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鋼的熱處理
一、鋼的熱處理定義：
• 把鋼在固態下加熱到一定溫度，進行必要的保溫，並以適當的速度冷卻到室溫，以改變鋼的內部組織，從而得到所需性能的工藝方法。
二、鋼的熱處理目的：
1、消除毛坯中的缺陷，改善工藝性能，為切削加工或熱處理做組織和性能上的準備。————叫預先熱處理。
2、提高金屬材料的力學性能，充分發揮材料的潛力，節約材料延長零件使用壽命。————叫最終熱處理。
三、熱處理的方法（按工藝方法不同分）
第一節 熱處理基本原理
• 熱處理之所以能夠使鋼的性能發生很大變化，主要是由於在加熱和冷卻過程中，鋼的內部組織發生了變化造成的
一、鋼在加熱時的轉變
大多數熱處理工藝需要將鋼加熱到臨界溫度以上（A區域）才能進行，所以加熱轉變主要包括A的形成和晶粒長大兩個過程。
1、奧氏體的形成
• 以共析鋼為例（ωc=0.77%）
影響奧氏體形成的因素：
• 溫度：溫度越高，原子擴散能力越大，加速奧氏體形成。
• 原始組織：原始組織越細，相界面越多，提供的奧氏體晶核就愈多，碳原子的擴散距離也越短，加速奧氏體形成。
• 鋼的成分：含碳量增加，F和Fe3C相界面越多，加速奧氏體形成。
加入合金元素後不改變A形成的基本過程，但會減緩A的形成速度
2、奧氏體晶粒的長大（粗化）
• 隨著溫度的升高，奧氏體晶粒會逐漸長大。
• 晶粒度：表示晶粒大小的尺度。
• 分為十個等級。一級最粗，十級最細。
• 粗大的A晶粒———冷卻後得到粗大的晶粒組織———力學性能和工藝性能差—合理選擇加熱溫度和保溫時間。
二、鋼在冷卻時的轉變
• 室溫時鋼的力學性能，不僅與經過加熱、保溫後獲得的A晶粒大小有關，而且決定於A經冷卻轉變後所獲得的組織。而冷卻方式、 冷卻速度對A組織的轉變有直接影響。A鋼冷卻至室溫有兩種方式：
連續冷卻: 就是使奧氏體化後的鋼，在溫度連續下降的過程中發生組織轉變。水冷、油冷、爐冷、空冷。
等溫冷卻：將奧氏體化後的鋼迅速冷卻到A1以下某一溫度，恆溫停留一段時間，在這段保溫時間內發生組織轉變，然後再冷卻下來。
1、過冷A的等溫轉變
• 以共析鋼為例：
• 過冷A的等溫轉變曲線：由於過冷溫度和等溫時間不同，過冷A的等溫轉變過程及轉變產物也不相同，表示過冷A不同的等溫冷卻溫度、等溫時間與轉變過程及產物之間關係的曲線—C曲線。
（1）建立C曲線
• 共析鋼A的等溫轉變曲線的建立是通過一系列不同過冷的等溫冷卻實驗建立的。
• 通過實驗測出：不同過冷A在恆溫下開始轉變和轉變終了的時間，畫到溫度—時間座標系中，然後把開始時間和轉變終了時間分別連接起來，即得共析鋼C曲線。
（2）共析鋼過冷A等溫轉變產物組織和性能
• 珠光體類型（高溫轉變產物）：
共析鋼A過冷到723℃—550℃之間A等溫轉變產物屬於P型組織。 分類如圖。
• 貝氏體形轉變（中溫轉變產物 ）：
A在550℃--230℃保溫轉變為貝氏體型轉變，其組織類型為貝氏體組織。——它是由含碳過飽和的F+Ｆｅ3Ｃ兩相混合物。分類如圖。
• 馬氏體型轉變（低溫轉變產物）：
230℃—— -60℃保溫轉變為馬氏體型轉變，其組織類型為馬氏體組織。分為板狀和片狀馬氏體，圖3-9。
馬氏體是碳在α-Ｆｅ中的過飽和固溶體。
（3）影響過冷奧氏體等溫轉變的因素
• 碳的影響： ωc增加，亞共析鋼的C曲線右移；過共析鋼的C 曲線左移。
• 合金元素的影響：初CO外，所有合金元素如入奧氏體後會增加過冷奧氏體的穩定性， 使C曲線右移。
2、過冷A的連續冷卻轉變
• 與等溫冷卻曲線相比，連續冷卻曲線都處於右下方，說明轉變溫度低，孕育期長。
