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热处理工艺及设备 教学内容

第一讲： 绪论

（自我介绍，和学生沟通。）
举例：
例1）：弹簧件：现在用于制作弹簧工件材料有很多个。首先依据工件使用条件和要求选择适宜弹簧钢，然后加工成形。这时即使材料和工件形状全部达成了弹簧工件要求，但性能并没有达成技术要求。 这时工件在受力作用下就会发生塑性变形，无法起到弹簧工件作用。要想使工件充足表现出弹簧特征，就要依据所用具体材料进行对应热处理来满足。
例2）：家用菜刀、剪刀等，这些工件使用性能怎样，热处理好和坏，直接影响刀具质量，如硬度低时，易出现卷刃现象，如硬度过高，易出现断裂现象等。
例3）：学生在钳工实习时制作小锤子。在钳工制作锤子时，所用工含有：锉刀、锯条和钻头等工具，它们一样是金属材料，为何锤子能被加工得动？这说明这些工具硬度比锤子硬度高，所以能把锤子从原材料加工成锤子形态。但在钳工加工成形锤子也只是一个半成品。因为即使锤子形状，尺寸达成了要求，但它们机械性能并没有达成要求。假如这时用它锤击工件，锤子本身就会出现变形。所以要想使锤子不仅在尺寸和精度上达成要求而且在性能上也应达成技术要求，为此就要经过进行热处理来完成。
例4）：古代刀剑，不经过热处理，是没法上战场使用。
引出本课程教学目标：认识、了解、掌握、利用《热处理工艺及设备》知识。

0 绪论
0-1 热处理起源和历史
春秋战国时期，铸铁石墨化退火和脱碳退火，应用于农具中；
西汉时代，钢铁兵器淬火提升硬度；
三国时代，发觉了淬火介质对工件质量影响；
汉魏时期，开始了化学热处理；
图0-1 热处理工艺曲线示意图
明代，有了渗碳工艺；
因为历史原因，新中国成立前热处理一直停滞不前。
0-2 热处理概念、工艺特点
1、热处理：采取合适方法对固态金属或合金进行加热、保温和冷却，
以取得所要求组织结构（或表面化学成份）和性能工艺。
性能包含：工艺性能、机械性能、物理性能和化学性能。
1）加热升温目标
使金属材料由低温组织转变为高温组织
（举例：钢在常温下其内部有珠光体、铁素体、马氏体、上、下贝氏体等组织。伴随温度升高，当达成727℃或超出727℃时，就发生了组织转变。常温组织开始转变为高温组织，也就是向奥氏体转变。）
2）保温目标
使工件烧透且组织转变有充足时间
（工件有尺寸、形状，加热有快慢，工件芯部和外表温度要求一致）
3）冷却目标
将金属材料高温组织以不一样冷却速度冷却到室温，取得不一样室温组织，从而达成不一样机械性能。

2、工艺特点：
热处理工艺是机械制造过程中一个关键组成步骤，和其它工艺相比，有其工艺特点：
1）热处理工艺不改变工件外部形态，只改变内部组织形态，提升其内在质量，给予多种使用性能；
2）热处理工艺不能独立存在，可在机械制造过程中任何一个位置存在，和前后工序起相辅相成作用；（举例：机加工之前高温退火、铝合金成品前固溶处理等）
3）操作温度和过程时间范围广；（温度可高达工件熔点，也可低至零下几十度，而时间短则几秒长则上百小时）
4）工艺控制正确；（温度、时间控制，冷去速度、方法要求，热处理时工件摆放及移动速度等）
5）加热、冷却介质多样性和严格性；
6）加热冷却均匀性和区分性。

0-3 热处理分类
1、按机械加工过程中位置和作用分：
（1）最终热处理；（为取得零件最终使用状态所需性能热处理）
（2）预先热处理；（常在最终热处理之前进行，为其它工艺做好组织性能准备）
（3）补充热处理。（常在最终热处理以后进行，为了消除应力或稳定加工效果）
2、按零件热处理部位不一样分：
（1）整体热处理；（2）局部热处理；（3）表面热处理；（4）区分热处理。
3、按零件化学成份是否要求改变分：
（1）一般热处理；（2）化学热处理。
4、按热处理温度分：
（1）高温热处理；（2）中温热处理；（3）低温热处理；（4）冷处理。
5、按工艺特点、组织转变及形状性能改变分：
（1）基础热处理----退火、正火、淬火、回火、冷处理、时效等；
（2）化学热处理----渗碳、渗氮、渗硼、渗金属、多元渗等；
（3）表面淬火----火焰淬火、感应淬火、渗液淬火、电接触淬火、激光淬火等；
（4）形变热处理----高温形变热处理、中温形变热处理、低温形变热处理；
（5）复合热处理----渗碳淬火、表面淬火自行回火、锻热淬火、焊接余热退火等。

