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1、第三节第三节第三节第三节 钢的热处理钢的热处理钢的热处理钢的热处理 一、钢在加热时的转变一、钢在加热时的转变 二、钢在冷却时的转变二、钢在冷却时的转变一、钢在加热时的转变一、钢在加热时的转变一、钢在加热时的转变一、钢在加热时的转变 热处理的定义：热处理的定义：热处理的定义：热处理的定义：是指是指是指是指采用适当的方式对金属材料或机械采用适当的方式对金属材料或机械采用适当的方式对金属材料或机械采用适当的方式对金属材料或机械零件进行加热零件进行加热零件进行加热零件进行加热 、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的、保温和冷却以获得所需组织结构与性能的、保温和冷却
2、以获得所需组织结构与性能的工艺。工艺。工艺。工艺。钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善钢的热处理不仅可以改善其组织和性能，还可以改善其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。其加工性能。更重要的是赋于零件的最终性能的关键工序。不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须不少零件加工成形后并不能直接使用，而是必须不少零件加工成形后并不能直接使用
3、，而是必须进行进行热处热处热处热处理后才能使用。理后才能使用。理后才能使用。理后才能使用。本本节节主主要要介介绍绍热热处处理理的的基基本本原原理理、常常用用热热处处理理工工艺艺方方法法及其应用。及其应用。热热处处理理方方法法很很多多，根根据据工工艺艺类类型型、工工艺艺名名称称和和实实现现热热处处理的加方法、将热处理工艺分为两类。理的加方法、将热处理工艺分为两类。整体热处理：整体热处理：整体热处理：整体热处理：包括退火、正火、淬火和回火等。包括退火、正火、淬火和回火等。包括退火、正火、淬火和回火等。包括退火、正火、淬火和回火等。表面热处理：表面热处理：表面热处理：表面热处理：包括表面包括表面包括
4、表面包括表面淬火淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗。、渗碳、渗氮、碳氮共渗。、渗碳、渗氮、碳氮共渗。、渗碳、渗氮、碳氮共渗。热热热热处处处处理理理理的的的的工工工工艺艺艺艺要要要要素素素素是是是是温温温温度度度度和和和和时时时时间间间间。任任任任何何何何热热热热处处处处理理理理过过过过程程程程都都都都是是是是由由由由加加加加热热热热、保保保保温温温温和和和和冷冷冷冷却却却却三三三三个个个个阶阶阶阶段段段段组组组组成成成成的的的的。因因因因此此此此，要要要要掌掌掌掌握握握握钢钢钢钢的的的的热热热热处处处处理理理理原原原原理理理理，主主主主要要要要就就就就是是是是要要要要掌掌掌掌握握握握钢钢钢钢在在在在加
5、加加加热热热热和和和和冷冷冷冷却却却却时时时时的的的的组组组组织织织织转转转转变变变变规规规规律律律律。图图3-1 热处理工艺曲线热处理工艺曲线温温度度时间时间0加热加热保保 温温冷却冷却 热处理的任务是通过改变钢材的组织，来改变钢材的性热处理的任务是通过改变钢材的组织，来改变钢材的性能，以满足使用要求的。能，以满足使用要求的。一般都有将钢加热到相变温度以上，一般都有将钢加热到相变温度以上，使常温组织变为高温组织使常温组织变为高温组织-奥氏体。然后在冷却过程中使它奥氏体。然后在冷却过程中使它向要求的组织转变。向要求的组织转变。因此，奥氏体在形成过程中，其成份、因此，奥氏体在形成过程中，其成份、
