第五章 钢的热处理3

齿顶次层组织：针状M+A残余
渗碳后860℃淬火，180℃回火M回+ A残 余+CmⅡ（少量白色）
表面淬火与渗碳组织、性能比较
组 织
表面热 处理方 法 用 钢
性能
表层
心部
表层
心部
表面淬 火 渗碳 淬火低 回
中碳钢
M回
F+P
耐磨性↑ 硬、强 耐磨性↑↑ 硬、强
塑性韧性好 综合性好 一定强度 而韧性好
低碳钢
M回+Fe3C +A’（少）
M板条或 F+T

渗碳零件工艺路线（齿轮，20）
锻造 → 正火 → 机加工 → 渗碳 → 淬火、低温回火 → 磨削 表面淬火工艺路线（曲轴，45）

锻→正（退火）→ 机加工→ 调质 →表面淬火+低回 → 磨

渗碳工艺优点：表面硬度高、耐磨性好，表面压应力状态， 疲劳强度高。 渗碳工艺缺点：加热温度高，晶粒易于粗化。 所以发展碳氮共渗等工艺。
Nitriding Method
45 钢 渗 硼 组
45 钢 低
温
碳 氮 共 渗 组 织
织
热处理工艺
退火、正火 预 先 热 处 理
毛坯→退火或正火→机械加工
调 质
下料→锻造→正火（或退火） →机械粗加工→调质→机械精 加工
最终热处理
整体淬火
下料→锻造→正火（或退火） →机械 粗加工、半精加工→淬火、回火→磨削 下料→锻造→正火（或退火） →机械 粗加工→调质→机械半精加工→感应 加热表面淬火、低温回火→磨削 下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬 火、低温回火→磨削 下料→锻造→退火→机械粗加工→调质→ 机械精加工→去应力退火→粗磨→渗氮→ 精磨

淬透性的测定
淬透性的表示方法
淬透性的测定（临界淬透直径）

临界淬透直径是指圆形钢棒在介质中冷却，中心
被淬成半马氏体的最大直径，用D0表示。

D0与介质有关，如45钢D0水=16mm，D0油=8mm。

只有冷却条件相同时，才能进行不同材料淬透性
比较，如45钢D0油=8mm，40Cr D0油=20mm。
强化零件表面的热处理方法。
火焰加热
感 应 加 热
表面淬火目的

使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限; 心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具
有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。

适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。

1
感 应 加 热 表 面 淬 火
Induction hardening
基本原理：集肤效应 – 交流电频率↑ – 集肤效应明显 – 加热层薄 – 淬硬层薄

淬火+低温回火, 回火温度为160-180℃。方法有：

预冷淬火法
–
渗碳后预冷到略高于Ar1温度直接淬火。 即渗碳缓冷后重新加热淬火。

一次淬火法
–

二次淬火法（一次正火加一次淬火）
–
即渗碳缓冷后第一次加热为心部Ac3+30-50℃，细化心 部；第二次加热为Ac1+30-50℃，细化表层。

常用方法是渗碳缓冷后，重新加热到Ac1+30-50℃淬火+低 温回火。此时组织为： 表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量) 心部：M回+F（淬透时）
一般选65Mn、
60Si2Mn等。

(c) 某些受弯曲和扭转的轴 类零件，其表面受力大，心
部受力较小，不需要沿截面
全部淬透，即心部有一定的 强度、韧性即可。可采用淬
透性差一些的钢制造，零件
有一定的淬硬层即可，如直 径的1/2-1/3淬硬层即可。如
机床主轴、曲轴等可采用45
钢或球铁制造。
5.5 钢铁材料的表面热处理
渗 碳 回 火 炉

可控气氛渗碳炉
目的 强化表面→↑表面HRC，耐磨性，σ-1 心部塑韧 保护表面→↑表面抗蚀性，耐热性 基本过程 – 分解--吸收--扩散 常用方法 – 渗碳 气体渗碳 – 渗氮 固体渗碳 – 碳氮共渗

1. 钢的渗碳

渗碳原理：钢件表面化学成分改变，依赖于介质中的 活性元素在钢中的扩散。主要有：介质的分解、钢件 表面的吸收、渗入元素向钢件内扩散达到一定深度。
Chapter 5
Steel heat treatment（II）
第五章
钢的热处理（II）
Contents
5.4
钢的淬透性
5.5
钢铁材料的表面热处理
5.4 钢的淬透性

