《金属热处理工艺》课件

金属热处理工艺金属热处理是通过加热、保温、冷却等工艺手段，改变金属材料内部组织结构，从而获得所需性能的重要技术热处理工艺是现代工业制造的核心技术之一，广泛应用于机械制造、汽车工业、航空航天等领域课程大纲基础理论部分工艺技术部分热处理基本概念、历史发展、金主要热处理工艺类型、特种热处属材料基础知识、热处理基本原理技术、表面热处理、化学热处理、相变理论等核心理论内容理等实用技术应用实践部分热处理的定义与意义热处理的基本概念性能改善作用热处理是通过控制加热、保通过热处理可以显著提高金属温、冷却过程，改变金属内部的强度、硬度、韧性、耐磨性结构和相组成，从而改善材料和耐腐蚀性根据不同的使用性能的工艺技术这一过程不要求，可以选择相应的热处理改变工件的化学成分和形状，工艺来获得最佳的综合性能但能显著改变其力学性能工业应用价值热处理的历史发展1古代起源从青铜器时代到铁器时代，人类逐步掌握了金属冶炼和简单热处理技术中国古代的淬火、回火工艺已相当成熟，铸就了闻名世界的优质刀剑2现代发展19-20世纪，随着材料科学理论的建立和工业技术的进步，热处理工艺日趋完善相图理论、相变动力学等为热处理提供了科学依据3未来趋势现代热处理正向精密化、自动化、智能化方向发展新材料、新工艺、新设备不断涌现，节能环保成为重要发展方向金属材料基础-晶体结构体心立方结构面心立方结构密排六方结构铁、钨、钼等金属铝、铜、镍等金属锌、镁、钛等金属的晶体结构原子的晶体结构原子的晶体结构各向排列相对疏松，具排列紧密，具有优异性明显，力学性有良好的强度和硬良的塑性和韧性能具有方向性特征度特性晶体缺陷影响点缺陷、线缺陷、面缺陷等对材料性能有重要影响晶粒大小直接关系到材料的强度和韧性金属材料基础-相图基础相图基本概念铁碳相图应用相图是表示合金系统在平衡条件下，相的组成、数量和存在条铁碳相图是钢铁材料热处理的基础，通过分析铁碳相图可以确件与温度、成分等因素关系的图形它是分析材料组织变化和定钢的临界温度点，选择合适的加热温度和冷却方式制定热处理工艺的重要工具相图中的相变过程直接指导着退火、正火、淬火等热处理工艺通过相图可以确定合金在不同温度下的相组成，预测相变过的制定，是热处理工程师必须掌握的基本工具程，为热处理工艺设计提供理论依据铁碳相图详解奥氏体区铁素体区γ-Fe固溶体，面心立方结构，具有良好α-Fe固溶体，体心立方结构，软而有磁12的塑性和高温稳定性性，塑性好但强度较低关键温度点渗碳体₁₃₃A727℃、A、Acm等临界点是制43Fe C化合物，硬度极高但脆性大，对定热处理工艺的重要依据钢的硬度和耐磨性有重要影响钢的分类与命名按化学成分分类碳钢含碳量

0.02%-

2.11%，合金钢添加Cr、Ni、Mo等合金元素，特种钢具有特殊性能要求钢的性能主要由化学成分决定按用途分类结构钢用于制造各种工程结构件，工具钢用于制造切削工具和量具，特殊性能钢如不锈钢、耐热钢等具有特定功能钢号标记系统我国采用GB标准，国际上有AISI、SAE、JIS等标准钢号中的数字和字母分别表示化学成分、用途、质量等级等信息应用选择依据根据零件的使用条件、性能要求、加工工艺等因素选择合适的钢材牌号，是保证产品质量的前提条件热处理基本原理-相变理论扩散型相变原子通过扩散重新排列形成新相，如珠光体转变转变速度较慢，组织均匀，是大多数热处理工艺的基础这类相变遵循扩散定律，温度和时间是关键因素非扩散型相变原子集体协调运动形成新相，如马氏体转变转变速度极快，产生高硬度组织，是淬火工艺的理论基础相变过程中晶