金属材料热处理

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1、第第4章金属材料热处理章金属材料热处理热处理分类热处理分类4.1退火与正火退火与正火4.2钢的淬火钢的淬火4.3钢的表面淬火钢的表面淬火4.4钢的回火钢的回火4.5钢的淬透性钢的淬透性4.6固溶处理与时效强化固溶处理与时效强化4.7钢的化学热处理钢的化学热处理4.8热处理零件的结构工艺性及技术条件标注热处理零件的结构工艺性及技术条件标注4.9热处理技术新进展热处理技术新进展本章小结本章小结热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。热处理可大幅度地改善金属材料的工艺性能和使用性能，绝大多数机械零件必须经过热处理。热处理工艺中，钢在奥氏

2、体化后，冷却的方式通常有两种：(1)等温处理即将钢迅速冷却到临界点以下的给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。(2)连续冷却即钢以某种速度连续冷却，在临界点以下变温连续转变。热处理热处理分类热处理分类加热加热冷却冷却普通热处理普通热处理:退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火表面淬火表面淬火:感应加热表面淬火、火焰加热淬火感应加热表面淬火、火焰加热淬火表面热处理表面热处理化学热处理化学热处理:渗碳、渗氮、渗金属渗碳、渗氮、渗金属其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理其他热处理：形变热处理、超细化热处理、真空热处理热处理工艺曲线热处理工艺曲线保温保温临界温度临界温度时间时间

3、温度温度第第4章金属材料热处理章金属材料热处理4.1退火与正火退火与正火4.1.1退火退火1.完全退火完全退火2.球化退火球化退火3.扩散退火扩散退火(均匀化退火均匀化退火)定义、应用范围、后处理定义、应用范围、后处理4.去应力退火去应力退火定义、应用范围、目的定义、应用范围、目的4.1.2正火正火第第4章金属材料热处理章金属材料热处理图2-59片状珠光体组织图2-60粒状珠光体组织将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺叫做退火。钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。1.退火完全退火又称

4、重结晶退火，是把钢加热至Ac3以上2030,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的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢。完全退火的目的在于，通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能；或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接近平衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。1).完全退火等温退火是将钢件加热到高于Ac3(或Ac1)的温度,保温适当时间后,较快地冷却到珠光体区的某一温度,并等温保持,使奥氏体等温转变，然后缓慢冷却的热处理工艺。等温退火的目的与完全退火相同,能获得均匀的预期组织;对于奥氏体较

5、稳定的合金钢,可大大缩短退火时间。2).等温退火球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺。目的是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。球化退火主要用于共析钢和过共析钢。过共析钢球化退火后的显微组织为在铁素体基体上分布着细小均匀的球状渗碳体。球化退火的加热温度略高于Ac1。球化退火需要较长的保温时间来保证二次渗碳体的自发球化。保温后随炉冷却。3).球化退火完全退火与等温退火完全退火与等温退火第第4章金属材料热处理章金属材料热处理定义：定义：应用范围：应用范围：目的：目的：工艺：工艺：等温退火等温退火高速钢等温退

6、火与完全退火的比较高速钢等温退火与完全退火的比较球化退火示意图球化退火示意图第第4章金属材料热处理章金属材料热处理定义：定义：应用范围：应用范围：目的：目的：工艺：工艺：T10钢球化退火钢球化退火为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线（固相线以下100200）的温度，长时间保温（10h15h），并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火处理。4).扩散退火为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行的低温退火，称为去应力退火。去应力退火是将钢件加热至低于Ac1的某

7、一温度(一般为500650)，保温后随炉冷却,这种处理可以消除约50%80%的内应力,不引起组织变化。5).去应力退火2.正火正火定义：将钢加热到定义：将钢加热到Ac3（亚共析钢）或亚共析钢）或Accm（过共析钢）以上过共析钢）以上3050，保温适当的时间后在静止空气中冷却的热处理叫正火。保温适当的时间后在静止空气中冷却的热处理叫正火。应用范围：应用范围：目的：目的：（1）要求不高的结构件，可作为最终热处理。）要求不高的结构件，可作为最终热处理。（2）改善低碳钢的切削加工性（）改善低碳钢的切削加工性（以防粘刀以防粘刀）。）。（3）共析钢、过共析钢正火后可消除网状二次渗碳体，为球）共析钢、过共析

