钢的热处理.docx

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钢的热处理

鋼的熱處理

熱處理是將固態金屬或合金採用適當的方式加熱、保溫和冷卻以獲得所需要的組織結構與性能的工藝。

熱處理工藝它能提高零件的使用性能，充分發揮鋼材的潛力，延長零件的使用壽命，此外，熱處理還可改善工件的工藝性能﹑提高加工質量﹑減小刀具磨損。

鋼的熱處理方法可分為：

退火、正火、淬火、回火及表面熱處理等五種。

熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段所組成的，因此，熱處理工藝過程可用在溫度一時間坐標系中的曲線圖表示，如下圖所示，這種曲線稱為熱處理工藝曲線。

退火與正火

一、退火

將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然後緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝稱為退火。

退火的主要目的是：

（1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利於切削加工及冷變形加工。

（2）細化晶粒，均勻鋼的組織及成分，改善鋼的性能或為以後的熱處理作準備。

（3）消除鋼中的殘余內應力，以防止變形和開裂。

常用的退火方法有完全退火、球化退火、去應力退火等幾種。

（1）完全退火完全退火是將鋼加熱到完全奧氏體化（AC3以上30～50℃），隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態組織的工藝方法。

在完全退火加熱過程中，鋼的組織全部轉變為奧氏體，在冷卻過程中，奧氏體變為細小而均勻的平衡組織（鐵素體+珠光體），從而達到降低鋼的硬度、細化晶粒、充分消除內應力的目的。

完全退火主要用於中碳鋼及低、中碳合金結構鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材等，有時也用於焊接結構件，過共析鋼不宜採用完全退火，因過共析鋼完全退火需加熱到ACCM以上，在緩慢冷卻時，鋼中將析出網狀滲碳體，使鋼的力學性能變壞。

（2）球化退火是將鋼加熱到AC1以上20～30℃，保溫一定時間，以不大於50℃/H的冷卻速度隨爐冷卻下來，使鋼中碳化物呈球狀的工藝方法。

球化退火適用於共析鋼及過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。

這些鋼在鍛造加工後進行球化退火，一方面有利於切削加工，同時為最後的淬火處理作好組織準備。

（3）去應力退火是將鋼加熱到略低於A1的溫度（一般取500～650℃），保溫一定時間後緩慢冷卻的工藝方法，其目的是消除由於塑性變形、焊接、切削加工、鑄造等形成的殘余應力。

工件和零件中存在的內應力是十分有害的，如不及時消除，會在加工和使用過程中發生變形，影響其精度，因此，鑄造、鍛造、焊接及切削加工後（精度要求高）的工件應採用去應力退火。

由於去應力退火溫度低於A1，所以在去應力退火時鋼的組織不會發生變化，隻是消除內應力。

二、正火

正火是將鋼加熱到AC3或ACCM以上30～50℃，保溫適當的時間，在空氣中冷卻的工藝方法。

正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火後得到的珠光體組織比較細，強度、硬度比退火鋼高。

正火主要用於如下場合：

（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性，一般認為硬度在160～230HBS范圍內的鋼材，其切削加工性最好，硬度過高時難以加工，而且刀具容易磨損，硬度過低，切削時容易“粘刀”，使刀具發熱而磨損，而且工件的表面質量較低，低碳鋼和低碳合金鋼退火後的硬度在160HBS以下，切削加工性不良，而正火能適當提高其硬度，改善切削加工性。

（2）正火可細化晶粒，其組織力學性能較高，所以當力學性能要求不太高時，正火可作最終熱處理，也能滿足普通結構零件的性能要求。

（3）消除過共析鋼中的網狀滲碳體，改善鋼的力學性能，並為球化退火作組織準備。

（4）代替中碳鋼和低碳合金結構鋼的退火，改善它們的組織結構和切削加工性能。

正火比退火生產周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下，應優先採用正火，但在零件形狀較復雜時，由於正火的速度較快，有引起開裂的危險，則採用退火為宜。

淬火

將鋼加熱到AC3或AC1以上某溫度，保溫一定時間，然後以適當速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。

