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1、金属材料热处理2007.07概述 改善钢的性能,有两个主要途径:一是调整钢的化学成分,加入合金元素;另一是施行钢的热处理。钢的热处理就是将钢在固态下，通过加热、保温和冷却，以改变钢的组织，从而获得所需性能的工艺方法。常用钢材按化学成分分类 因为热处理时起作用的主要因素是温度和时间，所以得出温度-时间的热处理工艺曲线。热处理工艺曲线示意图 热处理可以提高零件的强度、硬度、韧性、弹性。热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能、保证产品质量、延长使用寿命、挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法。铁碳合金状态图是确定热处理工艺的重要依据。铁碳合金状态图铁碳合金状态图.doc 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与

2、其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。常见的热处理概念一、退火一、退火将钢加热、保温，然后随炉温冷却或埋入灰中使其缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。退火的目的退火的目的、降低硬度，以利于切削加工或其他种类加工、细化晶粒，提高 钢的塑性和韧性 、消除内应力，并为淬火 工序作好准备。退火的工艺方法：、完全退火将亚共析钢加热到Ac3以上3050C,保温后冷却

3、。、球化退火球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。、低温退火（去应力退火）将钢加热到Ac1以下，保温后缓冷。由于加热温度低于临界温度，因而钢未发生组织转变。二、正火 指将钢材或钢件加热到Ac3 或Acm（钢的上临界点温度）以上3050，保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。正火主要用于、取代完全退火、用于普通结构件的最终热处理、用于过共析钢，以减少或消除网状二次渗碳 体，为球化

4、退火做好准备三、淬火将钢件加热到Ac3 或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。淬火应采取的措施、严格控制淬火的加热温度、合理选择淬火介质、正确选择淬火的方法淬火设备常用的淬火方法、单液淬火法将加热的工件放到一种介质中连续冷却到室温。、双液淬火法对于形状复杂的碳钢件，可在水中淬冷至接近Ms温度时从水中取出立即转入到油中冷却。、分级淬火法首先

5、在温度为150-260的盐浴中冷却，稍加停留，待其表面与心部的温差减小后再取出在空气中冷却。、等温淬火法将钢件淬入稍高与Ms温度的盐浴中，保温足够的时间，随后在空气中冷却。、局部淬火法工件局部要求高硬度的热处理方法。、冷处理把冷却只室温的钢继续冷却到-70-80,甚至更底的温度。四、回火指钢件经淬硬后，再加热到Ac1 以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的、降低脆性，消除或减少内应力。、获得工件所要求的机械性能。、稳定工件尺寸、对于退火难以软化的某些合金钢（或正火）后常采 用高温回火，使钢中碳化物适当聚集

6、，将硬度降低，以利切削加工。钢的三种回火、低温回火（150250）低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC5864。、中温回火（350500）中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此，（它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC3550。3、高温回火（500650）高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，

7、硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200330。五、调质五、调质指将钢材或钢件进行淬火加高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。六、化学热处理六、化学热处理 指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分，组织和性能的热处理工艺。常见的化学热处理工艺有：渗碳，渗氮，碳氮共渗，渗铝，渗硼等。化学热处理的目的：主要是提高钢件表面的硬度，耐磨性，抗蚀性，抗疲劳强度和抗氧化性等。七：固溶处理：七：固溶处理：

8、指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的目的固溶处理的目的主要是改善钢和合金的塑性和韧性，为沉淀硬化处理作好准备等。八、沉淀硬化（析出强化）八、沉淀硬化（析出强化）指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和（或）由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后，在400500或700800进行沉淀硬化处理，可获得很高的强度。九、时效处理九、时效处理指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持，其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将

9、工件加热到较高温度，并较长时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。时效处理的目的时效处理的目的消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。十、淬透性十、淬透性指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要取决于它的化学成分，特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度，加热温度和保温时间等因素有关。淬透性好的钢材，可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂，以减少变形和开裂。十一、临界直径（临

10、界淬透直径）临界直径（临界淬透直径）临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径，一些钢的临界直径一般可以通过油中或水中的淬透性试验来获得。十二、二次硬化二次硬化某些铁碳合金（如高速钢）须经多次回火后，才进一步提高其硬度。这种硬化现象，称为二次硬化，它是由于特殊碳化物析出和（或）由于参与奥氏体转变为马氏体或贝氏体所致。十三、回火脆性十三、回火脆性指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。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。第一类回火脆性又称不可逆回火脆性，主要发生在回火温度为250400时，在重新加热脆性消失后，重