0-4 中国热处理工艺现实状况及发展趋势
1、现实状况：和发达国家相比，工艺水平低、质量差、耗能大、成本高、产品缺乏竞争力；
工艺研究和设备开发方面远远落后于发到国家，高端精密热处理工艺设备绝大部分从国外进口。
2、发展趋势：
（1）节能减排，降低能耗，加强热处理工艺过程控制和管理，主动采取复合热处理等新热处理工艺；
（2）推广无氧化、防脱碳、防热裂热处理工艺；
（3）改造和引进自动化热处理生产线；
（4）降低污染、采取清洁能源、采取高效热处理工艺。

第二讲：金属加热及钢在加热时转变
图0-1 热处理工艺曲线示意图
提问学生：
1）热处理定义？热处理工艺过程？（画右图示意）
2）热处理按工艺、特点和形状性能角度怎样分类？

1 金属加热及钢在加热时转变
1-1 热处理加热过程
1、加热物理过程：
热传输方法：传导——温度不一样接触物体间或同一物体中各部分之间热能传输过程；
（举例：烤红薯、用暖水袋暖手等等）
对流——流体流动时，流体质点运动引发烧能传输过程；
（比如：暖气管、空调、吹风扇等等）
辐射——物体间经过热辐射在空间中传输热能过程。
（比如：微波炉、太阳光等等）
2、加热影响原因：
1）加热介质 （画出书中表1-1，加以说明）

通常来说，传导比对流加热速度要快一倍以上 （举个例子：烧水）
2）钢件（或合金）成份 （画出书中表1-2，加以说明）

钢化学成份不一样决定了其比热、密度和导热系数有差异，则影响着加热速度；
通常来说，加热速度和导热系数成正比、和比热、密度成反比， 即：v ∝ λ/cρ。
（举例，铝锅、铜壶。合金元素越多，则导热系数越小、密度越大，不宜快速加热）
3）钢件（或合金）形状
有效受热表面积和体积之比，F/V，其越大，则加热速度越大。
3、加热规范通常标准：和零件相关，也和加热设备、加热方法、装炉量及工艺要求相关
1）加热温度确定 （画图1-2加热温度优选示意图）

过烧——金属或合金在热处理加热时，因为加热温度靠近其固相线周围，晶界氧化和开始部分熔化现象。
过热——金属或合金在加热时，加热温度超出相变所需温度，使组织和性能异常现象。
氧化——
脱碳——

2）加热速度选择
采取小（慢速）加热速度：脆性大工件、导热性差工件、大尺寸工件、复杂形状工件、残余应力大工件、固体渗碳和退火工艺、含有严重偏析和夹渣物工件。
没有以上原因工件，从生产效率、节省资源考虑，全部应采取大加热速率。
3）加热方法选择 （画出书中图1-3示意）
（1）冷炉装料：需要加热速度小工件、装炉量较多情况；
（2）到温装炉：加热速度大、操作方便，截面温差大，退火、正火、淬火等普遍采取加热方法；
（3）高温装炉：炉温比加热温度高100～150 ℃、加热速度大、热应力大、操作不方便，锻件退火或正火，碳钢或低合金钢锻件淬火。
（4）低温装炉：低于600℃、加热速度中等、温差较小，热处理温度较低工件，大型铸锻件，淬火不合格返修件，经过预热要进行高温热处理、为了降低高温氧化和脱碳工件。
4）加热时间确定
理论计算法：
通常来说，加热时间包含：工件升温时间、均热时间、保温时间；
但理论计算时，加热时间仅指升温时间。
（1）表面热流密度恒定时：（传给工件热量和工件吸收而升温热量相等）

（2）炉温恒定时：（dτ时间内传输给工件表面热量）

经验计算法：τ=a×d
常见有效厚度计算方法（画图1-4表示）

1-2 热处理加热介质：
1、固体介质：木炭、烟煤、石墨、刚玉砂、石英砂、碳化硅等，关键应用于固体渗碳、渗金属等固体化学热处理及无氧化加热。
2、液体介质：熔盐、熔碱、熔融金属、多种油类等，关键应用于加热质量要求高高碳高合金钢小零件、工模具加热及一些液体化学热处理，也可用于等温淬火冷却。
熔盐——温度140～1300℃，价格低、易于清除，使用广泛；
熔融金属——有毒、易污染、不易清理，几乎不用；
油浴——200℃以下，关键用于回火加热。
3、气体介质：
1）通常炉气：CO、CO2、H2、O2、N2、CH4等，含有较大氧化性，一般工件加热。
2）放热型（DX型）气体：液化石油气、天然气、城市煤气等，和空气混合燃烧发生反应后制得，常见于保护性气体，光亮退火、光亮淬火、光亮热处理。
3）吸热型（RX型）气体：丙烷、丁烷、甲烷等，和少许空气混合后，在高温反应罐中，经触媒作用反应制得，常见于钢件预防氧化脱碳，如气体渗碳等。
4）氨分解气体：常见于不锈钢、硅钢片、低碳高合金钢光亮热处理。
5）氮基气体、氢气及木炭发生气
6）真空气体
1-3 钢在加热过程中转变
1、奥氏体形成过程：形核和长大两个基础过程，可分为四个阶段（画图书中9-2示意）