淬透性是钢的主要热处理性能。

是选材和制订热处理工艺的重要依据之一。
网带式淬火炉
5.4 钢的淬透性
淬透性 —— 钢材奥氏体化后淬火时获得马氏体的能力
淬硬性与淬透性

淬硬性—— 钢淬火时的硬化能力
–
用正常淬火条件下能达到的最高硬度表示

概念区别：
–
1. 淬透性是钢本身的固有属性即钢材淬成马 氏体的能力。由钢材的C曲线决定。
2. 淬硬性主要取决于M的含碳量 3. 实际淬硬层深度h与工件形状、大小、冷 却介质、淬透性有关
– –
淬透性与淬硬层深度的关系
M量和硬度随深度的 变化
影响淬透性的因素

钢的淬透性取决于临界冷却速
度Vk， Vk越小，淬透性越高。 Vk取决于C曲线的位置，C 曲 线越靠右，Vk越小。


凡是影响C曲线的因素都是影响淬透性的因素. 除Co 外，凡溶入奥氏体的合金元素都使钢的淬透性 提高；奥氏体化温度高、保温时间长也使钢的淬透 性提高。

不需渗碳的部位镀铜或者预留加工量（如装配孔）

渗碳用钢：低碳钢，含碳量低保证心部足够的塑韧性， 并且有利于碳的渗入，提高表层含碳量，一般达到过 共析钢的范围。渗碳钢一般应防止晶粒长大。

常用牌号：15、20、20CrMnTi，20Cr等。
工 件 表 层 心 部
0.1-0.25 渗 成分(%C) 0.85-1.05 碳 缓冷组织 P + Fe3CⅡ F+P 组 M板条 +（F+T）[合金钢] 织 淬火+低回 M回 + Fe3C+A残 F + P [碳钢] 硬度 60HRC 30HRC/20HRC（200HB左右）
–
表层组织为M回；心部组织为S回(调质)或F+S(正火)。
工艺路线： 零件：工件整体正火或调质―局部表面淬火、低温回火 组织：S+T或S回 HRC25 M回HRC58-62 目的：保证心部强韧性――表面M强化――改善韧性

工艺特点： – ① 加热速度快，时间短 表层为极细的隐晶M → 硬度高、脆性低 σ-1↑ – ② 变形小，不易氧化脱碳 – ③ 易机械化、自动化 – ④ 设备价贵，维修调整困难
用于单件、小批量
生产的大型零件。
火焰加热 flame induction
5.5.2 钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于特定介质中加热保温，使介质中活
性原子渗入工件表层从而改变工件表层化学成分和组织,进 而改变其性能的热处理工艺。

与表面淬火相比，化学热处理不仅改变钢的表层组织，还 改变其化学成分。 化学热处理也是获得表硬里韧性能的方法之一。 根据渗入的元素不同，化学热处理可分为渗碳、氮化、多 元共渗、渗其他元素等。
表面淬火预备热处理

对于结构钢为调质或正火。

前者性能高，用于要求高
的重要件，后者用于要求
不高的普通件。

回火索氏体
目的:
–
–
为表面淬火作组织准备；
获得最终心部组织。
索氏体
表面淬火后的回火

采用低温回火，温度不高于2wenku.baidu.com0℃。


回火目的为降低内应力，保留淬火高硬度、耐磨性。
表面淬火+低温回火后的组织
某些轴、齿轮、凸 轮的机械性能
表面：硬，耐磨，耐疲劳
心部：塑，韧，耐冲击
M
F,P
解决思路：
选材 低淬透性材料 只改变表层组织 工艺
首先改变表层成 分和组织，然后 再淬火
表面淬火
表面热处理
化学热处理
5.5.1 钢的表面淬火

表面淬火是指在不改变钢的化学成分及心部组织情
况下，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火以
交流电频率↑↑
涡流全部集中在最表层
感应加热 induction heating
感应加热自动生产过程
表面淬火用钢
表面淬火一般采用中碳优质结构钢，如45钢。

保证硬化层有足够的硬度和耐磨性，又无明显的脆性。
心部能保持原有的强度和塑性、韧性。 含碳量过高，表面硬化层易形成淬火裂纹。 含碳量过低，硬度又显不足。 硬化层要求较深时，可采用中碳合金结构钢。 常用牌号：35、40、45、50；40Cr、40MnB等。

