钢的表面淬火和化学热处理

钢的五种热处理工艺热处理工艺——表面淬火、退火、正火、回火、调质工艺：1、把金属材料加热到相变温度（700度）以下，保温一段时间后再在空气中冷却叫回火。

2、把金属材料加热到相变温度（800度）以上，保温一段时间后再在炉中缓慢冷却叫退火。

3、把金属材料加热到相变温度（800度）以上，保温一段时间后再在特定介质中（水或油）快速冷却叫淬火。

◆表面淬火•钢的表面淬火有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。

在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。

由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。

根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。

感应表面淬火后的性能:1.表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高2～3单位（HRC）。

2.耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。

这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。

3.疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。

对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。

一般硬化层深δ＝（10～20）％D。

较为合适，其中D。

为工件的有效直径。

◆退火工艺退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。

总之退火组织是接近平衡状态的组织。

•退火的目的①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。

第八章钢的表面热处理知识要点：表面热处理的目的、分类；常用的表面热处理工艺（感应加热表面淬火和渗碳）；了解表面热处理的典型零件。

一、表面热处理的目的1．提高零件的表面性能，具有高硬度、高耐磨和高的疲劳强度。

→保证高精度2．使零件心部具有足够高的塑性和韧性。

→防止脆性断裂。

“表硬心韧”二、表面热处理的分类及工艺特点主要有两大类：表面淬火和化学热处理。

（一）表面淬火1．工艺：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。

工艺特点：（1）不改变工件表面化学成分，只改变表面组织和性能；（2）表面与心部的成分一致，组织不同。

2．所用材料一般多用中碳钢、中碳合金钢，也有用工具钢、球墨铸铁等。

典型零件:如用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。

3．常用表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和激光加热表面淬火。

（1）感应加热表面淬火原理：通以一定频率交变电流的感应线圈，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流（涡流），利用工件的电阻而将工件加热；由于感应电流的集肤效应，使工件表层被快速加热至奥氏体化，随后立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。

感应线圈→交变磁场→感应电流→工件电阻→加热，集肤效应→表层加热，快冷→淬硬层。

工件淬硬层的深度与频率有关：A. 0.2～2mm，高频感应加热（100—500KHz），适用于中小型齿轮、轴等零件；B．2～10mm，中频感应加热（0.5—10KHz），大中型齿轮、轴；C．〉10—15mm，工频感应加热（50Hz），用于大型轴、轧辊等零件。

特点：淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高；生产频率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。

应用：主要零件类型是轴类、齿轮类、工模具，最常见的有：齿轮，如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮。

时效1、概念：金属材料经过冷加工、热加工或固溶处理后，在室温下放置或适当升温加热时，发生的力学和物理性能能随着时间而变化的现象，称为时效。

2、机械制造过程中常用的时效方法主要有自然时效、热时效、变形时效、振动时效和沉淀时效等。

3、自然时效在室温下发生性能随着时间而变化的现象。

利用自然时效可以部分消除工件内的部分残余应力，稳定工件的形状和尺寸。

，但工件的内部残余应力不能完全消除。

4、热时效是指随着温度的不同，a—Fe中碳的溶解度发生变化，从而使钢的性能发生改变的过程。

5、变形时效是指钢在冷变形后进行的时效。

6、振动时效是指通过机械振动的方式来消除、降低或均匀工件内残余应力的工艺。

（抗疲劳性能）表面热处理与化学热处理需要考虑对零件进行表面热处理或化学热处理，以满足上述“表里不一”的性能要求。

一、表面热处理1、概念：是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。

表面淬火是最常用的表面热处理工艺之一。

2、分类：按加热放法的不同：表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、接触电阻加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。

目前生产中最多的是感应加热表面淬火。

表面淬火不改变工件表面的化学成分。

3、根据交流电流频率不同，感应加热表面淬火可分为三类：高频感应加热表面淬火应用范围：中小型轴、销、套等圆柱形零件，小模数齿轮。

●中频感应加热表面淬火应用范围：尺寸较大的轴类零件，大、中模数齿轮。

●工频感应加热表面淬火应用范围：大型零件表面淬火或棒料穿透加热。

三、化学热处理1、概念：式将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。

2、特点：化学热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。

3、自身特点：由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得的性能也不相同。

渗碳、渗氮、碳氮工渗的主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性；渗金属的主要目的是提高工件表面的耐腐蚀性和抗氧化性等。

