金屬材料熱處理

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1、第4章金屬材料熱處理熱處理分類4.1退火與正火4.2鋼的淬火4.3鋼的表面淬火4.4鋼的回火4.5鋼的淬透性4.6固溶處理與時效強化4.7鋼的化學(xué)熱處理4.8熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性及技術(shù)條件標注4.9熱處理技術(shù)新進展本章小結(jié) 熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而獲得所需性能的工藝。熱處理可大幅度地改善金屬材料的工藝性能和使用性能，絕大多數(shù)機械零件必須經(jīng)過熱處理。 熱處理工藝中，鋼在奧氏體化后，冷卻的方式通常有兩種：(1)等溫處理 即將鋼迅速冷卻到臨界點以下的給定溫度，進行保溫，使其在該溫度下恒溫轉(zhuǎn)變。(2)連續(xù)冷卻 即鋼以某種速度連續(xù)冷卻，在臨界

2、點以下變溫連續(xù)轉(zhuǎn)變。熱 處 理熱處理分類加熱冷卻普通熱處理:退火、正火、淬火、回火 表面淬火:感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱淬火表面熱處理 化學(xué)熱處理:滲碳、滲氮、滲金屬其他熱處理：形變熱處理、超細化熱處理、真空熱處理 熱處理工藝曲線保溫臨界溫度時間溫度第4章金屬材料熱處理 4.1退火與正火4.1.1退火 1.完全退火 2.球化退火 3.擴散退火(均勻化退火) 定義、應(yīng)用范圍、后處理 4.去應(yīng)力退火 定義、應(yīng)用范圍、目的4.1.2正火第4章金屬材料熱處理 圖 2-59 片 狀 珠 光體 組 織圖2-60 粒狀珠光體組織 將組織偏離平衡狀態(tài)的鋼加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷

3、卻），以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝叫做退火。 鋼的退火分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火和去應(yīng)力退火等。1.退 火 完全退火又稱重結(jié)晶退火，是把鋼加熱至Ac3以上2030 , 保溫一定時間后緩慢冷卻(隨爐冷卻或埋入石灰和砂中冷卻), 以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。完全退火一般用于亞共析鋼。 完全退火的目的在于，通過完全重結(jié)晶，使熱加工造成的粗大、不均勻的組織均勻化和細化，以提高性能；或使中碳以上的碳鋼和合金鋼得到接近平衡狀態(tài)的組織，以降低硬度，改善切削加工性能。由于冷卻速度緩慢，還可消除內(nèi)應(yīng)力。1). 完 全 退 火 等溫退火是將鋼件加熱到高于Ac3 (或Ac1 ) 的溫度,

4、保溫適當時間后, 較快地冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度, 并等溫保持, 使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。 等溫退火的目的與完全退火相同, 能獲得均勻的預(yù)期組織; 對于奧氏體較穩(wěn)定的合金鋼, 可大大縮短退火時間。2).等 溫 退 火 球化退火為使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝。目的是使二次滲碳體及珠光體中的滲碳體球狀化（退火前正火將網(wǎng)狀滲碳體破碎），以降低硬度，改善切削加工性能；并為以后的淬火作組織準備。球化退火主要用于共析鋼和過共析鋼。 過共析鋼球化退火后的顯微組織為在鐵素體基體上分布著細小均勻的球狀滲碳體。球化退火的加熱溫度略高于Ac1。球化退火需要較長的保溫時間來保證二次滲碳體的自發(fā)球

5、化。保溫后隨爐冷卻。3).球 化 退 火完全退火與等溫退火第4章金屬材料熱處理定義：應(yīng)用范圍：目的：工藝：等溫退火高速鋼等溫退火與完全退火的比較球化退火示意圖第4章金屬材料熱處理定義：應(yīng)用范圍：目的：工藝：T10鋼球化退火 為減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線（固相線以下100200）的溫度，長時間保溫（10h15h），并進行緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為擴散退火或均勻化退火。擴散退火后鋼的晶粒很粗大，因此一般再進行完全退火或正火處理。 4).擴 散 退 火 為消除鑄造、鍛造、焊接和機加工、冷變形等冷熱加工在工件中造成的殘留內(nèi)應(yīng)力而進行的低溫退火，稱為去應(yīng)力退火。

6、去應(yīng)力退火是將鋼件加熱至低于Ac1的某一溫度(一般為500650 )，保溫后隨爐冷卻, 這種處理可以消除約50%80%的內(nèi)應(yīng)力, 不引起組織變化。 5).去 應(yīng) 力 退 火2.正火定義：將鋼加熱到Ac3（亞共析鋼）或Accm（過共析鋼）以上3050，保溫適當?shù)臅r間后在靜止空氣中冷卻的熱處理叫正火。應(yīng)用范圍：目的： （1）要求不高的結(jié)構(gòu)件，可作為最終熱處理。 （2）改善低碳鋼的切削加工性（以防粘刀）。 （3）共析鋼、過共析鋼正火后可消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球 化退火作組織準備。各種退火及正火的加熱溫度范圍第4章金屬材料熱處理碳鋼的硬度與熱處理的關(guān)系第4章金屬材料熱處理各種退火及正火的加熱溫度范圍第