8、钢正火后可消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。化退火作组织准备。各种退火及正火的加热温度范围各种退火及正火的加热温度范围第第4章金属材料热处理章金属材料热处理碳钢的硬度与热处理的关系碳钢的硬度与热处理的关系第第4章金属材料热处理章金属材料热处理各种退火及正火的加热温度范围各种退火及正火的加热温度范围第第4章金属材料热处理章金属材料热处理4.2钢的淬火钢的淬火定义、目的定义、目的4.2.1淬火加热温度和加热时间淬火加热温度和加热时间4.2.2淬火冷却介质淬火冷却介质4.2.3淬火冷却方法淬火冷却方法1.单介质淬火法单介质淬火法2.双介质淬火法双介质淬火法3.分级淬火法分级淬火法4.等温淬火

9、法等温淬火法5.冷处理冷处理第第4章金属材料热处理章金属材料热处理将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上3050；共析钢和过共析钢为Ac1以上3050），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。钢的淬火温度范围图2-61板条马氏体图2-62片状马氏体什么是淬火421淬火加热温度和加热时间淬火加热温度和加热时间第第4章金属材料热处理章金属材料热处理碳钢的淬火加热温度范围碳钢的淬火加热温度范围合金钢的淬火加热温度稍合金钢的淬火加热温度稍微高一些，是临界点以上微高一些，是临界点以上50100。加热时间：加热时间：箱式炉：箱式炉：12min/mm盐浴炉：盐浴炉：041min/

10、mm合金钢适当延长合金钢适当延长淬火淬火:加热到加热到Ac3、Ac1相变温度以上，保温，相变温度以上，保温，快速冷却快速冷却M+A。淬火加热温度的选择。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便冷却后获得细小的马氏体组织1淬火温度淬火温度亚共析钢Ac3+3050过共析钢Ac1+3050淬火温度过高M粗大,淬火应力变形、开裂的倾向淬火加热温度淬火加热温度422淬火冷却介质淬火冷却介质第第4章金属材料热处理章金属材料热处理淬火介质淬火介质冷却速度（盐水水盐浴油）650以上慢，减小热应力。650400快，避开C曲线。4

11、00以下慢，减轻相变应力。常用的淬火冷却介质是水和油。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。油一般用作合金碳钢零件的淬火。油一般用作合金钢的淬火冷却介质。钢的淬火冷却介质。为了减少零件淬火时的变形，盐为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。级淬火和等温淬火。常用的淬火冷却介质常用的淬火冷却介质各种淬火方法示意图各种淬火方法示意图1单介质淬火法单介质淬火法2双介质淬火法双介质淬火法3分级淬火法分级淬火法4等温淬火法等温淬火法5冷处理冷处理423淬火冷却方法淬火冷却方

12、法第第4章金属材料热处理章金属材料热处理为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和为了保证获得所需淬火组织，又要防止变形和开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却开裂，必须采用已有的淬火介质再配以各种冷却方法才能解决。通常的方法才能解决。通常的淬火方法淬火方法包括单液淬火、包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。双液淬火、分级淬火和等温淬火等，如图所示。淬火方法淬火方法4.3钢的表面淬火钢的表面淬火4.3.1感应加热表面淬火感应加热表面淬火4.3.2火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火433激光加热表面淬火激光加热表面淬火第第4章金属材料热处理章金属材料热处理钢的表面淬火钢的表面淬

13、火表面淬火是将工件表面快速加热到淬表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织得淬火组织，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。的热处理方法。（火焰表面淬火）（火焰表面淬火）感应加热表面淬火感应加热表面淬火的特点：的特点：淬火温度高于一般淬火温度。淬火温度高于一般淬火温度。淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，淬火后获得非常细小的隐晶马氏体组织，表层硬度比普通淬火高表层硬度比普通淬火高23HRC。表层存在很大的残余压应力。表层存在很大的残余压应力。无氧化、脱碳现象，且工件变形也很小。无氧化、脱碳现象，且工件变

14、形也很小。易于实现机械化与自动化。感应加热淬易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行行170200低温回火。低温回火。感应加热感应加热感应加热是利用电磁感应原理。感应加热是利用电磁感应原理。感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-

15、200低温回火，以低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。感应加热的基本原理感应加热表面淬火感应加热表面淬火示意图示意图第第4章金属材料热处理章金属材料热处理高频高频100500kHz0.52.0mm中频中频2.58kHz210mm工频工频50Hz1015mm特点：加热速度快、时间短、特点：加热速度快、时间短、氧化脱碳少、变形小、晶粒细氧化脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，表面层具有较大小、硬度高，表面层具有较大的残余压应力，可提高疲劳强的残余压应力，可提高疲劳强度。但设备昂贵。淬火前调质度。但设备昂贵。淬火前调质或正火，淬后需低温回火。或正火，淬后需低温回火。表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢

