第四章金屬材料熱處理

第四章金屬材料熱處理

4.1熱處理概念、意義及分類一.熱處理概念熱處理是將金屬材料在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，通過改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，來改變其性能的工藝二.熱處理意義同一種鋼經(jīng)不同熱處理工藝可獲不同性能，以滿足不同用途101三.熱處理分類

1.按在工藝路線中的工序位置分零件工藝流程：下料→毛坯成形(鍛造)→預(yù)備熱處理→粗加工→最終熱處理→精加工→裝配預(yù)備熱處理：改善加工工藝性，為后續(xù)工序作好組織性能準(zhǔn)備最終熱處理：提高使用性能，延長使用壽命2.按熱處理的目的要求和工藝方法分普通熱處理：退火、正火、淬火、回火表面熱處理：表面淬火、化學(xué)熱處理其它熱處理：形變熱處理、超細(xì)化熱處理1024.2退火與正火

通常作為預(yù)備熱處理，用于鑄、鍛、軋、焊后的毛坯件對于不重要或受力小的零件，也可作為最終熱處理一.退火加熱至預(yù)定溫度保溫后緩慢冷卻(爐冷）

103

(一)完全退火亞共析鋼,完全A化后緩冷，獲接近平衡組織加熱:Ac3以上30-50℃冷卻:爐冷

目的：(1)降低硬度，改善切削加工性(2)消除殘余應(yīng)力(3)均勻細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能104

(二)球化退火用于共、過共析鋼，使碳化物球化加熱:Ac1以上10～30℃冷卻:爐冷目的：(1)降低硬度，改善切削加工性(2)提高塑性，減少淬火變形開裂

為保證球化質(zhì)量，對網(wǎng)狀滲碳體嚴(yán)重的鋼，應(yīng)在球化退火前先進(jìn)行正火消除網(wǎng)狀滲碳體105(三)去應(yīng)力退火緩慢加熱至500～650℃保溫后爐冷目的:消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定工件尺寸形狀，減小變形和開裂傾向

無組織變化106二.正火

鋼加熱完全A化后，在空氣中冷卻加熱:Ac3或Accm冷卻:空冷以上30～50℃

107正火的力學(xué)性能優(yōu)于退火。另外,正火較退火生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)率高，操作簡單，成本低目的與應(yīng)用:1.0.15～0.25%C鋼改善切削加工性能2.0.3～0.5%C鋼:優(yōu)選正火,簡化工藝3.≥1.0%C鋼:消除網(wǎng)狀Fe3CⅡ，保證球退質(zhì)量4.普通結(jié)構(gòu)零件：作為最終熱處理

1084.3鋼的淬火將鋼加熱至Ac1或Ac3以上保溫后，在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻，以獲得M或B下的工藝目的：提高鋼的強(qiáng)度、硬度(強(qiáng)化)一.淬火加熱溫度和時間淬火加熱的目的是為了獲得均勻、細(xì)小的A晶粒，是保證淬火質(zhì)量的前提(一)加熱溫度是淬火加熱的關(guān)鍵(根據(jù)狀態(tài)圖確定)1091.亞共析鋼

Ac3以上30-50℃獲均勻細(xì)小A，淬火后獲均勻細(xì)小M溫度過高：晶粒粗大，變形大溫度過低(<AC3)：組織中存在F，降低淬火鋼件的強(qiáng)度和硬度

1102.過共析鋼Ac1以上30-50℃獲均勻細(xì)小A+未溶粒狀Fe3C，淬火后獲均勻細(xì)小M+未溶粒狀Fe3C，利于提高硬度、耐磨性溫度過高：(1)晶粒粗大，脆，變形開裂大(2)未溶Fe3C量減少，淬火后A殘量增加，鋼的硬度、耐磨性下降111(二)加熱時間

包括升溫時間和保溫時間要求：1.保證完成組織轉(zhuǎn)變，以防出現(xiàn)淬不硬或軟點(diǎn)2.防止氧化、脫碳、晶粒粗大要合理，不宜過短或過長二.淬火冷卻介質(zhì)和方法

淬火冷卻的目的是獲得M或B下組織，是保證淬火質(zhì)量的關(guān)鍵淬火冷卻的關(guān)鍵是冷卻速度(根據(jù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線—C曲線)112

對淬火冷卻速度的要求：1.保證A充分轉(zhuǎn)變?yōu)镸或B下—冷卻速度>Vk2.避免產(chǎn)生很大的淬火內(nèi)應(yīng)力，以減小變形、防止開裂—冷卻速度不宜過快理想冷卻速度：通過采用不同的冷卻介質(zhì)和冷卻方法獲得113(一)淬火介質(zhì)

