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1、第第4章章 金属材料热处理金属材料热处理 热处理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，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一种热加工工艺。以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和常用热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）和表面热处理（表面淬火和化学热处理）。表面热处理（表面淬火和化学热处理）。 4.1 4.1 退火与正火退火与正火 4.1.1.4.1.1.退火退火 退火退火是将钢加热到一是将钢加热到一定温度，保温后炉冷，使定温度，保
2、温后炉冷，使之获得接近平衡状态的组之获得接近平衡状态的组织的热处理工艺。织的热处理工艺。 在机械制造在机械制造中，退火与正火通常用作为预备热处理。赋予毛坯中，退火与正火通常用作为预备热处理。赋予毛坯良好的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能上的准备。良好的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能上的准备。退火的目的是：退火的目的是：（1 1）降低硬度，改善切削）降低硬度，改善切削加工件。加工件。（2 2）消除残余应力。）消除残余应力。（3 3）细化晶粒，消除组织）细化晶粒，消除组织缺陷。缺陷。 （1 1）完完全全退退火火 加加热热到到AcAc3 3以以上上30305050保保温温后后，炉炉冷冷
3、至至500500以以下下再再空空冷冷的的处处理理工工艺艺。主主要要用用于于亚亚共共析析钢钢和和中中、低低碳碳合合金金钢钢。组组织织为为F+PF+P。 （2 2）球球化化退退火火 加加热热到到AcAc1 1以以上上20203030保保温温后后，炉炉冷冷至至500500以以下下再再空空冷冷的的处处理理工工艺艺。球球化化退退火火主主要要用用于于过过共共析析钢钢和和合合金金工工具具钢钢。获得获得粒状珠光体粒状珠光体。 （3 3）扩扩散散退退火火 加加热热在在AcAc3 3或或AcAccmcm以以上上150150300300，长长时时间间保保温温。扩扩散散退退火火后后需需要要再再进进行行完完全全退退火火
4、或或正火。正火。 （4 4）去应力退火是将工件加热）去应力退火是将工件加热至至500500650650保温后随炉缓慢冷却。保温后随炉缓慢冷却。用于铸件、焊件等。用于铸件、焊件等。 4.1.2.4.1.2.正火正火 加热温度为加热温度为AcAc3 3或或AcAccmcm以上以上30305050，保温后空冷。由于正火比，保温后空冷。由于正火比退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、退火的冷却速度大，故珠光体的片层间距较小，因而正火后强度、硬度较高。硬度较高。 正火的应用：正火的应用： 提提高高低低碳碳钢钢( (低低合合金金钢钢) )硬硬度度，改改善善切切削削加加工性能。工性能。
5、消消除除过过共共析析钢钢的的网网状碳化物。状碳化物。 某些受力不大，性某些受力不大，性能要求不高的中碳钢和中能要求不高的中碳钢和中碳合金钢件，可作为最终碳合金钢件，可作为最终热处理。热处理。退火与正火工艺规范比较退火与正火工艺规范比较 4.2 4.2 钢的淬火钢的淬火 将将钢钢加加热热到到AcAc1 1或或AcAc3 3以以上上，保保温温一一定定时时间间，然然后后快快速速冷冷却却以以获获得马氏体组织的热处理工艺称为得马氏体组织的热处理工艺称为淬火淬火。 421 421 淬淬火火加加热热温温度度和加热时间和加热时间 应以得到细而均匀的奥应以得到细而均匀的奥氏体晶粒为原则，以便冷却氏体晶粒为原则，
6、以便冷却后获得细小的马氏体组织。后获得细小的马氏体组织。 亚共析钢的淬火加热温亚共析钢的淬火加热温度通常为度通常为AcAc3 3以上以上30305050；过共析钢的淬火加热温度通过共析钢的淬火加热温度通常为常为AcAc1 1以上以上30305050。 加加热热时时间间与与加加热热温温度度、加加热热速速度度、成成分分、零零件件形形状状和尺寸、装炉方式等有关。和尺寸、装炉方式等有关。 423 423 淬火冷却方法淬火冷却方法 通常的通常的淬火方法淬火方法包括单液淬包括单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。淬火等。 422 422 淬火冷却介质淬火冷却介质 常用的淬火
