第6章 金属材料

第6章钢的热处理

知识目标：了解钢在加热和冷却时的组织转变掌握热处理基本原理及热处理的主要目的和工艺特点技能目标：掌握钢的退火、正火、淬火、回火及表面热处理的方法掌握常用零件的热处理工艺在零件加工过程中的作用和位置合理安排零件加工工艺路线6.1概述6.2钢在加热时的转变6.3钢在冷却时的转变6.4钢的退火与正火6.5钢的淬火6.6钢的回火6.7钢的表面热处理6.8典型零件的热处理分析6.9热处理设备简介6.10热处理新工艺技术简介第6章钢的热处理6.1概述

6.1.1热处理的概念6.1.2

热处理的目的

6.1.3热处理的作用6.1.4热处理分类6.1.5热处理工艺6.1.6为什么热处理能使钢的性能发生变化6.1.1热处理的概念

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能。

所谓热处理，就是将固态金属或合金采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需要的组织结构和性能的工艺。热处理的概念6.1.2热处理的目的

热处理的目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能，通过适当的热处理不仅可以改进钢的加工工艺性能，更重要的是可显著提高钢的力学性能，充分发挥钢材的潜力，延长工件的使用寿命，减轻工件自重，节约材料，降低成本。热处理的目的6.1.3热处理的作用★热处理的作用：挖掘材料潜能，减少零件重量；提高产品质量，延长零件使用寿命。热处理的作用6.1.4热处理分类

钢的热处理的最基本的类型可根据加热和冷却方式不同，大致分为以下几类：6.1.5热处理工艺热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段组成，并可用温度-时间坐标图来表示，如图所示为热处理工艺曲线。图6-1热处理工艺曲线加热分为两种：一种是在温度临界点A1线以下的加热，此时不发生向奥氏体转变；另一种是在温度临界点A1线以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

保温的目的是要保证工件热透并防止脱碳和氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

冷却是热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织，从而获得不同的性能。6.1.6为什么热处理能使钢的性能发生变化根本原因是由于铁具有同素异构转变，从而使钢在加热和冷却过程中，发生了组织与晶格结构变化。不同的加热温度、不同的冷却速度会得到不同的组织，因而可得到不同的性能。

6.2.1钢的奥氏体化6.2.2奥氏体晶粒的长大6.2.3影响奥氏体晶粒长大的因素6.2钢在加热时的转变6.2钢在加热时的转变

由Fe-Fe3C相图可了解钢在加热时的组织变化规律。PSK、GS、ES线表示钢在缓慢冷却或加热过程中组织发生变化的临界点，分别用A1、A3和Acm表示。

共析钢：加热到超过A1温度时，全部转变为奥氏体；亚共析钢和过共析钢：必须加热到A3和Acm以上才能获得单相奥氏体。

加热、冷却时钢的临界点Ar1/%A1、A3和Acm是在极其缓慢加热和冷却条件下测得的临界点，又叫平衡临界点。由于过热和过冷现象的影响，加热时温度偏向高温，冷却时偏向低温，这种现象称为滞后。通常加热时的临界点用符号Ac1、Ac3、Accm表示；冷却时的临界点用符号Ar1、Ar3、Arcm表示。

6.2钢在加热时的转变6.2.1钢的奥氏体化

通过加热获得奥氏体组织的过程称为奥氏体化。共析钢的奥氏体形成过程分为以下四个阶段，即晶核形成、晶核长大、残余渗碳体的溶解和奥氏体成分的均匀化。图6-3共析钢中奥氏体形成过程示意图a）形核b）核长大c）残余渗碳体溶解d）奥氏体均匀化奥氏体的形成6.2.2奥氏体晶粒的长大

不论原来钢的晶粒是粗或是细，通过加热时的奥氏体化，都能得到细小晶粒的奥氏体。但是随着加热温度的升高，保温时间的延长，奥氏体晶粒会自发地长大。加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越大。晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移的方式进行的。6.2.3影响奥氏体晶粒长大的因素1.奥氏体晶粒度的概念

晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。根据奥氏体形成过程和晶粒长大情况奥氏体晶粒度可分为：起始晶粒度，实际晶粒度和本质晶粒度。（1）起始晶粒度起始晶粒度是指珠光体刚刚全部转变为奥氏体时的奥氏体晶粒度。（2）实际晶粒度实际晶粒度是指钢在某一具体的热处理或加热条件下实际获得的奥氏体晶粒度。（3）本质晶粒度根据标准试验方法，在930℃±10℃保温足够时间（3～8h）后测定的钢中晶粒度的大小。图6-4奥氏体晶粒长大倾向示意图为了测定或比较钢的实际晶粒大小，把试样在金相显微镜下放大100倍，然后与标准晶粒号（图6-5）比较以确定其等级。标准晶粒度分为8个等级。1级最粗，8级最细。其中晶粒度在1～4级的钢为粗晶粒钢，5～8级的钢为细晶粒钢。图6-5奥氏体标准晶粒度等级示意图2.影响奥氏体晶粒长大的因素（1）加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大。（2）加热速度加热速度越快，奥氏体形核率越高，晶粒越细小。（3）奥氏体中碳的质量分数奥氏体含碳量的增加，奥氏体晶粒的长大倾向增大。（4）合金元素形成稳定碳化物的元素（如钛、钒、铌、锆、钨、钼、铬等），形成不溶于奥氏体的氧化物及氮化物的元素（如铝），促进石墨化的元素（如硅、镍、钴），以及在结构上自由存在的元素（如铜），都会阻碍奥氏体晶粒长大。而锰和磷则有加速奥氏体晶粒长大的倾向。所以多数合金钢热处理后晶粒较细。（5）原始组织

原始组织中珠光体晶粒越细，加热后的奥氏体晶粒越细小。3.奥氏体晶粒大小对力学性能的影响奥氏体晶粒大小对后续的冷却转变以及转变产物的性能有重要的影响。如奥氏体晶粒细小，后续冷却转变产物就强度高塑性好，尤其冲击韧性明显提高。综上分析可知，为使热处理加热后得到均匀细小的奥氏体晶粒，提高材料的性能，应选择合适的加热温度和保温时间，合理选择钢的原始组织以及加入一定量的合金元素等措施。★热处理加热的目的：获得均匀细小的奥氏体组织6.3.1过冷奥氏体的等温转变6.3.2马氏体转变6.3.3过冷奥氏体等温转变图的应用6.3钢在冷却时的转变

6.3钢在冷却时的转变

钢经加热保温获得奥氏体后，冷却至A1以下时，过冷奥氏体将发生组织转变。在不同的冷却条件下进行冷却，可以获得不同的力学性能。表6-145钢加热到840℃，经不同条件冷却后的力学性能冷却方法Rm/MPaReL/MPaA5/％Z/％硬度HRC随炉冷却53028032.549.315～18空气中冷却670～72034015～1845～5018～24油中冷却90062018～204840～50水中冷却11007207～812～1452～60在热处理工艺中，常采用等温冷却和连续冷却两种方式，如图6-6所示。图6-6奥氏体的冷却曲线1-连续冷却转变2-等温转变

冷却转变温度决定了冷却后的组织和性能。实际生产中热处理采用的冷却方式主要有：连续冷却（如炉冷、空冷、水冷等）；等温冷却（如等温淬火）。6.3.1过冷奥氏体的等温转变1.过冷奥氏体的概念

共析温度以下存在的处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。

2.等温转变图表示过冷奥氏体的转变温度、转变时间与转变产物之间关系的曲线图称为过冷奥氏体的等温转变图，简称等温转变图，又因为其形状象英文字母“C”，所以又称C曲线。

3.等温转变图的建立奥氏体等温转变图的建立是利用过冷奥氏体转变产物的组织形态和性能的变化来测定的。测定的方法有金相测定法、硬度测定法、膨胀测定法、磁性测定法，以及X射线结构分析测定等方法。过冷奥氏体的等温转变图6-7共析钢奥氏体等温转变图的建立图6-8共析钢等温转变图4.奥体氏等温转变图的分析

5.影响C曲线的因素影响C曲线形状和位置的因素很多，主要有：（1）碳的影响亚共析钢的C曲线，随着含碳量的增加向右移；过共析钢的C曲线，随着含碳量的增加向左移。在碳钢中以共析钢的C曲线离纵轴最远，过冷奥氏体最稳定。图6-9亚共析钢、共析钢、过共析钢的C曲线比较（a）亚共析钢（b）共析钢（c）过共析钢P—珠光体；S—索氏体；T—屈氏体；B—贝氏体；M—马氏体；A—奥氏体（2）合金元素的影响

