第6章鋼的熱處理

知識目標：了解鋼在加熱和冷卻時的組織轉變掌握熱處理基本原理及熱處理的主要目的和工藝特點技能目標：掌握鋼的退火、正火、淬火、回火及表面熱處理的方法掌握常用零件的熱處理工藝在零件加工過程中的作用和位置合理安排零件加工工藝路線6.1概述6.2鋼在加熱時的轉變6.3鋼在冷卻時的轉變6.4鋼的退火與正火6.5鋼的淬火6.6鋼的回火6.7鋼的表面熱處理6.8典型零件的熱處理分析6.9熱處理設備簡介6.10熱處理新工藝技術簡介第6章鋼的熱處理6.1概述

6.1.1熱處理的概念6.1.2

熱處理的目的

6.1.3熱處理的作用6.1.4熱處理分類6.1.5熱處理工藝6.1.6為什么熱處理能使鋼的性能發生變化6.1.1熱處理的概念

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能。

所謂熱處理，就是將固態金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結構和性能的工藝。熱處理的概念6.1.2熱處理的目的

熱處理的目的是改變鋼的內部組織結構，以改善鋼的性能，通過適當的熱處理不僅可以改進鋼的加工工藝性能，更重要的是可顯著提高鋼的力學性能，充分發揮鋼材的潛力，延長工件的使用壽命，減輕工件自重，節約材料，降低成本。熱處理的目的6.1.3熱處理的作用★熱處理的作用：挖掘材料潛能，減少零件重量；提高產品質量，延長零件使用壽命。熱處理的作用6.1.4熱處理分類

鋼的熱處理的最基本的類型可根據加熱和冷卻方式不同，大致分為以下幾類：6.1.5熱處理工藝熱處理方法雖然很多，但任何一種熱處理工藝都是由加熱、保溫和冷卻三個階段組成，并可用溫度-時間坐標圖來表示，如圖所示為熱處理工藝曲線。圖6-1熱處理工藝曲線加熱分為兩種：一種是在溫度臨界點A1線以下的加熱，此時不發生向奧氏體轉變；另一種是在溫度臨界點A1線以上的加熱，目的是為了獲得均勻的奧氏體組織，這一過程稱為奧氏體化。

保溫的目的是要保證工件熱透并防止脫碳和氧化等。保溫時間和介質的選擇與工件的尺寸和材質有直接關系。一般工件越大，導熱性越差，保溫時間就越長。

冷卻是熱處理的最終工序，也是熱處理最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉變為不同的組織，從而獲得不同的性能。6.1.6為什么熱處理能使鋼的性能發生變化根本原因是由于鐵具有同素異構轉變，從而使鋼在加熱和冷卻過程中，發生了組織與晶格結構變化。不同的加熱溫度、不同的冷卻速度會得到不同的組織，因而可得到不同的性能。

6.2.1鋼的奧氏體化6.2.2奧氏體晶粒的長大6.2.3影響奧氏體晶粒長大的因素6.2鋼在加熱時的轉變6.2鋼在加熱時的轉變

由Fe-Fe3C相圖可了解鋼在加熱時的組織變化規律。PSK、GS、ES線表示鋼在緩慢冷卻或加熱過程中組織發生變化的臨界點，分別用A1、A3和Acm表示。

共析鋼：加熱到超過A1溫度時，全部轉變為奧氏體；亞共析鋼和過共析鋼：必須加熱到A3和Acm以上才能獲得單相奧氏體。

加熱、冷卻時鋼的臨界點Ar1/%A1、A3和Acm是在極其緩慢加熱和冷卻條件下測得的臨界點，又叫平衡臨界點。由于過熱和過冷現象的影響，加熱時溫度偏向高溫，冷卻時偏向低溫，這種現象稱為滯后。通常加熱時的臨界點用符號Ac1、Ac3、Accm表示；冷卻時的臨界點用符號Ar1、Ar3、Arcm表示。

6.2鋼在加熱時的轉變6.2.1鋼的奧氏體化

通過加熱獲得奧氏體組織的過程稱為奧氏體化。共析鋼的奧氏體形成過程分為以下四個階段，即晶核形成、晶核長大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化。圖6-3共析鋼中奧氏體形成過程示意圖a）形核b）核長大c）殘余滲碳體溶解d）奧氏體均勻化奧氏體的形成6.2.2奧氏體晶粒的長大

