机械零件材料的热处理及其应用

机械零件材料的热处理及其应用

钢材热处理简介

钢的热处理是对钢在固态下进行加热、保温和冷却，以改变其内部组织，从而改善其机械性能和工艺性能的过程。主要的热处理方法有：

退火

退火是将钢加热到临界温度以上，然后在炉中缓慢冷却。其目的是降低硬度、增加塑性、细化晶体结构、改善加工性能，并消除铸造、锻造和焊接引起的内应力。具体类型包括：

• 完全退火：将钢加热至Ac3以上20-30℃，保温一段时间，然后在炉内缓慢冷却，以获得接近平衡组织。
• 扩散退火（均质退火）：用于使钢的内部化学成分均匀化。
• 不完全退火：用于晶体结构的部分转变。
• 球化退火：用于高碳钢和工具钢，获得球状碳化物组织。
• 去应力退火：将钢件加热到Ac1以下的一定温度（一般为500～650℃），保温，然后在炉内缓慢冷却，以消除内应力。
• 再结晶退火（中间退火）：用于在加工过程中恢复可塑性。

正火

正火是将钢件加热到Ac30以上50-3℃，保温一段时间，然后在空气中冷却。冷却速度比退火快，但比淬火慢，可以细化晶粒，使内部组织均匀化，消除内应力。

淬火

淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却。其目的是增加硬度和耐磨性。淬火材料必须经过回火。具体类型包括：

• 普通淬火：常见的淬火方法。
• 双液淬火：使用两种冷却介质进行淬火。
• 等温淬火：加热后保持恒温一段时间，然后冷却。
• 固溶处理：主要用于不锈钢、合金钢提高耐腐蚀性能。

回火

回火是将淬火钢重新加热到一定温度（临界温度以下），保温一段时间，然后在空气中冷却。根据回火温度的不同，可分为：

• 低温回火（150-250°C）：用于降低脆性和淬火应力，同时保持高硬度。
• 中温回火（350-500°C）：提高弹性和屈服点，适用于各种弹簧及受冲击的零部件。
• 高温回火（500～650℃）：与淬火结合，称淬火加回火，适用于重要承重零件。

表面硬化

表面硬化适用于需要高表面硬度和内部韧性的零件。方法包括：

• 火焰加热表面淬火
• 高频加热表面淬火（20-10000kHz）
• 中频加热表面淬火（<10kHz）
• 激光加热表面硬化
• 电子束加热表面硬化
• 电解加热表面硬化

化学热处理

• 渗碳：用于低碳钢或低碳合金钢，增加表面硬度。
• 渗氮：表面形成高硬度的氮化层，适用于38CrMoAl氮化钢。
• 碳氮共渗：碳和氮同时渗透到表面。
• 其它：如渗硼、渗铝、多元素共渗等。

热处理的作用

热处理通过改变工件的组织或表面化学成分，达到改善使用性能、增强机械性能、消除残余应力、提高切削加工性等目的。热处理工艺按其目的可分为准备热处理和最终热处理。

预备热处理

准备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力、为最终热处理做准备，主要有退火、正火、时效处理、淬火回火等。

最终热处理

最终的热处理旨在提高硬度、耐磨性和强度。

• 淬火：包括表面淬火和整体淬火。表面淬火变形较小，适用于对外部强度、耐磨性要求较高的零件。
• 渗碳淬火：适用于低碳钢、低合金钢，增加表面硬度。
• 氮化处理：提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性。

热处理工艺中的缺陷

过热和过烧

2. 过热：指由于加热温度过高或保温时间过长，导致奥氏体晶粒明显粗大。
3. 过度刻录：指在接近熔点的温度下，在晶界处形成熔化或氧化，且无法修复。

氧化和脱碳

• 氧化：工件表面形成氧化皮。
• 脱碳：表面碳损失，降低表面碳含量。

变形和开裂

零件的变形、开裂都是由于淬火时产生内应力引起的。

热处理的重要机制

热处理涉及两种可以改变合金性质的重要机制：
2. 马氏体相变：用于诱导变形，增加强度和硬度。
4. 金属扩散机理：用于改变同质性，使材料呈现单一性倾向。

其他材料的热处理

除了钢之外，铝、铜、镁、钛及其合金也可通过热处理改变其机械、物理和化学性质，以达到不同的性能要求。例如深冷处理是将钢淬火后冷却到零度以下的技术，范围从零下七十度到一百多度。