机电工业工程设计——热处理车间(第三版)

十、热处理车间

热处理是为通过调整对材料加热控制和冷却控制的方式，对其金相组织进行调整，从而改变材料的性能，达到零件的使用要求。它对挖掘金属材料潜力、改善零件使用性能、提高产品质量和延长使用寿命具有重要意义。

根据热处理规模的大小，将热处理分为专业热处理厂、热处理车间、热处理工段及热处理小组等四种组织形式。

（一）热处理工艺的分类

以处理金属划分，热处理分为黑色金属热处理和有色金属热处理；以加热条件、工艺效果划分，把金属热处理分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。整体热处理是整体加热和冷却工件，使工件整体达到预定性能，根据工件大小，又分为一般工件整体热处理和大型铸锻件整体热处理；表面热处理是指表面局部加热和冷却后获得表面硬化层，是通过快速加热方式使工件表面层达到预定温度后快速冷却，在工件心部组织和性能不变或基本不变的情况下，使工件表面达到预定的组织和性能；化学热处理是指钢在奥氏体或铁素体状态下进行各种元素的渗入及扩散的热处理方法，其目的是在保持心部组织和性能的同时，表层成分由于渗入活性元素的富集，来提高表面性能。具体细分如下表所示。

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类别 工艺名称 再结晶退火 扩散退火 去应力退火 石墨化退火 工艺特点 加热温度较低（以再结晶温度为准） 加热温度高，保温时间长 加热温度低于临界温度 加热温度高，保温时间长 加热温度高于开始奥氏体相变临界温度AC1，随炉缓冷 加热温度高于完全奥氏体相变临界温度AC3或ACM，空冷或风冷 加热温度高于开始奥氏体相变临界温度AC1，在适宜的介质中快速冷却 目的 消除加工硬化效应 消除铸件中的晶内偏析 消除工件中的内应力 消除铸铁中的共晶或共析碳化物，使碳石墨化 改善金属组织，提高塑性，改善加工性能 改善低碳钢的加工性能，使中碳钢获得替丁的强韧性，消除过共析钢的网状碳化物 获得过饱和固溶体或其它不平衡组织，是金属具有特定的使用性能，或与回火（时效）配合使金属具有特定的强韧性 与淬火配合使金属具有预期的强韧性或消除淬火产生的内应力 退火 正火 基础工艺 整 体 热 处 理 淬火及固溶热处理 回火及时效处理 淬火后在开始奥氏体相变临界温度AC1下保温（低温回火：250度以下，中温回火：250~450度，高温回火：450~650度） 在低真空状态下进行加热、冷却。具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、工艺稳定性及重复性好、耗电少、操作安全、自动化程度高 热塑性变形与淬火相结合 形变与时效相结合 其他方法 真空热处理（在低真空（低压）状态进行加热后真空油淬或气冷淬火、真空退火、真空回火、真空烧结处理） 零件综合力学性能优异、使用寿命长、表面质量好、变形微小，无污染、无公害、 形变淬火 形变时效 提高金属的强韧性 提高时效强化效果 2

磁场退火 磁场淬火 加热后在磁场中缓冷 提高软磁性材料的磁性，细化晶粒 在磁场中加热或在磁场中冷却 提高钢的强韧性 类别 整体热处理 工艺名称 磁场回火 工艺特点 在磁场中保温 目的 提高钢的强韧性 其他方法 循环热处理 火焰加热表面淬火 感应加热表面淬火 反复多次加热和冷却 细化组织 用火焰快速短时加热后快速冷却 用高、中、工频感应电流快速短时加热后快速冷却 用激光快速短时加热后快速冷却 用电子束快速短时加热后快速冷却 用激光快速加热使薄的表层熔化 用激光快速加热使簿的表层熔化 在电解液中通电快速加热后快速冷却 使钢制工件表面耐磨性和接触疲劳性能提高，心部具有较高韧性 使共件表层变为非晶态物质 使共件表层形成晶态组织 提高工件表面的耐磨性 激光加热表面淬火 电子束加热表面淬火 激光上光 表面热处理 激光共晶化 电解液加热表面淬火 化学气相沉积 物理气相沉积 通过热解合成过程在提高工件表面的耐工件表面形成沉积层 磨、耐蚀性 通过真空蒸发真空溅射在工件表面形成沉积层 等离子体化学气相沉积 在低压等离子体中通过气、固相化学反应形成沉积层 渗碳 化 学 热 处 理 奥氏体状态化学热处理 碳氮共渗 在能够提供活性碳原提高钢制工件表层的子的介质中加热奥氏碳含量，并在淬火后体后保温并快速冷却 使工件表面具有高的耐磨性和接触疲劳性能 在能够同时提供活性提高钢制工件表层的碳、氮原子的介质中 碳氮含量，并在淬火 3