不論原來鋼的晶粒是粗或是細，通過加熱時的奧氏體化，都能得到細小晶粒的奧氏體。但是隨著加熱溫度的升高，保溫時間的延長，奧氏體晶粒會自發地長大。加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越大。晶粒的長大是依靠較大晶粒吞并較小晶粒和晶界遷移的方式進行的。6.2.3影響奧氏體晶粒長大的因素1.奧氏體晶粒度的概念

晶粒度是表示晶粒大小的一種尺度。根據奧氏體形成過程和晶粒長大情況奧氏體晶粒度可分為：起始晶粒度，實際晶粒度和本質晶粒度。（1）起始晶粒度起始晶粒度是指珠光體剛剛全部轉變為奧氏體時的奧氏體晶粒度。（2）實際晶粒度實際晶粒度是指鋼在某一具體的熱處理或加熱條件下實際獲得的奧氏體晶粒度。（3）本質晶粒度根據標準試驗方法，在930℃±10℃保溫足夠時間（3～8h）后測定的鋼中晶粒度的大小。圖6-4奧氏體晶粒長大傾向示意圖為了測定或比較鋼的實際晶粒大小，把試樣在金相顯微鏡下放大100倍，然后與標準晶粒號（圖6-5）比較以確定其等級。標準晶粒度分為8個等級。1級最粗，8級最細。其中晶粒度在1～4級的鋼為粗晶粒鋼，5～8級的鋼為細晶粒鋼。圖6-5奧氏體標準晶粒度等級示意圖2.影響奧氏體晶粒長大的因素（1）加熱溫度和保溫時間加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒越粗大。（2）加熱速度加熱速度越快，奧氏體形核率越高，晶粒越細小。（3）奧氏體中碳的質量分數奧氏體含碳量的增加，奧氏體晶粒的長大傾向增大。（4）合金元素形成穩定碳化物的元素（如鈦、釩、鈮、鋯、鎢、鉬、鉻等），形成不溶于奧氏體的氧化物及氮化物的元素（如鋁），促進石墨化的元素（如硅、鎳、鈷），以及在結構上自由存在的元素（如銅），都會阻礙奧氏體晶粒長大。而錳和磷則有加速奧氏體晶粒長大的傾向。所以多數合金鋼熱處理后晶粒較細。（5）原始組織

原始組織中珠光體晶粒越細，加熱后的奧氏體晶粒越細小。3.奧氏體晶粒大小對力學性能的影響奧氏體晶粒大小對后續的冷卻轉變以及轉變產物的性能有重要的影響。如奧氏體晶粒細小，后續冷卻轉變產物就強度高塑性好，尤其沖擊韌性明顯提高。綜上分析可知，為使熱處理加熱后得到均勻細小的奧氏體晶粒，提高材料的性能，應選擇合適的加熱溫度和保溫時間，合理選擇鋼的原始組織以及加入一定量的合金元素等措施?！餆崽幚砑訜岬哪康模韩@得均勻細小的奧氏體組織6.3.1過冷奧氏體的等溫轉變6.3.2馬氏體轉變6.3.3過冷奧氏體等溫轉變圖的應用6.3鋼在冷卻時的轉變

6.3鋼在冷卻時的轉變

鋼經加熱保溫獲得奧氏體后，冷卻至A1以下時，過冷奧氏體將發生組織轉變。在不同的冷卻條件下進行冷卻，可以獲得不同的力學性能。表6-145鋼加熱到840℃，經不同條件冷卻后的力學性能冷卻方法Rm/MPaReL/MPaA5/％Z/％硬度HRC隨爐冷卻53028032.549.315～18空氣中冷卻670～72034015～1845～5018～24油中冷卻90062018～204840～50水中冷卻11007207～812～1452～60在熱處理工藝中，常采用等溫冷卻和連續冷卻兩種方式，如圖6-6所示。圖6-6奧氏體的冷卻曲線1-連續冷卻轉變2-等溫轉變

冷卻轉變溫度決定了冷卻后的組織和性能。實際生產中熱處理采用的冷卻方式主要有：連續冷卻（如爐冷、空冷、水冷等）；等溫冷卻（如等溫淬火）。6.3.1過冷奧氏體的等溫轉變1.過冷奧氏體的概念

共析溫度以下存在的處于不穩定狀態的奧氏體稱為過冷奧氏體。

2.等溫轉變圖表示過冷奧氏體的轉變溫度、轉變時間與轉變產物之間關系的曲線圖稱為過冷奧氏體的等溫轉變圖，簡稱等溫轉變圖，又因為其形狀象英文字母“C”，所以又稱C曲線。

