機(jī)械制造基礎(chǔ)鋼的熱處理鋼的熱處理【能力目標(biāo)】熟悉碳鋼熱處理（正火、退火、淬火及回火）的基本工藝方法?！局R(shí)目標(biāo)】掌握冷卻條件與鋼的性能之間的關(guān)系；分析正火、退火、淬火及回火溫度對(duì)鋼性能的影響。鋼的熱處理一、熱處理工藝（一）概述（二）金屬熱處理工藝類型（三）熱處理分類鋼的熱處理（一）概述

鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到一定的溫度，進(jìn)行必要的保溫并冷卻來(lái)改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法。

與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分，而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。

熱處理工藝能使機(jī)械零件獲得良好的機(jī)械性能，延長(zhǎng)零件的使用壽命，提高加工質(zhì)量，減少刀具的磨損。其根本原因是鋼在加熱和冷卻過(guò)程中，鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，使其內(nèi)部發(fā)生組織與結(jié)構(gòu)的變化的。鋼的熱處理

當(dāng)熱處理的目的是消除毛坯中的缺陷，改善工藝性，為切削加工或熱處理作準(zhǔn)備，則稱為預(yù)先熱處理；當(dāng)熱處理的目的在于提高材料的力學(xué)性能，發(fā)揮材料潛力，節(jié)約材料，延長(zhǎng)零件使用壽命，則稱為最終熱處理。

熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段所組成的，因此，熱處理工藝過(guò)程可用“溫度-時(shí)間”為坐標(biāo)的曲線圖表示，如圖1-13所示，鋼的熱處理此曲線稱為熱處理工藝曲線。有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程互相銜接，不可間斷。鋼的熱處理1.加熱

加熱是熱處理的重要工序之一。利用熱源可以直接加熱，也可以通過(guò)熔融的鹽或金屬，以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。

金屬加熱時(shí)，工件暴露在空氣中，這對(duì)于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而通常應(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。

加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。鋼的熱處理2.保溫

轉(zhuǎn)變需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，還須在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。

采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí)，加熱速度極快，一般就沒(méi)有保溫時(shí)間，而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長(zhǎng)。鋼的熱處理3.冷卻

冷卻也是熱處理工藝過(guò)程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。

一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進(jìn)行淬硬。鋼的熱處理（二）金屬熱處理工藝類型熱處理工藝大體可分為3大類。1.整體熱處理2.表面熱處理3.化學(xué)熱處理鋼的熱處理1.整體熱處理

整體處理是對(duì)工件進(jìn)行整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學(xué)性能的熱處理工藝。整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火4種基本工藝。

退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻。目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。

正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時(shí)用于對(duì)一些要求不高的零件作為最終熱處理。鋼的熱處理

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時(shí)變脆。

為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。鋼的熱處理2.表面熱處理

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。

表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。鋼的熱處理3.化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。

化學(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學(xué)成分。

化學(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。鋼的熱處理（三）熱處理分類鋼的熱處理二、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

從Fe-Fe3C相圖的分析中可知，碳鋼在緩慢加熱或冷卻過(guò)程中，經(jīng)PSK、GS、E線時(shí)都會(huì)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，我們把它們分別簡(jiǎn)稱為：

PSK—A1線，GS—A3線，ES—Acm線，那么在熱處理過(guò)程中無(wú)論是加熱還是冷卻到這三條線時(shí)，溫度與這三條上的交點(diǎn)就為平衡臨界點(diǎn)。鋼的熱處理

需要注意的是，實(shí)際生產(chǎn)中，選用較大的過(guò)冷度和加熱度，因此碳鋼不可能恰好在平衡臨界點(diǎn)上發(fā)生轉(zhuǎn)變，而是冷卻時(shí)在三條線以下的地方，加熱時(shí)在三條線以上的地方，并且加熱和冷卻速度越大，組織轉(zhuǎn)變點(diǎn)偏離平衡臨界點(diǎn)也越大。

為了能夠區(qū)別以上臨界點(diǎn)（A1，A3，Acm）實(shí)際加熱時(shí)的各臨界點(diǎn)用Ac1，Ac3，Accm表示，冷卻時(shí)的各臨界點(diǎn)則選用Ar1、Ar3、Arcm表示。鋼的熱處理三、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變鋼的冷卻方式有等溫冷卻和連續(xù)冷卻兩種。1.等溫冷卻等溫冷卻是把加熱到A狀態(tài)的鋼，快速冷卻到低于Ar1某一溫度，等溫一段時(shí)間，使A發(fā)生轉(zhuǎn)變，然后再冷卻到室溫。鋼的熱處理2.連續(xù)冷卻

