学习情境五 钢的热处理剖析

知 识 目 标 1 掌 握 过 冷 奥 氏 体 的 等 温 转 变 和 连 续 冷 却 转 变 ； 2 掌 握 钢 的 退 火 、 正 火 、 淬 火 、 回 火 工 艺 ； 3 了 了 解 钢 的 表 面 淬 火 及 化 学 热 处 理 的 应 用 ； 4. 了 解 表 面 气 相 沉 积 技 术 。 钢 在 加 热 时 的 组 织 转 变钢 在 冷 却 时 的 组 织 转 变钢 的 退 火 与 正 火钢 的 淬 火钢 的 回 火钢 的 表 面 热 处 理表 面 气 相 沉 积 和 热 处 理 新 工 艺 简 介 是 将 固 态 金 属 或 合 金 在 一 定 介 质 中 加 热 、 保 温 和 冷 却 ，以 改 变 材 料 整 体 或 表 面 组 织 ， 从 而 获 得 所 需 性 能 的 一 种 加 工工 艺 。热 处 理 保 温 时 间温度 临 界 温 度 热加 冷 却 2.热 处 理 的 主 要 目 的 :改 变 钢 的 性 能 。3.热 处 理 的 应 用 范 围 :整 个 制 造 业 。4.热 处 理 的 分 类热 处 理 普 通热 处 理 表 面热 处 理 退 火 ;正 火 ;淬 火 ;回 火 ;表 面 淬 火 化 学热 处 理 感 应 加热 淬 火火 焰 加热 淬 火渗 碳 ;渗 氮 ;碳 氮 共 渗 ; 铁 碳合 金实 际加 热或 冷却 时转 变温 度变 化图 1.奥 氏 体 形 成 的 基 本 过 程共 析 钢 奥 氏 体 化 过 程 示 意 图 亚 共 析 钢 的 A化 ： P A 后 ， 先 共 析 F溶 解 过 共 析 钢 的 A化 ： P A 后 ， Fe3C 溶 解 2.影 响 珠 光 体 向 奥 氏 体 转 变 的 因 素 含 碳 量含 碳 量增 加 ，利 于 奥 氏 体 加速 形成 奥 氏 体 形 成 速 度 与 加 热 温 度 、 加 热 速 度 、钢 的 成 分 以 及 原 始 组 织 等 有 关 。 加 热 温 度温 度 越 高 ，奥 氏 体 形成 速 度 越快 . 加 热 速 度速 度 越 快 ，奥 氏 体 形 成速 度 越快 . 合 金 元 素显 著 影响 奥 氏体 的 形成 速度 . 组 织（ 珠 光 体 ）越 细 ， 奥 氏体 形 成 速 度越快 . 钢 在 热 处 理 加 热 后 必 须 有 保 温 阶 段 ， 不仅 是 为 了 使 工 件 热 透 ， 也 是 为 了 使 组 织 转 变 完全 ， 以 及 保 证 奥 氏 体 成 分 均 匀 。 钢 在 加热 时 为 了 得 到 细 小 而 均 匀 的 奥 氏 体 晶 粒 ， 必 须 严 格控 制 加 热 温 度 和 保 温 时 间 ， 以 免 发 生 晶 粒 粗 大 的 现象 。 小 提 示 1.奥 氏 体 晶 粒 度 的 概 念 根 据 奥 氏 体 形 成 过 程 和晶 粒 长 大 情 况 ， 奥 氏 体 晶粒 度 可 分 为 起 始 晶 粒 度 、实 际 晶 粒 度 和 本 质 晶 粒 度三 种 。 1.奥 氏 体 晶 粒 度 的 概 念1. 奥 氏 体 晶 粒 度 ：l 起 始 晶 粒 度l 实 际 晶 粒 度l 本 质 晶 粒 度 奥 氏 体 形 成 刚 结 束 ， 奥 氏 体 晶 粒 边 界 刚 刚 相 互 接 触 时 的 晶 粒 大 小奥 氏 体 在 具 体 加 热 条 件 下 所 获 得 奥 氏 体 晶 粒 的 大 小特 定 条 件 下 钢 的 奥 氏 体 晶 粒 长 大 的 倾 向 性 ， 并 不 代 表 具 体 的 晶 粒 大 小特 定 条 件 930 10 ， 保 温 8h 倾 向 性 本 质 粗 晶 粒 钢 （ Mn， Si）本 质 细 晶 粒 钢 （ Al） 加 热温 度与 奥氏 体晶 粒长 大的 关系 2.奥 氏 体 晶 粒 长 大 及 其 影 响 因 素1） 加 热 温度 和 保 温 时间 2） 钢 的 成分 n 温 度 越 高 ， 保 温 时 间 越 长 ， 奥氏 体 晶 粒 长 大 越 明 显n 晶 界 上 存 在 未 溶 的 碳 化 物 时 ，会 对 晶 粒 长 大 起 阻 碍 作 用 ， 使 奥 氏体 晶 粒 长 大 倾 向 减 小n 合 金 元 素 ， 也 影 响 奥 氏 体 晶 粒长 大 ， 除 锰 、 磷 外 几 乎 所 有 合 金 元素 都 阻 碍 奥 氏 体 晶 粒 长 大 1. 奥 氏 体 是 不 是 降 温 到 临 界 温 度 以 下 就 立 即 发 生 转 变 呢 ？2. 不 同 的 冷 却 速 度 是 否 也 得 到 同 一 种 的 组 织 呢 ？ 过 冷 奥 氏 体 ： 在 临 界 点 以 下 存 在 的 不 稳 定 的 且 将 要 发 生 转 变 的 奥氏 体 ， 称 为 过 冷 奥 氏 体 。临 界 点 以 下 不 稳 定 将 要 发 生 转 变冷 却 方 式 ： 等 温 冷 却 方 式 和 连 续 冷 却 方 式 。转 变 产 物 组 织 性 能 均 匀 ， 研 究 领 域 应 用 广等 温 冷 却 方 式 连 续 冷 却 方 式转 变 产 物 为 粗 细 不 匀 甚 至 类 型 不 同 的 混 合组 织 ， 实 际 生 产 中 广 泛 采 用 1.