3.等溫轉變圖的建立奧氏體等溫轉變圖的建立是利用過冷奧氏體轉變產物的組織形態和性能的變化來測定的。測定的方法有金相測定法、硬度測定法、膨脹測定法、磁性測定法，以及X射線結構分析測定等方法。過冷奧氏體的等溫轉變圖6-7共析鋼奧氏體等溫轉變圖的建立圖6-8共析鋼等溫轉變圖4.奧體氏等溫轉變圖的分析

5.影響C曲線的因素影響C曲線形狀和位置的因素很多，主要有：（1）碳的影響亞共析鋼的C曲線，隨著含碳量的增加向右移；過共析鋼的C曲線，隨著含碳量的增加向左移。在碳鋼中以共析鋼的C曲線離縱軸最遠，過冷奧氏體最穩定。圖6-9亞共析鋼、共析鋼、過共析鋼的C曲線比較（a）亞共析鋼（b）共析鋼（c）過共析鋼P—珠光體；S—索氏體；T—屈氏體；B—貝氏體；M—馬氏體；A—奧氏體（2）合金元素的影響

（3）加熱溫度和保溫時間的影響

6.過冷奧氏體等溫轉變產物的組織和性能

（1）珠光體型組織轉變（A1～550℃）（2）貝氏體型組織轉變（550℃～Ms）圖6-10合金元素等溫轉變圖的影響圖6-11珠光體型顯微組織a）珠光體b）索氏體c）屈氏體a)光學顯微像b)電鏡像圖6-12上貝氏體的顯微組織a)光學顯微像b)電鏡像圖6-13下貝氏體的顯微組織示意圖表6-2共析鋼過冷奧氏體等溫轉變的產物和性能轉變類型轉變溫度/℃轉變產物符號顯微組織形態性能特點高溫轉變A1～650珠光體P粗片狀鐵素體和滲碳體混合物強度較高、硬度適中HRC＜25，有一定的塑性、綜合力學性能較好650～600索氏體S細片狀鐵素體和滲碳體混合物硬度為25～35HRC,綜合力學性能優于珠光體600～550屈氏體T極細片狀鐵素體和滲碳體混合物硬度為35～40HRC,綜合力學性能優于索氏體中溫轉變550～350上貝氏體B上細條狀滲碳體分布于片狀的鐵素體之間，呈羽毛狀硬度為40～45HRC，強度低，塑性很差350～Ms下貝氏體B下細小的碳化物分布于針葉狀的鐵素體之間，呈黑色針狀硬度為45～55HRC，具有較高的強度及良好的塑性和韌性6.3.2過冷奧氏體等溫轉變圖的應用1.過冷奧氏體的連續冷卻轉變2.等溫轉變圖在連續轉變中的應用圖6-14共析鋼連續冷卻轉變曲線圖圖6-15等溫轉變圖在連續冷卻中的應用3.馬氏體轉變

圖6-16碳的質量分數對Ms與Mf溫度的影響（1）馬氏體轉變過程

（2）馬氏體的晶體結構

圖6-17馬氏體晶格結構示意圖馬氏體轉變（3）馬氏體的組織形態

a)示意圖b)光學顯微像c)電鏡像圖6-18板條狀馬氏體的形態a)示意圖b)光學顯微像c)電鏡像圖6-19針狀馬氏體的形態（4）馬氏體的性能馬氏體的性能取決于馬氏體的碳質量分數與組織形態。1）強度與硬度

主要取決于馬氏體的碳質量分數，隨馬氏體中碳質量分數的升高，強度與硬度隨之升高。圖6-20碳的質量分數對馬氏體硬度的影響2）塑性與韌性

隨馬氏體中碳質量分數的提高，塑性與韌性急劇下降。3）比容

鋼的組織中，馬氏體比容最大、奧氏體最小、珠光體居中，所以奧氏體轉變為馬氏體時，必然伴隨體積膨脹而產生內應力。（C）/％（5）馬氏體轉變的特點

馬氏體轉變也是形核、長大的過程，但有下列特點:1)轉變的非擴散性2)轉變的速度極快3)轉變的非等溫性4)轉變的不徹底性（6）馬氏體的臨界冷卻速度

鋼中奧氏體在連續冷卻過程中，全部過冷到Ms線以下向馬氏體轉變的最小冷卻速度，稱為臨界冷卻速度。6.4鋼的退火與正火6.4.1退火6.4.2正火6.4.1退火1.退火的定義

