热处理工艺—钢的热处理

改善钢的性能主要有两个途径
调整钢的化学成分
热处理
钢的热处理——钢在固态下加热到一定的温度后保温一定时间，再以适当的冷却速度进行冷却，从而改变钢的组织，以获得所需性能的加工工艺。
热处理工艺有许多种，但主要是由加热、保温和冷却三个阶段。
热处理工艺
热处理工艺的分类
常规热处理：退火、正火、淬火、回火
  火焰加热表面淬火
  表面淬火  
  感应加热表面淬火

表面热处理

  渗碳
  化学热处理渗氮（氮化）
  碳氮共渗
热处理工艺
热处理原理概念

热处理原理
 工件经过不同热处理工艺之后，性能将会发生显著变化。零件热处理质量的高低对成品的质量往往具有决定性的影响。因此要制定正确的热处理工艺规范，改变金属内部组织，保证热处理质量，必须了解钢在不同加热和冷却条件下的组织变化规律。钢中组织变化规律，就是热处理的原理。
热处理工艺
钢在不同加热和冷却条件下的组织变化规律
铁碳合金平衡相图Fe-Fe3c合金相图中的临界点(A1、A3、Acm)是正确选择热处理加热和冷却时组织变化的主要依据。
钢在加热时的转变
获得较高力学性能的细晶粒组织的方法
（1）采用高温、短时的加热方法就可以获得较高力学性能的细晶粒组织。如高频感应加热淬火。
（2）在钢中加入微量合金元素（如Al、Ti、V、W、Mo、Ni等）可阻碍奥氏体晶粒度长大。
热处理工艺
钢在不同加热和冷却条件下的组织变化规律
钢在冷却时的转变
冷却的方式：
 1、等温冷却转变——钢经奥氏体化后冷却到相变点以下的温度区间内等温保持时过冷奥氏体所发生的相转变为等温转变。
 2、连续冷却转变——钢经奥氏体化后在不同冷速的连续冷却中过冷奥氏体所发生的相转变称为钢的连续冷却转变。
钢在回火时的转变
钢在淬火后的组织一般为马氏体+残余奥氏体，在不同温度下回火时组织将发生变化。
 200℃以下转变为回火马氏体；
 200-300℃时残余奥氏体转变为回火马氏体； 
 300-400℃转变为回火托氏体；  
 400℃-A1转变为回火索氏体。

热处理工艺
常规热处理

常规热处理：即常说的“四火”，包括退火、正火、淬火和回火。
 
 
常规热处理
退火的概念、目的和种类
概念——将钢（金属或合金）加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（如炉冷）的热处理工艺。
目的
降低硬度以利于切削加工
细化晶粒，改善组织，提高力学性能
消除零件中的内应力，防止变形与开裂
为最终热处理（淬火、回火）做好组织准备
种类
完全退火——将金属或合金完全奥氏体化，然后缓慢冷却。适用于中碳钢和中碳合金钢的铸、焊、轧制件等。
等温退火——将钢件随炉加热至Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持使奥氏体转变为珠光体，然后在空气中冷却。适用于批量生产的碳钢及合金钢的中型工件，重型铸件和锻件。
球化退火——主要用于共析和过共析碳钢及合金钢。
均匀化退火（扩散退火）——为了减少金属铸锭、铸件的化学成分的偏析和朱组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保持，然后缓慢冷却的工艺方法。

常规热处理
正火的概念及正火与退火的区别

正火——将钢加热到Ac3或Acm以上30~50℃，保温一定时间后，在空气中冷却的热处理工艺。

正火与退火的主要区别——在于冷却速度快，转变温度低。对低碳钢完全可以用正火代替退火，时间短、费用低。在生产中常常用正火来消除过共析钢中的网状渗碳体。

常规热处理
淬火的概念、目的和方法
淬火——将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体组织的热处理工艺。
目的——在于提高钢的强度、硬度和耐磨性，与回火配合后赋予工件最终的使用性能。
冷却介质——在生产上最常用的是水和油。
方法
单液淬火
双液淬火
分级淬火
等温淬火
局部淬火

常规热处理
钢的淬透性与淬硬性

钢的淬透性——钢在淬火后获得马氏体或淬硬层深度的能力。钢的淬透性大小取决于钢的临界冷却速度。合金元素（除Co外）都能提高钢的淬透性。

钢的淬硬性——是指淬火成马氏体后得到的最高硬度，它与钢中含碳量有关。
常规热处理
回火的概念、目的和分类
回火——钢件淬火后，在加热到Ac1点以下的某一温度，保温一段时间后冷却到室温的热处理工艺。
目的——减小工件淬火内应力，稳定工件组织和尺寸，提高工件的塑性和韧性，以满足各种零件的使用要求。
分类——根据回火温度和对淬火力学性能的要求，一般分三类
低温回火（150℃～250℃），组织为回火马氏体。
目的-是保证淬火后工件的高硬度和高耐磨性，降低淬火盈利，提高韧性。
应用—用于各种刀具、模具、量具、滚动轴承等。
中温回火（350℃～500℃），组织为回火屈氏体。
目的-可显著减小工件淬火内应力，提高弹性、屈服强读及一定的塑性和韧性。
应用—常用于弹簧和热作模具的处理。
高温回火（500℃～　650℃），组织为回火索氏体。
目的-获得较高的强度和良好的塑性与韧性。(即综合力学性能较好）
应用—常用于轴、齿轮、连杆等的处理。
通常将淬火+高温回火称为“调质处理”，获得良好的综合力学性能。
淬火钢的回火温度越高，硬度和强度越低，而塑性和韧性越高。
表面热处理
钢的表面淬火

