钢铁热处理工艺简介(1)

钢的化学热处理
钢件置于一定温度的化学活性介质中，使一种或几种元素的原子渗入 钢件表面，改变钢件表层化学成份，获得预期的组织和性能。可利用C素 钢，低合金钢代替高合金钢，降低成本。
一、钢的渗C
用于齿轮、活塞、销轴等工件，需承受弯、扭，交变载荷， 冲击载荷，很大接触应用和磨损的情况 低 C 钢 件 ， 渗 C 性 介 质 ( CO→[C]+CO2（ 放 热 ） 、 （ CH4→[C]+H2 （吸）、（固体渗C剂），加热至单相奥氏体区（930℃左 右），保温足够长时间，使表面层C浓度提高，。 C钢件都是C＝0.1—0.25%的低C钢（C素钢、低合金钢），而表 面C＝0.8—1.1%，合适渗C层厚度。渗C后工件进行淬火+低温 回火
（一）退火目的
3、消除组织缺陷，改善性能
铸、锻、焊等压力加工时，沿压延方向出现两种组 织交替层状分布（带状组织），造成钢材各向异 性，横向塑性、韧性明显降低 (带状组织？）
4、淬火过热反修、消除偏析、脱除氧气等
退火消除过热影响再淬火，扩散退火消除偏析、脱 氢退火脱除氢气
钢的退火
1、完全退火
主要用于亚共析钢，目的是细化晶粒、 消除过热缺陷，↑塑性，便于冷加工
3、提高强韧性，轴、齿轮等，要求强度高，韧性好，用中低
C钢制造，淬火＋高温或低温回火，提高强韧性。 齿轮的制造？ 总之淬火可提高钢的强度、硬度、耐磨性，强性韧性、疲劳强 度等。
（二）淬火加热
加热温度，亚共析钢 t=Ac3+（30-70） ℃
共析、过共析钢 t=Ac1+（30—70）℃
亚共析钢：完全淬火，Ac3以上，不完全淬火导致残
四、渗硼、渗铝
渗B：进一步提高硬度（Hv1400—2000），高耐磨， 红硬性、抗蚀性。
渗Al↑抗蚀性，抗氧化，H2S、HN03 、C酸
优点：N化物层硬、耐磨，
致密膜，耐蚀
处理度低，变形小，精密仪器
传统N化：NH3分解
离子氮化：电离NH3（低真空），N+→工件（阴极） 缩 短N化时间
N化后不再进行热处理直接投入使用
钢的化学热处理
三、氰化
C、N同渗，780—860℃，（气体氰化），（比渗C 低，比渗N高），速度大于单独渗C或N，且氮渗入↑ 渗层中C浓度，C的渗入促进N化物形成。
钢的淬火
钢的淬火：将钢加热到临界点以上，保温一定时间，
然后在水或油等冷却介质中快速冷却。
淬火目的：为了得到马氏体。马氏体回火得到最终所需要的
组织
1、提高硬度和耐磨性，刃具、模具、量具、轴承，要求硬
而耐磨→马氏体或下贝氏体 + 低温回火。
2、提高弹性，弹簧钢、要求强度高，弹性好，中C、高C钢制
造并淬火成马氏体+中温回火，
质量的好坏。 → 快冷：碳钢—水冷 合金钢—油冷
目的：防止过冷A在Ms点以上发生任何分解。
600—400℃温度分解快，只要在此期间快冷，其它温度不需 要，Ms点以下反而希望冷却慢些，以防止变形开裂。
→ 冷却介质的选择原则
快冷并非越快冷越好，在保证淬硬的前提下，尽量选择 缓和的介质，以减小淬火变形和开裂。 对冷却介质的要求是：要求的淬火硬度和深度、淬火变形不 超过公差范围，不出现淬火组织缺陷，不开裂
心部：低C回火马氏体+残A（或+α+P）
表面：细针、隐晶马氏体+残A
钢的化学热处理
二、钢的氮化：
用于表面要求高硬度、高耐磨性，而心部强而韧的合金 工 模 钢 （ 表 面 Hv950—1200） 相 当 于 HRC65—72）， 超 过工模具本身热处理所能得到的硬度。
向钢表面渗入氮，形成富氮硬化层。表面N化物硬，由外 向内，分别为Fe2N、 Fe3N、 Fe4N N浓度由外向内↓， 500—580℃，温度低，时间长
