熱處理基礎知識

1、 熱處理基礎熱處理基礎 1 1 熱熱處理定義處理定義 2 2 熱熱處理工藝介紹處理工藝介紹3 3 熱處理硬度檢查熱處理硬度檢查 4 4 常用金屬材料常用金屬材料 返回返回 金屬材料是目前應用最廣泛的一種工程材料，具有金屬材料是目前應用最廣泛的一種工程材料，具有優(yōu)良的力學性能、物理性能、化學性能和工藝性能。優(yōu)良的力學性能、物理性能、化學性能和工藝性能。 具有：具有：強度較高、塑性較好、導電性高、導熱性好、強度較高、塑性較好、導電性高、導熱性好、有金屬光澤有金屬光澤等特性。等特性。 下面就介紹金屬材料的熱處理基礎知識。下面就介紹金屬材料的熱處理基礎知識。 1.熱處理的定義 熱處理：熱處理：將固態(tài)金

2、屬或合金在一定介質中加熱、保溫將固態(tài)金屬或合金在一定介質中加熱、保溫和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需和冷卻，以改變其整體或表面組織，從而獲得所需性能性能的工藝方法。的工藝方法。 金屬材料金屬材料性能性能的決定因素：的決定因素：化學成分、內部組織化學成分、內部組織。 其中其中“化學化學成分成分”是是改變性能的改變性能的基礎基礎， “ “熱熱處理處理”是是改變性能的改變性能的手段手段， “ “組織組織”是是性能變化的性能變化的根據(jù)。根據(jù)。 熱處理的三個階段熱處理的三個階段：加熱、保溫、冷卻：加熱、保溫、冷卻。如圖。如圖1-11-1所示是最基本的熱處理工藝曲線。所示是最基本的熱處理工藝曲

3、線。溫溫度度加熱加熱保溫保溫冷卻冷卻時間時間圖圖1-1 熱處理工藝曲線熱處理工藝曲線 只有通過正確的熱處理工藝，才能得到一定的組只有通過正確的熱處理工藝，才能得到一定的組織，獲得預期的性能?？?，獲得預期的性能。滲氮表面熱處理整體熱處理熱處理 退火 正火 淬火 回火 固溶處理 固溶處理和時效 氣體滲碳 固體滲碳 氣體碳氮共滲 液體碳氮共滲 化學熱處理 氣體滲氮 離子滲氮 氣體氮碳共滲 液體氮碳共滲 (鹽浴軟氮化） 其他(如磷化、染黑、滲鋁、滲釩、熔射等等) 表面淬火+回火（高頻淬火、火焰淬火） 物理/化學氣相沉積 2、熱處理工藝分類碳氮共滲氮碳共滲 ( 軟氮化)滲碳2.1 整體熱處理整體熱處理

4、整體熱處理常見的工藝為退火、正火、淬火、回火等整體熱處理常見的工藝為退火、正火、淬火、回火等2.1.12.1.1. .退火退火 退火退火是是將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當溫將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的度，保持一定時間，然后緩慢冷卻得到接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。熱處理工藝。 退火的目的：退火的目的： 1 1）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變）降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工；形加工； 2 2）消除鋼中的殘余內應力，以防工件變形和開裂；）消除鋼中的殘余內應力，以防工件變形和開裂； 3 3）

5、改善組織，細化晶粒，改變鋼的性能或為以后熱處）改善組織，細化晶粒，改變鋼的性能或為以后熱處理做準備。理做準備。 退火的分類退火的分類： 各種退火、正火加熱溫度及工藝各種退火、正火加熱溫度及工藝曲線如圖曲線如圖2-12-1所示。所示。圖圖2-1 退火正火工藝規(guī)范示意圖退火正火工藝規(guī)范示意圖1 1）完全退火。）完全退火。 加熱到加熱到A Ac3c3以上以上202030300 0C C，保溫，緩冷至，保溫，緩冷至6006000 0C C以下，再空以下，再空冷，得到接近平衡狀態(tài)組織。主要用冷，得到接近平衡狀態(tài)組織。主要用于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、于亞共析鋼和共析鋼的鍛件、軋件、鑄件，使晶粒細化，

