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第3章钢的热处理工艺n热处理方法热处理普通热处理表面热处理特殊热处理退火正火淬火回火表面淬火化学热处理火焰加热感应加热渗碳氮化碳氮共渗其他形变真空其他§3.1钢的退火与正火3.1.1钢的退火退火是将组织偏离平衡状态的钢加热到适当的温度，经保温后随炉缓慢冷却下来，以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。一、完全退火Ø工艺：把钢加热至Ac3以上20℃～30℃,保温一定时间后缓慢冷却(随炉冷却或埋入石灰和砂中冷却),以获得接近平衡组织（完全奥氏体化）的热处理工艺。Ø目的:n均匀化学成分和组织，细化晶粒，提高力学性能；n调整硬度，改善切削加工性能。n消除内应力。Ø适用范围：完全退火主要适用于含碳量为0.25%～0.77%的亚共析成分的碳钢、合金钢和工程铸件、锻件和热轧型材。二、等温退火n将钢件或毛坯加热至Ac3(或Ac1)以上20℃～30℃，保温一定时间后，较快地冷却至过冷奥氏体等温转变n曲线“鼻尖”温度附近并保温(珠光体转变区)，使奥氏体转变为珠光体后，再缓慢冷却下来，这种热处理方式为等温退火。n等温退火的目的与完全退火相同，但是等温退火时的转变容易控制，能获得均匀的预期组织，对于大型制件及合金钢制件较适宜，可大大缩短退火周期。三、球化退火Ø工艺：球化退火是将钢件或毛坯加热到略高Ac1的温度，经长时间保温，使钢中二次渗碳体自发转变为颗粒状(或称球状)渗碳体，然后以缓慢的速度冷却到室温的工艺方法。Ø目的：使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化（退火前正火将网状渗碳体破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并为以后的淬火作组织准备。Ø适用范围：球化退火主要适用于碳素工具钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢和合金工具钢等共析钢和过共析钢(含碳量大于0.77%)。Ø组织：球状珠光体。四、扩散退火Ø工艺：一般在Ac3或Accm以上150～300℃，长时间保温（10h以上），随炉缓冷。Ø目的：减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性。Ø由于扩散退火加热温度高，因此退火后晶粒粗大，可用完全退火或正火细化晶粒五、去应力退火（低温退火）Ø工艺：一般是将工件随炉缓慢加热至500～650℃，经一段时间保温后随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。Ø目的：消除因变形加工及铸造、焊接过程中引起的残余内应力，以提高工件的尺寸稳定性，防止变形和开裂。因去应力退火温度低、不改变工件原来的组织，故应用广泛。六、再结晶退火Ø工艺：钢材的再结晶退火温度为650～700℃。经一段时间保温后随炉缓慢冷却。Ø目的：消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。各种退火和正火工艺示意图3.1.2钢的正火正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)和Accm(过共析钢)以上30～50℃，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却到室温，以得到珠光体类型组织的热处理工艺。Ø目的：Ø1.作为最终热处理Ø2.作为预备热处理Ø3.改善切削加工性能§3.2钢的淬火3.2.2淬火及其目的淬火是指将钢加热到临界温度以上，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。目的：获得马氏体组织。3.2.2淬火工艺1、淬火加热温度淬火加热温度的选择应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却后获得细小的马氏体组织。亚共析钢：Ac3以上30～50℃；过共析钢：Ac1以上30～50℃。钢的淬火加热温度2、淬火保温时间淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温上升到淬火温度时算起，直到出炉为止所需要的时间。保温时间包括工件透热时间和组织转变所需的时间。3、淬火冷却介质理想的冷却介质应保证工件得到马氏体，同时变形小、不开裂。常用的淬火冷却介质是水和油。水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。3.2.3淬火方法淬火方法的选择，主要以获得马氏体和减少内应力、减少工件的变形和开裂为依据。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。不同淬火方法示意图1—单液淬火2—双液淬火3—分级淬火4—等温淬火3.2.4钢的淬透性n淬透性是钢的主要热处理性能。n是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。1、淬透性的基本概念淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。其大小是用规定条件下淬硬层深度来表示。淬硬层深度是指由工件表面到半马氏体区(50%M+50%P)的深度。淬硬性是指钢淬火后所能达到的最高硬度，即硬化能力。n淬硬性主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越高。n淬透性主要取决于钢的临界冷却速度。过冷奥氏体越稳定，临界淬火速度越小，钢在一定条件下淬透层深度越深，则钢的淬透性越好。2、淬透性的测量方法末端淬火法淬透性值通常用表示，J表示末端淬透性，d表示至末端的距离，HRC表示在该处测得的硬度值。3、淬透性的实际意义n齿轮类、轴类零件，希望整个截面都能被淬透，从而保证零件在整个截面上的力学性能均匀一致，此时应选用淬透性较高的钢种制造。n承受弯曲或扭转载荷的轴类零件，其外层承受应力最大，轴心部分应力较小，因此选用淬透性较小的钢。n表面淬火用钢、焊接用钢应采用低淬透性钢。4、影响淬透性的因素凡能增加过冷奥氏体稳定性的因素，或者说凡是使C曲线位置右移，减小临界冷却速度的因素，都能提高钢的淬透性，反之则降低其淬透性。（1）含碳量：在碳钢中，共析钢的淬透性最好；（2）合金元素：除钴和铝（＞2.5％）以外，其余合金元素溶于奥氏体后，都能增加过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，降低淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。（3）奥氏体化条件：奥氏体化温度越高，保温时间越长，钢的淬透性越好。（4）钢中未溶第二相：钢加热奥氏体化时，未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其他非金属夹杂物，会成为奥氏体分解的非自发形核核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。5、淬火缺陷n内应力n变形n开裂n过热、过烧n氧化、脱碳§3.3钢的回火n定义：将淬火后的钢件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间后冷却至室温的热处理工艺叫回火。