金属热处理

金属热处理是将金属材料（其中包括黑色金属材料和有色金属材料及其加工后的工件）在固态范围内，通过一定的加热，保温和冷却，使金属或合金的内部组织发生变化，从而获得预期的性能（如力学性能、加工性能、物理和化学性能）、组织和结构的工艺过程的总称。

一、退火

（一）、概念：

把钢加热到适当温度（一般Ac1以上），保温一定的时间，然 后缓慢冷却，以获得接**衡状态的组织的热处理方法。 （二）、目的：

1、降低硬度，以利于切削加工；

2、提高钢的塑性和韧性，以便于冷变形加工；

3、改善或消除钢在铸造、轧制、锻造和焊接等过程中所造成的各种组织缺陷； 4、细化晶粒，改善钢中碳化物的形态及分布，为最终热处理做好组织准备； 5、消除内应力，以减少变形和防止开裂。

二、淬火

（一）、概念：

将钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速进行冷却，以得到高硬度的马氏体或下贝氏体的热处理工艺方法。 （二）、目的：

1、提高工件的硬度和耐磨性；

2、提高工件的综合力学性能或使工件获得较高的弹性； 3、获得特殊的物理化学性能（磁性、耐蚀性、耐热性等）。

三、回火

（一）、概念：

将工件加热到钢的A1以下某一温度，保温一段时间，然后进行冷却（一般冷至室温）的热处理工艺。 （二）、目的：

1、使工件获得所要求的力学性能； 2、减少或消除残余应力； 3、稳定工件的组织和尺寸。 （三）、分类：

1、低温回火（150~250℃），如渗碳和碳氮共渗件，低合金超高强 度钢等；

2、中温回火（300~450℃），如各种弹簧钢等； 3、高温回火（500~650℃），如螺栓、轴等。

四、正火

（一）、概念：

将钢加热到Ac3或Acm以上适当温度，保温一定时间，使奥氏体均匀化，然后出炉空冷或以其它适当的冷却方式冷却的热处理工艺。 （二）、目的：

1、碳含量小于0.5%的钢件常用正火代替退火，这样既节约能源， 又提高生产效率；

2、力学性能要求不高的零件，可用正火作为最终处理；

3、对于过共析钢若有网状碳化物存在，必须进行正火处理，消除 网状碳化物，再进行球化退火；

4、消除切削加工后的硬化现象和去除内应力； 5、细化晶粒，均匀组织。 五、深冷处理

高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构钢零件，为提高其硬度和耐磨性，或为保证其尺寸的稳定性，将淬火后已冷到室温的工件继续深冷至零下温度，使淬火后保留下来的残余奥氏体继续向马体转变的工艺。一般情况下，冷处理的温度达到-60~-80℃即可满足要求。 六、淬透性与淬硬性 （一）、淬硬性：

钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。主要取决于淬火马氏体的碳含量，碳含量越高，钢的淬硬性越好。淬硬性与钢中合金元素的含量关系不大。 （二）、淬透性：

钢能获得淬硬层深度的能力。在同一淬火条件下，获得淬硬层愈深，表示钢的淬透性愈好。 1、淬透深度标准：人为规定自工件表面到半马氏体组织区的深度作为淬透深度。如果工件淬火后心部获得了50%的马氏体，就认为被淬透了。

2、影响淬透性的主要因素：淬透性是钢的固有属性，主要取决于临界冷速的大小，临界冷速越小，钢的淬透性越好；除Co和AL外，所有溶入奥氏体的合金元素都提高钢的淬透性（如Cr、Mo、Mn、B、V等）；适当提高淬火加热温度，使奥氏体晶粒长大及钢的成分均匀化，也能增加过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。

3、质量效果：因尺寸不同而使热处理效果不同者，称为质量效果。一般碳钢之质量效果大，其淬透性较差，导致大规格之螺栓与螺帽淬硬层深度浅，故需考虑添加B、Mn、Cr等合金元素，或用合金钢来取代碳钢。如10B21、35ACR，20MnTiB、SCM435等。 七、淬火工艺参数的确定 （一）、淬火加热温度

确定钢的淬火加热温度时，应考虑钢的化学成分、工件尺寸和形状、技术要求、奥氏体的晶粒长大倾向，以及淬火介质与淬火方法等。根据实践经验，淬火加热温度选定原则如下： 亚共析钢为： AC3+30-50℃；

