钢的热处理

第2章 钢的热处理

为了提高钢的某些机械性能指标，保证机器零件和工具的工作可靠性及其使用寿命，为了对钢件顺利地进行机械加工，在生产实践中，通常要对钢进行热处理。

对于用普通钢材、其他金属材料制造的零件，往往要求其表面有耐腐蚀性、耐疲劳性，耐磨性，或者具有光亮、美观性；或者具有绝缘性、良好的导电性等。为了满足这些预定的性能要求，可采用金属表面处理工艺。

热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期的组织结构与性能的工艺。热处理工艺方法较多，但其过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的。热处理工艺曲线示意图如图2-1所示。

热处理是机械零件及工具制造过程中的重要工序。它可改善工件的组织和性能，充分发挥材料潜力，从而提高工件使用寿命。就目前机械工业生产状况而言，各类机床中要经过热处理的工件约占总质量的60%～70%；汽车、拖拉机中占70%～80%；轴承、各种工模具等几乎都需要热处理。因此，热处理在机械制造工业中占有十分重要的地位。

根据热处理的目的、加热和冷却方法的不同，热处理大致分类见表2-1。

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热处理

退火 正火 淬火 回火

整体热处理

调质

稳定化处理 固溶热处理

固溶热处理和时效处理 表面淬火和回火 物理气相沉积

表面热处理

化学气相沉积

等离子化学气相沉积 渗碳

碳氮共渗 渗氮

氮碳共渗

化学热处理

渗其他非金属 渗金属 多元共渗 溶渗

表2-1 热处理的分类

２.1 钢在加热时的组织转变

大多数零件的热处理都是先加热到临界点以上某一温度区间，使其全部或部分得到均匀的奥氏体组织，然后采用适当的冷却方法，获得所需要的组织结构。

金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。在Fe－Fe3C状态图中，A1、A3、Acm是不同成分的钢在平衡条件下的临界点。Fe－Fe3C状态图中的临界点是在极其缓慢的加热或冷却条件下测得的，而实际生产中的加热和冷却并不是极其缓慢的，所以实际发生组织转变的温度与Fe－Fe3C状态图所示的理论临界点A1、A3、Acm之间有一定的偏离，如图2-2所示。随着加热和冷却速度的增加，相变点的偏离将逐渐增大。为了区别钢在实际加热和冷却时的相变点，加热时在“A”后加注

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“c”；冷却时加注“r”。因此，实际加热时的临界点标为Ac1、Ac3、Accm；冷却时标为Ar1、Ar3、Arcm。 2.1.1 奥氏体的形成

共析钢的室温组织是珠光体，即铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。铁素体具有体心立方晶格，在A1点时碳的质量分数为0.021 8%；渗碳体具有复杂斜方晶格，碳的质量分数为6.69%。加热到临界点A1以上，珠光体转变为奥氏体，具有面心立方晶格，碳的质量分数为0.77%。由此可见，珠光体向奥氏体的转变，是由化学成分和晶格都不相同的两相，转变为另一种化学成分和晶格的过程，因此，在转变过程中必须进行碳原子的扩散和铁原子的晶格重构，即发生相变。

奥氏体的形成是通过形核和核长大过程来实现的。珠光体向奥氏体转变可以分为四个阶段：①奥错体晶核的形成；②奥氏体晶核的长大及渗碳体的溶解；③残余渗央体的完全溶解；④奥氏体化学成分的均匀化。图2-3为共析钢奥氏体形成过程示意图。

钢热处理时之所以需要一定的保温时间，不仅是为了把零件热透，而且也是为获得化学成分均匀的奥氏体，以便在冷却时得到良好的组织和性能。

由Fe－Fe3C状态图可以看出，

亚共析钢需加热到Ac3以上，并保温适当时间，才能得到化学成分均匀单一的奥氏体；过共析钢需加热到Accm以上，才能得到化学成分均匀的单一的奥氏体组织。

2.1.2 奥氏体晶粒长大及其控制措施

钢中奥氏体晶粒的大小直接影响到冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒细小，则其转变产物的晶粒也较细小，其性能也较好；反之，转变产物的晶粒粗大，其性能则较差。将钢加热到临界点以上时，刚形成的奥氏体晶粒都很细小，此时称为起始晶粒。如果继续升温或保温，便会引起奥氏体晶粒长大。

若使钢在加热时获得细小均匀的奥氏体晶粒，可在生产中采用以下措施

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来控制奥氏体晶粒的长大：

1、合理选择加热温度和保温时间

奥氏体形成后，随着加热温度的升高和保温时间的延长，奥氏体晶粒将会逐渐长大。特别是加热温度对其影响则更大。这是由于晶粒长大是通过原子扩散进行的，而扩散速度随加热温度的升高而急剧加快。

2、选用含有合金元素的钢

碳与一种或数种金属元素所构成的化合物，称为碳化物。大多数合金元素如铬、钨、钼、钒、钛等，在钢中均可以形成难溶于奥氏体的碳化物并分布在晶粒边界上，阻碍奥氏体晶粒长大。