使零件獲得某種冷卻速度的介質(zhì)，即具有一定冷卻能力的介質(zhì)(二)淬火方法1.單介質(zhì)淬火2.雙介質(zhì)淬火1143.馬氏體分級淬火分級主要起均溫作用，M在隨后的空冷中轉(zhuǎn)變4.下貝氏體等溫淬火B(yǎng)下在等溫過程中轉(zhuǎn)變，≥0.5%C鋼,B下的綜合性能優(yōu)于M，具較高強(qiáng)度、硬度和韌性5.冷處理盡量減少鋼中殘余A，獲得盡可能多M，以提高鋼的硬度和耐磨性，并穩(wěn)定工件尺寸1154.4鋼的表面淬火一.概述

承受彎、扭交變載荷及沖擊載荷并在摩擦條件下工作的零件，要求表面具有較高強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度，而心部具有足夠塑性和韌性(一)特點(diǎn)僅對工件表層淬火(心部不變)工藝關(guān)鍵：快速加熱表層，立即迅速冷卻實(shí)施結(jié)果：表層獲M，心部為表淬前組織，實(shí)現(xiàn)“外較硬、心較韌”狀態(tài)116(二)適用材料

0.4～0.5%C鋼C%量過高：淬硬表層脆、易開裂，心部塑、韌性也較差C%量過低：淬硬表層硬度、耐磨性不足、心部強(qiáng)度也較低(三)表淬前后熱處理1.表淬前調(diào)質(zhì)或正火，提高心部強(qiáng)韌性2.表淬后低溫回火，減小表層脆性與內(nèi)應(yīng)力117(四)最終組織和性能1.最終組織表層為M回心部S回(調(diào)質(zhì))或S+F(正火)2.最終性能

表層較高硬度(40～55HRC)、耐磨性、疲勞強(qiáng)度心部良好綜合力學(xué)性能118二.感應(yīng)加熱表面淬火

(一)基本原理電磁感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)，使工件表層產(chǎn)生熱效應(yīng)而迅速加熱成A，再迅速噴水冷卻淬火成M，心部不變

淬硬層深度:＝(500～600/f

電流頻率愈高，淬硬層愈薄

119(二)分類1.高頻感應(yīng)加熱200～300KHz，淬硬層深0.5～2mm小型軸、中小模數(shù)齒輪2.中頻感應(yīng)加熱2500Hz～8000Hz，淬硬層深2～10mm大模數(shù)齒輪、較大凸輪軸、曲軸3.工頻感應(yīng)加熱50Hz，淬硬層深10～15mm軋輥、大型工模具等大尺寸零件120(三)特點(diǎn)

1.優(yōu)點(diǎn)(1)速度快，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)過程易控制(2)晶粒細(xì)，硬度高、脆性低(3)工件表面質(zhì)量好，變形小，氧化脫碳少(4)表面壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度高(5)適于大批量生產(chǎn)2.不足(1)淬火硬度受鋼含C量限制(2)復(fù)雜件淬硬層難以沿輪廓均布(3)設(shè)備貴,不宜單件生產(chǎn)121三.火焰加熱表面淬火

用乙炔—氧等可燃?xì)怏w火焰加熱工件表面A化立即噴水冷卻淬硬深度一般為2～8mm，除用于中碳鋼外，還可用于鑄鐵適于單件、小批量處理大型件、復(fù)雜形狀件或局部表面的表面淬火不足是淬火質(zhì)量不穩(wěn)定1224.5鋼的回火一.回火目的回火是將淬火鋼重新加熱到A1以下溫度，保溫后冷至室溫的熱處理工藝

零件淬火后必須回火才能使用，且應(yīng)及時回火(1)降低脆性，減小或消除淬火內(nèi)應(yīng)力(2)獲得強(qiáng)、硬、塑、韌不同匹配的性能(3)穩(wěn)定組織性能與形狀尺寸123二.回火組織轉(zhuǎn)變鋼件淬火后在回火加熱保溫過程中，組織由不穩(wěn)定穩(wěn)定決定組織轉(zhuǎn)變程度的關(guān)鍵是回火加熱溫度12458～64HRC35～45HRC25～35HRC大都合金元素會減緩回火轉(zhuǎn)變過程，使轉(zhuǎn)變溫度提高三.回火性能變化