体结构发生根本改变形核与长大过程新相的形成包括形核和长大两个阶段形核需要一定的过冷度，长大速度取决于扩散能力控制这两个过程是获得理想组织的关键热处理基本原理-TTT曲线珠光体转变区1高温区域，形成粗大珠光体组织贝氏体转变区2中温区域，形成贝氏体组织马氏体转变区3低温区域，形成马氏体组织TTT曲线反映了奥氏体在恒温条件下的转变规律，是等温热处理工艺设计的重要依据曲线的形状和位置取决于钢的化学成分，合金元素一般使C曲线右移，延缓转变过程热处理基本原理-CCT曲线连续冷却特点1与等温转变不同，连续冷却过程更符合实际生产条件冷却速率影响2不同冷却速率对应不同的组织转变路径和最终组织临界冷却速率获得全马氏体组织所需的最小冷却速率，是淬火工艺的关键3参数CCT曲线是实际热处理工艺制定的重要工具，它反映了奥氏体在连续冷却过程中的转变规律通过CCT曲线可以选择合适的冷却介质和冷却方式，获得所需的组织和性能热处理工艺基本要素12加热温度控制保温时间确定加热温度必须根据钢的成分和相图确定，过高会导致过热或过保温时间应保证工件内外温度均匀，充分完成相变或元素扩烧，过低则无法获得所需组织加热速率也要适当控制，避免散时间过短达不到工艺要求，过长则浪费能源并可能导致晶产生热应力和组织不均匀粒粗化34冷却方式选择工艺参数优化冷却方式直接决定最终组织和性能，包括炉冷、空冷、油冷、各工艺参数相互关联，需要综合考虑材料特性、零件尺寸、性水冷等必须根据CCT曲线和性能要求选择合适的冷却介质和能要求等因素进行优化，确保获得最佳的综合性能和经济效冷却速率益热处理的基本工艺类型退火工艺正火工艺淬火工艺回火工艺降低硬度，改善塑性细化晶粒，均匀组获得马氏体组织，显调节淬火后的硬度和和韧性，消除内应织，提高强度和硬度著提高硬度和强度韧性，消除淬火应力力，细化晶粒表面热处理化学热处理仅改变表面组织和性改变表面化学成分，能，保持心部韧性获得特殊性能退火工艺详解完全退火球化退火₃₁将钢加热到Ac以上30-50℃，保温后缓慢冷却目的是获得将共析钢或过共析钢加热到Ac附近，使渗碳体球化主要用接近平衡状态的组织，降低硬度，改善切削加工性适用于亚于降低高碳钢和合金工具钢的硬度，改善切削加工性共析钢的预备热处理球化退火后的组织为球状珠光体，硬度最低，塑性最好这种工艺特点是加热温度高，保温时间长，冷却速度慢可以消除组织有利于冷变形加工，也为后续淬火创造良好条件铸造、锻造、焊接等产生的组织缺陷和残余应力正火工艺详解空气冷却加热阶段₃在空气中自然冷却，冷却速度比退火1加热到Ac以上30-50℃，使组织完全快，比淬火慢，获得细化的珠光体组织2奥氏体化，消除原有组织的不均匀性性能提升组织细化4相比退火状态，正火后强度和硬度适当形成细小均匀的铁素体和珠光体，晶粒3提高，保持良好的塑性和韧性细化，组织均匀，性能改善淬火工艺详解-基本原理马氏体转变机理奥氏体快速冷却时，来不及发生扩散型转变，以切变方式形成马氏体这种非扩散型相变使钢获得极高的硬度和强度，是淬火的核心机理临界冷却速率概念获得全马氏体组织所需的最小冷却速率不同钢种的临界冷却速率不同，合金元素一般能降低临界冷却速率，提高淬透性淬透性与硬化深度淬透性是钢在淬火时获得马氏体组织的能力，用淬硬层深度表示淬透性好的钢材可以在较大截面上获得均匀的淬火组织淬火应力控制淬火过程中产生的热应力和组织应力可能导致变形和开裂通过选择合适的淬火介质、控制冷却速率可以减少淬火应力淬火工艺详解-淬火介质淬火介质冷却特性适用范围优缺点水冷却速度快碳钢简单形状冷却均匀但易工件开裂