1）奥氏体形核：Ac1温度以上，珠光体不稳定，在F和Fe3C界面上优先出现奥氏体晶核；
（这是因为相界面上碳浓度分布不均、原子排列不规则、能量较高状态）
2）奥氏体晶核长大：稳定了奥氏体晶核开始逐步长大，依靠Fe、C原子扩散，晶格改组为面心立方晶格；
3）残余渗碳体溶解：铁素体优先溶解消失于奥氏体中，残余渗碳体需要时间来溶解消失；
4）奥氏体均匀化：浓度不均，则需要长时间C原子继续扩散均匀，同时伴有奥氏体合并现象。
2、奥氏体晶粒长大及控制
1）奥氏体晶粒度：衡量奥氏体晶粒大小尺度，对冷却后钢组织和性能有着关键影响。
表示方法有：经理尺寸表示法（晶粒截面平均直径或单位面积内晶粒数目）；
晶粒度等级指数G表示法——分8级，1最粗、8最细，通常5以上为细晶粒。
2）奥氏体晶粒长大：起始晶粒度、实际晶粒度
3）晶粒度大小控制：（1）加热温度和保温时间控制；
（2）加热速度控制；（快速加热，短时间保温细化晶粒）
（3）钢化学成份；（可抑制晶粒长大元素：Al、V、Ti、Zr、Nb、W、Cr、Mo等）
（4）钢原始组织；（越细组织越有利于晶粒长大）
第三讲：钢在冷却时转变
提问复习：（1）加热时间确实定？加热温度确实定？加热速度确实定？
（2）钢在加热过程中发生了哪些转变？

1-4 钢在冷却时转变
1-4-1 冷却条件对钢性能影响 （画书上表9-1）

连续冷却：将奥氏体化后钢件以一定冷却速度从高温一直连续冷到室温。
等温冷却：把奥氏体化后钢件快速冷到临界点以下某个温度，等温保持一定时间后再冷至室温。
1-4-2 过冷奥氏体等温转变曲线（C曲线）
1、过冷奥氏体：临界点以下临时存在奥氏体，是介稳定相。
TTT曲线（Time-Temperature-Transition）：反应过冷奥氏体等温转变动力学试验曲线，C曲线。
（残余奥氏体：未发生转变过冷奥氏体）
2、共析碳钢C曲线分析 （画出书上图9-4 C曲线图）
（1）C曲线中，A1温度线是奥氏体向珠光体转变
临界温度；左边和右边C曲线分别为过冷奥氏体
转变开始线、终了线。
（2）共分多个区域：高于A1奥氏体稳定区、转变
开始线以左过冷奥氏体区、转变终了线以右和Ms点
以下为转变产物区、转变开始线和终了线之间为过冷
奥氏体和转变产物共存区。
（3）过冷奥氏体在不一样温度等温转变时，全部要经过一段孕育期，即为纵坐标到转变开始线之间距离。550℃为鼻温，孕育期最短、转变时间最短。
（4）发生三种转变：高温珠光体转变、中温贝氏体转变、低温马氏体转变。
1-4-3 影响原因
1、奥氏体成份影响：碳浓度、合金元素
2、奥氏体化状态影响：晶粒度、均匀化、晶体缺点密度等
3、应力和塑性变形影响：
1-4-4 过冷奥氏体连续冷却转变曲线
1、CCT曲线（continuous-cooling-transition） (画图书上9-8)
CCT曲线临界冷却速度（Vc）、TTT曲线临界冷却速度（Vk）、上下临界冷却速度
（这里，提问学生：a、要取得全部马氏体，冷却曲线怎样画？全部为珠光体呢？）
1-5 珠光体转变
1-5-1 定义：在高温时发生扩散性相变，生成铁素体和渗碳体机械混合物 （写出反应式）
经典扩散型转变，退火、正火和索氏体化处理时，发生关键相变为珠光体转变。
1-5-2 组织形态、结构和性能
1、片状珠光体：由含有一定厚度片状铁素体和片状渗碳体交替排列堆叠而成；分为片状珠光体、细片状珠光体（索氏体S）、极细片珠光体（屈氏体T）
2、球状珠光体：在铁素体基体上分布着粒状渗碳体组织；（球化退火）
3、性能：片间距和粒度越小，则强度、硬度越高，塑性、韧性越好。通常来说，退火后球状珠光体性能比片状珠光体性能好。
魏氏体组织会降低钢力学性能，应该避免，或经过正火、退火、铸造来消除。
1-6 马氏体转变
1-6-1 定义：在较低温度下发生无扩散性相变，生成碳在α-Fe中过饱和间隙固溶体。
经典无扩散相变、淬火处理时，发生关键相变为马氏体转变。
1-6-2 关键特点：
1、无扩散性相变、以共格切变方法进行；
2、含有一定位向关系和惯习面；
3、表面浮凸现象，说明是切变转变；
4、转变在一个温度范围内完成，必需冷却到Mf以下，才能转变完成，不然全部会存在残余奥氏体；
5、高速长大，不需要孕育期。
1-6-3 形态及其亚结构
1、板条马氏体：通常为低碳钢、中碳钢、不锈钢经典马氏体组织，扁条状和薄板状；
2、片状马氏体：通常为高碳钢、中碳钢、高镍铁镍合金经典马氏体组织，双凸透镜或竹叶状；
3、亚结构：孪晶
4、影响原因：奥氏体碳含量、马氏体形成温度。
1-6-4 性能
1、高强度、高硬度：固溶强化、相变强化、时效强化、细晶强化
2、塑性和韧性：受碳含量及亚结构影响
马氏体强度关键取决于碳含量，塑性和韧性关键取决于亚结构。
1-7 贝氏体转变
1-7-1 定义：在中温条件下进行碳原子扩散和铁原子不扩散性转变，形成残余奥氏体和珠光体混合物；
1-7-2 形态
上贝氏体：350-550℃转变，形成羽毛状贝氏体；
下贝氏体：350℃以下转变，形成针状贝氏体；
粒状贝氏体：贝氏体形成温度最上部。
1-7-3 性能
性能关键受到形成温度、化学成份影响；
下贝氏体含有良好综协力学性能，尤其韧性愈加。
第四讲 退火和正火