等 温 转 变 曲 线 珠光体型转变区贝氏体型转变区马氏体型转 变区（ 1） 高 温 等 温 转 变 ： 珠 光 体 型 转 变 区（ 2） 中 温 等 温 转 变 ： 贝 氏 体 型 转 变 区 （ 3） 低 温 连 续 转 变 ： 马 氏 体 型 转 变 区 2.影 响 C 曲 线 的 因 素2） 合 金 元 素 1） 碳 的 质 量 分 数3） 加 热 温 度 和 保 温 时 间 3.共 析 钢 的 过 冷 奥 氏 体 等 温 转 变 珠 光 体 转 变 和 珠 光 体 的 组 织 形 态 与 性 能 根 据 过 冷 奥 氏 体 转 变 温 度 的 不 同 ， 共 析 成 分 碳 钢 的 转 变 产 物 可分 为 珠 光 体 （ A1 550 ） 、 贝 氏 体 （ 550 MS） 和 马 氏 体（ MS Mf） 三 种 。l 过 冷 奥 氏 体 向 珠 光 体 转 变 ， 是 通 过 形 核 和 长 大 的 过 程 来 完 成 的 ；l 珠 光 体 转 变 是 一 个 扩 散 型 转 变 （ Fe、 C原 子 都 进 行 扩 散 ） ；l 一 般 情 况 下 ， 珠 光 体 为 片 状 铁 素 体 和 片 状 渗 碳 体 相 间 分 布 的 层 状组 织 ， 称 为 片 状 珠 光 体 ； F 渗 碳 体片 间 距 ： 相 邻 两 片 渗 碳 体 中 心之 间 的 距 离 1）高 温 转 变 托 氏 体托 氏 体 是 ： 极 细片 状 的 珠 光 体 ， 片层 极 薄 间 距 小 于0.2m， 只 有 在 电子 显 微 镜 下 （ 5000倍 ） 才 能 分 辨 出 它们 呈 片 状 。 索 氏 体索 氏 体 为 ： 细 片 状 珠 光 体 ， 片层 较 薄 间 距 在 0.4 0.2m， 一 般在 800 1000倍 的 光 学 显 微 镜 下 才可 分 辨 珠 光 体 粗 片 层 状 铁 素 体和 渗 碳 体 的 混 合 物 ，片 层 间 距 大 于 0.4m一 般 在 500倍 以 下 的光 学 显 微 镜 下 即 可 分辨 。 贝 氏 体 转 变 和 贝 氏 体 的 纽 织 形 态 与 性 能 钢 的 过 冷 奥 氏 体 在 珠 光 体 转 变 温 度 以 下 、 马 氏 体 转 变 温 度 以 上的 温 度 范 围 内 ， 发 生 一 种 半 扩 散 型 相 变 ， 称 之 为 贝 氏 体 转 变 。转 变 产 物 贝 氏 体 ， 通 常 用 字 母 B表 示 。1) 贝 氏 体 转 变 特 征 半 扩 散 型 转 变 ， 介 于 珠 光 体 和 马 氏 体 转 变 之 间 ； Fe原 子 不 扩 散 ， 切 变 完 成 晶 格 改 组 ； C原 子 扩 散 ， 析 出 碳化 物 两 相 混 合 物 ， 其 中 a相 过 饱 和3.共 析 钢 的 过 冷 奥 氏 体 等 温 转 变 2）中 温 转 变 上 贝 氏 体 上 贝 氏 体 中 渗 碳 体 呈 较 粗 的 片状 ， 平 行 分 布 于 平 行 排 列 的 铁 素 体片 层 之 间 ， 它 在 显 微 镜 下 呈 羽 毛 状的 组 织 。 下 贝 氏 体 下 贝 氏 体 中 的 碳 化 物 呈 细 小 颗粒 状 或 短 杆 状 均 匀 分 布 在 铁 素 体 内 ，在 显 微 镜 下 呈 黑 色 针 叶 状 的 组 织 。 等 温 转 变 曲 线 是 通 过 试 验 方 法 建 立 的 ， 下 面 以 共 析 钢 为 例 说 明 建立 过 程 。 （ 1） 把 wC = 0.77% 的 共 析 钢 制 成 若 干 个 一 定 尺 寸 的 试 样 ， 加 热到 A1 以 上 的 温 度 ， 使 其 组 织 为 均 匀 的 奥 氏 体 。 （ 2） 将 试 样 分 别 迅 速 放 入 低 于 A1 的 不 同 温 度 （ 如 ： 710 、 450 、 350 等 ） 的 熔 盐 槽 中 ， 迫 使 奥 氏 体 过 冷 ， 发 生 等 温 转 变 。 （ 3） 在 不 同 温 度 的 等 温 转 变 过 程 中 ， 测 出 过 冷 奥 氏 体 转 变 开 始 和转 变 终 了 的 时 间 ， 把 它 们 按 相应 的 位 置 标 记 在 时 间 温 度 的坐 标 图 上 ， 分 别 连 接 各 转 变 开始 点 和 转 变 终 了 点 ， 便 得 到如 图 所 示 的 曲 线 。知识链接 热 处 理 工 艺 曲 线 示 意 图 1.连 续 冷 却 转 变 曲 线共 析 钢 CCT 曲 线 2.连 续 冷 却 转 变 过 程 及 产 物 1.马 氏 体 的 形 态 与 特 点马 氏 体 的 晶 格 示 意 图 当 奥 氏 体 过 冷 到 Ms以 下 将 转 变 为 马 氏体 类 型 组 织 ；碳 在 -Fe中 的 过 饱 和 固 溶 体 ；马 氏 体 转 变 时 ， 奥 氏 体 中 的 碳 全 部 保留 到 马 氏 体 中 ；铁 原 子 微 调 整 ， 使 原 来 奥 氏 体 的 面 心立 方 晶 格 改 组 成 体 心 立 方 晶 格 。 马 氏 体 的 形 成 马氏体形态与含碳量的关系 0.45%C0.2%C 1.2%C 马 氏 体 的 形 态1.0%时 ， 片 状 马 氏体 。 板 条 马 氏 体 ： 光 镜 下电 镜 下在 电 镜 下 ， 板 条 内 的 亚结 构 主 要 是 高 密 度 的 位 错 ，=1012/cm2， 又 称 位 错 马氏 体 。 