退火是將鋼加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的熱處理工藝。臺車式退火爐2.退火的目的（1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能。（2）細化晶粒，均勻成分，為最終熱處理作準備。（3）消除鋼中的殘余應力，防止變形和開裂。為什么退火臺車式熱處理爐3.常用的退火方法（1）完全退火完全退火又稱為重結晶退火。這種退火主要用于亞共析鋼成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結構件。一般常作為一些不重要工件的最終熱處理，或作為某些重要件的預備熱處理。（2）球化退火球化退火主要用于共析或過共析鋼及合金工具鋼制造的刃具、量具、模具和滾動軸承等。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并為以后淬火做好準備。圖6-21球狀珠光體的顯微組織退火工藝（3）去應力退火去應力退火又稱低溫退火，這種退火主要用來去除鑄件、鍛件、焊接件、熱軋件、冷拉件及機械加工件等的殘余內應力。（4）等溫退火

將鋼加熱到Ac1或Ac3以上某一溫度，保溫后以較快速度冷卻到珠光體溫度區間內的某一溫度并等溫保持，使奧氏體轉變為珠光體型組織，然后出爐空冷的退火工藝。等溫退火的目的與完全退火相同，但等溫退火后組織均勻，性能一致，且生產周期短。主要用于中碳合金鋼及一些高合金鋼的大型鑄鍛件及沖壓件等。各種退火加熱溫度6.4.2正火1.正火的定義

所謂正火，就是將鋼加熱到Ac3或Accm以上30～50℃，保溫一定時間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。2.正火與退火的區別

正火與退火的目的基本相同。正火加熱的溫度稍微高些，冷卻的速度稍快，得到的組織較細小，所以強度、硬度比退火的高。表6-345鋼退火、正火狀態的力學性能比較狀態Rm

/MPaA/％ak/J·cm－2硬度/HBS正火700～80015～2050～80～220退火650～70015～2040～60180鋼的正火3.正火的適用范圍（1）改善鋼的切削加工性能。（2）消除熱加工缺陷。（3）消除過共析鋼的網狀碳化物，便于球化退火。（4）提高普通結構零件的機械性能。4.退火和正火的選擇

（１）含碳量＜0.25％的低碳鋼，通常采用正火代替退火。（２）含碳量在0.25～0.5％之間的中碳鋼也可用正火代替退火。（３）含碳量在0.5～0.75％之間的鋼，一般采用完全退火（４）含碳量＞0.75％的高碳鋼或工具鋼一般均采用球化退火作為預備熱處理。a）加熱溫度范圍b）熱處理工藝曲線圖6-23各種退火和正火工藝示意圖1-完全退火2-球化退火3-去應力退火4-正火圖6-22退火與正火后鋼的硬度值范圍1－正火2－完全退火3－球化退火C/%C/%t6.5鋼的淬火

淬火是將鋼加熱到Ac3或Ac1點以上某一溫度，保溫一定時間，然后以適當速度冷卻，獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。6.5.1淬火工藝6.5.2鋼的淬透性與淬硬性6.5.3淬火缺陷6.5.4零件的結構形狀與熱處理的工藝性能鋼的淬火拉刀鹽浴熱處理6.5.1淬火工藝

1.淬火的目的

淬火的目的是為了得到馬氏體（或下貝氏體）組織，提高鋼的強度、硬度及耐磨性。2.淬火加熱溫度

淬火加熱溫度的依據是Fe-Fe3C相圖上的臨界點來選擇，如圖6-24所示。圖6-24碳鋼淬火加熱溫度范圍示意圖3.淬火冷卻介質

工件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火冷卻介質（或淬火介質）。常用的淬火介質有礦物油、水、鹽水、堿水等，其冷卻能力依次增加。4.淬火方法