2.2 钢在冷却时的组织转变

实践证明：同一化学成分的钢在加热到奥氏体状态后，若采用不同的冷却方法和冷却速度进行冷却，将得到形态不同的各种组织，从而获得不同的性能（见表2-2）。这种现象已不能用Fe－Fe3C状态图来解释了。因为Fe－Fe3C状态图只能说明平衡状态的相变规律，冷却速度提高则脱离了平衡状态。因此研究钢在冷却时的相变规律，对制定热处理工艺有着重要的意义。

表2-2 wc＝0.45%的钢加热到840℃，以不同方法冷却后的力学性能

HBS (HRC) 160～200 170～240 52～58HRC 冷却方法 炉内缓冷 空气冷却 水 冷 却 ób/MPa 530 670～720 1 000 ós/MPa 280 340 720 δ/% 32.5 15～18 7～8 /% 49.3 45～50 12～14 在一定冷却速度下进行冷却时，奥氏体要过冷到A1温度以下才能完成转变。在共析温度以下存在的奥氏体称为过冷奥氏体，也称亚稳奥氏体，它有较强的相变趋势。

钢在冷却时，可以采取两种冷却转变方式：等温转变和连续冷却转变，见图2-4。

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等温转变是指钢在奥氏体化后，快速冷却到临界点以下的某一温度区间内等温保持时，过冷奥氏体发生的相变。而连续冷却转变是指钢在奥氏体化后以不同冷速连续冷却时过冷奥氏体所发生的相变。表2-3是共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能。

表2-3 共析钢过冷奥氏体转变温度与转变产物的组织和性能

转变温度范围 过冷程度 转变产物 代表符号 组织形态 层片间距 A1～650℃ 约650～600℃ 小 中 珠光体 索氏体 P S T B上 B下 M 粗片状 细片状 极细片状 羽毛状 黑片(针)状 板条状 双凸透镜状 转变产物硬度 HRC 约0.3μm <25 约0.1～0.325～35 μm 约0.1μm 35～40 － 40～45 － － － 45～50 40左右 >55 约600～550℃ 较大 托氏体 约550～350℃ 大 上贝氏体 约350℃～Ms Ms～Mf

更大 下贝氏体 最大 马氏体 采用等温转变可以获得单一的珠光体、索氏体、托氏体、上贝氏体、下贝氏体和马氏体组织。而采用连续冷却转变时，由于连续冷却转变是在一个温度范围内进行的，其转变产物的组织往往不是单一的，根据冷却速度的变化，有可能是P+S、S+T或T+M等。

2.3 退火与正火

钢的退火与正火是常用的两种基本热处理工艺，主要用来处理工件毛坯，为以后切削加工和最终热处理做组织准备，因此，退火与正火通常又称为预备热处理。对一般铸件、焊接件以及性能要求不高的工件，退火、正火都可作为最终热处理。 2.3.1 钢的退火

钢的退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。其目的是消除钢的内应力、降低硬度、提高塑性、细化组织、均匀化学成分，以利于后续加工，并为最终热处理做好组织准备。

根据钢的化学成分和退火目的不同，退火常分为：完全退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等。各种退火与正火工艺的加热温度

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范围如围2-5所示。部分退火与正火的工艺曲线如图2-6所示。

1、完全退火

完全退火是将工件完全奥氏体化后缓慢冷却，获得接近平衡组织的退火。完全退火后所得到的室温组织为铁素体和珠光体。

完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件等。过共析钢不宜采用完全退火，因为其被加热到Accm线以上退火后，二次渗碳体以网状形式沿奥氏体晶界析出，使钢的强度和韧性显著降低，也使以后的热处理如淬火容易产生淬火裂纹。

2、球化退火

球化退火是使工件中碳化物球状化而进行的退火，所得到的室温组织为铁素体基体上均匀分布着球状（粒状）渗碳体，即球状珠光体组织，如图2-7所示。在保温阶段，没有溶解的渗碳体会自发地趋于球状（球体表面积最小），在随后的缓冷过程中，球状渗碳体会逐渐长大，最终形成球状珠光体组织。球化退火的目的是降低硬底，改善切削性能，并为淬火作组织准备。球化退火主要用于过共析钢和共析钢制造的刃具、量具、模具等零件。

3、去应力退火

去应力退火是为了去除工件塑性变形加工、切削加工或焊接造成的内应力及铸件内存在的残余应力而进行的退火。去应力退火主要用于消除钢件在切削加工、铸造、锻造、

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热处理、焊接等过程中产生的残余应力并稳定其尺寸，钢件在去应力退火的加热及冷却过程中无相变发生。 2.3.2 钢的正火

正火是指将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是细化晶粒，消除网状渗碳体，并为淬火、切削加工等后续工序作组织准备。

正火与退火相比，奥氏体化温度高；冷却速度快，过冷度较大，因此正火后所得到的组织比较细，强度、硬度比退火高一些；同时正火与退火相比，具有操作简便、生产周期短、生产效率高、成本低等特点。正火在生产中主要应用于如下场合：

（1）改善切削性能。低碳钢和低碳合金钢退火后铁素体所占比例较大，硬度偏低，切削加工时都有“粘刀”现象，而且表面粗糙度参数值都较大。正火能适当提高硬度，改善切削加工性。因此，低碳钢、低碳合金钢都选择正火作为预备热处理；而wc＞0.5%的中高碳钢、合金钢都选择退火作为预备处理。

