1、 1.3 1.3 钢的热处理钢的热处理 (Heat Treatment of Steel)概述概述钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变钢的普通热处理工艺钢的普通热处理工艺钢的表面热处理工艺钢的表面热处理工艺机械制造过程中的热处理机械制造过程中的热处理 1.3.1 1.3.1 热处理及其作用热处理及其作用1.热处理的定义热处理的定义:将钢在固态下进行不将钢在固态下进行不同的加热、保温和冷却，以改变其内部同的加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺。组织，从而获得所需性能的一种工艺。时间温度临界温度临界温度 热热加加保温保温冷冷 却
2、却2.热处理的目的热处理的目的:通过改变钢的内部组织通过改变钢的内部组织来改善钢的性能，如强度、硬度、塑性、来改善钢的性能，如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。韧性、耐磨性、耐蚀性、加工性能等。3.热处理的分类热处理的分类热处理热处理普普 通通热处理热处理表表 面面热处理热处理退火退火;正火正火;淬火淬火;回火回火;表面淬火表面淬火 化化 学学 热处理热处理感应加感应加热淬火热淬火火焰加火焰加热淬火热淬火渗碳渗碳;渗氮渗氮;碳氮共渗碳氮共渗;1.3.2 钢在热处理时的组织转变钢在热处理时的组织转变 一、钢在加热时的组织转变一、钢在加热时的组织转变1.转变温度转变温度(tran
3、sformation temperature)奥氏体的形成奥氏体的形成FFe3C未溶未溶Fe3CA残余残余Fe3CAAAA 形核形核A 长大长大残余残余Fe3C溶解溶解A 均匀化均匀化3.奥氏体晶粒度及对力学性能的影响奥氏体晶粒度及对力学性能的影响1.奥氏体晶粒均匀细小奥氏体晶粒均匀细小,热处理后钢的力热处理后钢的力 学性能提高。学性能提高。2.粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起粗大的奥氏体晶粒在淬火时容易引起 工件产生较大的变形甚至开裂。工件产生较大的变形甚至开裂。1.钢在热处理时的冷却方式钢在热处理时的冷却方式 热热加加保温保温时间温度临界温度临界温度连续冷却连续冷却等温冷却等温冷却 二、二
4、、钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变2.共析钢奥氏体等温转变曲线共析钢奥氏体等温转变曲线稳定的奥氏体区稳定的奥氏体区过冷奥氏体区过冷奥氏体区A向产向产物转变开始线物转变开始线A向产物向产物转变终止线转变终止线 A+产产 物物 区区产物区产物区A1550;高温转变区高温转变区;扩散型转变扩散型转变;P 转变区。转变区。550230;中温转变中温转变区区;半扩散型转变半扩散型转变;贝氏体贝氏体(B)转变区转变区;230-50;低温转低温转变区变区;非扩散型转变非扩散型转变;马氏体马氏体(M)转变区。转变区。时间(s)3001021031041010800-100100200500600700
5、温度()0400A1MsMf3.3.转变产物的组织与性能转变产物的组织与性能 相：在金属或合金中成分相同、结构相同并与其它相：在金属或合金中成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。部分有界面分开的均匀组成部分。固溶体：在合金结晶时所形成的晶格结构与合金的固溶体：在合金结晶时所形成的晶格结构与合金的某一组成元素的晶格结构相同的固相。某一组成元素的晶格结构相同的固相。化合物：在合金结晶时所形成的晶格结构与合金的化合物：在合金结晶时所形成的晶格结构与合金的各组成元素的晶格结构均不相同的固相。各组成元素的晶格结构均不相同的固相。1.1.奥氏体（奥氏体（A A）：碳在）：碳在-Fe-Fe
6、中的固溶体。中的固溶体。2.2.珠光体珠光体 (P)(P)：铁素体（：铁素体（F F，碳在，碳在-Fe-Fe中的固溶体）中的固溶体）和渗碳体（和渗碳体（FeFe3 3C C，化合物）的混合物。，化合物）的混合物。3.3.贝氏体型贝氏体型 (B)(B)：过饱和碳：过饱和碳 -Fe-Fe和和 FeFe3 3C C的混合物。的混合物。4.4.马氏体型马氏体型 (M)(M)：碳在：碳在-Fe-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。珠珠 光光 体体 形形 貌貌 像像光镜下形貌光镜下形貌电镜下形貌电镜下形貌 上贝氏体组织金相图上贝氏体组织金相图 下贝氏体组织金相图下贝氏体组织金相图稳定的奥氏体区稳定的奥
