金屬材料與加工工藝第六章-

1、主編：許媛金屬材料金屬材料與加工工藝與加工工藝第六章 鋼的熱處理6.1 熱處理的基本原則6.2 鋼的退火與正火6.3 鋼的淬火6.4 鋼的回火6.5 鋼的表面淬火6.6 鋼的化學(xué)熱處理6.7 熱處理的技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)工藝性鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，從而獲得所需要性能的一種工藝方法。熱處理的目的是顯著提高鋼的力學(xué)性能，發(fā)揮鋼材的潛力，提高工件的使用性能和壽命。還可以作為消除毛坯（如鑄件、鍛件等）中缺陷，改善其工藝性能，為后續(xù)工序作組織準(zhǔn)備。鋼的熱處理種類很多，根據(jù)加熱和冷卻方法不同，大致分類如下：6.1 熱處理基本原理6.1.1鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變在Fe-F

2、e3C相圖中，共析鋼加熱超過PSK線（A1）時，其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。亞共析鋼和過共析鋼必須加熱到GS線（A3）和ES線（Acm）以上才能全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體。加熱(冷卻)時Fe-Fe3C相圖中各臨界點(diǎn)的位置1、奧氏體的形成2、奧氏體晶粒的長大及影響因素珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變過程示意圖奧氏體晶粒長大傾向示意圖6.1.2 鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變冷卻過程是熱處理的關(guān)鍵工序，它決定著鋼熱處理后的組織與性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼的熱處理工藝有兩種冷卻方式，如圖6-5所示，一種是等溫冷卻，另一種是連續(xù)冷卻。熱處理工藝曲線示意圖等溫冷卻：將加熱到奧氏體的鋼迅速冷卻到臨界溫度以下的某一溫度保溫，進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，然后再冷到

3、室溫，如等溫退火、等溫淬火等。 連續(xù)冷卻：將加熱到奧氏體的鋼，在溫度連續(xù)下降的過程中發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，如水冷、空冷、爐冷等。 1、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線 2、過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織及性能 6.1.3 等溫轉(zhuǎn)變曲線在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用 將連續(xù)冷卻時的冷卻速度線畫在等溫曲線圖上，根據(jù)冷卻速度線和等溫曲線相交位置，大致可估計出產(chǎn)物可能得到的組織和性能，對制定熱處理工藝有重要意義。圖6-11為共析鋼等溫轉(zhuǎn)變曲線圖，參照此圖能估計連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變的情況。6.2 鋼的退火與正火常用熱處理工藝可分為兩類：預(yù)先熱處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理是消除坯料、半成品中的某些缺陷，為后續(xù)的冷加工和最終熱處理作組織準(zhǔn)備。

4、最終熱處理是使工件獲得所要求的性能。6.2.1 鋼的退火碳鋼退火與正火加熱溫度與工藝示意圖6.2.2 鋼的正火將鋼材或鋼件加熱到Ac1或Accm以上3050，保溫一定的時間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火與退火的主要區(qū)別是：正火的冷卻速度較快，過冷度較大，因此正火后所獲得的組織比較細(xì)，強(qiáng)度和硬度比退火高一些。 正火是成本較低和生產(chǎn)率較高的熱處理工藝。6.3 鋼的淬火6.3.1 鋼的淬火工藝1、淬火加熱溫度的選擇2、淬火冷卻介質(zhì)6.3.2 淬火方法6.3.3 鋼的淬透性2、淬透性的實(shí)際意義鋼的淬透性在生產(chǎn)中有重要的實(shí)際意義，工件在整體淬火條件下，從表面至中心是否淬透，對其機(jī)械性能有

5、重要影響。在拉伸、壓縮、彎曲或剪切應(yīng)力的作用下，工件尺寸較大的零件，例如齒輪類、軸類零件，希望整個截面都能被淬透，從而保證零件在整個截面上的機(jī)械性能均勻一致，此時應(yīng)選用淬透性較高的鋼種制造。淬透性不同的鋼調(diào)質(zhì)后力學(xué)性能的比較6.4 鋼的回火將淬火鋼重新加熱到Acl點(diǎn)以下的某一溫度，保溫一定時間后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。一般淬火件必須經(jīng)過回火才能使用。 6.4.1 回火的目的6.4.2 淬火鋼在回火時組織的轉(zhuǎn)變鋼經(jīng)淬火后，獲得馬氏體與殘余奧氏體是亞穩(wěn)定相。在回火加熱、保溫中，都會向穩(wěn)定的鐵素體和滲碳體（或碳化物）的兩相組織轉(zhuǎn)變。根據(jù)碳鋼回火時發(fā)生的過程和形成組織，一般回火分為四個轉(zhuǎn)變。1

