热处理基本知识和材料选用Word下载.docx
《热处理基本知识和材料选用Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热处理基本知识和材料选用Word下载.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
退火
正火
普通热处理-淬火
回火
火焰加热
热处理类型-
表面淬火-感应加热
表面热处理--
渗碳
化学热处理--渗氮
碳氮共渗
控制气氛热处理
其他热处理--
真空热处理
形变热处理
热处理可以是机械零件加工制造工艺中的一个中间工序，如改善锻、轧、铸毛坯组织的退火或正火，齿轮箱体消除焊接应力退火和降低工件硬度改善切削加工性能的退火等。
也可以是使机械零件性能达到规定技术指标的最终工序，如经淬火加高温回火，使机械零件获得极为良好综合力学性能，例如渗碳齿轮的整个加工工序是：
锻造-退火-粗加工-探伤-正火-精加工-渗碳、淬火、回火-喷丸-（磨齿）。
由此可见，热处理同其他工艺过程密切，在机械零件加工制造过程中具有十分重要的地位和作用。
二、
普通热处理
1、钢的退火和正火
1.1钢的退火和正火的定义和目的
退火是一般是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后缓慢冷却，以获得接近平衡的珠光体组织的热处理工艺。
图2为GCr15钢等温球化退火典型工艺。
温
780~810℃
炉冷710~720℃
3~6
4~6
炉冷
600℃出炉空冷
时间（h）
图2
GCr15钢等温球化退火典型工艺
正火也是将钢件加热到临界温度以上适当温度，保温适当时间后以较快冷却速度冷却（通常为空气中冷却），以获得珠光体类型组织的热处理工艺。
图3为20CrMnTi正火工艺。
920~950℃
650℃
2~3
空冷
1.5
时间（h）
图3
20CrMnTi正火工艺
由退火和正火的热处理工艺可知，正火的冷却速度比退火快，所以相同钢材正火比退火（主要指完全退火）后获得的珠光体组织较细，钢的强度与韧性、硬度也较高。
退火和正火是应用非常广泛的热处理，在机器零件或工模具等工件的加工制造过程中，退火和正火经常作为预先热处理工序。
机器零件的毛坯一般是轧材、锻件、铸件或焊接件等，毛坯料内部常出现各种组织缺陷，如组织不均匀性、晶粒粗大、成分偏析、带状组织等，这些缺陷不仅影响以后各种冷热加工的进行，还会降低零件的最终性能。
所以退火和正火用于毛坯的预先热处理，可以达到以下目的：
1.1.1消除或改善毛坯料的各种组织缺陷。
1.1.2获得最有利于切削加工的组织与硬度。
1.1.3改善组织中相的形态与分布,细化晶粒,为最终热处理（淬火回火）作好组织上准备。
1.1.4消除或降低内应力，以防后继工序加工后变形或开裂倾响。
退火和正火经常作为预先热处理工序外，在一些普通铸钢件、焊接件、以及某些不重要的热加工工件上，还作为最终热处理工序，以改善组织，稳定尺寸。
1.2退火和正火的正确选用
在生产上对退火和正火工艺的选用，应根据钢种、前后连接的冷、热加工工艺、以及最终零件使用条件等来进行。
根据钢中含碳量不同，一般按如下原则选用：
1.2.1低碳钢（≤0.25%C）
这类钢主要应解决塑性过高造成粘刀而不易切削加工的问题，故采用正火为宜。
通过正火使组织均匀，硬度适当提高而易于切削。
例如对渗碳钢，用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能。
1.2.2中碳钢（0.25%~0.55%C）
这类钢一般采用正火，其中含碳量0.25%~0.35%的钢，正火后其硬度接近于最佳切削加工硬度。
对含碳量较高的钢，硬度虽稍高（200HBS），但由于正火生产率高，成本低，操作简便，仍采用正火，只有对合金元素含量较高的钢，因正火后硬度过高，使切削加工困难，才采用完全退火。