生產上常用的淬火方法有單介質淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火和復合淬火。

圖6-26各種淬火方法的冷卻示意圖①—單液淬火②—雙介質淬火③—馬氏體分級淬火④—貝氏體等溫淬火圖6-27單液淬火示意圖圖6-28雙介質淬火示意圖圖6-29馬氏體分級淬火1—表面2—心部圖6-30貝氏體等溫淬火示意圖1—表面2—心部圖6-31卡規及其局部淬火法表6-5各種淬火方法冷卻方式、特點及應用淬火方法冷卻方式特點和應用單液淬火法將奧氏體化的工件放入一種淬火介質中一直冷卻到室溫操作簡單，易實現機械化自動化，適用于形狀簡單的鋼件雙液淬火法將奧氏體化的工件在水中冷卻到接近Ms點時，立即取出放入油中冷卻防止低溫馬氏體轉變時鋼件發生裂紋，常用于形狀復雜的合金鋼分級淬火法將奧氏體化的工件放入溫度稍高于Ms點的鹽浴中，使工件各部分與鹽浴的溫度一致后，取出空冷完成M轉變大大減少熱應力和變形開裂傾向，但鹽浴的冷卻能力較小，故只適用于截面尺寸小于10mm的鋼件。如刀具、量具等等溫淬火法將奧氏體化的工件放入溫度稍高于Ms點的鹽浴中,在該溫度下保溫，使過冷奧氏體轉變為下貝氏體組織后，取出空冷。它常用來處理形狀復雜、尺寸要求精確、強韌性高的工具、模具和彈簧等局部淬火法對工件局部要求硬化的部位進行加熱淬火主要用于對零件的局部有高硬度要求的工件冷處理把淬火冷卻到室溫的鋼繼續冷卻到-70～-80℃，使殘余奧氏體轉變為馬氏體，然后低溫回火，消除應力，穩定組織。提高硬度、耐磨性、穩定尺寸，適用于一些高精度的工件，如精密量具、精密絲杠、精密軸承等復合淬火將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然后在下貝氏體溫度區等溫。獲得M+B組織。這種冷卻方法可使較大截面的工件獲得組織M+B組織。適用于合金工具鋼工件，可避免回火脆性，減少殘余奧氏體量和變形開裂傾向。6.5.2鋼的淬透性與淬硬性1.淬透性

淬透性是指在規定條件下，鋼在淬火冷卻時獲得馬氏體組織深度的能力。影響淬透性的因素是鋼的臨界冷卻速度。凡是增加過冷奧氏體穩定性，降低臨界冷卻速度的因素（主要是鋼的化學成分），均能提高鋼的淬透性。圖6-32工件淬透層與淬火冷卻速度的關系圖6-33淬透性對調質后鋼的力學性能的影響2.淬硬性

淬硬性是指鋼在理想條件下進行淬火所能達到最高硬度的能力。淬硬性的影響因素是鋼中含碳的質量分數，含碳的質量分數越高，淬硬性越高，反之，淬硬性越低。對比項目淬硬性淬透性基本概念鋼材在理想條件下淬火，可獲得的最高硬度值鋼材在規定條件下淬火所能獲得的淬層深度影響因素主要是含碳量主要是臨界冷卻速度，合金元素含量測量方式通過硬度的測試即可獲得其淬硬性常用的有臨界直徑和端淬法實際冷卻速度的影響對淬硬性的影響比較小對淬透性的影響比較大實際應用根據零件提出的硬度要求為參考依據，按所需的含碳量進行材料的選取是設計零件時根據零件實際工作時的受力情況進行選材的重要依據3.如何區分鋼的淬硬性和淬透性淬透性和淬硬性是兩個完全不同的概念。它們之間相互獨立，互不相關。淬透性好的材料淬硬性不一定好，相反淬硬性好的材料淬透性也不一定好。在實際應用的過程中一定要根據不同要求合理選擇。

6.5.3淬火缺陷

缺陷

由于淬火加熱溫度高，冷卻劇烈，因而容易產生一些缺陷。常遇到的缺陷有以下幾種：1.氧化與脫碳

2.過熱與過燒

3.變形與開裂

4.硬度不足和軟點

5.其它組織缺陷

6.5.4零件的結構形狀與熱處理的工藝性能1．避免尖角與棱角2．避免厚薄懸殊3．采用封閉（避免開口）、對稱結構4．采用組合結構圖6-34磨床頂尖6.6鋼的回火

回火是將工件淬硬后，再加熱到Ac1以下某一溫度，保持一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火目的主要有以下幾點：1）降低脆性，減小或消除淬火應力；2）獲得工件所需要的力學性能；3）穩定組織和尺寸；4）對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火（或回火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當聚集，將硬度降低，以利切削加工。鋼的回火6.6.1鋼在回火時組織和性能的變化6.6.2回火的方法及其應用

