第十章钢的热处理工艺

第十章钢的热处理工艺 • 根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。

第一节钢的退火与正火 一、退火目的及工艺 • 退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。 • 退火的加热温度范围如右图。

（一）完全退火 • 完全退火是将钢件或钢材加热至Ac3以上20～30℃，保温足够长的时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢（wc＝0.3％～ 0.6％），其目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。 • 如果将奥氏体化后的钢较快地冷至稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种退火方法叫做等温退火。

（二）不完全退火 • 不完全退火是将钢加热至Ac1 ～ Ac3（亚共析钢）或Ac1 ～ Acm（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。（三）球化退火 • 球化退火是使钢中的碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。

（四）均匀化退火 • 均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀不均匀现象的热处理工艺。 • 其目的是消除铸锭或追铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。 • 为使各元素在奥氏体中充分扩散，均匀化退火加热温度很高，通常为Ac3或Acm以上150 ～ 300 ℃。

（五）去应力退火和再结晶退火 • 为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件中的残留内应力，以提高尺寸稳定性，防止工件变形和开裂，在精加工或淬火之前将工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为去应力退火。 • 钢的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac1点，一般在500 ～ 650 ℃之间。 • 再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力的热处理工艺。经过再结晶退火，钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。

二、正火目的及工艺 • 正火是将钢加热到Ac3（或Acm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。 • 正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。当钢中碳含量wc为0.6％～ 1.4％时，正火组织中不出现先共析相，只有伪共析体或索氏体。碳含量wc小于0.6％的钢，正火后除了伪共析体外，还有少量铁素体。 • 正火处理的加热温度通常在Ac3或Acm以上30 ～ 50 ℃，高于一般退火的温度。（1）普通件最终热处理。（2）改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性（3）作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理（4）对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。（5）特定情况下代替淬火、回火处理。

第二节钢的淬火与回火 • 一、钢的淬火 • 将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺叫做淬火。 • 淬火的主要目的是使奥氏体化后的工件获得尽量多的马氏体，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

（一）淬火应力 • 工件在淬火过程中会发生形状和尺寸的变化，有时甚至要产生淬火裂纹。工件变形或开裂的原因是由于淬火过程中在工件内产生的内应力造成的。 • 淬火内应力主要有热应力和组织应力两种。工件最终变形或开裂是这两种应力综合作用之结果。

工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力叫做热应力。工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力叫做热应力。 • 将零件加热到Ac1以下温度保温后快速冷却（无组织转变），其心部和表面温度及热应力变化如右图。 • 工件在冷却过程中，由于内外温差造成组织转变不同时，引起内外比体积的不同变化而产生的内应力叫做组织应力。

（二）淬火加热温度 • 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，以便淬火后获得细小的马氏体组织。 • 淬火温度主要根据钢的临界点确定，亚共析钢通常加热至Ac3以上30～50℃；共析钢、过共析钢加热至Ac1以上30～50℃。（1）渗碳体完全溶于A，使其碳含量增加，Ms降低，淬火后参与奥氏体量增加，降低淬火钢的硬度和耐磨性（2）A晶粒粗化，M粗大，裂纹增多，脆性增加（3）钢的氧化脱碳严重，降低表面质量（4）淬火应力大，增加变形和开裂的倾向

（三）淬火加热时间 • 加热时间：淬火加热升温与保温所需的时间 • 加热时间的经验公式：t=αD （四）淬火冷却介质 • 1、理想的淬火冷却速度 • 不需要在整个过程都快冷，关键是在过冷奥氏体最不稳定的C曲线鼻尖附近快冷，上部和下部为了减小热应力而应该缓慢冷却，特别是在Ms以下冷速更应该缓慢。 • 但是目前尚未找到理想的淬火介质

