热处理工艺学.docx

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热处理工艺学

金属热处理工艺学

一名词解释

碳势：

纯铁在一定温度下于加热炉气中加热时达到既部增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面的含碳量

脱碳：

钢中的碳也会和气氛作用，使钢的表面失去一部分碳，含碳量降低，这种现象成为脱碳。

过烧：

加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。

放热式气体：

原料气与较充足的空气混合，仅靠其本身的不完全燃烧所放出的热量就能维持其反应时，所制成的气体。

光亮热处理：

是指在热处理过程中（主要是淬火和退火），采用气体保护或者是真空状态，避免或减少被热处理的工件表面与氧气接触而发生氧化，从而达到工件表面的光亮或相对光亮。

淬火烈度：

淬火介质的冷却能力。

淬透性：

钢材淬火时获得马氏体的能力的特性

淬硬性：

淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力，用淬火后马氏体所能达到的最高硬度表示，它主要取决于马氏体中的含碳量。

自回火：

当淬火后尚未完全冷却，利用在工件内残留的热量进行回火。

退火：

将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。

表面淬火：

被处理工件在表面有限深度范围内加热至相变点以上，然后迅速冷却，在工件表面一定深度范围内达到淬火目的的热处理工艺。

连续加热法：

对工件需淬火部位中的一部分同时加热，通过感应器与工件之间的相对运动，把已加热部位逐渐移到冷却位置冷却，待加热部位移至感应器中加热，如此连续进行，直至需硬化的全部部位淬火完毕。

化学热处理：

将工件放置于某种渗入元素的活性介质中，通过加热、保温和冷却，使渗入元素被吸附并扩散渗入工件表面层，以改变表面层化学成分和组织，从而使其表面具有与心部不同的特殊性能的一种工艺。

淬火：

把钢加热到临界点Ac1或Ac3以上，保温并随之以大于临界冷却速度（Vc）冷却，以得到介稳状的M或B下组织的热处理工艺。

反应扩散：

由溶解度较低的固溶体转变成浓度更高的化合物，这种扩散称为反应扩散。

物理催渗法：

利用温度、气压，电场、磁场及辐射，机械的弹塑性变形及弹性振荡等物理方法，加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速渗入元素的扩散

化学催渗法：

在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解过程，去除工件表面氧化膜，活化工件表面，来提高渗入元素的渗入能力。

渗碳：

钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。

渗氮：

向金属表面渗入氮元素的工艺称为渗氮，也称为氮化

渗硼：

将钢的表面渗入硼元素以获得铁的硼化物的工艺

热应力：

不同部位热胀（或冷缩）的不一致形成的内应力

组织应力：

不同部位组织转变不同时性形成的内应力

二次硬化：

含有Cr、Mo、V、Ti、Nb等强碳化物形成元素的钢，经淬火并在500-600℃之间回火时，不仅硬度不降低，反而升高的现象称为合金钢的二次硬化。

二次淬火：

高合金钢在回火冷却时残余奥氏体转变为M的现象。

回火脆性：

淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。

碳当量：

产生一克分子碳所需该物质的质量。

时效：

金属和合金经过冷、热加工或热处理后，在室温下保持（放置）或适当升高温度时常发生力学和物理性能随时间而变化的现象。

内氧化：

在合金的高温氧化过程中，除了形成表面氧化物以外，氧可能溶解并扩散进入合金内部，与合金中较活泼的组元发生反应而形成颗粒状氧化物沉积在合金内部的过程。

露点：

指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度，即在一个大气压力下气氛中水蒸气达到饱和状态使的温度。

1加热方式

随炉加热：

工件装入炉中，随着炉子升温而加热，直至所需加热温度

预热加热：

工件先在已升温至较低温度的炉子中加热，到温后再转移至预定工件加热温度的炉中加热至工件达到所要求的温度。

到温入炉加热：

又称热炉装料加热，先把炉子升到工件要求的加热温度，然后再把工件装入炉内进行加热高温入炉加热：

工件装入较工件要求加热温度高的炉内进行加热，直至工件达到要求温度

2常见的脱碳反应、氧化反应

3脱碳过程：

钢件表面的碳与炉气发生化学反应（脱碳反应），形成含碳气体逸出表面，使表面碳浓度降低由于表面碳浓度的降低，工件表面与内部发生浓度差，从而发生内部的碳向表面扩散的过程。