6.6鋼的回火6.6.1鋼在回火時組織和性能的變化

根據轉變情況，回火過程一般有以下四個階段的變化：1.馬氏體的分解

2.殘余奧氏體分解

3.滲碳體的形成

4.滲碳體的聚集長大

隨回火溫度的不同可得到三種類型的回火組織，如圖6-42：a)回火馬氏體b)回火屈氏體c)回火索氏體圖6-42鋼（45鋼）的回火顯微組織6.6.2回火的方法及其應用根據回火溫度范圍不同，回火可分為：1.低溫回火（＜250℃）可得到回火馬氏體組織，保持了淬火鋼高的硬度和耐磨性，降低了內應力，減小了脆性；2.中溫回火（350℃～500℃）可得到回火托氏體組織，使工件獲得高的彈性極限、屈服點和一定的韌性；3.高溫回火（＞500℃～650℃）可得到回火索氏體組織，有較高的強度，良好的塑性和韌性，即具有良好的綜合力學性能。熱處理狀態Rm/MPaA/%αK/J/cm2HBS正火700～80015～2050～80162～220調質750～85020～2580～120210～250表6-545鋼經正火與調質后的性能比較40鋼力學性能與回火溫度的關系圖6-3640鋼力學性能與回火溫度的關系4.回火脆性

在250～350℃和500～650℃時，鋼的沖擊韌性明顯下降，這種脆化現象稱為回火脆性。（1）低溫回火脆性淬火鋼在250～350℃范圍內回火時出現的脆性叫做低溫回火脆性，也叫第一類回火脆性。（2）高溫回火脆性淬火鋼在500～650℃范圍內回火時出現的脆性稱為高溫回火脆性，也稱為第二類回火脆性。圖6-37鋼的韌性與回火溫度的關系6.7鋼的表面熱處理在扭轉和彎曲等交變載荷、沖擊載荷的作用下工作的機械零件，它的表面層承受著比心部高的應力，在有摩擦的場合，表面層還不斷地被磨損，因此對零件的表面層提出了強化的要求，使它的表面具有高的強度、硬度、耐磨性和疲勞極限，而心部仍保持足夠的塑性和韌性，即達到零件“外硬內韌”的性能要求。為了滿足這樣的性能要求，就需要進行表面熱處理或化學熱處理。圖6-38表面和心部性能要求不同的零件6.7.1表面淬火6.7.2化學熱處理6.7.1表面淬火鋼的表面熱處理是僅對工件表面進行熱處理以改善表層的組織和性能的熱處理工藝。表面淬火主要是通過快速加熱與立即淬火冷卻相結合的方法來實現的，即利用快速加熱使鋼件表面很快地達到淬火的溫度，而不等熱量傳至中心，即迅速予以冷卻，如此便可以只使表層被淬硬為馬氏體，而中心仍為未淬火組織，即原來塑性和韌性較好的退火、正火或調質狀態的組織。表面淬火

根據加熱方法不同，表面淬火法主要有：1.感應加熱表面淬火

感應加熱表面淬火是利用感應電流通過工件所產生的熱量，使工件表面、局部或整體加熱，并進行快速冷卻的淬火工藝。（1）感應加熱表面淬火原理（2）感應加熱的頻率選用

1）高頻加熱電流頻率在200～300kHz，一般淬硬層深度為0.5～2.0mm。適用于在摩擦條件下工作的零件。2）中頻加熱電流頻率1～10kHz,一般淬硬層深度為2～8mm。適用于較大尺寸的軸和大中模數的齒輪等。3）工頻加熱電流頻率50Hz，不需要變頻設備，淬硬層深度可達10～15mm。適用于較大直徑零件的透熱及大直徑零件（如軋輥）的表面淬火。圖6-40頻感應加熱（3）感應加熱表面淬火特點感應加熱表面淬火加熱速度極快，加熱時間短（幾秒到幾十秒）；感應加熱淬火件晶粒細，硬度高（比普通淬火高2～3HRC），且淬火質量好；淬硬層深度易于控制，通過控制交流電頻率來控制淬硬層深度；生產效率高易實現機械化和自動化，適于大批量生產。但其設備與淬火工藝匹配比較麻煩，因為電參數常發生變化；需要淬火的零件要有一定的感應器與其相對應；要求使用專業化強的淬火機床；設備維修比較復雜。（4）感應加熱表面淬火的應用2.火焰加熱表面淬火火焰加熱表面淬火是應用可燃氣體（如氧－乙炔火焰）對工件表面進行加熱，隨即快速冷卻以獲得表面硬化效果的淬火工藝。圖6-41火焰加熱表面淬火示意圖1-工件2-燒嘴3-噴水管火焰加熱溫度很高（約3000℃以上），能將工件迅速加熱到淬火溫度，通過調節燒嘴的位置和移動速度，可以獲得不同厚度的淬硬層。6.7.2鋼的化學熱處理將工件置于一定溫度的活性介質中，使一種或幾種元素滲入工件表層，以改變表層的化學成分和組織，從而達到使工件表面具有某些特殊的力學性能或物理化學性能的一種熱處理工藝，稱為化學熱處理。與表面淬火比較，化學熱處理的主要特點是：不僅改變了工件表層的組織，同時也使化學成分發生了變化?；瘜W熱處理的基本過程是由以下三個階段組成：（1）分解滲入介質在一定溫度下發生化學反應，分解出活性原子。（2）吸收活性原子被工件表面吸附，并溶入工件材料晶格中或與其中元素形成化合物。（3）擴散被吸附的原子由表面逐漸向心部擴散，形成一定深度的滲層。鋼的化學熱處理化學熱處理的方法很多，最常用的化學熱處理工藝有滲碳、滲氮、碳氮共滲等。