共析钢与过共析钢：AC1+30-50℃； 低合金钢： AC3（或AC1）+50-100℃

但在实际生产中，需根据具体情况作适当调整。如对工件较大，装炉量较大或要增大淬硬层深度的工件，可适当提高淬火加热温度；如对尺寸较小、形状复杂、容易变形或开裂的工件，淬火温度应适当降低。

附表一：几种常用钢临界点、淬火加热温度 牌号 15 40 45 20MnTiB 35CrMo 40Cr T10 GCr15

AC1（℃） 725 724 724 720 755 743 730 745 AC3（℃） 870 790 780 843 800 782 800 900 淬火加热温度（℃） 0-920 830-880 780-860 860-0 820-840 830-850 830-860 770-790 820-850 淬火介质 水 水或油 水或油 油 水 油 油 水 油

（二）、淬火保温时间

淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温升到淬火温度时起算，直到出炉为止所需要的时间。包括工件透热时间和组织转变所需的时间。 影响淬火保温时间的因素很多，主要有：

1、钢的成分。钢中碳及合金元素含量增多，将使钢的导热性下降，故保温时间应增加； 2、工件的形状与尺寸。对相同材料与形状的工件，保温时间将随有效厚度的增大而延长；对于形状复杂或尺寸较大的碳素工具钢及合金工具钢工件，常在淬火加热前采取预热； 3、加热介质。 4、装炉情况；

5、炉温，提高炉温，可缩短加热保温时间。 （三）、冷却方式

工件淬火冷却可以采取不同的方法，主要有单液淬火法（直接淬火法）、双液淬火法、分级淬火法、等温淬火法、预冷淬火法等。一般采取单液淬火法，为了保证工件质量，还要选用合适的淬入方式：

1、厚薄不均的工件，厚的部分先淬入； 2、细长工件最好能垂直淬入； 3、薄而平的工件应侧放立着淬入； 4、薄壁环状工件应沿轴线方向淬入；

5、具有闭腔或盲孔的工件应腔口或孔向上淬入；

6、截面不对称的工件应以一定角度斜着淬入，以使冷却比较均匀。 八、回火工艺参数的确定

制订回火工艺，需要根据对工件性能的要求，考虑钢的化学成分、淬火条件、淬火后的组织和性能，正确选择回火温度、保温时间和冷却方式。 （一）、回火温度的确定 1、低温回火（150-250℃）。低温回火可以在很少降低硬度的同时使钢的韧性明显提高。 （1） 高碳的中、低合金钢制成的工、模、量具和滚珠轴承都采用低温回火方式； （2） 低碳或低碳合金钢可以采用淬火和低温回火来代替中碳钢制造某些结构件；

（3） 对于高精度的量具，在研磨之后还需要在更低的温度（100-150℃）进行时效处理； （4） 渗碳和碳氮共渗件回火温度一般取160-200℃； 2、中温回火（350-500℃）。弹簧钢一般均在此温度回火。 3、高温回火（500-650℃，>500℃）。 （1）、中碳调质钢制造的各种结构零件主要采用高温回火； （2）、高碳高合金钢的回火温度一般在500-600℃； （3）、高合金渗碳钢的回火温度一般在600-680℃。 经验公式：

回火温度 T200R（60H)

T-回火温度（℃）

H-回火后的硬度（HRC）

R-常数。对45钢而言，H>30HRC时，R=11；H≤30HRC时，R=12。 回火硬度HRC75.50.094T6.66CM

CM=C%+Mn%/6+（Cr%+Mo%+V%）/5+（Ni%+Cu%）/15 T-回火温度（℃） CM-碳当量

（二）、回火时间的确定

回火保温时间一般根据工件截面厚度而定，一般每25MM厚度保温1-2小时，温度高时可适当缩短。

一般情况下，回火时间不少于1小时。如果所计算时间小于1小时，为保证组织转变，回火时间应取1小时。

通过在较低温度和较长时间的回火可以达到与在较高温度和较短时间的回火相同的回火程度；回火时间对回火程度的影响远小于温度的影响。 （三）、回火注意事项

1、对高碳钢、高碳合金钢及渗碳钢件，淬火后必须立即回火。否则在室温下停留时间过长，将会有自行开裂的危险（特别是尺寸大于20MM的工件尤甚）；

2、未经回火的工模具钢，未冷至室温时严防水洗，否则也会有开裂的危险；

3、对于形状复杂的工件，回火时应采取较慢的加热速度，否则易引起变形与开裂； 4、严格控制回火温度与时间，以防止回火不足和过回火；

5、对于低温回火的工件，尽量避开第一类回火脆性区（250-400℃）；对于高温回火（450-650℃）的工件，如属于具有第二类回火脆性的钢材，回火后应注意采取快速冷却，如水冷或油冷。