（2）消除钢状碳化物，为球化退火作组织准备。对于过共析钢，正火加热到Accm以上可使钢状碳化物充分溶解到奥氏体中，空气冷却时碳化物来不及充分析出，因而消除了网状碳化物组织，同时细化了珠光体组织，有利于以后的球化处理。

（3）用于普通结构零件或某些大型非合金钢工件的最终处理，以代替调质处理，如铁道车辆的车轴。

（4）用于淬火返修件，消除应力，细化组织，防止重新淬火时产生变形与开裂。

2.4 淬 火

钢的淬火是指将工件加热奥氏体化后，以适当方式冷却获得马氏体或（和）贝氏体组织的热处理工艺。

马氏体是碳或合金元素在α＝Fe中的过饱和固溶体，是单相亚稳组织，硬度较高，用符号M表示。马氏体的硬度主要取决于马氏体中碳的质量分

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数。马氏体中由于溶入过多的碳原子，从而使α＝Fe晶格发生畸变，增加了其塑性变形的抗力，故马氏体中碳的质量分数越高，其硬度也越高。 2.4.1 淬火

一、淬火的目的

粹火的目的主要是使钢件得到马氏体（或贝氏体）组织，提高钢的硬度和强度，与适当的回火相配合，可以更好地发挥钢材的性能潜力。因此，重要的结构件，特别是承受动载荷和剧烈摩擦作用的零件，以及各种类型的工具等都要进行淬火。

二、淬火工艺

1、淬火加热温度的确定

不同的钢种其淬火加热温度也不同。非合金钢的淬火加热温度由Fe－Fe3C状态图来确定，如图2-8所示。为了防止奥氏体晶粒粗化，淬火温度不宜选得过高，一般只允许比临界点高30～50℃。

亚共析钢淬火加热温度均为Ac3以上30～50℃，因为在此温度范围内，

可获得全部细小的奥氏体晶粒，淬火后得到均匀细小的马氏体。若加热温度过高，则引起奥氏体晶粒粗大，使钢淬火后的性能变坏；若加热温度过低，则淬火组织中尚有未溶铁素体使钢淬火后的硬度不足。

共析钢和过共析钢淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，此时的组织为奥氏体加渗碳体颗粒，淬火后获得细小马氏体和

球状渗碳体，能保证钢淬火后得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm，将导致渗碳体消失，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大针状马氏体，残余奥氏体量增多，硬度和耐磨性降低，脆性增大；如果淬火温度过低，可能得到非马氏体组织，则钢的硬度达不到要求。

2、淬火介质

淬火时为了得到足够的冷却速度，以保证奥氏体向马氏体转变，又不致由于冷却速度过大而引起零件内应力增大，造成零件变形和开裂，因此，应合理选用冷却介质。常用的淬火冷却介质有水、盐水、油、盐浴和空气

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等。

3、淬火方法

根据钢材成分及对组织、性能和钢件尺寸精度的要求，在保证技术要求规定的前提下，应选择简便而经济的淬火方法。现将常用的淬火方法简要介绍如下：

（1）单介质淬火。将已奥氏体化的钢件在一种淬火介质中冷却的方法，如图2-9①所示。例如，碳素钢在水中淬水，合金钢在油中淬火等。这种淬火方法主要应用于形状简单的钢件。

（2）双介质淬火。将工件加热，奥氏体化后先浸入冷却能力较强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的方法，称为双介质淬火（图2-9②）。如先在水中冷却后在油中冷却的双介质淬火。它主要适用于中等复杂形状的高碳钢工件和较大尺寸的合金钢工件。

（3）马氏体分级淬火。工件加热奥氏体化

后浸入温度稍高于或稍低于Ms点的盐浴或碱浴中，保持适当时间，在工件整体都达到冷却介质温度后取出空冷以获得马错体组织的淬火方法，称为马氏体分级淬火，如图2-9③所示。马氏体分级淬火能够减小工件中的热应力，并缓和相变产生的组织应力，减少了淬火变形，适用于尺寸比较小且形状复杂的工件的淬火。

（4）贝氏体等温淬火。工件加热奥氏体化后快冷到贝氏体转变温度区间等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火，如图2-9④所示。

4、冷处理

冷处理是指工件淬火冷却到室温后，继续在一般制冷设备或低温介质中冷却的工艺。冷处理的主要目的是消除和减少残余奥氏体，稳定工件尺寸，获得更多的马氏体。如量具、精密轴承、精密丝杠、精密刀具等，均应在淬火之后进行冷处理，以消除残余奥氏体。 2.4.2 钢的淬透性与淬硬性

钢的淬透性是评定钢淬火质量的一个重要参数，它对于钢材选择，编制

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热处理工艺都具有重要意义。淬透性是指在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。换句话说，淬透性是指在规定条件下钢试样淬硬深度和硬度分布表征的材料特性。换句话说，淬透性是钢材的一种属性，是指钢淬火时获得马氏体的能力。钢淬火后可以获得较高硬度，不同化学成分的钢淬火后所得马氏体组织的硬度值是不相同的。以钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度来表征的材料特性，称为淬硬性。淬硬性主要与钢中碳的质量分数有关，更确切地说，它取决于淬火加热时固溶于奥氏体中的碳的质量分数的多少。奥氏体中碳的质量分数越高，钢的淬硬性越高，淬火后硬度值也越高。