钢的表面淬火——是将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量未传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。
方法
火焰加热淬火
感应加热淬火
高频感应加热（100~1000KHZ)
中频感应加热（0.5~10KHZ)
工频感应加热（50HZ)
表面热处理
钢的表面淬火
火焰加热淬火
应用氧-乙炔等混合气体的火焰对零件表面进行加热，随之淬火冷却的工艺。淬硬层深度为2-6毫米。
特点
简便、无需特殊设备，成本低。但生产率低，工件表面易过热，淬火质量不稳定。

应用
适用单件或小批量生产的工件及大型零件（如轴、齿轮、轧辊等）的淬火。
表面热处理
钢的表面淬火
感应加热淬火
 利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表面、局部或整体加热并进行快速冷却的淬火工艺。
分类
 高频感应加热（100~1000KHZ)，淬硬层为0.2-2mm，适用中小齿轮、轴等零件。
 中频感应加热（0.5~10KHZ)，淬硬层为2-8mm，适用于中型齿轮、轴等零件。
 工频感应加热（50HZ)，淬硬层大于10-15mm，适用于直径大于300mm的轧辊、轴等大型工件。
感应加热淬火的电流频率越高，淬硬层越潜。

特点
 质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备一次性投入大，形状复杂的感应器不易制造；不适于单件生产。
钢的化学热处理
钢的化学热处理

钢的化学热处理——是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变工件表层的化学成分和组织，从而使其表面具有与心部不同性能的一种热处理。

特点——同时改变工件表层的成分、组织。
钢的化学热处理
渗入介质的物理化学过程和方法

三个阶段
渗入介质的分解
工件表面吸收
渗入元素的扩散
化学热处理的方法
渗C
渗N
C-N共渗
钢的化学热处理
渗碳
渗碳——为了增加钢件表层的含碳量，将钢件在渗碳介质中加热并保温，使碳原子渗入到钢件表层的化学热处理工艺。
目的
提高工件表层的含碳量和一定碳的浓的梯度；
处理后的工件表面具有高硬度和耐磨性，心部保持一定的强度及较高的塑性和韧性。
应用
如齿轮、活塞销、套筒等。
渗碳用钢
低碳钢、低合金钢。
渗碳方法
固体渗碳、液体渗碳、气体渗碳。
渗碳设备
井式炉、可控气氛炉、真空炉。

钢的化学热处理
渗氮
渗氮——在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。
目的——提高钢件表面硬度、耐磨性、疲劳强度和抗蚀性及热硬性。
应用——如高速传动的精密齿轮、精密机床主轴、镗床镗杆等。
渗氮用钢——一般采用中碳合金钢。如38CrMoAlA、38CrWVAlA等。
渗氮方法——气体氮化、离子氮化
钢的化学热处理
碳氮共渗
碳氮共渗——在一定温度下，同时向工件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺。
目的——提高零件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性和疲劳强度。
应用——由于共渗层较薄，主要用于形状复杂、要求变形小的小型耐磨件。
铸铁热处理
强化铸铁的方式

铸铁的力学性能主要受基本组织和石墨所控制，因此，在强化铸铁时从两方面考虑：
改变石墨的数量大小、形状和分布，尽量减少石墨的有害作用。
通过合金化、热处理或表面处理方法调整基体组织，提高性能，以改善铸铁的强韧性。

铸铁热处理
灰铸铁的热处理

热处理只能改变灰铸铁的基体组织，改变不了石墨的形态，因此，灰铁经热处理提高其力学性能作用不大，生产中主要用于消除内应力和改善切削加工性能。常用的方法有三种：
消除内应力退火（人工时效）
消除铸件白口、降低硬度退火或正火
表面淬火
铸铁热处理
球墨铸铁热处理

与钢一样，球铁可进行多种热处理以改善组织性能。常用的热处理方法根据目的不同有四种：
退火
a.消除内应力退火——其工艺与灰铸铁相同。
b.高温退火——为消除白口，获得高韧性的铁素体球铁。
c.低温退火——当基体组织中无共晶渗碳体且珠光体含量较高，要求塑性、韧性较高时可采用。
正火——细化组织以提高球铁的强度、硬度和耐磨性。
a.高温正火
b.低温正火
调质处理——适用于要求综合力学性能较高的球铁。如曲轴、连杆等。
等温淬火——适用于形状复杂易变形、又要求综合力学性能高的球铁。

铸铁热处理
可锻铸铁的热处理

可锻铸铁的石墨化退火
 将白口铸铁加热（900℃~1000℃）后，长时间保温（30~40h），然后以一定的冷却速度（200~300℃/h）冷却到720℃后再空冷。
铸铁热处理
蠕墨铸铁热处理

目的——为了调整基体组织，以获得不同力学性能。
方法
正火：普通蠕铁在铸态时，基体是大量F，通过正火可增加P量，提高强度和耐磨性。
退火：为获得85%以上的F基体，或清除薄壁处的游离渗碳体。

铸铁热处理
合金铸铁的热处理

合金铸铁——在灰铁、球铁、蠕墨铸铁中加入少量合金元素，显著提高铸铁的耐热、耐蚀、耐磨等特殊的物理化学性能。

耐磨合金铸铁——生产中在灰铁中加入Ni、Cr等合金，采用“激冷”的办法使铸件表面获得白口组织，心部仍保留灰铸铁组织，从而使铸件既有高耐磨性，又有一定的强度和韧性。
应用：可用于制造缸体、凸轮轴，并可进行感应加热淬火。