钢的热处理金属材料进行热处理是改善和提高零件性能的重要方法，因此在零件的制造过程中，热处理是不可缺少的。

一、常用的金属材料——钢与铸铁金属材料包括纯金属及其合金（即在一种金属中加入其它元素所形成的金属材料）。

工业上又把金属材料分为两大类：一类为黑色金属，它包括铁、锰、铬及其合金，其中以铁基合金（即钢和铸铁）应用最广；另一类为有色金属，是指除黑色金属以外的所有金属及其合金。

在工业上使用的金属材料中，以钢和铸铁使用最多。

钢和铸铁（总称为钢铁材料）是以铁为主，加入碳等其它合金元素所组成的，故称为铁碳合金材料。

一般把含碳量小于2%的铁碳合金称为钢；大于2%的铁碳合金称为铸铁。

1.钢的分类、编号及性能特点：根据成分不同钢可分为碳素钢（简称碳钢）和合金钢两类。

（1）碳素钢碳素钢中以铁和碳为主要元素，但常含有Mn、Si、S、P等杂质元素，其中S、P对钢的性能危害很大。

因此根据硫、磷含量多少，把钢分为：普通质量钢（S≤00.0%,P≤0.005%）优质钢（S≤0.03%,P≤0.035%），高级优质钢（S≤0.02%,P≤0.003%）等。

碳钢的性能主要绝定于含碳量的高低，随着含碳量的增多，碳钢的强度、硬度提高，塑性和韧性降低。

根据含碳量的多少，碳钢分为低碳钢（C≤0.25%）、中碳钢（C=0.3～0.6%）和高碳钢（C>0.6%）。

所以低碳钢的强度、硬度低，塑性韧性好，常用于受力较小的冲压件（如皮带轮罩壳、垫圈、自行车的挡泥板等）、焊接件等；高碳钢的强度高，塑性低，常用于制造受力较大的弹簧等零件；中碳钢既有一定强度，也有一定塑性，常用于制备受力较大、较复杂的轴类零件等。

工业上根据用途不同，将碳素钢分为碳素结构钢和碳素工具钢。

（a）碳素结构风该类钢主要用于各种结构件。

根据钢的质量不同（即S、P含量）分为碳素结构钢和优质碳素结构钢。

碳素结构钢是属于普通质量钢，其牌号表示方法为Q+三位数字。

Q为“屈”字的汉语拼音子首，后面三位数为表示该钢的屈服点（MPa）数值，如常用的Q235，表示屈服点为235MPa的普通质量钢。

钢的热处理种类钢的热处理种类分为整体热处理和表面热处理两大类。

常用的整体热处理有退火，正火、淬火和回火；表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。

1.退火退火就是将金属或合金的工件加热到适当温度（高于或低于临界温度，临界温度即使材料发生组织转变的温度），保持一定的时间，然后缓慢冷却（即随炉冷却或者埋入导热性较差的介质中）的热处理工艺。

退火工艺的特点是保温时间长，冷却缓慢，可获得平衡状态的组织。

钢退火的主要目的是为了细化组织，提高性能，降低硬度，以便于切削加工；消除内应力；提高韧性，稳定尺寸。

使钢的组织与成分均匀化；也可为以后的热处理工艺作组织准备，根据退火的目的不同，退火有完全退火、球化退火、消除应力退火等几种。

退火常在零件制造过程中对铸件、锻件、焊件接进行，以便于以后的切削加工或为淬火作组织准备。

2.正火将钢件加热到临界温度以上30-50℃,保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。

正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。

正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，所以正火热处理的生产周期短。

故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。

大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。

一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。

3.淬火将钢件加热到临界点以上某一温度（45号钢淬火温度为840-860℃,碳素工具钢的淬火温度为760～780℃）,保持一定的时间，然后以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。

淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是为了获得马氏体组织。

也就是说要获得马氏体组织，钢的冷却速度必须大于钢的临界速度。

所谓临界速度就是获得马氏体组织的最小冷却速度。

钢的种类不同，临界冷却速度不同，一般碳钢的临界冷却速度要比合金钢大。

所以碳钢加热后要在水中冷却，而合金钢在油中冷却。

常用钢材热处理方法及目的一. 淬火　将钢件加热到临界温度以上40~60℃，保温一定时间，急剧冷却的热处理方法，称为淬火。

常用急剧冷却的介质有油、水和盐水溶液。

淬火的加温温度、冷却介质的热处理规范，见表<常用钢的热处理规范>.淬火的目的是：使钢件获得高的硬度和耐磨性，通过淬火钢件的硬度一般可达HRC60~65，但淬火后钢件内部产生了内应力，使钢件变脆，因此，要经过回火处理加以消除。

