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热处理工艺规范

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热处理工艺规程

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说明

编制

批准

一、热处理工艺规范

1.1正火

（1）定义：

正火是把钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（过共析钢）以上适当温度，保温后在空气中冷却的热处理方法。

（2）范围：

A、作为低碳钢和某些低合金结构铸钢及锻件消除应力、细化组织、改善切削加工性能和淬火前的预备热处理。

B、消除网状碳化物，为球化退火作准备。

C、用于某些碳素钢、低合金钢工件在淬火返修时，消除内应力和细化组织，以防重新淬火时产生开裂和变形。

D、作为普通结构件的最终热处理。

一些受力不大，只需一定的综合力学性能的的结构件，采用正火就能满足其使用性能要求。

（3）工艺：

A、加热温度。

亚共析钢的加热温度为Ac3+30～50℃，过共析钢的加热温度为Acm+30～50℃。

B、保温时间。

保温时间与工件有效厚度有关，以工件截面温度均匀为原则（保温时间的计算可参考淬火）。

C、冷却。

正火工件的冷却一般为空冷，大型工件根据截面尺寸的大小，可采用风冷或喷雾冷却，以获得预期的组织和性能。

1.2淬火

（1）定义：

淬火是把钢加热到Ac3或Ac1以上温度，保温一定时间，然后以适当方式冷却，以获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。

工件经淬火和回火处理后，其组织与淬火前相比发生了很大的变化，力学性能有很大的提高，可以充分地发挥材料的潜力，使工件具有良好的使用性能。

（2）目的：

A、提高工件的力学性能，如硬度、强度、耐磨性、弹性极限等。

B、改善某些特殊钢种的物理性能或化学性能，如耐蚀性、磁性、导电性等。

（3）工艺：

淬火温度主要取决于钢的化学成分，再结合具体工艺因素综合考虑决定，如工件的尺寸、形状、钢的奥氏体晶粒长大倾向、加热方式及冷却介质等。

1）淬火温度

A、亚共析钢淬火温度为Ac3+30～50℃。

亚共析钢加热到这一温度范围时，钢中的铁素体完全溶于奥氏体中，成为细晶粒奥氏体，淬火后便得到晶粒细小的马氏体。

若加热温度过高，奥氏体晶粒容易长大，淬火后便得到粗针状马氏体，使钢的性能变坏，且淬火时容易出现变形和开裂现象。

如果加热温度在Ac1和Ac3之间，铁素体不能完全溶人奥氏体，淬火后便被保留下来得到的组织为马氏体＋铁素体。

由于铁素体硬度很低，强度也很低，不能使钢达到要求的力学性能，所以亚共析钢的淬火温度一般选择在Ac3+30～50℃之间。

B、过共析钢的淬火温度为Ac1+30～50℃。

在此温度加热，过共析钢的组织为奥氏体和渗碳体，淬火后的组织是马氏体和渗碳体，颗粒细小的渗碳体是均匀地分布在马氏体的基体上。

由于渗碳体的硬度比马氏体更高，更增加了钢的耐磨性。

这对提高工具钢的耐磨性能尤为重要。

如果加热温度在Acm以上，渗碳体就会完全溶于奥氏体中，并使奥氏体晶粒长大，提高了奥氏体的稳定性，淬火后得到粗大的马氏体和较多的残留奥氏体，不仅使钢的脆性增加，而且使淬火硬度下降，耐磨性降低；同时增加了氧化、脱碳和畸变、开裂的倾向。