7、冷却介质是水常用的淬火冷却介质是水和油。和油。 水主要用于形状简单、截水主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。面较大的碳钢零件的淬火。 油一般用作合金钢的淬火油一般用作合金钢的淬火冷却介质。冷却介质。 盐浴也常用作淬火介质，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。主要用于分级淬火和等温淬火。 4.3 4.3 钢的表面淬火钢的表面淬火 表表面面淬淬火火是是将将工工件件表表面面快快速速加加热热到到淬淬火火温温度度，然然后后迅迅速速冷冷却却，仅仅使使表表面面层层获获得得淬淬火火组组织织，而而心心部部仍仍保保持持淬淬火火前前组组织织的的热热处处理理方方法。法。 4.3.1 4.3.1
8、感应加热表面淬火感应加热表面淬火 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。 高频高频 100500kHz 0.52.0mm100500kHz 0.52.0mm 中频中频 2.58kHz 210mm2.58kHz 210mm 工频工频 50Hz 1015mm50Hz 1015mm 特点：加热速度快、时间短、氧化特点：加热速度快、时间短、氧化脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，脱碳少、变形小、晶粒细小、硬度高，表面层具有较大的残余压应力，可提高表面层具有较大的残余压应力，可提高疲劳强度。疲劳强度。 4.3.2 4.3.2 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火 利用乙炔利用乙炔- -氧或其
9、他气体火焰加热。淬硬层为氧或其他气体火焰加热。淬硬层为28mm28mm。 4.4 4.4 钢的回火钢的回火 将将淬淬火火后后的的钢钢件件加加热热到到AcAc1 1以以下下某某一一温温度度，保保温温一一定定时时间间后后冷冷却至室温的热处理工艺叫却至室温的热处理工艺叫回火回火。 441 回火目的回火目的（1）消除或降低应）消除或降低应力，防止变形或开力，防止变形或开裂。裂。（2）调整性能（硬）调整性能（硬度）度）（3）稳定组织，稳）稳定组织，稳定形状和尺寸，保定形状和尺寸，保证精度。证精度。 4.4.2 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 1.1.钢在回火时的组织转变钢在回火
10、时的组织转变 (1)(1)马氏体的分解（马氏体的分解（200200以下）以下） 100100以上回火，马氏体开始发生分解，以上回火，马氏体开始发生分解，从过饱和从过饱和固溶体中析出弥散的固溶体中析出弥散的碳化物。碳化物。一定饱和度的一定饱和度的固溶体和弥散分布的固溶体和弥散分布的碳碳化物组成的复相组织，称为回火马氏体。化物组成的复相组织，称为回火马氏体。 (2)(2)残余奥氏体分解残余奥氏体分解(200 (200 300)300) 在在200200300300之间回火时，钢中的残之间回火时，钢中的残余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的余奥氏体将会发生分解，产物是过饱和的固溶体和固溶体和碳化物组
11、成的复相组织，相碳化物组成的复相组织，相当于回火马氏体或下贝氏体。当于回火马氏体或下贝氏体。 (3)渗碳体的形成渗碳体的形成(250400) 在在300300400400范范围围内内回回火火，碳碳化化物物将将向向渗渗碳碳体体转转变变。由由饱饱和和针针状状的的固固溶溶体体和和细细小小颗颗粒粒状状的的渗渗碳碳体体组组成成的组织称为回火托氏体。的组织称为回火托氏体。 (4)渗渗碳碳体体的的聚聚集集长长大大(400以以上上) 回回火火温温度度升升高高到到400400以以上上，渗渗碳碳体体明明显显聚聚集集长长大大。由由等等轴轴的的相相和和小小颗颗粒粒粒粒状状的的渗渗碳碳体体组组成成的的组组织织称称为为回