由于淬硬性和淬透性是两个不同的概念，因此必须注意：淬火后硬度高的钢，不一定淬透性就高；而淬火后硬度低的钢，不一定淬透性就低。 2.4.3 淬火缺陷

工件在淬火加热和冷却过程中，由于加热温度高，冷却速度快，很容易产生某些缺陷。在热处理过程中设法减轻各种缺陷的影响，对提高产品质量有实际意义。

一、过热与过烧

工作在热处理加热时，由于加热温度偏高而使晶粒过度长大，导致力学性能显著降低的现象称为过热。工件过热后形成粗大的奥氏体晶粒，需通过正火和退火来消除。

工件加热温度过高，致使晶界氧化和部分溶化的现象称为过烧。过烧工件淬火后强度低，脆性大，并且无法补救，只能报废。

过热和过烧主要都是由于加热温度过高引起的，因此，合理确定加热规范，严格控制加热温度和时间可以防止过热和过烧。

二、氧化与脱碳

工件在加热时，介质中的氧、二氧化碳和水蒸气等与之反应生成氧化物的过程称为氧化。工件在加热时介质与其表层的碳的质量分数降低的现象称为脱碳。

氧化使工件表面烧损，增大表面粗糙度参数值，减小工件尺寸，甚至使工件报废。脱碳使工件表面碳的质量分数降低，使力学性能下降，引起工件早期失效。防止氧化与脱碳的措施主要有两大类：第一类是控制加热介

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质的化学成分和性质，使之对工件不发生氧化与脱碳反应，如采用可控气氛、氮基气氛等；第二类是工件表面进行涂层保护和真实加热。

三、硬度不足和软点

钢件淬火后硬度达不到技术要求，称为硬度不足。加热温度过低或保温时间过短；淬火介质冷却能力不够，工件表面氧化脱碳等，均容易使工件淬火后达不到要求的硬度值。钢件淬火硬化后，其表面存在硬度偏低的局部小区域，这种小区域称为软点。

工件产生硬度不足和大量的软点时，可在退火或正火后，重新进行正确的淬火，即可消除硬度不足和大量的软点。

四、变形和开裂

变形是淬火时工件产生形状或尺寸偏差的现象。开裂是淬火时工件产生裂纹的现象。工件产生变形与开裂的主要原因，都是由于热处理过程中工件内部存在着较大的内应力造成的。

热应力是指工件加热和（或）冷却时，由于不同部位出现温差而导致热胀和（或）冷缩不均所产生的应力。相变应力是热处理过程中，因工件不同部位组织转变不同步而产生的内应力。

工件在淬火时，热应力和相变应力同时存在，这两种应力总称为淬火应力。当淬火应力大于钢的屈服点时，工件就会发生变形；当淬火应力大于钢的抗拉强度时，工件就会产生开裂。

为减少工件淬火时产生变形和开裂的现象，可以从两个方面采取措施：第一，淬火时正确编制加热温度、保温时间和冷却方式，可以有效地减少工件变形和开裂现象，第二，淬火后及时进行回火处理。

2．5 回 火

回火是指工件淬硬后，加热到AC1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。淬火钢的组织主要由马氏体和少量残余奥氏体组成（有时还有未溶碳化物），其内部存在很大的内应力，脆性大，韧性低，一般都不能直接使用，如不及时消除，将会引起工件的变形，甚至开裂。回火是紧接淬火之后进行的，通常也都是零件进行热处理的最后一道

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工序。其目的是消除和减小内应力，稳定组织，调整性能，以获得强度和韧性之间较好的配合。

2.5.1 钢在回火时组织和性能的变化

工件淬火之后，其中的马氏体与残余奥氏体都是不稳定组织，它们有自发向稳定组织转变的趋势，如马氏体中过饱和的碳要析出、残余奥氏体要分解等。为了促进这种转变可进行回火。回火是一个由非平衡组织向平衡组织转变的过程，这个过程是依靠原子的迁移和扩散进行的。回火温度越高，扩散速度就越快；反之，扩散速度就越慢。

随着回火温度的升高，淬火组织将发生一系列变化。根据组织转变的情况，回火一般分为四个阶段：马氏体分解、残余奥氏体分解、碳化物转变、碳化物的聚集长大和铁素体的再结晶。

一、回火第一阶段（≤200℃）－马氏体分解

在80℃以下温度回火时，淬火钢没有明显的组织转变，此时只发生马氏体中碳的偏聚，而没有开始分解。在80～200℃回火时，马氏体开始分解，析出极细微的碳化物，使马氏体中的碳的质量分数降低。

在这一阶段中，由于回火温度较，马氏体中仅析出了一部分过饱和的碳原子，所以它仍是碳在α－Fe中的过饱和固溶体。析出的极细微碳化物，均匀分布在马氏体基体上。这种过饱和度较低的马氏体和极细微碳化物的混合组织称为回火马氏体。

