1、1热处理培训教材一、钢铁的组成和分类1 钢铁的组成：铁和碳是组成钢铁材料的两个最基本的元素，其中铁元素是主要成分。2 根据碳在钢铁中的含量分类：含碳量小于等于 2.11%的钢铁材料称为钢，含碳量大于2.11%的钢铁材料称为铸铁。3 按钢材的用途、化学成分和质量的不同，可将钢分为许多类：按用途分类按钢材的用途可分为三大类：结构钢，工具钢，特殊性能钢。结构钢 ：用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢（如 20CrMnTi） 、调质钢（如 45和 40Cr） 、弹簧钢（如 65Mn）及滚动轴承钢(如 Gr15)。用作工程结构的钢。它包括碳素结构钢（如 Q235A，旧牌号为 A3）和低合金高强度钢（如 Q
2、345，旧牌号为 16Mn） 。工具钢：用来制造各种工具的钢。它分为刃具钢、模具钢与量具钢。特殊性能钢：具有特殊物理化学性能的钢。它分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。按化学成分分类按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢：按钢的含碳量可分为低碳钢（含碳量0.25%） ，如 20 号钢，表示平均含碳量为 0.20%的钢；中碳钢（0.30 0.55%C） ，如 45 号钢，表示平均含碳量为 0.45%的钢和高碳钢（0.60%C） ，如 T12，表示平均含碳量为 1.20%的钢等。合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%） ；中合金钢（合金元素总含量=5 10%） ；高
3、合金钢（合金元素总含量10% ） 。按质量分类按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（磷、硫含量均0.050%） ；优质钢（磷、硫含量均0.040%） ；高级优质钢（磷含量 0.035% ，硫含量 0.035%） 。钢的命名，常常将用途、成分和质量结合起来。如将钢称为优质碳素结构钢（如 20 和45） 、碳素工具钢（如 T12） 、高级优质碳素工具钢（如 T12A） 、合金结构钢（如 40Cr 和20CrMnTi） 、合金工具钢（如 9SiCr 和高速钢 W18Cr4V）等。另外，对应变形钢，还有铸钢，如我公司常用的一般工程用碳素铸钢 ZG310-570（旧牌号 ZG45） ，合金铸钢 ZG
4、40Cr 和 ZG35CrMo 等。二、铁-渗碳体相图Fe 和 Fe3C 是组成 Fe-Fe3C 相图的两个基本组元。1， 基本概念铁素体：以 F 表示。组成：碳溶于 -Fe 中的间隙固溶体。铁素体是铁碳合金基本相之一。性能：具有良好的塑性和韧性。奥氏体：以 A 表示。组成：碳溶于 -Fe 中的间隙固溶体。奥氏体是铁碳合金基本相之一。性能：硬度较低而塑性较高，易于锻压成型。渗碳体：以 Fe3C 表示。组成：具有复杂结构的间隙化合物。渗碳体是铁碳合金基本相之一。性能：硬度很高，而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。珠光体：以 P 表示。组成：铁素体( F)+渗碳体(Fe 3C)。性能：介于铁素体和渗碳
5、体之间。高温莱氏体：以 Ld 表示。组成：奥氏体(A)+ 渗碳体(Fe 3C)。低温莱氏体：以 Ld表示。组成：珠光体(P)+渗碳体( Fe3C)。贝氏体：以 B 表示。组成：含碳过饱和的铁素体 (F)+渗碳体(Fe 3C)。性能：具有较高的强2度、硬度、塑性与韧性相配合的综合机械性能。马氏体：以 M 表示。组成：碳溶于 -Fe 中的过饱和固溶体。性能：硬度和强度高。2.铁-渗碳体相图分析铁-渗碳体相图中各点、线含义A 点：温度 1538，C%=0 ，纯铁的熔点C 点：温度 1148，C%=4.3，共晶点D 点：温度 1227，C%=6.69，渗碳体的熔点E 点：温度 1148，C%=2.11