机油冷却速度中等合金钢复杂形变形小但冷却状工件能力有限盐水冷却速度很快大截面碳钢工淬透性好但应件力大聚合物可调节冷却速精密零件环保无污染度淬火工艺详解-特种淬火方法分级淬火等温淬火先在高温盐浴中冷却至Ms点以奥氏体化后快速冷却至贝氏体上，等温一定时间后再继续冷转变温度区间，等温转变为贝却可以减少淬火应力和变氏体组织获得的下贝氏体具形，适用于高碳钢和高合金有高强度和良好韧性，广泛应钢分级温度通常选择在300-用于弹簧钢400℃感应淬火利用电磁感应加热表面，然后快速冷却加热速度快，变形小，可实现选择性淬火适用于轴类、齿轮等零件的表面强化处理回火工艺详解150℃350℃低温回火中温回火保持高硬度，消除内应力，用于刃具和量获得托氏体组织，用于弹簧和冲压模具具500℃高温回火获得回火索氏体，用于结构件调质处理回火是淬火后必须进行的工艺，目的是消除淬火应力，调节硬度和韧性的配合回火温度的选择直接决定最终性能，必须根据使用要求确定回火保温时间一般为1-4小时，确保组织转变充分进行钢的热处理工艺组合表面热处理技术-表面淬火火焰表面淬火感应表面淬火激光表面淬火使用氧-乙炔火焰快速加热表面，然后喷利用高频电流产生的电磁场加热表面加激光束高能量密度快速加热表面，自冷淬水冷却设备简单，适用于大型工件的局热速度快，变形小，自动化程度高淬硬火热影响区小，变形极小，可实现精密部淬火加热温度可达1000℃以上，淬硬层深度可精确控制，适用于批量生产选择性淬火适用于精密零件和难加工材层深度1-6mm料化学热处理-渗碳碳原子渗入浓度梯度形成在高温下，活性碳原子从渗碳介质中分碳原子在表面富集并向内部扩散，形成解出来，向钢件表面扩散渗入由表及里的碳浓度梯度分布性能优化淬火硬化表面高硬度耐磨，心部保持韧性，实现渗碳后进行淬火处理，使高碳表层形成表硬心韧的理想性能组合马氏体，获得高硬度表面化学热处理-渗氮气体渗氮工艺离子渗氮技术在含氨气氛中进行，温度500-580℃，时间20-100小时氨气在真空中利用辉光放电产生氮离子轰击工件表面温度更低，分解产生活性氮原子，与钢中合金元素形成氮化物渗氮层硬时间更短，渗氮层质量更好可以精确控制渗氮层的成分和结度高，耐磨性好，变形小构适用于精密零件和已完成机械加工的工件渗氮层深度一般设备投资较大但工艺效果优异，渗氮层致密均匀，结合强度

0.1-

0.6mm，表面硬度可达800-1200HV高广泛应用于模具、精密机械零件等高端制造领域化学热处理-碳氮共渗工艺优势实现方法同时渗入碳和氮，发挥两种在含碳和含氮的混合气氛中元素的协同作用渗层硬度进行，温度850-950℃可高于单纯渗碳，韧性好于单采用气体法、盐浴法等多种纯渗氮工艺温度较低，变工艺方法工艺参数可灵活形更小，适用范围更广调整，适应不同性能要求应用案例广泛用于汽车齿轮、轴承套圈、活塞销等零件经碳氮共渗处理的齿轮，接触疲劳强度比渗碳齿轮提高15-25%，使用寿命显著延长化学热处理-其他技术硼化处理铬化处理铝化处理形成硼化物层，硬度极高提高耐腐蚀性和耐磨性，形成铝化物层，具有优良1800-2000HV，耐磨性优适用于高温工作环境的抗氧化和耐热性能异复合渗透多元素同时或依次渗入，获得复合功能表面层现代化学热处理技术向多元化、功能化方向发展通过不同元素的复合渗透，可以获得具有多种功能的表面层，如耐磨、耐蚀、耐热等综合性能这些技术在航空航天、石油化工等高端领域应用广泛铝合金热处理工艺固溶处理加热至固溶温度，使合金元素充分溶解淬火冷却快速冷却保持过饱和固溶体状态时效处理在较低温度下长时间保温，析出强化相性能提升通过析出强化显著提高强度和硬度铝合金热处理主要依靠固溶时效强化机制6系、7系等可热处理强化铝合金通过₂₂控制Mg