1.2.3高碳钢（＞0.55%C）
这类钢一般采用退火最为适宜，因为含碳量较高，正火后硬度太高，不利于切削加工，而退火后的硬度正好适宜于切削加工。
此外，这类钢多在淬火、回火状态下使用，因此一般工序安排是以退火降低硬度，然后进行切削加工，最终进行淬火、回火。
当钢中含有较多合金元素时，上述原则就不适用（由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线），例如低碳合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变，即使在极缓慢的冷却速度下退火，也不可能得到珠光体类型组织。
一般需用高温回火来降低硬度，以便切削加工。
2、钢的淬火
钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要，也是用途最广泛的工序。
淬火可以显著提高钢的强度和硬度。
为了消除淬火钢的残余应力，得到不同强度，硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。
所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。
淬火、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋予钢件最终性能的关键工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。
2.1
淬火的定义和目的
把钢加热到奥氏体化温度，保温一定时间，然后以大于临界冷却速度进行冷却，这种热处理操作称为淬火。
钢件淬火后获得马氏体或下贝氏体组织。
图4为渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺。
830℃
油
冷
200℃
时间h
图4
渗碳齿轮20CrNi2Mo材料淬火、回火工艺
淬火的目的一般有：
2.1.1
提高工具、渗碳工件和其他高强度耐磨机器零件等的强度、硬度和耐磨性。
例如高速工具钢通过淬火回火后，硬度可达63HRC，且具有良好的红硬性。
渗碳工件通过淬火回火后，硬度可达58~63HRC。
2.1.2
结构钢通过淬火和高温回火（又称调质）之后获得良好综合力学性能。
例如汽车半轴经淬火和高温回火（280~320HB）及外圆中频淬火后，不仅提高了花键耐磨性，而且使汽车半轴承受扭转、弯曲和冲击载荷能力（尤其是疲劳强度和韧性）大为提高。
淬火时，最常用的冷却介质是水、盐水、碱水和油等。
通常碳素钢用水冷却，水价廉易得，合金钢用油来冷却，但对要求高硬度的轧辊采用盐水或碱水冷却，辊面经淬火后硬度高而均匀，但对操作要求非常严格，否则容易产生开裂。
2.2
钢的淬透性
2.2.1淬透性的基本概念
所谓钢材的淬透性是指钢在淬火时获得淬硬层深度大小的能力（即钢材淬透能力），其大小用钢在一定条件下（顶端淬火法）淬火获得的有效淬硬层深度来表示，淬透性是每种钢材所固有的属性，淬硬层愈深，就表明钢的淬透性愈好,例如45、40Cr、42CrMo钢三种试样，按相同条件淬火后（油冷却），经检测45钢能被淬透的最大直径（称临界直径）φ10mm；
40Cr钢能被淬透的最大直径φ22mm;
42CrMo钢能被淬透的最大直径φ40mm。
实际工件的有效淬硬深度与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关，例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大件的淬硬层深；
同一钢种相同尺寸时，水淬比油淬的淬硬层深。
