第四章鋼的熱處理及表面強(qiáng)化技術(shù)

第4章鋼的熱處理及表面強(qiáng)化技術(shù)

概述1、熱處理的定義:鋼的熱處理是將鋼在固態(tài)下以適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織和性能的工藝過(guò)程。時(shí)間溫度臨界溫度熱加保溫冷卻2.熱處理的主要目的:改變鋼的性能。3.熱處理的應(yīng)用范圍:整個(gè)制造業(yè)。4.按目的、加熱條件和特點(diǎn)不同熱處理分為熱處理普通熱處理表面熱處理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化學(xué)熱處理感應(yīng)加熱淬火火焰加熱淬火滲碳;滲氮;碳氮共滲;鋼加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

鋼的表面強(qiáng)化技術(shù)鋼的最終熱處理（一）——淬火與回火鋼的最終熱處理（二）——表面熱處理鋼的預(yù)備熱處理——退火與正火本章要點(diǎn)鋼的熱處理是指將鋼在固態(tài)下進(jìn)行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需的組織和性能的工藝方法。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，能顯著提高鋼的力學(xué)性能，以滿(mǎn)足零件的使用要求和延長(zhǎng)零件的使用壽命；能改善鋼的加工工藝性能（如切削加工性能、沖壓性能等），以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量；還能消除鋼在加工（如鑄造、焊接、切削、冷變形等）過(guò)程中產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，以穩(wěn)定零件的形狀和尺寸。鋼熱處理時(shí)的組織轉(zhuǎn)變1．奧氏體的形成過(guò)程一、鋼加熱時(shí)奧氏體的形成奧氏體晶核的形成共析鋼：P→AA1（PSK）線(xiàn)以上亞共析鋼：P+F→A+F→AA3（GS）線(xiàn)以上過(guò)共析鋼：P+Fe3CII→A+Fe3CII→AAcm（ES）線(xiàn)以上2．奧氏體晶粒大小的控制

鋼奧氏體化的加熱溫度愈高、保溫時(shí)間愈長(zhǎng)，得到的奧氏體晶粒愈粗大，冷卻后鋼的強(qiáng)度、塑性和韌性愈差，且易引起淬火裂紋。因此，生產(chǎn)中常需合理控制鋼的加熱溫度和保溫時(shí)間，以獲得細(xì)晶奧氏體組織。

1、鋼在熱處理時(shí)的冷卻方式在熱處理生產(chǎn)中，常用的冷卻方式：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。等溫冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼以較快的冷卻速度冷到A1

以下某溫度保溫，在等溫下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變使加熱到奧氏體化的鋼連續(xù)降溫進(jìn)行組織轉(zhuǎn)變二、奧氏體冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變二、奧氏體冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變2．過(guò)冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖3．奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物（1）珠光體類(lèi)組織。

（2）貝氏體組織。（3）馬氏體組織。4、奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變的的（過(guò)程）組織和性能

1、珠光體型轉(zhuǎn)變—高溫轉(zhuǎn)變（A1~550℃）A1~650℃片層珠光體<25HRC650℃~600℃細(xì)片狀珠光體（索氏體S）25HRC~30HRC600℃~550℃極細(xì)片狀珠光體（托氏體T）35HRC~40HRC2.貝氏體型(B)轉(zhuǎn)變—中溫轉(zhuǎn)變(550℃～MS)根據(jù)組織形態(tài)和轉(zhuǎn)變溫度不同，貝氏體一般可分為上貝氏體和下貝氏體兩種550~350℃羽毛狀上貝氏體（B上）40~50HRC350~Ms黑色針葉狀下貝氏體（B下）45~55HRC與B上比較，B下具有良好的綜合力學(xué)性能，在生產(chǎn)中常用等溫淬火來(lái)獲得B下組織3、馬氏體型(M)轉(zhuǎn)變(Ms～Mf)當(dāng)奧氏體快速過(guò)冷至馬氏體點(diǎn)（Ms）以下時(shí)則發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。與前兩種轉(zhuǎn)變不同，馬氏體轉(zhuǎn)變是在一定溫度范圍內(nèi)（Ms～Mf之間）連續(xù)冷卻時(shí)完成的三、C曲線(xiàn)的應(yīng)用

（1）分析奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變（2）估計(jì)奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變鋼的預(yù)備熱處理——退火與正火1、退火：將鋼加熱到適當(dāng)溫度（臨界溫度以上30～50℃

），保溫一定時(shí)間，然后在爐中緩慢地冷卻的熱處理工藝。2、目的——為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備

1）降低硬度，提高塑性，改善加工性能；

2）細(xì)化晶粒，消除組織缺陷；

3）消除內(nèi)應(yīng)力。一、鋼的退火1鋼的退火分類(lèi)