→共析钢原始组织的粗大网状C化物，先正火，再球化退火
钢的正火
过程：将钢加热至上临界点（Ac3,Accm）以上，
进行完全奥氏体化，然后在空气中冷却 （夏天有时吹风或喷雾）
正火目的： 1、细化组织，消除热加工中造成的过热缺陷； 2、用于低碳钢（C<0.3%），提高硬度，改善切削性
能，硬度太低，“粘刀”，且光洁度很差。正火增 加P弥散度和伪共析量，提高硬度。 3、用于高碳钢，消除网状C化物便于球化退火。（Fe－ C相图，网状C化物的形成） 4、过热淬火件返修，大件热处理代替淬火等等，不太 重要的工件在正火状态下使用。
钢的正火工艺
1、加热温度
低C钢 中C钢 高C钢
t=Ac3+（100—150）℃ t=Ac3+(50—100) ℃ t=Accm+（30—50）℃
加热温度高于退火， 含C量↑，正火温度↓ 含C多，C化物多，相界面积大，有利形核长大（形 成什么核？）；
2、冷却方式：空气冷却，对大件或环境温度高时
可吹风或喷雾。
钢，远远高于Ac1接近Accm，保证γ中可能高的合金 浓度。
淬火加热
生产中不允许过共析钢加热到Accm以上完全淬火 因为若C化物完全溶入γ有多方面害处： 1、C化物完全溶入γ，C浓度过高，淬火时全部形成针
状马氏体，脆性大。并且残γ '↑，尺寸不稳定性↑。 2、C化物完全溶入γ ，淬火后，组织中失去硬而耐磨
存铁素体，（马氏体中有如“孔洞”）严重影响钢 的强度，韧性。
过共析钢：Ac1—Accm ,不完全淬火，使淬火组织中保
留一定数量细小，弥散的C化物颗粒，以提高耐磨性 （通过控制C化物数量，控制A的C浓度及合金浓度； 从而控制马氏体成分，组织和性能）
碳素工具钢：t=Ac1+〔30-70〕℃, 合金钢，高合金
利用C曲线确定等温温度和时间
与普通退火相比：组织性能更均匀， 工艺可控性增强，尽量采用。
钢的退火
3、扩散退火
主要用于合金钢铸锭和铸件，消除晶内偏析，使 成份均匀化（合金元素的原子充分扩散)
加热温度 t=Ac3+(150-200℃)
保温时间：10—15h左右 温度高、时间长、高成本工艺，不仅能耗高、 烧损，设备折旧大。且组织易过热，必须完全 退火细化晶粒,所以不是十分重要的零件或工具 不采用此工艺
高的硬度使切削加工无法进行，球化退火↓硬度便于机 加工，并为淬火作准备。
球化退火
组织：粒状珠光体
加热和保温所得组织要求：奥氏体中保留大量未溶的C化 物颗粒，C浓度的显微不均匀，使C化物均匀弥散析出并 球化。
工艺特点：低温短时加热 t=Ac1+（20-50）℃ A1—Accm之间，两相区加热，
冷却要缓慢。奥氏体化越均匀充分，冷速越要小，否则 冷速可大些，600℃出炉空冷
3、奥氏体晶粒： 越粗大，淬透性好
4、未溶第二相：未溶第二相越少，淬透性越高。（为什么第
二相的数量越多，淬透性越低？）
（五）冷处理：室温淬火过程在零下温度的继续，零下淬
火，（通常冷却至-60 ― -80）℃，目的是为了减 少残余奥氏体量，以提高硬度。
（六）淬火变形和开裂 ： 淬火变形开裂的原因是淬火应力。 淬火应 力分为热应力和组织应力，成因和作用不 同。
①热应力：由于工件各部分存在温度差，因
而热胀冷缩不一致所造成的内应力。
②组织应力
冷却或加热中由于工件内外存在温差，使得 组织转变先表面后心部，从而内外比容变化 不同，造成“组织应力”或“相变应力”
钢的回火
回火，将淬火钢重新加热到A1点以下的预定温度，保温预定
时间，然后冷却下来。回火紧接在淬火后，决定着钢 在使用状态的组织和性能。 回火中钢组织性能的变化前已叙述，生产中实际采用的回火 方式：
钢的热处理工艺简介
钢的退火
一、钢的退火：
