钢其它热处理与典型钢种热处理

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上节内容复习热处理分类：普通热处理表面热处理其他热处理退火Annealing正火Normalizing淬火Hardening(Quenching)回火Tempering表面淬火化学热处理火焰加热Flame感应加热Induction渗碳Carburization渗氮Nitrogenizing碳氮共渗真空热处理Vacuum可控气氛热处理、形变热处理ControledAtmosphere热处理

1一、钢表面热处理二、钢化学热处理三、合金元素在钢中的作用四、典型钢种热处理第七讲、钢其它热处理与典型钢种热处理

2一、钢表面热处理1、为什么要进行表面热处理许多零件（如齿轮和轴承等）需表面高硬度和高耐磨，而心部有好的塑性和韧性，表面淬火可达到这一要求。2、表面淬火1）淬火工艺：当钢表面被加热到A后，急冷会形成M，而心部不变，这样工件表面强硬而心部保持良好韧性。表面淬火用钢：为低C或中C钢（即亚共析）。2）淬火组织工件从表面到心部温度不同，淬火组织也不同：表面：温度>Ac3，全A化，淬火后得到细小M；中间：温度在Ac1～Ac3之间，组织为A＋F，淬火后得到M＋F；心部：温度在Ac1以下，组织不变。

33）淬火方法（1）感应加热工件置于中或高频(500－500KHz)交变磁场，工件会有感应电流产生，电流集中于工件表层，即集肤效应，所产生热量使工件迅速升温至Ac1（共析）或Ac3（亚共析），然后置于水中或喷水冷却，使表层淬硬。加热快、温度高，其A晶粒细，硬度高于普通淬火。注：线圈功率越大，频率会越高，淬硬层越浅。如20－500KHz的淬硬层＜2mm，而0.5－10Khz的淬硬层2－6mm。

4目的：表层高硬度、高耐磨，心部保持良好韧性。应用：机床主轴、阶梯轴、汽车发动机曲轴和齿轮齿形表层等。表面感应淬火

5表层淬火到一定深度，心部保持未淬状态的淬火方法。工艺：将表层快速加热到（Ac3+30~50℃），高温来不及传到心部而立即喷水冷却，实现表层淬火。表面火焰淬火（2）火焰加热

6二、化学热处理工件置于化学介质中，通过加热、保温和原子扩散或化学反应，改变其表层成分和组织，以实现表层改性。常用工艺：渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

7化学热处理过程：化学介质分解释放出活性原子；活性原子被钢件表面吸收或溶解；吸收的原子向内部扩散形成扩散层，通过控制时间来定扩散层深度。种类：渗C（形成Fe3C或C固溶体）（弥散强化＋固溶强化）渗N（N固溶体），（固溶强化）渗B（B固溶体），（固溶强化）C－N共渗（弥散强化＋固溶强化）注意：表面淬火——改变表面组织来提高性能；化学热处理——改变表面成分来提高性能。

81、渗碳1）目的：提高表面碳量以提高硬度、耐磨性和抗接触疲劳性，心部则有良好塑性和韧性。用途：用于承受强摩擦、大冲击及易发生接触疲劳零件，如汽车齿轮和摩擦片等。2）渗碳钢：低碳钢或低碳合金钢，经淬火后心部获得低碳M，保持良好塑性和韧性。3）渗碳方法：（1）气体渗C法：介质：CH4→[C]+H2CO→[C]+CO2温度：900－950℃方式：[C]渗入工件表面（2）固体渗碳法:将工件埋入活性C中，在900－950℃保温。

9低碳钢件放入渗碳炉，通煤油（气体渗碳）。加热到900～950℃保温，使表层达到1%C，淬火后低温回火，达56～64HRC：如汽车变速齿轮和活塞销等。

104）渗碳过程：

115）控制参数：控制气体成分以调节表层含碳量；渗碳温度越高，渗碳速度越快；但温度过高会使A长大过快，一般为920℃；渗碳层深度用保温时间调节。

12气体渗碳法

136）渗碳组织渗碳后缓冷组织——碳在工件表层分布。Fe3C+PP+FPF+P（少）

14渗碳后热处理工艺

1520钢渗碳缓冷组织(化染)580表层珠光体+网状渗碳体;中层珠光体;内层铁素体+珠光体

16渗碳钢淬火后组织:低碳M回+FM回+Fe3C+A残低碳合金钢F+PM回+Fe3C+A残低碳钢心部组织表层组织钢种常用钢种:15、20、20Cr、20Mn2、20CrMnTi、18Cr2Ni4WA等。

1720CrMnTi钢渗碳层组织(化染)320渗碳体(白色块状)+高碳M(兰色针状)+残余A(棕黄色)