2、常用淬火冷却介质 （1）水冷却特性不理想原因：需要快冷的高温范围内冷速很小，而需要慢冷的温度范围内冷速很快；水温越高，冷却能力越小。（2）食盐水溶液高温范围内冷速很快，易获得高而均匀的硬度，但在低温范围内冷速依然很快，使淬火工件的相变应力增大；对工件有一定的腐蚀作用。（3）苛性钠水溶液在高温范围内冷速比食盐水还快，在低温范围内冷速稍低，但是其腐蚀性很大，应用受限。（4）油高温低温冷速都很慢，只能用于过冷奥氏体稳定性较大的合金钢的淬火。

淬火方法 1、单液淬火法加热工件在一种介质中连续冷却到室温的淬火方法。操作简单，易实现自动化。 2、预冷淬火法加热工件先从炉中取出空冷预冷至一定温度，然后再投入淬火介质中冷却的淬火方法。预冷可使淬火内应力减小，从而减小变形与开裂，且不降低工件的硬度与淬硬深度。

3、双液淬火法 工件先在一种冷却能力强的介质中冷却，躲过鼻尖后，再在另一种冷却能力较弱的介质中发生马氏体转变的方法。如水淬油冷，油淬空冷。理想冷却的方法。关键是要准确控制由第一种介质向第二种介质转入时的温度。

4、分级淬火法 在Ms附近的盐浴或碱浴中停留适当时间，待内外温度均匀后再取出空冷发生马氏体转变的方法。分级淬火法通过在Ms附近保温，消除工件内外温差，使淬火热应力减到最小，并在随后空冷时，可在工件截面上几乎同时形成马氏体组织，减小淬火的相变应力，保证工件较小的变形与防止开裂。缺点：盐浴或碱浴冷却能力较小，容易使过冷奥氏体稳定性较小的钢，在分级过程中形成珠光体，此法只适用于截面尺寸不大、形状较复杂的工件。

5、等温淬火法 将工件在稍高于Ms的盐浴或碱浴中保温足够长时间，使其发生贝氏体转变后空冷，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。优点：淬火内应力很小，不容易发生变形与开裂，经等温淬火零件具有良好的综合力学性能，强度、硬度、韧性和耐磨性都很高。适用于形状复杂及要求较高的小型件。 6、局部淬火法有些工件由于工作条件，只要求局部高硬度，可对工件需要硬化的部位进行加热淬火，这种工艺称为局部淬火。

（五）钢的淬透性 • 钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小以钢在一定条件下淬火获得的淬透层深度和硬度分布来表示。 • 在同样的淬火条件下，淬透性好的钢，其淬透深度较深，反之较浅。淬火时工件截面上各处冷却速度不一样，表面冷速大，可以获得全部马氏体；中心冷速小，有可能得到部分马氏体或者没有马氏体生成。

注：淬透性和淬硬性的区别 淬透性：钢在淬火时能获得淬硬深度的能力（即获得马氏体的能力），取决于奥氏体的化学成分及奥氏体化条件淬硬性：钢在回火后能达到的最高硬度的能力，主要取决于马氏体的含碳量。淬透性好的钢，淬硬性不一定高；淬硬性高的钢，淬透性不一定好。

未淬透钢 淬透钢淬透性好的钢，其力学性能沿截面是基本相同的，而淬透性差的钢，其力学性能沿截面是不同，越靠近心部，力学性能越低。

影响淬透性及淬硬深度的因素 1、影响淬透性的因素钢的淬透性取决于临界冷却速度Vk，Vk越小，淬透性越高。而Vk取决于C曲线的位置，C 曲线越靠右，Vk越小。因而凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素。 1）奥氏体化学成分除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性提高； 2）奥氏体化条件奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透性提高。

影响淬硬深度的因素 影响淬硬深度的因素主要有淬透性、工件的形状、尺寸及淬火介质的冷却能力等。淬透性好，淬硬深度深；工件形状简单，尺寸小而均匀，淬硬深度深；冷速越快，淬硬深度越深。例如：同一种钢在相同的奥氏体化条件下，水淬比油淬的淬硬深度深；小件比大件的淬硬深度深。

