺,一、钢的退火与正火 二、钢的淬火 三、钢的回火 四、钢的表面热处理,一、钢的退火与正火 在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预备热处理工序，即安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序作准备。 目的： 调整硬度以便切削； 消除内应力减少变形； 细化晶粒，改善组织，提高力学性能； 为最终热处理做好组织准备。,1、退火 1.1定义：将钢加热至适当的温度，保持一定时间后缓慢冷却至550以下空冷，以获得接近平衡组织的热处理工艺。 1.2分类：退火的种类很多，根据加热温度可分为两大类：一类是在临界温度（Ac1或Ac3）以上的退火

2、，又称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火等； 另一类是在临界温度以下的退火，包括再结晶退火及去应力退火等。,完全退火 工艺：是将亚共析钢加热到Ac3以上30 50，保温，后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。 应用：亚共析成分的各种碳钢和合金钢。 等温退火 工艺：将亚共析钢钢加热到Ac3以上30 50或将过共析钢加热至Ac1以上30 50 ，保温后快冷到Ar1以下的某一温度，并停留至相变结束出炉空冷。 应用：所有钢。 球化退火 是不完全退火的一种，通常的加热温度是Ac1以上2030, 使二次渗碳体转变为球状或粒状，然后随炉缓冷至略低于Ar1保温，使P中渗碳体球

3、化，再出炉空冷。 主要用于过共析的碳钢及合金工具钢。近年来球化退火应用于亚共析钢也取得成功。,扩散退火 是指将钢加热到Ac3或Accm以上150300，长时间保温，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。 实质是使钢中的各元素在奥氏体中进行充分扩散，达到成分均匀化。 再结晶退火 是指将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保温适当时间后，使变形晶粒转变为无应变的等轴新晶粒，从而消除加工硬化和残余内应力的热处理工艺。 去应力退火 又称为回复退火，其加热温度范围很宽，通常是在再结晶温度以下。,2、正火 工艺：将钢件加热到Ac3或Accm以上，保温一定时间后，在空气中冷却得到细片状珠光体组织(S)的热处理工艺。

4、正火与退火的明显差异是正火冷却速度稍快。 应用：低碳钢提高硬度；中碳钢正火带退火；高碳钢消除网状碳化物。,二、钢的淬火 定义：是将钢件加热到Ac1或Ac3以上保温一定时间后，快速冷却（通常大于临界冷却速度Vc），以得到马氏体（或下贝氏体）组织的热处理工艺。 目的： 获得马氏体，提高钢的硬度和耐磨性。 是强化钢材的最重要的手段。,2.1淬火温度 淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后得到细小的马氏体组织。 对于亚共析钢通常加热到Ac3以上3050 对共析钢和过共析钢为Ac1以上3050。（未溶Fe3C阻止晶粒长大；提高硬度、耐磨性）,2.2淬火冷却 2.2.1理想的冷却

5、速度 冷却是淬火工艺的另一个重要因素，由C曲线可知，最好是鼻尖处快冷，而在Ms点附近和鼻尖以上应尽量慢冷。,2.2.2淬火冷却介质 最常用的是水、盐水、油、熔盐。 水：形状简单、截面尺寸较大的碳钢。（高温慢，低温快） 盐水：高温快，低温快。 油：合金钢或小尺寸碳钢件。 （高温太慢，低温慢） 熔盐（盐浴）：形状复杂、变形要求严格的件。最接近理想冷却介质。,2.2.3淬火方法 单液淬火：在一种介质中连续冷却获得马氏体。 操作简单，易于自动化，易于产生缺陷，适 用于形状简单的小件。 双液淬火：先后在两种介质中冷却。 操作复杂，难以控制。 分级淬火:淬入稍高于Ms的介质中，待内外温差一致后 取出，缓冷

6、得到马氏体。 减少应力和变形，适用于小件。 等温淬火：淬入稍高于Ms的介质中，等温转变为下B。 强度高，塑性、韧性好，应力小，变形小， 多用于形状复杂、要求高的工件。,2.2.4钢的淬透性 定义：淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。它是钢的固有属性，也是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。,影响因素：钢的临界冷却速度； 过冷奥氏体的稳定性。 评定方法：用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度或临界淬透直径(Dk)来表示。 淬透层的深度定义为由表面至半马氏体区的深度。半马氏体区的组织是由50%马氏体和50%分解产物所组成。 指圆柱状钢试样在规定的淬火介质中能全部淬透的最大直径。当冷却介质一定时，

7、Dk愈大，淬透性愈好。 测定方法：最常用的方法是末端淬火法，简称为端淬法。,意义： 截面较大或形状复杂及受力特殊的零件（各类齿轮、轴类），希望整个截面都能被淬透，从而保证零件在整个截面上的机械性能均匀一致。选用淬透性较高的钢即能满足这一要求。（如果钢的淬透性低，零件整个截面不能全部淬透，则表面到心部的组织不一样，机械性能也不相同，心部的机械性能，特别是冲击韧性很低）,对于形状复杂、要求淬火变形小的工件，如果选用淬透性较高的钢，就可以在较缓和的介质中淬火，因而工件变形较小。 但是并非任何工件都要求选用淬透性高的钢，在有些情况下反而希望钢的淬透性低些。（例如表面淬火用钢就是一种低淬透性钢，淬火时只