3．去應(yīng)力退火1．完全退火

2．球化退火1）完全退火定義：將鋼加熱Ac3以上30~50oC,完全奧氏體后，保溫一定時(shí)間隨之緩慢冷卻到600oC以下，出爐空冷。組織：細(xì)小而均勻的平衡組織（鐵素體+珠光體）目的：細(xì)化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，以利于切削加工。適用范圍：亞共析鋼型材。2）球化退火定義：將鋼加熱到Ac1以上20~30oC，保溫后隨爐緩冷至600oC，出爐空冷，使鋼中碳化物呈球狀的工藝方法。組織：球狀珠光體（滲碳體呈球形的細(xì)小顆粒，彌散分布在鐵素體基體中）目的：降低硬度、提高塑性、改善切削加工性能。適用范圍：主要用于過(guò)共析鋼、合金工具鋼。3）去應(yīng)力退火定義：將鋼加熱到Ac1以下（一般約為500—600oC），保溫后隨爐緩冷至200--300oC出爐空冷，又稱(chēng)低溫退火。目的：消除鑄件、鍛件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力。（沒(méi)有發(fā)生組織變化）適用范圍：用于所有的鋼。2鋼的正火1、概念：將鋼件加熱到Ac3或Accm線(xiàn)以上30～50oC

，保溫適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，在空氣中冷卻。2、正火與退火的區(qū)別：正火與退火的目的基本相同，但正火的冷卻速度比退火稍快，正火后得到的珠光體組織比較細(xì)，強(qiáng)度、硬度比退火鋼高。3、目的及應(yīng)用：1）對(duì)力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火最為最終熱處理，以提高其強(qiáng)度、硬度和韌性。2）對(duì)低、中碳鋼（S+F），可用正火作為預(yù)備熱處理，可提高硬度和強(qiáng)度，改善切削加工性；3）對(duì)高碳鋼（S），正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成，可為球化退火作準(zhǔn)備。

正火比退火生產(chǎn)周期短，成本低，操作方便，故在可能的條件下應(yīng)優(yōu)先采用正火。但在零件形狀較復(fù)雜時(shí)，由于正火的冷卻速度較快，又引起開(kāi)裂的危險(xiǎn)，則采用退火為宜。3、預(yù)備熱處理在零件制造中的應(yīng)用圖4-12碳鋼正火與退火后的大致硬度機(jī)械制造最常用的鋼件毛坯是軋材、鍛件和鑄件。當(dāng)采用軋材毛坯時(shí)，因軋鋼廠已對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，故可直接切削加工而不再進(jìn)行預(yù)備熱處理；當(dāng)以鍛鋼件或鑄鋼件做毛坯時(shí)，應(yīng)先退火或正火然后再行切削加工。選用退火或正火時(shí)，不僅應(yīng)考慮消除鑄件或鍛件的熱加工缺陷，還需考慮改善鋼的切削加工性能。鋼的最終熱處理（一）——淬火與回火一、鋼的淬火概念將鋼件加熱到Ac3或Ac1以上某一溫度，保持一定時(shí)間后，快速冷卻的熱處理工藝。目的為了獲得馬氏體（或貝氏體）組織，提高鋼的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，并保持足夠的韌性一、鋼的淬火1．淬火工藝（1）淬火加熱溫度（2）加熱保溫時(shí)間（3）淬火介質(zhì)2．常用淬火方法（1）單介質(zhì)淬火法（2）雙介質(zhì)淬火法（3）馬氏體分級(jí)淬火法（4）貝氏體等溫淬火法淬火加熱后組織

M+Fe3C+A殘Ac1+30～50過(guò)共析鋼M+A殘Ac1+30～50共析鋼M+A殘Ac3+30～50亞共析鋼Wc＞0.5%MAc3+30～50亞共析鋼Wc≤0.5%最終組織淬火溫度(℃)鋼種單液淬火將加熱后的零件投入一種冷卻劑中冷卻至室溫。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化缺點(diǎn)：易產(chǎn)生淬火缺陷，水中淬火易產(chǎn)生變形和裂紋，油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。應(yīng)用：碳鋼一般用水作冷卻介質(zhì)，合金鋼可用油作冷卻介質(zhì)。雙液淬火將加熱的工件先投入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻，然后在接近Ms點(diǎn)溫度（鋼的組織還未開(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)迅速取出），馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中使之發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的淬火，稱(chēng)為雙介質(zhì)淬火。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，變形及開(kāi)裂小。缺點(diǎn)：操作困難，不易掌握應(yīng)用：由碳素工具鋼制造的易開(kāi)裂工件，如絲錐。馬氏體分級(jí)淬火：定義：將加熱的工件先放入溫度為Ms點(diǎn)附近的鹽或堿浴

中，稍加停留，等工件整體溫度趨于均勻時(shí)，再取出空冷以獲得馬氏體。優(yōu)點(diǎn)：有效減小內(nèi)應(yīng)力，防止變形與開(kāi)裂缺點(diǎn)：對(duì)于碳鋼零件，淬火后會(huì)出現(xiàn)非馬氏體組織應(yīng)用：