类别 工艺名称 工艺特点 加热奥氏体后保温并快速冷却 在能够提供渗入非金属活性原子的介质中加热保温 目的 后使工件表面具有高耐磨性 提高工件表面的耐磨、耐蚀性 奥氏体状态化学热处理 渗其它非金属（B、Si等） 渗金属（Cr、Al、V等） 在能够提供渗入金属活性原子的介质中加热保温 渗氮 在能够提供活性氮原子的介质中在开始奥氏体相变临界温度AC1下加热后保温并快速冷却 在能够提供活性氮碳原子的介质中在开始奥氏体相变临界温度AC1下加热后保温并快速冷却加热温度比渗氮温度略高 在能够提供活性硫原子的介质中在开始奥氏体相变临界温度AC1下加热后保温并快速冷却 在能够提供活性锌原子的介质中在临界温度AC1下加热后保温并快速冷却 同时渗入多种元素 使工件表面在变形量较小的条件下具有高的耐磨性、接触疲劳性能、耐蚀性 氮碳共渗 化 学 热 处 理 铁素体状态化学热处理 渗硫 提高工件表面的耐磨性和接触疲劳性能 渗锌 提高工件表面抗大气腐蚀性能 多元共渗 多元共渗 提高工件表面的耐磨、耐蚀或抗热等性能 与一般化热处理相同 离子化学热处理 离子化学热处理 在介质电离的条件下利用辉光放电加热工件并使渗入元素在电场作用下渗入工件 4

电解化学热处理 其它 在电解的条件下于盐浴中渗碳、渗硼、渗硫或在电解催渗条件下渗氮（由于环保因素，此工艺手段正在逐步淘汰） 与一般化热处理相同 类别 工艺名称 真空（低压）化学热处理（在低真空状态进行真空渗氮、渗碳、渗金属。） 硫态床化学热处理 工艺特点 在低真空（低压）状态在能够提供活性硫原子的介质中加热、冷却 在流态床中渗碳或碳氮共渗 目的 使工件表面具有高的耐磨性、接触疲劳性能、耐蚀性表面质量好、变形微小。无污染、无公害。 与一般化热处理相同 化 学 热 处 理 其它 （二）热处理工艺和流程 1、 退火和正火 （1）加热速度

退火工件一般采用随炉加热，加热速度不会太高。高合金钢大件退火时，为防止加热过程中开裂，在﹤700℃时，加热速度控制在30~70℃/h，﹥700℃，可增大到80~100℃/h。正火工件一般采用热炉加热。 （2）保温时间

保温时间由材料的化学成分、炉温、装炉方式及装炉量所决定。一般按1.5~2.5min/mm（厚度或直径）估算。 （3）冷却

退火处理一般采用随炉冷却，正火处理一般采用空冷冷却。 （4）流程：

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①正火工艺：

工件进炉→加热至正火温度→保温→出炉空冷。 ②退火工艺：

工件进炉→加热至退火温度→保温→随炉冷却→出炉。 （5）加热、保温、冷却工艺曲线

温度 3+150~200 随炉冷却温度 3+30~50 随炉冷却温度 1+40~60 随炉冷却0扩散退火时间0完全退火时间0不完全退火时间

温度 3+30~50 （亚共析钢）1+20~40 （共析钢或过共析钢）随炉冷却空冷温度 1+20~40 +20~30 随炉冷却温度 1-50~150 空冷0等温退火时间0球化退火时间0再结晶退火时间温度 1-100~200 空冷温度 3+30~50 +30~50 空冷0去应力退火时间0正火时间

