工-第2章钢的普通热处理工艺
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钢的普通热处理工艺
一般零件生产的工艺路线: 毛坯生产 预备热处理 机械加
工
最终热处理
机械精加工
预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火
一.钢的退火(Annealing of steel)
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
三.钢的淬火 ( Quenching of steel )
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ～ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。
二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。
三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Ac1 + 30～50
淬火+低温回火
HRC53～60 合金结构钢
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织 ( 化染 ) 针状M + 残余A ; 混合M + 残余A ; 板条M + 针状M
100
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织
1 2 3
1.针状M + 残余A ; 2.混合M + 残余A ; 3.板条M + 针状M
20Cr2Ni4A钢高温碳氮共渗淬火组织 ( 化染 )
二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。
二) 化学热处理的基本过程:
1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。 2CO CO2 +〔C〕
3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。
2.火焰加热表面淬火
1)火焰加热表面淬火的基本方法
2)火焰加热表面淬火的特点:
*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。
六) 淬火冷却介质
1.理想淬火冷却介质
温度 (℃) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 A1
Ms
Mf 0 1 10 102 103 104 时间(s)
2.常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时
名 称 所在温度/ ℃ 20℃静止水 340 冷却速度 /( ℃ • s-1) 775
三)工艺参数:
四)热处理后的组织 :
钢种
Wc≤0.5%
淬火温度(℃)
最终组织 M M + A残 M + A残
亚共析钢 Ac3+30～50 亚共析钢 Ac3+30～50
Wc＞0.5%
共析钢
Ac1+30～50
残
过共析钢 Ac1+30～50
M+Fe3C+A
五)淬火加热时间 ( τ ) 的选择:
τ = α K D 工件有效厚度 (尺寸最小部位) 装炉量有关系数 一般 K = 1～1.5 加热系数,与钢种 及加热介质有关
700
T10钢球化退火组织 ( 化染 )
500
二.钢的正火( Normalizing of steel )
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。
二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Accm + 30～50
7) 渗碳后的热处理工艺
温 度 930℃
渗碳
850℃
加 热
淬 火
方案1
方案2
时间
7) 渗碳后的热处理工艺
8) 热处理后的组织
钢种
表层组织
心部组织
低碳钢 M回+Fe3C+A残
F+P
低碳 M回+Cm+A残 低碳M回+F 合金钢
9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。
四) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。
1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )
1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。
2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。
3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。 4)方法: 固体、气体、液体渗碳。
4)方法:气体渗氮。
5)工艺:加热温度500～600℃; 保温时间0.3～0.5mm/20～50h。 6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。 7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。 8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。
52
W18Cr4V钢碳氮共渗层组织 ( 化染) 650 隐针马氏体 + 合金碳化物 ; 从左至右含碳量逐步下降
固体渗碳法示意图
泥封
盖
试棒
渗碳箱
零件
渗碳剂
气体渗碳法示意图
5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;
6)渗碳后的组织:
表面 零 件 P+F 中心
1%C P+Fe3CⅡ P
0.2%C F + P少