12、回火索氏体。火索氏体。 2.回火后的组织和回火后的组织和性能性能(1)(1)回火马氏体回火马氏体(250 (250 以下以下) )(2)(2)回火托氏体回火托氏体(350500 )(350500 )(3)(3)回火索氏体回火索氏体(500650 )(500650 ) 1.1.低温回火低温回火 在在150150250250之间。获得回之间。获得回火马氏体（还有其他组织），使火马氏体（还有其他组织），使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。钢具有高的硬度、强度和耐磨性。用于高硬度和高耐磨性的工件，用于高硬度和高耐磨性的工件，如工具、滚动轴承等。如工具、滚动轴承等。 2.2.中温回火中温回火 在在35035
13、0500500之间，组织为之间，组织为回火托氏体。具有高的弹性极限，回火托氏体。具有高的弹性极限，用于各种弹簧件。用于各种弹簧件。 3.3.高温回火高温回火 在在500500650650之间，得到回之间，得到回火索氏体。具有高的综合力学性火索氏体。具有高的综合力学性能。用于制作轴、连杆、螺栓及能。用于制作轴、连杆、螺栓及齿轮等重要零件。齿轮等重要零件。 4.4.3 4.4.3 回火工艺及应用回火工艺及应用 钢在某些温度范围内回火时，其钢在某些温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降的现象。冲击韧性显著下降的现象。 在在250250400400回火时出现的脆回火时出现的脆性称为低温回火脆性，又叫第一
14、类回性称为低温回火脆性，又叫第一类回火脆性；火脆性； 为了防止低温回火脆性，通常的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。办法是避免在脆化温度范围内回火。 在在450450650650温度范围内回火温度范围内回火后缓冷时出现的脆性称为高温回火脆后缓冷时出现的脆性称为高温回火脆性，也叫第二类回火脆性。性，也叫第二类回火脆性。 防止和减弱第二类回火脆性的主防止和减弱第二类回火脆性的主要措施要措施: 合金钢回火后快速冷却合金钢回火后快速冷却;在钢中加在钢中加Mo、W等合金元素等合金元素; 4.4.4 4.4.4 回火脆性回火脆性 4.5 4.5 钢的淬透性钢的淬透性 4.5.1
15、4.5.1 钢的淬透性钢的淬透性 钢钢的的淬淬透透性性是是指指钢钢在在淬淬火火时时获获得得马马氏氏体体的的能能力力。其其大大小小通通常常用用规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。规定条件下淬火所获得的淬硬层深度来表示。 淬淬硬硬层层深深度度是是从从淬淬硬硬的的工工件件表表面面量量变变至至规规定定的的硬硬度度值值处处的的垂垂直直距离。距离。淬透性的影响因素：淬透性的影响因素： 碳含量碳含量 共析钢淬透性最好。共析钢淬透性最好。合金元素合金元素 除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，提高钢的淬透性。除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，提高钢的淬透性。奥氏体化温度奥氏体化温度 提高奥氏体化温度，增加其淬透性
16、。提高奥氏体化温度，增加其淬透性。钢中未溶第二相钢中未溶第二相 降低淬透性。降低淬透性。 淬淬透透性性可可用用“末末端端淬淬火火法法”测测定定。其表示法：其表示法： d d表表示示淬淬透透性性曲曲线线上上测测试试点点至至水水冷冷端端的的距距离离,HRC,HRC为为该处的硬度值。该处的硬度值。 4.5.2 4.5.2 淬透性的测定方法淬透性的测定方法 生生产产中中也也常常用用临临界界淬淬火火直直径径表表示示钢钢的的淬淬透透性性。所所谓谓临临界界淬淬火火直直径径，是是指指圆圆棒棒试试样样在在某某介介质质中中淬淬火火时时所所能能得得到到的的最最大大淬淬透透直直径径（即即心心部部被被淬淬成成半半马马氏
17、氏体体的的最最大大直直径径），用用D Do o表表示示。在在相相同同冷冷却却条条件件下下，D Do o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度，淬硬性主钢的淬硬性是指淬火后马氏体所能达到的最高硬度，淬硬性主要决定于马氏体的碳含量。要决定于马氏体的碳含量。 (1)(1)动载和交变载荷下动载和交变载荷下 (2)(2)弹簧类零件弹簧类零件 (3)(3)轴类零件轴类零件 (4)(4)工具类零件工具类零件 4.5.1 4.5.1 淬透性与选材的关系淬透性与选材的关系4.6 固溶处理与时效强化固溶处理与时效强化固溶处理固溶处理:图中图中N-M间的合金间的合
