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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,鋼的熱處理工藝,王德寶,馬鋼技術中心檢驗技術研究所,第一部分,鋼中各種組織和相,第三部分,鋼的退火與正火,第四部分,鋼的淬火與回火,第二部分,熱處理原理概述,第五部分 其他類型熱處理,內容概要,第一部分 鋼中各種組織和相,1.,鐵素體 強度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性，性能和純鐵幾,乎相同。,2.,珠光體 鐵素體薄層和滲碳體薄層交替重疊的層狀復相物，即鐵素,體和滲碳體機械混合物，性能其力學性能介于鐵素體與滲碳體,之間，決定于珠光體片層間距。,3.,滲碳體 冷卻轉變時析出的,Fe,3,C,型碳化物。含碳
2、量為,6.69,，其硬度很,高（相當于,HB800,），而塑性和沖擊韌性幾乎等于零，脆性極,大。形 態(tài)呈片狀、粒狀、網狀或板狀,4.,奧氏體 鋼在高溫下的組織，塑性好，強度較低，具有一定韌性，容易塑,性變形加工成型。,5.,馬氏體 碳溶于,-Fe,的過飽和的固溶體,它由奧氏體轉變而來，特點是,硬度高，強度高，比容大，沖擊韌性低。常用碳鋼的淬火，就,是將材料中部分金相結構變成馬氏體的過程,易產生淬火應力。,6.,屈氏體和索氏體 屈氏體和索氏體組織屬于珠光體類型的組織，但其組,織比珠光體組織細，鐵索體和較細的粒狀滲碳體組成的組織組,成，具有良好的綜合機械性能。,7.,貝氏體 鋼在奧氏體化后被過冷到
3、珠光體轉變溫度區(qū)間以下，馬氏體,轉變溫度區(qū)間以上這一中溫度區(qū)間轉變而成的,由鐵素體及其內,分布著彌散的碳化物所形成的 亞穩(wěn)組織,?？?分為粒狀貝氏體、,上貝氏體和下貝氏體。,第二部分,熱處理原理概述,1.,熱處理及其作用,熱處理是將鋼在固態(tài)下加熱到預定的溫度，保溫一定的時間，然后以預定的方式冷卻到室溫的一種熱加工工藝,由,加熱,、,保溫,和,冷卻,三個基本環(huán)節(jié)組成的,熱處理的作用：,改善材料工藝性能和使用性能，充分挖掘材料的潛力，延長零件的使用奉命。還可消除材料經鑄造、鍛造、焊接等熱加工造成的各種缺陷、消除偏析、降低內應力等作用。,最終熱處理：,在生產過程中，工件經切削加工等成形工藝而得到最終
4、形狀和尺寸后，再進行的賦予工件所需使用性能的熱處理稱為最終熱處理。,預備熱處理：,熱加工后，為隨后的冷拔、冷沖壓和切削加工或最終熱處理作好組織準備的熱處理，同時消除先前加工所造成的某些缺陷，稱為預備熱處理。,毛坯（鑄、煅）,預先熱處理,切削加工,最終熱處理,2,、實際加熱、冷卻條件下的臨界溫度,加熱時的臨界溫度用腳標,C,表示，,A,C1,、,A,C3,、,A,Ccm,；,冷卻時的臨界溫度用腳標,r,表示，,A,r1,、,A,r3,、,A,rcm,。,3.,鋼在加熱時的轉變,鋼的熱處理種類很多，其中除淬火后的回火，消除應力的退火等少數(shù)熱處理外，均需加熱到鋼的臨界以上，使鋼部分或全部轉變?yōu)閵W氏體
5、，然后再以適當?shù)睦鋮s速度冷卻，使奧氏體轉變?yōu)橐欢ǖ慕M織并獲得所需的性能。因此,鋼加熱的主要目的是獲得奧氏體組織。,鋼在加熱過程中，由加熱前的組織轉變?yōu)閵W氏體被稱為鋼的加熱轉變或奧氏體化過程。由加熱轉變所得的奧氏體組織狀態(tài)，其中包括奧氏體晶粒的大小、形狀、空間取向、亞結構、成分及其均勻性等，均將直接影響在隨后的冷卻過程中所發(fā)生的轉變及轉變所得產物和性能。,4.,鋼在冷卻時的轉變,（,1,）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，等溫一段時間，,使,A,發(fā)生轉變，然后再冷卻到室溫。,（,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，
