1 、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。

第四章钢的热处理 一、概述 • 1、热处理：是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。 • 为简明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线。

热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。热处理是一种重要的加工工艺，在制造业被广泛应用。在机床制造中约60-70%的零件要经过热处理。在汽车、拖拉机制造业中需热处理的零件达70-80%。至于模具、滚动轴承则要100%经过热处理。总之，重要的零件都要经过适当的热处理才能使用。

轧制铸造 2、热处理特点：热处理区别于其他加工工艺如铸造、压力加工等的特点是只通过改变工件的组织来改变性能，而不改变其形状。 3、热处理适用范围：只适用于固态下发生相变的材料，不发生固态相变的材料不能用热处理强化。

普通热处理 退火正火淬火回火表面热处理热处理表面淬火—感应加热、火焰加热、电接触加热等控制气氛热处理化学热处理—渗碳、氮化、碳氮共渗、渗其他元素等真空热处理形变热处理激光热处理其他热处理 4、根据加热、冷却方式及钢组织性能变化特点不同，将热处理工艺分类如下：

二、钢的普通热处理 • 机械零件的一般加工工艺为：毛坯（铸、锻）→预备热处理→机加工→最终热处理。 • 退火与正火工艺主要用于预备热处理，只有当工件性能要求不高时才作为最终热处理。

真空退火炉 (一)、钢的退火将钢加热至适当温度保温，然后缓慢冷却（炉冷）的热处理工艺叫做退火。 1、退火目的 ⑴ 调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HB。 ⑵ 消除内应力，防止加工中变形。 ⑶ 细化晶粒，为最终热处理作组织准备。

2、退火工艺 退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。 ⑴ 完全退火主要用于亚共析钢。加热温度 Ac3+30 ~ 50℃ 。组织：F+P

主要用于共析钢和过共析钢。 • 加热温度 Ac1+ 30-50℃ • 通过缓冷或者冷却到略低于Ar1的温度下保温，使珠光体中的渗碳体球化后出炉空冷。 (2) 球化退火球化退火是将钢中渗碳体球状化的退火工艺。

球状珠光体 球化退火的组织： • 在铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体，称球状珠光体，用P球表示。 • 对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。

加热温度略低于A1 • 保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法。 • 目的是消除内应力。 (3) 去应力退火

正火温度 (二)、正火正火是将亚共析钢加热到Ac3+30~ 50℃，共析钢加热到Ac1+30~50℃，过共析钢加热到Accm+30~ 50℃，保温后空冷的工艺。 • 正火比退火冷却速度大。 1、正火后的组织： ●<0.6%C时组织 F+S ● 0.6%C时组织 S

合适切削加工硬度 热处理与硬度关系 2、正火的目的 ⑴对于低、中碳钢(≤0.6C%)，目的与退火的相同。 ⑵对于过共析钢，用于消除网状二次渗碳体，为球化退火作组织准备。 ⑶普通件最终热处理。 • 要改善切削性能： • 低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火， • 高碳钢先通过正火消除网状渗碳体组织，再进行球化退火。

真空淬火炉 (三)、钢的淬火淬火是将钢加热到临界点以上，保温后（以大于Vk速度）快速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺。淬火是应用最广的热处理工艺之一。 • 淬火的目的：获得马氏体组织，提高钢的性能。

1、淬火温度 1）碳钢 ⑴ 亚共析钢淬火温度：Ac3+30-50℃。预备热处理组织：退火(F+P) 或正火组织(F+S或S)。

45钢(含0.45%C)正常淬火组织 65MnV钢(0.65%C) 淬火组织亚共析钢淬火组织： 0.5%C时为M 0.5%C时为M+A’。

 35钢（含0.35%C）亚温淬火组织在Ac1~ Ac3之间的加热淬火称亚温淬火。亚温淬火组织为F+M 强硬度低，但塑韧性好。

⑵ 共析钢 淬火温度 Ac1+30-50℃ 淬火组织 M+A’。

T12钢（含1.2%C）正常淬火组织 ⑶ 过共析钢淬火温度 Ac1+30-50℃ • 温度高于Accm，奥氏体晶粒粗大、淬火后马氏体晶粒粗大；M含碳量高， A’量增多。使钢硬度、耐磨性下降，脆性、变形开裂倾向增加。淬火组织为 M+颗粒状Fe3C+A’ * 预备热处理组织 P球。

2）合金钢 由于多数合金元素(Mn、P除外)对奥氏体晶粒长大有阻碍作用，因而合金钢淬火温度比碳钢高。 ⑴亚共析钢淬火温度Ac3+50－100℃ ⑵ 共析钢、过共析钢淬火温度Ac1+50－100℃