6、，碳在奥氏体中的最大溶解度F 点：温度 1148，C%=6.69，渗碳体的成分G 点：温度 912，C%=0 ，-Fe 和 -Fe 转变点K 点：温度 727，C%=6.69，渗碳体的成分P 点：温度 727，C%=0.0218，碳在铁素体中的最大溶解度S 点：温度 727，C%=0.77，共析点Q 点：温度 600，C%=0.0057，碳在铁素体中的溶解度AC 线：液相线，液态金属开始结晶出奥氏体3CD 线：液相线，液态金属开始结晶出渗碳体AE 线：固相线，奥氏体的结晶终了线ECF 线：固相线，液态金属开始结晶出高温莱氏体的转变线（称为共晶线）GS 线：奥氏体转变为铁素体的开始线，又称 A3
7、 线，线上的点为 A3 点GP 线：奥氏体转变为铁素体的终了线ES 线：碳在奥氏体中溶解度线，又称 Acm 线，线上的点为 Acm 点PQ 线：碳在铁素体中溶解度线PSK 线：奥氏体开始析出珠光体的转变线（称为共析线） ，又称 A1 线，线上的点为 A1 点三、钢的热处理1 热处理的定义和分类钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需性能的一种工艺。根据加热和冷却方法的不同，热处理方法大致可分为普通热处理和表面热处理。普通热处理又可分为退火、正火、淬火和回火。表面热处理又可分为表面淬火（包括感应加热淬火和火焰加热淬火）和化学热处理（包括渗碳、氮化、碳氮共渗
8、等） 。2 钢在加热时的组织转变3 钢在冷却时的组织转变4 钢的退火和正火 退火或正火的目的：降低钢件硬度，以利于随后的切削加工。消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。细化晶粒，改善组织，以提高钢的机械性能。最终热处理（淬火、回火）作好组织上的准备。 退火完全退火：将钢加热到临界点 Ac3 以上，保温一定时间，随炉缓慢冷却到 600以下，再出炉在空气中冷却。它主要用于铸钢件和锻钢件，退火时间较长。等温退火：将钢加热到临界点 A c3 以上，保温一定时间，再以较快速度冷却到临界点 Ar1 以下，等温一定时间，然后出炉在空气中冷却。它可缩短退火时间，代替完全退火；还可作为渗碳钢零件淬火前
9、的预先热处理，以消除渗碳件的表面网状碳化物，防止出现磨削裂纹。去应力退火：又称低温退火，将工件缓慢加热到临界温度 A c1 以下，保温一定时间(3min/mm)，然后随炉缓慢冷却（100/h ）至 200再出炉冷却。它主要用于消除焊接件、冷冲压件和机加工件中的残余应力，防止工件的变形和开裂。 正火正火就是将钢加热到临界点（Ac 3 、Ac m）以上，保温一定时间(1min/mm)，然后在空气中冷却。正火主要用与以下几个方面：1 作为普通结构零件的最终热处理。2 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性（提高硬度） 。3 作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。4 消除高碳钢中的网状二次渗碳体，可
10、作为渗碳钢零件淬火前的预先热处理。5 对一些大型的或形状较复杂的零件，淬火可能有开裂危险时，正火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。45 钢的淬火 淬火的定义：将钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后在水中或盐水或油中（一般常用钢）快速冷却的热处理工艺，称为淬火。淬火的目的是为了获得马氏体组织。 常用淬火方法： 单液淬火法把加热的工件投入一种淬火冷却介质中一直冷却到室温的淬火，称为单液淬火法。例如，45 钢在水或盐水溶液中淬火，40Cr 在油中淬火等均属单液淬火法。单液淬火示意如下：5 双液淬火法先把加热的工件投入一种冷却能力较强的介质中冷却到稍高于 Ms 点温度（即马氏体转