二、回火第二阶段（200～300℃）－残余奥氏体分解

当温度升至200～300℃时，马氏体分解继续进行，但占主导地位的转变已是残余奥氏体的分解过程了。残余奥氏体分解是通过碳原子的扩散先形成偏聚区，进而分解为α相和碳化物的混合组织，即形成下贝氏体。此阶段钢的硬度没有明显降低。

三、回火第三阶段（250～400℃）－碳化物转变

在此温度范围，由于温度较高，碳原子的放散能力较强，铁原子也恢复了扩散能力，马氏体分解和残余奥氏体分解析出的过渡碳化物将转变为较稳定的渗碳体。随着碳化物的析出和转变，马氏体中碳的质量分数不断降低，马氏体的晶格畸变消失，马氏体转变为铁素体，得到铁素体基体内分布着细小粒状（或片状）渗碳体组织，该组织称为回火托氏体。此阶段淬

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火应力基本消除，硬度有所下降，塑性、韧性得到提高。

四、回火第四阶段（>400℃）－碳化物的聚集长大和铁素体的再结晶 由于回火温度已经很高，碳原子和铁原子均具有较强的扩散能力，第三阶段形成的渗碳体薄片将不断球化并长大。在500～600℃以上时，α相逐渐发生再结晶，使铁素体形态失去原来的板条状或片状，而形成多边形晶粒。此时组织为铁素体基体上分布着粒状碳化物，该组织称为回火索氏体。回火索氏体具有良好的综合力学性能。此阶段内应力和晶格畸变完全消除。

由图2-10可见，淬火钢随回火温度的升高，强度、硬度降低而塑性与韧性提高。

2.5.3 回火方法及其应用

回火是最终热处理。根据钢在回火后组织和性能的不同，按回火温度范围可将回火分为三种：低温回火、中温回火和高温回火。

一、低温回火

低温回火温度范围是250℃以下。经低温回火后组织为回火马氏体，保持了淬火组织的高硬度和耐磨性，降低了淬火应力，减小了钢的脆性。低温回火后硬度一般为58～62HRC。低温回火主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、冷作模具、滚动轴承及渗碳件、表面淬火件等。

二、中温回火

中温回火温度范围是250～500℃。淬火钢经中温回火后组织为回火托氏体，大大降低了淬火应力，使工件获得了高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性。中温回火后硬度为35～50HRC。中温回火主要用于处理弹性元件，如各种卷簧、板簧、弹簧钢丝等。有些受小能量多次冲击载荷的

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结构件，为了提高强度，增加小能量多冲抗力，也采用中温回火。

三、高温回火

高温回火温度范围是500℃以上。淬火钢经高温回火后组织为回火索氏体，淬火应力可完全消除，强度较高，有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。高温回火后硬度为24～38HRC。工件淬火加高温回火的复合热处理工艺又称为调质处理。高温回火主要用于处理轴类、连杆、螺栓、齿轮等工件。

调质处理可作为最终热处理，但由于调质处理后钢的硬度不高，便于切削加工，并能得到较好的表面质量，故也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。

2.6 钢的表面热处理与化学热处理

在生产中有些零件，如齿轮、花键轴、活塞销等，要求表面具有高硬度和耐磨性，心部具有一定的强度和足够的韧性。在这种情况下，要达到上述要求，如果只从材料方面去解决是很困难的。如选用高碳钢，淬火后硬度虽然很高，但心部韧性不足；如采用低碳钢，虽然心部韧性好，但表面硬度低、耐磨性差。这时就需要对零件进行表面热处理或化学热处理，以满足上述要求。 2.6.1 钢的表面热处理

表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。表面淬火是最常用的表面热处理。

表面淬火是指仅对工件表层进行淬火的工艺，其目的是使工件表面获得高硬度和耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性，以提高其在扭转、弯曲等交变载荷或在摩擦、冲击、接触应力大等工作条件下的使用寿命。它不改变工件表面化学成分，而是采用快速加热方式，使工件表层迅速奥氏体化，使心部仍处于临界点以下，并随之淬火，使表层硬化。依加热方法的不同，表面淬火方法主要有：感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火及电解液加热表面淬火等。目前生产中应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。

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一、感应加热表面淬火

利用感应电流通过工件所产生的热效应，使工件表层、局部或表面加热并进行快速冷却的淬火工艺，称为感应加热表面淬火。

1、感应加热的基本原理

一个线圈通以交流电，就会在线圈内部和周围产生一交变磁场。如将工件置于此交变磁场中，工件中将产生一交变感应电流，其频率与线圈中电流频率相同，在工件中形成一闭合回路，称为涡流在工件内的分布是不均匀的，表面密度大，心部密度小。通入线圈的电流频率越高，涡流就越集中于工作的表层，这种现象称为集肤效应。依靠感应电流的热效应，使工件表层在几秒钟内快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，使工件表面层淬硬，这就是感应加热表面淬火的基本原理，如图2-11所示。