1.鋼的滲碳

鋼的滲碳就是鋼件置于滲碳介質中加熱和保溫，使碳原子滲入表面，獲得一定的表面含碳量和一定碳濃度梯度的工藝。根據所用滲碳劑在滲碳過程中聚集狀態的不同，滲碳方法可以分為固體滲碳法、液體滲碳法及氣體滲碳法三種。氣體滲碳爐及氣體滲碳法示意圖1－爐體2－工件3－耐熱管4－電阻絲5－爐蓋6－廢氣火焰7－風扇電動機在氣體滲碳時，由于含碳的氣氛在鋼的表面進行以下的氣相反應，提供活性原子溶解于高溫奧氏體中，然后向鋼的內部擴散而進行滲碳。其反應式如下：2CO【C】＋CO2

CH4【C】＋2H2

CO+H2【C】＋H2O根據不同要求，鋼件滲碳后可選用下列三種熱處理工藝：1）直接淬火法2）一次淬火法3）二次淬火法

2.鋼的滲氮（氮化）

滲氮是在一定溫度下，使活性氮原子滲入工件表面的化學熱處理工藝。滲氮的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性和疲勞強度。目前工業中應用最廣泛的、比較成熟的是氣體滲氮和離子滲氮。

圖6-46離子滲氮示意圖1-密封橡膠棒2-陰極3-工件4-觀測孔5-真空室外殼6-陽極3.碳氮共滲碳氮共滲在奧氏體狀態下，同時將碳、氮滲入工件表層，并以滲碳為主的化學熱處理工藝稱為碳氮共滲。最早，碳氮共滲是在含氰根的鹽浴中進行的，故此又稱氰化。4.氮碳共滲（軟氮化）在工件表層同時滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學熱處理工藝，稱為氮碳共滲，也稱軟氮化。其特點是加熱溫度低（560℃左右），保溫3～4h后，隨即出爐空冷，生產周期短，工件變形小，滲層硬度隨比滲氮低，但韌性好。一般用于模具、量具及高速鋼刀具等。5.滲金屬

可采用固體或液體方式向鋼中滲入硼、鉻、釩等滲金屬元素，在鋼表層形成一層碳的金屬化合物。6.表面防護處理

有許多機械零件和工具在熱處理或加工成形后，需經過表面防護處理提高其防銹能力和美觀。鋼鐵制件常用的表面防護處理有氧化處理、磷化處理以及蒸氣處理。6.8典型零件的熱處理分析6.8.1熱處理的工序位置6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析6.8.1熱處理的工序位置根據熱處理的目的和工序位置不同，熱處理可分為：1.預備熱處理預備熱處理包括退火、正火和調質處理等。退火、正火通常安排在零件的毛坯生產之后，切削加工之前；調質處理一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前。目的是獲得良好的綜合力學性能，為最終熱處理做準備。對于使用性能要求不高的零件，退火、正火、調質也可以作為最終熱處理。2.最終熱處理最終熱處理包括淬火、回火、表面淬火和化學熱處理等，一般安排在半精加工或精加工之后。6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析1.齒輪類

（1）機床齒輪一般機床齒輪選用中碳鋼制造，并經高頻感應熱處理，所得到的硬度、耐磨性、強度及韌性已能滿足其性能要求，而且高頻淬火具有變形小、生產率高等優點。機床齒輪加工工藝路線： 下料→鍛造→正火→粗加工→調質→精加工→高頻淬火及回火→精磨。正火處理、調質處理為預備熱處理。高頻淬火及低溫回火為最終熱處理。6.8.2典型零件的材料選擇和熱處理工序分析（2）汽車、拖拉機齒輪常用20CrMnTi鋼制造