将钢加热到临界点以上，保温一定时 间，然后缓
慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷）到 600℃以下ห้องสมุดไป่ตู้空冷
（一）退火目的
1、降低硬度，提高切削加工性
经铸、锻、焊成形的工件，硬度偏高，退火 后硬度降至200—250Hv。
2、提高塑性，便于冷变形加工
消除加工硬化，↑塑性便于进行随后的冷 冲、冷轧、冷拨等
等，代替球化退火。
钢的表面淬火
表面淬火：快速加热表层奥氏体化，然后淬火，
心部组织并不变化。有感应加热表面淬火，火焰加热 表面淬火，盐浴加热表面淬火等
一、感应加热表面淬火：利用电磁感应现象
工件置于感应线圈内，线圈通电产生交变磁场，工件 表面层产生巨大涡流快速加热。随后喷水或浸水淬火。
电流频率越高，淬硬层越薄，（但表面升温速度快）
→加热温度 t=Ac3+（20—50）℃ →加热速度、不加限制（但对高合金钢 和大型件，加热不善易引起变形开裂） →保温时间 1h/25 mm →冷却 保证A1—650℃ 发生转变 C素钢V冷 100—200℃/h 600℃出炉
钢的退火
2、等温退火（与1类似）
奥氏体化的钢快冷至A1以下某温度并保 温，保证工件内外部在同一温度转变，使 工件各部分得到的组织和性能均匀一致。
①低温回火（150—200）℃，回火马氏体，硬而耐磨，强度
高，多用于刃具，量具、冷中模具，滚动轴承等。
②中温回火：（400-500）℃，回火屈氏体，（屈强比）弹性
好，弹簧。
③高温回火（500—650）℃，回火索氏体，强度和韧性的综合
性能高，用于轴类，连杆等，“调质”处理。
④高温软化回火，低于A1（20—40）℃，马氏体钢的软化
钢的淬火
（四）钢的淬透性
钢的热处理工艺性能，表示钢在淬火时所能得到的淬硬层深 度。淬透性取决于奥氏体的化学成分（注意：而非钢材成分）、 晶粒度、均匀性决定的过冷奥氏体的稳定性，或钢的临界冷却速 度。
1、奥氏体化学成份：C浓度越接近共析，越稳定，淬透性越
大，合金元素，↑淬透性（Co 除外）。
2、成份均匀性： 越均匀、淬透性越大。
的C化物颗料，耐磨性↓ 3、C化物全部溶解，失去阻碍晶粒长大的C化物颗粒，
易过热，淬火后马氏体粗大，脆性增大，强度下降， 抗疲劳性能↓ 4、C化物溶解太多，C浓度过高，比容变化↑，↑变形
开裂倾向。 5、C化物溶解太多，加剧脱C，不易淬硬，反淬裂。
钢的淬火
（三）淬火冷却：冷却是淬火的关键工序，关系到淬火
钢的退火
4、去应力退火
（铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件）, 在精加工或淬火前去应力（提高尺寸稳定性或防止 淬火变形开裂）
加热温度低于A1，在500-600℃之间缓冷，至
200℃出炉
钢的退火
5、球化退火
所有共析钢、过共析钢都必须运用的热处理方法。共 析钢和过共析钢主要用于制造硬度要求高的零件或工具， 如轴承，刀具，模具，量具等。这类钢的特点是淬透性 很强，即十分容易得到高硬度的马氏体，有的甚至在空 气中冷却即可得到马氏体，如 W18Cr4V。
高频：<2mm (200—250)KHZ 中频：2—8 mm （80—10）KHZ 工频：> 8mm 50HZ 优点：加热速度快，生产率高
钢的表面热处理
二、火焰加热表面淬火，
（0.8—6mm）深的淬火硬化层。 气体燃料与在氧气或空气中燃烧（2000℃以 上），当乙炔和氧气1：1时，火焰温度最高， 可达3000℃，氧炔焰。 优点：设备简单，使用方便成本低等。 缺点：不易控制加热温度，易过热，且淬火质 量不易均一。