附表二：不同加热温度下的火色

火色 温度（℃） 火色 温度（℃） 火色 温度（℃） 淡黄色 220 蓝色 300 黄色 850-950 暗黄色 245 黑色 470 白色 1200-1300 赤褐色 265 暗红色 550-600 灰白色 1350 紫色 285 红色 700-800 / / 第三章、渗碳热处理 一、渗碳处理概念：

渗碳介质在工件表面产生的活性碳原子，经过表面吸收和扩散，将碳渗入低碳钢或低碳合金钢工件表面，获得高的渗层组织，经淬火和低温回火，其表层的硬度、强度、特别是疲劳强度和耐磨性，较心部都具有显著的提高，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性的化学热处理。

二、渗碳处理工艺流程：

1、入料： 将需处理之螺钉通过磁性送料机均匀送入前洗净槽；

2、前清洗： 将螺钉表面之油污、铁屑以及其它杂物清洗干净，防止将其带入炉内，影响炉内气氛；

3、渗碳： 在一定温度条件下（约880-930℃），活性碳原子渗入 螺丝表面；

4、淬火： 将渗碳之螺丝通过冷却介质快速从淬火温度（约为850℃）降至室温，以达到硬化的目的；

5、后清洗： 清洗干净螺丝表面所带的淬火油；

6、低温回火：将经渗碳淬火之螺丝加温到约200℃（自攻钉为360℃左右），保温一定时间，获得所需的机械性质。

三、原理（以气体渗碳为例） 1、渗碳介质的分解

以甲醇分解气作为载体气，另外再加入液化石油气（LPG）作为富化气以提高和调节气氛的碳势，气氛在炉内裂解，主要组成物是CO、CO2、CH4、H2、H2O及N2，除惰性气体N2不考虑外，CO、CH4起增碳作用，其余的起脱碳作用。气氛碳势常用露点仪、氧探头、电

阻探头控制，目前已发展成用微机实行多参数控制法，以确保较准确的控制气氛碳势。 2、碳原子的吸收

要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必须满足以下条件： （1）、表面应清洁，为此工件入炉前务必清理表面； （2）、活性碳原子被吸收后，剩下的CO2、H2、或H2O需及时被驱散，否则增碳反应无法继续进行下去，这就要求炉气有良好的循环； （3）、控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰当配合。 3、碳原子的扩散

碳原子由表面向心部的扩散是渗碳得以进行并获得一定深度层所必需的。扩散的驱动力是表面与心部间的碳浓度梯度和温度，因此炉内必须保持一定的碳势和温度。 渗碳有关反应：2CO=[C]+CO2， Fe+2CO=Fe[C]+CO2； CH4=[C]+2H2， Fe+CH4=Fe[C]+2H2；

CO+H2=[C]+H2O， Fe+CO+H2=Fe[C]+H2O； CO=[C]+1/2O2， Fe+CO=Fe[C]+1/2O2。 四、渗碳工艺参数的选择与控制 （一）、气氛碳势的选择与控制 碳势，是表征含碳气氛在某一温度下改变钢件表面含碳量的能力的参数。工件在渗碳或加热过程中，对其表面含碳量进行控制，称为碳势控制。碳势控制的实质就是控制炉气组分。控制一种组分，称为单参数碳势控制；控制两种以上组分，称为多参数碳势控制。一般渗碳件的表面碳含量可在0.6-1.1%之间变化，对于一般低合金渗碳钢，表面碳含量为0.8-1.0%时可获得最佳性能；对于镍、铬含量较高的钢，相应的碳含量比上述值略低才可能获得最佳性能。我司碳势一般在0.9-1.3%之间变化。 1、露点仪