（3）加热温度和保温时间的影响

6.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能

（1）珠光体型组织转变（A1～550℃）（2）贝氏体型组织转变（550℃～Ms）图6-10合金元素等温转变图的影响图6-11珠光体型显微组织a）珠光体b）索氏体c）屈氏体a)光学显微像b)电镜像图6-12上贝氏体的显微组织a)光学显微像b)电镜像图6-13下贝氏体的显微组织示意图表6-2共析钢过冷奥氏体等温转变的产物和性能转变类型转变温度/℃转变产物符号显微组织形态性能特点高温转变A1～650珠光体P粗片状铁素体和渗碳体混合物强度较高、硬度适中HRC＜25，有一定的塑性、综合力学性能较好650～600索氏体S细片状铁素体和渗碳体混合物硬度为25～35HRC,综合力学性能优于珠光体600～550屈氏体T极细片状铁素体和渗碳体混合物硬度为35～40HRC,综合力学性能优于索氏体中温转变550～350上贝氏体B上细条状渗碳体分布于片状的铁素体之间，呈羽毛状硬度为40～45HRC，强度低，塑性很差350～Ms下贝氏体B下细小的碳化物分布于针叶状的铁素体之间，呈黑色针状硬度为45～55HRC，具有较高的强度及良好的塑性和韧性6.3.2过冷奥氏体等温转变图的应用1.过冷奥氏体的连续冷却转变2.等温转变图在连续转变中的应用图6-14共析钢连续冷却转变曲线图图6-15等温转变图在连续冷却中的应用3.马氏体转变

图6-16碳的质量分数对Ms与Mf温度的影响（1）马氏体转变过程

（2）马氏体的晶体结构

图6-17马氏体晶格结构示意图马氏体转变（3）马氏体的组织形态

a)示意图b)光学显微像c)电镜像图6-18板条状马氏体的形态a)示意图b)光学显微像c)电镜像图6-19针状马氏体的形态（4）马氏体的性能马氏体的性能取决于马氏体的碳质量分数与组织形态。1）强度与硬度

主要取决于马氏体的碳质量分数，随马氏体中碳质量分数的升高，强度与硬度随之升高。图6-20碳的质量分数对马氏体硬度的影响2）塑性与韧性

随马氏体中碳质量分数的提高，塑性与韧性急剧下降。3）比容

钢的组织中，马氏体比容最大、奥氏体最小、珠光体居中，所以奥氏体转变为马氏体时，必然伴随体积膨胀而产生内应力。（C）/％（5）马氏体转变的特点

马氏体转变也是形核、长大的过程，但有下列特点:1)转变的非扩散性2)转变的速度极快3)转变的非等温性4)转变的不彻底性（6）马氏体的临界冷却速度

钢中奥氏体在连续冷却过程中，全部过冷到Ms线以下向马氏体转变的最小冷却速度，称为临界冷却速度。6.4钢的退火与正火6.4.1退火6.4.2正火6.4.1退火1.退火的定义

退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。台车式退火炉2.退火的目的（1）降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能。（2）细化晶粒，均匀成分，为最终热处理作准备。（3）消除钢中的残余应力，防止变形和开裂。为什么退火台车式热处理炉3.常用的退火方法（1）完全退火完全退火又称为重结晶退火。这种退火主要用于亚共析钢成分的各种碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。一般常作为一些不重要工件的最终热处理，或作为某些重要件的预备热处理。（2）球化退火球化退火主要用于共析或过共析钢及合金工具钢制造的刃具、量具、模具和滚动轴承等。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能，并为以后淬火做好准备。图6-21球状珠光体的显微组织退火工艺（3）去应力退火去应力退火又称低温退火，这种退火主要用来去除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件及机械加工件等的残余内应力。（4）等温退火

将钢加热到Ac1或Ac3以上某一温度，保温后以较快速度冷却到珠光体温度区间内的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后出炉空冷的退火工艺。等温退火的目的与完全退火相同，但等温退火后组织均匀，性能一致，且生产周期短。主要用于中碳合金钢及一些高合金钢的大型铸锻件及冲压件等。各种退火加热温度6.4.2正火1.正火的定义

所谓正火，就是将钢加热到Ac3或Accm以上30～50℃，保温一定时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺称为正火。2.正火与退火的区别

