第四章-鋼的熱處理

第四章鋼的熱處理熱處理的分類：熱處理鋼在固態(tài)下以適當(dāng)方式進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。目的消除零件毛坯中的缺陷，改善鋼的加工工藝性能和力學(xué)性能，充分發(fā)揮鋼的潛力，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高零件的使用性能，延長產(chǎn)品的使用壽命。熱處理工藝曲線熱處理都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成的。平衡轉(zhuǎn)變PSK線——A1線；GS線——A3線；ES線——Acm線。加熱時的各相變點(diǎn)Ac1、Ac3、Accm；冷卻時的各相變點(diǎn)Arl、Ar3、Arcm。

第一節(jié)鋼的熱處理原理一、鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變（一）鋼的奧氏體化1.奧氏體的形成過程形核及長大。四個階段。

（1）奧氏體晶核的形成（2）奧氏體晶核的長大（3）殘余滲碳體的溶解（4）奧氏體的均勻化

共析鋼奧氏體的形成過程

2.影響奧氏體轉(zhuǎn)變速度的因素（1）加熱溫度加熱溫度越高，奧氏體的形成速度越快。（2）加熱速度加熱速度越快，轉(zhuǎn)變溫度越高，轉(zhuǎn)變時間越短，轉(zhuǎn)變速度越快。（3）鋼的原始組織原始組織越細(xì)，晶核的形成速度就越快，形成速度較快。

（二）奧氏體晶粒長大及其影響因素1.奧氏體晶粒度兩種表示方法：用晶粒的平均尺寸表示；另一種是用晶粒度N來表示。2.奧氏體晶粒的長大奧氏體起始晶粒，奧氏體起始晶粒度，實(shí)際晶粒，實(shí)際晶粒度，本質(zhì)晶粒度，本質(zhì)粗晶粒鋼，本質(zhì)細(xì)晶粒鋼3.影響奧氏體晶粒長大的因素（1）加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒長得越大。（2）加熱速度當(dāng)加熱溫度確定后，加熱速度越快，奧氏體晶粒越細(xì)小。（3）合金元素除錳、磷外，大多數(shù)合金元素均能不同程度的阻礙奧氏體晶粒的長大。二、鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變生產(chǎn)中采用的冷卻方式等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。奧氏體的組織轉(zhuǎn)變方式：等溫冷卻轉(zhuǎn)變，連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。（一）過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變過冷奧氏體在孕育期內(nèi)暫時存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體。1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的建立2.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線的分析鼻尖冷奧氏體最不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變速度最快的溫度。3.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織形態(tài)及性能

（1）高溫轉(zhuǎn)變（珠光體型轉(zhuǎn)變）在A1~550℃之間，由層片狀的鐵素體和滲碳體組成的，屬于擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。①珠光體在A1~650℃形成的組織，用“P”表示，珠光體片間距較大。②索氏體在650~600℃形成的組織，稱為索氏體（或細(xì)珠光體），用“S”表示。③托氏體在600~550℃形成的組織，稱為托氏體（或極細(xì)珠光體），用“T”表示。

（2）中溫轉(zhuǎn)變（貝氏體型轉(zhuǎn)變）550℃~Ms。組織是含碳量過飽和的鐵素體與碳化物組成的機(jī)械混合物，屬于貝氏體型組織，用“B”表示。屬于半擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變。

①上貝氏體在550~350℃形的，由大致平行的輕微過飽和碳的鐵素體片和短棒狀（或短片狀）的碳化物組成。

上貝氏體組織塑性較低，脆性較大，無實(shí)用價值。

②下貝氏體在350℃~Ms溫度范圍內(nèi)形成的，由含碳過飽和的針片狀鐵素體和鐵素體片內(nèi)彌散分布的碳化物組成。

下貝氏體組織具有較高的強(qiáng)度、硬度，同時具有良好的塑性和韌性。常用等溫淬火的方法獲得。

（3）低溫轉(zhuǎn)變（馬氏體型轉(zhuǎn)變）在Ms線以下，過冷奧氏體將轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，在過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中介紹。4.影響C曲線的因主要因素有奧氏體的成分及奧氏體化條件。（1）奧氏體成分的影響①含碳量的影響亞共析鋼的C曲線隨含碳量的增加向右移動，過共析鋼的C曲線則隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加向左移動。②合金元素的影響除鈷外，所有合金元素溶入奧氏體后均能提高過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移。（2）奧氏體化條件的影響加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體成分越均勻，使過冷奧氏體的穩(wěn)定性提高，C曲線向右移動。（二）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變1.過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