同一种钢，其成分和冶炼质量必然在一定范围内波动，因而有关手册上所提供的某钢号的淬透性曲线往往不是一条线，而是一个范围，称淬透性带。
图1为40Cr钢的淬透性带。
图1
40Cr钢的淬透性带
从上所述，钢材的淬透性包含两方面内容，一是钢材的淬透能力，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求；
二是淬透性带宽度，要求尽可能小的淬透性带宽度波动，以有利于齿轮热处理变形的控制。
德国大众、日本小松、美国休斯通用等国外几大公司对齿轮钢材的淬透性带宽≤8HRC，我国的GB/T5216标准规定的钢材的淬透性带宽为12HRC，2002年在“中国齿轮行业钢材采购通则（试行）”中要求齿轮钢材的淬透性带宽为7HRC。
2.2.2、淬透性的表示方法
钢的淬透性值可用J（HRC/d）表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为该处测得的硬度值。
例如淬透性值J（42/5）表示距水冷端5mm处试样硬度值为42HRC；
淬透性值J（30~35/10）表示距水冷端10mm处试样硬度值为30~35HRC。
对淬透性值有具体要求的钢应根据GB/T5216-2004《保证淬透性结构钢》标准的规定订货，其钢号最后用H表示，例如42CrMoH。
3、钢的回火
3.1回火的定义和目的
钢淬火后必须经过回火，回火是指将淬火钢加热到Ac1（钢件加热时的临界点）以下的某一温度，经过保温，然后以一定的冷却方法冷至室温的热处理工艺，见图4。
回火的目的：
3.1.1降低脆性，减少或消除内应力，防止工件变形或开裂。
3.1.2获得工艺所要求的力学性能。
淬火工件的硬度高且脆性大，通过适当回火可调整硬度，获得所需要的塑性、韧性。
3.1.3稳定工件尺寸。
淬火马氏体和残余奥氏体都是非平衡组织，它们会自发地向稳定的平衡组织转变，从而引起工件尺寸和形状的改变，通过回火可使淬火马氏体和残余奥氏体转变为较稳定组织，以保证工件在使用过程中不发生尺寸和形状的变化。
3.1.4对于某些高淬透性的合金钢，空冷便可淬成马氏体，如采用退火软化，则周期很长。
此时可采用高温回火，降低硬度，以利切削加工。
淬火钢不经回火一般不能直接使用，为了避免工件在放置过程中发生变形和开裂，淬火后应及时回火。
3.2、回火的种类
淬火钢回火后组织性能决定于回火温度，根据回火温度范围，可将回火分为三类：
3.2.1低温回火
低温回火的温度为150~250℃，回火后组织为回火马氏体，低温回火主要降低钢的淬火内应力和脆性，同时保持钢在淬火后的高硬度（一般为58~64HRC）和耐磨性，常用于处理各种工具、模具、轴承、渗碳件及经表面淬火工件。
3.2.2中温回火
中温回火的温度为350~500℃，回火后不仅保持较高硬度（一般为35~45HRC）和强度，而且具有高的弹性极限和足够的韧性。
中温回火主要用于各种弹簧的处理，还用于某些塑料模、热锻模以及要求较高强度的轴、轴套等。
3.2.3高温回火
高温回火的温度为500~650℃。
高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能。
4、钢的调质
习惯上将淬火加高温回火（500~650℃）相结合的热处理工艺称作“调质处理”，简称“调质”。
根据工件不同性能要求，通过调整回火温度，调质硬度可控制在于200~350HB。
4.1、调质热处理的目的
高温回火后的组织为回火索氏体，这种组织具有良好的综合力学性能，即在保持较高强度的同时，具有良好的塑性和韧性。
调质处理广泛应用于重要结构零件，特别是在交变载荷下工作的零件，如汽车、拖拉机、机床上的连杆、连杆螺钉、齿轮和轴类零件等。
调质还可作为表面强化零件（高、中频淬火和氮化等）以及某些要求较高的精密零件（如丝杆、量具、模具等）和轧辊的预先热处理。
4.2、调质齿轮保证钢材淬透性的措施