马 氏 体 的 形 态 电 镜 下光 镜 下 片 状 马 氏 体 ： 马 氏 体 的 形 态 高硬度！ 马氏体硬度、韧性与含碳量的关系C% 马 氏 体 的 性 能 针状马氏体板条马氏体马氏体的透射电镜形貌塑韧性比较：高针状马氏体的塑性和韧性均很差；低碳板条马氏体的塑性和韧性好。 马 氏 体 的 性 能 板 条 状 马 氏 体针 状 马 氏 体 马 氏 体 的 转 变 的 特 点 马氏体转变切变示意图马氏体转变产生的表面浮凸 马 氏 体 的 转 变 的 特 点 c.降 温 形 成 MfMs M(50%) M(90%) 马 氏 体 的 转 变 的 特 点 e.转 变 不 彻 底 即 使 冷 却 到 Mf点 ， 也 不可 能 获 得 100%的 马 氏 体， 总 有 部 分 奥 氏 体 未 能转 变 而 残 留 下 来 ， 称 残余 奥 氏 体 ， 用 A或 表 示。 马 氏 体 的 转 变 的 特 点 总 结 过 冷 奥 氏 体 转 变 产 物 （ 共 析 钢 ） 铜 棒 24 mm 如 何 消 除 拉 拔 过 程 中 的 硬 化 现 象 ？ 电 缆 线 0.15 mm 切 削 件 的 硬 度 在 170 230HB范 围 内 ，切 削 性 能 较 好 。 刀 具 具 有 较 高 的 韧 性 时 ， 不 容 易 发 生崩 刃 。切 削 件 的 硬 度 如 何 调 整 ？ 刀 具 如 何 才 能具 有 较 高 的 韧 性 ？ 季 裂加 工 过 程 （ 铸 、 锻 、 焊 、切 削 ） 产 生 的 内 应 力如 何 消 除 加 工 过 程 中 产 生 的 内 应 力 ？ 为 什 么 将 其 安 排 在与 之 间 呢 ? 为 什 么 退 火 与 正 火 有 着 非 常 广 泛的 应 用 ? 在 铸 /锻 造 /焊 接 之 后 ， 钢 件 中 不 但 残 留 有 铸 造 或 锻 造 应 力 ， 而 且 还 往 往 存 在 着成 分 和 组 织 上 的 不 均 匀 性 ， 因 而 机 械 性 能 较 低 ， 还 会 导 致 以 后 淬 火 时 的 变 形 和开 裂 。 也 会 存 在 硬 度 偏 高 或 偏 低 的 现 象 ， 严 重 影 响 后 续 的 切 削 加 工 性 能 。经 过 退 火 和 正 火 后 ， 便 可 得 到 细 而 均 匀 的 组 织 ， 并 消 除 应 力 ， 改 善 钢 件 的 机 械性 能 并 为 随 后 的 淬 火 作 了 准 备经 过 退 火 与 正 火 后 ， 钢 的 组 织 接 近 于 平 衡 组 织 ， 其 硬 度 适 中 ， 有 利 于 下 一 步 的切 削 加 工 。如 果 工 件 的 性 能 要 求 不 高 时 ， 退 火 或 正 火 常 作 为 最 终 热 处 理 。 定 义 ： 将 组 织 偏 离 平 衡 状 态 的 钢 加 热 到 适 当 温 度 ， 保 温 一 定 时 间 ， 然 后 缓 慢 冷 却 （ 炉 冷 、 坑 冷 、 灰 冷 ） ， 以 获 得 接 近 平 衡 状 态 组 织 的 热 处 理 工 艺 叫 做 退 火 。 真 空 退 火 炉 退 火 目 的 ：（ 1）降 低 硬 度 ， 提高 塑 性 ， 以 利于 切 削 加 工 和冷 变 形 加 工 （ 2）细 化 晶 粒 ， 均匀 组 织 ， 为 后续 热 处 理 作 好组 织 上 的 准 备 （ 3）消 除 残 余 内 应力 ， 防 止 工 件的 变 形 与 开 裂 1.完 全 退 火 2.等 温 退 火 3.球 化 退 火4.均 匀 化 退 火 5.去 应 力 退 火6. 再 结 晶 退火 分 类 名 称 由 来 ： 经 历 完 全 奥 氏 体 化过 程问 题 2： 奥 氏 体 区 的 温 度 区 间 很 大 ， 如 果 你 是 热 处 理 工 程 师 ，你 认 为 完 全 退 火 应 该 具 体 在 哪 一 个 温 度 段 保 温 ？问 题 1:在 相 图 的 哪 一 个 区 域 可以 获 得 完 全 奥 氏 体 组 织 ？完 全 退 火 目 的 ： 细 化 ， 均 匀 化 粗 大 、 不 均 匀 组 织 接 近 平 衡 组 织 调 整 硬 度 切 削 性 消 除 内 应 力 加 热 温 度 ： Ac3以 上 20-30度温 度 过 高 ： 奥 氏 体 晶 粒 粗 大 ， 综 合 机 械 性 能 下 降 （ 霍 尔 佩 奇 公 式 ）温 度 过 低 ： 测 温 仪 器 的 偏 差 ， 适 当 顾 及 热 处 理 效 率 答 ： 完 全 退 火 不 能 用 于 过 共 析 钢 ， 因 为 加 热 到Accm 以 上 再 缓 慢 冷 却 时 会 得 到 平 衡 组 织 ，即 在 晶 界 处 析 出 网 状 渗 碳 体 ， 造 成 钢 的 脆 化。 应 用 范 围 ： 亚 共 折 钢 ， 共 析 钢 ， 不 适 用 于 过 共 析 钢 。 反 问 ： 过 共 析 钢 的 平 衡 组 织 ？ 网 状 渗 碳 体问 题 ： 为 什 么 不 适 用 于 过 共 析 钢 呢 ？ 完 全 退 火 组 织P+F问 题 ： 亚 共 析 钢 （ 共 析 钢 ） 的 平 衡 状 态 组 织 ？ 返 回 等 温 退 火 ： 先 以 较 快 的 速 度 ， 将 工 件 加 热 到 Ac3以上 30 50 ， 保 温 一 定 时 间 后 ， 先 以 较 快 的 冷 速冷 到 珠 光 体 的 形 成 温 度 等 温 ， 使 奥 氏 体 转 变 成 珠光 体 ， 待 等 温 转 变 结 束 再 快 冷 。 