工藝路線：備料→鍛造→正火→機械加工→滲碳、淬火及低溫回火→噴丸→校正花鍵孔→磨齒。表6-820CrMnTi汽車變速齒輪加工中熱處理工序的作用分析熱處理名稱性質加熱溫度（℃）作用正火預備熱處理855～875消除毛坯的鍛造應力；降低硬度，改善切削加工性能；均勻組織，細化晶粒，為以后的熱處理做好組織準備滲碳最終熱處理900～950保證齒面的含碳量在0.85％以上，滲碳安排在齒面粗加工之后，并根據粗加工后余量確定滲層深度淬火+低溫回火760～780表面獲得針狀高碳馬氏體，有足夠的硬度，經回火后應達58～62HRC；心部可得到板條狀低碳馬氏體，具有較高的強度和韌性，硬度達33～48HRC200～2202.軸類（1）普通車床變速箱主軸

45鋼圖6-48車床主軸示意圖加工工藝路線：下料→鍛造→正火→粗加工→調質→半精加工→內錐孔及外圓錐面的局部淬火、低溫回火→粗磨（外圓、內錐孔、外圓錐面）→銑花鍵→花鍵感應加熱表面淬火、低溫回火→精磨。正火、調質處理為預備熱處理。內錐孔、外圓錐面局部鹽浴淬火、低溫回火后獲得所要求的硬度，以保證裝配精度和不易磨損。花鍵部分高頻感應加熱淬火、低溫回火獲得表面硬度48～52HRC。

工藝路線：

下料→鍛造→正火→機械加工→調質→盤部鉆孔→磨花鍵。圖6-49汽車半軸（2）汽車半軸中型載重汽車目前選用40Cr鋼，而重型載重汽車則選用性能更高的40CrMnMo鋼。

3.其它類型（扁銼T12鋼）圖6-50銼刀工藝路線：備料→鍛造→正火、球化退火→機械加工→銼身局部淬火、回火→機械加工。6.9.1加熱爐的分類6.9.2選擇熱處理使用能源應考慮的一般原則6.9.3感應加熱設備6.9熱處理設備簡介6.9熱處理設備簡介

6.9.1加熱爐的分類

1.按使用能源分類可分為電爐、燃料（煤、油、氣）爐。目前電爐應用較為廣泛。

2.按工作溫度分類可分為高溫爐（1000～1300℃）、中溫爐（650～1000℃）、低溫爐（＜650℃）。

3.按爐膛內加熱介質分類可分為空氣爐、可控氣氛爐、浴爐、流態粒子爐、真空爐、離子滲氮爐等。

4.按工藝用途分類可分為正火爐、退火爐、淬火爐、回火爐、滲碳爐、氮化爐、碳氮共滲爐等。

5.按爐型分類可分為箱式爐、井式爐、臺車式爐、罩式爐、推桿式爐、轉底式爐、振底式爐、傳送帶式爐等。

6.按作業方式分類可分為周期式作業爐、連續式作業爐、半連續式作業爐等。井式熱處理爐井式熱處理爐臺車式熱處理爐箱式熱處理爐立式龍門型熱處理爐6.9.2選擇熱處理使用能源應考慮的一般原則

1．生產成本

2．因地制宜

3．操作、控溫與維護

4．工藝要求5．環境影響6.9.3感應加熱設備

感應加熱淬火具有加熱速度快、生產效率高、變形小、勞動條件好、易于實現機械化和自動化等優點，在冶金、機械行業中得到了廣泛應用。根據感應加熱設備工作頻率的不同，可分為超高頻、高頻、超音頻、中頻、工頻感應加熱裝置。6.10熱處理新工藝技術簡介6.10.1形變熱處理6.10.2激光熱處理6.10.3保護氣氛熱處理6.10.4真空熱處理6.10.5計算機在熱處理的應用6.10.1形變熱處理

形變熱處理是將塑性變形（鍛、軋等）和熱處理工藝緊密結合起來的一種熱處理方法。

形變熱處理可分為高溫形變熱處理和低溫形變熱處理兩種，如圖6-69所示。圖6-69形變熱處理工藝圖a)低溫形變熱處理b）高溫形變熱處理形變熱處理1．高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是將工件加熱到奧氏體化溫度以上，保溫一段時間，在該溫度下進行塑性變形，然后立即進行淬火處理，以獲得馬氏體組織，稱為高溫形變淬火。2．低溫形變熱處理

低溫形變熱處理是將工件加熱到奧氏體化溫度以上，保溫后迅速冷卻到過冷奧氏體的亞穩定區（500℃～600℃）進行大量的（60%～90%）塑性變形，隨后進行淬火、回火的綜合工藝方法。3．復合形變熱處理是將兩種或兩種以