7、4章金屬材料熱處理4.2鋼的淬火定義、目的4.2.1淬火加熱溫度和加熱時間 4.2.2淬火冷卻介質(zhì)4.2.3淬火冷卻方法 1.單介質(zhì)淬火法 2.雙介質(zhì)淬火法 3.分級淬火法 4.等溫淬火法 5.冷處理第4章金屬材料熱處理將 鋼 加 熱 到 相 變 溫 度 以 上 （ 亞 共 析 鋼 為 Ac3以 上30 50 ； 共 析 鋼 和 過 共 析 鋼 為 Ac1以 上 30 50 ） ， 保 溫 一 定 時 間 后 快 速 冷 卻 以 獲 得 馬 氏 體組 織 的 熱 處 理 工 藝 稱 為 淬 火 。 鋼 的 淬 火 溫 度 范 圍 圖2-61 板條馬氏體圖2-62 片狀馬氏體什 么 是 淬 火4

8、21淬火加熱溫度和加熱時間第4章金屬材料熱處理碳鋼的淬火加熱溫度范圍合金鋼的淬火加熱溫度稍微高一些，是臨界點以上50100。加熱時間：箱式爐：12min/mm鹽浴爐：041min/mm合金鋼適當延長淬火:加熱到Ac3、Ac1相變溫度以上，保溫，快速冷卻 M + A。淬火加熱溫度的選擇應(yīng)以得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則，以便冷卻后獲得細小的馬氏體組織1淬火溫度 亞共析鋼 Ac3 + 3050 過共析鋼 Ac1 + 3050 淬火溫度過高 M粗大,淬火應(yīng)力 變形、開裂的傾向 淬 火 加 熱 溫 度422淬火冷卻介質(zhì) 第4章金屬材料熱處理淬 火 介 質(zhì) 冷 卻 速 度 （ 鹽 水 水 鹽 浴 油 ）

9、 650 以 上 慢 ， 減 小 熱 應(yīng) 力 。 650 400 快 ， 避 開 C曲 線 。 400 以 下 慢 ， 減 輕 相 變 應(yīng) 力 。 常用的淬火冷卻介質(zhì)是水和油。水主要用于形狀簡單、截面較大的碳鋼零件的淬火。油一般用作合金鋼的淬火冷卻介質(zhì)。 為了減少零件淬火時的變形，鹽浴也常用作淬火介質(zhì)，主要用于分級淬火和等溫淬火。 常 用 的 淬 火 冷 卻 介 質(zhì)各種淬火方法示意圖1單介質(zhì)淬火法2雙介質(zhì)淬火法3分級淬火法4等溫淬火法5冷處理423淬火冷卻方法第4章金屬材料熱處理 為了保證獲得所需淬火組織，又要防止變形和開裂，必須采用已有的淬火介質(zhì)再配以各種冷卻方法才能解決。通常的淬火方法包括

10、單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等，如圖所示。淬火方法4.3鋼的表面淬火4.3.1感應(yīng)加熱表面淬火 4.3.2火焰加熱表面淬火433激光加熱表面淬火第4章金屬材料熱處理 鋼的表面淬火 表面淬火是將工件表面快速加熱到淬火溫度，然后迅速冷卻，僅使表面層獲得淬火組織，而心部仍保持淬火前組織的熱處理方法。（火焰表面淬火） 感應(yīng)加熱表面淬火的特點： 淬火溫度高于一般淬火溫度。 淬火后獲得非常細小的隱晶馬氏體組織，表層硬度比普通淬火高23H RC。 表層存在很大的殘余壓應(yīng)力。 無氧化、脫碳現(xiàn)象，且工件變形也很小。 易于實現(xiàn)機械化與自動化。感應(yīng)加熱淬火后，為了減小淬火應(yīng)力和降低脆性，需進行170200

11、低溫回火。 感 應(yīng) 加 熱感應(yīng)加熱是利用電磁感應(yīng)原理。 感應(yīng)線圈中通以交流電時，即在其內(nèi)部和周圍產(chǎn)生一與電流相同頻率的交變磁場。若把工件置于磁場中，則在工件內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，并由于電阻的作用而被加熱。由于交流電的集膚效應(yīng)，靠近工件表面的電流密度大，而中心幾乎為零。工件表面溫度快速升高到相變點以上，而心部溫度仍在相變點以下。感應(yīng)加熱后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液噴射淬火，淬火后進行180-200低溫回火，以低淬火應(yīng)力，并保持高硬度和高耐磨性。感 應(yīng) 加 熱 的 基 本 原 理感應(yīng)加熱表面淬火示意圖第4章金屬材料熱處理f/)600500(高頻 100500kH z 0.52.0mm中頻 2.5

