浅析钢的热处理技术 精品

浅析钢的热处理技术概述热处理工艺在机械制造与维修过程中有着广泛的应用，钢经过热处理后，能充分发挥材料的潜力，改善其使用性能与工艺性能，提高产品的质量，延长使用寿命，减少工件重量，节约金属材料，能显著地提高经济效益。

据统计，在机械制造工业中有60％～80％的零件都要进行热处理，尤其是工具类及滚动轴承几乎百分之百都要进行热处理。

热处理是将金属或合金在固态采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织与性能的一种工艺。

为简明表示热处理摹本工艺过程，通常用温度—时间坐标绘出热处理工艺曲线，如图1所示。

钢的热处理工艺在加热或冷却时的理论温度是在Al 、A3和Acm 线上的对应温度，即临界点。

但在实际生产中加热速度和冷却速度不是极其缓慢的，受其过热度和过冷度的图1 热处理工艺曲线 图-2 钢加热（冷却）F e -F e3C 状态图上各临界点的位置 影响，与理论的临界点要略高或略低一些。

因此，加热与冷却的实际临界点用A c1、A c3、A ccm 与Ar1、A r3、A rcm 上的对应温度表示。

如图2所示。

根据热处理的目的、加热和冷却方法不同，常把热处理大致分为以下几种：⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎢⎣⎡----渗金属等氮共渗碳氮化渗碳化学热处理感应加热表面淬火等火焰加热表面淬火表面淬火表面热处理回火淬火正火退火普通热处理热处理 一、钢的热处理原理热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。

、热处理工艺分类：（根据热处理的目的、要求和工艺方法的不同分类如下）1、整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；2、表面热处理：包括表面淬火、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)等；3、化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

1.1热处理的三阶段：加热、保温、冷却1、钢在加热时的转变加热的目的：使钢奥氏体化(1)奥氏体（A）的形成奥氏体晶核的形成以共析钢为例A1点则W c ＝0.0218％（体心立方晶格F）W c ＝6.69％（复杂斜方渗碳体）当T 上升到A c1 后W c ＝0.77％（面心立方的A）由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A 在铁素体和渗碳体的相界面上形成。

有两个有利条件①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间②原子排列不规则，空位和位错密度高。

（2）奥氏体晶粒的长大奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示。

分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。

影响A晶粒粗大因素二、钢在冷却时的转变。

生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却（1）过冷奥氏体的等温转变A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1 以下就成了不稳定相。

1、共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能共析钢过冷奥氏体等温1）高温珠光体型转变：A1～550℃（1）珠光体（P）A1～650℃粗层状约0.3μm<25HRC（2）索氏体（S）650～600℃细层状0.1～0.3μm ，25～35HRC（3）屈氏体（T）600～550℃极细层状约0.1 μm，35～40HRC2）中温贝氏体型转变：550℃～Ms（1）上贝氏体（B上）550～350 ℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值（2）下贝氏体（B下）350~Ms黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好（3）低温马氏体型转变：M s～M f 当A被迅速过冷至M s以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。

（当W c＜0.2％时，呈板条状，当Wc＞1.0％呈针片状，当Wc ＝0.2％～1.0％时，呈针片状和板条状的混合物）2、过冷奥氏体的连续冷却转变①共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能（1）随炉冷P 170～220HBS（700～650℃）（2）空冷S 25～35HRC （650～600℃）\共析碳钢连续冷却转变曲线应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变②马氏体转变当冷速>马氏体临界冷却速度V K 时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α—Fe 中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。

1）转变特点：M 转变是在一定温度范围内进行（Ms ～Mf）,M 转变是在一个非扩散型转变(碳、铁原子不能扩散）,M 转变速度极快（大于V k ）,M 转变具有不完全性（少量的残A）,M转变只有α－Fe、γ－Fe的晶格转变.二、钢的退火2.1目的：（1）降低硬度，提高塑性。

（2）细化晶粒，消除组织缺陷。

（3）消除内应力。

（4）为淬火作好组织准备。

2.2类型：根据加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。

（1）完全退火：1）目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

2）工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。

工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。

完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。

实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

（2）均匀化退火（扩散退火）1）工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3 以上150～100℃，保温10～15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

2）目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。

由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

3）注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。

只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。

对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。

（3）去应力退火1) 工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保温一定时间（1～3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。

钢的一般在500～600℃；铸铁一般在500～550℃超过550℃容易造成珠光体的石墨化；焊接件一般为500～600℃。

2.3实例：加工S7332型铣床的精密丝杆时，粗车后须进行去应力退火，消除加工的残余应力。

三、钢的正火3.1目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。

3.2组织：共析钢P、亚共析钢F+P、过共析钢Fe3CⅡ＋P3.3工艺：正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。

正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。

对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。

3.4实例：车床的主轴一般选用45钢，主锻造之后，必须进行正火处理，消除锻造尖力，得到合适的硬度，便于机械加工。

四、钢的淬火4.1淬火温度的选择1）碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C相图来确定，其目的是为了①淬火后得到全部细小的M；②淬火后希望硬度高。

①亚共析钢Ac3 +(30～50)℃,可获得细小的均匀的M，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。

②共析钢与过共析钢Ac1 +(30～50)℃，由于有高硬度的渗碳体和M存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。

如果加热温度超过Accm 将会使碳化物全部溶入A中，使A中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。

2）合金钢①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如Ti、Nb等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果.②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如Mn等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。

理想冷却速度：650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力。

650～400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变。

400以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。

具有这种冷却特性的冷却介质可以保证在获得M组织条件下减少淬火应力、避免工件产生变形或开裂。

4.2淬火加热时的氧化和脱碳淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。

氧化使工件尺寸减小，表面光洁度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。

工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。

因此，淬火加热时，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止氧化和脱碳现象。

在空气介质炉中加热时，防止氧化和脱碳最简单的方法是在炉子升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少氧化和脱碳。

此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。

4.3实例：加工麻花钻采用的是锻造成形，由于使用的是高速钢，导热性差，在1270~1280℃的淬火时，还需进行预热。

五、钢的回火5.1目的：1）稳定组织，消除淬火应力2）调整硬度、强度、塑性、韧性5.2淬火钢在回火时组织的转变1）马氏体的分解（＞100℃）2）残余奥氏体的转变（200～300℃）3）碳化物的转变（250～450℃）4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）5.3回火方法：（1）低温回火（150～250℃）。

（２）中温回火（350～500℃）。

（３）高温回火（500～650℃）。

5.4回火时间：一般为1～3h 。

5.5回火冷却：一般空冷。

一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢的冷却方式。

对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火。

5.6实例：在齿轮的加工中，为提高齿轮的硬度和耐磨性，并消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火。

总结通过我对金属材料及热处理学习，使我对钢热处理有了更深刻的了解。

实践表明，确定适当热处理工艺，妥善安排工艺路线对充分发挥金属材料本身的性能潜力，提高产品零件的质量，节省金属材料，降低生产成本等方面有着重大的影响。