6、組織均勻和消除鑄件，使晶粒細化，組織均勻和消除殘余應力，提高鋼件的性能。過共析殘余應力，提高鋼件的性能。過共析鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，鋼不宜完全退火，因析出網(wǎng)狀滲碳體，降低鋼的力學性能。降低鋼的力學性能。 2 2）球化退火。）球化退火。使鋼中的碳化物呈球使鋼中的碳化物呈球狀而進行的退火。將工件加熱到狀而進行的退火。將工件加熱到A Ac1c1以上以上202030300 0C C，保溫，然后緩慢冷卻。，保溫，然后緩慢冷卻。主要用于過共析鋼，使鋼中二次滲碳主要用于過共析鋼，使鋼中二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，體和珠光體中的片狀滲碳體球狀化，以降低硬度提高韌性，改善切削加工以降低硬

7、度提高韌性，改善切削加工性能。性能。圖圖2-2 退火正火工藝規(guī)范示意圖退火正火工藝規(guī)范示意圖3)3)去應力退火。去應力退火。為消除形變加工、鍛為消除形變加工、鍛造、焊接等以及鑄件內存在的殘余應造、焊接等以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火。鑄鋼件的溫度為力而進行的退火。鑄鋼件的溫度為6006006506500 0C C，鑄鐵件為，鑄鐵件為500500550550C，保溫后在爐內緩慢冷卻。組織不發(fā)生保溫后在爐內緩慢冷卻。組織不發(fā)生變化，只消除內應力，減少變形，穩(wěn)變化，只消除內應力，減少變形，穩(wěn)定尺寸定尺寸。 4 4）擴散退火）擴散退火( (均勻化退火均勻化退火) )。將鋼加將鋼加熱到略低于固相線

8、溫度，長時間保溫，熱到略低于固相線溫度，長時間保溫，隨爐冷卻，使化學成分和組織均勻化。隨爐冷卻，使化學成分和組織均勻化。主要用于質量要求高的合金鋼鑄錠、主要用于質量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件或鍛件。鑄件或鍛件。 2 2.1.2.1.2正火正火 正火正火是是將工件加熱到將工件加熱到A Ac3c3（亞共析鋼）或（亞共析鋼）或A Accmccm（過共析（過共析鋼）以上鋼）以上303050500 0C C，保溫適當時間，在自由流通的空氣，保溫適當時間，在自由流通的空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。 正火正火主要應用于：主要應用于： 1 1）對不太重要的零件，

9、可細化晶粒，組織均勻，提）對不太重要的零件，可細化晶粒，組織均勻，提高機械性能，作為最終熱處理；高機械性能，作為最終熱處理； 2 2）對低碳鋼和低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削）對低碳鋼和低碳合金鋼，可提高硬度，改善切削加工性；加工性； 3 3）對于過共析鋼或工具鋼，可減少二次滲碳體，并）對于過共析鋼或工具鋼，可減少二次滲碳體，并使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。使其不呈連續(xù)網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火。 2.1.3.2.1.3.淬火淬火 淬火是淬火是將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后將鋼加熱到相變溫度以上，保溫一定時間，然后快速冷卻快速冷卻以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。以獲

10、得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。 淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合適當溫度的回火，可獲得較好的綜合力學性能，如刀具、配合適當溫度的回火，可獲得較好的綜合力學性能，如刀具、模具、軸和齒輪。淬火質量取決于加熱溫度和冷卻方式。模具、軸和齒輪。淬火質量取決于加熱溫度和冷卻方式。 1 1）淬火加熱溫度。）淬火加熱溫度。 根據(jù)鋼材的化學成分決定，亞共析鋼根據(jù)鋼材的化學成分決定，亞共析鋼在在A Ac3c3以上以上303050500 0C C，此時鋼的組織為細顆粒的奧氏體，淬，此時鋼的組織為細顆粒的奧氏體，淬火后獲得細小的馬氏體。若溫度低

11、于火后獲得細小的馬氏體。若溫度低于A Ac3c3，將出現(xiàn)自由鐵素，將出現(xiàn)自由鐵素體。若溫度過高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼體。若溫度過高，得到粗大的馬氏體，性能變壞。共析鋼和過共析鋼加熱溫度在和過共析鋼加熱溫度在A Ac1c1以上以上303050500 0C C，得到細小的馬氏，得到細小的馬氏體和小顆粒的滲碳體組織。體和小顆粒的滲碳體組織。 2 2）淬火冷卻方法。）淬火冷卻方法。 冷卻介質對淬冷卻介質對淬火效果有很大影響，常用的有水、火效果有很大影響，常用的有水、油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀油和鹽、堿的水溶液。水用于形狀簡單、截面較大的碳素鋼工件。油簡單、截面較大的碳素鋼工件。油用于