12、8kH z 210mm工頻 50H z 1015mm特點：加熱速度快、時間短、氧化脫碳少、變形小、晶粒細小、硬度高，表面層具有較大的殘余壓應(yīng)力，可提高疲勞強度。但設(shè)備昂貴。淬火前調(diào)質(zhì)或正火，淬后需低溫回火。表面淬火一般用于中碳鋼和中碳低合金鋼,如45、40Cr、40MnB鋼等。用于齒輪、軸類零件的表面硬化，提高耐磨性。 (1) 高頻感應(yīng)加熱時，鋼的奧氏體化是在較大的過熱度（Ac3以上80150 )進行的, 因此晶核多, 且不易長大。 (2) 表面層淬得馬氏體后, 由于體積膨脹在工件表面層造成較大的殘余壓應(yīng)力, 顯著提高工件的疲勞強度。 (3) 因加熱速度快，沒有保溫時間，工件的氧化脫碳少。另外

13、，由于內(nèi)部未加熱，工件的淬火變形也小。 (4) 加熱溫度和淬硬層厚度（從表面到半馬氏體區(qū)的距離）容易控制，便于實現(xiàn)機械化和自動化。 感 應(yīng) 加 熱 表 面 熱 處 理 的 特 點火焰加熱表面淬火示意圖第4章金屬材料熱處理 火焰加熱表面淬火是用乙炔氧或煤氣氧等火焰加熱工件表面，進行淬火。 火焰加熱表面淬火和高頻感應(yīng)加熱表面淬火相比，具有設(shè)備簡單，成本低等優(yōu)點。但生產(chǎn)率低，零件表面存在不同程度的過熱，質(zhì)量控制也比較困難。因此主要適用于單件、小批量生產(chǎn)及大型零件（如大型齒輪、軸、軋輥等）的表面淬火?；?焰 加 熱 表 面 淬 火4.4鋼的回火4.4.1回火目的4.4.2回火組織轉(zhuǎn)變及性能變化4.4.

14、3回火工藝及應(yīng)用4.4.4回火脆性第4章金屬材料熱處理 鋼件淬火后, 為了消除內(nèi)應(yīng)力并獲得所要求的組織和性能, 將其加熱到Ac1以下某一溫度, 保溫一定時間, 然后冷卻到室溫的熱處理工藝叫做回火。定 義441回火目的（1）消除或降低應(yīng)力，防止變形或開裂。（2）調(diào)整性能（硬度）（3）穩(wěn)定組織，穩(wěn)定形狀和尺寸，保證精度。第4章金屬材料熱處理4.4.2回火組織轉(zhuǎn)變及性能變化1.鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變 (1)馬氏體的分解（200以下） (2)殘余奧氏體分解(200300 ) (3)滲碳體的形成(250400 ) (4)滲碳體的聚集長大(400以上)2.回火后的組織和性能 (1)回火馬氏體(250 以下)

15、 (2)回火托氏體(350450 ) (3)回火索氏體(500650 )第4章金屬材料熱處理 100 200 馬 氏 體 分 解從 馬 氏 體 內(nèi) 部 會 析 出 碳 化物 薄 片 ， 馬 氏 體 畸 變 降 低 ，淬 火 應(yīng) 力 下 降 ?；?火 馬 氏 體 M ： 過 飽 和 固溶 體 +亞 穩(wěn) 定 碳 化 物200 300 殘 余 奧 氏 體 分解殘 余 奧 氏 體 轉(zhuǎn) 變 成 下 貝 氏體 。250 400 碳 化 物 轉(zhuǎn) 變 碳 化 物 細 粒 狀 Fe3C回 火 屈 氏 體 (回 火 T)： 鐵 素體 基 體 上 彌 散 分 布 的 細 粒狀 滲 碳 體 。淬 火 鋼 的 回 火

16、轉(zhuǎn) 變碳化物聚集長大及回復(fù)與再結(jié)晶400以上析出粒狀 Fe3C 并粗化。 回火溫度為600 ,鐵素體發(fā)生再結(jié)晶長大為等軸晶粒， 得到粒狀滲碳體分布在鐵素體基體上稱回火索氏體。 碳 化 物 聚 集 長 大 ,回 復(fù) 與 再 結(jié) 晶 回 火 馬 氏 體 ： 過 飽 和 -Fe +碳 化 物 。 回 火 屈 氏 體 (回 火 T)： 鐵 素 體 基 體 上 大量 彌 散 分 布 的 細 粒 狀 滲 碳 體 。 回 火 索 氏 體 ： 等 軸 狀 鐵 素 體 基 體 上 分 布粒 狀 滲 碳 體 。M 、 T 、 S 的 組 織 形 態(tài) 比 較 鋼 的 硬 度 隨 回 火 溫 度 的 變 化 40鋼

17、機 械 性 能 與 回火 溫 度 的 關(guān) 系 鋼 回 火 時 性 能 的 變 化淬火鋼中馬氏體的碳含量、殘余奧氏體量、 內(nèi)應(yīng)力及碳化物粒子大小與回火溫度的關(guān)系 淬火鋼回火時的變化過程第4章金屬材料熱處理40鋼回火后的力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)系第4章金屬材料熱處理4.4.3回火工藝及應(yīng)用1.低溫回火(150250 )2.中溫回火(350500 )3.高溫回火(500650 )第4章金屬材料熱處理 回火溫度為150250。在低溫回火時，從淬火馬氏體內(nèi)部會析出碳化物薄片（Fe2.4C), 馬氏體的過飽和度減小。部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w, 但量不多。所以低溫回火后組織為回火馬氏體殘余奧氏體。下貝氏體