11、变温度） ，短暂停留后，再立即转入另一种冷却能力较弱的介质中，以获得马氏体组织的淬火，称为双液淬火法。例如，20CrMnTi 十字轴渗碳后先水淬后油淬就属双液淬火。双液淬火示意如下： 局部淬火法工件如果只是局部要求高硬度，可对工件全部加热或局部加热后进行局部淬火。上海泓阳螺杆头球部的淬火属于局部淬火。6 钢的回火 回火的定义：将淬火钢重新加热到临界点 A1 以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。它是紧接淬火的一道热处理工序。钢在淬火后一般都要进行回火处理。 回火的目的：获得工件所需的组织，以改善性能。稳定工件尺寸。消除淬火内应力。 回火的种类和应用：按回火温度范围，
12、可将回火分为：6低温回火（150250）低温回火组织为回火马氏体。目的是在保持钢的硬度的同时，降低其淬火内应力和脆性。回火后的硬度一般为 HRC58-64。例如，我公司零件十字轴和轴承套（渗碳钢20CrMnTi）的回火处理即为低温回火。中温回火（350500）中温回火组织为回火屈氏体。目的是获得高的屈服强度、弹性极限和较高的韧性。回火后的硬度一般为 HRC58-62。例如弹簧钢 65Mn 的回火处理。高温回火（500650）高温回火组织为回火索氏体。目的是获得强度、硬度和塑性、韧性都较好的综合机械性能。回火后的硬度一般为 HB200-330。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。例
13、如，我公司零件叉头（ZG35CrMo）和花键轴及花键套 (40Cr)的回火即属于高温回火，图纸技术要求栏注明为调质处理，硬度为 HB255-286。 回火脆性：第一类回火脆性（低温回火脆性）：钢的回火一般不在 250350温度范围内进行回火，因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性，即钢的冲击韧性不仅没有提高，反而显著降低。第二类回火脆性（高温回火脆性）：合金钢不仅有第一类回火脆性，而且有第二类回火脆性，即合金钢在 450650温度范围内回火后缓冷，会出现脆性。减轻或消除第二类回火脆性的方法有：提高钢的纯度，减少杂质元素的含量；小截面工件在脆化温度回火后可采用快冷（油冷或水冷） ；大截面
14、工件则采用含有钨（1%）钼（0.5% ）的合金钢，即使在回火后缓冷也不产生脆性。77 钢的淬透性 淬透性的意义钢的淬透性表示钢在淬火时所能获得淬硬层深度的一种性质。形状和尺寸相同的不同钢种在同样条件下淬火，淬透性好的钢淬硬层较深，淬透性差的钢淬硬层较浅。一般规定：由工件表面向里得到半马氏体组织（即组织由 50%马氏体和 50%非马氏体组织）的距离作为淬硬层深度（也称为淬透层深度） 。实际工作中，由于半马氏体硬度与钢的含碳量有关系，因此可用测量硬度的方法来确定淬硬层深度。淬透性与钢的机械性能的关系淬透性对钢的机械性能的影响很大。例如用淬透性不同的两种钢材制成直径相同的轴，进行调质处理，其中一种钢
15、材的淬透性好，使轴的整个截面都能淬透，另一种钢材的淬透性较差，使轴未能淬透。其机械性能比较如图所示。由图可见，二者硬度虽然相同，但机械性能却有明显差别，尤其冲击韧性差别较大。8 钢的表面淬火钢的表面淬火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方法。它是通过快速加热使钢表层奥氏体化，而不等热量传至中心，立即予以淬火冷却，其结果是表层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持着原有塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。根据加热方法的不同，表面淬火方法较多，目前生产中应用最广泛的是感应加热表面淬火，其次是火焰加热表面淬火。8 感应加热的分类和特点在生产中，根据表面淬火淬硬层深度的要求