12、合金鋼和復雜的碳素鋼。常用用于合金鋼和復雜的碳素鋼。常用淬火方法如圖淬火方法如圖1-31-3所示。所示。1 1表示單液表示單液淬火，淬火，2 2表示雙液淬火，表示雙液淬火，3 3表示分級表示分級淬火，淬火，4 4表示等溫淬火。表示等溫淬火。例如：例如：P863 P863 防鉆板（材料防鉆板（材料65Mn65Mn）采）采用 鹽 浴 等 溫 淬 火 ， 改 善 變 形 。用 鹽 浴 等 溫 淬 火 ， 改 善 變 形 。 C453C453方舌組件（方舌組件（Q235)Q235)采用滲碳水淬采用滲碳水淬3 3）淬透性和淬硬性。）淬透性和淬硬性。 圖圖2-3 常用淬火方法示意圖常用淬火方法示意圖 淬透

13、性：淬透性：鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層）鋼在淬火后，獲得淬透層（淬硬層） 深度的能力。深度的能力。 淬硬性：淬硬性：鋼淬火時能達到的最高硬度。鋼淬火時能達到的最高硬度。 2.1.4.2.1.4.回火回火 回火是回火是為了消除淬火引起的殘余應力及獲得要求的組為了消除淬火引起的殘余應力及獲得要求的組織和性能，將淬火后的工件加熱到織和性能，將淬火后的工件加熱到A Ac1c1以下某一溫度，保溫以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。 回火目的：回火目的：淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬淬火后得到性能很脆的馬氏體組織，而且淬火馬氏體是不穩(wěn)定

14、的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢，而使火馬氏體是不穩(wěn)定的組織，它有變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)的趨勢，而使零件尺寸變化，并存在內應力，零件容易變形和開裂。為此零件尺寸變化，并存在內應力，零件容易變形和開裂。為此利用回火來達到以下目的：利用回火來達到以下目的： 1 1）減少和消除淬火應力；）減少和消除淬火應力； 2 2）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開裂）穩(wěn)定工件尺寸，防止變形和開裂 ； 3 3）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強度、）獲得工件所需的組織和性能；即獲得要求的強度、硬度和韌性。硬度和韌性。 回火的種類及應用：回火的種類及應用： 1 1）低溫回火低溫回火。 加熱溫度為加熱溫度為150150250250

15、0 0C C，得到碳的過飽和，得到碳的過飽和程度稍小的固溶體程度稍小的固溶體回火馬氏體回火馬氏體，硬度較高，在硬度較高，在HRC58HRC586464之間，高耐磨性之間，高耐磨性。可消除一定的殘余應力，韌性有所改善?？上欢ǖ臍堄鄳?，韌性有所改善。用于各類高碳鋼的工具、模具、量具。用于各類高碳鋼的工具、模具、量具。2 2）中溫回火中溫回火。 加熱溫度為加熱溫度為3503505005000 0C C，得到極細顆粒狀，得到極細顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物滲碳體和鐵素體的混合物回后火回后火托托氏體，有極高的彈性氏體，有極高的彈性極限和屈服強度，也有較好的韌性。硬度在極限和屈服強度，也有較好的韌性

16、。硬度在HRC35HRC354545；用；用于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。于各種彈簧、彈簧夾頭及鍛模。 3 3）高溫回火。）高溫回火。 加熱溫度為加熱溫度為5005006506500 0C C，得到細而均勻的，得到細而均勻的顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物顆粒狀滲碳體和鐵素體的混合物-回火索氏體，有較高的回火索氏體，有較高的強度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和強度和硬度，又有較好的韌性和塑性。工廠一般把淬火和高溫回火叫調質處理。用于重要的零件如軸、齒輪、連桿高溫回火叫調質處理。用于重要的零件如軸、齒輪、連桿和螺栓。和螺栓。 2.22.2. .化學熱處理化學熱處理 是通過改變工件表層化學