Ps線過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始線；Pf線過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變終了線；KK’線過冷奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的終止線；vｋ馬氏體臨界冷卻速度；v’k獲得全部珠光體型組織的最大冷卻速度。v1相當(dāng)于隨爐冷卻，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織；v2相當(dāng)于在空氣中冷卻，奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w組織；v3相當(dāng)于油冷的部分奧氏體將轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，剩余的奧氏體冷卻到Ms線以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織；v4是相當(dāng)于水冷的速度，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體+殘余奧氏體；2.C曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用3.馬氏體轉(zhuǎn)變

當(dāng)奧氏體的冷卻速度大于該鋼的馬氏體臨界冷卻速度并冷卻到MS點(diǎn)以下時，就會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。

把碳在α-Fe中的過飽和固溶體，稱為馬氏體。（1）馬氏體的組織形態(tài)板條狀馬氏體和片狀馬氏體。

當(dāng)奧氏體中的含碳量小于0.20%時，馬氏體的形態(tài)為板條狀，故稱為板條馬氏體（或低碳馬氏體）；當(dāng)奧氏體中的含碳量大于1.0%時，馬氏體的形態(tài)為片狀或竹葉狀，稱為片狀馬氏體（或高碳馬氏體）。

（2）馬氏體的性能馬氏體的強(qiáng)度和硬度主要取決于馬氏體中的含碳量。

馬氏體的塑性和韌性與含碳量有關(guān)，板條狀馬氏體的塑性和韌性較好，而片狀高碳馬氏體的塑性和韌性差。

4.馬氏體轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)是由形核和長大兩個基本過程組成的，主要有以下特點(diǎn)：（1）無擴(kuò)散型相變；（2）轉(zhuǎn)變速度極快；（3）馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的；（4）馬氏體轉(zhuǎn)變的不完全性。第二節(jié)鋼的普通熱處理一、鋼的退火和正火（一）退火將鋼件加熱到一定溫度，并保溫一定時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝。1.退火的目的①降低硬度，改善工件的切削加工性能；②消除殘余應(yīng)力，防止工件的變形與開裂；③細(xì)化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學(xué)性能，并為最終熱處理做好組織上的準(zhǔn)備。2.退火的分類與應(yīng)用

（1）完全退火將鋼件加熱到完全奧氏體化溫度（Ac3以上30~50℃）后，保溫一段時間，然后隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結(jié)構(gòu)件的熱處理。（2）等溫退火將鋼件加熱到Ac3（或Ac1）以上溫度，保溫一定時間后，以較快的速度冷卻到Ar1以下某一溫度并進(jìn)行等溫，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。

（3）球化退火將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1以上20~30℃，保溫一定時間后，隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得顆粒狀碳化物的熱處理工藝。主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼。

（4）均勻化退火均勻化退火又稱擴(kuò)散退火，是將鑄錠、鑄件或鍛坯加熱到固相線溫度以下100~200℃，保溫10~15ｈ，然后緩慢冷卻，以獲得成分均勻組織的熱處理工藝。

（5）去應(yīng)力退火又稱低溫退火，是將工件加熱到Ac1以下100~200℃（一般為500~600℃），保溫一定時間，然后隨爐緩冷的熱處理工藝。

（二）正火將鋼件加熱到Ac3（或Accm）點(diǎn)以上30~50℃，完全奧氏體化后，再在空氣中冷卻以獲得較細(xì)珠光體組織的熱處理工藝。

應(yīng)用：（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能（2）消除網(wǎng)狀滲碳體（3）作為中碳鋼零件的預(yù)先熱處理（4）作為普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理

二、鋼的淬火將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上30~50℃，保溫一定的時間，然后以大于馬氏體臨界冷卻速度快速冷卻，使奧氏體化轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體或貝氏體組織的熱處理工藝。

（一）淬火的目的獲得馬氏體，并配合適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に?，以獲得零件所需要的力學(xué)性能，充分發(fā)揮鋼的潛力。

（二）淬火工藝

1.淬火加熱溫度亞共析鋼：T=Ac3+（30~50）℃共析鋼、過共析鋼：T=Ac1+（30~50）℃2.淬火加熱保溫時間淬火加熱保溫時間是指從爐溫指示儀表達(dá)到規(guī)定溫度至工件出爐之間的時間。經(jīng)驗(yàn)公式ｔ=α×D

t——加熱時間，min；α——加熱系數(shù)，min/mm；D——工件的有效厚度，mm。3.淬火介質(zhì)工件進(jìn)行快速冷卻時所用的介質(zhì)。