11、复在此区间回火，不再发生脆性，第二类回火脆性又称可逆回火脆性，发生的温度在400650，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400650区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生脆化现象。回火脆性的发生与钢中所含合金元素有关，如锰，铬，硅，镍会产生回火脆性倾向，而钼，钨有减弱回火脆性倾向。钢的化学热处理一、渗碳渗碳是向钢的表面层渗入碳原子的过程。其目的是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。、气体渗碳法在气体渗碳时，含碳气体在钢的表面进行以下气相反应，生成活性碳原子：CH4活性碳原子融入高温奥氏体中，而后向钢的内部扩散形成渗碳。渗碳零件的工艺路线：锻造

12、正火机械加工渗碳淬火低温回火精加工去碳机械加工淬火+低温回火、固体渗碳法固体渗碳剂通常是由碳粒与碳酸盐混合组成。二、渗氮向刚的表层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲劳强度和抗腐蚀性。NH3 3H2+2N氮化处理的特点、氮化是工件加工的最后一道工序，氮化后至多进行精磨或研磨。、氮化后无需淬火便具有很高的表层硬度（HV850）及耐磨性。、显著提高钢的疲劳强度。、具有很高的抗腐蚀能力、氮化处理温度低，工件变形很小氮化零件的工艺路线：锻造退火粗加工调质精加工除应力粗磨氮化精磨或研磨三、碳氮共渗（氰化）、中温气体碳氮共渗（700-800C）共渗剂有：1.煤油+氨气2.煤气+氨气3.

13、甲醇+丙烷+氨 4.三乙醇胺+20%尿素、低温气体碳氮共渗（570）又称气体软氮化，常用的共渗介质是尿素。四、渗金属指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。表面淬火将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。感应表面淬火原理感应圈，一定频率的交流电感应淬火件零件，感应电流（表面涡流）零件表面快速加热快速冷却火焰表面淬火原理应用

14、可燃气体（如氧乙炔）燃烧产生的高温火焰对工件表面进行加热，并快速冷却的淬火工艺，称为火焰淬火 加热缺陷及控制(一)、过热现象1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。2.断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。一般认为因加热温度过高而使Mn、S之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶界，而冷却时这些夹杂

15、物又会沿晶界析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。3.粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的，这种现象称为组织遗传性。要消除粗大组织的遗传性，可采用中间退火或多次高温回火处理。(二)、过烧现象 加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗大，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法恢复，只能报废。因此在工作中要避免过烧的发生。(三)、脱碳和氧化 钢在加热时，表层的碳与介质（或气氛）中的氧、氢、二氧化碳及水蒸气等发生反应 采用措施：工件表面涂料，用不

16、锈钢箔包装密封加热、采用盐浴炉加热、采用保护气氛加热（如净化后的惰性气体、控制炉内碳势）、火焰燃烧炉（使炉气呈还原性）(四)、氢脆现象 出现塑性和韧性降低的现象称为氢脆 采用措施：采用真空、低氢气氛或惰性气氛加热可避免氢脆热处理应力1、热处理过程中产生的应力是不可避免的,而且往往是有害的。但我们可以控制热处理工艺尽量使应力分布合理,就可将其有害程度降低到最低限度,甚至变有害为有利。2、当热应力占主导地位时应力分布为心部受拉表面受压,当组织应力占主导地时应力分布为心部受压表面受拉。3、在高淬透性钢件中易形成纵裂,在非淬透性工件中往往形成弧裂,在大型非淬透工件中容易形成横断和纵劈。4、渗碳使表层马氏体开始转变温度（Ms）点下降,可导至淬火时马氏体转变顺序颠倒,心部首先发生马氏体转变而后才波及到表面,可获得表层残余压应力而提高抗疲劳强度。5、渗碳后进行等温淬火可保证心部马氏体转变充分进行以后,表层组织转变才进行。使工件获得比直接淬火更大的表层残余压应力,可进一步提高渗碳件的疲劳强度。6、复合表面强化工艺可使表层残余压应力分布更合理,可明显提高工件的疲劳强度。热处理变形的一般趋势（右图）常用炉