气氛中水蒸汽的含量一般用露点值表示。所谓露点，就是指气氛中水蒸汽开始凝结成水雾时的温度。气氛中水蒸汽的含量高，气氛露点就高。 2、氧探头

氧探头是用来测量氧含量的，我司目前的碳势控制系统主要利用氧探头来测量计算碳势的。其主要优点是： （1）、在高温下直接测量，不需要取样系统，能较真实地反映炉气的实际状态； （2）、动态响应（小于0.1秒）； （3）、能在氧分压很高或很低的条件下进行测量。 （二）、渗碳温度的选择与控制

1、 温度影响着分解反应的平衡，如气氛中CO2不变，则温度每降低10℃，将使气氛碳势增加大约0.08%；

2、 温度也影响碳的扩散速度，如果气氛碳势不变，温度每提高100℃，可使渗层深度增加一倍；

3、 温度还影响着钢中的组织转变，温度过高会使钢的晶粒粗大。目前广泛使用的温度为920-930℃；对于薄层渗碳，温度可降到880-900℃；而对于渗层深度大于5MM，温度提高到980-1000℃，主要是为了缩短渗碳时间。 （三）、渗碳时间的确定与控制

渗碳时间主要影响渗层深度，同时也在一定程度上影响碳浓度梯度。 五、渗碳主要缺陷 （一）、表面硬度偏低 1、 表面脱碳；

2、 过高的表面碳含量、淬火冷速不够或内氧化导致非马氏体组织的形成； 3、 过多碳化物的出现引起马氏体回火抗力降低。 （二）、渗碳层深度不够或不均匀 1、 渗碳时间过短；

2、 炉气循环不良或炉温不均匀； 3、 碳势偏低； 4、 装炉量过多； 5、 炉子漏气；

6、 工件未清洗干净或表面有氧化皮； 7、 渗碳温度偏低。 （三）、金相组织不合格

渗层出现网状碳化物或大块状碳化物；晶粒粗大；渗层残余奥氏体过多；心部铁素体过多。采取的主要措施：

1、 不要采用过高的气氛碳势，从根本上防止生成网状碳化物； 2、 采用细晶粒钢；

3、 出现网状碳化物或粗大晶粒时，采用一次加热淬火； 4、 采用冷处理以消除或减少残余奥氏体； 5、 适当提高淬火加热温度以减少心部铁素体。 （四）、渗碳层出现内氧化

内氧化是因为渗碳气氛中含有O2、H2O、CO2等氧化性组分，而钢中又含有与氧氢和力比铁强的合金元素造成的。 金属材料基础知识 金属材料分类 （一）有色金属：

除铁、铬、锰之外的其他金属属有色金属，包括铜及铜合金、

铝及铝合金、其他合金（镁合金、钛合金、镍合金、铅合金、锌合金、硬质合金、锡合金等）。 （二）黑色金属：

铁、铬、锰属此类，主要包括铸铁与钢两大类。一般含碳量在0.0218C%以下的Fe-C合金称为纯铁；含碳量在0.0218C%-2.11C%之间的Fe-C合金称为钢；含碳量在2.11C%-4.33C%之间的Fe-C合金称为铸铁。 二、钢的分类 （一）按用途分：

包括建筑用钢、结构用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等）、工具钢（碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢等）、特殊用钢（不锈钢、耐热钢、抗磨钢、磁钢等）。 （二）按化学成分分：

1、碳素钢（低碳钢：碳含量≤0.25%；中碳钢：碳含量在0.25%-0.60%/0.45%之间；高碳钢：碳含量>0.60%/0.45%）；

2、合金钢（微合金化钢：合金元素含量在0.1%/B-0.001%；低合金钢：合金元素含量≤5%；中合金钢：合金元素含量在5-10%范围内；高合金钢：合金元素含量>10%）。（此划分无严格的规定）

（三）按质量分：

1、普通质量钢（P≤0.040%，S≤0.050%）； 2、质量钢（P≤0.035%，S≤0.035%）； 3、优质钢（P≤0.025%，S≤0.025%）；

4、高级优质钢（P≤0.025%，S≤0.015%）。 三、钢的编号 （一）碳钢的编号 1、碳素结构钢

以钢材直径（或厚度）不大于16mm钢的屈服点（σs）数值划分，牌号由屈服点字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法等四个部分按顺序组成。例：Q235-A.F，表示屈服点数值为235N/mm2的A级沸腾钢。 （1）、符号、代号的意义 Q：钢屈服点；