淬火的主要目的是為了獲得馬氏體，提高鋼的強度和硬度。

淬火冷卻介質

淬火要求得到馬氏體組織，故淬火的冷卻速度必須大於臨界冷卻速度，但冷卻過快，工件的體積收縮及組織轉變劇烈，從而引起很大的內應力，容易造成工件變形及開裂，因此，淬火介質的選擇是個重要的問題。

常用的淬火冷卻介質有油、水、鹽水、鹼水等，其冷卻能力依次增加，鹽水在650～550℃范圍內冷卻速度快，但在300～200℃的溫度范圍內冷卻速度仍然很快，容易引起開裂，所以常用作形狀簡單的碳鋼零件的淬火。

油在300～200℃的溫度范圍內冷卻速度比較慢，但在650～500℃范圍內冷卻速度過慢，一般用於臨界冷卻速度較小的合金鋼零件的淬火。

淬火方法：

淬火時為了最大限度地減小變形和避免開裂，除了正確的進行加熱及合理地選擇介質，還應根據工件的材料、尺寸、形狀和技術要求選擇合理的淬火方法。

常用的淬火方法有：

1、單液淬火法：

將鋼體奧氏體化後，在單一淬火介質中冷卻到室溫的處理，稱為單液淬火。

單液淬火時碳鋼一般用水作冷卻介質，合金鋼可用油作冷卻介質。

單液淬火操作簡單，易實現機械化和自動化，但單獨用水或油進行冷卻，綜合的冷卻特性不夠理想，容易產生硬度不足或開裂等淬火缺陷。

2、雙介質淬火

將鋼件奧氏體化後，先浸入一種冷卻能力強的介質中，冷卻至接近MS點溫度即鋼的組織還未開始轉變時迅速取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中使之發生馬氏體轉變的淬火，稱為雙介質淬火。

如先水後油，先水後空氣等。

雙介質淬火的優點是內應力小，變形及開裂小。

缺點是操作困難，不易掌握，故主要應用於由碳素工具鋼制造的易開裂工件，如絲錐等。

3、馬氏體分級淬火

鋼材奧氏體化後，隨之浸入溫度稍高或稍低於鋼的MS點的液態介質中，保溫適當時間，待工件的內外層均達到介質溫度後取出空冷或油冷，從而獲得馬氏體組織，稱為馬氏體分級淬火。

4、貝氏體等溫淬火

鋼材料奧氏體化後，放入溫度稍高於MS點的鹽浴或鹼浴中，保溫足夠時間，使奧氏體轉變為下貝氏體，這種熱處理工藝稱為貝氏體等溫淬火。

貝氏體等溫淬火的主要目的是強化鋼材，使工件獲得強度和韌性的良好配合，以及較高硬度和較好的耐磨性。

貝氏體等溫淬火可以顯著地減小淬火應力和變形，基本上避免了工件的淬火開裂，故常用來處理形狀復雜的各種模具、成形刀具等。

鋼的淬硬性和淬透性：

淬火時，工件截面上各處的冷卻速度是不同的，表面的冷卻速度最大，越到中心冷卻速度越小，如果工件表面及中心的冷卻速度都大於材料的臨界冷卻速度，則沿工件的整個截面均能獲得馬氏體組織，即鋼被完全淬透了，如中心部分低於臨界冷卻速度，則表面得到馬氏體，心部則獲得非馬氏體的組織。

淬透性是指在規定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織深度的能力，顯然，淬透性好的鋼較淬透性差的鋼易於整體淬硬。

鋼的淬透性與鋼的臨界冷卻速度有密切的關系，臨界冷卻速度越低，鋼的淬透性越好，所以，能增加過冷奧氏體穩定性，降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學成分）均可以提高鋼的淬透性，例如：