6、水冷）,連續(xù)冷卻到室溫。,4.1,等溫轉變（等溫冷卻）,等溫轉變,高溫轉變 又稱珠光體型轉變（,A1,550,），由于奧氏體向珠光體轉變溫度不同，珠光體中鐵素體及滲碳體片厚度不同，分為三種：珠光體、索氏體、屈氏體。三者均屬于珠光體型組織，三者并無本質差別，只是片層厚度不同。,中溫轉變 又稱貝氏體轉變（,550,MS,），由于奧氏體向貝氏體轉變溫度不同，可分為上貝氏體和下貝氏體。,低溫轉變 又稱馬氏體轉變，馬氏體實質為,碳在,-Fe,中的過飽和固溶體。屬于非擴散行轉變。,共析碳鋼,TTT,曲線的分析,穩(wěn)定的奧氏體區(qū),過冷奧氏體區(qū),A,向產,物轉變開始線,A,向產物,轉變終止線,A,+,產,物,區(qū)
7、,產物區(qū),A,1,550,;,高溫轉變區(qū),;,擴散型轉變,;P,轉變區(qū)。,550,230,;,中溫轉變,區(qū),;,半擴散型轉變,;,貝氏體,( B ),轉變區(qū),;,230,- 50,;,低溫轉,變區(qū),;,非擴散型轉變,;,馬氏體,( M ),轉變區(qū)。,時間,(s),300,10,2,10,3,10,4,10,1,0,800,-100,100,200,500,600,700,溫度,(),0,400,A,1,Ms,M,f,4.2,連續(xù)轉變（連續(xù)冷卻）,在實際生產中，如一般的退火、正火、淬火等，過冷奧氏體的轉變大多數(shù)在,連續(xù)冷卻過程中完成的。,特點,（,1,）奧氏體轉變在一定的溫度范圍內進行的，,因此
8、轉變產物可能不完全一致。,（,2,）孕育期變長。,（,3,）等溫轉變圖的上半部分，沒有下半部分，,即連續(xù)冷卻轉變不形成單一貝氏體組織。,等溫轉變曲線是研究同一溫度下組織的變化，而連續(xù)冷卻轉變曲線可以定性和定量顯示出不同冷卻速度下所獲得的金相組織的變化。這對于制定大件的熱處理工藝有著重要的作用，,退火,是將鋼加熱到一定溫度并保溫一定時間以后，以,緩慢,的速度,(,爐冷）冷卻下來，使之獲得達到或接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。,1.,退火,第三部分 鋼的退火與正火,退火目的,:,調整硬度，便于切削加工。適合加工的硬度為,170-250HB,。, 消除內應力和加工硬化，防止加工中變形。, 均勻組織、細
9、化晶粒，為最終熱處理（淬火）作組織準備。,(4),對一些受力不大、性能要求不高的機器零件，可作為最終熱處理,完全退火,2.,等溫退火,3.,不完全退火,4.,擴散退火,5.,球化退火,退火工藝的分類,:,（,1,）完全退火,AC,3,以上,20-30,，適用于亞共析鋼。,其目的是,細化晶粒，在批量生產中使零件的原始組織均一。,消除內應力、降低硬度以改善切削加工性能。,過共析鋼不適于完全退火！,不完全退火主要適用于中、高碳鋼和低合金鋼鍛軋件等，其目的是消除內應力和降低硬度，加熱溫度為,Ac1+(40,60),，保溫后緩慢冷卻。,（,2,）,不完全退火,不完全退火是將鐵碳合金加熱到,Ac1,Ac3
10、,或,Ac1,Acm,之間溫度，達到不完全奧氏體化，即得到奧氏體加未溶碳化物或鐵素體，隨之緩慢冷卻的退火工藝。,（,3,）等溫退火,等溫退火的加熱工藝與完全退火相同。,“,等溫,”,的含義是，以較快的速度冷卻到,Ar1,以下某一溫度，保溫一定時間使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w組織，然后空冷。即發(fā)生珠光體轉變時是在,Ar,1,以下珠光體轉變區(qū)間的某一溫度等溫進行。等溫退火能有效縮短退火時間，提高生產效率并能獲得均勻的組織和性能。,（,4,）,球化退火,球化退火主要用于過共析鋼和合金工具鋼。,這些鋼經軋制、鍛造后空冷，所得組織是片層狀,珠光體,與網狀,滲碳,體，這種組織硬而脆，不僅難以切削加工，且在以后,淬
