第四章鋼的熱處理工藝

供應(yīng)窄帶鋼行業(yè)熱處理設(shè)備第一頁，共四十八頁。毛坯生產(chǎn)預(yù)備熱處理機(jī)械加工最終熱處理機(jī)械精加工預(yù)備熱處理:退火;正火最終熱處理:淬火;回火一般機(jī)械鋼零件生產(chǎn)的工藝路線:Therefore,熱處理是一種非常重要的加工方法，極大部分機(jī)械零件都必須經(jīng)過熱處理！第二頁，共四十八頁。教學(xué)內(nèi)容4.1鋼的退火與正火工藝4.2鋼的淬火與回火4.3鋼的表面熱處理4.4鋼的化學(xué)熱處理第三頁，共四十八頁。過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變－CCT曲線C---continuousC---coolingT---transformation知識(shí)回顧Ps：A→P開始線Pf：A→P終止線K：珠光體型轉(zhuǎn)變終止線Vk：上臨界冷卻速度（馬氏體臨界冷卻速度）→M最小冷速Vk’：下臨界冷速→完全P最大冷速第四頁，共四十八頁。共析碳鋼TTT曲線與CCT曲線的比較（1）CCT位于TTT曲線右下方A→P轉(zhuǎn)變溫度低一些，t長(zhǎng)一些（2）CCT無A→B轉(zhuǎn)變CCT測(cè)定困難，常用TTT曲線定性分析C曲線的應(yīng)用第五頁，共四十八頁。4．1鋼的退火與正火工藝將鋼件加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火工藝曲線一、退火

目的:消除應(yīng)力;降低硬度;細(xì)化晶粒;均勻成分;為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。

第六頁，共四十八頁。1．完全退火加熱溫度：Ac3以上20-30度組織：P+F目的：①細(xì)化，均勻化粗大、不均勻組織②接近平衡組織——調(diào)整硬度→切削性↑③消除內(nèi)應(yīng)力應(yīng)用范圍：亞共析鋼，共析鋼，不適用于過共析鋼。2．球化退火（不完全退火）加熱溫度：Ac1以上20-40度組織：球狀P（F+球狀Cem）目的：①使Cem球化→HRC↓，韌性↑→切削性↑②為淬火作準(zhǔn)備應(yīng)用范圍：過共析鋼，共析鋼第七頁，共四十八頁。第八頁，共四十八頁。第九頁，共四十八頁。加熱溫度：1050-1150℃，10-20h,組織：P+F或P+Fe3CII目的：消除偏析后果：粗大晶粒（應(yīng)用完全退火消除）4．再結(jié)晶退火加熱溫度：Ac1以下50-150度，或T再+30-50度目的：消除加工硬化5．去應(yīng)力退火500-650℃3．?dāng)U散退火（均勻化退火）第十頁，共四十八頁。把鋼零件加熱到臨界溫度以上30～50℃,保溫一定時(shí)間,然后在空氣中冷卻的熱處理工藝。二、正火（空冷）第十一頁，共四十八頁。（1）作最終熱處理，普通結(jié)構(gòu)鋼零件a.細(xì)化A晶粒，組織均勻化b.減少亞共析鋼中F%→P%↑，細(xì)化組織→強(qiáng)度，韌性，硬度↑（2）預(yù)先熱處理a.消除魏氏組織，帶狀組織；細(xì)化組織→為淬火、調(diào)質(zhì)作準(zhǔn)備b.使過共析鋼中Fe3CII↓→使其不形成連續(xù)網(wǎng)狀，為球化作準(zhǔn)備（3）改善切削加工性能（低碳鋼）臨界溫度：Ac3或Accm+30-50℃

組織：S+（F或Fe3C）應(yīng)用及目的：第十二頁，共四十八頁。以45#鋼為例的正火工藝曲線：保溫時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)公式:τ=KD(單位為min,式中,K―加熱系數(shù),一般K=1.5-2.0m/min,若裝爐量大則可延長(zhǎng)保溫時(shí)間,D―工件有效厚度,單位為m)操作步驟如下：