把加熱到A狀態(tài)的鋼，以不同的冷卻速度（空冷，隨爐冷，油冷，水冷）連續(xù)冷卻到室溫。鋼的熱處理

從表可以發(fā)現(xiàn)，同是一種鋼，加熱條件相同，但由于采用不同的冷卻方式，鋼所表現(xiàn)出的機(jī)械性能明顯不同。

之所以會(huì)出現(xiàn)性能上明顯的差別，是由于鋼的內(nèi)部組織隨冷卻速度的不同而發(fā)生不同的變化，導(dǎo)致性能上的差別。鋼的熱處理四、鋼的退火與正火

退火與正火是應(yīng)用非常廣泛的熱處理。在機(jī)器零件或工模具等工件的制造過(guò)程中，經(jīng)常作為預(yù)備熱處理，安排在鑄造或鍛造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所帶來(lái)的某些缺陷，并為隨后的工序做好準(zhǔn)備。鋼的熱處理（一）退火

將工件加熱到臨界點(diǎn)以上或臨界點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時(shí)間后，以十分緩慢的冷卻速度（爐冷）進(jìn)行冷卻的熱處理工藝稱為退火。退火分為完全退火、球化退火和去應(yīng)力退火三種。鋼的熱處理1.完全退火

是將亞共析碳鋼加熱到Ac3線以上約20~60℃，保溫一定時(shí)間，隨爐緩慢冷卻到600℃以下，然后出爐在空氣中冷卻，將工件完全奧氏體化。

這種退火主要用于亞共析成分的碳鋼和合金鋼的鑄件，鍛件及熱軋型材。目的是細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力與組織缺陷，降低硬度，提高塑性，為隨后的切削加工和淬火做好準(zhǔn)備。鋼的熱處理2.球化退火

球化退火將過(guò)共析鋼加熱到Ac1以上約20~40℃保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻到600℃以下出爐空冷。

球化退火多用于共析或過(guò)共析成分的碳鋼和合金鋼。目的是球化滲碳體，硬度下降，改善切削加工性能，為淬火做好準(zhǔn)備。鋼的熱處理3.去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火（亦稱低溫退火）是將工件緩慢加熱到600~650℃，保溫一定的時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻到200℃再出爐空冷。

去應(yīng)力退火用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機(jī)加工件中的殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在以后機(jī)加工或使用中潛在地會(huì)產(chǎn)生變形或開(kāi)裂。鋼的熱處理（二）正火

將鋼件加熱到臨界點(diǎn)（Ac3，Acm）以上，進(jìn)行完全奧氏體化，然后在空氣中冷卻，這種熱處理稱為正火。

正火的目的與退火相同，只是溫度高于退火，且在空氣中冷卻。對(duì)于低碳鋼，可提高硬度以改善切削加工性。

正火鋼件的強(qiáng)度比退火鋼件高，因此對(duì)有些性能要求不高的零件，正火可作為最終熱處理。鋼的熱處理五、鋼的淬火

將鋼加熱到臨界點(diǎn)（Ac3，Ac1）以上，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的保溫使鋼奧氏體化，然后再以大于臨界冷卻速度進(jìn)行快速冷卻，從而發(fā)生馬氏體（以M表示）轉(zhuǎn)變的熱處理工藝稱為淬火。

淬火是為了獲取M組織，它是強(qiáng)化鋼材最主要的熱處理方法。

M不是熱處理所要求的最后組織，淬火后，鋼材還要根據(jù)不同的需要，進(jìn)行不同溫度的回火，這樣可使淬火M獲取不同的組織，從而使淬火鋼零件具有不同的機(jī)械性能，充分滿足各種工具與零件的使用要求。鋼的熱處理（一）淬火工藝1.淬火加熱溫度的選擇淬火溫度的高低與鋼的化學(xué)成分有關(guān)，通常是：

亞共析鋼T＝Ac3＋(30~70)℃；

共析鋼，過(guò)共析鋼T＝Ac1＋(30~70)℃。鋼的熱處理2.加熱時(shí)間的選擇

加熱時(shí)間指的是升溫與保溫所需時(shí)間，加熱時(shí)間的長(zhǎng)短與很多因素有關(guān)，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐方式、爐溫等，確切計(jì)算加熱時(shí)間很困難，可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：t＝a×D

（1-5）式中t——加熱時(shí)間；a——加熱系數(shù)；D——工件的有效厚度。鋼的熱處理1.理想淬火冷卻溫度

加熱到A狀態(tài)的鋼，冷卻速度必須大于臨界冷卻速度是才能獲得要求的M組織。（二）淬火冷卻介質(zhì)鋼的熱處理

理想淬火冷卻溫度如圖1-15所示，從圖中可以看出，要獲取M組織，關(guān)鍵在C曲線頂尖處，這里奧氏體最不穩(wěn)定，因此在650~550℃溫度內(nèi)要快速冷卻，而在稍低于A1點(diǎn)和稍高于Ms點(diǎn)處過(guò)奧氏體較穩(wěn)定，為了減少淬火冷卻中因工件截面內(nèi)外溫度差引起的熱應(yīng)力，冷卻速度應(yīng)緩慢些，特別是Ms點(diǎn)處，冷卻速度太大，工件體積漲大，組織應(yīng)力也增大，易引起工件變形和開(kāi)裂。鋼的熱處理（三）淬火冷卻介質(zhì)。鋼的熱處理