提问：a、画出C曲线；画出CCT曲线；
b、指出哪条是连续冷却曲线，哪条是等温冷却曲线？并说明它们最终相变产物。
c、什么是马氏体转变？关键特点？

第二章 退火和正火
退火和正火是生产中常见预备热处理工艺。通常为了消除铸、锻和焊件内应力和成份、组织不均匀性，为下道工序做好组织准备。
2-1 退火定义及分类
一、退火：把钢加热到合适温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以取得靠近于平衡组织热处理工艺。
温度：高于Ac3、Ac1，或低于A1；（画出书上图9-1，并和铁碳相图对比说明A1 A3 Acm等温度点）
冷却方法：随炉冷却；
组织：平衡组织，珠光体组织。
二、目标：在于均匀化学成份、改善机械性能及工艺性能、消除或降低内应力并为零件最终热处理作好组织准备。
要消除组织缺点通常有：魏氏体组织、带状组织、粗大晶粒等；
后续工艺操作通常有：切削加工、淬火等。
三、分类：
再结晶退火：加热到再结晶温度（低于A1），靠生成新晶粒及晶粒长大以消除由冷变形所引发晶格歪曲和性能改变一个热处理工艺。
相变重结晶退火：在相变温度以上发生结构、组织和性能改变一个热处理工艺。
低温退火：加热到相变温度以下，进行消除内应力，预防变形，降低硬度，恢复塑性和消除加工硬化，改善切削和冲压加工性等热处理工艺，亦称之为软化退火或去应力退火。
2-2 退火工艺（画图9-43）
1、完全退火：为改善热锻、热轧、焊接或铸造过程因为温度过高在钢件内出现不良组织，提升机械性能，或为使钢件软化，以改善加工性能和消除内应力，而采取热处理工艺。
a、加热温度：通常采取Ac3 +（20～50 ℃）
b、加热速度：不一样钢种采取不一样加热速度，通常，碳钢选150～200 ℃/h，低合金钢选100 ℃/h，高合金钢选50 ℃/h。对于大型工件及装炉量大工况，因透热性差，宜在550～650 ℃停留一段时间，再继续升温。
c、保温时间：为使工件透烧，确保内外组织转变完成和均匀化，通常，碳钢选1.5～2 min/mm，低合金钢2～2.5 min/mm，高合金钢2.5～3 min/mm。装箱保护退火时，应依据箱子大小和箱内填充剂进行合适延长，通常需增加1～4 h。
d、冷却速度：控制冷却速度确保奥氏体向珠光体转变全部完成、又不取得高弥散度。碳钢选100～200 ℃/h，低合金钢选50～100 ℃/h，高合金钢选20～50 ℃/h。
e、冷却方法：为了提升设备利用率，并使组织充足转变，由退火温度至550 ℃为炉冷，550 ℃以下取出空冷。
f、应用：碳素结构钢和合金钢锻件、轧件、铸件和焊接件，不宜用于过共析钢件。
2、不完全退火：为消除碳素结构钢和低合金结构钢因热加工所产生内应力，使钢件软化或改善工具钢被切削性而采取热处理工艺。
因为加热温度在两相区进行，仅发生部分相变重结晶，铁素体或碳化物形态、分布仍保留。
a、加热温度：Ac1～Ac3或Ac1～Ac3
b、加热速度：同完全退火
c、保温时间：同完全退火
d、冷却速度：同完全退火
e、冷却方法：同完全退火
f、应用：碳素结构钢、碳素工具钢、低合金结构钢和低合金工具钢热锻件和热轧件。
3、球化退火：是不完全退火一个特例，使钢中碳化物球化并均匀分布在铁素体基体上，取得粒状珠光体退火工艺。
目标：改善工具钢可切削性；为淬火作好金相组织准备。
a、球化退火工艺（画图2-2）