2、感应加热表面淬火的特点

感应加热表面淬火与普通加热淬火相比有如下特点：

（1）加热时间短，工件基本无氧化、脱碳，且变形小。奥氏体晶粒细小，淬火后获得细小马氏体组织，使表层比一般淬火硬度高2～3HRC，且脆性较低。表面淬火后，在淬硬的表面层中存在较大的残余压应力，提高了工件的疲劳强度。

（2）加热速度快，热效率高，生产率高，易实现机械化、自动化，适于大批生产。

（3）感应加热设备投资大，维修调试比较困难。 3、感应加热表面淬火的应用

感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳低合金钢制造的中小型工件的成批生产。淬火时工件表面加热深度主要取决于电流频率。生产上通过选择不同的电流频率来达到不同要求的淬硬层深度。

根据电流频率不同，感应加热表面淬火分为三类：高频加热、中频加热

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和工频加热。

表2-4为感应加热表面淬火的应用。

分类 频率范围/kHz 淬火深度/mm 适用范围 0.3～2.5 中小型轴、销、套等圆柱形零件，小模数齿轮 中频加热 1～10 工频加热 50 3～10 10～20 尺寸较大的轴类，大模数齿轮 大型（＞?300）零件表面淬火或棒料穿透加热

感应加热表面淬火后，需要进行低温回火，但回火温度比普通低温回火温度稍低，其目的是为了降低淬火应力。生产中有时采用自回火法，即当工件淬火冷至200℃左右时，停止喷水，利用工件中的余热达到回火的目的。

二、火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是利用氧－乙炔或其他可燃气燃烧的火焰对工件表层加热，随之快速冷却的淬火工艺，如图2-12所示。

火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为2～6mm，若淬硬层过深，往往使工件表面严重过热，产生变形与裂纹。

火焰加热表面淬火操作简便，不需要特殊设备，成本低。但生产率低，工件表面容易过热，质量较难控制，因此使用受到一定限制。火焰加热表面淬火主要用于单件或小批生产的各种齿轮、轴轧辊等。 2.6.2 钢的化学热处理

钢的化学热处理是将工件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入到它的表层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理工艺。这种热处理与表面淬火相比，其特点是表层不仅有组织的变化，而且还有化学成分的变化。

化学热处理方法很多，通常以渗入元素来命名，如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗硅、渗金属等。由于渗入元素的不同，工件表面处理后获得

高频加热 50～300 35

的性能也不相同。渗碳、渗氮、碳氮共渗是以提高工件表面硬度和耐磨性为主，渗金属的主要目的是提高耐腐蚀性和抗氧化性等。化学热处理由分解、吸收和扩散三个基本过程所组成：即渗入介质在高温下通过化学反应进行分解，形成渗入元素的活性原子；渗入元素的活性原子被钢的表面吸附；被吸附的活性原子由钢的表层逐渐向内扩散，形成一定深度的扩散层。目前在机械制造业中，最常用的化学热处理是渗碳、渗氮和碳氮共渗。

一、渗碳

为提高工件表层碳的质量分数并在其中形成一定的碳含量梯度，将工件在渗碳介质中加热保温，使碳原子渗入的化学热处理工艺称为渗碳。

渗碳所用钢种一般是碳的质量分数0.10%～0.25%的低碳和低碳合金钢，如15、20、20r、20CrMnTi等钢。渗碳后的工件都要进行淬火和低温回火，使工件表面获得高的硬度（56～64HRC）、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持一定的强度和良好的韧性。渗碳被广泛应用于要求表面硬而心部韧的工件上，如齿轮、凸轮轴、活塞销等。

根据渗碳时介质的物理状态不同，渗碳可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳，目前气体渗碳应用最广泛。气体渗碳是工件在气体渗碳介质中进行的渗碳工艺，它是将工件放入密封的加热炉中（如图2-13中的井式气体渗碳炉），通入气体渗碳进行的渗碳。

二、渗氮

在一定温度下于一定介质中，使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺，称为渗氮（又叫氮化）。渗氮的目的是为了提高工件表层的硬度、耐磨性、热硬性、耐腐蚀性和疲劳强度。

渗氮处理广泛应用于各种高速转动的精密齿轮、高精度机床主轴、交变循环载荷作用下要求疲劳强度高的零件（如高速柴油机曲轴）以及要求变形小和具有一定耐热、抗腐蚀能力的耐磨零件（如阀门）等。但是渗氮层薄而脆，不参承受冲击和振动，而且渗氮处理生产周期长，生产成本较高。钢件渗氮后不需淬火就可达到68～72HRC的硬度，目前常用的渗氮方法有

36

气体渗氮和离子渗氮两种。

零件不需要渗氮的部分应镀锡或镀铜保护，也可留1mm的余量，在渗氮后磨去。

渗氮工件的加工工艺路线如下：

毛坯锻造→退火或正火→粗加工→调质→精加工→镀锡（非渗氮面）→渗氮→精磨或研磨

三、碳氮共渗

在奥氏体状态下同时将碳、氮原子渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺，称为碳氮共渗。根据共渗温度不同，可分为低温（520～580℃）、中温（760～880℃）和高温（900～950℃）碳氮共渗，其目的主要是提高工件表层的硬度和耐磨性。