6、晶粒大小等，将直接影响热处理的效果。为此，了解奥体的晶粒大小等，将直接影响热处理的效果。为此，了解奥体的形成过程和影响因素是很重要的。形成过程和影响因素是很重要的。以共析钢为例，说明奥氏体的转变以共析钢为例，说明奥氏体的转变(形成形成)过程过程。其转变过程可归纳为其转变过程可归纳为四个阶段四个阶段。1 1奥氏体（奥氏体（A A）晶核的形成）晶核的形成2 2奥氏体（奥氏体（A A）晶核的长大）晶核的长大3 3残余渗碳体（残余渗碳体（FeFe3 3C C）的溶解）的溶解4 4奥氏体（奥氏体（A A）的均匀化）的均匀化注意注意：（1 1）亚共析钢和过共析钢加热到亚共析钢和过共析钢加热到A AC C1
7、 1-A-AC C3 3（或（或A AC C1 1-A AC Ccmcm）之间时将分别得到）之间时将分别得到“A+FA+F”和和“A+FeA+Fe3 3C C”组织，组织，属不完全奥氏体化。只有当加热到属不完全奥氏体化。只有当加热到A AC C3 3或或A AC Ccmcm以上温度时，以上温度时，才能完全奥氏体化。才能完全奥氏体化。（2 2）在实际生产中，奥氏体晶粒的大小对热处理在实际生产中，奥氏体晶粒的大小对热处理后的组织与性能有很大的影响。一般热处理加热时奥氏后的组织与性能有很大的影响。一般热处理加热时奥氏体晶粒越均匀、细小，冷却后的组织也越均匀、细小，体晶粒越均匀、细小，冷却后的组织也越
8、均匀、细小，其强度、塑性和韧性比较高。因此，应合理选择钢的化其强度、塑性和韧性比较高。因此，应合理选择钢的化学成分，并控制热处理的加热温度及保温时间。学成分，并控制热处理的加热温度及保温时间。二、钢在冷却时的转变二、钢在冷却时的转变冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组冷却方式直接影响着钢的相变（决定热处理后钢的组织和性能）织和性能）。需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下需要热处理的零件，加热以后的冷却方式有以下两种两种：1 1）等温冷却等温冷却2）连续冷却连续冷却把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到把加热到奥氏体的钢先以较快的速度过冷到A1线线以下的一定温度，然后保持此温度，
9、使奥氏体恒以下的一定温度，然后保持此温度，使奥氏体恒温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却温进行组织转变，当组织转变结束后再继续冷却到室温到室温把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质把加热到奥氏体的钢先以某一速度（在一定介质中）冷却至室温，使奥氏体在中）冷却至室温，使奥氏体在A1线以下的连续冷线以下的连续冷却中发生组织转变却中发生组织转变第三节 钢的普通热处理教学目的和要求：1 1掌握有几种热处理工艺。掌握有几种热处理工艺。2 2掌掌握握各各种种热热处处理理工工艺艺有有何何异异同同，如如何何操操作作，及其目的。及其目的。重点分析：各种热处理工艺操作方法及其目的。各种热处理工艺操作方法及
10、其目的。热热处处理理整体热处理整体热处理退火、正火、淬火、回火退火、正火、淬火、回火表面热处理表面热处理火焰加热法火焰加热法感应加热法感应加热法激光加热法激光加热法化学、物理气相沉积化学、物理气相沉积化学热处理化学热处理渗碳、渗氮、多元共渗渗碳、渗氮、多元共渗保温保温临界点临界点冷却冷却加热加热时间时间温温度度热热处处理理预先热处理预先热处理比如：退火、正火等比如：退火、正火等最终热处理最终热处理消除前道工序的某些缺陷，为消除前道工序的某些缺陷，为后续工序做准备的热处理后续工序做准备的热处理获得零件所需要的使用性能的热处理获得零件所需要的使用性能的热处理比如：淬火、回火等比如：淬火、回火等 一