正火与退火的目的基本相同。正火加热的温度稍微高些，冷却的速度稍快，得到的组织较细小，所以强度、硬度比退火的高。表6-345钢退火、正火状态的力学性能比较状态Rm

/MPaA/％ak/J·cm－2硬度/HBS正火700～80015～2050～80～220退火650～70015～2040～60180钢的正火3.正火的适用范围（1）改善钢的切削加工性能。（2）消除热加工缺陷。（3）消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。（4）提高普通结构零件的机械性能。4.退火和正火的选择

（１）含碳量＜0.25％的低碳钢，通常采用正火代替退火。（２）含碳量在0.25～0.5％之间的中碳钢也可用正火代替退火。（３）含碳量在0.5～0.75％之间的钢，一般采用完全退火（４）含碳量＞0.75％的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理。a）加热温度范围b）热处理工艺曲线图6-23各种退火和正火工艺示意图1-完全退火2-球化退火3-去应力退火4-正火图6-22退火与正火后钢的硬度值范围1－正火2－完全退火3－球化退火C/%C/%t6.5钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保温一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。6.5.1淬火工艺6.5.2钢的淬透性与淬硬性6.5.3淬火缺陷6.5.4零件的结构形状与热处理的工艺性能钢的淬火拉刀盐浴热处理6.5.1淬火工艺

1.淬火的目的

淬火的目的是为了得到马氏体（或下贝氏体）组织，提高钢的强度、硬度及耐磨性。2.淬火加热温度

淬火加热温度的依据是Fe-Fe3C相图上的临界点来选择，如图6-24所示。图6-24碳钢淬火加热温度范围示意图3.淬火冷却介质

工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。常用的淬火介质有矿物油、水、盐水、碱水等，其冷却能力依次增加。4.淬火方法

生产上常用的淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火和复合淬火。

图6-26各种淬火方法的冷却示意图①—单液淬火②—双介质淬火③—马氏体分级淬火④—贝氏体等温淬火图6-27单液淬火示意图图6-28双介质淬火示意图图6-29马氏体分级淬火1—表面2—心部图6-30贝氏体等温淬火示意图1—表面2—心部图6-31卡规及其局部淬火法表6-5各种淬火方法冷却方式、特点及应用淬火方法冷却方式特点和应用单液淬火法将奥氏体化的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温操作简单，易实现机械化自动化，适用于形状简单的钢件双液淬火法将奥氏体化的工件在水中冷却到接近Ms点时，立即取出放入油中冷却防止低温马氏体转变时钢件发生裂纹，常用于形状复杂的合金钢分级淬火法将奥氏体化的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中，使工件各部分与盐浴的温度一致后，取出空冷完成M转变大大减少热应力和变形开裂倾向，但盐浴的冷却能力较小，故只适用于截面尺寸小于10mm的钢件。如刀具、量具等等温淬火法将奥氏体化的工件放入温度稍高于Ms点的盐浴中,在该温度下保温，使过冷奥氏体转变为下贝氏体组织后，取出空冷。它常用来处理形状复杂、尺寸要求精确、强韧性高的工具、模具和弹簧等局部淬火法对工件局部要求硬化的部位进行加热淬火主要用于对零件的局部有高硬度要求的工件冷处理把淬火冷却到室温的钢继续冷却到-70～-80℃，使残余奥氏体转变为马氏体，然后低温回火，消除应力，稳定组织。提高硬度、耐磨性、稳定尺寸，适用于一些高精度的工件，如精密量具、精密丝杠、精密轴承等复合淬火将工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。获得M+B组织。这种冷却方法可使较大截面的工件获得组织M+B组织。适用于合金工具钢工件，可避免回火脆性，减少残余奥氏体量和变形开裂倾向。6.5.2钢的淬透性与淬硬性1.淬透性

淬透性是指在规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏体组织深度的能力。影响淬透性的因素是钢的临界冷却速度。凡是增加过冷奥氏体稳定性，降低临界冷却速度的因素（主要是钢的化学成分），均能提高钢的淬透性。图6-32工件淬透层与淬火冷却速度的关系图6-33淬透性对调质后钢的力学性能的影响2.淬硬性

淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火所能达到最高硬度的能力。淬硬性的影响因素是钢中含碳的质量分数，含碳的质量分数越高，淬硬性越高，反之，淬硬性越低。对比项目淬硬性淬透性基本概念钢材在理想条件下淬火，可获得的最高硬度值钢材在规定条件下淬火所能获得的淬层深度影响因素主要是含碳量主要是临界冷却速度，合金元素含量测量方式通过硬度的测试即可获得其淬硬性常用的有临界直径和端淬法实际冷却速度的影响对淬硬性的影响比较小对淬透性的影响比较大实际应用根据零件提出的硬度要求为参考依据，按所需的含碳量进行材料的选取是设计零件时根据零件实际工作时的受力情况进行选材的重要依据3.如何区分钢的淬硬性和淬透性淬透性和淬硬性是两个完全不同的概念。它们之间相互独立，互不相关。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。在实际应用的过程中一定要根据不同要求合理选择。

6.5.3淬火缺陷

缺陷

由于淬火加热温度高，冷却剧烈，因而容易产生一些缺陷。常遇到的缺陷有以下几种：1.氧化与脱碳

2.过热与过烧

3.变形与开裂

4.硬度不足和软点

5.其它组织缺陷

6.5.4零件的结构形状与热处理的工艺性能1．避免尖角与棱角2．避免厚薄悬殊3．采用封闭（避免开口）、对称结构4．采用组合结构图6-34磨床顶尖6.6钢的回火

回火是将工件淬硬后，再加热到Ac1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

回火目的主要有以下几点：1）降低脆性，减小或消除淬火应力；2）获得工件所需要的力学性能；3）稳定组织和尺寸；4）对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或回火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。钢的回火6.6.1钢在回火时组织和性能的变化6.6.2回火的方法及其应用

6.6钢的回火6.6.1钢在回火时组织和性能的变化

根据转变情况，回火过程一般有以下四个阶段的变化：1.马氏体的分解

2.残余奥氏体分解

3.渗碳体的形成

4.渗碳体的聚集长大

随回火温度的不同可得到三种类型的回火组织，如图6-42：a)回火马氏体b)回火屈氏体c)回火索氏体图6-42钢（45钢）的回火显微组织6.6.2回火的方法及其应用根据回火温度范围不同，回火可分为：1.低温回火（＜250℃）可得到回火马氏体组织，保持了淬火钢高的硬度和耐磨性，降低了内应力，减小了脆性；2.中温回火（350℃～500℃）可得到回火托氏体组织，使工件获得高的弹性极限、屈服点和一定的韧性；3.高温回火（＞500℃～650℃）可得到回火索氏体组织，有较高的强度，良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。热处理状态Rm/MPaA/%αK/J/cm2HBS正火700～80015～2050～80162～220调质750～85020～2580～120210～250表6-545钢经正火与调质后的性能比较40钢力学性能与回火温度的关系图6-3640钢力学性能与回火温度的关系4.回火脆性

在250～350℃和500～650℃时，钢的冲击韧性明显下降，这种脆化现象称为回火脆性。（1）低温回火脆性淬火钢在250～350℃范围内回火时出现的脆性叫做低温回火脆性，也叫第一类回火脆性。（2）高温回火脆性淬火钢在500～650℃范围内回火时出现的脆性称为高温回火脆性，也称为第二类回火脆性。图6-37钢的韧性与回火温度的关系6.7钢的表面热处理在扭转和弯曲等交变载荷、冲击载荷的作用下工作的机械零件，它的表面层承受着比心部高的应力，在有摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对零件的表面层提出了强化的要求，使它的表面具有高的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性，即达到零件“外硬内韧”的性能要求。为了满足这样的性能要求，就需要进行表面热处理或化学热处理。图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化学热处理6.7.1表面淬火钢的表面热处理是仅对工件表面进行热处理以改善表层的组织和性能的热处理工艺。表面淬火主要是通过快速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的，即利用快速加热使钢件表面很快地达到淬火的温度，而不等热量传至中心，即迅速予以冷却，如此便可以只使表层被淬硬为马氏体，而中心仍为未淬火组织，即原来塑性和韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火

根据加热方法不同，表面淬火法主要有：1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火是利用感应电流通过工件所产生的热量，使工件表面、局部或整体加热，并进行快速冷却的淬火工艺。（1）感应加热表面淬火原理（2）感应加热的频率选用