18渗碳后性能：表面硬度：低碳钢、低合金钢HRC58～64心部：HRC10～15中、高合金钢HRC56～60心部：视淬透性而定。

192、其它化学热处理1）渗氮：570℃下，利用NH3分解渗氮。也可用辉光等离子渗氮。表层生成氮化物，获得极高硬度。其处理温度低、变形小和渗氮层薄等优点，用于精密高耐磨件。2)碳氮共渗（高温）与氮碳共渗（低温）

201）渗氮(Nitridationofsteel)目的:提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、红硬性和耐腐蚀性，获得表硬里韧及抗蚀性能。适用:中碳合金钢如：压铸模、冷挤压模、挤压凸轮、高速凸轮和变速齿轮等。方法:气体渗氮----氨气

21气体渗氮：氨气加热分解出活性氮被钢件表面吸收，并向心部扩散形成氮化层。2NH33H2＋2［N］工艺：根据渗氮要求调节温度、时间、氨气分解量（分解程度）和炉内气压。

22温度：500～600℃氮化层：0.40～0.50mm时间：40～70h结束时，冷至200℃停止供氨，零件出炉。常用渗氮工艺：

23渗氮后性能：氮和很多合金元素形成氮化物，如：GrN、MoN、ALN等它们硬度高（HRC70），弥散分布在α-Fe基体上；另一方面，因氮化物的晶格常数比α-Fe大，使母相产生弹性畸变和晶粒扭曲，从而使塑性变形抗力上升。

24渗氮后表面有一硬度极高、但极脆的白层，当白层厚度大于0.01mm易从碎裂和剥落。故：渗氮后必须磨出白层（技术要求），使其厚度在0.005～0.015mm之间，获得好的耐摩和耐腐蚀性能。

25注:渗氮前需先调质；渗氮后不再热处理。渗氮后组织---表层:Fe4N、Fe2N、AlN、CrN、MoN、TiN、VN。心部:S回。常用钢种：35CrMo、18CrNiW、38CrMoAlA(氮化王)等。

26为何渗氮零件疲劳强度高？因氮化物的晶格常数比基体的大，使表层的体积膨胀，在氮化层内有较大残余压应力，这些压应力能够抵消部分疲劳载荷下的拉应力，从而延缓了疲劳。

27为何渗氮件有高的红硬性？因渗氮件的表面被氮化物弥漫分布，在晶格上形成了一种封闭状态，即使在500～570℃下加热，也会有较高硬度。

28离子渗氮——将零件作阴极，炉体（真空容器）作阳极；再将炉内抽真空到66.5Pa，并充入少量氨气，通450～500V直流电。稀薄氨气在电场作用下电离，N离子在电场作用下，以极高速度撞击零件表面，使其温度升至450～700℃，并形成一定扩散层。

29离子渗氮特点：不需加热炉；变形小；成本高，用于精密中、小型零件。

3038CrMoAl气体渗氮层组织(化染)650黄色区：ε(Fe2-3N)+γ’(Fe4N)；红色区：γ’(Fe4N)；蓝绿色区：含氮索氏体+脉状氮化物；绿黄色区：索氏体基体。

31渗碳与渗氮工艺特点处理后是否需要热处理处理时间(h)处理温度(℃)名称需要3～9900～950渗碳不需要20～50500～600渗氮

323）碳氮共渗---氰化处理（Carbonitridingofsteel）定义:向表面同时渗入C和N原子的过程。目的:获得表硬里韧的性能。方法:固体碳氮共渗气体碳氮共渗液体碳氮共渗高温中温低温

33碳氮共渗——目的：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。方法：将渗碳和渗氮气体通入炉内，在温度840～860℃下，分解成活性碳、氮原子，这些原子渗入工件形成共渗层。分类：低温和中温共渗用于刀具、模具等耐磨件。

34碳、氮共渗工艺:合金结构钢HRC53～60中温气体碳氮共渗800～8601～8以渗碳为主0.5～0.8mm淬火+低温回火合金工具钢HRC54～63低温气体碳氮共渗500～6001～6以渗氮为主0.1～0.4mm不需要材料性能名称温度(℃)时间(h)作用渗层后热处理

3520CrMnTi钢碳氮共渗层组织(化染)100针状M+残余A;混合M+残余A;板条M+针状M

3620CrMnTi钢碳氮共渗层组织1.针状M+残余A;2.混合M+残余A;3.板条M+针状M123

3720Cr2Ni4A钢高温碳氮共渗淬火组织(化染)52

38W18Cr4V钢碳氮共渗层组织(化染)650隐针马氏体+合金碳化物;从左至右含碳量逐步下降

39小结：普通热处理普通热处理局限加热金属表面处理组织转变（A）化学热处理表面淬火冷却表面处理改性镀层、涂层组织转变淬透性等温转变连续冷却转变组织转变退火、正火、淬火、回火组织和性能改变，选材及热处理应用，改性应用