入爐保溫出爐空冷第十三頁，共四十八頁。三、退火、正火的選擇

工具鋼→正火+球化退火結(jié)構(gòu)鋼→正火返修件→退火正火：冷速快，材料組織細(xì)化，機(jī)械性能好。1．切削加工低碳鋼→正火中高碳鋼→完全退火高碳鋼、合金工具鋼——正火＋球化退火2．作為最終熱處理→正火3．為最終熱處理提供良好的組織狀態(tài)4.正火可替代完全退火以提高效率第十四頁，共四十八頁。4.2鋼的淬火與回火加熱到AC3、AC1相變溫度以上，保溫，快速冷卻→M+A′

1．淬火溫度的決定

亞共析鋼Ac3+30-50度共析鋼Ac1+30-50度過共析鋼Ac1+30-50度A、保留一定的Cem→HRC↑，耐磨性↑B、A中C%↓→M中C%↓→M脆性↓C、A中C%↓→M過飽和度↓→殘余A↓淬火溫度過高→A粗大→M粗大→力學(xué)性能↓，淬火溫度過高→A粗大→M粗大→淬火應(yīng)力↑→變形，開裂↑一、淬火第十五頁，共四十八頁。650℃以上，慢，減小熱應(yīng)力650-400℃，快，避免跨越C曲線400℃以下，慢，減輕相變應(yīng)力理想淬火冷卻曲線示意圖不同淬火方法示意圖2．淬火介質(zhì)保證快速冷卻第十六頁，共四十八頁。以45#鋼為例的淬火工藝曲線：入爐保溫出爐油冷(或水冷)第十七頁，共四十八頁。二、鋼的淬透性

1．淬透性：淬火條件下得到M組織的能力，取決于VK（上臨界冷卻速度）2．淬硬性：鋼在淬火后獲得硬度的能力，取決于M中C%，C%↑→淬硬性↑第十八頁，共四十八頁。3．影響淬透性的因素——VK，C曲線

C%亞共析鋼C%↑→淬透性↑，過共析鋼C%↑→淬透性↓奧氏體化溫度T↑t↑→淬透性↑合金元素除Co%以外，C曲線右移，↑淬透性未溶第二相↓淬透性影響C曲線的因素第十九頁，共四十八頁。（1）根據(jù)服役條件，確定對(duì)鋼淬透性的要求；——選材的依據(jù)（2）熱處理工藝制定的依據(jù)；（3）尺寸效應(yīng)。4．淬透性的應(yīng)用

第二十頁，共四十八頁。三、回火

a.消除淬火應(yīng)力，降低脆性；b.穩(wěn)定工件尺寸，由于M，殘余A不穩(wěn)定；c.獲得要求的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性。1．回火目的（淬火組織的問題）定義:把淬火后的零件重新加溫到A1線以下某個(gè)溫度,保溫一段時(shí)間,然后冷卻到窒溫。第二十一頁，共四十八頁。工藝參數(shù)及組織淬火+高溫回火=調(diào)質(zhì)處理第二十二頁，共四十八頁。

2．鋼在回火時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

a.馬氏體分解（200℃以下）：析出ε-Fe2.4C碳化物（亞穩(wěn)定）回火組織：回火馬氏體M’→過飽和α固溶體十亞穩(wěn)定ε碳化物（極細(xì)的)作用：晶格畸變降低，淬火應(yīng)力有所下降。

b.殘余A分解（200-300℃）：A→M’（或A→B下）組織：回火馬氏體M’

c.回火屈氏體T’形成（250-400℃）：ε→Fe3C;α→F－維持M’外形組織：回火屈氏體T’(F+Fe3C)

d.碳化物的聚集長(zhǎng)大，鐵素體的回復(fù)與再結(jié)晶（>400℃）組織：回火索氏體S’—F（等軸晶）+Fe3C（粒）

e.

碳化物→Fe3C片→細(xì)粒狀Fe3C。第二十三頁，共四十八頁。3．回火工藝－組織一性能關(guān)系（及應(yīng)用）

（1）低溫回火（150-250℃）

回火馬氏體M’

降低淬火應(yīng)力，提高韌性，保證高硬度（HRC58-64）和耐磨性高碳的工具、模具、滾動(dòng)軸承，滲碳與表面淬火的零件（2）中溫回火（350-500℃）

回火屈氏體T’