理想的淬火冷卻曲線

（2）油機(jī)械油、變壓器油、柴油、植物油等

生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)（1）水及水溶液

（二）淬火方法1.單介質(zhì)淬火將奧氏體化的工件投入一種淬火冷卻介質(zhì)中，一直冷卻到室溫的淬火方法。一般碳鋼在水或水溶液中淬火，合金鋼在油中淬火等均屬單液淬火。2.雙介質(zhì)淬火先把奧氏體化的工件投入冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)中，待零件冷卻到稍高于Ms溫度時，再立即投入到另一冷卻能力較弱的介質(zhì)中，使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火工藝。如高碳鋼淬火時用的水-油淬火，合金鋼淬火時用的油-空氣淬火等。3.分級淬火把奧氏體化后的工件投入到溫度稍高于或稍低于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保持適當(dāng)時間，待工件內(nèi)外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法。

4.等溫淬火把奧氏體化后的工件投入到溫度稍高于Ms點(diǎn)的鹽浴或堿浴中，保溫一定時間，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變的熱處理工藝方法。

（三）鋼的淬透性和淬硬性1.淬透性的概念鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。它是鋼本身固有的屬性。

淬硬性鋼在淬火后所能達(dá)到最高硬度的能力。淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量，而合金元素對淬硬性沒有顯著影響。2.淬透性的應(yīng)用

3.影響淬透性的因素

與馬氏體臨界冷卻速度有關(guān)，過冷奧氏體的穩(wěn)定性越高，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越好。表4-2常用鋼的臨界淬透直徑三、鋼的回火將淬火后的工件重新加熱到A1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）回火的目的1.獲得工件所需要的力學(xué)性能2.穩(wěn)定工件尺寸3.減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力

（二）淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變

1.馬氏體的分解（≤200℃）

這一階段的回火組織是由過飽和度較低的α固溶體和ε碳化物所組成的——回火馬氏體。2.殘余奧氏體的分解（200~300℃）殘余奧氏體的回火轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物相同，即在不同溫度下可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體、貝氏體和珠光體組織。

3.碳化物的轉(zhuǎn)變（250~450℃）250℃以上回火時，ε碳化物將逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體組織，到450℃時全部轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬⒎植嫉臐B碳體。α固溶體中的含碳量已降到平衡含量而成為鐵素體，但其形態(tài)仍為針狀。由針狀鐵素體和高度彌散分布的滲碳體組成的組織——回火托氏體。

4.滲碳體的聚集長大和鐵素體的再結(jié)晶（450~700℃）450℃以上，在滲碳體球化、長大的同時，鐵素體在500~600℃開始再結(jié)晶，鐵素體由板條狀或針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅尉Я?。這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織——回火索氏體。（三）回火的種類及應(yīng)用

1.低溫回火（150~250℃）組織為回火馬氏體。目的是在保持淬火鋼高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，提高塑性和韌性。主要用于高碳鋼和合金鋼制作的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承、滲碳件以及表面淬火零件等，回火后的硬度一般為58~64HRC。

2.中溫回火（350~500℃）組織為回火托氏體。目的是獲得高的屈服強(qiáng)度、彈性極限和較高的韌性。主要用于各種彈性元件和熱作模具的處理，回火后硬度一般為35~50HRC。3.高溫回火（500~650℃）組織為回火索氏體。目的是要獲得強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性具有良好配合的綜合力學(xué)性能。將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為“調(diào)質(zhì)處理”。應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床制造中的重要結(jié)構(gòu)件（如連桿、螺柱、齒輪及傳動軸等）的熱處理?；鼗鸷蟮挠捕纫话銥?00~330HBS。

45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)和正火后的力學(xué)性能對比熱處理狀態(tài)力學(xué)性能σb/MPaδ×100Ak/JHBS組織正火700~80015~2040~60163~220鐵素體＋細(xì)片狀珠光體調(diào)質(zhì)750~85020~2564~96210~250回火索氏體第三節(jié)鋼的表面熱處理

一、鋼的表面淬火在不改變鋼的化學(xué)成分及心部組織的情況下，利用快速加熱將表層組織奧氏體化后進(jìn)行淬火，使表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部組織不變?nèi)员３衷械乃苄院晚g性的熱處理方法。

（一）感應(yīng)加熱表面淬火1.感應(yīng)加熱的基本原理

2.感應(yīng)加熱表面淬火用鋼及工藝最適宜的鋼種是中碳鋼或中碳合金鋼，常用的材料有40、45、40Cr、40MnB等。

感應(yīng)加熱表面淬火前應(yīng)對工件進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理，以保證心部具有良好的綜合力學(xué)性能，并為表面淬火作好組織準(zhǔn)備。