这 样 就 可 大 大 缩短 退 火 的 时 间 。 完 全 退 火 的 缺 点 ： 所 需 时 间 很 长 ， 特 别 是 对 于 某些 奥 氏 体 比 较 稳 定 的 合 金 钢 ， 往 往 需 要 几 十 小 时解 决 ： 为 了 缩 短 退 火 时 间 ， 可 采 用 等 温 退 火 。 可 见 等 温 退 火 所 需 时 间 比 完 全 退 火 缩 短 很 多 。等 温 温 度 根 据 要 求 的 组 织 和 性 能 而 定 ： 等 温 温 度 越高 ， 则 珠 光 体 组 织 越 粗 大 ， 钢 的 硬 度 越 低 。 返 回 u目 的 ： 使 Fe3C球 化 ， 降 低 硬 度 ； 提 高 韧 性 ， 改 善 切 削 加 工 性 ； 为 以 后 淬 火 做 准 备 。u实 质 ： 通 过 球 化 退 火 ， 使 层 状 渗 碳 体 和 网 状 渗 碳 体变 为 球 状 渗 碳 体 ， 球 化 退 火 后 的 组 织 是 由 铁 素 体 和球 状 渗 碳 体 组 成 的 球 状 珠 光 体 。球 化 退 火 ： 球 化 退 火 工 艺 ： Ac1以 上 20-40度 保 温 ， 缓 冷 应 用 范 围 ：过 共 析 钢 ， 共 析 钢组 织 ： 球 状 P（ F+球 状 FeC 3） 返 回 去 应 力 退 火 目 的 ： 消 除 铸 、 锻 、 焊 件 、冷 冲 压 件 （ 或 冷 拔 件 ） 及 机 加 工 的 残余 内 应 力 。 定 义 ： 将 工 件 随 炉 缓 慢 加 热 至 500 650 （ Ac1点 ） ，保 温 一 段 时 间 (50 /h-100 /h)后 随 炉 缓 慢 冷 却 ， 至300 -200 出 炉 空 冷 。退 火 温 度 愈 高 ，内 应 力 消 除 越 充 分 ， 退 火 所 需 的 时 间 越 短 。 在 去 应 力 退 火 中 不 发 生 相 变 。 返 回 为 减 少 钢 锭 、 铸 件 或 锻 坯 的 化 学 成 分 和 组 织 不均 匀 性 ， 将 其 加 热 到 略 低 于 固 相 线 （ 固 相 线 以 下 100 200 ） 的 温 度 ， 长 时 间 保 温 （ 10h 15h） ， 并进 行 缓 慢 冷 却 的 热 处 理 工 艺 ， 称 为 扩 散 退 火 或 均 匀 化退 火 。 返 回 扩 散 退 火 后 钢 的 晶 粒 很 粗 大 ， 因 此 一 般 再 进 行 完 全 退 火或 正 火 处 理 。 再 结 晶 退 火 -中 间 退 火u定 义 ： 把 经 过 冷 变 形 处 理 的 钢加 热 到 再 结 晶 温 度 以 上 150250 ， 保 温 后 缓 慢 冷 却 的 退火 工 艺 方 法 。 u目 的 ： 使 形 变 晶 粒 重 新 结 晶 成均 匀 的 等 轴 晶 粒 ， 以 消 除 形 变强 化 和 残 余 应 力 。u应 用 ： 去 除 冷 变 形 钢 引 起 的 加工 硬 化 。 再 结 晶 退 火 视 频 ： 退 火 工 艺 定 义 ： 将 工 件 加 热 到 Ac3（ 亚 共 析 钢 ） 或 Accm（ 过 共 析 钢 ） 以上 30 50 ， 保 温 后 从 炉 中 取 出 在 冷却 。u 冷 速 快 （ 空 冷 ） ， 组 织 细 ， 强 /硬 度 提 高 。u 应 用 范 围 广u 保 温 温 度 高 u共 析 钢 正 火 后 组 织 ： S， u而 退 火 后 组 织 ： P。 3. 改 善 切 削 加 工 性 能 正 火 的 应 用l （ 2） 用 于 低 、 中 碳 钢 作 为 预 先 热 处 理 ， 得 合 适 的 硬 度 便于 切 削 加 工 。l （ 3） 用 于 过 共 析 钢 ， 消 除 网 状 Fe 3C ， 有 利 于 球 化 退 火 的进 行 。l （ 1） 用 于 普 通 结 构 零 件 ， 作 为 最 终 热 处 理 ， 细 化 晶 粒 提高 机 械 性 能 。 返 回 3.从 经 济 性 考 虑 2.从 使 用 性 能 考虑1.从 切 削 加 工 性 考 虑 （ 2） 从 使 用 性 能 上 考 虑如 工 件 性 能 要 求 不 太 高 ， 随 后 不 再 进 行 淬 火 和 回 火 ， 那 么 往 往 用 正 火来 提 高 其 机 械 性 能 。但 若 零 件 的 形 状 比 较 复 杂 ， 正 火 的 冷 却 速 度 有 形 成 裂 纹 的 危 险 ， 应 采用 退 火 。（ 3） 从 经 济 上 考 虑 正 火 比 退 火 的 生 产 周 期 短 ， 耗 能 少 ， 操 作 简 便 ， 故 在 可 能 的 条件 下 ， 应 优 先 考 虑 正 火 。（ 1） 从 切 削 加 工 性 上 考 虑一 般 金 属 的 硬 度 在 HB170 230范 围 内 ， 切 削 性 能 较 好 。 高 则 过 硬 ，难 加 工 ， 刀 具 磨 损 快 ； 低 则 切 屑 不 易 断 ， 刀 具 发 热 和 磨 损 ， 加 工 后 零件 表 面 粗 糙 度 大 。对 于 低 、 中 碳 结 构 钢 以 正 火 作 为 预 先 热 处 理 比 较 合 适 ，高 碳 结 构 钢 、 工 具 钢 和 中 碳 以 上 合 金 钢 则 以 退 火 为 宜 。 