11、火,過程中,也容易變形和開裂。球化退火,的目的是降低硬度、均勻組織、改善切削性能，為淬火作組織準備。獲得粒狀珠光體。球化退火的加熱溫度一般為,Ac,1,以上,20,30,。,（,5,）均勻化退火（擴散退火）,目的,:,消除化學成分不均勻現(xiàn)象,擴散退火的特點,:,加熱溫度高（一般在,Ac,3,或,Ac,cm,以上,150,300,），保溫時間長（,10h,以上）。因此，擴散退火后鋼的晶粒粗大，需要進行一次正常的完全退火或正火處理。,（,6,）去應力退火,一般是將工件隨爐緩慢加熱至,500,650,，低于,Ac1,溫度，整個過程不發(fā)生相變，經一段時間保溫后隨爐緩慢冷卻至,300,200,以下出爐。
12、,主要用來消除因變形加工及鑄造、焊接過程中引起的殘余內應力，以提高工件的尺寸穩(wěn)定性，防止變形和開裂。,（,7,）再結晶退火,冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上，保持適當?shù)臅r間，使變形晶粒重新轉變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，這種熱處理工藝稱為再結晶退火。,其目的是消除加工硬化、提高塑性、改善切削加工及成形性能。一般鋼材的再結晶退火溫度為,650-700,。,2.,正火,將鋼加熱到,A,c3,(,或,ACcm,),以上,30,50,，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱 處理工藝稱為,正火,。由于正火將鋼加熱到完全奧氏體化狀態(tài)，使鋼中原始組織的缺陷基本消除，然后再控制以適當?shù)睦鋮s速度，所以,故珠光體的片層
13、間距較小，,正火得到以索氏體為主的組織。,正火與退火,兩者的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，故正火鋼組織比較細，它的強度、硬度比退火鋼高。,正火的應用,1,、改善低碳鋼的切削加工性能；,2,、消除中碳鋼的熱加工缺陷；,3,、消除過共析鋼的網狀碳化物，便于 球化退火；,4,、提高普通結構件的力學性能。,3,、退火和正火的選用,退火或正火工藝的選擇應當根據(jù)鋼種，冷、熱加工工藝，零件的使用性能和經濟性綜合考慮,1,、,C%,0.25%,低碳鋼通常采用正火替代退火,2,、,c,=0.25% 0.5%,的中碳鋼也可用正火,代替退火,4,、,c,=0.75%,以上的高碳鋼或工具鋼一般采,用球化退
14、火作為預備熱處理。若有網狀,二次滲碳體存在，則應進行正火消除。,3,、,c,=0.5% 0.75%,的鋼采用完全退火,隨著鋼中,碳,和,合金元,素,增加，過冷奧氏體穩(wěn)定性增加，因此，正火后硬度高，不利于切削加工，應采用完全退火。,對于,合金元素,特別高的鋼，應采用高溫回火來消除應力，降低硬度，改善切削加工性能。,另外，從使用性能的角度，若零件的受力不大，性能要求不高，不必進行淬火或回火，正火（最終熱處理）即可提高鋼的力學性能。,從經濟性原則考慮，正火的生產周期短，操作簡單，工藝成本低，在滿足使用和工藝性能的前提下，應盡可能,用正火代替退火,。,第四部分,鋼的淬火與回火,1,、淬火,大部分機器零
15、件的最終熱處理都是淬火和回火，因為只有通過淬火和隨后的回火 ，才能使零件具備它們必要的使用性能。將鋼,加熱,到,Ac,1,或,Ac,3,以上，,保溫,一定時間，然后,快速（大于臨界冷卻速度）冷卻,以獲得馬氏體（下貝氏體）組織的熱處理工藝稱為,淬火,。,目的,是使過冷奧氏體進行馬氏體,(,或下貝氏體,),型轉變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，獲得所需的力學性能。,2.,淬火應力,淬火后工件的形狀，尺寸都會發(fā)生變化，有的甚至產生淬火裂紋,-,淬火應力，包括組織應力和熱應力。,當它超過材料的屈服強度時，便引起工件的變形，超過材料的強度極限時就會使工件開裂,3.,淬火加熱溫度,淬