18、可忽略。 低溫回火的目的是降低淬火應(yīng)力，提高工件韌性，保證淬火后的高硬度(一般為58HRC64HRC)和高耐磨性。 低 溫 回 火 回火溫度為350500，得到鐵素體基體與大量彌散分布的細粒狀滲碳體的混合組織，叫做回火屈氏體(回火T)。鐵素體仍保留馬氏體的形態(tài)，滲碳體比回火馬氏體中的碳化物粗。 回火屈氏體具有高的彈性極限和屈服強度，同時也具有一定的韌性，硬度一般為35HRC45HRC。 中 溫 回 火 回 火 溫 度 為 500 650 , 得 到 粒 狀 滲 碳 體 和 鐵 素體 基 體 的 混 和 組 織 , 稱 回 火 索 氏 體 。 回 火 索 氏 體 回 火 索 氏 體 (回 火 S

19、)綜 合 機 械 性 能 最 好 , 即 強 度 、塑 性 和 韌 性 都 比 較 好 ， 硬 度 一 般 為 25HRC 35HRC。 通 常 把 淬 火 加 高 溫 回 火 稱 為 調(diào) 質(zhì) 處 理 。 鋼 在 回 火 時 會 產(chǎn) 生 回 火 脆 性 現(xiàn) 象 , 即 在 250 400 和 450 650 兩 個 溫 度 區(qū) 間 回 火 后 , 鋼 的 沖擊 韌 性 明 顯 下 降 。 高 溫 回 火4.4.4回火脆性第4章金屬材料熱處理鋼的韌性與回火溫度的關(guān)系鋼在回火時會產(chǎn)生回火脆性現(xiàn)象, 即在250400和450650兩個溫度區(qū)間回火后, 鋼的沖擊韌性明顯下降。 需要指出，有些鋼在250

20、400和450650的范圍內(nèi)回火時，其沖擊韌性比在較低溫度回火時還顯著下降，這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400回火時出現(xiàn)的脆性稱為低溫回火脆性，又叫第一類回火脆性；而在450650溫度范圍內(nèi)回火時出現(xiàn)的脆性稱為高溫回火脆性，也叫第二類回火脆性。 第 二 類 回 火 脆 性為了防止低溫回火脆性，通常的辦法是避免在脆化溫度范圍內(nèi)回火。防止高溫回火脆性的方法是加熱后快冷。防止和減弱第二類回火脆性的措施:合金鋼回火時,加熱到500650 快速冷卻; 大型零件在鋼中加Mo、W、Nb等合金元素; 提高合金的純度,減少N、O、P等雜質(zhì)元素含量; 采用變形熱處理或二次淬火,避免雜質(zhì)的偏聚. 措 施4.5

21、鋼的淬透性第4章金屬材料熱處理淬硬層深度概念：淬透性概念:淬透性的影響因素： (1)鋼的含碳量 (2)合金元素 (3)鋼中未溶物質(zhì)淬硬性概念：淬透性與選材的關(guān)系: (1)動載和交變載荷下; (2)彈簧類零件 (3)軸類零件 (4)工具類零件工作截面的不同冷卻速度 鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小通常用規(guī)定條件下淬火獲得淬透層的深度（又稱有效淬硬深度）的距離作為淬透層深度。淬 透 性淬透性可用“末端淬火法”測定。 鋼的淬透性用 表示，其中d表示淬透性曲線上測試點至水冷端的距離（mm）,H RC為該處的硬度值。淬 透 性 測 定 生產(chǎn)中也常用臨界淬火直徑表示鋼的淬透性。所謂臨界淬火

22、直徑，是指圓棒試樣在某介質(zhì)中淬火時所能得到的最大淬透直徑（即心部被淬成半馬氏體的最大直徑），用Do表示。在相同冷卻條件下，Do越大，鋼的淬透性越好。 鋼的淬硬性是指淬火后馬氏體所能達到的最高硬度，淬硬性主要決定于馬氏體的碳含量。淬透性：淬火條件下得到M組織的能力，取決于Vk（臨界冷卻速度）。 淬硬性：鋼在淬火后獲得硬度的能力，取決于M中C%，C% 淬硬性 影響淬透性的因素：Vk（除Co以外，合金元素使C曲線右移，淬透性）。鋼 的 淬 透 性 (1)碳含量 在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好；亞共析鋼隨碳含量減少，臨界冷速增加，淬透性降低；過共析鋼隨碳含量增加，臨界冷速增加，淬透性降低。