16、,如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。(1)高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80150)进行的,因此晶核多,且不易长大。(2)表面层淬得马氏体后,由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力,显著提高工件的疲劳强度。(3)因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。(4)加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。感应加热表面热处理的特点火焰加热表面淬火示意图火焰加热表面淬火示意图第第4章金属材料热处理章金属材料热处理火焰加热表面淬火是用乙炔氧或煤气

17、氧等火焰加热工件表面，进行淬火。火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。火焰加热表面淬火4.4钢的回火钢的回火4.4.1回火目的回火目的4.4.2回火组织转变及性能变化回火组织转变及性能变化4.4.3回火工艺及应用回火工艺及应用4.4.4回火脆性回火脆性第第4章金属材料热处理章金属材料热处理钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火。定义4

18、41回火目的回火目的（1）消除或降低应力，防止变形或开裂。）消除或降低应力，防止变形或开裂。（2）调整性能（硬度）调整性能（硬度）（3）稳定组织，稳定形状和尺寸，保证精度。）稳定组织，稳定形状和尺寸，保证精度。第第4章金属材料热处理章金属材料热处理4.4.2回火组织转变及性能变化回火组织转变及性能变化1.钢在回火时的组织转变钢在回火时的组织转变(1)马氏体的分解（马氏体的分解（200以下）以下）(2)残余奥氏体分解残余奥氏体分解(200300)(3)渗碳体的形成渗碳体的形成(250400)(4)渗碳体的聚集长大渗碳体的聚集长大(400以上以上)2.回火后的组织和回火后的组织和性能性能(1)回火

19、马氏体回火马氏体(250以下以下)(2)回火托氏体回火托氏体(350450)(3)回火索氏体回火索氏体(500650)第第4章金属材料热处理章金属材料热处理100200马氏体分解马氏体分解从马氏体内部会析出从马氏体内部会析出碳化碳化物薄片，马氏体畸变降低，物薄片，马氏体畸变降低，淬火应力下降。淬火应力下降。回火马氏体M：过饱和固溶体+亚稳定碳化物200300残余奥氏体分残余奥氏体分解解残余奥氏体转变成下贝氏体。残余奥氏体转变成下贝氏体。250400碳化物转变碳化物转变碳化物碳化物细粒状细粒状Fe3C回火屈氏体回火屈氏体(回火回火T)：铁素：铁素体基体上弥散分布的细粒状体基体上弥散分布的细粒状渗

20、碳体。渗碳体。淬火钢的回火转变淬火钢的回火转变碳化物聚集长大及碳化物聚集长大及回复与再结晶回复与再结晶400以上析出粒状以上析出粒状Fe3C并粗化。并粗化。回火温度为600,铁素体发生再结晶长大为等轴晶粒，得到粒状渗碳体分布在铁素体基体上称回火索氏体。碳化物聚集长大碳化物聚集长大,回复与再结晶回复与再结晶回火马氏体：过饱和回火马氏体：过饱和-Fe+碳化物。碳化物。回火屈氏体回火屈氏体(回火回火T)：铁素体基体上大：铁素体基体上大量弥散分布的细粒状渗碳体。量弥散分布的细粒状渗碳体。回火索氏体：等轴状铁素体基体上分布回火索氏体：等轴状铁素体基体上分布粒状渗碳体。粒状渗碳体。M、T、S的组织形态比较

21、的组织形态比较钢的硬度随回火温度的变化40钢机械性能与回火温度的关系钢回火时性能的变化淬火钢中马氏体的碳含量、残余奥氏体量、内应力及碳化物粒子大小与回火温度的关系淬火钢回火时的变化过程淬火钢回火时的变化过程第第4章金属材料热处理章金属材料热处理40钢回火后的力学性能与回火温度的关系钢回火后的力学性能与回火温度的关系第第4章金属材料热处理章金属材料热处理4.4.3回火工艺及应用回火工艺及应用1.低温回火低温回火(150250)2.中温回火中温回火(350500)3.高温回火高温回火(500650)第第4章金属材料热处理章金属材料热处理回火温度为150250。在低温回火时，从淬火马氏体内部会析出碳