钢件的淬火处理，在机械制造过程中应用比较普遍，它常用的方法有：　1．单液淬火：　将钢件加热到淬火温度，经保温一定时间后，在一种冷却液中冷却，这种热处理方法，称为单液淬火。

它适用于形状简单、技术要求不高的碳钢或合金钢，工件直径或厚度大于5~8mm的碳素钢，选用盐水或水中冷却；合金钢选用油冷却。

　在单液淬火中，水冷容易发生变形和裂纹；油冷容易产生硬度不够或不均的现象。

　2．双液淬火：　将钢件加热到淬火温度，经保温后，先在水中快速冷却至300~400℃，在移入油中冷却，这种处理方法，称为双液淬火。

形状复杂的钢件，常采用此方法。

它既能保证钢件的硬度，又能防止变形和裂纹。

缺点是操作难度大，不易掌握。

　3．火焰表面淬火：　用乙炔和氧气混合燃烧的火焰喷射到工件表面，并使其加热到淬火温度，然后立即用水向工件表面喷射，这种处理方法，称为火焰表面淬火。

它适用于单件生产、要求表面或局部表面硬度高和耐磨的钢件，缺点是操作难度大。

　4．表面感应淬火：　将钢件放人感应器内，在中频或高频交流电的作用下产生交变磁场，钢件在磁场作用下产生了同频率的感应电流，使钢件表面迅速加热(2-10s)至淬火温度，立即把水喷射到钢件表面。

这种热处理方法，称为表面感应淬火。

经表面感应淬火的零件，表面硬而耐磨，而内部有较好的强度和韧性。

这种方法适用于中碳钢和中等含碳量的合金钢件。

　表面感应淬火根据所采用的电流频率的不同，可分为高频、中频和工频淬火三种。

高频淬火电流频率为100~150kHz，淬硬层深1~3mm，它适用于齿轮、花键轴、活塞和其它小型零件的淬火；中频淬火电流频率为500~10000Hz，淬硬层深3—10mm，它适用于曲轴、钢轨、机床导轨、直径较大的轴类和齿轮等；工频淬火电流频率为50Hz，淬硬层一般大于10mm，适用于直径在300mm以上的大型零件的淬火，如冷轧辊等。

第六节钢的表面热处理与化学热处理教学重点与难点1・重点表面淬火与化学热处理2 •难点渗碳与渗氮教学方法与手段1.利用挂图等教具。

2.列举生活与生产中应用表面淬火与化学热处理、渗碳与渗氮工艺的实例，分析原理与应用，以点带面，触类旁通。

教学组织1 •复习提问10分钟2.讲解75分钟3.小结5分钟教学内容的表面热处理♦表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。

其中表面淬火是最常用的表面热处理。

♦表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺。

其目的是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性。

依加热方法的不同，表面淬火方法主耍有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、屯接触加热表面淬火及屯解液加热表面淬火等。

(一)感应加热表面淬火利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表而、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺称为感应加热淬火。

1.感应加热基木原理依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，淬帔工件表面层，这就是感应加热表面淬火的基本原理。

2.感应加热表面淬火的特点(1)加热时间短，工件基本无氧化、脱碳，且变形小。

奥氏休晶粒细小，淬火后获得细小马氏体组织，使工件表层比一般淬火駛度高2〜3HRC,且脆性较低。

工件表面淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，因此，提高了工件的疲劳强度。

(2)加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、口动化，适于大批量生产。

(3)感应加热设备投资大，维修调试比较困难。

3 •感应加热表而淬火的应用感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的工件，如40钢、45 钢、400、40MnB 等。