（1）关键用于淬火或冷加工后钢球化；
（2）数次反复使钢中原晶界上碳化物和珠光体中渗碳体经过溶解和重新析出、聚集而达成球化目标；此方法适适用于原始组织为珠光体钢；
（3）关键使碳化物溶解，以后快速冷却，以防网状碳化物析出；
（4）过共析钢最常见球化；
（5）使网状碳化物或大块碳化物完全溶解，以利其后球化；
（6）和（5）类似。
b、影响球化质量原因：
化学成份：碳含量增加有利于球化，加入可形成碳化物元素不利球化；
原始组织：网状碳化物极难球化，马氏体、细小珠光体或贝氏体有利于球化，冷变形后组织有利于球化；
加热温度和等温温度：加热温度过高或过低、等温温度过高或过低，全部不利于球化；
球化时间：不宜过长，不然球化碳化物变粗，硬度下降；
冷却速度：冷却速度会影响碳化物弥散度，冷却速度小有利于球化，采取缓慢冷却进行球化退火是确保得到理想组织关键原因。
c、应用：广泛应用于工具钢、轴承钢和量具钢，作为预先热处理。
4、等温退火：和完全退火相同，但可有效缩短生产周期
a、加热温度：Ac3 +（20～50 ℃）或Ac1 +（20～50 ℃）
b、加热速度：同完全退火
c、保温时间：同完全退火
d、等温温度：依据C曲线及硬度要求确定
e、冷却速度：大件随炉冷却，小件空冷
f、冷却方法：>500 ℃随炉冷，<500 ℃空冷
g、应用：球化退火不少是采取等温退火缩短生产周期，用以消除Cr-Ni钢及Cr-Ni-Mn钢锻件中白点。
5、扩散退火（均匀化退火）：为了消除和降低铸件凝固时所引发成份偏析，达成成份、组织均匀化热处理工艺。
特点：高温长时间加热、能耗大、成本高，工件易过热和烧损
a、加热温度：依据合金元素含量及偏析程度而定，通常采取1050～1200 ℃
b、加热速度：低合金钢选100 ℃/h，高合金钢选20～50 ℃/h
c、保温时间：2.5～3 min/mm
d、冷却速度：低合金钢选50～100 ℃/h，高合金钢选20～50 ℃/h
e、冷却方法：同完全退火
f、应用：优质合金钢铸件；另外，经扩散退火铸钢件晶粒粗大，韧性塑性差，需要一次完全退火或正火来重新细化组织，提升机械性能。
6、再结晶退火：把冷变形后金属加热到再结晶温度以上，保持合适时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，以消除加工硬化和残余应力热处理工艺。
目标：消除冷作硬化、提升塑性、改善切削及压延成型性能。
a、加热温度：Tr +（150～250 ℃），Tr为再结晶温度，0.4×熔化温度，大部分钢件取600～700 ℃
b、保温时间：1～4 h
c、冷却方法：空冷
d、应用：冷作加工（冷挤、冷拔、冷轧、冷弯等）件、成型加工件
7、软化或去应力退火：为消除因变形加工及铸造、焊接过程中引发残余内应力而进行热处理工艺。
特点：消除内应力、降低硬度、提升尺寸稳定性、预防工件开裂和变形
a、加热温度：通常，铸铁500～600 ℃，碳钢及低合金钢550～650 ℃，高合金钢600～700 ℃
b、加热速度：100～150 ℃/h
c、保温时间：2～6 h
d、冷却速度：50～100 ℃/h
e、冷却方法：>500 ℃为炉冷，<500 ℃为空冷（适适用于钢）
>400 ℃为炉冷，<400 ℃为空冷（适适用于铸铁）
f、应用：碳钢和合金钢锻件、机加工件，铸铁件，焊接结构件。
第五讲：退火和正火应用及其选择
提问：退火温度、冷却方法、组织？退火目标？退火分类？45#钢完全退火工艺？