因此过共析钢不能采用过高的加热温度。

但是，过低的加热温度也是不可取的，会使奥氏体的稳定性下降，容易分解为非马氏体组织，影响淬火后的硬度。

C、共析钢的淬火温度与过共析钢相同。

D、合金钢的淬火温度范围为Ac1或Ac3+30～50℃。

E、高速钢、高铬钢及不锈钢应根据要求合金碳化物溶入奥氏体的程度来选定。

F、对于过热敏感性强的钢（如锰钢）及脱碳敏感性强的钢（如钼钢），不宜选取上限温度。

2）保温时间

在实际应用中，通常对升温时间不予考虑，只计算保温时间。

保温时间可按下列经验公式计算：

T＝αKD

式中

T：

保温时间（min）

α：

保温时间系数（min/mm）。

碳素钢1.0～1.5；低合金钢1.2～1.8；高合金钢1.5～2.2。

K：

工件装炉方式修正系数，一般为1.0～2.0

D：

工件有效厚度

3）冷却

根据工件大小和材料，选择空淬、油淬或水淬。

1.3回火

（1）定义：

回火是把淬火后的工件加热到A1以下适当温度，保温一定时间，以一定的方式冷却的热处理工艺。

回火是伴随于淬火后进行的一种热处理操作。

一般情况下，工件淬火后都要进行回火，并且是热处理的最后工序，对工件的性能影响很大，可以说决定了工件的使用性能和寿命。

（2）目的：

A、使工件得到所要求的力学性能。

工件淬火后，硬度高．脆性大，为了达到技术要求的力学性能，可以通过回火来调整到希望得到的硬度、强度、塑性和韧性。

B、减小或消除内应力。

工件淬火后存在很大的内应力，及时回火可以消除应力，减少畸变和防止开裂。

C、稳定尺寸。

工件淬火后的组织一般为马氏体和部分残留奥氏体，这两种组织都不稳定，会自发地发生转变，引起工件尺寸和形状的变化。

通过回火可以促使这些转变，使组织趋于稳定，以保证在使用过程中不再发生变形。

（3）工艺：

A、回火温度。

回火温度主要是根据工件要求硬度来确定的。

B、回火时间。

应根据工件材料、有效厚度、装炉量和设备来确定。

1.4退火及其目的

把钢加热到其一适当温度并保温，然后缓慢冷却的热处理方法，称为退火。

根据退火的目的和工艺特点，可分为去应力退火，再结晶退火、完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和均匀化退火等。

退火的目的主要有以下几点：

（1）降低硬度，改善切削加工性能。

（2）细化晶粒，改善钢中碳化物的形态和分布，为最终热处理做好组织准备。

（3）消除内应力，消除由于塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力以及铸件内残留的内应力，以减小变形和防止开裂。

