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第二章钢的热处理工艺§2－1钢的退火与正火一、钢的退火-钢的退火：将钢加热到临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下，保温一定的时间，炉冷至600℃后空冷。1.细化晶粒2.HB↓以利于切削加工或冷变形加工。3.消除内应力，防止淬火变形与开裂。（一）退火的目的（二）退火种类及应用（完全退火、球化退火、扩散退火和去应力退火）1.完全退火工艺(1)目的:HB↓消除内应力。(2)加热温度:T＝AC3+(20℃～30℃)(3)适用钢种:适用于亚共析钢(4)优、缺点:工艺简单但生产周期较长,生产效率低(5)应用:主要用于碳钢、合金钢的铸铸、锻、焊件.如①冷轧后的15钢板，为HB↓采用完全退火。②ZG35铸造齿轮为消除组织应力采用完全退火2.球化退火工艺目的：细化晶粒，HB↓以利于切削加工。加热温度：T＝AC1+(20～30℃)适用钢种：适用于共析及过共析碳钢或合金钢。淬火前的组织状态：细片状的P.高速钢的等温及普通球化退火T8钢等温球化退火组织球化退火工艺过程先将钢加热到AC1以上短时A化，使部分渗碳体断开并球化.然后打开炉门快冷到P相变区进行A→P相变,待A转变完全后空冷。从而得到粒状珠光体组织。3.扩散退火(1)目的：减少钢锭、铸件化学成分和组织的不均匀性(2)保温时间：10～15小时后再一次完全退火或正火以细化晶粒。(3)适用钢种：亚共析钢：T＝Ac3+（150℃～300℃)过共析钢：T＝Accm+（150℃～300℃)4.去应力退火(1)目的：消除铸、焊件内应力，稳定尺寸。(2)适用钢种：高合金工具钢:600℃～750℃;碳素钢:550℃~650℃铸铁:500℃~550℃:焊接件:500℃~600℃弹簧:200℃～300℃以上温度保温后缓冷至200℃后空冷。二.钢的正火正火－将钢加热到临界温度以上（AC3或Accm）保温一定时间后空冷的工艺。1.正火的目的(1)细化晶粒。(2)HB↑以利切削（如：20、35、45钢）。(3)消除过共析钢的Fe3CⅡ网，如：T12钢退火组织中的Fe3CⅡ网(连续网).为了提高切削加工性能正火候要进行球化退火以得到球状P。2.正火工艺(1)亚共析钢中：T＝Ac3+（30℃～50℃）(2)过共析钢中：T＝Accm+（30℃～50℃）如：①为↑35钢的切削性加工能必须HB↑采用正火不能采用退火。②为↑T8钢的切削加工性能，要↓HB采用球化退火。③T12钢中存在连续的网状Fe3CⅡ，为提高切削加工性能，先正火目的是消除网Fe3CⅡ再球化退火得到粒状的P，以↓HB。例题：1.为改善切削加工性，30钢应采用（）。(A)正火；(B)球化退火；(C)完全退火；(D)回火。2.为改善T12钢的切削加工性应采用（）。(A)正火；(B)球化退火；(C)完全退火；(D)回火。3.经冷轧后的15钢钢板，要求降低硬度应采用（）(A)球化退火；(B)完全退火；(C)正火；(D)扩散退火。4.具有网状Fe3CⅡ的T12钢钢坯，要求改善切削加工性并为淬火做组织准备应采用（）。(A)完全退火；(B)球化退火；(C)正火；(D)去应力退火。5.45钢正火得到（）组织。(A)马氏体；(B)索氏体+少量铁素体；(C)珠光体+铁素体；(D)屈氏体+少量铁素体。6.45钢退火得到（）组织。(A)索氏体+铁素体；(B)珠光体+铁素体；(C)屈氏体+铁素体；(D)马氏体。7.T12钢正火得到（）组织。(A)马氏体；(B)珠光体+Fe3CⅡ网；(C)细片状珠光体；(D)屈氏体+少量Fe3CⅡ。8.T12钢完全退火得到（）组织。(A)层片状珠光体+Fe3CⅡ网；(B)粒状珠光体；(C)细片状珠光体；(D)屈氏体+Fe3CⅡ。§2－2钢的淬火与回火钢的淬火－将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温后以vvc快速冷却得到马氏体或贝氏体组织的工艺。（一）.