22、化物薄片（Fe2.4C),马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体,但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体残余奥氏体。下贝氏体可忽略。低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC64HRC)和高耐磨性。低温回火回火温度为350500，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC45HRC。中温回火回火温度为500650,得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织,称回火索氏体。回火

23、索氏体回火索氏体(回火S)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25HRC35HRC。通常把淬火加高温回火称为调质处理。钢在回火时会产生回火脆性现象,即在250400和450650两个温度区间回火后,钢的冲击韧性明显下降。高温回火4.4.4回火脆性回火脆性第第4章金属材料热处理章金属材料热处理钢的钢的韧性与回火温度的关系韧性与回火温度的关系钢在回火时会产生回火脆性现象,即在250400和450650两个温度区间回火后,钢的冲击韧性明显下降。需要指出，有些钢在需要指出，有些钢在250400和和450650的范围内回火时，其冲击韧性比在较低温的范围内回火时，其冲击韧性比在较低温度

24、回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆度回火时还显著下降，这种脆化现象称为回火脆性。在性。在250400回火时出现的脆性称为低温回回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性；而在火脆性，又叫第一类回火脆性；而在450650温度范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性，温度范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性，也叫第二类回火脆性。也叫第二类回火脆性。第二类回火脆性第二类回火脆性为了防止低温回火脆性，通常的办法是避为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。防止高温回火免在脆化温度范围内回火。防止高温回火脆性的方法是加热后快冷。脆性的方法是加热后快冷。防止和减弱第二类回

25、火脆性的措施防止和减弱第二类回火脆性的措施:合金钢回火时合金钢回火时,加热到加热到500650快速冷快速冷却却;大型零件在钢中加大型零件在钢中加Mo、W、Nb等合等合金元素金元素;提高合金的纯度提高合金的纯度,减少减少N、O、P等杂质元等杂质元素含量素含量;采用变形热处理或二次淬火采用变形热处理或二次淬火,避免杂质的避免杂质的偏聚偏聚.措施措施4.5钢的淬透性钢的淬透性第第4章金属材料热处理章金属材料热处理淬硬层深度概念：淬硬层深度概念：淬透性概念淬透性概念:淬透性的影响因素：淬透性的影响因素：(1)钢的含碳量钢的含碳量(2)合金元素合金元素(3)钢中未溶物质钢中未溶物质淬硬性概念：淬硬性概念

26、：淬透性与选材的关系淬透性与选材的关系:(1)动载和交变载荷下动载和交变载荷下;(2)弹簧类零件弹簧类零件(3)轴类零件轴类零件(4)工具类零件工具类零件工作截面的不同冷却速度工作截面的不同冷却速度钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透能力。其大小通常用规定条件下淬火获得淬透层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬层的深度（又称有效淬硬深度）的距离作为淬透层深度。透层深度。淬透性淬透性淬透性可用淬透性可用“末端淬火法末端淬火法”测定。测定。钢的淬透性用钢的淬透性用表示，其中表示，其中d表示淬透性曲线表示淬透性曲线上测试点

27、至水冷端的距离（上测试点至水冷端的距离（mm）,HRC为该处的硬为该处的硬度值。度值。淬透性测定淬透性测定生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。生产中也常用临界淬火直径表示钢的淬透性。所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火所谓临界淬火直径，是指圆棒试样在某介质中淬火时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏时所能得到的最大淬透直径（即心部被淬成半马氏体的最大直径），用体的最大直径），用Do表示。在相同冷却条件下，表示。在相同冷却条件下，Do越大，钢的淬透性越好。越大，钢的淬透性越好。钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定

28、于马氏体的碳含量。度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。淬透性：淬火条件下得到淬透性：淬火条件下得到M组织的能力，取决组织的能力，取决于于Vk（临界冷却速度）。（临界冷却速度）。淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于淬硬性：钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中中C%，C%淬硬性淬硬性影响淬透性的因素：影响淬透性的因素：Vk（除（除Co以外，合金元素以外，合金元素使使C曲线右移，淬透性曲线右移，淬透性）。）。钢的淬透性钢的淬透性(1)碳含量在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；亚共析钢随碳含量减少，临界冷速增加，淬透性降低；过共析钢随碳含量增加，临界冷速增加，淬透性降低。(2)合金元素除钴