23、 (2)合金元素 除鈷以外，其余合金元素溶于奧氏體后，降低臨界冷卻速度，使C曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼往往比碳鋼的淬透性要好。影 響 臨 界 冷 速 的 因 素（3）奧氏體化溫度 提高奧氏體化溫度，將使奧氏體晶粒長大、成分均勻，可減少珠光體的生核率，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。 (4)鋼中未溶第二相 鋼中未溶入奧氏體中的碳化物、氮化物及其它非金屬夾雜物，可成為奧氏體分解的非自發(fā)核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。 鋼材經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后, 淬透性好的鋼棒整個截面都是回火索氏體, 機械性能均勻, 強度高, 韌性好，而淬透性差的鋼心部為片狀索氏體+鐵素體, 只表層為回火索氏體, 心部

24、強韌性差。 4.6固溶處理與時效強化第4章金屬材料熱處理固溶處理:時效強化:時效需滿足的條件:舉例:鋁合金時效強化特點: Wc為4%的Al-Cu合金的時效曲線4.7鋼的化學(xué)熱處理 定義:鋼的化學(xué)熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫,使一種或幾種元素滲入表層,以改變其化學(xué)成分組織和性能的熱處理工藝. 化學(xué)熱處理的基本過程: (1)活性原子的產(chǎn)生 2CO 2C+O2 2NH3 2N+3H 2 (2)活性原子的吸收 (3)活性原子的擴散舉例:鋼的滲碳第4章金屬材料熱處理鋼的滲碳1.滲碳方法 氣體滲碳、固體滲碳、液體滲碳2.滲碳工藝參數(shù) 滲碳溫度:900950 滲層表面含碳量:0.85

25、%1.05% 滲層厚度:與滲碳時間有關(guān),與工件的尺寸有關(guān)3.滲碳后的熱處理 直接淬火法、一次淬火法、二次淬火法v 滲碳件淬火后應(yīng)進行低溫回火(150200 ), 以減少應(yīng)力和脆性.回火后的組織是馬氏體和 滲碳體,硬度達5864H RC.第4章金屬材料熱處理 為了增加表層的碳含量和獲得一定碳濃度梯度, 鋼件在滲碳介質(zhì)中加熱和保溫，使碳原子滲入表面的工藝稱為滲碳。將工件裝在密封的滲碳爐中，加熱到900950，向爐內(nèi)滴入煤油、苯、甲醇等有機液體，或直接通入煤氣、石油液化氣等氣體，通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，使鋼件表面滲碳。滲碳使低碳(0.150.30%)鋼件表面獲得高碳濃度（約1.0%）。 什 么

26、是 滲 碳碳 (0.15 0.30%)鋼 件 表 面 獲 得 高 碳 濃 度 （ 約 1.0%） 。 氣 體 滲 碳 爐 氣 體 滲 碳 裝 置 示 意 圖 低 碳 鋼 滲 碳 緩 冷 后 的 顯 微 組 織 鋼的氣體滲碳第4章金屬材料熱處理 定義: 工件在氣體滲碳劑中進行滲碳的工藝,稱為氣體滲碳.活性碳原子的獲得:通入煤氣、液化石油氣等,或滴入易分解的液體有機物,如煤油、甲醇、丙酮等. CnH 2n nC+NH 2 2CO C+CO2 CO+H2 C+H 2O 特點:滲碳過程、滲層厚度容易控制,滲碳時間短,生產(chǎn)效率高質(zhì)量好. 風(fēng)扇電動機廢氣火焰爐蓋砂封電阻絲耐熱罐工件爐體氣體滲碳示意圖 滲碳

27、溫度:900950 滲層表面含碳量:0.85%1.05% 滲層厚度:與滲碳時間有關(guān),與工件的尺寸有關(guān)滲 碳 工 藝 參 數(shù)滲 碳 處 理 的 工 藝 參 數(shù) 是 滲 碳 溫 度 和 滲 碳 時 間 。由 于 奧 氏 體 的 溶 碳 能 力 較 大 ， 因 此 滲 碳 溫 度 必 須 高于 Ac3溫 度 。 加 熱 溫 度 越 高 ， 則 滲 碳 速 度 越 快 ， 滲碳 層 越 厚 ， 生 產(chǎn) 率 也 越 高 。 但 為 了 避 免 奧 氏 體 晶 粒過 分 長 大 ， 所 以 滲 碳 溫 度 不 能 太 高 ， 通 常 為900 950 。 在 溫 度 一 定 的 情 況 下 ， 滲 碳 時

28、 間 取決 于 滲 碳 層 的 厚 度 。 表 6-4是 不 同 滲 碳 溫 度 下 ， 不 同滲 碳 時 間 的 滲 層 厚 度 。 滲 碳 工 藝 及 組 織 滲碳后的組織 常用于滲碳的鋼為低碳鋼和低碳合金鋼，如20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。滲碳后緩冷組織自表面至心部依次為：過共析組織（珠光體+碳化物）、共析組織（珠光體）、亞共析組織（珠光體+鐵素體）的過渡區(qū)，直至心部的原始組織滲 碳 的 運 用低 碳 鋼 齒 輪 滲 碳 、 工 藝 曲 線 示 意 圖 固 體 滲 碳 是 將 工 件 和 固 體 滲 碳 劑 裝 入 滲 碳 箱 中 ，用 蓋 子 和 耐 火 泥 封