正 火 和 退 火 工 艺 总 结 视 频 ： 正 火 工 艺 概 念 ： 将 钢 件 加 热 到 Ac3或 Ac1以 上 3050 ， 保 温 一 定 时 间 ， 然 后 快 速 冷 却 （ 一般 为 油 冷 或 水 冷 ） ， 从 而 得 马 氏 体 （ 或 下贝 氏 体 ） 的 一 种 操 作 。目 的 ： 获 得 马 氏 体 （ 或 下 贝 氏 体 ） 。 提 高硬 度 和 耐 磨 性 下 板 条 针 状 返 回 淬 火 加 热 温 度 的 选 择 淬 火 冷 却 介 质 淬 火 方 法 中 国 古 代 淬 火 技 术 返 回 1.淬 火 的 加 热 温 度淬 火 加 热 温 度 是 淬 火 工 艺 的 主 要 参 数 。 它 的 选 择 应 以 得到 均 匀 细 小 的 奥 氏 体 晶 粒 为 原 则 ， 以 使 淬 火 后 获 得 细 小 的马 氏 体 组 织 。 为 防 止 奥 氏 体 晶 粒 粗 化 ， 淬 火 加 热 温 度 一 般限 制 在 临 界 点 以 上 30一 50 范 围 。细小细小 亚 共 析 钢 : 温 度 ： Ac3 (30 50 )。 组 织 ： 均 匀 细 小 的 马 氏 体 组 织 。 温 度 过 高 : 粗 大 马 氏 体 组 织 ， 严 重 变 形温 度 过 低 : 组 织 中 出 现 铁 素 体 ， 硬 度 不 足 。 “ 软 点 ” 共析钢和过共析钢 温 度 ： Ac1 (30 50 ) 组 织 ： 共 折 钢 : 均 匀 细 小 M+少 量 A 过 共 析 钢 : 均 匀 细 小 M+粒 状 Fe3C+少 量 A 有 利 于 获 得 最 佳 硬 度 和 耐 磨 性 。 温 度 过 高 ： 粗 大 的 M+较 多 A， 降 低 了 钢 的 硬 度 和 耐 磨 度 性 ， 增 大 淬 火 变形 和 开 裂 倾 向 。 温 度 过 低 ： ？ u为 得 到 马 氏 体 组织 ， 淬 火 冷 却 速 度必 须 大 于 临 界 冷 却速 度 Vk。 但 这 必 然会 产 生 很 大 的 内 应力 ， 往 往 会 引 起 工件 变 形 和 开 裂 ， 为此 人 们 提 出 了 理 想的 淬 火 冷 却 曲 线 。 返 回 时 间 (s)300 102 103 1041010800-100100200500600700温 度( )0400 A1MsMf 在 “ 鼻 尖 ” 温 度 以 上 ， 在 保 证 不 出 现 珠 光 体 类 型 组 织 的前 提 下 ， 可 以 尽 量 缓 冷 ； 在 “ 鼻 尖 ” 温 度 附 近 则 必 须 快 冷， 以 躲 开 “ 鼻 尖 ” ， 保 证 不 产 生 非 马 氏 体 相 变 ； 而 在 Ms点附 近 又 可 以 缓 冷 ， 以 减 轻 马 氏 体 转 变 时 的 相 变 应 力 。 2.淬 火 冷 却 介 质盐 水 水 碱 浴 油 硝 盐 浴冷 却 能 力钢 的 理 想 淬 火 冷 却 速 度 u油 在 低 温 区 冷 却 能 力 较 理 想 ， 但 高 温 区 冷 却 能 力 太 小 ， 使用 于 合 金 钢 和 小 尺 寸 的 碳 钢 件 。u熔 盐 作 为 淬 火 介 质 称 盐 浴 ， 冷 却 能 力 在 水 和 油 之 间 ,用 于形 状 复 杂 件 的 分 级 淬 火 和 等 温 淬 火 。u聚 乙 烯 醇 、 硝 盐 水 溶 液 等 也 是 工 业 常 用 的 淬 火 介 质 .2.淬 火 冷 却 介 质 1.单 液 淬 火 法 3.分 级 淬 火 法 4.等 温 淬 火 法 6 冷 处 理 5.局 部 淬 火 法2.双 液 淬 火 法 采 用 不 同 的 淬 火 方 法 可 弥 补 介质 的 不 足 。 1、 单 液 淬 火 法加 热 工 件 在 一 种 介 质 中 连 续 冷却 到 室 温 的 淬 火 方 法 。操 作 简 单 ， 易 实 现 自 动 化 。 2、 双 液 淬 火 法工 件 先 在 一 种 冷 却 能 力 强 的 介 质中 冷 ， 却 躲 过 鼻 尖 后 ， 再 在 另一 种 冷 却 能 力 较 弱 的 介 质 中 发生 马 氏 体 转 变 的 方 法 。 如 水 淬油 冷 ， 油 淬 空 冷 .优 点 是 冷 却 理 想 ， 缺 点 是 不 易 掌握 。 用 于 形 状 复 杂 的 碳 钢 件 及大 型 合 金 钢 件 。 3、 分 级 淬 火 法 在 Ms附 近 的 盐 浴 或 碱 浴 中淬 火 ， 待 内 外 温 度 均 匀 后再 取 出 缓 冷 。盐 浴 炉 4、 等 温 淬 火 法l 将 工 件 在 稍 高 于 Ms 的盐 浴 或 碱 浴 中 保 温 足 够长 时 间 ， 从 而 获 得 下 贝氏 体 组 织 的 淬 火 方 法 。l 经 等 温 淬 火 零 件 具 有 良好 的 综 合 力 学 性 能 ， 淬火 应 力 小 .l 适 用 于 形 状 复 杂 及 要 求较 高 的 小 型 件 。 炉 冷 F + P空 冷 F + S油 冷 T + M水 冷 M炉 冷 P + Fe3C空 冷 S + Fe3C油 冷 T + M + A水 冷 M + A 返 回 中 国 在 春 秋 晚 期 已 掌握 冶 铁 技 术 。 战 国 时 期， 冶 铁 业 已 逐 渐 盛 行 ，到 了 晚 期 ， 不 仅 能 炼 出高 碳 钢 ， 并 掌 握 了 淬 火技 术 ， 于 是 开 始 进 入 以铁 兵 器 代 替 铜 兵 器 的 时代 。 