热处理教程

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热处理的作用
机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等用的大量零部件需要通过热处理工艺改善其性能。拒初步统计，在机床制造中，约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。
    材料的热处理通常指的是将材料加热到相变温度以上发生相变，再施以冷却再发生相变的工艺过程。通过这个相变与再相变，材料的内部组织发生了变化，因而性能变化。例如碳素工具钢T8在市面上购回的经球化退火的材料其硬度仅为20HRC，作为工具需经淬火并低温回火使硬度提高到60~63HRC，这是因为内部组织由淬火之前的粒状珠光体转变为淬火加低温回火后的回火马氏体。同一种材料热处理工艺不一样其性能差别很大。表6-1列出45钢制直径为F15mm的均匀园棒材料经退火、正火、淬火加低温回火以及淬火加高温回火的不同热处理后的机械性能，导致性能差别如此大的原因是不同的热处理后内部组织截然不同。同类型热处理（例如淬火）的加热温度与冷却条件要由材料成分确定。这些表明，热处理工艺（或制度）选择要根据材料的成份，材料内部组织的变化依赖于材料热处理及其它热加工工艺，材料性能的变化又取决于材料的内部组织变化，材料成份－加工工艺－组织结构－材料性能这四者相互依成的关系贯穿在材料加工的全过程之中。

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热处理的基本要素
热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。这三大基本要素决定了材料热处理后的组织和性能。
加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。
    保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。
    冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。

热处理的基本类型
根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：
1．普通热处理 包括退火、正火、淬火和回火等。
2．表面热处理 包括感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、渗碳、氮化和碳氮共渗等。
3．其它热处理 包括可控气氛热处理、真空热处理和形变热处理等。
    按照热处理在零件生产过程中的位置和作用不同，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。最终热处理是零件加工的最终工序，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。

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加热时奥氏体的形成过程
1．共析钢的加热转变
从铁碳相图中看到，钢加热到727℃（状态图的PSK线，又称A1温度）以上的温度珠光体转变为奥氏体。这个加热速度十分缓慢，实际热处理的加热速度均高于这个缓慢加热速度，实际珠光体转变为奥氏体的温度高于A1，定义实际转变温度为Ac1。Ac1高于A1，表明出现热滞后，加热速度愈快，Ac1愈高，同时完成珠光体向奥氏体转变的时间亦愈短。
共析碳钢（含0.77%C）加热前为珠光体组织，一般为铁素体相与渗碳体相相间排列的层片状组织，加热过程中奥氏体转变过程可分为四步进行。