2.7 热处理新技术简介

2.7.1 形变热处理

形变热处理是将塑性变形和热处理结合，以获得形变强化和相变强化综合效果的工艺。这种工艺既可提高钢的强度，改善塑性和韧性，又可节能，在生产中得到了广泛的应用。例如将钢加热至Ac3以上，获得奥氏体组织，保持一定时间后进行形变，立刻淬火获得马氏体组织，然后在适当温度回火后，即可获得很高的强韧性。钢件形变热处理后一般都可提高强度10%～30%，提高塑性40%～50%，可提高冲击韧性1～2倍，并使钢件具有高的抗脆断能力。该工艺广泛用于结构钢、工具钢工件，用于锻后余热淬火、热轧淬火等工艺。 2.7.2 真空热处理

在低于一个大气压的环境中进行加热的热处工艺，称为真空热处理。所谓真空加热，就是在稀薄空气中加热，钢件表面氧化很轻，几乎难于察觉，故真空热处理可以避免氧化、脱碳，能达到光亮热处理的目的。真空热处理的特点为：

（1）热处理变形小。因为真空加热缓慢而且均匀，故热处理变形小。 （2）可提高工件表面力学性能，延长工件使用寿命。

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（3）节省能源，减少污染，劳动条件好。

（4）真空热处理设备造价较高，目前多用于工模具、精密零件的热处理。

2.7.3 可控气氛热处理

为达到无氧化、无脱碳或按要求增碳，工件在炉气成分可控的加热炉中进行的热处理，称为可控气氛热处理。它的主要目的是减少和防止工件加热时的氧化和脱碳，提高工件尺寸精度和表面质量，节约钢材，控制渗碳时渗层的碳浓度，而且可使脱碳工件重新复碳。 2.7.4 激光热处理

激光是一种具有极高能量密度、高亮度和方向性的强光源。激光热处理是以高能量激光作为能源，以极快速度加热工件并自冷强化的热处理工艺。

激光淬火具有工件处理质量高、表面光洁、变形极小，且无工业污染、易实现自动化的特点，适于各种小型复杂工件的表面淬火，还可以进行局部表面合金化等。但是，激光器价格昂贵，生产成本较高，故其应用受到一定限制。同时生产中不够安全，容易对人眼造成危害，操作时要注意安全。

2.7.5 电子束表面淬火

电子束表面淬火是以电子枪发射的电子束作为热源轰击工件表面，以极快速加热工作并自冷，淬火后使工件表面强化的热处理工艺。

电子束的能量大大高于激光，而且其能量利用率可达80%，高于激光热处理。电子束表面淬火质量高，淬火过程中工件基体性能几乎不受影响，是很有前途的热处理新技术。

2.8 热处理工艺应用

热处理是改善金属或合金性能的主要方法之一，广泛应用于机械制造中，重要的机械零件绝大多数都要进行热处理。此外，在进行零件的结构设计、材料选择、制定零件的加工工艺路线及分析零件质量时，也经常涉及热处理问题。热处理穿插在机械零件制造过程的加工工序之间，因此，科学合理地安排热处理的工序位置与相关技术及对零件热处理结构工艺性

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进行优化设计是非常重要的。 2.8.1 热处理的技术条件

设计人员在设计零件时，首先应根据零件的工作条件和环境，选择材料，提出零件的性能要求，然后根据这些要求选择热处理工序及相关技术条件，来满足零件的使用性能要求。因此，在零件图上应标出热处理方法的名称及有关应达到的力学性能指标。对于一般的零件仅需标注出硬度值即可，对于重要的零件则还应标注出强度、塑性、韧性指标或金相组织状态要求；对于化学热处理零件不仅要标注出硬度值，还要标注出渗层部位和渗层的深度。

标注热处理技术条件时，推荐采用《金属热处理工艺分类及代号》（GB/T12603－1990），并标明应达到的力学性能指标及其他要求，可用文字在零件图样标题栏上方作扼要说明。热处理工艺代号标注方法如下：

热处理工艺代号由基础分类工艺代号及附加分类工艺代号组成。在基础分类工艺代号中按照工艺类型、工艺名称和实现工艺的加热方法三个层次进行分类，均有相应的代号，如表2-5所示。其中工艺类型分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三种；工艺名称都是按组织状态或渗入元素进行分类的；加热方法分为加热炉加热、感应加热、电阻加热等类型；附加分类是对基础分类中某些工艺的具体条件再进一步细化分类，包括各种热处理的加热介质（表2-6）、退火工艺方法（表2-7）、淬火冷却介质或冷却方法（表略）、渗碳和碳氮共渗的后续冷却方法（表略）等。

如2-14所示：5154表示采用电阻加热方式对螺钉进行整体调质处理，热处理后的

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布氏硬度应达到230～250HRS；5213表示螺钉尾部进行表面火焰淬火和回火，热处理后的表面硬度应达到42～48HRC。

表2-5 热处理工艺分类及代号

工艺总称 代号 工艺类型 代号 退火 正火 淬火 工艺名称 代号 加热方法 代号 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 加热炉 感应 火焰 电阻 激光 电子束 等离子体 其他 1 2 3 4 5 6 7 8 整体热处理 1 淬火回火 调质 稳定化处理 固溶化处理 固溶化处理和时效 表面淬火和回火 热处理 5 表面热处理 2 物理气相沉答 化学气相沉积 等离子化学气相沉积 渗碳 碳氮共渗 渗氮 化学热处理 3 氮碳共渗 渗其他非金属 渗金属 多元共渗 溶渗 表2-6 加热介质及代号