合金鋼的淬透性比碳鋼好。

淬透性是鋼重要的熱處理要求，其主要表現在兩方面：

其一是淬透性好的鋼，經淬火回火後，截面上組織均勻一致，綜合力學性能好。

其二是淬透性好的鋼，在淬火冷卻時可採用比較緩和的淬火介質，減小工件淬火的變形及開裂傾向。

淬硬性是指鋼在理想條件下，淬火成馬氏體後所能達到的最高硬度，鋼的淬硬性主要取決於鋼的含碳量，低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好，淬硬性和淬透性是具有不同意義的兩個概念。

淬火缺陷：

1、氧化與脫碳

鋼加熱時，爐內氧化氣氛與鋼材料表面的鐵或碳相互作用，引起氧化和脫碳。

所謂氧化，是指鐵的氧化，即在工件表面形成一層鬆脆的氧化鐵皮，氧化不僅造成金屬的損耗，還影響工件的承載能力和表面質量等。

所謂脫碳，是指氣體介質和鋼表面的碳起作用而逸出，使材料表面含碳量降低，脫碳會降低工件表層的強度、硬度和疲勞強度，對於彈簧、軸承和各種工具、模具等，脫碳是嚴重的缺陷。

為了防止氧化和脫碳，對重要受力零件和精密零件，通常應在鹽浴爐中加熱，要求更高時，可在工件表面塗覆保護劑或在保護氣氛及真空中加熱。

2、過熱和過燒

鋼在淬火加熱時，由於加熱溫度過高或高溫下停留時間過長而發生奧氏體晶粒顯著粗化的現象，稱為過熱。

加熱溫度達到固相線附近，使晶界氧化並部分熔化的現象稱為過燒。

工件過熱後，晶粒粗大，不僅降低鋼的力學性能（尤其是韌性），也容易引起變形和開裂，過熱可以用正火處理予以糾正，而過燒後的工件隻能報廢。

為防止工件的過熱和過燒，必須嚴格控制加熱溫度和保溫時間。

3、變形與開裂

淬火內應力是造成工件變形和開裂的原因，對於變形量小的工件可採取某些措施予以糾正，而變形量太大或開裂的工件隻能報廢。

為了防止變形和開裂的產生，可採用不同的淬火方法（如分級淬火或等溫淬火）或在設計上採取一些措施（如結構對稱、截面均勻、避免尖角等）。

4、硬度不足

這是由於加熱溫度過低，保溫時間不足，冷卻速度過低或表面脫碳等原因造成的，一般情況下，可採用重新淬火消除，但淬火前要進行一次退火或正火處理。

鋼的回火

將淬火後的鋼，再加熱到AC1點以下的某一溫度，保溫一定時間，然後冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。

淬火鋼回火的目的如下：

（1）消除內應力通過回火減少或消除工件在淬火時產生的內應力，防止工件在使用過程中的變形。

（2）獲得所需要的力學性能通過回火可提高鋼的韌性，適當調整鋼的強度和硬度，使工件具有較好的綜合力學性能。

（3）穩定組織和尺寸回火可使鋼的組織穩定，從而保証工件在使用過程中尺寸穩定。

回火的分類及應用：

回火時，決定鋼的組織和性能的主要因素是回火溫度，回火溫度可根據工件要求的力學性能來選擇。

1.低溫回火（150-250℃）

低溫回火得到的組織是回火馬氏體，其性能是：

具有高的硬度（58-64HRC），高的耐磨性和一定的韌性，低溫回火主要是用於量具、刀具、冷沖壓模及其他要求耐磨而硬的零件。

2.中溫回火（350-650℃）

中溫回火得到的組織是回火托氏體，其性能是：

具有高的彈性極限、屈服點和適當的韌性，硬度可達到35-50HRC，中溫回火主要用於彈性零件及熱鍛模具等。

3.高溫回火（500-650℃）

高溫回火得到的組織是回火索氏體，其性能是：

具有良好的綜合力學性能（足夠的強度與高韌性相配合），硬度達200-330HBS，生產中常把淬火及高溫回火的復合熱處理工藝稱為“調質”。

調質處理廣泛用於受力構件，如螺栓、連桿、齒輪、曲軸等。

調質鋼與正火鋼相比，不僅強度較高。

而且塑性、韌性遠高於後者。

這是由於調質後鋼的組織是回火索氏體，其滲碳體呈球粒狀，而正火後的索氏體中滲碳體呈薄片狀，因此，重要零件均應採用調質處理。

鋼的表面熱處理

在機械設備中，有許多零件（如齒輪、曲軸等）是在沖擊載荷及表面摩擦條件下工作的，這類零件表面須具有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性，為滿足這類零件的性能要求，就要進行表面熱處理。