第一阶段：奥氏体晶核的形成。由Fe-Fe3C状态图知：在A1温度铁素体含约0.0218%C，渗碳体含6.69%C，奥氏体含0.77%C。在珠光体转变为奥氏体过程中，原铁素体由体心立方晶格改组为奥氏体的面心立方晶格，原渗碳体由复杂斜方晶格转变为面心立方晶格。所以，钢的加热转变既有碳原子的扩散，也有晶体结构的变化。基于能量与成分条件，奥氏体晶核在珠光体的铁素体与渗碳体两相交界处产生（见图6-2（a）），这两相交界面越多，奥氏体晶核越多。
第二阶段：奥氏体的长大。奥氏体晶核形成后，它的一侧与渗碳体相接，另一侧与铁素体相接。随着铁素体的转变（铁素体区域的缩小），以及渗碳体的溶解（渗碳体区域缩小），奥氏体不断向其两侧的原铁素体区域及渗碳体区域扩展长大，直至铁素体完全消失，奥氏体彼此相遇，形成一个个的奥氏体晶粒。
第三阶段：残余渗碳体的溶解。由于铁素体转变为奥氏体速度远高于渗碳体的溶解速度，在铁素体完全转变之后尚有不少未溶解的“残余渗碳体”存在（见图6-2（C）），还需一定时间保温，让渗碳体全部溶解。
第四阶段：奥氏体成分的均匀化。即使渗碳体全部溶解，奥氏体内的成分仍不均匀，在原铁素体区域形成的奥氏体含碳量偏低，在原渗碳体区域形成的奥氏体含碳量偏高，还需保温足够时间，让碳原子充分扩散，奥氏体成分才可能均匀。
上述分析表明，珠光体转变为奥氏体并使奥氏体成分均匀必须有两个必要而充分条件：一是温度条件，要在Ac1以上加热，二是时间条件，要求在Ac1以上温度保持足够时间。在一定加热速度条件下，超过Ac1的温度越高，奥氏体的形成与成分均匀化需要的时间愈短；在一定的温度（高于Ac1）条件下，保温时间越长，奥氏体成分越均匀。
还要看到奥氏体晶粒由小尺寸变为大尺寸是一个自发过程，在Ac1以上的一定加热温度下，过长的保温时间会导致奥氏体晶粒的合并，尺寸变大。相对之下，相同时间加热，高的加热温度导致奥氏体晶粒尺寸的增大倾向明显大于低的加热温度的奥氏体晶粒长大倾向。奥氏体晶粒尺寸过大（或过粗）往往导致热处理后钢的强度降低，工程上往往希望得到细小而成分均匀的奥氏体晶粒，为此可以采用：途径之一是在保证奥氏成分均匀情况下选择尽量低的奥氏体化温度；途径之二是快速加热到较高的温度经短暂保温使形成的奥氏体来不及长大而冷却得到细小的晶粒。
工程上把奥氏体晶粒尺寸大小定义为晶粒度，并分为8级，其中1～4级为粗晶粒，5级以上为细晶粒，超过8级为超细晶粒。
非共析钢的加热转变
亚共析钢与过共析钢的珠光体加热转变为奥氏体过程与共析钢转变过程是一样的，即在Ac1温度以上加热无论亚共析钢或是过共析钢中的珠光体均要转变为奥氏体。不同的是还有亚共析钢的铁素体的转变与过共析钢的二次渗碳体的溶解。更重要的是铁素体的完全转变要在A3温度（Fe-Fe3C状态图的GS线)以上，考虑热滞后实际要在Ac3以上，二次渗碳体的完全溶解要在温度Acm(Fe-Fe3C状态图的ES线)以上，考虑热滞后要在Accm以上。即亚共析钢加热后组织全为奥氏体需在Ac3以上，对过共析钢要在Accm以上。如果亚共析钢仍仅在Ac1～Ac3温度之间加热，无论加热时间多长加热后的组织仍为铁素体与奥氏体共存。对过共析钢在Ac1～Accm温度之间加热，加热后的组织应为二次渗碳体与奥氏体共存。加热后冷却过程的组织转变也仅是奥氏体向其它组织的转变，其中的铁素体及二次渗碳体在冷却过程中不会发生转变。

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钢的加热工艺选择
钢的加热工艺包含加热温度与加热时间。
加热温度的选择，原则上可根据钢的相图参考确定。实际生产中还要考虑加热方式，不同热处理类型，以及钢的具体成分等因素作必要调整。
加热时间指的是升温与保温时间的总和。加热工件到要求的温度（实为零件表面温度）所需时间为升温时间。保温时间是工件表面与心部都达到要求的温度所需时间。升温时间主要取决于加热速度。保温时间取决于钢的化学成分、工件尺寸与形状以及加热炉类型等诸因素。加热速度快，升温时间短、生产效率高，但是对于高合金钢，以及形状复杂的工件过快的加热速度会导致升温过程中工件变形甚至开裂报废。保温时间以工件心部热透（到达要求温度）及成分均匀化合乎要求进行计算。一般碳素结构钢在温度800℃左右的箱式电炉中加热，以每1毫米直径或1毫米厚度保温1.0min～1.5min为宜，若采用盐浴炉加热，保温时间可以缩短，每1毫米直径或1毫米厚度保温时间可为0.3min～0.45min。

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钢加热时常见的缺陷：
（1）氧化
加热时的氧化性气氛（如空气、气氛中O2、CO2、H2O等）氧化钢铁，在工件表面形成FeO,Fe2O3,Fe3O4等氧化物。在温度560℃以下，主要形成Fe3O4这类比较致密的氧化物，它可使钢表面与氧化性气氛隔离，阻止钢表进一步氧化。但钢的奥氏体化温度多在560℃以上，钢被氧化形成以FeO为主的疏松的氧化物层，依加热温度升高加热时间增长其氧化物层厚度增加，不仅导致钢的烧损加大，而且使零件尺寸变小，表面粗糙，更重要的还严重影响后序热处理的质量。
（2）脱碳
钢加热过程中脱碳，即钢中的碳被烧损使钢表面含碳量降低的现象。伴随氧化常发生脱碳，氧化性气氛也是脱碳的气氛，H2虽是还原性气氛亦是脱碳气氛。一般钢中含碳量越高，脱碳越严重。由于脱碳使钢件表面含碳量下降，导致钢件机械强度下降，特别是工件的疲劳强度下降，耐磨损性能降低。
（3）过热
钢的过热指的是加热温度比正常温度偏高，出现的现象是钢的奥氏体晶粒较正常的要大，即晶粒变粗。结果是，钢的塑性、韧性、强度降低，同时工件热处理后变形加大，还可能导致热处理裂纹、使工件报废。过热的工件一般可再在较低温度加热，重新使奥氏体晶粒细化，予以补救。
（4）过烧
指的是加热温度太高，奥氏体晶界或部分晶界氧化甚至熔化的现象。后果是，处理的工件很脆，如果锻造一锻即裂，过烧的工件只能报废，无法挽救，因而是致命性的。