29、好 ， 然 后 放 在 爐 中 加 熱 至 900 950 ， 保 溫 足 夠 長 時 間 ， 得 到 一 定 厚 度 的 滲 碳 層 。固 體 滲 碳 劑 通 常 是 一 定 粒 度 的 木 炭 與 15% 20%的 碳酸 鹽 （ BaCO3或 Na2CO3） 的 混 合 物 。 木 炭 提 供 滲 碳所 需 要 的 活 性 炭 原 子 ， 碳 酸 鹽 起 催 化 作 用 ， 反 應(yīng) 如 下 ： 固 體 滲 碳 (1)直接淬火 滲 碳 后 直 接 淬 火 ， 由 于 滲 碳 溫 度 高 , 奧 氏 體 晶 粒長 大 , 淬 火 后 馬 氏 體 較 粗 , 殘 余 奧 氏 體 也 較 多 ,

30、所 以 耐 磨 性 較 低 , 變 形 較 大 。 為 了 減 少 淬 火 時 的 變 形 , 滲 碳 后 常 將 工 件 預(yù) 冷 到830 850 后 淬 火 。 滲 碳 后 的 熱 處 理 示 意 圖滲 碳 后 的 熱 處 理 （2） 一次淬火 是在滲碳緩慢冷卻之后, 重新加熱到臨界溫度以上保溫后淬火，心部組織要求高時 一次淬火的加熱溫度略高于Ac3。對于受載不大但表面性能要求較高的零件, 淬火溫度應(yīng)選用Ac1以上3050 , 使表層晶粒細化, 而心部組織無大的改善, 性能略差一些。 (3)二次淬火 對于機械性能要求很高或本質(zhì)粗晶粒鋼, 應(yīng)采用二次淬火。第一次淬火是為了改善心部組織, 加熱

31、溫度為Ac3以上3050。第二次淬火是為細化表層組織, 獲得細馬氏體和均勻分布的粒狀二次滲碳體, 加熱溫度為Ac1以上3050。 (4)滲碳、淬火后進行低溫(150200 )回火, 以消除淬火應(yīng)力和提高韌性。 表面硬度高，達58HRC64HRC以上, 耐磨性較好;。心部韌性較好, 硬度較低，可達3045HRC。 疲勞強度高。表層體積膨脹大，心部體積膨脹小，結(jié)果在表層中造成壓應(yīng)力，使零件的疲勞強度提高。 鋼 滲 碳 、 淬 火 、 回 火 后 的 性 能 氮化就是向鋼件表面滲入氮的工藝。氮化的目的在于更大地提高鋼件表面的硬度和耐磨性，提高疲勞強度和抗蝕性。常用的氮化鋼有35CrAlA, 38Cr

32、MoAlA, 38CrWVAlA等。常用的滲氮方法有氣體滲氮、離子滲氮、氮碳共滲（軟氮化）等。 （1）工藝 目前廣泛應(yīng)用的是氣體氮化。氨被加熱分解出活性氮原子（2NH33H2+2N), 氮原子被鋼吸收并溶入表面, 在保溫過程中向內(nèi)擴散, 形成滲氮層。 氮化溫度 一般為500600。氮化時間長，一般為20h50h，氮 化一 般 為 500 600 。 氮 化 時 間 長 ， 一 般 為 20h 50h， 氮 化 前 零 件 須 經(jīng) 調(diào) 質(zhì) 處 理 目 的 是 改 善 機 加 工 性 能 和獲 得 均 勻 的 回 火 索 氏 體 組 織 , 保 證 較 高 的 強 度 和 韌 性 。 對 于 形狀

33、 復(fù) 雜 或 精 度 要 求 高 的 零 件 ， 在 氮 化 前 精 加 工 后 還 要 進 行 消 除內(nèi) 應(yīng) 力 的 退 火 ， 以 減 少 氮 化 時 的 變 形 。 與 滲 碳 相 比 ， 滲 氮 溫度 低 且 滲 氮 后 不 再 進 行 熱 處 理 ， 所 以 工 件 變 形 小 。 為 了 提 高 滲 碳 工 件 的 心 部 強 韌 性 ， 需 要 在 滲 氮 前 對 工 件進 行 調(diào) 質(zhì) 處 理 。 鋼件氮化后具有很高的硬度(1000HV1100HV), 且在600650下保持不下降, 所以具有很高的耐磨性和熱硬性。氮化后，工件的最外層為一白色或相的氮化物薄層，很脆。常用精磨磨去；

34、中間是暗黑色含氮共析體（）層；心部為原始回火索氏體組織。 鋼氮化后, 滲層體積增大, 造成表面壓應(yīng)力, 使疲勞強度大大提高。 氮化溫度低, 零件變形小。 氮化后表面形成致密的化學(xué)穩(wěn)定性較高的相層, 所以耐蝕性好, 在水中、過熱蒸氣和堿性溶液中均很穩(wěn)定。組 織 和 性 能 ：38CrMoAl鋼氮化層的顯微組織 400 碳氮共滲就是同時向零件表面滲入碳和氮的化學(xué)熱處理工藝，也稱氰化。一般采用高溫或低溫兩種氣體碳氮共滲。低溫碳氮共滲以氮為主，實質(zhì)為軟氮化。1.高溫碳氮共滲工藝將工件放入密封爐內(nèi)，加熱到共滲溫度830850，向爐內(nèi)滴入煤油，同時通以氨氣，經(jīng)保溫1h2h后，共滲層可達0.2mm0.5mm