淬火的目的（淬火＋回火）1.提高强度、硬度和耐磨性-采用淬火＋低回组织为M回＋ε-碳化物，用于各种工模具。2.提高弹性-采用淬火＋中回；组织为T回火屈（α+θ），用于各种弹簧。3.提高综合性能－采用淬火＋高回；组织为S回火索（α+θ），用于各种轴类。一.钢的淬火（二）淬火温度的选择1.亚共析钢:TA＝Ac3＋（30℃～50℃）2.共、过共析钢:TA＝Ac1＋（30℃～50℃）(1)T过高，碳化物溶解，M片％↑变形和开裂；(2)选择TA＝Ac1＋（30～50℃）保留部分未熔碳化物↑高耐磨性，使基体的C％↓，M条％↑，b↑，δ↑、αk↑。3.合金钢：奥氏体化温度可以适当升高。大多数合金元素都能阻碍A晶粒的长大使A化温度升高。如：W18Cr4V钢：Ac1＝820℃～840℃，TA=1280℃,晶粒度为9级。(三）淬火冷却介质1.理想冷却速度：1）在AC1～650℃之间慢冷，以↓热应力；2）在650～300℃之间快冷，υ＞υc；3）在300℃以下慢冷，以↓组织应力。理想冷却速度2.常用淬火介质介绍(1).自来水（30℃以下）冷却特性：高温冷速慢；在200℃冷速极快。优点：经济、便宜、易于实现自动化。应用：主要用于形状简单，截面较小的碳钢且组织应力较大。(2)盐水碱水（10～15％NaCL、NaOH）溶液30℃冷却特性：在650～300℃时冷速是自来水的10倍；在200℃时仍然很快。应用：用于水淬不透的形状简单的碳素钢。（3）油-机油，柴油等，40～80℃冷却特性：650～300℃及200℃时冷却速度低于盐水，适用于合金钢淬火。缺点：易于老化。结论：碳素钢：一般采用水冷或盐水硷水冷却；合金钢：一般采用油冷。（四）常用淬火方法1.单液淬火-v1指在一种淬火介质中冷却到底的工艺。单液淬火组织应力、热应力都较大，淬火变形较大。1-单液淬火2-双液淬火3-分级淬火4-等温淬火2.双液淬火-v2650℃～MS之间快冷-使vvc在MS以下慢冷以↓组织应力.碳素钢：先水油合金钢：先油空气3.分级淬火–v3将工件取出后在某一温度停留（C曲线中孕育区较长的温度）使工件内外温度一致，然后空冷的工艺。分级淬火是在空冷中发生M相变的，内应力小。4.等温淬火–v4指在B区域等温，发生B转变。内应力↓变形小单液淬火应力双液淬火分级淬火等温淬火过共析钢非完全γ化后各种冷却速度下的转变产物亚共析钢完全γ化后各种冷却速度下的转变产物（五）钢的淬透性与淬硬性1.钢淬透性：指钢在同一热处理条件下所测得的淬透层深度的能力。2.淬透性与淬透层深度之间的关系：①淬透层深度-表层（100％M）至半M层（50％M）的深度。淬透层深度(δ)越大，钢的淬透性越好。②在尺寸、形状均相同的条件下，淬透性大的钢，淬透层深度越深。3.淬透性与淬硬性：①淬硬性-钢淬火后所获得的最高硬度值，只取决于熔入奥氏体的含碳量。②淬透性主要取决于钢的临界淬火速度。4.影响淬透性的因素①钢的淬透性主要取决于钢的临界淬火速度大小，与工件尺寸、淬火介质无关。②钢的临界淬火速度越小，C曲线越靠右，钢的淬透性越好。5.淬透性的实际应用①大截面零件或动载荷下工作应选高淬透性钢②形状复杂的或形状简单且尺寸较大的零件应选高淬透性钢。③焊接零件应选低淬透性钢。工件截面的冷却速度二.钢的回火(一)回火工艺回火时间一般为1.5～2小时。回火后一般空冷，有第二类回火脆性的钢回火后油冷。回火温度与回火时间的关系曲线(二)回火种类组织：M回＋-碳化物(为Fe2.4C)性能：高HRC,较高强度，塑性及韧性较差，耐磨性好。（58～64HRC）。应用：用于工模具，轴承、齿轮等。如：T12A、9CrSi、CrWMn钢。1.低温回火（150℃～250℃）回火针片状马氏体回火隐晶马氏体组织：回火屈氏体（T回）即(F＋θ),θ–Fe3C,金相形态：θ呈微细粒状弥散分布在F基体上性能：高弹性极限及屈服极限，一定的韧性，硬度35～45HRC。应用：各种弹簧。如：60Si2Mn、65Mn、60、65、85钢。2.中温回火（350℃～500℃）3.高温回火（500～650℃）调质处理：淬火＋高温回火组织：S回（F＋θ）金相形态：在F基体上均匀分布细粒状θ。