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加热缺陷的防止办法
（1）真空加热
工件在真空中加热是防止氧化脱碳的最有效措施，是热处理工艺的发展方向，在发达国家应用普遍，问题是，真空加热用的设备投资大，工艺成本较高。
（2）可控气氛加热
工件加热过程中向炉内充入一定保护性气氛，保证钢在不脱碳，不增碳，不氧化的气氛下加热。实践证明它是行之有效与可靠的方法，也是发达国家应用十分普遍的工艺，是现代热处理的发展方向之一。但需要一套制取可控气氛的发生装置，由于成本较高，原材料来源不广泛限制了它的应用。
（3）盐浴加热
工件置于一熔化了的中性盐液中加热，盐液进行充分脱氧，保证工件加热过程中少氧化，甚至无氧化。问题主要是粘在工件上的盐难以清洗洁净，清洗不干净会导致储存及应用过程易于长锈。此外操作过程中盐液遇水易炸，不小心易使人体灼伤，要十分注意安全。

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热处理工艺缺陷及其防止措施
钢热处理后的缺陷常有硬度不高、硬度分布不均匀、变形与开裂等。
1．硬度不足或出现软点
经淬火后零件硬度偏低和出现软点的主要原因是：
（1）亚共析钢加热温度低或保温时间不充分，淬火组织中有残留铁素体；
（2）加热过程中钢件表面发生氧化、脱碳，淬火后局部生成非马氏体组织；
（3）淬火时，冷却速度不足或冷却不均匀，未全部得到马氏体组织；
（4）淬火介质不清洁，工作表面不干净，影响了工件的冷却速度，致使未能全部淬硬。
如果材质及零件截面尺寸正常情况下，为防止淬火后零件硬度偏低最重要的是防止加热时零件表面脱碳。其中最有效的办法是采用盐浴或可控气氛或真空加热。若在一般空气电阻炉中加热，在确保零件烧透及组织转变的前提下力求尽量缩短加热时间。
2．零件变形与开裂
淬火工艺过程中零件变形是必然的，正常的，但零件出现表面裂纹导致表面或整体开裂是不允许的，一般作为废品处理（高碳钢淬火零件内部出现微裂纹，经回火后能消除的除外）。
（1）引起变形和开裂的原因
在淬火加热时零件由于热应力以及高温时材料强度降低延性增加会导致变形。对合金钢而言，由于其导热性较差，若加热速度太快，不仅零件变形大，甚至有开裂的危险。
在冷却过程中由于热应力与组织应力的共同作用，零件常出现变形，有的甚至出现表面裂纹。热应力是加热或冷却过程中，零件由表面至心部各层的加热或冷却速度不一样造成的。淬火冷却过程中零件表面存在的组织应力常为拉应力，所以其危害最大，它是在冷却过程中零件由表层至心部各层奥氏体转变为马氏体先后不一样造成的。
零件淬火后出现变形、开裂，热处理工艺不当是重要因素。如加热温度过高造成奥氏体晶粒粗大，合金钢加热速度快造成热应力加大，加热时工件氧化、脱碳严重，以及冷却介质选择不当，工件入冷却介质的方式不对等诸因素都会导致工件变形甚至开裂。但是在正常的淬火工艺下要从材质本身及前序冷热加工中寻找原因，诸如钢材内在夹杂物含量、化学成份、异常组织等超过标准要求，淬火之前工件表面存在裂纹、有深的加工刀痕，以及零件形状分布不合理等因素都会导致淬火过程中零件变形甚至开裂。
（2）防止淬火工艺过程零件变形、开裂的措施：
a）正确选材和合理设计。对于形状复杂、截面变化大的零件，应选用淬透性好的钢材，以便采用较缓和的淬火冷却方式。在零件结构设计中，应注意热处理结构工艺性。
b）淬火前进行相应的退火或正火，以细化晶粒并使组织均匀化，减少淬火内应力。
c）严格控制淬火加热温度，防止过热缺陷，同时也可减少淬火时的热应力。
d）采用适当的冷却方法，如双液淬火、马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火等。淬火时尽可能使零件均匀冷却，对厚薄不均匀的零件，应先将厚大部分淬入介质中。薄件、细长杆和复杂件，可采用夹具或专用淬火压床控制淬火时的变形。
e）淬火后应立即回火，以消除应力，降低工件的脆性。