35、。高溫碳氮共滲主要是滲碳，但氮的滲入使碳濃度很快提高，從而使共滲溫度降低和時間縮短。碳氮共滲后淬火, 再低溫回火。 碳 氮 共 滲碳氮共滲后的機械性能 (1)共滲及淬火后, 得到的是含氮馬氏體, 耐磨性比滲碳更好。 (2)共滲層具有比滲碳層更高的壓應(yīng)力, 因而疲勞強度更高, 耐蝕性也較好。 機 械 性 能 在約900左右采用固體或液體方式向鋼滲入硼（B）元素，鋼表面形成幾百微米厚以上的Fe2B或FeB化合物層，其硬度較氮化的還要高，一般為1300HV以上，有的高達1800HV，抗磨損能力很高。滲鉻、滲釩等滲金屬后，鋼表層一般形成一層碳的金屬化合物，如Cr7C3、V4C3等，硬度很高，如滲釩后硬

36、度可高達18002000HV，適合于工具、模具增強抗磨損能力。其 它某汽車齒輪采用20CrMoTi鋼制造，其制造工藝如下：下料 鍛造成園并 退火 粗車并銑齒成型 精銑齒輪 滲碳淬火低溫回火 研磨 入庫。退火是中間熱處理，目的是降低鍛造應(yīng)力、降低鍛造硬化、細火晶粒、均勻化學(xué)成分。滲碳淬水并低溫回火是最終熱處理，目的是增強齒輪的抗磨損性能。事 例 分 析4.8熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性和技術(shù)條件標注4.8.1熱處理零件的結(jié)構(gòu)工藝性 (1)力求避免尖角、棱角 (2)截面厚薄盡量均勻 (3)形狀盡量對稱和封閉 (4)采用組合結(jié)構(gòu)4.8.2熱處理技術(shù)條件的標注第4章金屬材料熱處理在實際生產(chǎn)中，工程師們有時只

37、注意到如何使零件的結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸適合部件機構(gòu)的需要，而往往忽視了零件在熱處理過程中因其結(jié)構(gòu)和加工工藝不合理給熱處理工序帶來的不便，以致引起淬火變形甚至開裂，使零件報廢。因此，在設(shè)計時，必須充分考慮淬火零件的結(jié)構(gòu)、形狀及各部分的尺寸以及加工工藝與熱處理工藝性的關(guān)系。避免尖角設(shè)計第4章金屬材料熱處理在零件設(shè)計過程中，要在尖角、棱角地方倒角，如圖因為尖角、棱角部分是淬火時應(yīng)力最為集中地方，往往成為淬火裂紋的起點。避免厚薄懸殊第4章金屬材料熱處理設(shè)計時要避免厚薄懸殊（如圖），使淬火后薄處變形直徑增大。設(shè)計時還要考慮零件對稱，如圖零件形狀不對稱，淬火后零件橢園度變大，為此開一個工藝孔可減少橢園度。 采

38、用對稱結(jié)構(gòu)第4章金屬材料熱處理采用封閉結(jié)構(gòu)第4章金屬材料熱處理 在選擇材質(zhì)時，嚴格按標準取用鋼材，特別要注意其中的化學(xué)成分以及硫、磷含量、非金屬夾雜雜等級是否符合標準。合理安排加工工藝路線，通過淬火之前的熱處理（退火、正火等）將組織調(diào)整到正常組織，內(nèi)應(yīng)力予以消除，特別要使組織細化。前序的冷加工及熱加工不要留下表面及內(nèi)部裂紋及深的刀痕。 淬火前工件予留足夠的加工余量，根據(jù)前人試驗積累的資料對一定材質(zhì)，一定形狀的零件在一定的淬火加熱工藝下變形是有一定規(guī)律的。零件淬火變形后可通過機械方法校直，減少變形量，但仍恢復(fù)不到要求的公差，因此需要要通過切削或磨削的辦法消除變形，為此淬火之前必須留足加工余量。注

39、 意 事 項 5 熱處理技術(shù)條件的標注附加分類工藝代號加工方法工藝名稱工藝類型熱處理基礎(chǔ)分類工藝代號第4章金屬材料熱處理表4.6熱處理工藝分類及代號工藝名稱代號工藝類型代號 工藝名稱代號 加熱方 法代號 熱 處 理 5 整 體 熱 處 理 1退火1 加熱爐 感應(yīng) 1 2正火2淬火3淬火和回火4調(diào)質(zhì)5穩(wěn)定化處理6 火焰 3固溶熱處理;水韌處理7固溶處理和時效8續(xù)表4.6熱處理工藝分類及代號工藝名稱代號工藝類型代號 工藝名稱代號 加熱方 法代號 熱 處 理 5 表 面 熱 處 理 2表面淬火和回火1 電阻 激光 4 5物理氣相沉積2化學(xué)氣相沉積3等離子體2氣相沉積4續(xù)表4.6熱處理工藝分類及代號工