常用表面熱處理方法有表面淬火及化學熱處理兩種。

一、表面淬火

僅對工件表層進行淬火的工藝稱為表面淬火，根據淬火加熱方法的不同，常用的有火焰加熱表面淬火和感應加熱表面淬火兩種。

1.火燄加熱表面淬火

應用氧-乙炔（或其他可燃氣體）火燄對零件表面進行快速加熱，隨之快速冷卻的工藝，稱為火燄加熱表面淬火。

火燄淬火的淬硬層深度一般為2-6mm，這種方法的特點是：

加熱溫度及淬硬層深度不易控制，淬火質量不穩定，但不需要特殊設備，一般適用於單件或小批量生產。

2.感應加熱表面淬火

利用感應電流通過工件所產生的熱效應，使工件表面局部加熱，然後快速冷卻的淬火工藝稱為感應加熱表面淬火。

感應加熱表面淬火的特點：

﹙1﹚加熱速度快，零件由室溫加熱到淬火溫度僅需幾秒到幾十秒。

（2）淬火質量好，由於加熱迅速，奧氏體晶粒不易長大，淬火後表層可獲得細針馬氏體，硬度比普通淬火高2-3HRC。

（3）淬硬層深度易於控制，淬火操作易實現機械化和自動化，適用於大批量生產，但設備較復雜。

表面淬火主要適用於中碳鋼、中碳合金鋼，如果含碳量太低，淬火後硬度低，而含碳量過高，則容易淬裂。

二、化學熱處理

將工件置於一定溫度在活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入它的表層，以改變其化學成分﹑組織和性能的熱處理工藝，稱為化學熱處理。

化學熱處理與其它熱處理相比，不僅改變了鋼的組織。

而且鋼表層的化學成分也發生了變化。

化學熱處理的種類很多，根據滲入的元素的不同，化學熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲﹑滲金屬等多種。

不論哪一種方法，都是通過以下三個基本過程來完成。

（1）分解介質在一定的溫度下，發生化學分解。

產生滲入元素的活性原子。

（2）吸收活性原子被工件表面吸收。

（3）擴散滲入的活性原子，由表面向中心擴散，形成一定厚度的擴散層（即滲層）

常用的化學熱處理方法有以下幾種：

1.鋼的滲碳

將工件置於滲碳介質中加熱並保溫。

使碳原子滲入工件表層的化學熱處理稱為滲碳。

其目的是提高工件表層的含碳量。

滲碳後，經淬火及低溫回火。

使零件表面獲得高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定強度及較高的塑性和韌性。

為了達到上述要求，滲碳零件必須用低碳鋼或低碳合金鋼來制造。

滲碳方法可分為固體滲碳、鹽浴滲碳及氣體滲碳三種，應用較為廣泛的是氣體滲碳。

零件滲碳後，其表面含碳量可達0.85%－1.05％,並從表面到心部逐漸減少。

心部仍保持原來低碳鋼的含碳量。

滲碳隻改變工件表面化學成分，要使滲碳件表層具有高的硬度﹑高的耐磨性和心部良好韌性，滲碳後還必須進行熱處理。

常用的是淬火後低溫回火，滲碳零件經淬火及低溫回火後，表層顯微組織為細針回火馬氏體和均勻分布的細粒滲碳體，硬度高達58-64HRC，心部是低碳鋼，其顯微組織仍為鐵素體和珠光體，具有較高的韌性和適當的強度。

2.鋼的滲氮

在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝稱為滲氮，其目的是提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及疲勞強度。