齿轮调质的目的是要保证齿轮的齿部（特别是齿根部）达到设计要求的硬度,以满足接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的要求,在我国齿轮制造中,对大中模数齿轮的调质其齿根处往往达不到要求的硬度,这与钢材选择和淬火冷却有关,其核心是钢材淬透性。
为了使齿根处也达到要求硬度，通常采用二种措施：
4.2.1、一是以钢材的淬透性选材，常用调质齿轮钢材按其淬透性高低分为五类（Ⅰ~Ⅴ），表1为调质及调质后表淬齿轮用钢。
表2为各类调质钢推荐应用范围。
表1调质及表面淬火齿轮用钢
齿轮种类
类别
钢
号
一般载荷不大、截面尺寸也不大、要求不太高齿轮
Ⅰ
35
45
55
Ⅱ
40Mn
40Cr
35SiMn
42SiMn
50Mn2
截面尺寸较大、承受较大载荷、要求比较高齿轮
Ⅲ
35CrMo42CrMo40CrMnMo35CrMnSi40CrNi40CrNiMo
45CrNiMoV
截面尺寸很大、承受载荷大、并要求有足够韧性齿轮
Ⅳ
35CrNi2Mo
40CrNi2Mo
Ⅴ
34CrNi3Mo
37SiMn2MoV
30CrNi3
注：
Ⅰ~Ⅴ按钢的淬透性及强度高低递增
齿轮尺寸（mm）
抗拉强度σb（Mpa）
600~800
800~1000
>
1000
圆棒直径
≈40
ⅠⅡ
Ⅲ
40~80
ⅡⅢ
ⅢⅣ
80~120
120~180
ⅣⅤ
180~250
ⅡⅢⅣ
ⅣⅤ
Ⅴ
＞250
ⅢⅣ
齿圈厚度
≈20
20~40
ⅠⅡ
40~60
ⅠⅡⅢ
60~90
Ⅵ
90~120
＞120
盘齿坯宽度
≈12.5
12.5~25
25~50
ⅠⅡⅢ
Ⅳ
100~200
＞200
表2
各类调质钢推荐应用范围
必须指出：
在选用材料时，在设计中不可根据从手册里查到的小尺寸试样性能数据用于大尺寸工件的强度计算，而必须考虑材料实际淬透层深度，大件齿轮因重量和体积均较大，截面积厚，内部热容量大，致使实际淬透层浅，这种现象叫做“钢材尺寸效应”。
在选用材料时，必须将淬透性和淬硬性区别开来，钢的淬硬性是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度，它主要取决于钢的含碳量，钢中含碳量越高，淬火后的硬度越高。
至于合金元素对淬硬性影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。
所以淬火硬度高的钢不一定就淬透性高，而硬度低的钢，也可能具有高的淬透性。
4.2.2、二是大模数齿轮采用齿部开槽调质,大模数齿轮采用整体毛坯调质,由于受到钢材淬透性限制，往往在齿根部达不到要求调质硬度，一般大模数齿轮的体积和重量较大，因此按第一种方法选用高合金含量的钢显然是不经济的，所以齿轮模数较大时，如碳钢齿轮模数大于12时应采用先开槽后调质，再精滚齿的工艺，由于开槽调质改善了齿部冷却条件，所以可以采用淬透性较低的合金元素较小的钢材，从而降低了成本。
图5
大模数齿轮开槽调质后各部位硬度分布
图5所示为42CrMo钢，M＝22，Z＝20的大模数齿轮采用开槽调质后齿轮各部位的硬度分布，由图可见，齿根部硬度明显得到提高。
三、钢的表面加热淬火
钢的表面加热淬火是将工件快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使工件表层获得淬火马氏体组织的热处理方法。
表面加热淬火既强化了零件表面层，又保持了心部原有的良好的综合机械性能，从而达到这种表硬心韧的性能要求。
1、感应加热表面淬火
1.1感应加热原理
感应加热表面淬火是利用电磁感应原理，在工件表面产生密度很高的感应电流，并使工件表面迅速加热至奥氏体状态，然后快速冷却获得马氏体组织的淬火方法。
图6为感应加热
表面淬火示意图。
当感应圈中通过一
定频率交流电时，在其内外将产生与