回火溫度升高，強(qiáng)、硬度降低，

塑、韌性升高，300～400℃最大合金元素會減緩回火時的硬度降低過程S回、T回的屈服強(qiáng)度、塑性、韌性均優(yōu)于A直接分解組織S、T原因：S回、T回中Fe3C為粒狀,S、T中Fe3C為片狀125四.回火工藝及應(yīng)用分類應(yīng)用回火后的組織與性能取決于回火溫度，所以回火工藝的關(guān)鍵是回火加熱溫度在不同溫度回火，具不同的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性的配合126

回火最終決定了淬火零件使用態(tài)的組織和性能

淬火+高溫回火合稱調(diào)質(zhì)127五.回火脆性

指淬火鋼在某些條件下回火時沖擊韌性反而顯著下降(脆化)的現(xiàn)象(一)第一類回火脆性淬火鋼在300℃左右回火時，沖擊韌性明顯下降又稱不可逆回火脆性或低溫回火脆性避免在該溫度范圍回火128(二)第二類回火脆性含Cr、Ni、Mn的鋼淬火后在500～650℃回火后緩冷，沖擊韌性明顯下降又稱可逆回火脆性或高溫回火脆性避免產(chǎn)生的方法：(1)回火后快冷(2)鋼中加W、Mo(3)提高鋼的純潔度1294.6鋼的淬透性一.淬透性概念及影響因素(一)淬透性概念鋼淬火時獲得M的能力用規(guī)定淬火條件下獲得的淬硬層深度表示

淬硬層深，淬透性大實(shí)際規(guī)定淬硬層指:從工件表面至半M區(qū)的垂直距離半M區(qū)硬度取決于含碳量130(二)淬透性的影響因素

主要是鋼的Vk，Vk愈小，淬透性愈好

1.碳素鋼中，共析鋼淬透性最好

2.合金鋼淬透性顯著優(yōu)于碳素鋼

淬透性主要取決于合金元素131(三)淬透性與淬硬層深度、淬硬性間的區(qū)別

1.淬透性是鋼材本身固有的性能，主要取決于鋼的Vk，不受工藝條件的影響。它用規(guī)定工藝條件下的淬硬層深度表示2.淬透層深度實(shí)際工件淬火時獲得的淬硬層深度(1)取決于鋼的淬透性(2)與工藝條件有關(guān)132133

3.淬硬性淬火后能獲得的最高硬度，主要取決于M含碳量，含碳量愈高，淬硬性愈高(1)淬硬性不等于實(shí)際淬火硬度(2)淬透性好并非淬硬性高二.淬透性的測試方法(一)臨界直徑法鋼在冷卻介質(zhì)中完全淬透的最大直徑D0(二)端淬試驗(yàn)法134

鋼的淬透性值用表示

如:40Cr鋼淬透性,45鋼淬透性135三.淬透性與選材的關(guān)系(一)淬透性對選材的意義1.淬透性好，可采用較小冷速,變形小2.淬透性好，淬硬層厚，力學(xué)性能好136淬硬層深度相同工件尺寸冷卻介質(zhì)相同淬硬層相對愈深，整體力學(xué)性能愈高注意:淬透性不等于實(shí)際淬硬層深度(二)如何根據(jù)淬透性選材1.合理確定鋼的淬透性要求

(1)整個截面均勻受載的重要零件(連桿、鍛模、錘桿等)，應(yīng)選淬透性高的鋼(2)彈簧類零件要求高屈強(qiáng)比，刃具類工件要求均勻高強(qiáng)度高硬度，應(yīng)選淬透性高的鋼(3)承受彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的零件(汽車半軸、機(jī)車主軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、齒輪等)，可選淬透性較低的鋼1372.必須考慮工件的尺寸效應(yīng)熱處理強(qiáng)化效果隨零件尺寸增大而下降淬透性好的鋼，尺寸效應(yīng)不明顯對要求淬透深度大的大截面工件，必須選用高淬透性材料3.應(yīng)考慮工件的形狀與精度

形狀復(fù)雜或精度要求高的工件，應(yīng)選高淬透性鋼材，以減緩淬火冷卻速度1384.7鋼的化學(xué)熱處理

一.概述(一)工藝工件置于特定化學(xué)活性介質(zhì)中加熱、保溫，活性原子滲入工件表層，改變表層成分、組織與性能(二)特點(diǎn)1.表層成分變化，性能提高幅度大2.滲層沿工件輪廓均布3.工藝復(fù)雜、周期長、成本高(三)目的1.提高工件表層硬度與耐磨性2.獲特殊性能(耐蝕、耐熱等)139滲碳齒輪二.滲碳