鋼的熱處理（四）淬火方法

常用的淬火方法有單液淬火法、雙液淬火法、馬氏體分級(jí)淬火法、貝氏體等溫淬火法。鋼的熱處理1.單液淬火法

將鋼件奧氏體化后（加熱），在單一淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫稱為單液淬火法。碳鋼一般用水冷淬火，合金鋼一般用油冷淬火。單液淬火法操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，但冷卻特性不理想，容易產(chǎn)生硬度不足或開(kāi)裂的缺陷。鋼的熱處理2.雙液淬火法

將鋼件奧氏體化后（加熱），在冷卻能力較強(qiáng)的介質(zhì)（如水或鹽水溶液）中淬冷至接近Ms線溫度后，再迅速轉(zhuǎn)移到冷卻能力較弱的介質(zhì)（如礦物油）中繼續(xù)冷卻至室溫稱為雙液淬火法。

雙液淬火法優(yōu)點(diǎn)是可減少淬火內(nèi)應(yīng)力，缺點(diǎn)是操作困難。這種淬火法主要用于易開(kāi)裂的碳素工具鋼類工件的淬火處理。鋼的熱處理3.分級(jí)淬火法

將鋼件奧氏體化后（加熱），先投入到溫度為150~260℃的硝鹽液或堿液中，稍停留2~5min，待其表面與心部的溫差減小后，再取出空冷，稱為分級(jí)淬火法。

此法可有效地避免變形和裂紋缺陷，常用于合金鋼工件或尺寸較小、形狀復(fù)雜的碳鋼工件的淬火處理。鋼的熱處理4.等溫淬火法

將鋼件奧氏體化后（加熱），投入溫度稍高于Ms線溫度的鹽液或堿液中，保溫足夠的時(shí)間，待其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后取出空冷，稱為等溫淬火法。

等溫淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，所得到的下貝氏體組織具有較高的硬度和韌性，故常用于形狀復(fù)雜，要求強(qiáng)度、韌性較好的工件的淬火處理。鋼的熱處理（五）鋼的淬透性與淬硬性

淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層的能力。淬硬層一般規(guī)定為工件表面至半馬氏體（馬氏體量占50%）之間的區(qū)域，它的深度叫作淬硬層深度。

淬火時(shí)，工件截面各處的冷卻速度是不同的，表面冷卻速度最大，中心冷卻速度最小。

若工件表面及中心的冷卻速度都大于臨界冷卻速度，則工件整個(gè)截面都會(huì)獲得馬氏體，即鋼完全淬透。若中心部分低于臨界冷卻速度，則鋼的表面得到馬氏體，心部為非馬氏體，鋼未被淬透。鋼的熱處理

鋼的淬透性與淬硬性是不同的兩個(gè)概念。淬硬性是指鋼經(jīng)淬火后所能達(dá)到的最大硬度值。鋼的淬硬性主要取決于鋼中的含碳量。

淬火時(shí)，固溶在鋼的奧氏體中的含碳量越高，淬火后鋼的硬度就越高，其淬硬性就越好。因此，淬透性好的鋼，淬硬性不一定好。反之，淬硬性好的鋼，淬透性也不一定好。鋼的熱處理六、鋼的回火

將淬火鋼重新加熱到A1點(diǎn)以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。回火是緊接淬火之后的一道熱處理工序。鋼的熱處理（一）回火的目的（1）減少或消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂。（2）提高鋼的韌性，調(diào)整鋼的強(qiáng)度和硬度。（3）穩(wěn)定組織，保證工件的形狀和尺寸不變，保證工件的精度。鋼的熱處理（二）回火時(shí)淬火鋼的組織與性能變化

共析鋼（如45鋼）淬火后為馬氏體及少量殘余奧氏體，都有向穩(wěn)定的組織（鐵素體和滲碳體兩相混合物）轉(zhuǎn)變的傾向?；鼗鹂纱龠M(jìn)這種轉(zhuǎn)變。按回火溫度的不同，其組織轉(zhuǎn)變分為以下4個(gè)階段。1.馬氏體分解2.殘余奧氏體分解3.滲碳體的形成4.滲碳體的聚集長(zhǎng)大鋼的熱處理1.馬氏體分解