Si、MgZn等析出相的数量、尺寸和分布，可以大幅提高材料强度，广泛应用于航空航天和汽车工业钛合金热处理工艺退火处理消除加工应力，改善塑性和韧性α钛合金退火温度700-800℃，β钛合金退火温度800-900℃退火后组织稳定，适合后续机械加工固溶时效α+β钛合金先在β相区固溶处理，然后时效析出α相通过控制α相的数量和分布可以调节强度和韧性的配合时效温度通常450-650℃性能优化钛合金热处理后强度可提高20-50%，同时保持良好的韧性和疲劳性能热处理工艺必须在保护气氛中进行，防止氧化和氢脆特种热处理技术-低温处理深冷处理-196℃液氮深冷，促进残余奥氏体转变组织细化细化马氏体，析出超细碳化物性能提升提高硬度、耐磨性和尺寸稳定性应用领域刃具、量具、精密零件深冷处理能够消除残余奥氏体，细化马氏体组织，析出超细碳化物颗粒处理后的工具钢硬度提高1-3HRC，耐磨性提高

1.5-8倍，使用寿命大幅延长该技术在精密工具制造中应用越来越广泛特种热处理技术-等离子体处理等离子体渗氮等离子体渗碳在低压辉光放电条件下进行渗氮处理氮离子在电场作用下轰利用碳氢化合物气体在等离子体状态下分解产生活性碳原子击工件表面，同时发生化学渗透和物理溅射处理温度低，时渗碳温度可降低50-100℃，变形更小，渗碳层成分和深度控制间短，渗氮层质量高精确渗氮层致密均匀，结合强度好，表面粗糙度小特别适用于精等离子体渗碳避免了传统渗碳的内氧化问题，渗碳层质量更密模具、医疗器械等高精度零件的表面改性处理高设备自动化程度高，工艺重现性好，是现代精密制造的重要技术特种热处理技术-激光热处理热处理设备-加热设备箱式电阻炉结构简单，温度控制精确，适用于小批量零件热处理最高温度可达1200℃，温度均匀性±5℃广泛用于工具钢、模具钢的淬火回火处理井式电阻炉垂直布置，占地面积小，适用于长杆类零件炉膛深度可达3-6米，装料量大常用于轴类零件的正火、调质处理，温度分布均匀真空炉⁻在真空或保护气氛中加热，避免氧化和脱碳适用于高合金钢、不锈钢等特殊材料真空度可达10³Pa，温度可达2000℃以上热处理设备-冷却设备淬火油槽系统聚合物淬火装置配备循环冷却系统、搅拌装可调节冷却强度的环保淬火置和温度控制设备油温控介质通过改变聚合物浓度制在60-80℃，循环流量保控制冷却速率，适用于不同证冷却均匀性定期检测油钢种和零件冷却特性介于的冷却特性和老化程度，确水和油之间，变形小，环保保淬火质量稳定无污染盐浴冷却系统用于分级淬火和等温淬火的专用设备盐浴温度精确控制在200-600℃范围内，温度均匀性好适用于高合金钢和精密零件的特殊淬火工艺热处理设备-辅助设备专用夹具输送系统保护气氛防止零件变形，保证加自动化装卸，减少人工防止氧化脱碳，保证表热均匀，提高生产效率操作，提高安全性面质量，延长炉膛寿命安全防护高温防护，气体检测，应急处理，保障操作安全现代热处理设备越来越重视辅助系统的完善专用夹具设计要考虑热膨胀、变形控制和操作便利性自动化输送系统提高了生产效率和一致性保护气氛系统确保产品质量，安全防护系统保障人员和设备安全热处理自动化与智能化过程监控系统实时监测温度、时间、气氛等关键参数，记录工艺曲线自动调节技术根据反馈信息自动调整工艺参数，保证质量稳定性智能生产线集成加热、冷却、检测等工序，实现全自动化生产热处理智能化发展迅速，采用传感器、控制器和执行器构成闭环控制系统人工智能技术用于工艺