第四章热处理

热处理思维导图

4.1 基础

热处理是通过加热、保温和冷却的方法，改变钢的组织结构，从而获得所需性能的工艺过程。这一工艺基于金属在固态下通过加热和冷却可以发生组织转变的基本原理。

热处理是改善金属材料使用性能和工艺性能的重要途径，直接影响零件的使用寿命、可靠性和安全性。在现代机械制造中，约80%的重要零件都需要经过热处理。

热处理由三个基本环节组成：

整体热处理是对工件整体进行加热、保温和冷却，使工件内部和表面都发生组织转变的工艺。

工艺定义：将工件加热到适当温度，保温一段时间后缓慢冷却（通常随炉冷却）的热处理工艺。
退火目的：
- 降低硬度，改善切削加工性能。
- 提高塑性和韧性，便于冷变形加工。
- 细化晶粒，改善内部组织。
- 消除内应力，防止变形和开裂。
- 为后续热处理做好组织准备。
退火后的硬度：一般低于25HRC（正火硬度可达25-35HRC）。
退火类型分类：
- 完全退火：主要用于亚共析钢锻件和铸件。
- 球化退火：主要用于共析钢和过共析钢（如GCr15、T9、9Mn2V），使渗碳体球化。
- 去应力退火：主要目的是消除铸件、锻件、焊接件的残余内应力。

工艺定义：将工件加热奥氏体化后，在空气中冷却的热处理工艺。
正火组织：托氏体组织，比退火组织的珠光体或索氏体更细。
正火目的：
- 细化晶粒，消除过热缺陷。
- 提高硬度和强度，改善切削加工性能。
- 消除网状渗碳体，为球化退火做准备。
- 代替一些要求不高的调质处理。
正火应用实例：花键轴（20CrMnTi）、变速箱齿轮、螺栓螺母（Q235）、40Cr齿轮轴。
正火后的硬度：可达35-40HRC。

工艺定义：将工件加热到Ac₃或Ac_cm以上30-50℃，保温后以快速冷却，获得以马氏体为主的组织。
淬火目的：获得高硬度和高强度，提高耐磨性和疲劳强度。
淬火冷却介质：
- 水：冷却速度快，易引起变形和开裂。
- 油：冷却速度适中，适用于合金钢和形状复杂的零件。
- 盐水：冷却速度介于水和油之间。
淬硬性与淬透性：
- 淬硬性：钢淬火后能达到的最高硬度，主要取决于钢中碳的质量分数。
- 淬透性：钢淬火后获得淬硬层深度的能力，主要取决于化学成分和冷却方式。
典型效果（45钢）：
- 正火后硬度：约20HRC。
- 淬火后硬度：可达55HRC以上。

工艺定义：将淬火后的工件重新加热到Ac₁以下某一温度，保温一段时间后再冷却到室温的热处理工艺。
回火目的：
- 消除或减小淬火应力。
- 稳定组织，防止使用时发生变化。
- 调整硬度、强度、塑性和韧性，获得所需综合性能。
回火分类：
- 低温回火（150-250℃）
  - 组织：回火马氏体。
  - 硬度：58-62HRC。
  - 特点：保持高硬度、高耐磨性，减小淬火应力。
  - 应用：高碳轴承钢（GCr15）、量具钢（CrWMn）、工具钢（9SiCr）、冷作模具钢（9Mn2V）、渗碳件（20CrMnTi）、表面淬火件（45、40Cr）。
- 中温回火（350-500℃）
  - 组织：回火托氏体。
  - 硬度：35-50HRC。
  - 特点：具有高弹性和高屈服强度。
  - 应用：弹簧钢（65Mn、60Si2Mn、55Si2Mn）。
- 高温回火（500-650℃）
  - 组织：回火索氏体。
  - 硬度：24-38HRC。
  - 特点：具有优良的综合力学性能（强度较高，塑性和韧性好）。
  - 应用：中碳钢（45、40Cr）的调质处理（淬火 + 高温回火）。

表面热处理仅对工件表层进行加热和冷却，改变表面组织和性能，而心部保持原有性能。

使零件表面具有高硬度和耐磨性，而心部保持足够的塑性和韧性。

通过快速加热使工件表面迅速奥氏体化，而心部仍保持原组织，然后快速冷却，只使表面硬化的淬火工艺。

方法	特点	适用情况	限制
火焰淬火	设备简单，操作简便，成本低	单件小批量生产	加热温度不易控制，硬化层深度不均
感应加热淬火	加热快，效率高，质量稳定，易自动化	大批量生产	设备投资大，维修调试较复杂

化学热处理是将工件置于活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表层，改变表层化学成分、组织和性能的工艺。

在图纸上标注热处理方法、硬度要求、硬化层深度等技术要求。

预备热处理：
- 安排位置：毛坯生产之后、切削加工之前；或粗加工之后、半精加工之前。
- 目的：为后续加工提供适宜的组织和性能。
- 常用方法：退火、正火、回火、调质。
最终热处理：
- 安排位置：半精加工后、磨削加工前。
- 原因：最终热处理后硬度高，不易进行切削加工。
- 常用方法：淬火、回火、渗碳等。