注：AC1为开始奥氏体相变临界温度； AC3为完全奥氏体相变临界温度。

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2、 淬火和回火 （1） 加热温度

钢淬火加热温度为AC1或AC3+30~50℃。

钢回火加热温度分为低温、中温、高温回火，均在相变温度线以下。 （2） 保温时间

①淬火保温时间 T=a×K×D

式中：T---淬火保温时间（min）；

a ---保温时间系数（min/mm）； K---工件装炉方式修正系数； D---工件有效厚度（mm）。 ②回火保温时间

T（min）= K+A ×D

式中：t---回火时间（min）；

A ---回火时间系数； K---回火基数时间（min）； D---工件有效厚度（mm）。 回火时间一般为1~3小时。 （3） 冷却

淬火工艺的冷却速度有冷却方式所决定，冷却速度的选择决定了材料淬火所得到的性能。

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常用淬火的冷却方式有：单液淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火、复合淬火、预冷等温淬火、预冷淬火、局部淬火、自回火淬火、风淬、喷雾及喷流淬火。

钢的回火多采用空冷，不允许重新产生内应力工件采用缓冷，对于高温回火脆性敏感的钢，采用油冷。 （4）流程 ①淬火：

工件进炉→加热至淬火温度→保温→快速冷却。 ②回火：

工件进炉→加热至回火温度→保温→出炉冷却。

3、 表面热处理

表面热处理是指表面局部加热，可显著减少淬火变形，并降低能耗。在工厂生产中感应加热淬火为最常见的表面热处理。

感应加热主要运用了电磁感应、“集肤效应”和热传导三项基本原理。它属于快速加热。加热速度可在0.02℃/s~1000℃/s内变化，可根据要达到的晶粒度要求，通过感应加热器，调整加热速度。感应加热器分为工频、高频（20~500kHz）、中频（1~10kHz）三大类，可单件加热或连续加热。电流频率根据淬硬层深度来确定，工件截面越小，频率越高。加热时间越长、加热温度越高，加热深度越大。感应器与工件的间隙越小，电效率越大。要使形状复杂的工件均匀加热，

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则间隙选用大一些。感应器产生的热量采用冷却循环水冷却，水压0.1~0.2MPa。工件在加热到温后，在空气中停留一短暂时间预冷后，进行喷冷或浸淬，冷却时间必须严格控制，使工件能获得足够的表面硬度，又能利用工件残存热量进行自回火。

工件在感应加热后，一般需经回火才能使用，以减少淬火应力和降低脆性。回火方式除加热炉加热外，还可采用自回火和感应加热回火。

工艺流程：

工件上料→感应加热→预冷→喷冷或浸淬→工件下料→回火。 4、 化学热处理 （1）常压化学热处理流程

工件清洗→进炉→化学热处理（渗碳、碳氮共渗、渗氮、氮碳共渗）→油冷或水冷→工件出炉→清洗→回火。 （2）低压渗碳流程

工件前清洗→预氧化→低压加热→渗碳→气淬→后清洗→回火→强化喷丸→上油。 5、大型锻件热处理

通常将在5-8MN或以上自由锻造液压机（或压力机）上，用钢锭锻造的锻件称为大型锻件。

（1）大型锻件的主要特点： ①单件体积重大，需用钢锭锻造。 ②内在质量要求严格。

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③生产工艺复杂，技术难度大。 ④生产费用高。 （2）大型锻件生产流程

钢锭→打帽口→切毛口→加热→锻造→锻后热处理→粗加工 n次 黑皮淬火 →UT等质检→性能热处理→检测→去应力退火→金切加工→UT及全面质检→涂油包装 →成品堆放/出厂。

大型锻件热处理主要分为锻后热处理和性能热处理。 （3）大型铸锻件在锻造后热处理目的

①转变大锻件锻后不均的组织形态，提高化学成分均匀性，稳定、细化、匀化晶粒，调整软化大锻件组织和机械性能，为机加工创造条件，并为性能热处理、超声波探伤做好准备。

②通过长时间扩散退火，降低钢中含氢量，防止白点产生，减小组织应力，减小大锻件开裂倾向。

③对不再进行性能热处理的锻件，锻后热处理还要得到必要的组织性能，满足使用要求。

（4）大型锻件锻造后热处理工艺有退火（完全退火、低温退火、中间退火、等温退火、球化退火等各种类型的退火）、正火（正火加高温回火）、调质（淬火加高温回火）。还常用等温冷却、起伏等温冷却、起伏等温退火等工艺。其最主要的热处理工艺为：正火+长时间扩散退火。

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