高彈性極限和屈服強(qiáng)度，一定的韌性，硬度一般為HRC35-45彈簧

（3）高溫回火（500-650℃）

回火索氏體S′

淬火＋高溫回火——調(diào)質(zhì)處理綜合機(jī)械性能好(強(qiáng)度、韌性、塑性的配合)，硬度一般為HRC25-35

承受交變載荷，連桿、軸、齒輪等重要結(jié)構(gòu)件——最終熱處理精密量具、模具——預(yù)先熱處理第二十四頁，共四十八頁?；鼗瘃R氏體組織金相圖1、高碳回火馬氏體：強(qiáng)度、硬度高、塑性、韌性差2、低碳回火馬氏體：高的強(qiáng)度與韌性，硬度、耐磨性也較好。第二十五頁，共四十八頁?；鼗鹎象w組織金相圖屈服強(qiáng)度與彈性極限高第二十六頁，共四十八頁。42CrMo

╳400

45鋼

╳400

回火索氏體組織金相圖綜合機(jī)械性能好（見下頁）第二十七頁，共四十八頁。正火與調(diào)質(zhì)處理的比較：45鋼σb(MN/m2)δ(%)ak(kJ/m2)HB組織

正火700-80012-20500-800163-220細(xì)片S+F調(diào)質(zhì)750-85020-25800-1200210-250細(xì)粒S’淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)處理第二十八頁，共四十八頁。

200度以下，HRC不變。200-300度，M分解，殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，硬度降低不大，高碳鋼硬度,有一定的升高。>300度，HRC降低。

1、韌性：400度開始升高，600度最高。2、彈性極限：在300-400度最高。

3、塑性：在600-650度最高。

4、高碳回火馬氏體：強(qiáng)度、硬度高、塑性、韌性差

6、低碳回火馬氏體：高的強(qiáng)度與韌性，硬度、耐磨性也較好。

7、回火屈氏體：屈服強(qiáng)度與彈性極限高

8、回火索氏體：綜合機(jī)械性能。（4）回火溫度與機(jī)械性能的關(guān)系第二十九頁，共四十八頁。第三十頁，共四十八頁。4．合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響提高回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性：指鋼在回火時(shí)，抵抗回火造成軟化的能力。b.增大回火脆性（見下頁）

回火脆性：指隨回火溫度升高時(shí)，在250~400℃和450-650℃兩個(gè)區(qū)出現(xiàn)沖擊韌性明顯下降的脆化現(xiàn)象。

c.產(chǎn)生二次硬化（見下后頁）

第三十一頁，共四十八頁。（1）低溫回火脆性（250-400℃）

碳化物片沿M晶界析出避免在此溫度回火（3）高溫回火脆性（450-650℃）

P等元素在原A晶界偏聚，慢冷時(shí)Cr、Ni等促進(jìn)偏聚Mo等抑制偏聚減少P等雜質(zhì)元素，添加Mo等合金元素第三十二頁，共四十八頁。

二次硬化效應(yīng)：一些Mo、W、V含量較高的鋼回火時(shí)，硬度并不隨回火溫度的升高單調(diào)降低，而是在某一溫度（約400℃）后反而開始增大，并在另一更高溫度（550℃）達(dá)到峰值。如圖鉬鋼合金第三十三頁，共四十八頁?；鼗痤愋突鼗饻囟冉M織性能及應(yīng)用組織形態(tài)低溫回火150~250回火M（M′）保持高硬度，降低脆性及殘余應(yīng)力，用于工模具鋼，表面淬火及滲碳淬火件過飽和a-Fe+e碳化物中溫回火350-500回火屈氏體（T′）硬度下降，韌性、彈性極限和屈服強(qiáng)度↑，用于彈性元件保留馬氏體針形F+細(xì)粒Fe3C高溫回火500-650回火索氏體（S′）強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、良好綜合機(jī)械性能，優(yōu)于正火得到的組織。中碳鋼、重要零件采用。多邊形F+粒狀Fe3C5．回火工藝及其應(yīng)用

記注：淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)處理

應(yīng)用很多第三十四頁，共四十八頁。以45#鋼為例的調(diào)質(zhì)工藝曲線：淬火+高溫回火→調(diào)質(zhì)處理第三十五頁，共四十八頁。4.3鋼的表面熱處理表面淬火：不改變表面化學(xué)成分，只改變其表面組織的局部熱處理方法。一、感應(yīng)加熱表面淬火1．原理交變磁場(chǎng)→感應(yīng)電流→工件電阻→加熱，集膚效應(yīng)→表面加熱2．分類a.高頻200-300KHz，淬硬深度0.5-2mm小工件b.中頻2500-8000Hz淬硬深度2-5mm尺寸較大的工件c.低頻50Hz