淬透性的测定与表示方法 端淬试验用 JHRC-d表示，J表示末端淬透性，d表示半马氏体区到水冷端的距离, HRC为半马氏体区的硬度。

二、钢的回火 • 回火是将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。 • 回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。

1、低温回火（150-250℃） 低温回火组织为回火马氏体。低温回火的目的是在保留淬火钢高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力和脆性，提高韧性。 • 主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。 • 回火后的硬度：58-64HRC。 • 决定工件回火后的组织和性能的最重要因素是回火温度。

2、中温回火（350-500℃） 中温回火组织为回火托氏体。中温回火的目的是获得高的屈强比、弹性极限和较高的韧性。主要用于处理各种弹簧和模具。回火后的硬度：35-50HRC。 3、高温回火（500-650℃）高温回火组织为回火索氏体。高温回火的目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合力学性能。主要汽车、拖拉机、机床等的重要结构零件。回火后的硬度：200-300HBW。

调质处理： 通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。调质处理一般作为最终热处理，调质后钢的硬度不高，便于切削加工，并能获得较低的表面粗糙度。

三、淬火加热缺陷及其防止 • （一）淬火工件的过热和过烧 • 工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷叫做过热。 • 淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出现局部熔化或者发生氧化的现象叫做过烧。

（二）淬火加热时的氧化和脱碳 • 氧化是钢件在加热时与炉气中的O2、H2O及CO2等氧化性气体发生的化学作用。 • 钢件在加热过程中，钢中的碳与气氛中的O2、H2O、CO2及H2等发生化学反应，形成含碳气体逸出钢外，使钢件表面含碳量降低，这种现象称为脱碳。

第三节其他类型热处理 一、表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。表面淬火目的： ① 使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; ② 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

感应加热表面淬火示意图 感应加热表面淬火机床表面淬火常用加热方法 1. 感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。

感应加热分为： ① 高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm ② 中频感应加热频率为2500-8000Hz，淬硬层深度2-10mm ③ 工频感应加热频率为50Hz，淬硬层深度10-15 mm ④超音频感应淬火频率为20-40kHz

感应加热的特点： ① 加热速度极快，一般只要几秒到几十秒 ② 可在表层获得极细马氏体或隐针马氏体 ③ 工件表层存在残余压应力，能部分抵消在变动载荷作用下产生的拉应力，提高疲劳极限

二、钢的化学热处理 化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理的目的： 1）强化工件表面 2）保护工件表面化学热处理的种类： 1）扩散元素是非金属 2）扩散元素是金属化学热处理的过程： 1）分解 2）吸收 3）扩散

钢的渗碳 渗碳：是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 1）渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。 2）渗碳用钢为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。 3）渗碳方法 ① 气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点：质量好，效率高；

②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。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。 ③ 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。

4）渗碳温度：900-950℃。 渗碳层厚度(由表面到过度层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。 • 渗碳层表面含碳量：以0.85%-1.05%为最好。 • 渗碳缓冷后的组织: 表层为P+网状Fe3CⅡ；心部为F+P；中间为过渡区。 5）渗碳后的热处理淬火+低温回火。回火温度为160-180℃。

钢的渗氮（氮化） 氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 1）氮化用钢为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。 2）氮化温度：500-570℃。氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。

3）常用氮化方法 气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。

38CrMoAl氮化层硬度 4）氮化的特点及应用 ⑴ 氮化件表面硬度高（1000-2000HV），耐磨性高。 ⑵ 疲劳强度高。由于表面存在压应力。

⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 ⑷ 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。

钢的碳氮共渗 向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。目的:获得具有表硬里韧性能的零件。方法: 固体碳氮共渗高温中温气体碳氮共渗低温液体碳氮共渗

气体碳氮共渗的特点： （1）共渗层兼有渗碳层和渗氮层的优点。（2）共渗使共渗层的奥氏体相变温度降低。（3）氮的渗入使共渗层的奥氏体稳定性提高，C曲线右移，可采用较小的冷却速度淬火（4）共渗的速度显著大于单独渗的速度，缩短生产周期

第十章 钢的热处理工艺