• 共析鋼連續冷卻時，只有珠光體轉變而無貝氏體轉變。亞共析鋼可以產生貝氏體組織。合金鋼可以有珠光體及貝氏體轉變，有珠光體無貝氏體。或有貝氏體而無珠光體轉變等多種情況。
• 當連續冷卻速度達到某一值時，冷卻曲線與C曲線相切，不發生珠光體轉變，而在低溫區發生馬氏體轉變，通常稱為臨界冷卻速度。冷速小時，得到珠光體與馬氏體混合組織，更小時，得到珠光體組織。
3、過冷奧氏體轉變圖的應用
過冷奧氏體轉變圖是選擇鋼種及制訂熱處理工藝的基本依據之一。
（1）不同成分的鋼具有不同的轉變圖，設計時可根據要求合理選擇適用而廉價的材料。
（2）制定熱處理工藝規程，選擇冷卻介質。
（3）估計零件在熱處理條件下各部位可能得到的組織。
第二節 鋼的整體熱處理
一、鋼的退火
概念：將鋼加熱、保溫後緩慢冷卻，以獲得接近平衡組織的工藝過程。
完全退火 :普通退火、等溫退火
球化退火
去應力退火
再結晶退火等
1、完全退火
工藝：加熱Ac3以上30~50℃——保溫——隨爐冷到500度以下——空冷室溫。
目的：細化晶粒，均勻組織 ，提高塑韌性，消除內應力，便於機械加工。
2、等溫退火
工藝：加熱Ac3以上——保溫——快冷至珠光體轉變溫度——等溫停留——轉變為P——出爐空冷
目的：同上。但時間短，易控制，脫氧、脫碳小。（適用於過冷A比較穩定的合金鋼及大型碳鋼件）
3、球化退火
• 概念：是使鋼中的滲碳體球化的工藝過程。
• 對象：共析鋼和過共析鋼
• 工藝：(1)等溫球化退火加熱Ac1以上20~30度——保溫——迅速冷卻到Ar1以下20度——等溫——隨爐冷至600度左右——出爐空冷。
（2）普通球化退火加熱Ac1以上20~30度——保溫——極緩慢冷卻至600度左右——出爐空冷。（週期長，效率低，不適用）
目的：降低硬度、提高塑韌性，便於切削加工。
機理：使片狀或網狀滲碳體變成顆粒狀（球狀）
說明：退火加熱時，組織沒有完全A化，所以又稱不完全退火。
4、去應力退火
• 工藝：加熱到Ac1以下某一溫度（500~650度）——保溫——緩冷至室溫。
• 目的：消除鑄件、鍛件、焊接件等的殘餘內應力，穩定工件尺寸。
二、鋼的正火
• 工藝：加熱到Ac3或Accm以上30~50度——保溫——出爐空冷。
• 目的：亞共析鋼中自由鐵素體減少，過共析鋼中網狀滲碳體消失 。
低碳鋼：提高硬度，克服粘刀現象，改善切削加工性。
中碳鋼：細化晶粒，為淬火做好組織準備，對性能要求不高的零件，可作為最終熱處理。
高碳鋼：消除網狀Fe3C。
三、鋼的淬火
• 工藝：將鋼加熱到Ac3或Ac1以上30-50度 ，保溫——快速冷卻（＞vk）以獲得馬氏體的工藝方法。
• 目的：提高鋼的硬度和耐磨性。
• 分類（方法）：1、單液淬火；2、雙液淬火；3、分級淬火；4、等溫淬火；5、冷處理
• 亞共析鋼： Ac3+30~50OC
過高：淬火後M粗大，嚴重變形
過低：淬火後組織出現F，硬度、強度不足，不均。
· 過共析鋼： Ac1+30~50OC
過高：淬火後M粗大，脆性增大，易變形，開裂。殘餘A增多，硬度、耐磨性降低。
過低： A化不均勻。
一般過共析鋼，淬火前需要正火或球化退火，消除網狀滲碳體。
3、淬火方法
• 單液淬火：將A化的鋼放進水或者油等淬火介質中連續冷卻至室溫的操作方法。
如：碳鋼件水冷，合金鋼油冷，厚大碳鋼件鹽水冷等。
特點：操作簡便，易實現自動、機械化。
· 雙液淬火：將A化的鋼先放進水中冷卻到300~200度在迅速移到油中（甚至放到空氣中）的冷卻操作方法。
特點：即可淬硬又可避免開裂和變形。但操作困難。
· 分級淬火：將A化的鋼放進稍高於Ms點的鹽浴槽中停留2~5分鐘，然後取出在空氣中冷卻。
特點：應力小，避免開裂和變形。但鹽浴冷卻能力有限，只適用於形狀複雜，尺寸較小的零件。