40、藝名稱代號工藝類型代號 工藝名稱代號 加熱方 法代號 熱 處 理 5 化 學(xué) 熱 處 理3滲碳 1 電子束等離子體 6 7碳氮共滲 2滲氮 3氮碳共滲 4滲其他非金屬 5滲金屬 6 其他 8多元共滲 7熔滲 8熱處理技術(shù)條件標注舉例第4章金屬材料熱處理45鋼軸 45鋼搖桿表面淬火標注實例4.9熱處理技術(shù)新進展4.9.1形變熱處理 1.高溫形變熱處理 2.低溫形變熱處理4.9.2超細化熱處理4.9.3真空熱處理 1.真空退火 2.真空淬火 3.真空滲碳4.9.4離子轟擊熱處理4.9.5激光熱處理4.9.6電子束熱處理4.9.7計算機輔助熱處理生產(chǎn)第4章金屬材料熱處理 在真空中進行的熱處理稱為真空

41、熱處理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學(xué)熱處理等。真空熱處理具有如下優(yōu)點：(1)可以減少變形 在真空中加熱，升溫速度很慢，工件變形小。 (2)可以凈化表面 在高真空中, 表面的氧化物、油污發(fā)生分解, 工件可得光亮的表面, 提高耐磨性、疲勞強度。防止工件表面氧化。(3)脫氣作用 有利于改善鋼的韌性， 提高工件的使用壽命。真 空 熱 處 理 1-真 空 容 器 ; 2-直 流 電 源 ; 3-測 溫 裝 置 系 統(tǒng) ; 4-真 空 泵 ; 5-滲 劑 氣 體 調(diào) 節(jié) 裝 置 ; 6-待 處 理 工 件離 子 滲 擴 示 意 圖離 子 滲 擴 熱 處 理 離子氮化所用介質(zhì)一般為氨氣, 壓

42、強保持在1.31021.3103Pa, 溫度為500560 , 滲層為Fe2N、Fe4N等氮化物,具有很高的耐磨性、耐蝕性和耐疲勞性。 離子氮化的優(yōu)點：滲速是氣體滲氮的34倍。滲層具有一定的韌性。處理后變形小, 表面銀白色, 質(zhì)量好。能量消耗低, 滲劑消耗少, 對環(huán)境幾乎無污染。與氣體氮化相比，離子氮化的特點是處理周期短，僅為氣體氮化的1/31/4（例如38CrMoAl鋼，氮化層深度若達到0.350.7mm，氣體氮化一般需70小時，而離子氮化僅需1520小時），零件的表面不易形成連續(xù)的白色脆性層。離 子 氮 化離子滲氮可用于輕載、高速條件下工作的需要耐磨耐蝕的零件及精度要求較高的細長桿類零件，

43、 如鏜床主軸，精密機床絲杠、閥桿、閥門等。運 用 先 進 行 離 子 氮 碳 共 滲 , 介 質(zhì) 為 氨 氣 +丙 酮 蒸 汽 , 共 滲 溫 度 為 530 580 , 后 再 進 行 離 子 滲 硫 。 W18Cr4V鋼 經(jīng) 復(fù) 合 處 理 后 , 次 表 層為 Fe2-3(N,C)化 合 物 層 , 表 層 主 要 由 FeS、 Fe3S4組 成 。 由 于 硫 化 物具 有 自 潤 滑 性 能 , 因 此 降 低 了 摩 擦 系 數(shù) , 同 時 表 面 硫 化 物 的 存 在 還提 高 了 工 件 的 抗 咬 合 性 能 。 次 表 層 高 硬 度 的 氮 碳 化 合 物 具有 很 高

44、 的 耐 磨 性 , 因 此 這 種 復(fù) 合滲 層 抗 摩 耐 磨 性 好 , 適 于 模 具 、刃 具 的 表 面 處 理 , 以 提 高 它 們 的使 用 壽 命 。 W18Cr4V鋼 離 子 氮 碳 共 滲 離 子 氮 碳 共 滲 +離 子 滲 硫 復(fù) 合 處 理 激光熱處理是利用激光加熱工件，依靠工件本身的傳熱來實現(xiàn)冷卻淬火的工藝。 特點： 可在0.3s達到最高溫度，1s內(nèi)冷卻到Ms點，可在表面層獲得全部馬氏體組織。 激光熱處理不受鋼種的限制，與鋼的淬透性無關(guān)。激 光 熱 處 理本章小結(jié) 熱處理安排在各種加工工序之間，既可用于消除上一道工藝所產(chǎn)生的缺陷，也可為下一道工藝創(chuàng)造條件，更重要的是可以充分發(fā)揮鋼材的潛力，提高工件的使用性能，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長工件的使用壽命。因此，熱處理是強化鋼材的重要工藝之一。 熱處理的方法很多，他們都是由加熱、保溫、冷卻三個階段組成，因此，應(yīng)重點掌握各種熱處理在以上三階段的組織變化。第4章金屬材料熱處理