4各种退火工艺方法

种类

加热温度

目的

应用

扩散退火

Ac3/Accm+150~300℃

消除化学成分和组织的不均匀

优质合金钢及偏析现象较为严重的合金

完全退火

AC3+203~0℃

细化晶粒、降低硬度、改善切削性能、消除内应力

亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材以及焊接件

不完全退火（软化退火）

A c1~AC3

使亚共析钢锻件软化并消除内应力

亚共析钢

球化退火

AC1+20~30℃

降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；同时为后续淬火作好组织准备。

共析钢、过共析钢和合金工具钢

等温退火

亚共析钢：

Ac3+30~50℃；在600-680℃之间等温；

同完全退火

合金钢和高合金工具钢

共析、过共析钢：

Ac1+20-30℃；在Ar1-20℃左右等温，在500-600℃出炉空冷

同球化退火

去应力退火

Ar1-100~200℃

一般在500-650℃

热作模具钢及高速钢一般在650-750℃

消除铸、锻、焊件的内应力；降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。

各种铸、锻、焊件、冷冲压件以及机加工工件

再结晶退火

T再+100~200℃

一般在650-700℃

消除加工硬化、恢复塑性，便于进一步冷加工

冷加工后的金属

5叙述有物态变化的淬火介质冷却时，钢件的冷却过程；冷却特性曲线、特性温度。

（1）蒸汽膜阶段产生大量过热蒸汽，形成连续的蒸汽膜，使工件和液体分开。

冷却主要靠辐射传热，冷却速度较慢。

（2）沸腾阶段T工件↓，Q放↓→蒸汽膜厚度减薄并破裂，以致使液体工件直接接触，形成大量气泡溢出液体，带走大量热量。

冷却速度较快（3）对流阶段当工件表面的温度降低至介质的沸点或分解温度以下时，工件的冷却主要靠介质的对流形成，随着工件与介质的温度降低，冷却速度也逐渐降低。

特性曲线

A-B：

蒸汽膜阶段B-C：

沸腾阶段C-D：

对流阶段

特性温度B点对应的温度。

6常用的淬火介质（P37-40）

水及其溶液，油，水油混合液（乳化液），低熔点熔盐。

7影响钢的淬透性的因素

（1）钢的化学成分，除Ti、Zr和Co外，所有合金元素提高淬透性。

（2）奥氏体晶粒度,A晶粒↑，淬透性↑（3）奥氏体化温度,T↑→A晶粒粗大；碳化物、非金属夹杂物↑，A均匀化↑→过冷奥氏体稳定性↑→淬透性↑；（4）第二相及其分布，奥氏体中未溶的非金属夹杂物和碳化物的存在以及其大小和分布，影响过冷奥氏体的稳定性，从而影响淬透性；

8产生淬火裂缝的原因

主要原因：

淬火应力过大，其次，非金属夹杂物、碳化物偏析、粗大第二相、微小裂纹，导致钢材强度的减弱，也会出现淬火裂缝。

9淬火加热温度确定为Ac1/Ac3+（30-50℃），请解释原因？

淬火加热温度根据钢的相变点来确定。

对亚共析钢Ac3+（30-50℃），对过共析钢Ac1+（30-50℃）.温度低于Ac3,加热状态为A和F二相组成，淬火冷却后F保存下来，使零件淬火后硬度不均匀，强度和硬度降低。