（4）使碳化物球状化．降低硬度。

（5）改善或消除钢在铸造、锻造和焊接过程中形成的各种组织缺陷，防止产生白点。

在大多数情况下，退火一般为预备热处理，通常安排在铸造或锻造之后．粗加工之前，目的是为了降低硬度．改善切削加工性能，细化组织，为最终热处理做组织准备。

对于一些要求不很高的工件，退火也可作为最终热处理。

消除内应力退火往往在铸造、焊接、压力加工或粗加工之后。

1.4.1均匀化退火

（1）定义：

均匀化退火也称扩散退火，是把钢加热到远高于Ac3或Acm的温度，经长时间保温，然后缓慢冷却的热处理工艺。

（2）目的：

是使钢的成分均匀化，消除成分偏析。

在高温下，钢中原子具有大的活动能量，有利于原子进行充分的扩散，从而消除成分偏析及组织的不均匀性。

以减轻钢在热加工时产生脆裂的倾向和消除铸钢件内应力，并提高其力学性能。

（3）范围：

适用于铸钢件及具有成份偏析的锻轧件。

（4）工艺：

加热温度为Ac3+150～200℃，保温时间为10～20h,随炉缓冷至350℃以下出炉。

由于退火的加热温度很高，保温时间又长，很容易引起晶粒长大，需在退火后进行细化晶粒的处理，如进行压力加工使晶粒碎化，或通过完全退火、正火使晶较细化。

1.4.2再结晶退火

（1）目的：

A、消除加工硬化，降低硬度。

B、消除冷塑性变形后的内应力。

（2）范围：

主要用于冷变形加工的工件。

如工件经冷冲压或拉伸后，为降低硬度，便于继续进行冷变形加工，均需进行再结晶退火，也称工序间退火。

对于某些冷变形加工零件，为消除加工硬化及内应力，再结晶退火也可作为最终热处理。

（3）工艺：

再结晶退火温度Ac1－50～150℃。

碳钢的再结晶退火温度一般为600～700℃。

由于再结晶温度与钢的化学成分及冷塑性变形量有关，因此应根据具体情况确定。

温度太高，晶粒会明显长大；温度过低，再结晶过程不能完全进行，晶粒大小不均匀。

保温后空冷。

1.4.3去应力退火

（1）定义：

去应力退火通常是将工件缓慢加热到Ac1以下一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

（2）目的：

是消除工件的内应力，以减少和防止工件在后续加工和使用过程中发生变形或开裂。

（3）范围：

适用于铸件、锻件、焊接件、机械加工和形变加工后工件。

（4）工艺：

去应力退火温度为Ac1－100～200℃。

在这一温度下，工件的内部组织不发生变化。

加热温度越高，内应力消除得越彻底。

当温度超过以600℃时，应力即可基本完全消除。

机械加工中的去应力退火应在粗加工之后、精加工之前进行，退火温度应取下限或更低些。

对薄壁或焊接件，为防止其变形，退火温度应适当降低。

对于淬火（经回火）或调质过的工件，去应力退火温度应低于回火温度，以免降低硬度和强度。

保温时间与工件大小及装炉量有关，一般为2～4h。

工件截面厚度较大或装炉量较大时，保温时间可取上限或适当延长。

为避免冷却过程中造成新的热应力，保温后应缓慢冷却，通常随炉冷至300℃以下出炉空冷。

1.4.4完全退火

（1）定义：

把钢加热到Ac3以上温度，保温一段时间，然后缓慢冷却的退火方法称为完全退火。

（2）目的：

A、降低硬度。

完全退火后得到片层较厚的珠光体，消除了由铸造、锻造、焊接后由于冷却较快而造成了的硬度较高的组织，改善了切削加工性能。

B、细化晶粒。

铸件在浇铸后缓慢冷却，锻件在停锻时，温度过高，焊接件焊缝处温度过高，工件热处理时温度过高都会使组织出现晶粒粗大和组织不均等现象。

采用完全退火，可以将粗大晶粒转变为细小晶粒。

C、钢在加热和缓慢冷却过程中，还可以消除在形变和快冷过程中产生的残留内应力。

（3）范围：

主要用于亚共析钢的碳钢和合金钢，包括铸钢件、锻轧件、焊接件等。

完全退火不能用于过共析钢。

（4）工艺：

A、加热温度。

完全退火的加热温度一般为：

碳钢加热到Ac3+30～50℃,合金钢加热到Ac3+30～70℃。

为改善低碳钢的切削加工性能，或使高合金的碳化物充分溶解，可适当提高奥氏体化温度；但过高的加热温度是不可取的。

常用结构钢的退火温度及退火后的硬度见附录

B、保温时间。

确定保温时间的原则是保证奥氏体的充分均匀化，其时间长短与零件有效厚度、工件的排列方式和装炉量大小等因素有关。

在箱式电阻炉中退火，保温时间可按有效厚度计算（1.5～2.5min/mm）。

工件排列越紧密，装炉量越大，保温时间越长。

C、冷却速度。

冷却速度对退火后组织及其性能影响较大，应根据钢种和要求的性能而定。

退火后的组织应为珠光体。

当冷却速度太快时，珠光体的片层太薄，硬度就偏高，不利于切削加工。

若冷却过慢，则会出现大块铁素体且生产效率会降低。

故冷却速度一般为30～120℃／h。

生产中通常采用随炉冷却方式，冷至500℃以下，即可出炉空冷。

1.4.5不完全退火

（1）定义：

是将钢加热到Ac1～Acm（过共析钢）或Ac1～Ac3（亚共析钢）之间，保温后缓慢冷却的退火方法。

（2）目的：

与完全退火相同。

（3）范围：

一般用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件及冲压件等。

主要用于过共析钢的退火。

对于亚共析钢来说，如果钢的原始组织良好，晶粒细小，只是为降低硬度或消除内应力，也可以进行不完全退火。

（4）工艺：

加热温度为Ac1+40～60℃，保温后随炉缓慢冷却到500℃以下空冷。

保温和冷却工艺参数与完全退火相同。

1.4.6等温退火

（1）定义：

等温退火是将钢加热到Ac1或Ac3以上温度，保温一定时间后迅速过冷到Ar1以下某一温度，并保持一段时间，使其全部转变为珠光体组织后出炉空冷的热处理方法。

（2）目的:

细化组织和降低硬度，防止产生白点。

（3）范围：

适用于中碳合金网和高合金钢的大到铸锻件及冲压件。

（4）工艺：

A、加热温度。

等温退火的加热温度一般为：

亚共析钢加热到Ac3+30～50℃，共析钢和过共析钢加热到Ac1+20～40℃。

B、等温温度。

根据所要求的性能，从钢的奥氏体等温转变图上选择，一般为Ar1－20～30℃。

等温温度越高，所得到的组织越粗，硬度越低。

C、等温时间。

由等温温度线与等温转变终了线的交点确定。

由于工件大小、装炉量等因素的影响，为保证奥氏体全部转变，等温时间可长一些。

通常，碳钢的等温时间为2～4h，合金钢3～6h。

D、冷却。

在等温过程中组织已完全转变，等温后空冷即可。

（5）优点：

通过选择等温温度来获得预期的组织和性能，且组织的均匀性和性能的一致性都较好，合金钢可得到较低的退火硬度，退火周期比较短。

常用工具钢等温退火参数及硬度值见附录。

1.4.7球化退火

（1）定义：

使钢中的碳化物球状化的退火方法称为球化退火。

（2）目的：

A、降低硬度，改善切削加工性能。

钢经球化退火后，形成的球状碳化物具有比片状碳化物低的硬度，有利于改善切削加工性能。

B、细化组织，为淬火做好组织准备。

在淬火加热过程中，由于球状碳化物比片状碳化物较难溶于奥氏体，因而可以阻止晶粒长大，减少和防止钢的过热。

球化退火后得到的组织均匀，有利于减少淬火畸变和开裂倾向。

C、提高淬火工件的耐磨性。

由于球状碳化物在工件淬火后被完全保留下来，且均匀地分布在马氏体基体上，这些细而硬的小颗粒可以有效地提高工件的耐磨性。

（3）范围：

适用于共析钢或过共析钢件的退火，如工具、模具、轴承等。

（4）工艺：

球化退火有普通球化退火、等温球化退火和周期球化退火等。

1）普通球化退火

A、加热温度。

加热温度为Ac1+10～20℃。

加热温度过高，溶入奥氏体中的碳化物太多．则会降低球化的成核率，容易形成片状珠光体。

如果加热温度过低．则珠光体中的片状碳化物溶解不够，部分片状碳化物可能因未溶解而保留下来，可能得到细粒状与片状混合的珠光体组织。

B、保温时间。

其时间长短与零件有效厚度、工件的排列方式和装炉量大小等因素有关。

由于球化退火的温度比完全退火低，故球化退火的保温时间应比完全退火稍长些。

C、冷却。

工件保温后以20～40℃/h的速度冷却至500℃以下出炉空冷。

冷却速度影响着退火组织中碳化物颗粒的大小和分布的均匀性。

在同一退火温度下，增大冷却速度，因碳化物来不及聚集和长大，而得到细小而弥散度较大的组织，使硬度偏高，不利于切削加工。

冷却速度过小，碳化物容易聚集成较大的颗粒。

通常，球化退火保温后，直接缓慢冷却的冷却速度应比普通退火慢些。

这种退火方法球化较充分，但生产周期长。

适用于截面大的工件及装炉量大的情况。

2）等温球化退火

其加热温度为Ac1+20～30℃，保温后冷却到Ar1－20～30℃，等温一段时间（等温时间取决于等温转变曲线及工件截面尺寸大小），然后随炉冷却至500℃以下出炉空冷。