11、一、钢的退火、钢的退火 将工件加热到一定温度并保温，然后再缓慢冷却的一种热处理将工件加热到一定温度并保温，然后再缓慢冷却的一种热处理工艺。工艺。根据钢的成分和退火目的不同应采用不同的退火方法，常用的根据钢的成分和退火目的不同应采用不同的退火方法，常用的退火方法有：退火方法有：完全退火（普通退火）完全退火（普通退火）；球化退火（不完全退火）球化退火（不完全退火）；去应力退火（低温退火）去应力退火（低温退火）等。等。退退火火完全退火完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火方法：将亚共析钢加热到方法：将亚共析钢加热到AC3线以上线以上3050，保温一定时间后缓慢冷却（随炉冷却）。保温一定时间后缓
12、慢冷却（随炉冷却）。方法：方法：将共析钢或过共析钢加热到将共析钢或过共析钢加热到AC C1线以上线以上2030，保温后缓慢冷却。，保温后缓慢冷却。方法：方法：将钢加热到将钢加热到ACAC1 1线以下，保温后缓慢冷线以下，保温后缓慢冷却。却。退退火火完全退火完全退火球化退火球化退火去应力退火去应力退火目的：目的：细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除细化晶粒，均匀组织，降低硬度，消除应力。同时也是为切削加工和最终热处理做准应力。同时也是为切削加工和最终热处理做准备备目的：目的：消除网状或片状渗碳体，降低硬度，提消除网状或片状渗碳体，降低硬度，提高韧性。同时也是为切削加工和最终热处理做高韧性。同时也是
13、为切削加工和最终热处理做准备准备目的：目的：消除铸件、焊件中的内应力，稳定尺消除铸件、焊件中的内应力，稳定尺寸。寸。主要应用于：主要应用于：亚共析钢的铸件、锻件和轧件亚共析钢的铸件、锻件和轧件主要应用于：主要应用于：共析、过共析钢和合金工具钢共析、过共析钢和合金工具钢主要特点：主要特点：没有组织变化没有组织变化二二、正火、正火 方法：方法：是将钢件加热到是将钢件加热到A AC3C3或或A AC Cm m以上以上30305050，保温一，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却。定时间后，从炉中取出在空气中冷却。主要应用于以下几方面主要应用于以下几方面:改善低碳钢的可切削性改善低碳钢的可切削性 。
14、作为中碳钢的预备热处理（可以替代部分退火热处理）。作为中碳钢的预备热处理（可以替代部分退火热处理）。对机械性能要求不高的零件的最终热处理。对机械性能要求不高的零件的最终热处理。注意：注意：正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺。都正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺。都是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，而退火是随炉冷却。而退火是随炉冷却。三三、淬火、淬火方法：方法：将将钢钢加加热热到到ACAC3 3(亚共析钢亚共析钢)或或ACcmACcm(共析钢或过共析钢共析钢或过共析钢)以上以上30305050，保温一定时间使其奥氏体化
15、，然后在冷却介质中迅速冷，保温一定时间使其奥氏体化，然后在冷却介质中迅速冷却。却。目的：目的：是获得均匀细小的马氏体组织，再经过回火处理，提高钢的力是获得均匀细小的马氏体组织，再经过回火处理，提高钢的力学性能学性能(提高钢的硬度、强度、耐磨性提高钢的硬度、强度、耐磨性)。注意：注意：淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。淬火的关键是：确定淬火温度和冷却方式。它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。常用的淬火冷却方法常用的淬火冷却方法常用的淬火冷却方法常用的淬火冷却方法常用的淬火常用的淬火冷却方法冷却方法单液淬火法单液淬火法双介质淬火法双介质淬