尺寸小，形狀復(fù)雜工件貝氏體等溫淬火：定義：將加熱的工件先放入稍高于Ms點(diǎn)溫度的鹽或堿浴

中，保溫足夠時(shí)間，使其發(fā)生下貝氏轉(zhuǎn)變后出爐空冷。優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)應(yīng)力小，工件不易變形與開(kāi)裂，具有良好的綜合力學(xué)性能。應(yīng)用：用于處理形狀復(fù)雜，尺寸要求精確，并且硬度和韌性都要求較高的工件如：各種冷、熱沖模，成型刃具，彈簧等二、淬火鋼的回火1．回火對(duì)淬火鋼組織及性能的影響2淬火鋼的回火2．回火的種類(lèi)及應(yīng)用（1）低溫回火：回火溫度為150℃～250℃，其目的是獲得高硬度、高耐磨的回火馬氏體組織，常用于要求高硬度（56℃～64HRC或53～58HRC）的各種工具、耐磨零件以及滲碳淬火或表面淬火零件等。（2）中溫回火：回火溫度為350℃～500℃，其目的是獲得高強(qiáng)度和足夠韌性的回火托氏體組織，主要用于硬度要求為35℃～52HRC的各種彈簧、熱作模具及某些螺釘、銷(xiāo)釘?shù)雀邚?qiáng)度零件。（3）高溫回火：回火溫度為500℃～650℃，其目的是獲得綜合力學(xué)性能良好的回火索氏體組織。鋼的淬火+高溫回火的復(fù)合熱處理，稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)主要用于硬度要求20～32HRC、綜合力學(xué)性能良好的重要零件，如主軸、曲軸、某些齒輪以及表面淬火件或滲氮零件等。3鋼的淬硬性與淬透性1．鋼的淬硬性2．鋼的淬透性1）淬透性:指在規(guī)定條件下，鋼在淬火冷卻時(shí)獲得馬氏體組織深度的能力。2）影響淬透性的因素:

鋼的臨界冷卻速度，Vc越低，鋼的淬透性越好鋼的化學(xué)成分（增加過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性，降低Vc，鋼的淬透性越好）3）淬透性的應(yīng)用:淬透性好的鋼，經(jīng)淬火回火后，截面上組織均勻一致，綜合力學(xué)性能好。因此，鋼的淬透性對(duì)提高大截面零件的力學(xué)性能，發(fā)揮材料潛力，具有重要的意義。淬透性好的鋼，在淬火冷卻時(shí)可采用比較緩和的淬火介質(zhì)，減小工件淬火的變形及開(kāi)裂傾向。淬硬性：是指鋼在理想條件下淬火成馬氏體后所能達(dá)到的最高硬度。影響鋼的淬硬性的因素主要取決于鋼含碳量。低碳鋼淬火的最高硬度值低，淬硬性差；高碳鋼淬火的最高硬度值高，淬硬性好。淬硬性與淬透性之間的關(guān)系:淬透性淬硬性鋼種小低碳素結(jié)構(gòu)鋼(20)小高碳素工具鋼(T10A)大低低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(18Cr2Ni4WA)大高高碳高合金工具鋼(Cr12MoV)鋼的最終熱處理（二）——表面熱處理1鋼的表面淬火1．概述

鋼的表面淬火是指將鋼件表層快速加熱奧氏體化，并淬火成馬氏體，而心部保持原有組織不變的表面熱處理工藝。它主要用于表層要求較高的硬度（52～58HRC）和耐磨性，心部要求綜合力學(xué)性能良好（22～28HRC）的表面淬火零件，如軸類(lèi)、齒輪、曲軸等。1鋼的表面淬火2．表面淬火的常用方法（1）感應(yīng)加熱表面淬火（2）火焰加熱表面淬火2鋼的滲碳1．概述

滲碳是將鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱至900℃～950℃保溫，使?jié)B碳介質(zhì)分解釋放出活性碳原子滲入鋼件，以增加其表層WC的化學(xué)熱處理工藝。它主要用于表面要求高硬度（58～64HRC）、高耐磨性，心部要求較高強(qiáng)韌性（相當(dāng)于35～45HRC）滲碳零件，如工作條件惡劣的汽車(chē)齒輪、石油鉆機(jī)齒輪、機(jī)車(chē)軸承等。2．常用滲碳方法（1）氣體滲碳（2）固體滲碳3鋼的滲氮滲氮（氮化）是向鋼件表層滲入氮原子，以提高其的表面硬度和耐磨性化學(xué)熱處理工藝。常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮和軟氮化。1．氣體滲氮2．離子氮化和軟氮化鋼的表面強(qiáng)化技術(shù)1電鍍硬鉻和化學(xué)鍍鎳磷1．電鍍硬鉻（1）電鍍硬鉻的原理（2）電鍍硬鉻層的性能與應(yīng)用2．化學(xué)鍍鎳磷化學(xué)鍍是指在無(wú)外