生产上通过选择不同的电流频率来达到满足不同要求的淬硬层深度。

根据电流频率不同，感应加热淬火分为三类：高频感应加热表面淬火、中频感应加热表面淬火和工频感应加热表面淬火。

感应加热表而淬火后，需要进行低温回火。

感应加热表面淬火零件的工艺路线一般如下：毛坯锻造(或轧材下料)一退火或正火一粗加工一调质一精加工一感应加热表而淬火一低温回火一磨削加工。

钢的表面淬火,化学热处理特点
钢的表面淬火是对钢材表面进行加热，然后快速冷却，以达到增加钢材硬度的目的。

淬火的化学热处理特点主要体现在以下几个方面：
首先，淬火可以改变钢材的组织结构，使其成为马氏体。

在钢材变为马氏体的金相组织中，分散着碳化物和/或含硫化物。

这些碳化物/含硫化物的分散可以提高
钢材的硬度和耐磨性。

其次，淬火可以提高钢材的强度。

热处理的目的之一是增强材料的强度。

在淬火过程中，钢材的晶粒细化，强度得到提高。

此外，淬火还可以改善钢材的韧性。

虽然淬火可以显著提高钢材的硬度和强度，但热处理过程中，钢材的韧性相对较差。

因此，通过淬火以后的回火或其他处理，可以提高钢材的韧性，保持高强度的同时，不牺牲钢材的韧性。

综上所述，钢的表面淬火是一种重要的化学热处理方式，它可以改善钢材的硬度、耐磨性、强度和韧性。

通过对不同工况下的钢材进行淬火处理和回火等后续
处理，可以满足不同用途的需求。

第五章钢的热处理热处理——固态下，通过加热、保温、冷却、改变组织得到所需性能的工艺方法。

•特点：在固态下，只改变工件的组织，不改变形状和尺寸•目的：改善材料的使用、工艺性能•基本过程：加热→保温→冷却•分类：1、普通热处理——退火、正火、淬火、回火2、表面热处理——表面淬火、化学热处理第一节钢在加热时的组织转变实际加热和冷却时的相变点：平衡时—— A1 A3 Acm加热时—— Ac1 Ac3 Accm冷却时—— Ar1 Ar3 Arcm一、奥氏体的形成加热工序的目的：得到奥氏体F + Fe3C → A结构体心复杂面心含碳量 0.0218 6.69 0.77共析钢奥氏体形成过程：1、形核（在 F / Fe3C相界面上形核）2、晶核长大（F→ A晶格重构，Fe3C溶解，C→ A中扩散）3、残余Fe3C溶解4、奥氏体均匀化保温工序的目的：得到成分均匀的奥氏体，消除内应力，促进扩散对亚共析钢： P + F → A + F → A对过共析钢： P + Fe3CⅡ→ A + Fe3CⅡ→ A二、奥氏体晶粒长大及其影响因素1、奥氏体晶粒度•晶粒度——晶粒大小的尺度。

•本质粗晶粒钢——长大倾向较大（Al脱氧）•本质粗晶粒钢——长大倾向较小(Mn,Si脱氧)2、影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度↑，保温时间↑→ A晶粒长大快（2）加热速度↑→ A晶粒细（3）加入合金元素→ A晶粒细（4）原始组织细→ A晶粒细第二节钢在冷却时的组织转变冷却方式：等温冷却和连续冷却。

45钢加热后，随冷却速度的增加，强度、硬度增加，但塑性、韧性降低。

冷却是热处理的关键，故必须研究奥氏体冷却过程的变化规律。

一、过冷奥氏体等温转变1、共析钢过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线或TTT线）的建立•过冷奥氏体：在A1以下，未发生转变的不稳定奥氏体。

•孕育期——表示过冷A 的稳定程度•四个区域——奥氏体稳定区、过冷奥氏体区、转变产物区、转变区•三种转变类型：高温转变（A1~550℃）：A → P中温转变（550~230℃）：A → B低温转变（230℃以下）：A → M2、过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能(1)珠光体转变•珠光体组成：F 和 Fe3C 的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是扩散型相变•形态：A1~650℃：珠光体 P 20HRc 片状650~600℃：索氏体 S（细P）…600~550℃：托氏体 T（极细P又称屈氏体）40HRc 球状—— Fe3C 呈球状•珠光体性能珠光体片越细→ HB↑，σb↑且δ↑，αk↑C%相同时，球状 P 比片状 P 相界面少→HB↓，σb↓，δ↑,αk↑(2)贝氏体转变•贝氏体组成：过饱和F 和碳化物的机械混合物•形成特点：在固态下形核、长大是半扩散型相变•形态：550~350℃：上贝氏体（B上）羽毛状组织塑性差40-45HRc 350℃~ Ms：下贝氏体（B下）针片状组织综合性能好45-50HRc过冷奥氏体在Ms点以下，A→M属连续冷却转变。