性能：较高的强度和硬度（HB220～350），良好的塑性和韧性。及即具有良好的综合机械性能。应用：各种轴类、连杆、螺栓等。如：40Cr、45、40CrNiMo钢等。45钢正火得：Fe3C呈细片状分布在F基体上。45钢调质处理得到回火索氏体：Fe3C呈细粒状分布在F基体上。两者性能截然不同其组织、性能比较如下表：45钢（20～40mm）调质和正火组织及机械性能比较45钢高温回火后的回火索氏体组织三.淬火及回火时常见的工艺缺陷及防止措施1.氧化及脱碳①氧化-Fe以及合金元素于介质重的氧化性气体(CO2和H2O等)作用生成金属氧化皮的现象。②脱碳-钢中的碳于介质发生化学反应生成气体逸出现象。③对性能的影响-氧化及脱碳使钢的含碳量下降,从而使硬度、耐磨性、疲劳强度降低。④防止-在工件加热时采用保护性气体加热,或真空热处理。2.变形与开裂①变形与开裂时热处理时淬火应力所引起的。②热应力:淬火冷却时工件表面与心部温差产生不同步收缩而引起。③组织应力:因为淬火形成马氏体时体积膨胀部均匀而造成的应力。④措施:选材、选择合适的淬火介质、淬火冷却方法、淬火前预热、淬火后及时回火等。3.硬度不足与软点①硬度不足一般是因为淬火加热温度过低或保温时间不充分、冷却速度过慢等因素造成。②软点-表面氧化或脱碳,使钢的表面含碳量降低或冷却速度过慢使形成非马氏体组织所致。③措施-重新加热淬火,但加热前应退火火正火。4.过热与过烧过热是加热温度过高使奥氏体晶粒过于粗大；过烧是加热温度太高，使奥氏体晶界局部氧化或熔化的现象。零件一旦熔化便成为废品。§2－3钢的表面淬火工业中如齿轮、凸轮、曲轴等对性能的要求为：表面高硬度、高强度及好的耐磨性，而心部高韧性，对这类零件需要进行表面热处理.一.表面淬火通过快速加热，并立即淬火冷却，只强化表面，而心部组织未变的热处理工艺。（一）感应加热表面淬火原理在感应圈内通一交变电流，于是在感应圈内部和周围同时产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中便产生感生电流，由电能转变成热能，使工件表面快速加热然后水淬.f工件感应加热示意图1.集肤效应：感应加热时，感生电流集中在工件表面的一种效应δ＝500δ-电流投入深度ρ-钢的电阻率μ-导电率f-感生电流频率由上式可以看出：感生电流的频率（f）越大集肤效应越强，电流透入深度越浅,淬透层越浅。2.感应加热的频率选择：(1)淬透层深度δ＝0.5～2mm时选高频加热f＝200～300千赫。(2)淬透层深度δ＝2～8mm时，选中频加热f＝2500HZ(3)淬透层深度δ＝8～10mm时，选工频加热f＝50HZ3.感应加热淬火的特点(1)加热速度极快，使A3↑↑，短时获得高温。从而使ΔT↑↑，可细化晶粒。(2)由于晶粒细小，得到隐晶M，强化了组织如：机床主轴，承受较大载荷，要求具有良好综合力学性能；轴颈耐磨硬度要求50～55HRC。可选45钢整体调质，然后轴颈进行表面淬火+高温回火处理。调质处理即满足整体性能要求，局部表面淬火又满足了轴颈的硬度要求。§2－4钢的化学热处理一、化学热处理概述对于某些齿轮类零件，如汽车变速箱齿轮，内燃机凸轮等在工作中承受强烈的摩擦磨损，和较大的交变载荷，冲击载荷。要求：表面：高硬度、高耐磨和高的接触疲劳强度，一定的韧性。心部：具有高的韧性和足够高的强度。化学热处理-将钢置于一定温度的活性介质中保温，使活性原子渗入钢的表面，改变了钢表面的化学成分，然后进行淬火、回火处理。一.钢的渗碳（气体渗碳）1.渗碳用钢：低碳钢或低碳合金钢：20、20Cr18CrMnTi、、20CrMnTi钢等2.渗碳温度：900～950℃，一般930℃3.渗碳时间：5～8小时。4.渗碳原理：在井式渗碳炉中滴入煤油，煤油在高温下裂解成渗碳性介质－甲烷气体（CH4）和CO气体及氢气，该气体在钢的表面分解出活性碳原子-[C]，在较高温度进入钢的表面。CH4→[C]+H2CO→[C]＋CO2CO→[C]＋H2O5.渗层组织–(渗碳后缓慢冷却，从外层