•等溫淬火：將A化的鋼放進稍高於Ms點的鹽浴槽中保溫足夠時間，使過冷A轉變為B下 ，然後取出空冷方法。
特點： B下 硬度較高，韌性較好，變形又小。適於形狀複雜、尺寸精度要求的零件。
· 冷處理：使殘餘A轉化為 M。—提高硬度和耐磨性。穩定尺寸。需專門設備成本高。
4、淬硬性和淬透性
淬硬性：鋼在正常淬火條件下，淬火形成的馬氏體所能達到的最高硬度。
淬硬性取決於馬氏體的含碳量，含碳量越高，碳的過飽和度就越大，硬度越高。
淬透性：鋼在規定淬火條件下，可以達到的淬硬層深度。
影響因素：過冷奧氏體的穩定性，即Vk。
• 末端淬火法測定淬透性。
2、鋼的回火
• 工藝：將淬火後的鋼重新加熱到A1以下某一溫度保溫，然後冷卻（一般空冷)至室溫。
• 目的：消除淬火產生的內應力，穩定工件尺寸，降低脆性，改善切削加工性能。
• 力學性能：隨著回火溫度的升高，硬度、強度下降，塑性韌性升高。
1、低溫回火：150-250℃ ，M回，減少內應力和脆性，提高塑韌性，有較高的硬度和耐磨性。用於製作量具、刀具和滾動軸承等。
2、中溫回火：350-500℃ ，T回，具有較高的彈性，有一定的塑性和硬度。用於製作彈簧、鍛模等。
3、高溫回火：500-650℃ ，S回，具有良好的綜合力學性能。用於製作齒輪、曲軸等。
• 淬火後再高溫回火稱為調質處理。
第三節 鋼的表面熱處理和化學熱處理
一、表面淬火
• 工藝（概念）：對零件進行快速加熱，使表面迅速達到淬火溫度，而心部來不及被加熱的情況下立即冷卻，使表面得到高硬度的馬氏體，而心部仍保持原來組織的一種熱處理工藝。
· 分類：
（1）感應加熱表面淬火：高頻，中頻、低頻。
（2）火焰加熱表面淬火
二、化學熱處理
• 工藝（概念）：將零件放入一定的活性介質中，經加熱、保溫，使介質的活性原子滲入零件表層中，從而改變表層化學成分、組織和性能的工藝方法。
• 分類：
（1）滲碳：氣體滲碳、固體滲碳
（2）滲氮：氣體氮化、離子氮化
（3）碳氮共滲
（4）其它滲入法
1、化學熱處理的基本過程
1）化學滲劑在溫度（加熱）及催化劑作用下分解出能滲入工件表面的活性元素。
2）活性原子被工件表面吸附。
3）在一定溫度下工件表面的活性原子向金屬內部擴散，形成一定的擴散層。
2、滲碳
滲碳是向鋼的表面滲入碳原子，使其表面達到高碳鋼的含碳量，增加耐磨性。
1）氣體滲碳工藝及組織
氣體滲碳是採用液體或氣體碳氫化合物作為滲碳劑，（如：煤油、甲苯或含碳的氣體）。
滲碳溫度是900~950℃。時間取決於要求的滲碳層深度，從幾小時到十幾小時不等。
滲碳以後，零件表面含碳量約為0.8~1.0%，由表面到中心含碳量逐漸降低。
2）滲碳後的熱處理
為使滲碳件具有高的力學性能，滲碳後須進行淬火及回火處理。滲碳層的組織為細小針狀馬氏體和粒狀分佈的滲碳體組織。
3、滲氮（氮化）
滲氮是將氮原子滲入鋼件表面，形成以氮化物為主的滲氮層，以提高滲層的硬度、耐磨、耐蝕和耐疲勞強度等多種性能。
1）滲氮工藝特點
滲氮劑為氨氣，氨氣在480~600 ℃分解出具有活性的氮原子滲入工件中，形成富氮層而完成氮化。
滲氮溫度600 ℃，此時鐵具有最好的吸氮能力。
2）組織和性能
氮與鐵等金屬形成氮化物可顯著地強化滲氮層。
4、碳氮共滲
又稱氰化，鋼件表面同時滲入碳原子和氮原子，形成碳氮共滲層，以提高工件的耐磨性和疲勞強度的處理方法。
1）高溫（820~920 ℃ ）碳氮共滲，以滲碳為主，氣氛中含有一定氮時，碳的滲入速度比相同溫度下單獨滲碳的速度要高，厚度更深。
2）低溫（520~580 ℃ ）碳氮共滲，以滲氮為主，共滲後表面形成白亮層，可大大提高工件的耐磨性和抗咬卡、抗擦傷的性能。
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