18、金+ 时效强化时效强化:在室温下放置或低在室温下放置或低温加热时，温加热时， + 脱溶相脱溶相 造成强度和硬度会明显升高。造成强度和硬度会明显升高。这种现象称为时效或时效硬化。这种现象称为时效或时效硬化。时效需满足的条件时效需满足的条件: 对合金元素具有一定的溶对合金元素具有一定的溶解度；解度； 固溶体中溶质的溶解度必固溶体中溶质的溶解度必须随温度的降低而显著降低。须随温度的降低而显著降低。Wc为为4%的的Al-Cu合金的时效曲线合金的时效曲线加热加热水冷水冷 4.7 4.7 钢的化学热处理钢的化学热处理 化学热处理：钢件化学热处理：钢件 活性介质中保温活性介质中保温 原子渗入工件原子渗入工件
19、表面表面 改变表层化学成分和组织改变表层化学成分和组织 改进表面性能。改进表面性能。 基本过程：基本过程：化学介质的分解；化学介质的分解；活性原子被钢件表面吸收活性原子被钢件表面吸收和溶解；和溶解；原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。 4.7.1 4.7.1 钢的渗碳钢的渗碳 将钢放入渗碳的介质中加热并保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温，使活性碳原子渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是获得表面高硬艺称为渗碳。其目的是获得表面高硬度、耐磨性，心部良好韧性的配合。度、耐磨性，心部良好韧性的配合。 1.1.渗渗碳碳方方法法 渗
20、渗碳碳方方法法有有气气体体渗渗碳碳、固固体体渗渗碳碳和和液液体体渗渗碳碳。目目前前广广泛泛应应用用的是气体渗碳法。的是气体渗碳法。 渗渗碳碳温温度度930930左左右右，表表层层碳碳量量控控制在制在1%1%左右。左右。 2.2.渗渗碳碳后后的的组组织织 渗渗后后缓缓冷冷组组织织自自表表面面至至心心部部依依次次为为：过过共共析析组织、共析组织、亚共析组织的过渡区，直至心部的原始组织。组织、共析组织、亚共析组织的过渡区，直至心部的原始组织。 3.3.渗碳后的热处理渗碳后的热处理 渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。火法。 热
21、处理后的组织热处理后的组织 ：表层回火马氏体表层回火马氏体+碳化物碳化物+Ar；心部取决淬透性；心部取决淬透性 4.7.3 4.7.3 钢的碳氮共渗钢的碳氮共渗 碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。间。 4.7.2 4.7.2 钢的渗氮钢的渗氮 渗氮是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工渗氮是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。生艺。
22、其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、热硬性和耐蚀性等。生产中应用较多的是气体渗氮。产中应用较多的是气体渗氮。 进入下一节进入下一节4.8热处理零件的结构工艺性和技术条件标注热处理零件的结构工艺性和技术条件标注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)形状尽量对称和封闭形状尽量对称和封闭(4)采用组合结构采用组合结构 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4.8.2热处理
23、技术条件的标注热处理技术条件的标注表表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 法法代号代号 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 1 2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 法法代号代号
24、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 4 5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 法法代号代号 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等离子体 6 7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避免厚薄悬殊避免厚薄悬殊采用对称结构采用对称结构采用封闭结构采用封闭结构