16、火法分级淬火法分级淬火法等温淬火法等温淬火法加热至淬火温度，先投入一种冷却加热至淬火温度，先投入一种冷却能力强的介质中冷却至能力强的介质中冷却至MsMs点以下区点以下区域，然后再放入另一种冷却能力弱域，然后再放入另一种冷却能力弱的介质中冷却。适用于高碳钢零件的介质中冷却。适用于高碳钢零件和较大的合金钢零件。和较大的合金钢零件。加热至淬火温度，先投入加热至淬火温度，先投入MsMs点附近点附近的油浴和盐浴中冷却（的油浴和盐浴中冷却（2-5min2-5min），），然后再取出空冷。适用于尺寸较小然后再取出空冷。适用于尺寸较小的工件。的工件。形状复杂、尺寸要求精确，且硬度形状复杂、尺寸要求精确，且硬度
17、与韧性要求高的重要零件。与韧性要求高的重要零件。加热至淬火温度，投入一种淬火介加热至淬火温度，投入一种淬火介质中连续冷却。常见碳钢在质中连续冷却。常见碳钢在水水中淬中淬火、合金钢在火、合金钢在油油中淬火。中淬火。四四、回火、回火方法：方法：将淬火钢加热到将淬火钢加热到ACAC1 1以下某一温度，经过保温，然后以一定的以下某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷到室温。冷却方法冷到室温。目的：目的：减少或消除淬火应力，防止钢件变形与开裂；稳定组织和尺寸；减少或消除淬火应力，防止钢件变形与开裂；稳定组织和尺寸；获得所需要的组织和性能。获得所需要的组织和性能。注意：注意：淬火钢不经过回火一般不能直
18、接使用。淬火钢不经过回火一般不能直接使用。淬火钢的回火转变淬火钢的回火转变 ：马氏体分解和残余奥氏体的分解：马氏体分解和残余奥氏体的分解 。回火种类及应用：回火种类及应用：回火种类及应用：回火种类及应用：（1 1 1 1）低温回火（）低温回火（）低温回火（）低温回火（150150150150250250250250），），），），目的目的目的目的是降低淬火钢的内是降低淬火钢的内是降低淬火钢的内是降低淬火钢的内应力和脆性，并保持高硬度（应力和脆性，并保持高硬度（应力和脆性，并保持高硬度（应力和脆性，并保持高硬度（5656565664HRC)64HRC)64HRC)64HRC)和耐磨性。如模和耐磨
19、性。如模和耐磨性。如模和耐磨性。如模具、刃具等。具、刃具等。具、刃具等。具、刃具等。（2 2 2 2）中温回火（）中温回火（）中温回火（）中温回火（350350350350500500500500），），），），目的目的目的目的是使钢获得高弹性，是使钢获得高弹性，是使钢获得高弹性，是使钢获得高弹性，并保持较高硬度（并保持较高硬度（并保持较高硬度（并保持较高硬度（3535353550HRC)50HRC)50HRC)50HRC)和一定的韧性。如弹簧、锻和一定的韧性。如弹簧、锻和一定的韧性。如弹簧、锻和一定的韧性。如弹簧、锻模等。模等。模等。模等。（3 3 3 3）高温回火）高温回火）高温回火）高温
20、回火调质处理（调质处理（调质处理（调质处理（500500500500650650650650目的目的目的目的是获得得强是获得得强是获得得强是获得得强度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。度及韧性等综合力学性能较好。如连杆、曲轴、齿轮等。有些零件，采用表面热处理可以获得表面高硬度和心有些零件，采用表面热处理可以获得表面高硬度和心部高韧性。部高韧性。五、五、钢的表面热处理钢的表面热处理一、表面淬火一、表面淬火 表面淬火的特点是快速加热，使工件要求淬硬的表表面淬火的特点是快速加热，使工件要
21、求淬硬的表面迅速升至淬火温度，而心部仍保持面迅速升至淬火温度，而心部仍保持A AC1C1以下温度，再迅以下温度，再迅速冷却，结果工件表面层被淬硬为马氏体组织，心部仍速冷却，结果工件表面层被淬硬为马氏体组织，心部仍为原来的组织，保持了良好的韧性。再经过适当的低温为原来的组织，保持了良好的韧性。再经过适当的低温回火，就能获得要求的性能。回火，就能获得要求的性能。根据加热方法不同，表面淬火方法可分为三种：根据加热方法不同，表面淬火方法可分为三种：1 1火焰加热表面火焰加热表面淬火法淬火法 淬深为淬深为2 26mm6mm需凭经验难以把握。需凭经验难以把握。2 2感应加热表面淬火法感应加热表面淬火法 利