17、成分、組織和性能的金屬熱是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。處理工藝。 將工件置于一定溫度下的將工件置于一定溫度下的含碳、氮或其它合金元素的含碳、氮或其它合金元素的活性介質活性介質(氣體、液體、固體氣體、液體、固體)中加熱中加熱和保溫，和保溫，從而使工件從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火。進行其它熱處理工藝如淬火及回火。 提高工件表面的耐磨性、耐蝕性、耐熱性能等等。提高工件表面的耐磨性、耐蝕性、耐熱性能等等。 化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲鋁、滲硼、化學熱處理的主

18、要方法有滲碳、滲氮、滲鋁、滲硼、滲釩等。滲釩等。 2.2.1滲碳滲碳 在富碳的介質中使碳滲入低碳鋼（在富碳的介質中使碳滲入低碳鋼（C0.1%0.3%）或）或低合金鋼的表面，使表面層碳濃度達到低合金鋼的表面，使表面層碳濃度達到0.81.2%，再經(jīng)，再經(jīng)過淬火和回火后，表面層獲得高的硬度、耐磨性和疲勞強過淬火和回火后，表面層獲得高的硬度、耐磨性和疲勞強度，而心部保持高的韌性。度，而心部保持高的韌性。 發(fā)生下列化學反應：發(fā)生下列化學反應： C+O2CO2 CO2+C 2CO 2CO CO2+C 2.2.2碳氮共滲碳氮共滲 在一定溫度下，同時將碳、氮原子滲入工件表面，并以滲碳在一定溫度下，同時將碳、氮

19、原子滲入工件表面，并以滲碳為主的化學熱處理工藝。為主的化學熱處理工藝。 優(yōu)點優(yōu)點 碳氮共滲與滲碳相比，主要有如下優(yōu)點：碳氮共滲與滲碳相比，主要有如下優(yōu)點： 1.滲層性能好。兩者滲層硬度差別不大，但碳氮共滲層的滲層性能好。兩者滲層硬度差別不大，但碳氮共滲層的 耐磨性、耐蝕性及疲勞強度比滲碳層高。耐磨性、耐蝕性及疲勞強度比滲碳層高。 2. 滲入速度快。碳、氮原子同時滲入，能相互促進滲入過程滲入速度快。碳、氮原子同時滲入，能相互促進滲入過程; 3. 工件變形小。碳氮共滲溫度一般低于滲碳溫度。工件變形小。碳氮共滲溫度一般低于滲碳溫度。 三民公司有鹽浴碳氮共滲、多用爐滲碳、三民公司有鹽浴碳氮共滲、多用爐

20、滲碳、 多用爐碳氮共滲等加工方式。多用爐碳氮共滲等加工方式。3 3. .硬度檢查硬度檢查 硬度硬度指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量指金屬材料抵抗外物壓入其表面的能力，也是衡量金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。工程上常用的有金屬材料軟硬程度的一種力學性能指標。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度。 1 1）布氏硬度）布氏硬度HBS(HBW)HBS(HBW)。 布氏硬度是在布氏硬度計上進行測布氏硬度是在布氏硬度計上進行測量的，用一定直徑的鋼球或硬質合金球為壓頭，以相應的實量的，用一定直徑的鋼球或硬質合金球為壓頭，以相應的實驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定

21、的時間后，卸除實驗力，在試驗力壓入試樣表面，保持規(guī)定的時間后，卸除實驗力，在試樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負荷作為布樣表面形成壓痕，以壓痕球形表面所承受的平均負荷作為布氏硬度值，如圖氏硬度值，如圖3-13-1示。示。 222HBS(HBW)dDDDF圖圖3-1 布氏硬度實驗原理圖布氏硬度實驗原理圖F實驗力（實驗力（kgf）；）；D球體直徑（球體直徑（mm）；）；d壓痕平均直徑（壓痕平均直徑（mm）。）。式中式中 在做布氏試驗時，只需測量出在做布氏試驗時，只需測量出d值即可從有關表格上查出值即可從有關表格上查出相應的布氏硬度值。壓頭為鋼球時，為相應的布氏硬度值。壓頭為鋼球時，為HB

