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1、热处理基础知识 鉴定评审员培训中国特种设备检测研究院 张显1 热处理发展史 钢的热处理热处理概念热处理过程热处理工艺热处理设备 承压设备常用热处理类别2热处理的发展史 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识 。早在公元前770至前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。 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。 随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂
2、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
3、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。 二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更 大发展。一个显著的进展是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；6
4、0年代，热处理技术运用了等离子场 的作用，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。3钢的热处理热处理概念 热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保 温、冷却，通过改变材料表面或内部的金相组织 结构,来控制其性能的一种金属热加工工艺。金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处 理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的 显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。 其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除
5、合理选 用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械 工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制 ，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛 等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得 不同的使用性能。 4钢的热处理热处理过程热处理的工艺过程 热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却 两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。 加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采 用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于 控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，
6、也可以通过熔融的 盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气 中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理 后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护 气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热 。 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是 保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的 目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另 外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时， 还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，
7、 这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度 极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。冷却 也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同， 主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快 ，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢 就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 5钢的热处理热处理工艺 金属热处理工艺大体可分为整体热处理（普通热处理）表面热处理 表面淬火 化学热处理根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热 处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而
8、具有不 同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此 钢铁热处理工艺种类繁多。6钢的热处理热处理工艺 整体热处理整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷 却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的 金属热处理工艺。整体热处理主要有退火正火淬火回火，四种基本工艺7钢的热处理热处理工艺 表面热处理表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热 处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热 源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能 ，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰加热淬火感应加热热处
9、理（高、中、低频）常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束 等。将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却 ，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬 而心部不变的目的。适用于中碳钢。 8钢的热处理热处理工艺 化学热处理 化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工 艺。 化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。 化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、 固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元 素。渗入元素后，有时还要进行
10、其它热处理工艺如淬火及回火。 化学热处理的主要方法有 渗碳 渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表 面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的 中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 渗氮 又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与 耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。 碳氮共渗 又称氰化，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面具有渗碳与 渗氮的特性。 渗金属。 是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表 面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如
11、耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中 常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。 9钢的热处理热处理工艺 退火： 将钢材加热到临界点A3或A1左右一定范围温度，保温一段时间， 缓冷。 退火的目的： 消除残余应力 细化晶粒，改善组织 降低硬度，提高塑性将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。钢的退火 是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。 退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高 钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加 工性能。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后
12、 续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。 退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后 进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性 能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备 。焊后热处理属于低温退火，将工件加热到600-640 ，保温 一段时间，缓冷或空冷。主要是消除焊后残余应力。10钢的热处理热处理工艺 正火：将钢加热到临界温度A3或Acm以上30-50 ，使钢全部转变为均 匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。目的：晶粒细小而均匀，综合力学性能好消除残余应力最终热处理正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却
13、，正火的效果同退火相似，只是得到的 组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热 处理。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学 性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。11钢的热处理热处理工艺 淬火：将中、高碳钢或合金钢加热到临界温度A1或A3以上30-70 ，保 温后快速冷却得到马氏体组织，目的：提高钢的硬度和耐磨性淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降 低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法 。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其
14、塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和 盐类溶液等。12钢的热处理热处理工艺 回火： 钢淬火后，再加热到A1以下某一温度，保温后冷却到室温。 低温回火150-250 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低 其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具， 冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC5864。 中温回火350-500 中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此 ，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC3550。 高温回火500-
15、650 高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其 目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机， 机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200330 其中250-350回火会产生回火脆性，应避免。将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性， 以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同
16、时变脆。 为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺 称为回火。 调质热处理淬火后再进行高温回火的复合热处理工艺。目的 是提高钢材的综合力学性能。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械 性能。13钢的热处理热处理工艺塑性变形对组织和性能的影响 晶粒延变形方向拉长，产生纤维组织，使性能产生方向性。 晶粒破碎，位错密度增加，产生加工硬化现象。 组织发生织构现象，使性能各向异性。 产生残余内应力，在外力作用下内部变形不均匀。金属在室温下的塑性变形，对金属的组织和性能影响很大，常会出现加工硬化、内应力 和各向异性等现象。加工硬化能提高金属的硬度、强度和变形抗力，同时降低塑性，使 以后