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共析钢在淬火后，得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的，存在着向稳定组织转变的自发倾向。回火加热可加速这种自发转变过程。根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为四个阶段：
第一阶段（200℃以下）：马氏体分解。
第二阶段（200℃～300℃）：残余奥氏体分解。
第三阶段（250℃～400℃）：碳化物的转变。
第四阶段（400℃以上）：渗碳体的聚集长大与α相的再结晶。

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钢的淬透性
淬透性是钢的重要热处理工艺性能，也是选材和制定热处理工艺的重要依据之一。
（1）淬透性的概念
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得淬硬层（也称为淬透层）深度的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬硬层深度来表示。
（2）影响淬透性的因素
影响淬透性的主要因素是化学成分，除Co以外，所有溶于奥氏体中的合金元素都提高淬透性。另外，奥氏体的均匀性、晶粒大小及是否存在第二相等因素都会影响淬透性。
（3）淬透性的测定及其表示方法
淬透性的测定方法很多，目前应用得最广泛的是“末端淬火法”，简称端淬试验。试验时，先将标准试样加热至奥氏体化温度，停留30～40min，然后迅速放在端淬试验台上喷水冷却。

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淬火方法
选择适当的淬火方法同选用淬火介质一样，可以保证在获得所要求的淬火组织和性能条件下，尽量减小淬火应力，减少工件变形和开裂倾向。
（1）单液淬火
它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。这种方法操作简单，容易实现机械化，适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。

（2）双液淬火
它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变（图6-16曲线2）。
（3）分级淬火
它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变（见图6-16曲线3）。
（4）等温淬火
它是将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。

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热处理工艺应用分析
长期以来钢铁制品失效主要有两种方式：一是磨损使零件超越公差范围，另一种是腐蚀使零件烂掉。本章主要介绍了提高零件抗磨损能力的热处理强化方法，概括起来可分为两大类：一是经淬火并低温回火形成高碳、中低碳的回火马氏体。其中主要有（1）高碳钢进行淬火，如多数刀具、冷作模具。（2）中碳钢的表面加热淬火并低温回火，适合于铀类及部分齿轮零件。（3）低碳钢（包括低碳合金钢）的渗碳或碳氮共渗再淬火并低温回火；另一类是形成碳、氮、硼化合物层，例如氮化、软氮化、渗硼、渗铬、渗钒等。
下面举二个例子说明热处理的作用：
例1：某机车柴油机曲轴选用42CrMo钢制造，制作工艺如下：
下料 → 锻造成毛坯 → 退火 → 粗车机加工 → 调质 → 精加工 → 高频感应加热淬火 → 低温回火 → 研磨 → 入库
曲轴制作过程中有两道中间热处理工序，锻造之后毛坯件退火采用的完全退火，目的是消除锻造应力，均匀成分，消除带状组织，细化晶粒，调整硬度以便切削。精加工之前的调质热处理只能安排在粗加工之后，绝不能安排在粗加工之前，否则达不到调质目的。这里的调质有两个重要目的：第一个目的是赋给曲轴较好的综合机械性能，这个目的在后面的中频感应加热淬火达不到的，第二目的是调整好表层组织，为中频感应加热淬火作组织准备。中频感应加热淬火并低温回火，属于最终热处理，赋给曲轴的抗磨损性能。
例2：某汽车齿轮采用20CrMoTi钢制造，其制造工艺如下：
下料 → 锻造成园并 → 退火 → 粗车并铣齿成型 → 精铣齿轮 → 渗碳淬火低温回火 → 研磨 → 入库。
退火是中间热处理，目的是降低锻造应力、降低锻造硬化、细火晶粒、均匀化学成分。渗碳淬水并低温回火是最终热处理，目的是增强齿轮的抗磨损性能。
防止零件腐蚀成为长期关连的课题，渗氮、软氮化、渗硼、渗铬、渗钒、渗铝都会不同程度增强钢铁制品的抗大气的腐蚀能力。一般钢进行发兰，表面形成一层Fe3O4为主的膜有较弱的抗腐蚀能力，但比软氮化、渗氮的抗腐蚀能力差。经渗硼、渗铬、渗铝后钢铁制品有更强的抗腐蚀能力。工业的发展给空气带来的酸度升高，形成酸雨使金属的腐蚀加剧，试验表明常用于工业中的镀锌防护层对酸雨的抗腐蚀能力很弱，防酸雨对金属的腐蚀成为当代研究的重要课题。

MSN2008

a_cheng

初来乍到 感觉这里是个好地方

HL67123640

有没有参考文献啊~楼主