战 国 晚 期 还 出 现 了铁 制 铠 甲 。 西 汉 史 记 天 官 书 中 有 “ 水 与 火 合 为 淬 ” 一 说， 正 确 地 说 出 了 钢 铁 加 热 、 水 冷 的 淬 火 热 处 理 工 艺要 点 。 汉 书 王 褒 传 中 记 载 有 “ 清 水 淬 其 锋 ” 的 制 剑技 术 。 明 代 科 学 家 宋 应 星 在 天 工 开 物 一 书 中 对 钢 铁 的退 火 、 淬 火 、 渗 碳 工 艺 作 了 详 细 的 论 述 。 返 回 现 代 淬 火 工 艺 方 法 不 仅 有 奥 氏 体 化 直 接 淬 火 ， 而 且 还 有能 够 控 制 淬 火 后 的 组 织 和 性 能 及 减 少 变 形 的 各 种 淬 火 工 艺方 法 ， 甚 至 可 以 把 淬 火 冷 却 过 程 直 接 与 热 加 工 工 序 结 合起 来 ， 如 激 光 淬 火 、 真 空 淬 火 、 铸 后 淬 火 、 锻 后 淬 火 、形 变 淬 火 等 。 淬 火 工 艺 方 法 应 根 据 材 料 及 其 对 组 织 、性 能 和 工 件 尺 寸 精 度 的 要 求 ， 在 保 证 技 术 条 件 要 求 的前 提 下 ， 充 分 考 虑 经 济 性 和 实 用 性 来 选 择 。 淬 透 性 是 指 钢 在 淬 火时 形 成 马 氏 体 的 能 力 。 通常 以 钢 在 规 定 的 条 件 下淬 火 时 获 得 淬 硬 层 深度 的 能 力 来 衡 量 。 1.钢 的 淬 硬 性 和 淬 透 性 1.钢 的 淬 硬 性 和 淬 透 性 钢 在 理 想 的 淬 火 条 件 下 ，获 得 马 氏 体 后 能 达 到 的 最 高硬 度 。 钢 的 淬 硬 性 取 决 于 含碳 量 的 高 低 。 淬 透 性 与 淬 硬 性 ？ 淬 透 性 是 钢 淬 火 时 获 得 M的 能 力 ！淬 硬 性 是 钢 淬 火 获 得 M的 硬 度 ！淬 透 性 与 具 体 工 件 的 淬 透 深 度 ？淬 透 性 是 钢 的 一 种 属 性 ， 在 相 同 的 奥 氏 体 化 温 度 下 淬 火 时 ， 其淬 透 性 是 不 变 的 ！具 体 工 件 的 淬 透 深 度 是 指 在 实 际 生 产 条 件 下 得 到 半 马 氏 体 区 至工 件 表 面 的 距 离 ， 是 不 确 定 的 ， 受 淬 透 性 、 工 件 尺 寸 、 冷 却 介质 等 的 影 响 。 钢 件 淬 硬 深 度 、 硬 度 分 布 与 冷 却 速 度 的 关 系 2.淬 透 性 的 测 定1）临 界 直 径 法 2）末 端 淬 火 法 末 端 淬 火 法 及 淬 透 性 曲 线 3.影 响 钢 的 淬 透 性 的 因 素碳 的 质 量 分 数 合 金 元 素A B未 溶 第 二 相D奥 氏 体 化 的 温度C 5.钢 的 淬 火 缺 陷钢 的 淬 火 缺 陷 产 生 的 原 因 、 后 果 、 防 止 与 补 救 方 法 视 频 ： 钢 的 淬 火 对 于 退 火 难 以 软 化的 某 些 合 金 钢 ， 在 淬火 （ 或 正 火 ） 后 常 采用 高 温 回 火 ， 使 钢 中碳 化 物 适 当 聚 集 ， 将硬 度 降 低 ， 以 利 于 切削 加 工 。（ 1） （ 2） （ 3） （ 4）获 得 工 件 所 要 求 的 力 学 性 能 。稳 定 工 件 尺 寸 。降 低 脆 性 ， 消 除 或减 少 内 应 力 。 淬 火 钢 回 火 时 不 同 温 度 下 的 组 织 状 态 45 钢 的 回 火 组织 回 火 组 织 与 一 般 组 织 相 比 具 有 较 优的 性 能 ， 如 硬 度 相 同 时 ， 回 火 托 氏 体 和 回 火索 氏 体 比 一 般 托 氏 体 （ 油 淬 ） 和 索 氏 体 （ 正火 ） 具 有 更 高 的 强 度 、 塑 性 和 韧 性 ， 这 主 要是 组 织 形 态 不 同 导 致 的 。 2、 中 温 回 火 （ 350-500） C 组 织 ： T回 =F针 +Fe3C粒目 的 ： 获 得 高 的 弹 性 极 限 、屈 服 点 和 较 好 的 韧 性 。 又 称弹 性 处 理 。 硬 度 为 35-45HRC.应 用 ： 弹 性 零 件 及 热 锻 模 具等 。 淬 火 钢 的 韧 性并 不 总 是 随 温 度 升高 而 提 高 。 在 某 些 温 度 范围 内 回 火 时 ， 会 出现 冲 击 韧 性 下 降 的现 象 ， 称 回 火 脆 性。 1.低 温 回 火 脆 性 2.高 温 回 火 脆 性 1、 第 一 类 回 火 脆 性u又 称 不 可 逆 回 火 脆 性 。 是 指 淬 火 钢 在 250-350 回 火 时 出 现 的脆 性 。l 这 种 回 火 脆 性 是 不 可 逆 的 ，只 要 在 此 温 度 范 围 内 回 火就 会 出 现 脆 性 ， 目 前 尚 无有 效 消 除 办 法 。l 回 火 时 应 避 开 这 一 温 度 范围 。 2、 第 二 类 回 火 脆 性u 又 称 可 逆 回 火 脆 性 。 是 指 淬 火 钢 在 500-650 范 围 内 回 火 后 缓 冷 时 出 现 的 脆 性 .回 火 后 快 冷 不 出 现 ， 是 可 逆 的 。