20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体
四) 工艺参数:
四)热处理后的组织:S (Wc=0.6～1.4%) S+F (Wc＜0.6%)
五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。 3.改善切削性能：低碳钢或低碳合金 退火后硬度太低，不便于切削。
回火索氏体组织金相图
回火屈氏体组织金相图
回火马氏体组织金相图
第五节 钢的表面热处理工艺
工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。
• 表面淬火 • 化学热处理
一.表面淬火( Surface Hardening )
一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。
三) 种类 完全退 火 扩散退火 去应力退火
等温退火
球化退火
四) 工艺参数: 名 称 完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 500～600 Ac3 + 150～250
四) 工艺参数:
wenku.baidu.com
五)热处理后的组织 : 原始组织。
共析钢球化退火组织 ( 化染 )
38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。
渗碳与渗氮的工艺特点
名称 处理温度 处理时 处理后是否 ( ℃ ) 间 ( h ) 需要热处理 渗碳 900～ 3～9 需要 950 渗氮 500～ 20～ 不需要 600 50
三) 工艺参数 名 称 低温回火 温度(℃) 组 织 用途
150～ 250 中温回火 350～ 500 高温回火 500～ 650 高温软化 650～A1
M回=α0.3%C+ε 耐磨件 T回=F针+Fe3C 弹簧等
粒
S回=F多+Fe3C 调质件
球
P回=F多+Fe3C
粒
高合金钢
淬火 + 高温回火 = 调质处理
430
430 500
230
230 120
60
70 100
65
55 50
七) 常用的淬火方法
温 度
A1
Ms 时间
单液淬火
双液淬火
分级淬火
等温淬火
八) 钢的淬硬性 ( Hardening of steel )
1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。
2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。
二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。
三)表面淬火用钢: 选用中碳或中碳低合金钢。40、 45、40Cr、40MnB等。
四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。
1.感应加热表面淬火
1)感应加热的基本原理:
* 感应电流 --- 涡流 * 集肤效应 *淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系: δ = 500 / √ f （mm）
感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意 图
集肤效应示意图
2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。 3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。
三) 化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。 2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。
九) 钢的淬透性 ( Hardenability of steel ) 1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。
2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度VK 的大小, VK 越 大,钢的淬透性越小。
工件淬硬层与冷却速度的关系
3.淬硬性与淬透性之间的关系: 钢 种 淬硬性 淬透性 碳素结构钢 ( 20 ) 低 小 碳素工具钢( T12A ) 高 小 低碳合金结构钢 低 大 ( 20Cr2Ni4A ) 高碳高合金工具钢 高 大 ( W18Cr4V )
4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响
淬 透 钢
未 淬 透 钢
四.钢的回火 ( Tempering of steel )
一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。 二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。
20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )
2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。 3)用钢: 中碳合金钢。
3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。 固体碳氮共渗 高温 3)方法:
气体碳氮共渗
液体碳氮共渗
中温 低温
4)工艺: 低温气体碳 氮共渗 温度(℃) 500～600 时间(h) 1～6 作用 以渗氮为主 渗层 0.1～ 0.4mm 热处理 不需要 性能 HRC54～63 材料 合金工具钢 名称 中温气体碳 氮共渗 800～860 1～8 以渗碳为主 0.5～0.8mm
平均冷却速度/(℃•s-1)
650～550 ℃ 135 300～200 ℃ 450
40℃静止水
60℃静止水 10%NaCl 溶液 10%NaOH 溶液
285