高30——50主要是为了是工件心部在规定的加热时间内保证达到Ac3点以上温度，F能完全溶于A中，A成分比较均匀，A晶粒又不至于太粗大。

10常用的4种淬火方法并在c-曲线上画出其冷却曲线以及并写出淬火后的组织

（1）单液淬火

（2）中断淬火（3）喷射淬火（4）分级淬火（5）等温淬火（下贝氏体）

11回火种类

回火种类

回火温度

回火组织

回火目的

回火硬度

应用范围

低温回火

150-250°C

M回

获得高强度、高硬度和高耐磨性，降低淬火应力和脆性

58-64HRC

各种高碳钢的工具、量具、滚动轴承、渗碳零件等

中温回火

350-500°C

T回

获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性

35-50HRC

各种弹簧钢零件和模具

高温回火

500-650°C

S回

获得强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能

25-35HRC

中碳结构钢和低合金结构钢制造的各种重要结构零件，如连杆、螺栓等

12回火工艺的制定（P64-75）

回火温度的选择和确定回火时间的确定回火后的冷却

13表面淬火时，钢在非平衡加热时的相变特点

（1）在一定的加热速度范围内，临界点随加热速度的增加而提高

（2）奥氏体成分不均匀性随着加热速度的增加而增大

（3）提高加热速度可显著细化奥氏体晶粒

（4）快速加热对过冷奥氏体的转变及马氏体回火有明显影响

快速加热使奥氏体成分不均匀及晶粒细化，减小了过冷奥氏体的稳定性，使c-曲线左移

14表面淬火的金相组织和性能（P76-78）

（1）原始组织为退火状态的共析钢，

自表面向心部：

M区（包括残余奥氏体）、M十P区和P区。

（2）原始组织为正火状态的45钢，从表面到中心：

M、M+F、M+F+P、P+F

（3）原始组织为调质状态的45钢，组织分布均匀。

组织性能

（1）快速加热，激冷淬火后的工件表面硬度比普通加热淬火高。

（2）耐磨性比普通淬火的高（3）显著地提高零件的抗疲劳性能；

显著地降低疲劳试验时的缺口敏感性

15感应加热表面淬火后的低温回火的目的、回火方式有那些。

目的：

降低残余应力和脆性，而又不致降低硬度回火种类：

炉中回火自回火感应加热回火

16表面淬火的目的；感应加热表面淬火常用的冷却方式和冷却介质

目的：

表面获得一定深度的M组织，心部仍保持着淬火前的组织状态。

冷却方式：

喷射冷却法和浸液淬火法，埋油淬火法。

冷却介质：

水、聚乙烯醇水溶液、聚丙烯醇水溶液、乳化液和油。

17渗碳的目的是什么

使机器零件获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

18常用固体渗碳温度900-930℃

19渗碳缓冷后从表层到心部的组织分布？

过共析组织→共析组织→亚共析组织→基体组织

20渗碳后表面的含碳量

由0.8-1.05％逐渐过渡到基体组织成分；

21渗碳层淬火后从表层到心部的组织分布？

由表面到心部，M、A残和K——M和A残——M——心部组织。

心部组织在完全淬透的情况下为M（低），淬火温度较低时为M+F（游离），在淬火透性较差的钢中，心部为Q或S+F

22滴注式可控气氛渗碳一般采用几种液体进行滴注，分别起到作用？

滴注式可控气氛渗碳，一般采用两种有机液体同时滴入炉内，一种液体产生的气体碳势较低,作为稀释气体，另一种液体产生的气体碳势较高，作为富化气。

23渗碳层的组织结构包括哪几项

1）渗碳层碳浓度分布曲线2）基体组织3）渗层中的第二相分布、数量和形状

24渗碳缺陷种类

黑色组织反常组织粗大网状碳化物组织渗碳层深度不均匀表层脱碳或贫碳表面腐蚀和氧化

25渗碳的分类

固体渗碳法液体渗碳法气体渗碳法

26渗碳用钢

含碳量较低的碳钢或低合金结构钢，含碳量为0.10-0.25%。

27渗碳后的热处理（种类、曲线、温度制定原则）P119-120

种类

（1）直接淬火

（2）一次加热淬火（3）二次加热淬火

28渗氮的特点

1）更高的表面硬度和耐磨性，表面硬度可以高达HV950-1200，而且到600℃仍可维持相当高的硬度；

2）更高的弯曲疲劳强度；

3）渗氮温度较低（500-570℃），故变形很小4）提高工件的抗腐蚀性能；

5）工艺过程较长，渗层较薄，不能承受太大的接触应力；

29纯铁渗氮层的组织（520℃、600℃时）

520℃纯铁渗氮，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为ε相→γ’相→α相；渗层组织表面→中心：

ε→ε＋γ’→γ’→γ’＋α→α相

600℃纯铁渗氮，若表面氮原子能充分吸收，则按状态图自表面至中心依次为ε→γ’→γ→α相；

渗层组织自表面至中心：

ε→γ’→α’→α相

30渗氮的工艺参数有哪些？

渗氮温度保温时间氨分解率

31渗氮工艺方法（P135-137）

根据渗氮目的不同，渗氮工艺方法分成两大类

（1）强化渗氮，以提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度等为

主要目的而进行的渗氮；

（2）防腐渗氮，以提高工件表面抗腐蚀性能为目的的渗氮

32合金氮化物的形成过程

当在较低温度渗氮时，在开始阶段，随着渗氮过程的进行，α相中的氮浓度提高，弹性应力产生并增加，α相点阵畸变，镶嵌块细化，使扩散层硬度提高。

当α相中的氮浓度达到饱和极限后，将开始析出合金元素的氮化物。

最初形成单原子层薄片状氮化物晶核，其与母相完全共格，其后进一步长大。

合金氮化物的尺寸大小，主要决定于渗氮温度。

33渗氮提高弯曲疲劳强度的原因

渗氮提高弯曲疲劳强度的原因，不是因为表面强化，而是由于表面造成残余应力。

34

常用的渗氮钢

35合金元素对渗氮层组织和性能的影响体现在哪几个方（P129-133）

（1）溶解于铁素体并改变氮在α相中的溶解度。

过渡族元素钨、钼、铬、钛、钒及少量的锆和铌，可溶于铁素体，提高氮在α相中溶解度；铝和硅在低温渗氮时，不改变氮在α相中的溶解度

（2）与基体铁构成铁和合金元素的氮化物（Fe,M）3N、（Fe,M）4N等

铝、硅可能还有钛大量地溶解于γ’相中，扩大了γ’相的均相区；ε相的合金化，提高了它的硬度和耐磨性；

（3）形成氮化物

氮化物的稳定性：

Ni→Co→Fe→Mn→C→Mo→W→Nb→Ti→Zr

在α相中形成与α相保持共格关系的合金氮化物→提高硬度和强度的目的。

36渗氮温度范围

渗氮温度较低（500-570℃）

37化学热处理的特点、目的及其有哪几个过程组成

1）通过渗入不同的元素，可有效地改变工件表面的化学成分和组织，以获得各种不同的表面性能，

2）一般化学热处理的渗层厚度可根据工件的技术要求来调节，而且渗层的成分、组织和性能由表至里是逐渐变化的，渗层与基体属于冶金结合，表层不易剥落3）通常化学热处理不受工件几何形状的限制，无论形状如何复杂均可使外壳和内腔获得所要求的渗层或局部渗层。