不同的钢种，淬成马氏体的能力不同。淬透性好 的钢材，采用较低的冷速即能躲过C曲线的鼻子尖， 而获得马氏体组织。

这说明淬透性反应的是钢材本身的热处理性能。
怎样表示淬透性大小？

淬透性的大小
–
用规定条件下淬硬层深度表
示
–
或某种介质中可以完全淬透 的最大断面直径D0，即临界 淬透直径。
淬硬层深度h： •表面到半M组织的距离
表层为针状M HRC58-62
渗层深度 —— 表层到过渡区的一半 随着深度的增加，出现黑色、 块状分布的T沿F晶界分布。
适用于：
受冲击载荷的耐磨件 低碳（合金）钢
时该 易组 发织 生脆 崩性 落较 及大 20钢齿轮剖面，磨抛后经硝酸酒精溶 断使 液深侵蚀显示齿顶到齿根全部渗碳淬 裂用 齿顶表面处显微组织，基体为针状M+A残 硬层的分布情况 余其上分布呈断续网状的碳化物。HRC64

同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有 关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。

淬透性与工件尺寸、冷却介质无关。它只用于不
同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同
时的淬硬层深度来确定的（与C曲线的位置有
关）。
淬透性的测定（端淬法）

国家标准“结构钢末端淬透性试验法”顶端淬火法； J（HRC/d）表示，J：淬透性，d：距顶端距离，HRC：该 处的硬度。 通过实验绘出硬度－水冷端距离关系曲线称为淬透性曲线。
螺栓等主要零件，工作时 承受均匀的交变拉压应力， 必修保证表面与心部组织、 性能均匀一致，应采用淬 透性较好的钢材，全截面 淬透。例如连杆螺栓，1015mm直径，要求淬火后 心部马氏体达95％，应选 用40Cr。
活 塞 销
连杆螺栓

(b) 弹簧零件必须全 部淬透，若淬透性差，
心部易出现铁素体组
织，使疲劳强度下降。
淬透性的应用

利用淬透性曲线及圆棒冷速与端淬距离的关系曲线可以预 测零件淬火后的硬度分布。下图为预测50mm直径40MnB
钢轴淬火后断面的硬度分布.

利用淬透性曲线进行选材。如要求厚60mm汽车转向节淬 火后表面硬度超过HRC50，1/4半径处为HRC45。
淬透性与正确选材：
(a) 调质钢件：连杆、连杆
特点
工艺 方法
应用
表层为共析层
渗碳层深度：
20
钢
920 ℃
共析层+1/2亚共析层 =0.7+0.32=1.02mm
次 表 层 为 亚 共 析 层
共 析 钢 P 组 织 45钢亚共析F+P
渗
碳 后
退
火
心部20钢亚共析组织
20钢亚共析F+P
20 钢
920
℃ 渗 碳 后
退
火
20 钢 920 ℃ 渗 碳
+ 860 ℃ 淬 火 组 织
Solid carburizing
Gas carburizing

渗碳温度：为900-950℃。 渗碳层厚度（由表面到过度层一半处的厚度）： 一般为0.5-2mm。

渗碳层表面含碳量：以0.85-1. 05为最好。

渗碳缓冷后组织：

表层为P+网状Fe3CⅡ 心部为F+P; 中间为过渡区。

渗碳后的热处理
表面淬火
渗 碳 渗氮
本章总结
℃

钢在加热时的转变
Accm Acm Arcm A+Fe3CⅡ E
G
F+A F
Ac3 A3 Ar3
A
P
F+P
S
P
Ac1 A1 Ar1
Q
P+Fe3CⅡ
C%

钢在冷却时的三大转变
共 析 碳 钢 连 续 冷 却 转 变 图
热处理工艺
4大热处理常规工艺和2种表面热处理 工艺：

2. 钢的渗氮

在一定温度（一般在Ac1）下使活性氮原子渗入工件表面的 化学热处理工艺称为渗氮。其目的在于提高工件的表面硬度、 耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀和热硬性。
3.碳氮共渗

碳氮共渗是在一定温度下同 时将碳、氮渗入工件表面层 奥氏体并以渗碳为主的化学 热处理工艺。生产中常采用
气体碳氮共渗。
分类
超音频 高频 (200~300 KHz) (20~40 KHz) 中频 (2.5~8 KHz) 工频 (50 Hz)

适用于：需淬硬层薄的中、小零件

多用于：中碳钢、中碳合金钢
2. 火 焰 加 热 表 面 淬 火
特点：操作简便设
备简单，成本低，
灵活性大；加热温
度不易控制，淬火
质量不稳定；主要