16、，感应加热一般分为：1 高频感应加热：常用频率 200-300KHz，淬硬层深度 0.52mm 。2 中频感应加热：常用频率为 2500 Hz 和 8000Hz，淬硬层深度 28mm。3 工频感应加热：采用工业频率 50Hz，淬硬层深度可达 1015mm 以上。感应加热的特点：1 感应加热速度极快，表面淬火温度比普通加热淬火高几十度。2 感应加热时间很短，工件表层硬度较普通淬火时硬度高 2-3HRC，且具有较低的脆性和较高的疲劳极限。3 由于工件表层存在残余压应力，也提高了疲劳极限。4 工件表面不易氧化和脱碳，耐磨性好，而且工件变形也小。5 生产率高，适于大批量生产。目前适用于万向轴产品的有花
17、键轴高频淬火，国外大型十字轴中频感应淬火等。 火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是以高温火焰为热源的一种表面淬火法。常用的火焰为乙炔-氧火焰。高温火焰将工件表面快速加热到淬火温度，在随即喷水快速冷却后，获得所需的表层硬度和淬硬层深度。火焰加热表面淬火的淬硬层一般为 2-6mm。由于加热方法简单，适用于单件或小批生产。但由于其加热温度不易控制、工件表面易过热、淬火质量不够稳定等，一般需有一定操作经验的人员来操作。如我公司给上海泓阳机械公司制作的蜗轮螺杆端部球面实际操作需火焰加热表面淬火（HRC50） ，因硬度达不到要求，曾经出现过多次反复。9 钢的化学热处理目前工厂中最常用的化学热处理有钢的渗碳和
18、氮化。 钢的渗碳渗碳是把钢置于渗碳剂中，加热到单相奥氏体区，保温一定时间，使碳原子渗入钢表层的过程。钢渗碳的目的是使零件表面硬而耐磨，心部强而韧和高的疲劳极限的要求。渗碳方法一般分为固体渗碳法和气体渗碳法。气体渗碳法由于生产率高，渗碳过程容易控制，渗碳层质量好，且易实现机械化与自动化，所以应用广泛。我公司采用气体渗碳法对十字轴和轴承套等零件进行渗碳，气体渗碳炉内的渗碳气氛，主要是把煤油和甲醇等有机液体直接滴入炉内，在高温下分解而成。气体渗碳法是由分解、吸收和扩散三个基本过程组成，首先是渗碳气氛在高温下分解出活性碳原子，随后，活性碳原子被十字轴和轴承套等零件表面吸收而熔于高温奥氏体中，并向其内部
19、扩散而形成一定深度的渗碳层。渗碳层深度主要取决于保温时间，在一定的渗碳温度下，保温时间越长，渗碳层越厚。渗碳件的技术要求渗碳层的含碳量、渗碳层的深度与组织是决定渗碳质量的主要指标，对渗碳件的使用寿命起着极为重要的作用。渗碳层的表面含碳量最好控制在 0.85-1.05%范围内，过低，表面层硬度低，耐磨性差，过高，表面层易剥落。在一定的渗碳层深度范围内，随着渗碳层深度的增加，渗碳件的疲劳极限、抗弯强度及耐磨性都将增加。我公司中型渗碳零件的渗碳层深度一般为 1.5-2.0mm ，考虑磨削余量，工艺渗碳层深度一般为 1.8-2.3mm。如果渗碳工件上有不允许高硬度的部位，图中注明。一般采用涂防渗涂料或
20、多留加工余9量的方法，渗碳后，在淬火前切去该部位的渗碳层。渗碳后的热处理工件经渗碳后常用三种热处理：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。直接淬火法：工件渗碳后，出炉经预冷后再淬火和低温回火。一次淬火法：渗碳件出炉缓冷后，再加热到淬火温度进行淬火和低温回火。我公司渗碳零件采用一次淬火法。二次淬火法：第一次淬火加热温度为 850900，目的是为了细化心部组织和消除表层网状渗碳体。第二次淬火加热温度为 750800，目的是为了改善渗碳层的组织和性能，使其获得细片状马氏体和均匀分布的碳化物颗粒。 钢的氮化钢的氮化是向钢的表面渗入氮原子的过程。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳极限。我公司
21、使用的是气体氮化法。气体氮化是在预先已排除了炉内空气的井式炉内进行，它是把已除油净化了的花键轴或花键套放在密封的炉内加热，并通入氨气。氨气在 380以上就能分解出活性氮原子。活性氮原子被花键轴或花键套的表面吸收形成氮化物等，随着氮化时间的增长，氮原子逐渐往里扩散，而获得一定深度的氮化层。10 我公司典型零件的热处理工艺 叉头中型叉头的材质为铸钢 ZG35CrMo，热处理方式为砂铸件粗加工后调质，精铸件毛坯直接调质。以法兰叉头 FC35 为例，调质硬度为 HB255 286，其工艺路线为：铸造正火粗加工淬火高温回火精加工。淬火：炉温 500时叉头装炉，均匀加热至 850，保温 110 分钟，水淬