滲氮分為氣體滲氮、離子滲氮。

1.氣體滲氮：

工件在氣體介質中進行滲氮稱為氣體滲氮，滲氮時將工件放入密閉的爐內，加熱到500－600℃後通入氨氣，氨氣分解出活性氮原子，活性氮原子與鋼表面的合金原素Al、Cr、Mo形成氮化物，並向心部擴散。

滲氮層深度一般為0.1－0.6mm。

滲氮與滲碳相比，有如下特點：

1）滲氮層具有很高的硬度和耐磨性，工件滲氮後不用淬火表面就可得到高硬度。

2）滲氮溫度低（一般約為570℃），工件變形小。

3）滲氮零件具有很好的耐蝕性，可防止水、蒸汽、鹼性溶液的腐蝕。

滲氮雖具有上述優點，但因其生產周期長、成本高、滲氮層薄而脆，不宜承受集中的重載荷，在生產中滲氮主要用來處理重要和復雜的精密零件，如精密絲槓、精密機床的主軸、排氣閥等。

滲氮用鋼是含有Al、Cr、Mo等合金元素的鋼。

2.離子滲氮在低于一個大氣壓的滲氮氣氛中﹐利用工件（陰極）和陽極之間產生的輝光放電進行滲氮的工藝﹐稱為離子滲氮。

離子滲氮具有速度快﹐生產周期短﹑滲氮質量高﹑工件變形小﹑對材料的適應性強等優點﹐目前離子滲氮還存在投資大﹑裝爐量小﹑測溫困難及質量不穩定等問題。

3.碳氮共滲

在一定溫度下﹐將碳﹑氮同時滲入工件表層奧氏體中（以滲碳為主）的化學熱處理工藝﹐稱為碳氮共滲﹐常用的為氣體碳氮共滲﹑

碳氮共滲同滲碳相比﹐具有很多優點﹐它不僅加熱溫度低﹑零件變形小﹑生產周期短﹐而且滲層具有較高的硬度﹑耐磨性和疲勞強度﹐目前工廠里常用來處理汽車和機床上的齒輪﹑蝸杆和軸類等零件。

以滲氮為主的碳氮共滲﹐也稱為軟氮化﹐其常用的共滲介質是尿素﹐加熱溫度一般不超過570℃﹐處理時間僅為1-3H﹐與一般滲氮相比﹐滲層硬度較低﹐脆性較小﹐軟氮化常用于處理模具﹑量具﹑高速鋼刀具等。

熱處理新工藝

一﹑形變熱處理

是一種把塑性變形與熱處理有機結合的新工藝﹐可達到形變強化和相變強化的綜合效果而顯著地提高鋼的力學性能。

形變熱處理可分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理兩種。

高溫形變熱處理是將工件加熱到奧氏體化溫度以上﹐保溫后進行塑性變形﹐然后立即淬火﹑回火﹐不僅能提高材料的強度和硬度﹐還能顯著提高其韌性﹐取得強韌化的效果。

低溫形變熱處理是將鋼奧氏體化后﹐急速冷卻到過冷奧氏體孕育期最長的溫度區間（500-600℃之間）進行塑性變形﹐然后淬火并立即回火﹐這種熱處理可在保持塑性和韌性不降低的條件下﹐大幅度提高鋼的強度和抗磨損能力﹐主要用于強度極高的零件﹐如高速鋼刀具﹑彈簧﹑飛機起落架等。

二﹑真空熱處理

是將工件置于1.33-0.0133Pa真空介質中加熱。

真空熱處理可防止零件的氧化與脫碳﹐并使零件表面氧化物﹑油脂迅速分解﹐而得到光亮的表面﹐真空熱處理還具有脫氣作用﹐使鋼中H﹑N及氧化物分解逸出﹐并可減小工件的變形等﹐真空熱處理不僅可用于真空退火和真空淬火﹐還可用于真空化學熱處理﹐如真空滲碳等。

注﹕AC3﹑AC3﹑ACCM表示加熱時的各臨界點。

臨界點﹕指金屬發生結構改變的溫度﹐這里指合金的結晶開始及終了溫度。