n目的：淬火钢件经回火可以减少或消除淬火应力，稳定组织，提高钢的塑性和韧性，从而使钢的强度、硬度和塑性、韧性得到适当配合，以满足不同工件的性能要求。3.3.1回火温度n1.低温回火温度：150～250℃。n低温回火时，淬火马氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小。n目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(58HRC～64HRC)和高耐磨性。低温回火后组织：●亚共析钢淬火、低温回火后组织回火马氏体(回火M)●过共析钢淬火、低温回火后组织回火马氏体＋碳化物＋残余奥氏体ü应用：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、滚动轴承和渗碳件等。2.中温回火温度：350～500℃。目的：具有高的弹性极限、较高的强度和硬度、良好的塑性和韧性。组织：回火屈氏体组织。n具有高的弹性极限和屈服强度、一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。应用：各种弹性元件,弹簧。3.高温回火温度：500～650℃。性能：高温回火使工件的强度、塑性、韧性有较好地配合，即具有高的综合力学性能组织：回火索氏体组织。(回火S)：粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织。n回火索氏体综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都比较好，硬度一般为25HRC～35HRC。应用：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。n淬火+高温回火叫调质处理。3.3.2回火保温时间回火保温时间应保证工件透热，同时保证组织转变充分进行。一般可参考下列公式确定：tk＝Kh＋Ah×D式中tk——回火保温时间（分）；Kh——回火保温时间基数（分）；Ah——回火保温时间系数（分/毫米）；D——工件有效厚度（毫米）3.3.3回火后的冷却一般在空气中冷却。对于一些重要的机器零件和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢冷却的方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。§3.4钢的表面热处理n表面淬火n化学热处理工艺的核心:使零件具有“表硬里韧”的力学性能。3.4.1表面淬火定义:仅对钢的表面快速加热、冷却，把表层淬成马氏体，心部组织不变的热处理工艺。工艺特征:通过快速加热使钢的表层奥氏体化,然后急冷,使表层形成马氏体组织,而心部仍保持不变。主要目的是使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持足够的塑性和韧性。表面淬火用钢:选用中碳或中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。表面淬火加热的方法:感应加热(高、中、工频)、火焰加热、电接触加热法、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。1.感应加热表面淬火1)感应加热的基本原理:感应圈通交流电，内部产生交变磁场。工件置于磁场中，工件内部产生感应电流，电阻的作用工件被加热。交流电集肤效应，工件表面的电流密度大，表面温度快速升高到相变点以上。中心电流密度几乎为零，温度仍在相变点以下。用水或聚乙烯醇水溶液喷射，表面被淬火。淬火层深度(δ)与电流频率(f)的关系:感应加热表面淬火示意图2)工艺要求:*表面淬火前,必须对零件进行正火或调质处理,以保证零件有良好的基体。*表面淬火后,必须对零件进行低温回火处理,以降低淬火应力和脆性。3)生产特点:淬火件的质量好;工件变形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易控制;生产率高。设备投资大,不适于复杂形状零件和小批量生产。感应加热表面淬火后的组织：表面为马氏体，心部组织不变。如先经调质处理，心部组织为回火索氏体。低温回火：淬火后进行180℃～200℃低温回火。表面为回火马氏体，降低淬火应力，保持高硬度和高耐磨性。心部为回火索氏体。保证强韧性。工程应用：用于中碳钢和中碳低合金钢,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、主轴、曲轴等零件的表面硬化，提高耐磨性。2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是一种利用乙炔－氧气或煤气－氧气混合气体燃烧的高温火焰，喷射在工件表面上，将工件表面迅速加热到淬火温度，而心部温度仍很低，随后以浸水和喷水方式进行激冷，使工件表层转变为马氏体而心部组织不变的工艺方法。火焰加热表面淬火的优点是：设备简单、成本低、工件大小不受限制。缺点是淬火硬度和淬透性深度不易控制，常取决于操作工人的技术水平和熟练程度；生产效率低，只适合单件和小批量生产的大型或需要局部淬火的零件。3.4.2化学热处理化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中的一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢件表层化学成分和组织，进而达到改变表面性能的热处理工艺。化学热处理后的工件表面不仅有组织的变化，而且也有化学成分的变化。n化学热处理后的钢件表面可以获得比表面淬火所具有的更高的硬度、耐磨性和疲劳强度；心部在具有良好的塑性和韧性的同时，还可获得较高的强度。通过适当的化学热处理还可使钢件具有减摩、耐腐蚀等特殊性能。n根据表面渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、渗硼、渗金属等。化学热处理的基本过程:1.分解:化学介质在高温下释放出待渗的活性原子。2.吸收:活性原子被零件表面吸收和溶解。3.扩散:活性原子由零件表面向内部扩散,形成一定的扩散层。1.渗碳将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。目的是通过渗碳及随后的淬火＋低温回火，使工件表面具有高的硬度、耐磨性和良好的抗疲劳性能，而心部具有较高的强度和良好的韧性。（1）渗碳方法根据渗碳剂的不同，渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前，生产中应用较多的是气体渗碳法。（2）渗碳后的组织渗碳用钢：低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi等渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织(珠光体＋二次渗碳体)、共析组织(珠光体)、亚共析组织(珠光体+铁素体)的过渡区，直至心部的原始组织。零件表层含碳量最好控制在0.85%～1.05%之间低碳钢渗碳缓冷后的显微组织（3）渗碳后的热处理渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次加热淬火法和二次加热