2-3 退火工艺控制组织基础标准
（1）退火处理后珠光体形状决定于退火加热温度；（通常，退火温度高，奥氏体成份越均匀，可取得片状珠光体，反之，退火温度低，组织成份不均匀，可取得粒状或球状珠光体）
（2）退火温度过低，且保温时间不足，原始组织中片状组织没有被破坏，则退火组织仍可能保留细片状珠光体；
（3）退火温度过低，且冷却速度过快，致使碳化物结晶关键细而多，退火组织可取得点状珠光体；
（4）冷却速度不影响珠光体形状，但决定了碳化物弥散度，所以决定了退火后硬度；
（5）欲获较软组织，可将钢加热到临界点（Ac1）以上30 ℃处保温，然后冷却到Ac1以下30 ℃处保温；
（6）退火缓冷到500℃左右，就能够放置于空气中冷却，对组织转变已无影响；
（7）欲细化淬火粗大过热组织，可经过提升退火时奥氏体化温度（Ac3 + 60～100 ℃）或延长奥氏体化保温时间措施或合适提升加热速度进行奥氏体化，使奥氏体晶粒发生再结晶，从而消除组织结构遗传性。
2-4 正火工艺
一、正火概念
将钢加热到Ac3或Acm以上合适温度，保温一定时间后在空气中冷却，从而得到珠光体型组织热处理工艺。
目标：加速合金碳化物溶解和奥氏体均匀化，为了消除热加工所造成组织缺点，消除网状碳化物，细化晶粒，为淬火作好准备，同时也可为不关键零件作为提升机械性能最终热处理而采取正火处理。
二、工艺规范
a、加热温度：亚共析钢Ac3 + 40～60 ℃，过共析钢Acm + 40～60 ℃
b、保温时间：1.5～2 min/mm
c、冷却方法：空冷，对大件可用吹风、喷雾和调整工件堆放距离等方法控制钢冷却速率。
d、应用：碳钢和合金钢铸件、锻件、板材、管材、带材或型钢。
应注意是：
（1）正火是退火一个特例，只适用和碳钢和一些低合金钢，常因为钢种、截面尺寸不一样其结果差异较大；（碳钢空冷为珠光体组织，合金钢空冷可为珠光体组织或贝氏体组织或马氏体组织；大型锻件空冷相当于炉冷，低合金钢细小件空冷靠近于淬火）
（2）纠正过热严重钢通常采取两次正火，即高温正火（Ac3 + 100～150 ℃）+低温正火；
（3）较大截面钢材采取高温正火Ac3 + 100 ℃；
2-5 退火和正火选择
一、退火和正火钢组织和性能
（1）组织
a、正火组织比退火细；
b、正火冷速比退火大，先共析产物（F、Fe3C）不能充足析出；（比如：45#钢退火后组织为45%F+55% P，而正火后组织为30%F+70%P）
c、合金钢中碳化物稳定，加热不易溶于奥氏体中，退火后形成粒状珠光体，但正火后粒状碳化物分布在马氏体基体上造成硬度高，故正火不作为合金钢机加工之前预先热处理；
d、退火正火均可使钢晶粒细化，但加热温度不能过高，不然正火会形成魏氏体组织，退火会形成过热粗晶粒组织；
（2）性能
通常，正火钢性能要比退火钢性能好。
二、退火和正火选择
（1）为改善组织缺点并为淬火作好金相组织准备时：
对亚共析钢，通常选择完全退火或正火；对碳钢和低合金钢且零件尺寸不太小，通常选择正火；对过共析钢，选择球化退火；
（2）为改善加工性能时：
钢被切削性最理想硬度为HB160～210；组织上看，亚共析钢片状组织比球状组织被切削性好，共析钢和过共析钢球状组织被切削性能好，所以：
a、 低碳钢和低碳合金钢选择正火；
b、 中碳钢和中碳合金钢选择退火（完全退火或不完全退火）；
c、 零件小或薄中碳合金结构钢（40CrMn、38CrMoV等）选择正火+高温回火；
d、 共析钢和过共析钢选择球化退火；
e、 高合金钢（18Cr2Ni4W等）选择软化退火；
（3）为改善冷加工变形能力时：
采取软化退火和再结晶退火，其退火温度：碳钢600℃，合金钢700℃；
（4）为消除残余内应力时：
通常采取软化退火，但退火温度有区分：焊接结构件采取600～650℃，已精加工零件采取200℃；
零件内应力消除程度和退火温度高低和保温时间长短相关；（温度越高时间越长，越根本）
（5）为提升零件机械性能时：
只为提升机械性能碳钢件，采取正火；即要求一定机械性能又要求改善切削性能含碳量较高钢件，采取退火；
（6）为消除化学成份不均匀性时：成份偏析不严重时，可退火也可正火；很严重时，采取扩散退火。
作业：
1、 画出共析碳钢TTT图。为取得下列组织应选择何种冷却方法？并在TTT图中画出冷却曲线。（1）S+P；（2）全部B下；（3）M+AR；（4）T+M+ AR；（5）T+B+M+AR
2、 简述退火工艺方法种类、目标、特点及用途；
3、 指出下列钢种正火关键目标及正火后组织：（1）20钢齿轮；（2）45钢小轴；（3）T12钢锉刀
4、 因为发觉锻轧后GCr9SiMn轴承钢中存在网状碳化物和片状珠光体，同时为淬火做组织准备，应采取何种预备热处理？并给出具体工艺参数和工艺路线图。
第六讲：淬火工艺及钢淬透性