22、S，適用于布氏硬，適用于布氏硬度度450以下的材料；壓頭為硬質合金球時，為以下的材料；壓頭為硬質合金球時，為HBW，適用于，適用于布氏硬度布氏硬度650以下的材料。以下的材料。 優(yōu)點：測量結果準確，缺點：壓痕大，不適合成品檢驗。優(yōu)點：測量結果準確，缺點：壓痕大，不適合成品檢驗。 2）洛氏硬度）洛氏硬度 洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為洛氏硬度是用壓頭壓入的壓痕深度作為測量硬度值的依據(jù)?？梢灾苯訌穆迨嫌捕葴y量硬度值的依據(jù)?？梢灾苯訌穆迨嫌捕扔嫷谋肀P上讀出，它是一個相對值，人們計的表盤上讀出，它是一個相對值，人們規(guī)定每規(guī)定每0.002mm壓痕深度為一個洛氏硬度壓痕深度為一個洛氏硬度單位。單位。

23、洛氏硬度用洛氏硬度用HRA、HRB和和HRC來表示。來表示。 表面洛氏硬度表面洛氏硬度HR15N、 HR30N、 HR45N、 HR15T等等等等 HRC采用頂角為采用頂角為120的金剛石圓錐體的金剛石圓錐體為壓頭，施加為壓頭，施加150kgf的外力，主要用于淬的外力，主要用于淬火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為火鋼等較硬材料的測定，常用硬度值為20-67HRC； HRA采用外加載荷為采用外加載荷為60kgf，用于測量高，用于測量高硬度薄層，常用硬度值為硬度薄層，常用硬度值為70-85HRA； HRB采用直徑采用直徑1.588mm的鋼球，的鋼球，100kgf的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用

24、的外加載荷，用于硬度較低的材料，常用硬度值為硬度值為25-100HRB。 洛氏硬度優(yōu)缺點洛氏硬度優(yōu)缺點優(yōu)點：優(yōu)點： 1.洛氏硬度有許多不同的標尺，壓頭有硬質、軟質多種，洛氏硬度有許多不同的標尺，壓頭有硬質、軟質多種，可以測出從極軟到極硬材料的硬度；可以測出從極軟到極硬材料的硬度； 2.壓痕小，可在成品零件上檢測壓痕小，可在成品零件上檢測 ； 3.測量迅速簡便測量迅速簡便 缺點：缺點： 洛氏硬度有許多不同的標尺，其硬度值無法統(tǒng)一洛氏硬度有許多不同的標尺，其硬度值無法統(tǒng)一3 3）維氏硬度）維氏硬度HVHV 測試的基本原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面測試的基本原理與布氏硬度相同，但壓頭采用錐面夾角

25、夾角136136的金剛石正四棱錐體。的金剛石正四棱錐體。 維氏硬度試驗所用載荷小，壓痕深度淺。維氏硬度試驗所用載荷小，壓痕深度淺。 適用于適用于低載荷維氏硬度測定表面淬火時硬化層深度和低載荷維氏硬度測定表面淬火時硬化層深度和滲碳、滲氮件表面硬度以及小件、薄件硬度等。滲碳、滲氮件表面硬度以及小件、薄件硬度等。優(yōu)缺點：優(yōu)缺點： 1.1.試驗載荷可任意選擇，試驗載荷可任意選擇，( (從從1kg50kg,1kg50kg,以及以及10g1000g)10g1000g)故可測硬度范圍寬，故可測硬度范圍寬， 2.2.材質不論軟硬，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，精度高。材質不論軟硬，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，精度高。 3.3.工作

26、效率較低。工作效率較低。 4 4 金屬材料的分類金屬材料的分類 金屬材料金屬材料碳素鋼碳素鋼合金鋼合金鋼碳素結構鋼碳素結構鋼碳素工具鋼碳素工具鋼合金結構鋼合金結構鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼鑄鐵：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵鑄鐵：灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵、可鍛鑄鐵有色金屬：銅合金、鋁合金等有色金屬：銅合金、鋁合金等鋼鋼 4.1碳素鋼的分類及牌號T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13說明舉 例形狀復雜的需要采用鑄造成形的鋼質零件（參見 GB11352-89ZG230-450、ZG270500、ZG310-570、ZG340-640表示屈服強度為200MPa、抗拉強度為400MPa的碳素鑄鋼ZG200-400一般工程鑄造碳鋼制造需較高硬度、耐磨性、又能承受一定沖擊的工具，如手錘、沖頭等（參見 GB1298-86）表示平均Wc為千分之8的碳素工具鋼，A表示高級優(yōu)質T8T8A碳素工具鋼用于制造曲