电流变化频率相同的交变磁场。
感应
圈内工件在交变磁场作用下，工件内
就会产生与感应圈频率相同而方向相
反的感应电流。
由于感应电流沿工件
表面形成封闭回路，通常称为涡流。
此涡流将电能变为热能，使工件加热。
涡流在被加热工件中的分布由表面至
心部呈现指数规律衰减。
因此，涡流
主要分布于工件表面，工件内部几乎
没有电流通过。
这种现象叫集肤效应。
感应加热就是利用集肤效应，依靠电
流热效应把工件表面迅速加热到淬火
温度的。
感应圈用纯铜管制做，内通
图6感应加热表面淬火示意图
冷却水。
当工件表面在感应圈内加热到相变温度时，立即喷水或浸水冷却，实现表面淬火工艺。
感应加热电流透入工件表面的深度与感应电流的频率有关，如下式所示：
式中
δ——感应电流透入深度（mm）
f——电流频率（Hz）
可以看出，电流频率愈高，感应电流透入工件表面的深度愈浅。
1.2感应加热分类
根据零件尺寸及硬化层深度的要求选择不同的电流频率，感应加热可分为四类，见表3说明。
表3
感应加热分类
分类
工作电流频率（KHz）
特性及应用范围
高频加热
200~300
一般有效淬硬层0.8~1.5mm，主要用于中小模数（m=1.5~8）及中小尺寸的轴类零件表面加热淬火
超音频加热
30~60
一般有效淬硬层1.0~2.0mm，主要用于中小模数（m=3-6）齿轮、花健轴表面轮廓淬火和曲轴、凸轮轴等表面淬火
中频加热
1~8
一般有效淬硬层2.0~8.0mm，主要用于较大尺寸的轴和大中模数齿轮等表面淬火
工频加热
50（Hz）
一般有效淬硬层10~15mm，主要用于较大直径零件的穿透加热及大直径零件如轧辊、车轮等表面淬火
感应加热表面淬火通常采用喷射冷却法，冷却速度可通过调节液体压力、温度及喷射时间控制。
采用冷却介质有水、聚乙烯醇合成淬火剂及油等。
工件表面淬火后应进行低温回火（150~200℃），以降低残余应力和脆性，并保持表面高硬度和高耐磨性。
对于大模数重载齿轮经感应加热表面淬火后，希望得到沿齿廓分布硬化层，如图7所示，硬化层分布在齿面、齿根及齿底，这样大大提高了齿部
的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和
冲击韧性。
图7
齿廓型硬化层
为了保证工件表面淬火后的表面硬度和心部强度及韧性，一般选用中碳钢及中碳合金钢，其表面淬火前的原始组织应为调质或正火态。
根据工件表面加热热源的不同，钢的表面淬火有很多种，除了感应加热表面淬火外，还有火焰表面加热淬火、电接触表面加热淬火及激光表面加热淬火等。
这里只介绍感应加热表面淬火。
2、表面淬火齿轮用钢的选用见表1、表2。
四、化学热处理
工件放在一定的化学介质中加热到一定温度，使其表面与介质相互作用，吸收其中某些化学元素的原子（或离子），并自表面向内部扩散的过程称为化学热处理。
化学热处理包括渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
化学热处理的结果是改变了金属表面的化学成分和性能。
例如低碳钢经过表面渗碳淬火后，该钢种的工件表面就具有了普通高碳钢淬火后的高硬度、高耐磨的性能特征，而心部仍保留低碳钢淬火后良好的塑性、韧性的特征。
显然这是单一的低碳钢或高碳钢所不能达到的。
1、钢的渗碳
1.1钢的渗碳基本原理和气体渗碳工艺
1.1.1钢的渗碳基本原理
在渗碳温度下（920℃）渗碳过程包括三个基本过程：
一是由介质（甲醇、煤油、异丙醇）分解出活性原子。
如分解产生的一氧
化碳和甲烷分解出活性碳原子：
2CO——CO2+[C]
CH4
——2H2+[C]
二是活性碳原子被工件表面吸收。
三是被吸收碳原子向工件内部扩散。
渗碳过程由分解、吸收、扩散三过程组成，三个过程又是同时发生的，全部过程存在着复杂物理化学反应。
1.1.2气体渗碳工艺
气体
升级会员 