16、火加熱溫度的選擇應以,得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則,，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織。亞共析鋼的淬火加熱溫度通常為,Ac,3,以上,30,50,；過共析鋼的淬火加熱溫度通常為,Ac,1,以上,30,50,。,4.,淬火冷卻介質,常用的淬火冷卻介質是水和油。水主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油一般用作合金鋼的淬火冷卻介質。,為了減少零件淬火時的變形，鹽浴也常用作淬火介質，主要用于分級淬火和等溫淬火。,5.,淬火方法,為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質再配以各種冷卻方法才能解決。通常的,淬火方法,包括單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖所示
17、。,單液淬火：,在一種冷卻劑中淬火的方法,；,雙液淬火： 在兩種冷卻劑中,淬火,的方法。,分級淬火：,將工件從淬火溫度直接冷卻到,M,點以上某一溫,度，經適當時間的保溫，然后取出空冷或油冷，,以獲得馬氏體。,等溫淬火：,是將工件自加熱爐中取出，在淬火需要溫度的鹽,浴或油浴中淬火，并使其等溫轉變?yōu)樗枰慕M,織。,6.,鋼的淬透性,鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）來表示。,淬透性定義,:,淬透性和淬硬性的區(qū)別,:,淬硬性：,指鋼在理想條件下淬火得到,馬氏體,后所能達到的最,高硬度，它取決于馬氏體中碳的含量。,淬透性：,指鋼在
18、淬火時獲得淬硬深度,(,馬氏體）的能力，,是鋼本身固有的屬性。淬透性采用淬硬深度來表,示：,淬硬深度：,從淬硬的工件表面至,50%,馬氏體組織的垂直距,離定為淬硬深度。淬透性越好，淬火獲得的淬硬,深度越大。,鋼的淬透性用,JHRC-d,表示，其中,d,表示淬透性曲線上測試點至水冷端的距離（,mm,）,HRC,為該處的硬度值。,J,表示末端淬透性,淬透性可用,“,末端淬火法,”,測定。,-GB227,生產中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火直徑，是指圓棒試樣在某介質中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用,D,o,表示。在相同冷卻條件下，,D,o,越大，鋼
19、的淬透性越好。,鋼的,淬硬性,是指淬火后馬氏體所能達到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。,二、回火,將,淬火后,的鋼件加熱到,Ac,1,以下某一溫度，保溫一定時間后冷卻至室溫的熱處理工藝叫,回火,。,淬火鋼件經回火可以減少或消除淬火應力，穩(wěn)定組織，提高鋼的塑性和韌性，從而使鋼的強度、硬度和塑性、韌性得到適當配合，以滿足不同工件的性能要求。,1.,低溫回火,低溫回火的溫度范圍在,150,250,之間?；鼗鸬哪康氖墙档蛻痛嘈?，獲得,回火馬氏體組織,，使鋼具有高的硬度、強度和耐磨性。低溫回火一般用來處理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滾動軸承和滲碳件等。,2.,中溫回火,回火
20、溫度范圍為,350,500,之間，回火后的組織為,回火屈氏體,。中溫回火后具有高的彈性極限，所以主要用于各種彈簧件。,3.,高溫回火,回火溫度范圍為,500,650,之間，,得到回火索氏體組織。,高溫回火使工件的強度、塑性、韌性有較好地配合，即具有高的綜合力學性能。一般把淬火加高溫回火的熱處理稱為,“,調質處理,”,。適用于中碳結構鋼制作的曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機半軸、機床主軸及齒輪等重要機器零件。,廣泛用于各種結構件如軸、齒輪等熱處理。也可作為要求較高精密件、量具等預備熱處理。,適用于各種高碳鋼、滲碳件及表面淬火件。,應用,獲得良好的綜合力學性能，即在保持較高的強度同時，具有良好的塑