22、用电流的集肤效应对工件表面迅速加热利用电流的集肤效应对工件表面迅速加热 ，而心部则，而心部则几乎未被加热。几乎未被加热。高频感应加热高频感应加热 电流频率为（电流频率为（f=200f=200300300）KHZKHZ 淬淬深深为为0.50.52mm 2mm。主主要要用用于于淬淬硬硬层层较较浅浅的的中中、小小 型零件加热，如小轴、小模数齿轮等。型零件加热，如小轴、小模数齿轮等。高频淬火齿轮的工艺路线为：高频淬火齿轮的工艺路线为：锻锻造造正正火火或或退退火火粗粗加加工工调调质质精精加加工工高高频频淬淬火火低温回火低温回火磨削。磨削。二、化学热处理二、化学热处理 化学热处理是把工件放在特定介质中加热
23、和保温，使一化学热处理是把工件放在特定介质中加热和保温，使一种或几种元素渗入工件表面，以改变表层成份和组织。使用种或几种元素渗入工件表面，以改变表层成份和组织。使用工件表面与心部具有不同的机械性能或特殊的物理、化学性工件表面与心部具有不同的机械性能或特殊的物理、化学性能。能。原理：将要渗的活性元素加热分解，即所谓激活，然后原理：将要渗的活性元素加热分解，即所谓激活，然后被工件表面吸收，进而向工件内部扩散。被工件表面吸收，进而向工件内部扩散。常用的化学热处理方法有：常用的化学热处理方法有：1 1渗碳渗碳 钢的表面吸收碳原子的过程，称为渗碳。钢的表面吸收碳原子的过程，称为渗碳。目目的的：使使零零件
24、件表表面面获获得得高高硬硬度度（HRC58HRC586464），心心部部获获得较高的强度和韧性。得较高的强度和韧性。(1)(1)气气体体渗渗碳碳法法：主主要要用用甲甲烷烷、煤煤气气、甲甲苯苯、煤煤油油等等作作渗碳剂，在气体高温下分解出活性碳原子进行渗碳。渗碳剂，在气体高温下分解出活性碳原子进行渗碳。如图所示如图所示。(2)(2)固体渗碳法：固体渗碳剂主要是木炭，其次是少量固体渗碳法：固体渗碳剂主要是木炭，其次是少量碳酸盐碳酸盐。如图所示如图所示。(3)(3)液体渗碳法：液体渗碳法：因有有毒气体产生，所以应用于不广。因有有毒气体产生，所以应用于不广。2 2氮化氮化 即使工件表面渗入氮原子。即使工
25、件表面渗入氮原子。目前应用较广的是气体氮化法。把工件放在专门氮化的炉目前应用较广的是气体氮化法。把工件放在专门氮化的炉子里，加热到子里，加热到500500600600，同时通入氨气，同时通入氨气(NH3)(NH3)，氨气加热到氨气加热到450450，就分解出活性氨原子，扩散渗入工件表层，形成氮化，就分解出活性氨原子，扩散渗入工件表层，形成氮化层。层。氮化的要素是温度和时间，用时间控制渗层厚度。氮化的要素是温度和时间，用时间控制渗层厚度。氮氮化化处处理理的的缺缺点点是是：时时间间长长,一一般般要要用用合合金金钢钢,所所以以成本高。只用于机床中高速传动轴；精密齿轮等。成本高。只用于机床中高速传动轴
26、；精密齿轮等。一般氮化零件的工艺路线为：一般氮化零件的工艺路线为：锻造锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工除应力退火除应力退火磨磨削削氮化氮化精磨。精磨。3 3碳氮共渗碳氮共渗 把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化把碳和氮同时渗入零件表层的过程称为氰化 。根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。根据处理温度的不同分为高温、中温和低温氰化。4 4其它化学热处理方法其它化学热处理方法 (1)(1)渗铝渗铝 目的：是使钢的表面具有高的抗氧化性能。目的：是使钢的表面具有高的抗氧化性能。(2)2)渗铬渗铬 目的：是增加零件抗蚀性能，还可提高碳钢的目的：是增加零件抗蚀性能，还可提高碳钢的硬度和耐磨性。硬度和耐磨性。气体渗碳气体渗碳返 回固体渗碳固体渗碳返 回返 回火焰加热淬火法火焰加热淬火法