u 防 止 办 法 ： 回 火 后 快 冷 。 加 入 合 金 元 素 W (约 1%)、 Mo(约 0.5%)。 该 法更 适 用 于 大 截 面 的 零 部 件 视 频 ： 钢 的 回 火 工 艺 的 核 心 ： 使 零 件 具 有 “ 表 硬 里 韧 ”的 力 学 性 能 。 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 。 0.4 0.5%C的 中 碳 钢 含 碳 量 过 低 ， 则 表 面 硬 度 、 耐 磨 性 下 降 ； 含 碳 量 过 高 ， 心 部 韧 性 下 降 。 铸 铁 提 高 其 表 面 耐 磨 性 。 机 床 导 轨 表 面 淬 火 齿 轮 工 艺 ： 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 。 目 的 : 为 表 面 淬 火 作 组 织 准备 ； 获 得 最 终 心 部 组 织 。 回 火 索 氏 体 索 氏 体 预 备 热 处 理 采 用 低 温 回 火 ， 温 度 不 高 于 200 。 回 火 目 的 为 降 低 内 应 力 ， 保 留 淬 火 高 硬 度 、耐 磨 性 。表 面 淬 火 后 的 回 火 表 层 组 织 为 M回 ； 心 部 组 织 为 S回 (调 质 )或F+S(正 火 )。表 面 淬 火 +低 温 回 火 后 的 组 织 感 应 加 热 ： 利 用 交 变 电 流 在 工 件表 面 感 应 巨 大 涡 流 ， 使 工 件 表 面迅 速 加 热 的 方 法 。表 面 淬 火 常 用 加 热 方 法感 应 加 热 表 面 淬 火 示 意图 1 工 件 ； 2 感 应 线 圈 ； 3 淬 火 喷 水 管 ；4 加 热 淬 火 层 特 点 ：（ 1） 加 热 速 度 快 。 （ 2） 淬 火 质 量 好 。 （ 3） 淬 硬 层 深 度 易 于 控 制 ，易 实 现 机 械 化 和 自 动 化 ， 适 用于 大 批 量 生 产 。 火 焰 加 热 : 利 用 乙 炔 火 焰 直 接 加 热工 件 表 面 的 方 法 。 成 本 低 ， 但 质量 不 易 控 制 。1 火 焰 烧 嘴 ； 2 喷 水管 ； 3 淬 硬 层 ； 4 工件 特 点 ： 加 热 温 度 及 淬 硬 层 深 度 不 易 控制 ， 易 产 生 过 热 和 加 热 不 均 匀 ， 淬 火 质 量 不 稳 定 。 不 需 要 特 殊 设 备 ， 适 用 于 单 件 或小 批 量 生 产 。 激 光 表 面 热 处 理 激 光 热 处 理 : 利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 对 工 件 表面 进 行 加 热 的 方 法 。 效 率 高 ， 质 量 好 。 化 学 热 处 理 是 将 钢 件 放 在 一 定 的 活 性 介 质 中 加热 和 保 温 ， 使 一 种 或 几 种 活 性 原 子 渗 入 其 表 面 ，改 变 表 面 的 化 学 成 分 和 组 织 ， 从 而 改 善 表 面 性能 的 热 处 理 工 艺 。进 行 的 条 件 ： 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 ； 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 。 化 学 热 处 理 的 过 程 分 解 吸 收 扩 散 化 学 介 质 在 高 温下 释 放 出 待 渗 的活 性 原 子活 性 原 子 被 零件 表 面 吸 收 和溶 解 活 性 原 子 由 零 件表 面 向 内 部 扩 散 ，形 成 一 定 的 扩 散层 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 、 碳 氮 共 渗 。 可 控 气 氛 渗 碳 炉 渗碳回火炉 是 指 向 钢 的 表 面 渗 入 碳 原子 的 过 程 。 渗 碳 目 的 提 高 工 件 表 面 硬 度 、耐 磨 性 及 疲 劳 强 度 ，同 时 保 持 心 部 良 好的 韧 性 。 渗 碳 用 钢 为 含 0.1 0.25%C的 低 碳 钢 ， 碳 高 则心 部 韧 性 降 低 。 经渗碳的机车从动齿轮1.钢 的 渗 碳 气 体 渗 碳法 示 意 图 (a)气 体 渗 碳 法 将 工 件 放 入 密 封 炉 内 ，在 高 温 渗 碳 气 氛 中 渗碳 ； 渗 剂 为 气 体 (煤 气 、液 化 气 等 )或 有 机 液 体(煤 油 、 甲 醇 等 )； 优 点 : 质 量 好 , 效 率 高 ； 缺 点 : 渗 层 成 分 与 深度 不 易 控 制 。 渗 碳 方 法 (c)真 空 渗 碳 法l将 工 件 放 入 真 空 渗 碳 炉 中 ， 抽真 空 后 通 入 渗 碳 气 体 加 热 渗 碳 ；l优 点 : 表 面 质 量 好 , 渗 碳 速 度 快 。 真 空 渗 碳 炉(b)固 体 渗 碳 法 将 工 件 埋 入 渗 剂 中 ， 装 箱 密 封 后 在 高 温 下 加 热 渗 碳 ； 渗 剂 为 木 炭 ； 优 点 ： 操 作 简 单 ； 缺 点 ： 渗 速 慢 ， 劳 动 条 件 差 。 渗 碳 温 度 ： 为 900 950 。 