6、、馬氏體分解2、殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變3、碳化物的轉(zhuǎn)變4、滲碳體的聚集長大和鐵素體再結(jié)晶6.4.3 回火種類與應(yīng)用根據(jù)對工件力學(xué)性能要求不同，按其回火溫度范圍，可將回火分為三種。鋼的硬度隨回火溫度的變化中碳鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系圖6.5 鋼的表面淬火表面淬火是通過快速加熱使鋼表層奧氏體化，而不等熱量傳至中心，立即進(jìn)行淬火冷卻，僅使表面層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表面淬火不改變零件表面化學(xué)成分，只是通過表面快速加熱淬火，改變表面層的組織來達(dá)到強(qiáng)化表面的目的。6.5.1 感應(yīng)加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火是利用感應(yīng)電流通過工件表面所產(chǎn)生的熱效

7、應(yīng)，使表面加熱并進(jìn)行快速冷卻的淬火工藝。 1、基本原理2、感應(yīng)加熱表面熱處理的特點(diǎn)感應(yīng)加熱表面淬火示意圖6.5.2 火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是以高溫火焰作為加熱源的一種表面淬火方法。常用火焰為乙炔氧火焰（最高溫度為3200）或煤氣一氧火焰（最高溫度為2400）。高溫火焰將鋼件表面迅速加熱到淬火溫度，隨即噴水快冷使表面淬硬?；鹧婕訜岜砻娲阌矊油ǔ?8mm?；鹧婕訜岜砻鏌崽幚硎疽鈭D6.5.3 電接觸加熱表面淬火電接觸加熱的原理如圖6-20所示，當(dāng)工業(yè)電流經(jīng)調(diào)壓器降壓后，電流通過壓緊在工件表面的滾輪與工件形成回路，利用滾輪與工件之間的高接觸電阻實(shí)現(xiàn)快速加熱，滾輪移去后，由于基體金屬吸熱，表

8、面自激冷淬火。6.5.4 激光加熱表面淬火 激光加熱表面淬火是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型的高能密度的表面強(qiáng)化方法。這種表面淬火方法是用激光束掃描工件表面，使工件表面迅速加熱到鋼的臨界點(diǎn)以上，而當(dāng)激光束離開工件表面時，由于基體金屬的大量吸熱，使表面獲得急速冷卻而自淬火，故無需冷卻介質(zhì)。6.6 鋼的化學(xué)熱處理、化學(xué)熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中一種或幾種活性原子滲入工件表面，以改變表面層的化學(xué)成分和組織，使表面層具有不同于心部性能的一種熱處理工藝。6.6.1 鋼的滲碳將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱并保溫使碳原于滲入表層的化學(xué)熱處理工藝，稱為滲碳。滲碳的目的是提高

9、工件表面的硬度和耐磨性，同時保持心部的良好韌性。 1、滲碳方法滲碳方法有2、滲碳后的組織氣體滲碳裝置示意圖6.6.2 鋼的氮化氮化是在一定溫度（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，也稱滲氮。氮化的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及耐蝕性。氮化廣泛應(yīng)用于耐磨性和精度均要求很高的零件，如鏜床主軸、精密傳動齒輪；在循環(huán)載荷下要求高疲勞強(qiáng)度的零件，如高速柴油機(jī)曲軸；以及要求變形很小和具有一定抗熱、耐蝕能力的耐磨件，如閥門、發(fā)動機(jī)氣缸以及熱作模具等。6.6.3 鋼的碳氮共滲與氮碳共滲1、氣體碳氮共滲2、氣體氮碳共滲（軟氮化） 6.7 熱處理的技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)工藝性6.7.1 熱處理技術(shù)條件的標(biāo)注熱處理零件在圖紙上應(yīng)注明熱處理的技術(shù)條件，其內(nèi)容包括最終熱處理方法及熱處理應(yīng)達(dá)到的力學(xué)性能指標(biāo)等。標(biāo)定的硬度值允許有一個波動范圍，一般布氏硬度波動范圍在3040個單位，洛氏硬度波動范圍在5個單位左右。6.7.2 熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性，是指在設(shè)計熱處理零件，特別是淬火件時，一方面要滿足熱處理零件的使用性能要求，另一方面應(yīng)考慮熱處理工藝對零件結(jié)構(gòu)的要求，不然會使熱處理操作困難、增加淬火變形、開裂，使零件報廢。因此設(shè)計人員需考慮熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性，盡量考慮以下原則：1、避免尖角2、避免厚薄懸殊的截面3、采用封閉、