8、是表面层得到马氏体。焊接用的钢也希望淬透性小，目的是为了避免焊缝及热影响区在焊后冷却过程中得到马氏体组织，从而防止焊接构件的变形和开裂） 淬透性与淬硬性的区别：后者是指钢淬火后形成的淬火态组织（由马氏体和残余奥氏体相组成）所能达到的硬度，显然，它取决于马氏体的含碳量和残余奥氏体的数量。,2.2.4钢的淬火变形和开裂 淬火变形：起因为淬火冷却过程中产生的内应力（热应力、相变（组织）应力） 热应力：由温差而导致的热胀和冷缩不一致引起的。 相变应力：冷速不一致而导致相变不一致引起的。 淬火开裂：内应力超过工件的强度极限。,三、钢的回火 定义：是将淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后

9、冷却至室温的一种热处理工艺。 目的： 减小或消除淬火应力； 提高钢的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能； 稳定组织和工件尺寸。 分类及应用： 低温回火(150250) 组织为回火马氏体。 （ 5864HRC ） 部分降低钢中残余应力和脆性，而保持钢在淬后所得到的高强度、硬度和耐磨性。 广泛应用于工具、量具、滚动轴承、渗碳工件以及表面淬火工件等。,中温回火(350500) 组织为回火屈氏体。（ 3545HRC ） 经中温回火后是具有极高的弹性极限和良好的韧性。 用于各种弹性元件及热锻模具的处理。 高温回火(500650) 组织是回火索氏体。 （ 2535HRC ） 通常将淬火加高温回火相结合的热

10、处理工艺称为调质处理。 经调质处理后钢的强度、塑性和韧性具有良好的配合，即具有较高的综合机械性能。因而，调质处理被广泛应用于中碳结构钢和低合金经构钢制造的各种重要的结构零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓以及轴类等。,回火脆性 低温回火脆性： 发生在250400。 不可逆回火脆性 对策：避免 高温回火脆性： 发生在500650。 可逆回火脆性 对策：快冷,四、钢的表面热处理 定义：指仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。 特点：只对一定深度表层进行强化，而心部基本保持处理前的组织性能，可以获得强度硬度韧性三者较满意的配合。 分类：一般分为：表面淬火和化学热处理 1、表面淬火 1.

11、1定义:是通过快速加热使钢件表面达到临界温度（Ac1或Ac3）以上，不等热量传到工件内层就迅速予以冷却，只使表面被淬硬为马氏体，而内层仍为塑韧性良好的调质态组织。 1.2分类：根据加热方法不同，可分为感应加热、火焰加热、激光加热、电子束加热表面淬火等工艺。,1.3感应加热表面淬火 定义：利用在交变电磁场中工件表面产生的感生电流将工件表面快速加热，并淬火冷却的一种热处理工艺。 原理和工艺方法：是将钢件放入由紫铜管制作的与零件外形相似的感应圈内，随后将感应圈内通入一定频率的交变电流，这样在感应圈内外产生相同频率的交变磁场，同时，在零件表面也产生频率相同，方向相反的感生电流，该电流在工件表面（集肤效

12、应）形成封闭回路，称为“涡流”。由此产生的热效应将零件表快速加热到淬火温度，随即喷水冷却，使工件表面获得马氏体组织。 特点： 加热速度快，温度高，晶粒细； 硬度高，变形小，不易脱碳； 易于自动化。,1.4火焰加热表面淬火 工艺方法：是利用可燃气体（如乙炔）的火焰将工件表面快速加热到淬火温度，然后立即用水喷射冷却，通过控制火焰喷嘴的移动速度可获得不同厚度的淬硬层。 此法适于单件或小批量零件的表面淬火。,1.5 激光加热表面淬火 是将激光器产生的高功率密度（103105W/cm2）的激光束照射到工件表面上，使工件表面被快速加热到临界温度以上，然后移开激光束，利用工件自身的传导将热量从工件表面传向心

13、部而达到自冷淬火。 1.6电子束加热表面淬火 当高速的电子流轰击工件表面时，电子可射入表面一定深度，电子的动能转化为热能使工件的表层快速加热到临界温度以上，电子束移开后工件自冷淬火的热处理工艺。电子流射入深度取决于加速电压的高低。例如，对钢铁材料，电子的加速电压为120KV时，其射入深度约为40m。,2、化学热处理 定义：将钢件放入一定的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面，使表面化学成分发生变化，从而改变金属表面组织和性能工艺过程。 目的：心部具有足够的强度和韧性，而表面具有高的硬度和耐磨性；提高疲劳性能；提高表面抗蚀性、耐热性等。 方法：渗碳、渗氮、碳氮共渗等,2.1渗碳

14、定义：渗碳通常是指向低碳钢制造的工件表面渗入碳原子，使工件表面达到高碳钢的含碳量。 目的：使工件在热处理后表面具有高硬度和高的耐磨性，而心部仍保持低碳钢良好的塑、韧性。 工艺：依所用渗碳剂的不同，钢的渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。 最常用的是气体渗碳，其工艺方法是将工件放入密封的加热炉中，加热到临界温度以上（通常为900950）按一定流量滴入液体渗碳剂（如煤油、甲醇和丙酮），并使之分解, 分解产物有CnH2n和CnH2n+2, 在钢的表面发生如下的反应 CnH2n nH2 + nC CnH2n+2 (n+1) H2 + nC 从而提供活性碳原子，吸附在工件表面并向钢的内部扩散而进行渗碳。,2.2氮化 定义：与渗碳相似，钢的氮化是指向钢的表面层渗入氮原子