22、（约 1.5 分钟）油冷至室温。高温回火：炉温 500时叉头装炉，均匀加热至 630640，保温 180 分钟，出炉空冷至室温。十字轴或轴承套十字轴或轴承套材质一般为锻钢 20CrMnTi，热处理方式为渗碳淬火。以十字轴 SZZ35为例，要求表面硬度 HRC5862，有效渗层深度 1.5-2.0，其工艺路线为：锻造正火机械加工渗碳涂防脱碳涂料等温退火淬火低温回火 抛丸磨削。渗碳：炉温 920时十字轴装炉，甲醇和煤油自动开度，排气后均匀加热至 920自动保温运行，出炉放入冷却筒中冷至室温。等温退火：炉温 500时十字轴装炉，加热至 850保温 20 分钟后降温，待温度降至640时，保温 30 分
23、钟出炉空冷。淬火：炉温 920时十字轴装炉，当炉温降至 836时保温运行（约 120 分钟） ，出炉水淬（约 1 分钟）油冷至室温。低温回火：室温装炉，加热至 180，保温 240 分钟，出炉空冷至室温。目前我公司规定 SWC350（含 SWC350）以上的十字轴或轴承套渗碳淬火时需增加 “等温退火”工序。等温退火的目的是消除渗碳过程中产生的网状碳化物，使随后的磨削加工不致产生裂纹。花键轴或花键套花键轴或花键套材质一般为锻钢 40Cr，热处理方式为调质和氮化。以花键轴 JZ35 为例，调质硬度为 HB255286，氮化硬度为 HV460530，氮化层深 0.40.5mm ，其工艺路线为：锻造正
24、火粗加工淬火高温回火精加工氮化。淬火：炉温 500时花键轴装炉，均匀加热至 860，保温 270 分钟，水淬（约 1.5 分10钟）油冷至室温。高温回火：炉温 500时花键轴装炉，均匀加热至 580590，保温 180 分钟，出炉空冷至室温。氮化（3 号炉）：氮化的零件用煤油清洗擦干，绑扎装炉，装炉温度50，然后排气，通入氨气，加热温度至 500自动保温，炉温降至 62时出炉空冷至室温。氮化（4 号炉）：氮化的零件用煤油清洗擦干，绑扎装炉，装炉温度130，然后排气，通入氨气，加热温度至 500自动保温，炉温降至 130 时出炉空冷至室温。另外，对于长径比大于 8 的花键轴，氮化前需增加 12
25、次去应力退火，以消除加工应力，减小氮化变形。11 常见热处理缺陷及防止方法过热钢在加热时，如加热温度过高，或在高温下保温时间过长，会引起奥氏体晶粒显著粗化的现象，称为“过热” ，这是热处理加热中的一种缺陷。过热的工件严重脱碳，晶粒粗大，塑性下降，特别是冲击韧性严重下降。热处理过程中预防钢的过热的方法是严格控制加热温度和保温时间，不使奥氏体晶粒粗化。补救方法是按正常工艺重新加热和保温。过烧钢在加热时，如加热温度更高，以致使晶界开始熔化的现象，称为“过烧” 。过烧的工件严重脱碳，晶粒粗大，塑性趋近于零，失去金属声音。过烧的工件一般无法补救。氧化和脱碳目前生产上采用的箱式电炉或井式电炉的炉膛气体中都
26、含有氧气、二氧化碳和水蒸汽等氧化性气体，钢在这些氧化性气体中加热时，会发生氧化而在其表面形成一层氧化皮，同时这些气体还会和钢表层的碳发生反应，使钢表层的含碳量下降，产生“脱碳“现象。表层脱碳后，内层的碳便向表面扩散，这样使脱碳层逐渐加深。加热时间越长，脱碳层越深。氧化和脱碳不但造成钢材的大量损耗，而且使工件的质量与寿命大为降低。例如，在氧化严重时可使工件淬不硬；脱碳使工件表层含碳量降低，而影响表层硬度与耐磨性。另外，氧化和脱碳使工件表面质量降低，从而降低了疲劳极限。减少或防止钢在淬火中氧化与脱碳的办法为：在工件表面涂上一层涂料或往炉中滴入煤油等物质，以起保护作用。采用脱氧良好的盐浴炉加热在可控保护气氛炉中加热在真空炉中加热预留足够的加工余量，以便在随后的切削加工中把氧化与脱碳层全部去掉。变形和开裂淬火中变形和开裂主要是淬火时形成的内应力所引起的。内应力在淬火中是不可避免的，为了控制和减小变形，防止开裂，除要正确选择钢材和合理设计工件的结构外，在工艺上可采取以下措施：采用预先热处理淬火前进行预先热处理，如退火或正火，不但可为淬火作好组织上的准备，而且还可