每 保 温 1小 时 ， 厚 度 增 加 0.2 0.3mm； 渗 碳 层 厚 度 （ 由 表 面 到 过 度 层 一 半 处 的 厚 度 ） ：一 般 为 0.5 2.5mm。 低 碳 钢 渗 碳 缓 冷 后 的 组 织 l渗 碳 层 表 面 含 碳 量 ：以 0.85 1.05为 最 好 。l渗 碳 缓 冷 后 组 织 ：表 层 为 P+Fe3C ； 心 部 为 F+P； 中 间为 过 渡 区 。 渗 碳 后 的 热 处 理 目 的 ： 为 了 充 分 发 挥 渗 碳 层 的 作 用 ， 使 零 件 表面 获 得 高 硬 度 和 高 耐 磨 性 ， 心 部 保 持 足 够 的 强度 和 韧 性 。 渗 碳 后 的 热 处 理 示 意 图 直 接 淬 火 一 次 淬 火 二 次 淬 火 淬 火 方 法 ：预 冷 淬 火 法 ： 渗 碳 后 预 冷 到 略 高 于 Ar1温 度 (830 850 )直 接 淬 火 ；一 次 淬 火 法 ： 即 渗 碳 缓 冷 后 重 新 加 热 (略 高 于 Ac3或 Ac1)淬火 ；二 次 淬 火 法 ： 即 渗 碳 缓 冷 后 第 一 次 加 热 为 心 部 Ac3+3050 ， 细 化 心 部 ； 第 二 次 加 热 为 Ac1+30 50 ， 细 化 表层 。 渗 碳 后 的 热 处 理 示 意 图 渗 氮 是 指 向 钢 的 表 面 渗 入 氮 原 子 的 过 程 。井 式 气 体 氮 化 炉 l为 含 Cr、 Mo、 Al、 Ti、V的 中 碳 钢 ； 渗 氮 工 艺 500 600 20 50h 0.3 0.5mm 渗 氮 用 钢2.钢 的 渗 氮 常 用 渗 氮 方 法 气 体 渗 氮 法 ： 与 气 体渗 碳 法 类 似 ， 渗 剂 为氨 ； 离 子 渗 氮 法 ： 是 在 电场 作 用 下 ， 使 电 离 的氮 离 子 高 速 冲 击 作 为阴 极 的 工 件 。 与 气 体氮 化 相 比 ， 氮 化 时 间短 ， 氮 化 层 脆 性 小 。 离 子 氮 化 炉 渗 氮 的 特 点 及 应 用 渗 氮 件 表 面 硬 度 高（ H V1000 1100） ， 耐磨 性 和 热 硬 性 高 ； 由 于 表 面 存 在 压 应 力 ，疲 劳 强 度 高 ； 渗 氮 温 度 低 ， 渗 氮 后 不需 进 行 热 处 理 ， 工 件 变形 小 ； 表 层 形 成 的 渗 氮 物 化 学稳 定 性 高 ， 耐 蚀 性 好 。氮化层组织38CrMoAl氮 化 层 硬 度 渗 氮 的 缺 点 ： 工 艺 复 杂 ， 成 本 高 ， 氮 化 层 薄 ； 用 于 耐 磨 性 、 精 度 要 求 高 的 零 件 及 耐 热 、 耐 磨及 耐 蚀 件 ， 如 仪 表 的 小 轴 、 轻 载 齿 轮 及 重 要 的曲 轴 等 。 缝 纫 机 用 氮 化 件 经 氮 化 的 机 车 曲 轴 渗 氮 的 特 点 及 应 用 高 温 碳 氮 共 渗 830 850 1 2h 0.2 0.5mm 渗 碳 为 主 淬 火 +低 温 回 火 低 碳 钢 、 中 碳 钢 和 合 金结 构 钢 零 件 低 温 碳 氮 共 渗 500 600 1 4h 0.2 0.5mm 渗 氮 为 主 不 需 要 合 金 工 具 钢3.钢 的 碳 氮 共 渗 利 用 气 态 化 合 物 （ 或 化 合 物 的 混 合 物 ） 在 基 体 受热 表 面 发 生 化 学 反 应 ， 并 在 该 基 体 表 面 生 成 固 态 沉 积物 的 过 程 ， 简 称 为 CVD。1.化 学 气 相 沉 积 ： 在 真 空 环 境 中 ， 以 物 理 方 法 产 生 的 原 子 或 分 子 沉积 在 基 材 上 ， 形 成 薄 膜 或 涂 层 的 方 法 称 为 物 理 气 体 沉积 ， 简 称 为 PVD。2.物 理 气 相 沉 积 ： 用 直 流 电 场 或 微 波 电 场 使 低 压 气 体 放 电 得 到 等 离子 体 ， 则 可 促 进 气 相 化 学 反 应 ， 在 基 材 上 沉 积 化 合 物涂 层 ， 这 种 技 术 叫 等 离 子 增 强 化 学 气 相 沉 积 ， 简 称 为PCVD。3.等 离 子 体增 强 化 学气 相 沉 积 1.形 变 热 处 理 ： 一 种 把 塑 性 变 形 与 热 处 理 有 机 结 合 起 来 的 新 技 术 。 分 为高 温 形 变 热 处 理 和 低 温 形 变 热 处 理 两 种 。 2.亚 温 淬 火 ： 将 钢 加 热 到 略 低 于 Ac3 的 温 度 ， 然 后 进 行 淬 火 ， 淬 火 后得 到 在 马 氏 体 的 基 体 上 保 留 少 量 弥 散 分 布 的 铁 素 体 组 织 。 3.激 光 热 处 理 ： 利 用 激 光 束 的 高 密 度 能 量 快 速 加 热 工 件 表 面 ， 然 后 依 靠工 件 本 身 的 导 热 冷 却 而 使 其 淬 火 。 4.保 护 气 氛 热 处 理 ： 热 处 理 时 采 用 无 氧 化 加 热 ， 可 在 炉 内 通 入 高 纯 度 的 氮 气和 氩 气 等 保 护 气 体 ， 以 防 零 件 的 氧 化 与 脱 碳 。 5.真 空 热 处 理 ： 热 处 理 时 将 工 件 置 于 0.013 3 1.23 Pa 真 空 度 的 介 质 中 加热 。