Ms Mf 理想淬火曲线示意图 2、淬火介质理想的冷却曲线应只在C曲线鼻尖处快冷，而在Ms附近尽量缓冷，以达到既获得马氏体组织，又减小内应力的目的。但目前还没有找到理想的淬火介质。 • 常用淬火介质是水和油。水的冷却能力强，但低温却能力太大，只用于形状简单的碳钢件。

油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，用于合金钢和小尺寸的碳钢件。油在低温区冷却能力较理想，但高温区冷却能力太小，用于合金钢和小尺寸的碳钢件。熔盐作为淬火介质称盐浴，冷却能力在水和油之间，用于形状复杂件的分级淬火和等温淬火。 • 其他淬火介质如聚乙烯醇、硝盐水溶液等也是工业上常用的介质。

温度 A1 MS Mf 时间均匀A 细A • 不同冷却条件下的转变产物 (共析钢) 等温退火退火 (炉冷) 正火 (空冷) ？淬火 (油冷) ？等温淬火分级淬火淬火 P (水冷) P ？ S B下 M+A’ M+A’ T+M+A’ P

钢的淬透性与淬硬性 • 淬透性：在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。其取决于钢的临界冷却速度，合金钢的淬透性比碳钢好。 • 淬硬性：钢在理想的淬火条件下，获得马氏体后所能达到的最高硬度。其取决于含碳量的高低，高碳钢的淬硬性比低碳钢好。

井式回火炉 (四)、钢的回火回火是指将淬火钢加热到A1以下的某温度保温后冷却到室温的工艺。 1、回火的目的 1）减少或消除淬火内应力，防止变形或开裂。 2）获得所需要的力学性能。淬火钢一般硬度高，脆性大，回火可调整硬度、韧性。

3）稳定尺寸。回火可使非平衡M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。3）稳定尺寸。回火可使非平衡M与A’转变为平衡或接近平衡的组织，防止使用时变形。 4）高淬透性钢的软化，这类钢空冷即可淬火，如采用回火软化既能降低硬度，又能缩短软化周期。 • 未经淬火的钢回火无意义，而淬火钢不回火在放置或使用过程中易变形或开裂。 • 钢经淬火后应立即进行回火。

2、回火的种类 1）低温回火回火温度： 150~250℃ 组织转变：从马氏体中析出细片状-碳化物；A’分解为 -碳化物和过饱和铁素体。

这种在马氏体基体上分布着细片状碳化物的组织称为回火马氏体，用M回表示。低温回火的目的是在保留淬火后高硬度、高耐磨性的同时，降低内应力，提高韧性。 • 主要用于处理各种工具、模具、轴承及经渗碳和表面淬火的工件。

回火屈氏体 2）中温回火回火温度：350-500℃ 组织转变：-碳化物溶解于铁素体中,同时从铁素体中析出Fe3C。到350℃, 马氏体中的含碳量已降到铁素体的平衡成分，内应力大量消除。 M回火转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C的组织，称为回火托氏体，用T回表示。

汽车板簧 热卷弹簧 • 回火托氏体组织具有较高的弹性极限和屈服极限，并具有一定的韧性，硬度一般为35~45HRC。 • 主要用于各类弹簧的热处理。

回火索氏体 3、高温回火回火温度：500-650℃ 组织转变：Fe3C发生聚集长大，铁素体发生多边形化。 • 这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体，用S回表示。

柴油机连杆 回火索氏体组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高的强度同时，具有良好的塑性和韧性。通常把淬火加高温回火的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。 • 调质广泛用于连杆、轴、齿轮等各种重要结构件的处理。也可作为精密零件、量具等的预备热处理。

三、表面热处理及表面工程技术 （一）、钢的表面淬火表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织的情况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以强化零件表面的热处理方法。

表面淬火目的： ①使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; ②心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

感应加热表面淬火示意图 感应加热表面淬火机床表面淬火常用加热方法 1. 感应加热：利用交变电流在工件表面感应巨大涡流，使工件表面迅速加热的方法。

传动轴连续淬火感应器 感应加热表面淬火齿轮的截面图感应加热分为： ① 高频感应加热频率为250-300KHz，淬硬层深度0.5-2mm

齿圈淬火机床 各种感应器 ② 中频感应加热频率为2500-8000Hz淬硬层深度2-10mm

感应穿透加热 各种感应器 ③ 工频感应加热频率为50Hz 淬硬层深度10-15 mm

激光表面处理 火焰加热表面淬火示意图 2.火焰加热：利用乙炔火焰直接加热工件表面的方法。成本低，但质量不易控制。 3. 激光热处理：利用高能量密度的激光对工件表面进行加热的方法。效率高，质量好。