7、氏体区时间(s)3001021031041010800-100100200500600700温度()0400A1MsMf4.4.奥氏体等温转变曲线奥氏体等温转变曲线的应用的应用V1V2VkV3V4V1=5.5/s:炉冷炉冷;PV2=20/s:空冷空冷;SV3=33/s:油冷油冷;T+M+A残残V4 138/s:水冷水冷;M+A残残 1.3.3 1.3.3 钢的热处理钢的热处理一般零件生产的工艺路线一般零件生产的工艺路线:毛坯生产毛坯生产 预备热处理预备热处理 机械加机械加工工 最终热处理最终热处理 机械精加工机械精加工预备热处理预备热处理:退火退火;正火正火最终热处理最终热处理:淬火淬火;回火
8、回火一、一、普通热处理普通热处理1.退火退火（1）定义）定义:把零件加温到把零件加温到临界温度临界温度以上以上3050，保温一段时间，然保温一段时间，然后后随炉冷却随炉冷却。（2）目的）目的:消除应力，消除应力，降低硬度降低硬度，细化晶粒，均匀成分，为最终热处细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。理作好组织准备。（3）种类种类退火退火重结晶重结晶退退 火火低温低温退火退火完全退火完全退火扩散退火扩散退火球化退火球化退火再结晶退火再结晶退火去应力退火去应力退火普通退火普通退火等温退火等温退火普通球化普通球化 退退 火火等温球化等温球化 退退 火火（4）工艺参数工艺参数:2.正火正火（1）
9、定义）定义:把零件加温到把零件加温到临界温度临界温度以上以上3050，保温一段时间，然保温一段时间，然后后在空气中冷却在空气中冷却。（2）目的）目的:消除应力，消除应力，调整硬度调整硬度，细化晶粒，均匀成分，为最终热处理细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作好组织准备。作好组织准备。（3）工艺参数工艺参数:（4）应用范围应用范围:1.预备热处理预备热处理:调整低、中碳钢的硬调整低、中碳钢的硬 度度;消除过共析钢中的消除过共析钢中的Fe3C。2.最终热处理最终热处理:用于力学性能要求不用于力学性能要求不 高的普通零件。高的普通零件。3.淬火淬火（1）定义）定义:把零件加温到把零件加温到临界温度临界温
10、度以上以上30 50，保温一段时间，然保温一段时间，然后后快速冷却快速冷却(水冷水冷)。（2）目的）目的:为了获得马氏体组织，为了获得马氏体组织，提高钢的硬度和耐磨性。提高钢的硬度和耐磨性。（3）工艺参数）工艺参数:（4）常用的淬火冷却介质）常用的淬火冷却介质 名名 称称 最大冷却速度时最大冷却速度时平均冷却速度平均冷却速度/(s-1)所在温所在温度度/冷却速度冷却速度 /(s-1)650550 300200 20静止水静止水34077513545040静止水静止水28554511041060静止水静止水2202758018510%NaCl 溶液溶液58020001900100010%NaOH
11、 溶液溶液560283027507752010号机油号机油43023060658010号机油号机油4302307055203号号锭子油锭子油50012010050（5）钢的淬硬性与淬透性钢的淬硬性与淬透性 淬硬性淬硬性是指钢在淬火后所能达是指钢在淬火后所能达到的到的最高硬度。最高硬度。淬透性淬透性是指钢在淬火时所能得是指钢在淬火时所能得到的到的淬硬层淬硬层(马氏体组织占马氏体组织占50%处处)的深度。的深度。淬硬性与淬透性之间的关系淬硬性与淬透性之间的关系:淬透性淬透性淬硬性淬硬性钢钢 种种小小低低碳素结构钢碳素结构钢(20)小小高高碳素工具钢碳素工具钢(T12A)大大低低低碳合金结构钢低碳合
12、金结构钢(20Cr2Ni4A)大大高高高碳高合金工具钢高碳高合金工具钢(W18Cr4V)4.回火回火（1）定义）定义:把把淬火后淬火后的零件重新加温的零件重新加温到到A1线以下某个温度，线以下某个温度，保温一段时间，保温一段时间，然后冷却到窒温。然后冷却到窒温。（2）目的）目的:消除淬火应力，降低脆性，消除淬火应力，降低脆性，稳定工件尺寸，调整淬火零件的力学稳定工件尺寸，调整淬火零件的力学性能。性能。耐磨件耐磨件M回回=0.3%C+150250低温回火低温回火弹簧等弹簧等T回回=F针针+Fe3C粒粒350500中温回火中温回火调质件调质件S回回=F多多+Fe3C球球500650高温回火高温回火
13、高合金钢高合金钢P回回=F多多+Fe3C粒粒650A1高温软化高温软化（3）工艺参数工艺参数淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理用途用途组组 织织温度温度()名名 称称淬火淬火+高温回火高温回火=调质处理调质处理 二、二、钢的表面热处理钢的表面热处理表面淬火表面淬火化学热处理化学热处理工艺的核心工艺的核心:使零件具有使零件具有“表硬里韧表硬里韧”的力学性能。的力学性能。1.表面淬火表面淬火（1）定义定义:是一种不改变钢表层化是一种不改变钢表层化学成分，但改变表层组织的局部热处学成分，但改变表层组织的局部热处理工艺。理工艺。（2）工艺特征工艺特征:通过快速加热使钢的通过快速加热使钢的表层