29、以外，其余合金元素溶于奥氏体后，降低临界冷却速度，使C曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢往往比碳钢的淬透性要好。影响临界冷速的因素影响临界冷速的因素（3）奥氏体化温度提高奥氏体化温度，将使奥氏体晶粒长大、成分均匀，可减少珠光体的生核率，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。(4)钢中未溶第二相钢中未溶入奥氏体中的碳化物、氮化物及其它非金属夹杂物，可成为奥氏体分解的非自发核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。钢材经调质处理后,淬透性好的钢棒整个截面都是回火索氏体,机械性能均匀,强度高,韧性好，而淬透性差的钢心部为片状索氏体+铁素体,只表层为回火索氏体,心部强韧性差。4.6固溶处理与时效强化固溶处

30、理与时效强化第第4章金属材料热处理章金属材料热处理固溶处理固溶处理:时效强化时效强化:时效需满足的条件时效需满足的条件:举例举例:铝合金时效强化铝合金时效强化特点特点:Wc为为4%的的Al-Cu合金的时效曲线合金的时效曲线4.7钢的化学热处理钢的化学热处理定义定义:钢的化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的钢的化学热处理是将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温活性介质中保温,使一种或几种元素渗入表层使一种或几种元素渗入表层,以改变其化学成分以改变其化学成分组织和性能的热处理工艺组织和性能的热处理工艺.化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:(1)活性原子的产生活性原子的产生2CO2

31、C+O22NH32N+3H2(2)活性原子的吸收活性原子的吸收(3)活性原子的扩散活性原子的扩散举例举例:钢的渗碳钢的渗碳第第4章金属材料热处理章金属材料热处理钢的渗碳钢的渗碳1.渗碳方法渗碳方法气体渗碳气体渗碳、固体渗碳、液体渗碳、固体渗碳、液体渗碳2.渗碳工艺参数渗碳工艺参数渗碳温度渗碳温度:900950渗层表面含碳量渗层表面含碳量:0.85%1.05%渗层厚度渗层厚度:与渗碳时间有关与渗碳时间有关,与工件的尺寸有关与工件的尺寸有关3.渗碳后的热处理渗碳后的热处理直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法v渗碳件淬火后应进行低温回火渗碳件淬火后应进行低温回火(15

32、0200),以减少应力和脆性以减少应力和脆性.回火后的组织是马氏体和回火后的组织是马氏体和渗碳体渗碳体,硬度达硬度达5864HRC.第第4章金属材料热处理章金属材料热处理为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度,钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900950，向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。渗碳使低碳(0.150.30%)钢件表面获得高碳浓度（约1.0%）。什么是渗碳碳(0.150.30%)钢件表面获得高碳浓度（约1.0%）。气体渗碳炉气体渗碳装置示意图低

33、碳钢渗碳缓冷后的显微组织钢的气体渗碳钢的气体渗碳第第4章金属材料热处理章金属材料热处理定义定义:工件在气体渗碳剂中进工件在气体渗碳剂中进行渗碳的工艺行渗碳的工艺,称为气体渗碳称为气体渗碳.活性碳原子的获得活性碳原子的获得:通入煤气、通入煤气、液化石油气等液化石油气等,或滴入易分解的或滴入易分解的液体有机物液体有机物,如煤油、甲醇、丙如煤油、甲醇、丙酮等酮等.CnH2nnC+NH22COC+CO2CO+H2C+H2O特点特点:渗碳过程、渗层厚度容渗碳过程、渗层厚度容易控制易控制,渗碳时间短渗碳时间短,生产效率高生产效率高质量好质量好.风扇电动机风扇电动机废气火焰废气火焰炉盖炉盖砂封砂封电阻丝电阻

34、丝耐热罐耐热罐工件工件炉体炉体气体渗碳示意图气体渗碳示意图渗碳温度渗碳温度:900950渗层表面含碳量渗层表面含碳量:0.85%1.05%渗层厚度渗层厚度:与渗碳时间有关与渗碳时间有关,与工件的尺寸有关与工件的尺寸有关渗碳工艺参数渗碳工艺参数渗碳处理的工艺参数是渗碳温度和渗碳时间。由于奥氏体的溶碳能力较大，因此渗碳温度必须高于Ac3温度。加热温度越高，则渗碳速度越快，渗碳层越厚，生产率也越高。但为了避免奥氏体晶粒过分长大，所以渗碳温度不能太高，通常为900950。在温度一定的情况下，渗碳时间取决于渗碳层的厚度。表6-4是不同渗碳温度下，不同渗碳时间的渗层厚度。渗碳工艺及组织渗碳后的组织渗碳后的