（二）、钢的化学热处理 化学热处理是指将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织，进而改变其性能的热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还改变其化学成分。化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多元共渗、渗其他元素等。

氮化扩散层 1.化学热处理的基本过程 1）介质(渗剂)的分解：分解的同时释放出活性原子。如：渗碳 CH4→2H2+[C] 氮化 2NH3→3H2+2[N] 2）工件表面的吸收：活性原子向固溶体溶解或与钢中某些元素形成化合物。 3）原子向内部扩散。

井式气体渗碳炉 2.钢的渗碳是指向钢的表面渗入碳原子的过程。 1）渗碳目的提高工件表面硬度、耐磨性及疲劳强度，同时保持心部良好的韧性。 2）渗碳用钢为含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。

气体渗碳法示意图 3）渗碳方法 ①气体渗碳法将工件放入密封炉内，在高温渗碳气氛中渗碳。渗剂为气体(煤气、液化气等)或有机液体(煤油、甲醇等)。优点：质量好，效率高；缺点：渗层成分与深度不易控制。

真空渗碳炉 ②固体渗碳法将工件埋入渗剂中，装箱密封后在高温下加热渗碳。渗剂为木炭。优点：操作简单；缺点：渗速慢，劳动条件差。 ③真空渗碳法将工件放入真空渗碳炉中，抽真空后通入渗碳气体加热渗碳。优点：表面质量好，渗碳速度快。

低碳钢渗碳缓冷后的组织 4）渗碳温度 900-950℃。渗碳层厚度(由表面到过度层一半处的厚度)：一般为0.5-2mm。 • 渗碳层表面含碳量：以0.85-1. 05为最好。 • 渗碳缓冷后的组织: 表层为P+网状Fe3CⅡ；心部为F+P；中间为过渡区。

井式气体氮化炉 3.钢的氮化氮化是指向钢的表面渗入氮原子的过程。 1）氮化用钢为含Cr、Mo、Al、Ti、V的中碳钢。常用钢号为38CrMoAl。 2）氮化温度：500-570℃。氮化层厚度不超过0.6-0.7mm。

离子氮化炉 3）常用氮化方法气体氮化法与离子氮化法。气体氮化法与气体渗碳法类似，渗剂为氨。离子氮化法是在电场作用下，使电离的氮离子高速冲击作为阴极的工件。与气体氮化相比，氮化时间短，氮化层脆性小。

氮化层组织 38CrMoAl氮化层硬度 4、氮化的特点及应用 ⑴ 氮化件表面硬度高（HV1000-2000），耐磨性高。 ⑵ 疲劳强度高。由于表面存在压应力。

⑶工件变形小。原因是氮化温度低，氮化后不需进行热处理。 ⑷ 耐蚀性好。因为表层形成的氮化物化学稳定性高。氮化的缺点：工艺复杂，成本高，氮化层薄。用于耐磨性及精度均要求很高的零件，或要求耐热、耐磨及耐蚀的零件。如仪表的小轴、轻载齿轮及重要的曲轴等。

四、热处理新工艺简介 由于大多数的钢铁热处理是在空气中进行的，所以氧化、脱碳是热处理常见的缺陷之一。它不但造成钢铁材料的大量损耗，而且也使产品质量及使用寿命下降。据统计，在汽车制造业中，在氧化介质中热处理造成的烧损量占整个热处理零件重量的7.5%。另外，热处理过程中产生的氧化皮也需要在后序的加工中清理掉，既增加了工时又浪费了材料。目前防止氧化和脱碳的最有效方法是采用可控气氛热处理和真空热处理。一可控气氛热处理和真空热处理

1.可控气氛热处理 • 向炉内通入一种或几种一定成分的气体，通过对这些 • 气体成分的控制，使工件在热处理过程中不发生氧化和 • 脱碳，这就是可控气氛热处理。 • 一般可控气氛往往是由CO、H2、N2及微量的CO2和H2O • 与CH4等多种气体混合而成。适当调整混合气体的成分, • 可以控制气氛的性质，达到无氧化脱碳或渗碳的目的。 • 具有氧化与脱碳作用的气体，如O2、CO2和H2O等,它 • 们在高温下都会使工件表面产生强烈的氧化和脱碳,在 • 气氛中应严格控制。 • 具有还原作用的气体，如H2和CO，它们不仅能保护工 • 件在高温下不发生氧化，而且还能将已氧化的铁还原。 • 另外，CO还具有弱渗碳的作用。

1 、 热处理 ： 是指将钢在固态下加热、保温和冷却，以改变钢的组织结构，获得所需要性能的一种工艺。