14、奥氏体化，然后急冷，使表层形表层奥氏体化，然后急冷，使表层形成马氏体组织，而心部仍保持不变。成马氏体组织，而心部仍保持不变。（3）表面淬火用钢）表面淬火用钢:选用选用中碳中碳或或中碳低合金钢中碳低合金钢。40、45、40Cr、40MnB等。等。（4）表面淬火加工的方法）表面淬火加工的方法:感应加热感应加热(高、中、工频高、中、工频)、火火 焰加热焰加热、电接触加热法等。、电接触加热法等。感应加热表面淬火示意图感应加热表面淬火示意图集肤效应示意图集肤效应示意图 工艺要求工艺要求:*表面淬火前表面淬火前,必须对零件进行必须对零件进行正火正火 或调质处理或调质处理,以保证零件有良好的以保证零件有良好
15、的 基体。基体。*表面淬火后表面淬火后,必须对零件进行必须对零件进行低温低温 回火处理回火处理,以降低淬火应力和脆性。以降低淬火应力和脆性。生产特点生产特点:淬火件的质量好淬火件的质量好;工件变工件变 形小形小;不易氧化及脱碳不易氧化及脱碳;淬火层容易淬火层容易 控制控制;生产率高。设备投资大生产率高。设备投资大,不适不适 于复杂形状零件和小批量生产。于复杂形状零件和小批量生产。火焰加热表面淬火焰加热表面淬火火 火焰加热表面淬火的特点火焰加热表面淬火的特点:*设备简单设备简单,操作方便操作方便,成本低。成本低。*淬火质量不稳定。淬火质量不稳定。*适于单件、小批量及大型零件的生产。适于单件、小批
16、量及大型零件的生产。2.化学热处理化学热处理（1）定义）定义:将零件置于一定的化学将零件置于一定的化学介质中，通过加热、保温，使介质介质中，通过加热、保温，使介质中一种或几种元素原子渗入工件表中一种或几种元素原子渗入工件表层，以改变钢表层的化学成分和组层，以改变钢表层的化学成分和组织的热处理工艺。织的热处理工艺。（2）化学热处理的基本过程化学热处理的基本过程:2.吸收吸收:活性原子被活性原子被零件表面吸收和溶零件表面吸收和溶 解。解。3.扩散扩散:活性原子由零件表面向内部扩活性原子由零件表面向内部扩 散散,形成一定的扩散层形成一定的扩散层。1.分解分解:化学介质在高温下释放出待渗化学介质在高温
17、下释放出待渗 的的活性原子活性原子。2CO CO2 +C（3）渗碳）渗碳1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入碳原子表面渗入碳原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)用钢用钢:低碳钢低碳钢和和低碳合金钢。低碳合金钢。4)方法方法:固体、气体、固体、气体、液体渗碳。液体渗碳。固体渗碳法示意图固体渗碳法示意图零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱 气体渗碳法示意图气体渗碳法示意图5)渗碳后的热处理工艺渗碳后的热处理工艺时间温度930850方案方案1方案方案2渗渗 碳碳淬火淬火加热加热（4）渗氮）渗氮1)定义定义:向钢的向钢的表面渗入氮
18、原子表面渗入氮原子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧及抗蚀表硬里韧及抗蚀性能性能 的零件。的零件。3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。4)方法方法:气体气体渗氮。渗氮。渗碳与渗氮的工艺特点渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否处理后是否需要热处理需要热处理处理时处理时间间(h)处理温度处理温度()名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需要不需要2050500600渗氮渗氮（5）碳氮共渗）碳氮共渗-氰化处理氰化处理1)定义定义:向钢的向钢的表面同时渗入碳和氮原表面同时渗入碳和氮原 子子的过程。的过程。2)目的目的:获得具有获得具有表硬里韧表硬里韧性能的零件。性能的零件。3)方法方法:固体碳氮共渗固体碳氮共渗气体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗液体碳氮共渗高温高温中温中温低温低温越王勾践剑越王勾践剑春秋晚期越国青铜兵器春秋晚期越国青铜兵器,出土于湖北江陵楚墓。出土于湖北江陵楚墓。长长55.7厘米，厘米，剑锷锋芒剑锷锋芒犀利，锋能割断头发。犀利，锋能割断头发。