220 580 560
545
275 2000 2830
110
80 1900 2750
410
185 1000 775
20℃10号机油
80℃10号机油 20℃3号锭子油
一般零件生产的工艺路线: 毛坯生产 预备热处理 机械加
工
最终热处理
机械精加工
预备热处理 : 退火 ; 正火 最终热处理 : 淬火 ; 回火
一.钢的退火(Annealing of steel)
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 随炉冷却。 二)目的: 消除应力;降低硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
三.钢的淬火 ( Quenching of steel )
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30 ～ 50℃,保温一段时间,然 后快速冷却 ( 水冷 )。
二)目的: 为了获得马氏体组织,提高钢 的硬度和耐磨性。
三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Ac1 + 30～50
淬火+低温回火
HRC53～60 合金结构钢
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织 ( 化染 ) 针状M + 残余A ; 混合M + 残余A ; 板条M + 针状M
100
20 CrMnTi 钢碳氮共渗层组织
1 2 3
1.针状M + 残余A ; 2.混合M + 残余A ; 3.板条M + 针状M
20Cr2Ni4A钢高温碳氮共渗淬火组织 ( 化染 )
二.化学热处理 ( Chemical Heat Treatment )
一)定义:将零件置于一定的化学介质 中 , 通过加热、保温,使介质 中一种或几种元素原子渗入 工件表层,以改变钢表层的化 学成分和组织的热处理工艺。
二) 化学热处理的基本过程:
1.分解: 化学介质在高温下释放出待渗 的活性原子。 2CO CO2 +〔C〕
3)生产特点: 淬火件的质量好; 工件变 形小;不易氧化及脱碳;淬火层容易 控制;生产率高。设备投资大,不适 于复杂形状零件和小批量生产。
2.火焰加热表面淬火
1)火焰加热表面淬火的基本方法
2)火焰加热表面淬火的特点:
*设备简单, 操作方便, 成本低。 *淬火质量不稳定。 *适于单件、小批量及大型零件的生产。
六) 淬火冷却介质
1.理想淬火冷却介质
温度 (℃) 800 700 600 500 400 300 200 100 0 -100 A1
Ms
Mf 0 1 10 102 103 104 时间(s)
2.常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时
名 称 所在温度/ ℃ 20℃静止水 340 冷却速度 /( ℃ • s-1) 775
三)工艺参数:
四)热处理后的组织 :
钢种
Wc≤0.5%
淬火温度(℃)
最终组织 M M + A残 M + A残
亚共析钢 Ac3+30～50 亚共析钢 Ac3+30～50
Wc＞0.5%
共析钢
Ac1+30～50
残
过共析钢 Ac1+30～50
M+Fe3C+A
五)淬火加热时间 ( τ ) 的选择:
τ = α K D 工件有效厚度 (尺寸最小部位) 装炉量有关系数 一般 K = 1～1.5 加热系数,与钢种 及加热介质有关
700
T10钢球化退火组织 ( 化染 )
500
二.钢的正火( Normalizing of steel )
一)定义: 把零件加温到临界温度以上 30～50℃,保温一段时间,然后 在空气中冷却。
二)目的: 消除应力;调整硬度;细化晶 粒;均匀成分;为最终热处理 作好组织准备。
三) 工艺参数: 名 称 亚共析钢 共析钢 过共析钢 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 Accm + 30～50
7) 渗碳后的热处理工艺
温 度 930℃
渗碳
850℃
加 热
淬 火
方案1
方案2
时间
7) 渗碳后的热处理工艺
8) 热处理后的组织
钢种
表层组织
心部组织
低碳钢 M回+Fe3C+A残
F+P
低碳 M回+Cm+A残 低碳M回+F 合金钢
9)常用的钢种: 15、20、20Cr、20Mn2、 20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。
四) 化学热处理的种类: 渗碳; 渗氮; 碳氮 共渗; 渗硼; 渗铝; 渗硫; 渗硅; 渗铬等。
1.钢的渗碳 ( Carburize of steel )
1)定义: 向钢的表面渗入碳原子的过程。
2)目的: 获得具有表硬里韧性能的零件。
3)用钢: 低碳钢和低碳合金钢。 4)方法: 固体、气体、液体渗碳。
4)方法:气体渗氮。
5)工艺:加热温度500～600℃; 保温时间0.3～0.5mm/20～50h。 6)热处理特点: 渗氮前需调质处理; 渗氮后不需热处理。 7)渗氮处理后的组织 表层 : Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、 MoN、TiN、VN。 心部 : S回。 8)常用的钢种 : 35 CrMo、18CrNiW、 38 CrMoAlA ( 氮化王牌钢 ) 等。
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W18Cr4V钢碳氮共渗层组织 ( 化染) 650 隐针马氏体 + 合金碳化物 ; 从左至右含碳量逐步下降
固体渗碳法示意图
泥封
盖
试棒
渗碳箱
零件
渗碳剂
气体渗碳法示意图
5)工艺: 加热温度为900～950℃; 渗碳时间一般为3～9小时;
6)渗碳后的组织:
表面 零 件 P+F 中心
1%C P+Fe3CⅡ P
0.2%C F + P少
20钢渗碳缓冷组织 ( 化染 ) 580 表层珠光体 + 网状渗碳体; 中层珠光体; 内层铁素体 + 珠光体
四) 工艺参数:
四)热处理后的组织:S (Wc=0.6～1.4%) S+F (Wc＜0.6%)
五) 应用范围: 1.预备热处理:调整低、中碳钢的硬 度;消除过共析钢中的Fe3CⅡ。 2.最终热处理:用于力学性能要求不 高的普通零件。 3.改善切削性能：低碳钢或低碳合金 退火后硬度太低，不便于切削。
回火索氏体组织金相图
回火屈氏体组织金相图
回火马氏体组织金相图
第五节 钢的表面热处理工艺
工艺的核心:使零件具有“表硬里韧” 的力学性能。
• 表面淬火 • 化学热处理
一.表面淬火( Surface Hardening )
一) 定义:是一种不改变钢表层化学成 分,但改变表层组织的局部热 处理工艺。
三) 种类 完全退 火 扩散退火 去应力退火
等温退火
球化退火
四) 工艺参数: 名 称 完全退火 球化退火 去应力退火 扩散退火 温 度 ( °C ) Ac3 + 30～50 Ac1 + 30～50 500～600 Ac3 + 150～250
四) 工艺参数:
wenku.baidu.com
五)热处理后的组织 : 原始组织。
共析钢球化退火组织 ( 化染 )
38 CrMoAl 气体渗氮层组织 ( 化染 ) 650 黄色区 : ε ( Fe2-3N ) + γ’ ( Fe4N ) ; 红色区 : γ’ ( Fe4N ) ; 蓝绿色区:含氮索氏体 + 脉状氮化物; 绿黄色区:索氏体基体。
渗碳与渗氮的工艺特点
名称 处理温度 处理时 处理后是否 ( ℃ ) 间 ( h ) 需要热处理 渗碳 900～ 3～9 需要 950 渗氮 500～ 20～ 不需要 600 50
三) 工艺参数 名 称 低温回火 温度(℃) 组 织 用途
150～ 250 中温回火 350～ 500 高温回火 500～ 650 高温软化 650～A1
M回=α0.3%C+ε 耐磨件 T回=F针+Fe3C 弹簧等
粒
S回=F多+Fe3C 调质件
球
P回=F多+Fe3C
粒
高合金钢
淬火 + 高温回火 = 调质处理
430
430 500
230
230 120
60
70 100
65
55 50
七) 常用的淬火方法
温 度
A1
Ms 时间
单液淬火
双液淬火
分级淬火
等温淬火
八) 钢的淬硬性 ( Hardening of steel )
1.定义:是指钢在淬火后所能达到的最 高硬度。
2.影响钢的淬硬性的因素:主要取决于 马氏体的含碳量。
二) 工艺特征:通过快速加热使钢的表 层奥氏体化,然后急冷,使表层 形成马氏体组织,而心部仍保 持不变。
三)表面淬火用钢: 选用中碳或中碳低合金钢。40、 45、40Cr、40MnB等。
四)表面淬火加工的方法: 感应加热( 高、中、工频 )、火 焰加热、电接触加热法等。
1.感应加热表面淬火
1)感应加热的基本原理:
* 感应电流 --- 涡流 * 集肤效应 *淬火层深度(δ)与电流频率( f )的关系: δ = 500 / √ f （mm）
感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意 图
集肤效应示意图
2)工艺要求: * 表面淬火前,必须对零件进行正火 或调质处理,以保证零件有良好的 基体。 * 表面淬火后,必须对零件进行低温 回火处理,以降低淬火应力和脆性。
2.吸收: 活性原子被零件表面吸收和溶 解。 3.扩散: 活性原子由零件表面向内部扩 散, 形成一定的扩散层。
三) 化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而 且具有较大的扩散能力。 2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的溶解度或能 与之化合, 形成化合物。
九) 钢的淬透性 ( Hardenability of steel ) 1.定义:是指钢在淬火时所能得到的淬 硬层 (马氏体组织占50%处) 的 深度。
2.影响钢的淬透性的因素:主要是临界 淬火冷却速度VK 的大小, VK 越 大,钢的淬透性越小。
工件淬硬层与冷却速度的关系
3.淬硬性与淬透性之间的关系: 钢 种 淬硬性 淬透性 碳素结构钢 ( 20 ) 低 小 碳素工具钢( T12A ) 高 小 低碳合金结构钢 低 大 ( 20Cr2Ni4A ) 高碳高合金工具钢 高 大 ( W18Cr4V )
4.淬透性的大小对钢的热处理后的力学性能的影响
淬 透 钢
未 淬 透 钢
四.钢的回火 ( Tempering of steel )
一)定义: 把淬火后的零件重新加温到 A1线以下某个温度,保温一段 时间,然后冷却到窒温。 二)目的: 消除淬火应力,降低脆性;稳定 工件尺寸;调整淬火零件的力 学性能。
20CrMnTi 钢渗碳层组织 ( 化染 ) 320 渗碳体( 白色块状 ) + 高碳M( 兰色针状 ) + 残余A( 棕黄色 )
2.钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。 3)用钢: 中碳合金钢。
3.钢的碳氮共渗---氰化处理 ( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原 子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。 固体碳氮共渗 高温 3)方法:
气体碳氮共渗
液体碳氮共渗
中温 低温
4)工艺: 低温气体碳 氮共渗 温度(℃) 500～600 时间(h) 1～6 作用 以渗氮为主 渗层 0.1～ 0.4mm 热处理 不需要 性能 HRC54～63 材料 合金工具钢 名称 中温气体碳 氮共渗 800～860 1～8 以渗碳为主 0.5～0.8mm
平均冷却速度/(℃•s-1)
650～550 ℃ 135 300～200 ℃ 450
40℃静止水
60℃静止水 10%NaCl 溶液 10%NaOH 溶液
285
220 580 560
545
275 2000 2830
110
80 1900 2750
410
185 1000 775
20℃10号机油
80℃10号机油 20℃3号锭子油