低碳鋼置于滲碳介質(zhì)中加熱(900～950℃)保溫,活性C原子滲入表層,獲高碳滲層僅改變表層C量(心部C量不變)(一)滲碳方法按滲碳介質(zhì)的工作狀態(tài)分:★1.氣體滲碳(采用煤油、煤氣、液化氣等);2.液體滲碳;3.固體滲碳(二)滲碳質(zhì)量保證1.滲碳件原材料含碳量最宜0.1～0.25%C鋼，一般≯0.3%C過高，心部韌性降低;過低，心部強(qiáng)度降低140

2.滲碳后表面含碳量0.85～1.05%最宜過低：硬度低，耐磨性差過高：脆，滲層易剝落,淬后A殘多，性能差3.滲碳層深度滲碳表面到過渡區(qū)一半組織處的厚度滲層深度:一般0.5～2.5mm太?。耗湍バ圆?，且易引起剝落太厚：抗沖擊性能低一般，尺寸大，承受載荷大，磨損大的零件，滲碳層厚些1411424.不需要滲碳部位的處理(1)滲碳前鍍銅(2)預(yù)留加工余量，滲碳后、淬火前切除滲碳質(zhì)量主要取決于滲碳?xì)夥?、加熱溫度、保溫時間等工藝參數(shù)(三)滲后熱處理及其組織與性能

滲碳僅改變表層含C量，組織性能不理想1.滲后熱處理淬火+低溫回火2.處理后表層組織M回+C化物(Fe3C)3.處理后表層性能高硬度(58～64HRC)、高耐磨性(四)應(yīng)用滲碳熱處理件較表淬件的表面更硬更耐磨，心部更韌更耐沖擊,用于承受磨損與沖擊大的工件，如汽車主軸、汽車變速齒輪等,但滲碳件變形較大，熱硬性較低143三.滲氮

工件置于滲N介質(zhì)中加熱(550～570℃)保溫，活性N原子滲入表層，獲滲N層(一)滲氮工藝廣泛應(yīng)用氣體滲氮(采用氨氣)溫度低，時間長，滲層薄(二)滲氮用鋼工件滲氮后的性能主要取決于表面形成的氮化物，故滲氮用鋼采用含氮化物形成元素如Cr、Al、Mo、Ti、V等的合金鋼如38CrMoAl是典型的合金滲氮鋼144(三)滲氮前熱處理

調(diào)質(zhì)(或正火)，保證心部強(qiáng)韌性,并保證滲氮層質(zhì)量表層性能在滲后獲得，故滲后無需熱處理(四)滲氮件性能與應(yīng)用1.性能表層—高硬度(850～1000HV)高耐磨性,高熱硬性(600℃)高耐蝕性,高疲勞強(qiáng)度心部—具良好綜合機(jī)械性能工件變形小、精度高1452.不足(1)N化層薄(<0.6～0.7mm)而脆，抗壓強(qiáng)度低，不耐沖擊,(2)生產(chǎn)周期長，成本高3.應(yīng)用

用于要求高硬度、高耐磨性和高精度零件，如高精度機(jī)床主軸、鏜床鏜桿、高精度齒輪、精密量具和汽輪機(jī)閥門146四.碳氮共滲

在一定溫度下同時滲入C、N元素的化學(xué)熱處理工藝(一)中溫碳氮共滲1.共滲工藝在820～860℃進(jìn)行以滲C為主的C、N共滲(采用煤油和氨氣)2.共滲特點(diǎn)兼具滲C、滲N特點(diǎn)(1)共滲溫度較滲碳低(2)共滲速度快、時間短，生產(chǎn)率高

147(3)零件變形較滲碳小(4)共滲后經(jīng)淬火、低溫回火處理，表層為含N回火M，硬度較滲C高，達(dá)60～65HRC，耐磨性提高，且疲勞強(qiáng)度、耐蝕性較好(5)滲層較滲碳薄,通常<1mm)3.共滲應(yīng)用常用來代替滲碳處理，用于處理汽車、機(jī)床齒輪、凸輪、蝸桿、活塞銷等零件(二)低溫氮碳共滲1.共滲工藝在500～570℃對零件表面進(jìn)行以滲N為主的N、C共滲(采用尿素)，又稱軟氮化1482.共滲特點(diǎn)

(1)處理時間短,一般1～3h，零件變形很小(2)滲層脆性較低,不易剝落(3)不受鋼種限制，碳素鋼、合金鋼、刃具、模具、鑄鐵等均可(4)滲層很薄，僅0.01～0.02mm(5)滲層硬度較滲N低，但仍具較高耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗咬合和抗擦傷能力3.共滲應(yīng)用常用來代替滲氮處理1494.8熱處理件結(jié)構(gòu)