40三、合金元素在钢中的作用1、与铁作用：固溶于铁素体中，固溶强化，↑力学性能。2、与碳作用：形成碳化物，↑↑HB、σb。

41对强硬度影响对韧性影响

42据与碳的亲和力，合金元素分两类：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti以上由弱至强

43弱、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子→(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C（1）形成合金渗碳体意义：合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高——低合金钢中的主要强化相

44（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元素、或较多的中强碳化物形成元素（>5%）：VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3——形成特殊碳化物，它们较合金渗碳体更稳定，熔点与硬度更高，且为耐高温的强化相，应用于高合金钢中。

45小结：碳在钢中存在作用：(1)固溶于铁基体中；(2)形成碳化物——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性。

46小结：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo固溶强化：Si、Mn、Ni细化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr提高回火稳定性：W、Mo、V、Si、Cr消除高温回火脆性：W、Mo特殊耐蚀、耐热性：V、Ti、W、Mo、Cr

471、渗碳钢2、调质钢3、弹簧钢4、高速钢四、典型钢种热处理

481、典型渗碳钢(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金总量<2％，D水淬临界大约20～35mm——用于小载荷件（2）中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB合金总量2～5％，D水淬临界大约25～60mm（3）高淬透性20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA合金总量5～7.5％，D水淬临界>100mm——高载荷、重要耐磨件——中等载荷件

49热处理及使用状态的组织：（1）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火（2）组织：表面：高碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体性能：表面硬——耐磨；心部韧——抗冲击。

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51渗碳组织：>1％C～0.2％C心部亚共析区共析区过共析区

522、调质钢调质工艺：淬火+高温回火，1）用途：汽车、拖拉机和机床等重要零件如：轴类、连杆、齿轮和螺栓等。2）性能要求受力复杂：较大循环载荷和复合应力：高强度、良好塑、韧性及高耐疲劳——高综合机械性能。

53（1）中C（0.25%~0.5%）C过低：淬硬性不够——回火强度不够。C过高：韧性不够（2）加入提高淬透性合金元素Cr、Ni、Mn、Si；3）成分特点：（3）加入防第二类回火脆性元素W、Mo等。

544）典型钢种：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVBD水淬临界大约20～40mm。（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMoD水淬临界大约40～60mm。（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3D水淬临界>60~100mm。5）热处理工艺：淬火+高温回火使用态组织：回火索氏体

553、弹簧钢1）用途：制造弹性元件，以缓和冲击和吸收振动等。2）性能要求：高弹性极限、屈强比和疲劳强度。

563）成分特点(1)中、高碳:合金弹簧钢:0.4%~0.7%C;碳素弹簧钢：0.6~0.9%C(2)Me：Mn、Cr、Si：↑淬透性，固溶强化Si：↑σS/σb(屈强比)W、Mo：防第二类回火脆性~1%~2%

574）典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢号CSiMn其它65Mn0.62~0.700.17~0.370.9~1.255Si2Mn0.52~0.601.5~2.00.6~0.960Si2Mn0.56~0.641.5~2.00.6~0.960Si2CrVA0.56~0.641.4~1.80.4~0.7Cr:0.7~1.060Si2MnWA0.61~0.691.50~2.000.70~1.00W:0.8~1.2

585）成型与热处理：（1）冷成型弹簧——小型(d<8～18mm)b.油淬强化钢丝：冷拔——淬火＋中温回火——绕成型——性能均匀，但强度较低。a.退火钢丝：退火态——冷成型——淬火＋中温回火

59(2)热成型弹簧——大型弹簧(d>10~15mm)热轧钢丝或钢板——淬火+中温回火弹簧钢使用组织：回火屈氏体或屈氏体。c.铅浴淬火冷拉钢丝铅浴淬火获屈氏体——冷拔、成卷——1600MPa，强度高，但不均匀。

604、高速钢用作切削刀具：车刀、铣刀和高速钻头等。(1)成分特点：a.高碳：0.7%~1.65%C;b.Me>15%，添加碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等Cr:淬透性；回火后形成细小碳化物W、Mo：高的红硬性；二次硬化V：红硬性；细化晶粒

61(3)热处理特点：莱氏体钢——粗大共晶碳化物。a.反复锻造；打碎粗大鱼骨状共晶碳化物(2)典型钢种：W18Cr4V；Mo8Cr4V2;W6Mo5Cr4V2

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63b.分级预热（600℃、800℃）；c.高温淬火（1250℃～1300℃）；d.分级淬火（600℃、400℃）；e.多次回火（550℃，三次以上）目的：①产生二次硬化；②消除残余AR淬火：20~30％AR一次回火：15％AR二次回火：5～7％AR三次回火：1～2％AR。

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65(4)高速钢组织淬火后：隐晶马氏体+粒状碳化物+20~30％AR回火后：极细回火马氏体+大量粒状碳化物+少量（<1~2%）AR性能：HRC63～65600℃：HRC60；

66铸态组织锻造态组织淬回火态组织