當(dāng)鋼加熱到約100℃時(shí)，其內(nèi)部原子活動(dòng)能力有所增加，鋼仍保持高的硬度和耐磨性。2.殘余奧氏體分解

當(dāng)鋼加熱溫度超過(guò)200℃時(shí)，殘余奧氏體開(kāi)始分解，至300℃分解基本完成，一般轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，稱為回火的第二階段。此時(shí)，雖然馬氏體繼續(xù)分解，降低了鋼的硬度，但殘余奧氏體分解為較硬的下貝氏體，鋼的硬度降低并不顯著。鋼的熱處理3.滲碳體的形成

當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，過(guò)飽和碳逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闈B碳體，一直持續(xù)到400℃，稱為回火的第三階段。至此，鋼的內(nèi)應(yīng)力基本消除。經(jīng)第三次轉(zhuǎn)變后，鋼的組織幾乎為鐵素體和滲碳體。鋼的熱處理4.滲碳體的聚集長(zhǎng)大

在第三階段結(jié)束時(shí)，鋼內(nèi)形成細(xì)粒狀滲碳體，為均勻分布在鐵素體基體上的兩相混合物。回火溫度越高，滲碳體質(zhì)點(diǎn)越大，鋼的硬度和強(qiáng)度越低，韌性卻有較大的提高。

根據(jù)混合物中滲碳體顆粒大小，可將回火組織分為兩種：在350~500℃內(nèi)回火所得的組織，滲碳體顆粒很細(xì)小，稱為回火屈氏體；溫度升高到500~650℃時(shí)，得到的滲碳體顆粒（比回火屈氏體顆粒粗），稱為回火索氏體。鋼的熱處理（三）回火的種類及應(yīng)用低溫回火（150~250℃）得到的組織是回火馬氏體，具有高的硬度（58~64HRC）和高的耐磨性，內(nèi)應(yīng)力降低韌性提高，用于刃具、量具及要求硬而耐磨的零件的回火處理。中溫回火（350~500℃）得到的組織是回火屈氏體，彈性極限和屈服強(qiáng)度高，適當(dāng)?shù)捻g性，硬度達(dá)40~50HRC，主要用于彈性零件及熱鍛模等的回火處理。高溫回火（500~650℃）得到的組織是回火索氏體，具有良好的綜合機(jī)械性能（強(qiáng)度、塑性、韌性）。生產(chǎn)中，常把“淬火＋高溫回火”相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理。鋼的熱處理七、鋼的表面淬火

表面淬火是一種不改變鋼的化學(xué)成分，但改變表層組織的一種局部熱處理方法。

表面淬火的操作方法：快速加熱使鋼的表面奧氏體化，不等熱量傳至中心，立即淬火冷卻，這樣就可獲得表層堅(jiān)硬而耐磨的M組織，心部仍保持原來(lái)的塑性，韌性。鋼的熱處理

表面淬火工件常用于中碳鋼、中碳合金鋼的熱處理，以保證表面有較高的硬度及耐磨性，而心部有較好的韌性。

工件在表面淬火前，一般應(yīng)進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理，以改善心部的性能，并為表面淬火作好組織準(zhǔn)備。表面淬火后應(yīng)進(jìn)行低溫回火。

表面淬火方法較多，常用的有：火焰加熱表面淬火，感應(yīng)加熱表面淬火兩種。鋼的熱處理1.火焰加熱表面淬火

直接使用火焰（乙炔-氧或煤氣-氧）將工件表面快速加熱到淬火溫度，隨即噴水快速冷卻的方法，稱為火焰加熱表面淬火。淬硬層深度一般為2~6mm。

其特點(diǎn)是加熱溫度及淬硬層深度不易控制，質(zhì)量不穩(wěn)定，設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于單件或小批量生產(chǎn)的大型工件的表面淬火。鋼的熱處理2.感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火是利用專用設(shè)備使工件表面產(chǎn)生感應(yīng)電流（渦流），將工件表層迅速加熱到淬火溫度，心部溫度仍接近室溫，隨即快速冷卻，從而達(dá)到表面淬火的目的。感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理如圖1-17所示。鋼的熱處理感應(yīng)加熱表面淬火的操作方法是：

把工件放入由空心銅管繞成的感應(yīng)器（線圈）內(nèi)，當(dāng)線圈通入交變電流后，立即產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，那么在工件中就會(huì)產(chǎn)生頻率相同、方向相反的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在工件內(nèi)形成回路，稱為渦流，且電流密度在工件表面分布不均勻，表面密度大，中心密度小，在工件基本電阻的作用下，表層迅速被加熱到淬火溫度時(shí)而心部仍接近室溫，在立即噴水冷卻后，就達(dá)到表面淬火的目的。鋼的熱處理八、鋼的化學(xué)熱處理

鋼的化學(xué)熱處理是將工件置于活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中活性原子滲入工件表層