优化和质量预测，大数据分析实现设备预维护和工艺改进未来将实现完全无人化的智能热处理工厂热处理变形与控制变形机理分析变形预测方法热应力、组织应力和残余应力共同作用通过有限元分析预测变形趋势，优化工1导致零件变形不同截面冷却速度差异艺参数建立变形数据库，积累经验数2产生温度梯度，相变时间不同造成组织据，提高预测精度应力工艺控制措施校正处理技术4选择合适淬火介质，控制冷却速率，采机械校正、热校正、压力校正等后处理3用预变形补偿，设计专用夹具约束变形方法，将变形量控制在允许范围内热处理缺陷与防止过热与过烧缺陷淬火裂纹防止过热导致晶粒粗大，韧性下降；过烧形成晶界氧化，材料完全淬火裂纹由过大的内应力引起，是最严重的热处理缺陷选择报废控制加热温度在规定范围内，避免局部过热，使用精确合适的淬火介质，控制冷却速率，改进零件结构设计的温控系统及时回火消除淬火应力，避免尖角和截面突变，必要时采用分过热组织可通过正火细化晶粒得到改善，但过烧缺陷无法修级淬火或等温淬火工艺减少应力集中复因此温度控制是热处理质量的关键因素热处理质量控制工艺规范制定根据材料特性和性能要求制定详细的工艺规范包括加热温度、保温时间、冷却方式、回火参数等工艺规范必须经过试验验证和批准才能投入生产使用参数记录跟踪建立完整的工艺参数记录系统，实时记录温度、时间、冷却速率等关键参数每批产品都有完整的热处理履历，便于质量追溯和问题分析关键控制点监控识别影响产品质量的关键工序和参数，设置控制限值和监控方法对超出控制限的情况立即采取纠正措施，确保产品质量稳定质量管理体系建立ISO9001质量管理体系，规范热处理操作流程定期进行内部审核和管理评审，持续改进质量管理水平，提高客户满意度热处理检测技术-硬度测试硬度类型测试原理适用范围硬度值表示洛氏硬度压入法淬火钢、工具HRC、HRB钢布氏硬度压入法退火钢、铸铁HB维氏硬度压入法薄件、表面层HV显微硬度压入法微小区域HV硬度测试是热处理质量检验的主要方法不同硬度测试方法适用于不同的材料和测试要求，需要根据具体情况选择现代硬度计自动化程度高，测试精度和效率大幅提升热处理检测技术-金相分析样品制备技术正确的取样位置和方向是金相分析的基础样品经过镶嵌、粗磨、精磨、抛光等步骤制备抛光质量直接影响组织观察效果，必须消除划痕和变形层组织观察判定使用金相显微镜观察热处理后的组织形貌识别不同相组成如马氏体、珠光体、贝氏体等通过组织特征判断热处理工艺的正确性和产品质量定量分析评价测量晶粒度、相含量、夹杂物等定量指标使用图像分析系统自动测量和统计，提高分析精度和效率建立组织与性能的对应关系热处理检测技术-无损检测超声波检测磁粉探伤利用超声波在材料中的传播特利用磁场和磁粉检测表面和近性检测内部缺陷可以发现淬表面缺陷特别适用于发现表火裂纹、疏松、夹杂等缺陷面淬火裂纹操作简单，成本检测精度高，穿透能力强，适低，但只适用于铁磁性材料，用于大型锻件和铸件的质量检检测深度有限验涡流检测利用电磁感应原理检测导电材料的表面和近表面缺陷可以检测材料的电导率和磁导率变化，判断热处理质量检测速度快，适合自动化生产线热处理工艺数据库10000+5000+材料数据工艺方案涵盖各种钢材的化学成分、相图、CCT典型零件的成熟热处理工艺参数和质量曲线等基础数据控制要求95%成功率基于数据库指导的热处理工艺一次成功率显著提高热处理工艺数据库集成了材料基础数据、工艺参数、质量标准等信息通过专家系统可以自动推荐工艺方案，降低技术门槛数据挖掘技术用于发现工艺规律，优化参数配置，是现代热处理技术发展的重要支撑。