提问：正火概念及工艺规范？小而薄40CrMn钢零件（中碳合金结构钢）要改善其切削加工性能，可选择什么热处理工艺？

第三章 淬火和回火
（钢淬火和回火是热处理工艺中最关键、应用最广泛工序；淬火可显著提升钢强度和硬度，回火即可消除淬火内应力又可得到强度、硬度和韧性不一样配合，所以，淬火和回火是密不可分两道热处理工艺，往往作为工件最终热处理工艺）
3-1 淬火
一、定义
淬火：将钢加热到一定温度（高于Ac3或Ac1）后，并保温一定时间，随即快速冷却，使其得到不平衡状态组织（马氏体或下贝氏体组织）热处理工艺。
1、临界冷却速度（νc）（画书上图3-1）
上临界速度νc：全部取得马氏体组织最小冷却速度；
下临界速度νc·：全部取得珠光体组织最大冷却速度；
2、淬火（取得全部马氏体组织）必需条件
冷速：大于上临界速度(ν>νc)
温度：低于马氏体转变温度（t<Ms）
二、目标
1、提升钢硬度和耐磨性
2、提升综合机械性能（强度、韧性、塑性等）
3、改善钢特殊性能（磁钢高矫顽力、不锈钢高耐蚀性、耐热钢高温强度等）
不平衡状态组织，就是不稳定组织，不全是马氏体，能够有残余奥氏体，生产上使用通常全部需要较稳定组织。
三、分类（画书上表9-3）

3-2 淬火介质（冷却介质、淬火剂、冷却剂）
一、对淬火冷却介质要求
淬火介质，必需要求足够冷却速度，确保取得所需要组织和性能，但不能使工件变形及开裂。
1、理想淬火介质 (画图3-2)
依据C曲线分为三个温度区：奥氏体稳定区>650℃，奥氏体不稳定区650～400℃，奥氏体较为稳定区<400℃。
理想淬火冷却曲线（画图3-3）：在鼻子上面高温区应缓冷减小热应力，在鼻子周围须快冷防过冷奥氏体分解，而在Ms点周围应尽可能缓冷降低马氏体转变产生组织应力。
理想淬火介质要求（画表3-1）
2、淬火介质分类和要求
分类：第一类：淬火时不发生物态改变（辐射、传导、对流进行降温），有熔盐、熔碱和空气；
第二类：淬火时发生物态改变（汽化进行降温），有水、油、水溶液。
要求：（1）含有一定冷却能力，成份稳定不变质、粘度小、流动性好，无毒无味，不腐蚀工件，淬火后易于清洗，起源广、价格低。
（2）相变角度上，奥氏体不稳定区冷却能力大，不发生珠光体转变，马氏体形成区冷却能力小部分，可确保淬火后质量。
3、淬火介质冷却机理
（1）第一类：经过淬火介质本身性质（导热性、比热、粘度、介质温度等）影响冷却能力；
（2）第二类：经过物态改变过程吸热，影响冷却能力。
第二类冷却可分三个阶段：蒸汽冷却、沸腾冷却、对流冷却，
要求：蒸汽冷却不能太长，沸腾冷却应猛烈，对流冷却开始温度要高于马氏体转变点。
4、影响原因
（1）本身内在原因：比热、汽化热、蒸汽压、导热性、粘度、表面张力；
（2）外界原因：添加物、介质温度、搅拌、工件淬火温度、工件尺寸
5、淬硬能力评定
急冷度（钢硬化层深度）：H=α/λ，α为钢表面和淬火介质热交换系数，λ为钢导热系数。
二、常见淬火介质
1、水
高温区冷速较低，低温区冷速很大，造成工件极易开裂（马氏体转变产生组织应力开裂）
优点：清洁、安全、廉价、不需要清洗等；
缺点：只适合形状简单、尺寸不大碳钢工件。
2、盐水、碱水溶液
蒸汽膜阶段极短，冷却能力大，可取得高而均匀硬度
优点：冷却均匀、无软点产生，淬裂倾向小；
缺点：可腐蚀工件和设备、要清洗、对人体有害。
3、油
优点：工件变形和开裂倾向小；
缺点：粘度影响冷却能力，只适合合金钢和小截面碳钢工件
（画表9-5，常见淬火介质冷却特征）