35、组织常用于渗碳的钢常用于渗碳的钢为低碳钢和低碳合金钢，如为低碳钢和低碳合金钢，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。等。渗碳后缓冷组织自表面至心部依渗碳后缓冷组织自表面至心部依次为：过共析组织（珠光体次为：过共析组织（珠光体+碳化碳化物）、共析组织（珠光体）、亚物）、共析组织（珠光体）、亚共析组织（珠光体共析组织（珠光体+铁素体）的过铁素体）的过渡区，直至心部的原始组织渡区，直至心部的原始组织渗碳的运用渗碳的运用低碳钢齿轮渗碳、工艺曲线示意图固体渗碳是将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至900950，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。固体渗

36、碳剂通常是一定粒度的木炭与15%20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐起催化作用，反应如下：固体渗碳(1)直接淬火渗碳后直接淬火，由于渗碳温度高,奥氏体晶粒长大,淬火后马氏体较粗,残余奥氏体也较多,所以耐磨性较低,变形较大。为了减少淬火时的变形,渗碳后常将工件预冷到830850后淬火。渗碳后的热处理示意图渗碳后的热处理（2）一次淬火是在渗碳缓慢冷却之后,重新加热到临界温度以上保温后淬火，心部组织要求高时一次淬火的加热温度略高于Ac3。对于受载不大但表面性能要求较高的零件,淬火温度应选用Ac1以上3050,使表层晶粒细化,而心部组织无大的改善,

37、性能略差一些。(3)二次淬火对于机械性能要求很高或本质粗晶粒钢,应采用二次淬火。第一次淬火是为了改善心部组织,加热温度为Ac3以上3050。第二次淬火是为细化表层组织,获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体,加热温度为Ac1以上3050。(4)渗碳、淬火后进行低温(150200)回火,以消除淬火应力和提高韧性。表面硬度高，达58HRC64HRC以上,耐磨性较好;。心部韧性较好,硬度较低，可达3045HRC。疲劳强度高。表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度提高。钢渗碳、淬火、回火后的性能氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐

38、磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。常用的氮化钢有35CrAlA,38CrMoAlA,38CrWVAlA等。常用的渗氮方法有常用的渗氮方法有气体渗氮、气体渗氮、离子渗氮离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。、氮碳共渗（软氮化）等。（1）工艺目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH33H2+2N),氮原子被钢吸收并溶入表面,在保温过程中向内扩散,形成渗氮层。氮化温度一般为500600。氮化时间长，一般为20h50h，氮化一般为500600。氮化时间长，一般为20h50h， 氮化前零件须经调质处理 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织, 保证较高的强度和韧性。对于形状复杂或精度要求高

39、的零件，在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火，以减少氮化时的变形。与渗碳相比，渗氮与渗碳相比，渗氮温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。温度低且渗氮后不再进行热处理，所以工件变形小。 为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进为了提高渗碳工件的心部强韧性，需要在渗氮前对工件进行调质处理。行调质处理。钢件氮化后具有很高的硬度(1000HV1100HV),且在600650下保持不下降,所以具有很高的耐磨性和热硬性。氮化后，工件的最外层为一白色或相的氮化物薄层，很脆。常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（）层；心部为原始回火索氏体组织。钢氮化后,渗层体积增大,造成表面压应力,使疲

40、劳强度大大提高。氮化温度低,零件变形小。氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的相层,所以耐蚀性好,在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。组织和性能：38CrMoAl钢氮化层的显微组织400碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。1.高温碳氮共渗工艺将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830850，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温1h2h后，共渗层可达0.2mm0.5mm。高温碳氮共渗主要是渗碳，但氮的渗入使碳浓度很快提高，从而使共渗温度降低和时间缩短。碳氮共渗后淬火,再低温回火。碳氮共渗碳氮共渗后的

41、机械性能(1)共渗及淬火后,得到的是含氮马氏体,耐磨性比渗碳更好。(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力,因而疲劳强度更高,耐蚀性也较好。机械性能在约900左右采用固体或液体方式向钢渗入硼（B）元素，钢表面形成几百微米厚以上的Fe2B或FeB化合物层，其硬度较氮化的还要高，一般为1300HV以上，有的高达1800HV，抗磨损能力很高。渗铬、渗钒等渗金属后，钢表层一般形成一层碳的金属化合物，如Cr7C3、V4C3等，硬度很高，如渗钒后硬度可高达18002000HV，适合于工具、模具增强抗磨损能力。其它某汽车齿轮采用20CrMoTi钢制造，其制造工艺如下：下料锻造成园并退火粗车并铣齿成型精铣齿轮渗碳