这种方法退火后的组织比较均匀，且易于控制，生产周期较短。

3）周期球化退火

它是将钢在Ac1＋10～20℃加热，保温后在Ar1－20～30℃等温一段时间，如此反复进行多次等温球化退火，然后随炉冷至500℃以下出炉空冷。

这种方法得到的球状碳化物不够均匀，且操作较麻烦，生产中应用较少，主要用于原始组织为粗片状珠光体的情况。

1.5调质

调质处理钢经淬火和高温回火的双重处理，称为调质处理。

调质处理后的组织为具有一定弥散度的细粒状珠光体组织―回火索氏体。

回火索氏体具有良好的综合力学性能，即具有高的强度和良好的塑性与韧性。

调质处理既可用于预备热处理，也可用于最终热处理。

用于预备热处理时，主要是为最终热处理做好组织准备，同时也是为了满足一些工件（如表面淬火工件）的心部力学性能要求。

常用钢的调质处理规范见附录。

2.0热处理工艺操作

（1）应注意工件的摆放位置，保证均匀加热，防止过热。

使用煤气炉或天然气炉时，注意不要使喷嘴或火焰直接对工件加热。

（2）轴类及细长杆工件，要注意工件的放置，以防变形。

（3）完全退火装炉时，一般中小型碳钢和低合金钢工件，可不控制加热速度，直接装入已升温至退火温度的炉内；也可低温装炉，随炉升温。

对于中、高合金或形状复杂的大件，低温装炉，分段升温，并控制升温速度不超过100℃/h。

（4）大型工件的去应力退火，应低温装炉，缓慢升温，以防由于加热过快而产生热应力。

（5）正火空冷时尽量放在平坦的地面上；无论何种工件，在空冷时都要散开放置于干燥处空冷，不得堆放或重叠，不得置于潮湿处或有水的地方，以保证冷却速度均匀，硬度均匀。

（6）材质不同，但加热温度相同的工件可以在同一炉中加热。

（7）截面大小不同的工件，在同一炉中加热时，小件应放在炉膛外端。

（8）一般情况下，水温不超过40℃，油温不超过80℃。

3.0热处理质量检验规范

3.1热处理前质量检验

按《进货检验指导书》进行。

（1）外观检验

表层不应有肉眼可见的裂纹，或影响热处理的夹杂，折叠等缺陷。

（2）化学成份检验

按《化学分析试验指导书》进行。

化学成份应当符合相应标准。

3.2热处理后质量检验

按《最终检验指导书》进行。

（1）外观检验

表层不应有肉眼可见的裂纹，或超过技术要求的变形如发现，应报告有关人员予以处理。

（2）硬度检验

根据《里氏硬度检验指导书》、《布氏硬度计操作规程》和《洛氏硬度计操作规程》进行。

（3）金相检验

客户有要求时，按《金相检测指导书》进行。

（4）力学性能检验

客户有要求时，按《机械性能试验指导书》。

（5）超声波探伤检验

客户有要求时，按《超声波检测指导书》。

3.3如发现不合格品应按《不合格品控制程序》处理。

不合格重新进行处理件，若重复处理2次仍达不到质量要求者，应按报废处理。

二、常用锻件锻件的热处理

2.1碳钢和碳锰钢锻钢件应采用下列之一的热处理法：

（1）完全退火

（2）正火

（3）正火+回火

（4）淬火+回火

2.2合金钢锻钢件可采用下列之一的热处理方法

（1）淬火+回火

（2）正火+回火

其中回火温度应不低于550°C

当合金钢采用正火加回火处理时，其力学性能应符合公认的国际或国家标准的要求。

2.3锻钢件经热处理后，需经受局部加热，进行热矫直或冷矫直，有时应对该锻钢件作消除残余应力处理。

对需要作表面硬化处理的锻钢件应将其工艺规程提交船级社备查，且制造厂应通过试验证明该锻钢件表面硬化层的硬度和深度，确能达到要求的质量而又不致损害锻件本体的性能。

锻件应保留载明所采用的热处理炉、炉料批号、处理日期、保温温度与时间等信息的热处理记录。

在验船师有要求时应出示记录。

2.4常用锻钢件的热处理规范及工艺规程

（1）标准:

按锻件要求的力学性能制定退火，正火+回火，淬火，回火的热处理工艺，并执行（GB/T16923-97、GB/T6924-97、JB/T6049-92a，JB/10175-2000）标准。

（2）要求:

按锻件材质的技术条件合理制定热处理工艺，并根据锻件钢种明确规定升温速率和均温，保温时间，淬火的冷却方法满足力学性能的要求。

（3）具体工作:

按工艺要求进行装炉，严格监控炉温。

按仪表和自动记录纸的划线，准确填写操作记录。

并按工艺规程的要求进行操作。

（4）具体的热处理工艺：

低碳钢、低碳锰钢的热处理工艺

中、高碳合金钢的热处理工艺：

注：

根据锻件钢种和最大截面积规格制定保温时间和正火温度。

中、高碳合金钢的淬火、回火工艺：

注：

低中碳合金可水淬油冷，高碳高合金钢油冷，也可根据碳当量而定，时间可根据锻件钢种、规格制定。

三、常用钢种的正火、回火和退火工艺

（1）合金结构钢、热强钢、不锈钢的正火、回火、退火及硬度范围：

表1

材料牌号

正火温度

（℃）

回火温度

（℃）

退火温度

（℃）

硬度要求

正火或正火+回火后

退火后

16Mn

890-910

600-650

≤163

50Mn

840-860

≤255

≤217

20CrA

870-900

860-890

≤270

≤179

40CrA

850-870

825-845

≤255

≤207

40CrNiA

850-870

650-680

820-850

≤255

≤207

40CrNiMo

890-920

670-700

880-900

≤255

≤229

12CrNi3A

890-910

650-680

≤255

20CrMnMo

880-900

650-680

≤255

18CrMnTi

880-900

≤255

12CrMo

910-930

680-700

≤156

15CrMoA

900-920

630-650

131-163

12Cr1MoV

1000-1020

740-760

131-163

30Mn2

840-860

≤241

35SiMn

890-900

650-680

≤241

20CrMo

900-920

650-680

≤187

15Cr1Mo1V

980-1000

710-730

146-197

34CrMo

860-880

640-660

820-840

255-285

≤241

38CrMoAl

940-960

650-680

840-870

≤255

≤229

35CrMoA

860-880

620-650

820-840

≤241

≤229

34CrMo1A

880-900

640-660

840-860

≤207

≤179

24CrMoV

910-930

650-700

35CrMoV

880-920

650-670

≤229

42CrMo

580-620

241-285

34CrNi3Mo

860-880

640-660

25Cr2MoV

930-950

660-680

910-930

≤212

≤207

25Cr2Mo1V

1030-1050

680-720

900-920

≤255

20Cr1Mo1V1

980-1000

720-760

≤255

30Cr2MoV

900-920

650-700

≤255

30Cr1Mo1VE

980-1000

700-730

≤255

20Cr3MoWV

1040-1060

670-700

940-960

≤255

32Cr3MoWV

850-870

≤241

注：

12Cr1MoV为了消除焊接应力，焊后施以710-750℃的除应力处理或重新正火加高温回火。

续表1

材料牌号

正火温度

（℃）

回火温度

（℃）

退火温度

（℃）

硬度要求

正火或正火+回火

退火后

1Cr13

940-960

700-740

①850-870

②920-940

≤179

2Cr13

940-960

700-740

①850-870

②920-940

≤187

3Cr13

①850-870

②920-940

≤207

4Cr13

①850-870

②920-940

≤207

1Cr11MoV

1000-1050

720-740

①850-870

②920-940

≤217

1Cr12WMoV

830-860

≤255

20Cr1Mo1VNbTiB

1040-1060

670-700

850-870

34Cr3MoWV

880-900

670-700

850-870

注：

①用于软化②用于细化晶粒

（2）碳素结构钢正火温度及硬度范围表2

材料牌号

正火温度

硬度（HB）

备注

Q235-A

900-920

107-131

15

890-950

99-143

20

890-920

≤156

25