淬硬深度10-15mm大型工件d.超音頻30-40KHz3．鋼種中碳鋼和中碳低合金鋼第三十六頁，共四十八頁。加熱速度快幾秒——幾十秒b.加熱時(shí)實(shí)際晶粒組小，淬火得到極細(xì)馬氏體，硬度↑，脆性↓c.殘余壓應(yīng)力→提高壽命d.不易氧化、脫碳、變形小e.工藝易控制，設(shè)備成本高4．特點(diǎn)鍛造→退火式正火→粗加工→調(diào)度→精加工→表面淬火→低溫回火→（粗磨→時(shí)效→精磨）5．工藝路線第三十七頁，共四十八頁。4.4鋼的化學(xué)熱處理一、滲碳：AC3以上；900~950℃

，低碳鋼

1．目的及應(yīng)用提高表面硬度，耐磨性，而使心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的塑性和韌性2．鋼種低碳鋼，低碳合金鋼3．加工工藝路線鍛造→正火→切削加工→滲碳→淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火）→低溫回火→噴丸→磨削第三十八頁，共四十八頁。（1）直接淬火（如圖a、b曲線）奧氏體晶粒大，馬氏體粗，殘余A多，耐磨性低，變形大。只適用于本質(zhì)細(xì)晶鋼或耐磨性要求低和承載低的零件。（2）一次淬火（如圖c曲線）心部要求高AC3以上表面要求高，AC1以上30-500℃（3）二次淬火（如圖d曲線）第一次，改變心部組織AC3以上30-500℃第二次，細(xì)化表面組織AC1以上30-500℃4．滲碳工藝-組織-性能關(guān)系加熱溫度，保溫時(shí)間→滲碳層厚度第三十九頁，共四十八頁。A3鋼多元共滲滲層

X40042rMo鋼多元共滲組織

X400第四十頁，共四十八頁。二、氮化（含Al,Cr,Mo，V的鋼）

它系指在一定溫度（一般在AC1）以下，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。其目的是使工件表面獲得高硬度和良好的耐蝕性能，且因氮化溫度低、變形小，因此在工藝中的應(yīng)用也非常廣泛。常用的氮化方法又氣體氮化、離子氮化、氮碳共滲（軟氮化）等。氣體氮化是將工件放在密封的爐內(nèi)加熱，并通入氮?dú)?。滲碳的加熱溫度低（小于Ac1溫度，鋼的組織處于鐵素體狀態(tài)），因此工件變形小、氧化脫碳少。氣體氮化的原理：氨氣在300℃以上是便可以受熱分解出活性氮原子，即：2NH3→3H2+2[N]活性氮原子被鋼的表面吸收，形成固溶體和化合物。第四十一頁，共四十八頁。氣體氮化的溫度：如果滲氮的目的是為了獲得高的硬度、高耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度，則氮化溫度為500－570℃，，氮化時(shí)間為30－50h。如果滲氮的目的是單純提高零件的抗腐蝕性能，則氮化溫度宜為590－720℃，。氣體氮化的工藝路線：

鍛造→退火→機(jī)械粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→去應(yīng)力退火→粗磨→氮化→精磨說明：

為保證零件的心部具有良好的綜合力學(xué)性能，氮化前要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；為減少在氮化中的變形，在切削加工后要進(jìn)行去應(yīng)力退火。氮化作為最后工序第四十二頁，共四十八頁。鋼的氮化層顯微組織400X鋼的氮化層顯微組織第四十三頁，共四十八頁。B-AlB-Al共晶組織（菊花狀）B-Al-W共晶組織（三角形）B-Al亞共晶組織

（樹枝狀）第四十四頁，共四十八頁。作業(yè)術(shù)語：退火正火回火淬火淬透性淬硬性回火脆性二次硬化回火穩(wěn)定性調(diào)質(zhì)表面熱處理化學(xué)熱處理簡(jiǎn)答題：1、退火有哪些種類？并簡(jiǎn)述各自的