4）绝大部分化学热处理具有工件变形小、精度高、尺寸稳定性好等特点。

如氮化、软氮化、离子氮化等工艺。

5）所有化学热处理均可获得改善工件表面性能的综合结果，大部分化学热处理在提高力学性能的同时，还能提高工件表面层的抗腐蚀、抗氧化、减摩、抗咬合、耐热等多种性能。

6）一般化学热处理对提高机械产品的质量、挖掘材料潜力、延长使用寿命具有更为显著的功效。

7）多数化学热处理既是一个复杂的物理化学过程，也是一个复杂的冶金过程，它需要在一定的活性介质中加热，通过界面上的物理化学反应和由表及里的冶金扩散来成。

所以其工艺较复杂，处理周期长，而且对设备的要求也较高。

目的：

强化表面，提高表面层强度，主要使疲劳强度和耐磨性，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗等；提高表面层硬度或降低摩擦系数，增加耐磨性；如渗硼、渗碳化物形成元素、渗硫、硫氮共渗、氧氮碳共渗等；改善表面化学性能，提高耐蚀性和抗高温氧化性；如渗铬、渗硅、渗铝、铬硅铝共渗等；

38化学热处理时，扩散层的组织结构

39加速化学热处理过程的途径

（1）物理催渗法，利用温度、气压，电场、磁场及辐射，机械的弹塑性变形及弹性振荡等物理方法，加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速渗入元素的扩散

（2）化学催渗法，在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解过程，去除工件表面氧化膜，活化工件表面，来提高渗入元素的渗入能力。

40化学热处理的渗剂组成

含有欲渗元素的物质，催渗剂或催化剂

热处理原理部分

1在加热过程时的转变

4个过程：

第一步：

奥氏体晶核形成

奥氏体晶核首先在铁素体和渗碳体的界面上形成，因为晶面处的成分和结构对形核有利。

 第二步：

奥氏体晶核长大 

奥氏体晶核形成后，便通过碳原子的扩散向铁素体和渗碳体方向长大。

  第三步：

残余渗碳体的溶解的溶解

    铁素体在成分和结构上比渗碳体更接近于奥氏体，因而先于渗碳体消失，而残余渗碳体则随保温时间延长不断溶解直至消失。

第四步：

奥氏体均匀化

 渗碳体溶解后，其所在部位碳的含量仍比其他部位高，需通过较长时间的保温使奥氏体成分逐渐趋于均匀。

2在冷却时的转变

（1）P转变过冷奥氏体在A1至550℃将转变为珠光体类型组织。

根据片层的厚薄不同，这类组织又可细分为：

珠光体：

形成温度为A1-650℃，片层较厚，符号P；

索氏体：

形成温度为650-600℃，片层较薄，符号S；

屈氏体：

形成温度为600-550℃，片层极薄，符号T.

（2）B转变钢的过冷奥氏体在珠光体转变温度以下、马氏体转变温度以上的温度范围内，发生一种半扩散型相变，称之为贝氏体转变。

贝氏体是铁素体和渗碳体的混合物；但是这种铁素体的含碳量高于平衡态铁素体的含碳量，是碳在α-Fe中过饱和固溶体。

转变温度不同上贝氏体：

550～350℃下贝氏体：

350℃～Ms

（3）M转变马氏体转变是指钢从奥氏体状态快速冷却，来不及发生扩散分解而产生的无扩散型的相变，转变产物称为马氏体。

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和间隙固溶体。

马氏体的形态主要取决于马氏体的含碳量

含碳量低于0.20％时，马氏体几乎完全为板条状；

含碳量高于1.0％时，马氏体基本为针片状；

含碳量介于0.20％～1.0％之间时，马氏体为板条状和针片状的混合组织；

当温度降低到Mf以下时，过冷奥氏体向马氏体转变接近全部完成，但经常有少量奥氏体未转变而被保留下来，称之为残余奥氏体

4淬火钢在回火时的转变

淬火钢在回火过程中发生的转变主要是马氏体的分解，残留奥氏体的转变，还有碳化物析出后碳化物转化、聚集长大，α相的回复、再结晶，内应力的消除等过程。