第七讲：淬火方法和淬火工艺规范

提问：淬火必需条件？淬火介质分类及冷却机理？

3-3 淬火方法
工件具体情况和淬火介质（尽可能减小淬火应力、工件变形，预防开裂），决定淬火方法。
1、单液淬火
（1）定义：指将加热到淬火温度并保温一定时间后工件放入一个淬火介质连续冷却至室温淬火方法。（画图3-16a）
（2）淬火介质：水（碳钢）、油（合金钢）、空气、多种水溶性介质
（3）优缺点：操作简单、经济、易实现机械化、应用最广；但对一些形状复杂工件水淬易变形开裂而油淬硬度不足。
2、双液淬火
（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，先浸入一个冷却能力强介质中（使过冷奥氏体不发生向珠光体转变），待其冷却到稍高于Ms后立即转入冷却能力弱介质中冷却（使过冷奥氏体缓慢转变为马氏体）淬火方法。（画图3-16b）
（2）淬火介质：水、油、空气等；通常全部是水淬+空冷+油冷。
（3）优缺点：残余应力小、不易变形和开裂；但对操作者技术和经验水平要求高，水冷时间不易控制。
（4）水冷时间控制经验：a、按每5-6mm有效厚度约1s计算；b、振动或水响声停止一瞬间；c、工件表面变黑，再延长一倍时间。
3、分级淬火
（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，由奥氏体温度淬入稍高于或稍低于Ms温度液态介质中，并合适保温直至工件各部分温度达成淬火介质温度，然后取出空冷至室温，以取得马氏体组织淬火方法。（画图3-16c）
（2）淬火介质：油、熔盐、空气等。
（3）优缺点：不易开裂和变形（残余应力小）；但尺寸稳定性差（残余奥氏体增多），只适合于变性要求严格且尺寸较小工件。
4、等温淬火
（1）定义：将工件加热到淬火温度并保温一定时间后，快冷到下贝氏体转变温度区（260-400℃）等温保持足够时间，取得下贝氏体组织淬火方法。（画图3-16d）
（2）淬火介质：熔盐等。
（3）优缺点：强度、硬度高，塑性、韧性好，淬火应力小，变形小；但只适合于形状复杂、尺寸较小、精度要求高工件。
3-4 淬火工艺规范
1、淬火加热温度
淬火关键工艺参数之一，依据钢临界点来确定，同时还应考虑工件形状尺寸、原始组织、加热速度、冷却介质和冷却方法等原因。
碳钢淬火加热温度范围通常标准：
（1）亚共析钢：Ac3 + 40-60℃
依据：a、应确保加热时得到成份均匀奥氏体；
b、应确保加热时得到细小奥氏体晶粒；
c、尽可能低氧化脱碳及淬火后变形开裂倾向；
d、取得高机械性能。
原因：（依据铁碳相图可知）a、若加热温度低于Ac3，（则加热后组织为奥氏体+铁素体，）淬火后得到马氏体和铁素体混合物，这是不完全淬火，硬度和强度较低；
b、而超出Ac3温度过高，（则奥氏体晶粒粗大）淬火后马氏体粗大、且轻易造成氧化脱碳严重，变形开裂倾向大，韧性不好。
（2）共析钢和过共析钢：Ac1 + 40-60℃
依据：a、应确保加热时碳或合金元素充足溶解，得到较高硬度和耐磨性；
b、应确保加热时奥氏体晶粒不粗大；
c、取得较高机械性能。
原因：a、温度低于Ac1，则无法进行奥氏体转变；
b、温度高于Acm，则碳化物溶解，马氏体组织粗大，且氧化脱碳严重，残余奥氏体增多，致使硬度和耐磨性降低；另外，脆性增加，淬火变形开裂倾向增大。
（3）合金钢：由临界点Ac1或Ac3决定，但要考虑合金元素作用
依据：a、含有有利于碳化物形成元素时，淬火温度可偏高些；
b、含碳、锰较高本质粗晶粒钢，淬火温度应偏低。
（4）其它情况：
a、组织方面：有严重带状组织、球状组织时，可合适提升淬火温度；碳化物偏析严重、片状组织时可合适降低淬火温度；
b、工件形状尺寸方面：形状简单、尺寸较大时，可合适提升淬火温度；形状复杂、尺寸较小时，淬火温度应合适降低些；
c、淬火介质方面：油淬时取上限，水淬时取上限；
d、炉型方面：盐浴炉加热时取下限，箱式炉加热时取上限；
e、返修工件及加热脱碳倾向严重工件，取下限；而要求红硬性工件，取上限。
（多种不一样牌号钢临界点、淬火介质、淬火温度范围，全部能够在钢热处理工艺手册上找到，但具体工艺参数确定，还是要依据实际生产和试验确定。）
2、淬火加热时间
升温时间+保温时间
τ=α·k·D α为加热系数（可查）；k为装炉修正系数（取1.5