加热介质 代号 40

固体 S 液体 L 气体 G 真空 V 保护气体 P 可控气氛 C 液态床 F 表2-7 退火工艺及代号

退火工艺 代号 去应力退均匀化退再结晶退石墨化退火 o 火 d 火 r 火 g 去氢退火 球化退火 等温退火 h s n 2.8.2 热处理的工序位置

机械零件的加工是按照一定的加工工艺路线进行的。合理安排热处理的工序位置，对于保证零件的加工质量和改善其性能都具有重要的作用。热处理按其工序位置和目的的不同，可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是指为调整原始组织，以保证工件最终热处理或（和）切削加工质量，预先进行的热处理，包括退火、正火、调质等。最终热处理是指使钢件达到要求的使用性能的热处理，包括淬火和回火、渗碳、渗氮等。下面以车床齿轮为例分析热处理的工序位置和作用。

车床齿轮是传递力矩和转速的重要零件，它主要承受一定的弯曲力和周期性冲击力，转速中等，一般都选择45钢制造，要求齿表面处耐磨，工作过程中平稳，噪音小。其热处理技术条件为：整体调质处理，硬度220～250HBS，齿表面表面淬火，硬度50～54HRC。

车床齿轮的加工工艺路线如下：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频感应加热淬火和低温回火→精磨

正火的作用是消除锻造时产生的内应力，细化组织，改善切削加工性。调质的主要作用是保证心部有足够的强度和韧性，能够承受较大的弯曲应力和冲击载何，并为表面淬火做好组织准备。高频感应加热淬火的作用是提高齿表面的硬度、耐磨性和疲劳强度；低温回火的目的是消除应力，防止磨削加工时产生裂纹，并使齿面保持高硬度（符合齿轮热处理技术条件）和耐磨性。

2.8.3 热处理零件的结构工艺性

零件在热处理过程中，影响其处理质量的因素比较多，其中零件的结构工艺性就是主要因素之一。零件在进行热处理时，发生质量问题的主要表现形式是变形与开裂，因此，为了减少零件在热处理过程中发生变形与开裂，在进行零件结构工艺性设计时应注意以下几个方面：

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（1）避免截面厚薄悬殊，合理安排孔洞和键槽； （2）避免尖角与棱角结构； （3）合理采用封闭、对称结构； （4）合理采用组合结构。

图2-15列举了几种零件因结构设计不合理导致易开裂的部位以及应该如何正确设计的示意图。

【小结】本章主要介绍了钢的热处理定义、种类、原理及各种工艺的应用范围等内容。在学习之后，第一，要了解钢的热处理定义和种类，以便为学习后续章节遵守基础，如第七章低合金钢与合金钢等章节的学习则与此内容密切相关；第二，要了解钢的热处理原理（即钢在加热与冷却时的组织转变），认识钢的热处理是通过不同的加热温度、保温时间和冷却速度等方式的组织，最终获得所需的组织与性能；第三，初步了解一些热处理工艺在零件生产中的应用，为以后制定零件热处理工艺积累感性经验，如弹簧类零件的一般热处理工艺、一般轴与齿轮类零件的热处理工艺等。这样学习可以做到触类旁通，能提高学习效率。

复习与思考 2-1 名词解释

钢的热处理 等温转变 连续冷却转变 马氏体 退火 正火 淬火 回火 表面热处理 真空热处理 渗碳 渗氮 2-2 指出Ac1、Ac3、Accm；Ar1、Ar3、Arcm及A1、A3、Acm之间的关系。 2-3 简述共析钢过冷奥氏体在A1～Ms温度之间，不同温度等温时的转

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变产物及性能。

2-4 奥氏体、过冷奥氏体与残余奥氏体三者之间有何区别？ 2-5 完全退火、球化退火与去应力退火在加热规范、组织转变和应

用 上有何不同？

2-6 正火和退火有何异同？试说明二者的应用有何不同？ 2-7 现在经退火后的45钢，组织为F+P，在700℃、760℃、840℃

的条件下加热，保温一段时间后水冷，所得到的组织各是什么？2-8 淬火的目的是什么？亚共析钢和过共析钢的淬火加热温度应如

何选择？

2-9 回火的目的是什么？工件淬火后为什么要及时回火？ 2-10 叙述常见的三种回火方法所获得的组织、性能及应用。 2-11 渗碳的目的是什么？为什么渗碳后要进行淬火和低温回火？ 2-12 用低碳钢和中碳钢制造齿轮，为了获得表面具有高的硬度和耐

磨性，心部具有一定的强度和韧性，各采取怎样的热处理？热处理后组织和性能有何差别？

课外讨论题

谈谈热处理工艺在日常生活和生产中的应用，必要时可以生活用吕和生产中的零件为实例，对其材质、热处理工艺及其所需性能进行综合分析，提高对实际问题的分析能力，加深对所学知识的理解。

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