21、性和韌性。,提高,e,及,s,，同時使工件具有一定韌性 。,在保留高硬度、高耐磨性的同時，降低內應力。,回火目的,S,回,T,回,M,回,回火組織,500-650,350-500,150-250,回火溫度,高溫回火,中溫回火,低溫回火,適用于,彈簧熱處理,三,.,淬火加熱缺陷及防止,1.,過熱,2.,過燒,3.,氧化,4.,脫碳,由于加熱溫度過高或時間過長造成奧氏體晶粒粗大的缺陷,淬火加熱溫度太高造成,奧氏體晶界出現(xiàn)局部熔化或發(fā)生氧化的現(xiàn)象,淬火加熱時工件與周圍的氧等發(fā)生的化學反應,淬火加熱時，鋼中的碳與空氣中的氧等發(fā)生反應生成含碳氣體逸出,第五部分 其他類型熱處理,鋼的表面熱處理,化學熱處理
22、,形變熱處理,（一）,鋼的表面淬火,表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。,（火焰表面淬火）,感應加熱是利用電磁感應原理。,感應加熱表面淬火,的特點：,淬火溫度高于一般淬火溫度。,淬火后獲得非常細小的隱晶馬氏體組織，表層硬度比普通淬火高,2,3HRC,。,表層存在很大的殘余壓應力。,無氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小。,易于實現(xiàn)機械化與自動化。感應加熱淬火后，為了減小淬火應力和降低脆性，需進行,170,200,低溫回火。,（二）,鋼的化學熱處理,化學熱處理是將鋼件置于一定溫度的活性介質中保溫，使介質中的一種或幾種元素原
23、子滲入工件表面，以改變鋼件表層化學成分和組織，進而達到改進表面性能，滿足技術要求的熱處理工藝?；具^程：化學介質的分解；活性原子被鋼件表面吸收和溶解；原子由表面向內部擴散，形成一定的擴散層。,1,鋼的滲碳,將鋼放入滲碳的介質中加熱并保溫，使活性碳原子滲入鋼的表層的工藝稱為滲碳。其目的是通過滲碳及隨后的淬火和低溫回火，使表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲勞性能，而心部具有一定的強度和良好的韌性配合。,（,1,）滲碳方法 滲碳方法有氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳。目前廣泛應用的是氣體滲碳法。,（,2,）滲碳后的組織,常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如,20,、,20Cr,、,20CrMnTi,、,1
24、2CrNi3,等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體,+,碳化物）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體,+,鐵素體）的過渡區(qū)，直至心部的原始組織。,（,3,）滲碳后的熱處理,滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。,與滲碳相比，滲氮溫度低且滲氮后不再進行熱處理，所以工件變形小，氮化溫度較低，表面具有更高的硬度、耐磨性和抗蝕性。,為了提高滲碳工件的心部強韌性，需要在滲氮前對工件進行調質處理。,2,鋼的滲氮,滲氮俗稱,氮化,，是指在一定溫度下使活性氮原子滲入工件表面的熱處理工藝。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性等。常用的滲氮方法有氣體滲氮、,離子滲氮,、氮碳共滲（軟氮化）等。生產中應用較多的是氣體滲氮。,3,鋼的碳氮共滲,碳氮共滲是同時向鋼件表面滲入碳和氮原子的化學熱處理工藝，也俗稱為氰化。碳氮共滲零件的性能介于滲碳與滲氮零件之間。,（三）,鋼的形變熱處理,是把塑性變形（鍛、軋等）和熱處理工藝緊密結合起來的一種熱處理方法。,由于它可以使鋼同時受到形變強化和相變強化，因此可以大大提高鋼的綜合力學性能，另外，它還能大大簡化鋼件生產流程，節(jié)省能源，因而受到愈來愈廣泛的重視，提高鋼的強韌性的重要手段之一。,形變熱處理,謝謝！,
鋼的熱處理工藝