3.感應(yīng)加熱表面淬火的應(yīng)用（1）高頻感應(yīng)加熱表面淬火常用頻率為200~300kHz，工件的淬硬層深度為0.5~2mm。主要用于要求淬硬層較薄的中、小模數(shù)齒輪和中、小尺寸的軸類零件等。（2）中頻感應(yīng)加熱表面淬火常用頻率為2500~8000Hz，淬硬層深度為2~10mm。主要用于大、中模數(shù)齒輪和較大直徑的軸類零件等。（3）工頻感應(yīng)加熱表面淬火電流頻率為50Hz，淬硬層深度為10~20mm。主要用于大直徑零件（如軋輥、火車車輪等）的表面淬火。（4）超音頻感應(yīng)加熱表面淬火電流頻率一般為20~40kHz，由于該頻率比音頻（＜20kHz）稍高。主要應(yīng)用于模數(shù)為3~6的齒輪、鏈輪、凸輪等零件的表面淬火。

4.感應(yīng)加熱表面淬火的特點(diǎn)（1）感應(yīng)加熱表面淬火的加熱速度極快（2）淬火后表層可獲得極細(xì)小的針狀馬氏體組織，比普通淬火要高出2~3HRC（3）工件表層將產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，能顯著提高工件的疲勞強(qiáng)度。（4）工件表面不易產(chǎn)生氧化、脫碳現(xiàn)象，淬火變形較小。（5）生產(chǎn)效率高，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化操作。主要缺點(diǎn)是：設(shè)備較貴，維修費(fèi)用較高，復(fù)雜零件的感應(yīng)器不易制作，一般不宜用于單件生產(chǎn)。

（二）火焰加熱表面淬火利用乙炔-氧或煤氣-氧的混合氣體燃燒的高溫火焰，將工件表面迅速加熱到淬火溫度，然后立即噴水快速冷卻，從而獲得一定淬硬層深度的熱處理方法。

二、鋼的化學(xué)熱處理將工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入工件的表層，以改變其化學(xué)成分、組織和性能的熱處理方法。

化學(xué)熱處理的三個基本過程：①分解化學(xué)介質(zhì)在一定溫度下分解出能夠滲入工件表面的活性原子；②吸收活性原子被工件表面吸收，并溶入鐵的晶格形成固溶體或與鋼中某元素形成化合物；③擴(kuò)散被吸收的活性原子由工件表面逐漸向內(nèi)部擴(kuò)散，形成一定深度的滲層。

（一）滲碳將工件置于具有活性碳原子的介質(zhì)中，加熱并保溫，使碳原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理方法。1.滲碳用鋼一般選用含碳量為0.1~0.25%的低碳鋼和低碳合金鋼，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3A、18Cr2Ni4WA等。2.滲碳方法固體滲碳、氣體滲碳和液體滲碳。

滴注式氣體滲碳法示意圖

3.滲碳后的組織滲碳后在緩冷條件下，工件表層到心部的組織依次為過共析層（P+Fe3CⅡ）、共析層（P）、亞共析過渡層（P+F）和心部原始亞共析組織（F+P）。

4.滲碳后的熱處理

（1）直接淬火法

（2）一次淬火法

（3）二次淬火

（二）滲氮在Ac1以下某一溫度下使活性氮原子滲入工件表層的化學(xué)熱處理方法。目的是為了提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性能。

1.滲氮用鋼典型的滲氮用鋼是38CrMoAlA。還可選用碳鋼、低合金鋼、合金鋼、鑄鐵等材料。2.滲氮方法常用的滲氮方法有氣體滲氮和離子滲氮兩種。3.滲氮處理的技術(shù)要求滲氮前零件須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，得到回火索氏體組織。4.滲氮的特點(diǎn)及應(yīng)用（三）碳氮共滲在一定溫度下，向鋼的表面同時滲入碳原子和氮原子的熱處理工藝。碳氮共滲的方法有液體碳氮共滲和氣體碳氮共滲1.低溫氣體氮碳共滲主要是以滲氮為主的碳氮共滲工藝。2.中溫氣體碳氮共滲主要是以滲碳為主的碳氮共滲工藝。第四節(jié)影響熱處理件質(zhì)量的因素一、常見的熱處理缺陷及影響因素

（二）氧化與脫碳（三）硬度不足（四）變形和開裂（一）過熱與過燒二、熱處理工件的結(jié)構(gòu)工藝性1.避免尖角、棱角、減少臺階2.零件的外形應(yīng)盡量簡單，避免厚薄懸殊的截面3.盡量采用對稱結(jié)構(gòu)4.盡量采用封閉結(jié)構(gòu)5.盡量采用組合結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)組合結(jié)構(gòu)第五節(jié)熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注及工序位置安排一、熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注包括：最終熱處理方法（如調(diào)質(zhì)、淬火、回火、滲碳等）以及應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)等。一般以硬度作為熱處理技術(shù)條