42、淬火低温回火研磨入库。退火是中间热处理，目的是降低锻造应力、降低锻造硬化、细火晶粒、均匀化学成分。渗碳淬水并低温回火是最终热处理，目的是增强齿轮的抗磨损性能。事例分析4.8热处理零件的结构工艺性和热处理零件的结构工艺性和技术条件标注技术条件标注4.8.1热处理零件的结构工艺性热处理零件的结构工艺性(1)力求避免尖角、棱角力求避免尖角、棱角(2)截面厚薄尽量均匀截面厚薄尽量均匀(3)形状尽量对称形状尽量对称和和封闭封闭(4)采用组合结构采用组合结构4.8.2热处理技术条件的标注热处理技术条件的标注第第4章金属材料热处理章金属材料热处理在实际生产中，工程师们有时只注意到如何使零件的结构、形状及尺寸

43、适合部件机构的需要，而往往忽视了零件在热处理过程中因其结构和加工工艺不合理给热处理工序带来的不便，以致引起淬火变形甚至开裂，使零件报废。因此，在设计时，必须充分考虑淬火零件的结构、形状及各部分的尺寸以及加工工艺与热处理工艺性的关系。避免尖角设计避免尖角设计第第4章金属材料热处理章金属材料热处理在零件设计过程中，要在尖角、棱角地方倒角，如图因为尖角、棱角部分是淬火时应力最为集中地方，往往成为淬火裂纹的起点。避免厚薄悬殊避免厚薄悬殊第第4章金属材料热处理章金属材料热处理设计时要避免厚薄悬殊（如图），使淬火后薄处变形直径增大。设计时还要考虑零件对称，如图零件形状不对称，淬火后零件椭园度变大，为此开一

44、个工艺孔可减少椭园度。采用对称结构采用对称结构第第4章金属材料热处理章金属材料热处理采用封闭结构采用封闭结构第第4章金属材料热处理章金属材料热处理在选择材质时，严格按标准取用钢材，特别要注意其中的化学成分以及硫、磷含量、非金属夹杂杂等级是否符合标准。合理安排加工工艺路线，通过淬火之前的热处理（退火、正火等）将组织调整到正常组织，内应力予以消除，特别要使组织细化。前序的冷加工及热加工不要留下表面及内部裂纹及深的刀痕。淬火前工件予留足够的加工余量，根据前人试验积累的资料对一定材质，一定形状的零件在一定的淬火加热工艺下变形是有一定规律的。零件淬火变形后可通过机械方法校直，减少变形量，但仍恢复不到要求

45、的公差，因此需要要通过切削或磨削的办法消除变形，为此淬火之前必须留足加工余量。注意事项5热处理技术条件的标注热处理技术条件的标注附加分类附加分类工艺代号工艺代号加工方法加工方法工艺名称工艺名称工艺类型工艺类型热处理热处理基础分类基础分类工艺代号工艺代号第第4章金属材料热处理章金属材料热处理表表4.6热处理工艺分类及代号热处理工艺分类及代号工艺工艺名称名称代代号号工艺工艺类型类型代代号号工艺名称工艺名称代代号号加热方加热方法法代代号号热热处处理理5整整体体热热处处理理1退火退火1加热炉加热炉感应感应12正火正火2淬火淬火3淬火和回火淬火和回火4调质调质5稳定化处理稳定化处理6火焰火焰3固溶热处理

46、固溶热处理;水韧处理水韧处理7固溶处理和时效固溶处理和时效8续表续表4.6热处理工艺分类及代号热处理工艺分类及代号工艺工艺名称名称代代号号工艺工艺类型类型代代号号工艺名称工艺名称代代号号加热方加热方法法代代号号热热处处理理5表表面面热热处处理理2表面淬火和回火表面淬火和回火1电阻电阻激光激光45物理气相沉积物理气相沉积2化学气相沉积化学气相沉积3等离子体等离子体2气相沉积气相沉积4续表续表4.6热处理工艺分类及代号热处理工艺分类及代号工艺工艺名称名称代代号号工艺工艺类型类型代代号号工艺名称工艺名称代代号号加热方加热方法法代代号号热热处处理理5化化学学热热处处理理3渗碳渗碳1电子束电子束等离子体