A、B、C、D：质量等级。A、B、C为普通级，硫、磷含量依次降 低；D为优质级； F：沸腾钢；

b:半镇静钢；Z：镇静钢；TZ：特殊镇静钢。（Z、TZ省略） （2）、新旧牌号对照。

A6、A7、B6、B7新标准已无相应的钢材与之对应；

Q195不分等级，其成份和力学性能分别与B1、A1相同； Q215分A、B两级。与A2、C2相当；

Q235分A、B、C、D四级。A、B级分别与A3、C3相当； Q255分A、B两级。与A4、C4相当；

Q275不分等级，成份和力学性能与C5相当。 2、优质碳素结构钢：

一般用两类数字表示，代表平均碳含量，以万分之一（0.01%）表示。例：45钢，表示平均碳含量为0.45%左右。 3、碳素工具钢：

在“碳”或“T”字的后面附以数字，表示钢中的平均碳含量，以千分之一（0.1%）表示。若为高级优质碳素工具钢，则在数字后面附加以“高”或“A”。例如T10A，表示高级优质碳素工具钢，碳含量1.0%左右。 （二）、合金钢编号 1、合金结构钢：

以两位数字加元素符号再加数字的方法表示。前面的两位数字代表平均碳含量，以万分之一（0.01%）表示；元素符号后的数字表示该元素的含量，以百分之一表示，当元素含量小于1.5%时，后面数字不写。 35CrMo：表示该钢碳含量为0.35%左右，Cr含量在1.0%左右（0.8-1.2%），Mo含量小于1.5%（0.2-0.4%）；

40Cr：表示该钢碳含量为0.40%左右，Cr含量在1.0%左右； 20MnTiB：表示该钢碳含量为0.20%左右, Mn含量在1.0%(1.3-1.6%)左右, Ti含量在0.08%左右, B含量在0.001%以上。 2、合金工具钢：

以一位数字加化学元素符号，再加数字的方法表示。前一位数字表示平均碳含量，以千分之一（0.1%）表示。但若钢中的碳含量大于等于1%时，前面的数字可不必标出；后面的数字代表相邻前面元素的含量，以1%表示。当元素含量小于1.5%时，后面数字可不标。 9Mn2V：表示该钢碳含量为0.9%左右，Mn为2%左右，V小于等于1%； CrWMn：表示该钢碳含量大于等于1%，Cr、W、Mn含量均在1%左右。 3、例外：

高速钢、不锈钢、耐热钢的碳含量一般不标出，但如果几个钢的合金元素相同，仅碳含量不同时，碳含量用千分之几（0.1%）表示。

高级优质钢在钢号后标以“高”或“A”。如38 CrMoAlA。 （三）、其他牌号 1、SAE编号：

碳钢10XX。如1006A、1008K、1022、1038、1038H等材质，其中06、08、22、38表示含碳量在0.06%、0.08%、0.22%、0.38%左右，A表示Al脱氧钢，K表示SI脱氧钢，H表示保证淬透性钢；

硼钢XXBXX。如10B21、10B30等，其中21、30表示含碳量在0.21%、0.30%左右，B表示加入了硼元素，其含量在0.0005%以上；

铬钼钢41XX。如4135、4140等，其中35、40表示含碳量在0.35%、0.40%左右，最前面的数字4表示铬含量约0.95%左右，钼含量约0.20%左右。 2、JIS编号：

碳钢SXXC。如S45C、SWRCH22A等，其中45、22表示含碳量在0.45%、0.22%左右，CH表示冷打钢；

铬钼钢SCMXXX。如SCM435、SCM415等，其中35、15表示含碳量在0.35%、0.15%左右，S表示STELL（钢），C、M表示铬、钼合金元素，4表示铬含量约1.0%左右，钼含量约0.20%左右。 （四）、常用合金元素在钢中的作用： 碳（C）： 提高钢件强度，提高耐磨性。 钨（W）： 提高红硬性。 铬（Cr）：提高淬透性、耐磨性。 钒（V）： 细化晶粒。 钼（Mo）：提高二次硬化。 钴（Co）：提高红硬性优胜。 锰（Mn）：提高强度，并在一定程度上提高可淬性。 镍（Ni）：提高强度，减小氢脆。 硼（B）： 提高淬透性。 硅（Si）：保证钢件的强度，适当的含量改善钢件塑性和韧性。 铝（AL）：与氮（N）结合成ALN阻止奥氏体晶粒长大。