47、等离子体67碳氮共渗碳氮共渗2渗氮渗氮3氮碳共渗氮碳共渗4渗渗其他非金属其他非金属5渗金属渗金属6其他其他8多元共渗多元共渗7熔渗熔渗8热处理技术条件标注举例热处理技术条件标注举例第第4章金属材料热处理章金属材料热处理45钢钢轴轴45钢摇杆表面淬火标注实例钢摇杆表面淬火标注实例4.9热处理技术新进展热处理技术新进展4.9.1形变热处理形变热处理1.高温形变热处理高温形变热处理2.低温形变热处理低温形变热处理4.9.2超细化热处理超细化热处理4.9.3真空热处理真空热处理1.真空退火真空退火2.真空淬火真空淬火3.真空渗碳真空渗碳4.9.4离子轰击热处理离子轰击热处理4.9.5激光热处理激光热处

48、理4.9.6电子束热处理电子束热处理4.9.7计算机辅助热处理生产计算机辅助热处理生产第第4章金属材料热处理章金属材料热处理在真空中进行的热处理称为真空热处理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。真空热处理具有如下优点：(1)可以减少变形在真空中加热，升温速度很慢，工件变形小。(2)可以净化表面在高真空中,表面的氧化物、油污发生分解,工件可得光亮的表面,提高耐磨性、疲劳强度。防止工件表面氧化。(3)脱气作用有利于改善钢的韧性，提高工件的使用寿命。真空热处理1-真空容器;2-直流电源;3-测温装置系统;4-真空泵;5-渗剂气体调节装置;6-待处理工件离子渗扩示意图离子渗扩热处理

49、离子氮化所用介质一般为氨气,压强保持在1.31021.3103Pa,温度为500560,渗层为Fe2N、Fe4N等氮化物,具有很高的耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性。离子氮化的优点：渗速是气体渗氮的34倍。渗层具有一定的韧性。处理后变形小,表面银白色,质量好。能量消耗低,渗剂消耗少,对环境几乎无污染。与气体氮化相比，离子氮化的特点是处理周期短，仅为气体氮化的1/31/4（例如38CrMoAl钢，氮化层深度若达到0.350.7mm，气体氮化一般需70小时，而离子氮化仅需1520小时），零件的表面不易形成连续的白色脆性层。离子氮化离子渗氮可用于轻载、高速条件下工作的需要耐磨耐蚀的零件及精度要求较高的细长杆

50、类零件，如镗床主轴，精密机床丝杠、阀杆、阀门等。运用先进行离子氮碳共渗,介质为氨气+丙酮蒸汽,共渗温度为530580,后再进行离子渗硫。W18Cr4V钢经复合处理后,次表层为Fe2-3(N,C)化合物层,表层主要由FeS、Fe3S4组成。由于硫化物具有自润滑性能,因此降低了摩擦系数,同时表面硫化物的存在还提高了工件的抗咬合性能。次表层高硬度的氮碳化合物具有很高的耐磨性,因此这种复合渗层抗摩耐磨性好,适于模具、刃具的表面处理,以提高它们的使用寿命。W18Cr4V钢离子氮碳共渗离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理激光热处理激光热处理是利用激光加热工件，是利用激光加热工件，依靠工件本身的传热来实现冷却淬火

51、的依靠工件本身的传热来实现冷却淬火的工艺。工艺。特点：特点：可在可在0.3s达到最高温度，达到最高温度，1s内冷却内冷却到到Ms点，可在表面层获得全部马氏体组点，可在表面层获得全部马氏体组织。织。激光热处理不受钢种的限制，与激光热处理不受钢种的限制，与钢的淬透性无关。钢的淬透性无关。激光热处理激光热处理本章小结本章小结热处理安排在各种加工工序之间，既可用于消除上一道工艺所热处理安排在各种加工工序之间，既可用于消除上一道工艺所产生的缺陷，也可为下一道工艺创造条件，更重要的是可以充分产生的缺陷，也可为下一道工艺创造条件，更重要的是可以充分发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能，提高产品的质量，延长发挥钢材的潜力，提高工件的使用性能，提高产品的质量，延长工件的使用寿命。因此，热处理是强化钢材的重要工艺之一。工件的使用寿命。因此，热处理是强化钢材的重要工艺之一。热处理的方法很多，他们都是由加热、保温、冷却三个阶段组热处理的方法很多，他们都是由加热、保温、冷却三个阶段组成，因此，应重点掌握各种热处理在以上三阶段的组织变化。成，因此，应重点掌握各种热处理在以上三阶段的组织变化。第第4章金属材料热处理章金属材料热处理