1）高频加热电流频率在200～300kHz，一般淬硬层深度为0.5～2.0mm。适用于在摩擦条件下工作的零件。2）中频加热电流频率1～10kHz,一般淬硬层深度为2～8mm。适用于较大尺寸的轴和大中模数的齿轮等。3）工频加热电流频率50Hz，不需要变频设备，淬硬层深度可达10～15mm。适用于较大直径零件的透热及大直径零件（如轧辊）的表面淬火。图6-40频感应加热（3）感应加热表面淬火特点感应加热表面淬火加热速度极快，加热时间短（几秒到几十秒）；感应加热淬火件晶粒细，硬度高（比普通淬火高2～3HRC），且淬火质量好；淬硬层深度易于控制，通过控制交流电频率来控制淬硬层深度；生产效率高易实现机械化和自动化，适于大批量生产。但其设备与淬火工艺匹配比较麻烦，因为电参数常发生变化；需要淬火的零件要有一定的感应器与其相对应；要求使用专业化强的淬火机床；设备维修比较复杂。（4）感应加热表面淬火的应用2.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是应用可燃气体（如氧－乙炔火焰）对工件表面进行加热，随即快速冷却以获得表面硬化效果的淬火工艺。图6-41火焰加热表面淬火示意图1-工件2-烧嘴3-喷水管火焰加热温度很高（约3000℃以上），能将工件迅速加热到淬火温度，通过调节烧嘴的位置和移动速度，可以获得不同厚度的淬硬层。6.7.2钢的化学热处理将工件置于一定温度的活性介质中，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分和组织，从而达到使工件表面具有某些特殊的力学性能或物理化学性能的一种热处理工艺，称为化学热处理。与表面淬火比较，化学热处理的主要特点是：不仅改变了工件表层的组织，同时也使化学成分发生了变化。化学热处理的基本过程是由以下三个阶段组成：（1）分解渗入介质在一定温度下发生化学反应，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与其中元素形成化合物。（3）扩散被吸附的原子由表面逐渐向心部扩散，形成一定深度的渗层。钢的化学热处理化学热处理的方法很多，最常用的化学热处理工艺有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

1.钢的渗碳

钢的渗碳就是钢件置于渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面，获得一定的表面含碳量和一定碳浓度梯度的工艺。根据所用渗碳剂在渗碳过程中聚集状态的不同，渗碳方法可以分为固体渗碳法、液体渗碳法及气体渗碳法三种。气体渗碳炉及气体渗碳法示意图1－炉体2－工件3－耐热管4－电阻丝5－炉盖6－废气火焰7－风扇电动机在气体渗碳时，由于含碳的气氛在钢的表面进行以下的气相反应，提供活性原子溶解于高温奥氏体中，然后向钢的内部扩散而进行渗碳。其反应式如下：2CO【C】＋CO2

CH4【C】＋2H2

CO+H2【C】＋H2O根据不同要求，钢件渗碳后可选用下列三种热处理工艺：1）直接淬火法2）一次淬火法3）二次淬火法

2.钢的渗氮（氮化）

渗氮是在一定温度下，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。渗氮的目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性和疲劳强度。目前工业中应用最广泛的、比较成熟的是气体渗氮和离子渗氮。

图6-46离子渗氮示意图1-密封橡胶棒2-阴极3-工件4-观测孔5-真空室外壳6-阳极3.碳氮共渗碳氮共渗在奥氏体状态下，同时将碳、氮渗入工件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺称为碳氮共渗。最早，碳氮共渗是在含氰根的盐浴中进行的，故此又称氰化。4.氮碳共渗（软氮化）在工件表层同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺，称为氮碳共渗，也称软氮化。其特点是加热温度低（560℃左右），保温3～4h后，随即出炉空冷，生产周期短，工件变形小，渗层硬度随比渗氮低，但韧性好。一般用于模具、量具及高速钢刀具等。5.渗金属

可采用固体或液体方式向钢中渗入硼、铬、钒等渗金属元素，在钢表层形成一层碳的金属化合物。6.表面防护处理

有许多机械零件和工具在热处理或加工成形后，需经过表面防护处理提高其防锈能力和美观。钢铁制件常用的表面防护处理有氧化处理、磷化处理以及蒸气处理。6.8典型零件的热处理分析6.8.1热处理的工序位置6.8.2典型零件的材料选择和热处理工序分析6.8.1热处理的工序位置根据热处理的目的和工序位置不同，热处理可分为：1.预备热处理预备热处理包括退火、正火和调质处理等。退火、正火通常安排在零件的毛坯生产之后，切削加工之前；调质处理一般安排在粗加工之后，半精加工或精加工之前。目的是获得良好的综合力学性能，为最终热处理做准备。对于使用性能要求不高的零件，退火、正火、调质也可以作为最终热处理。2.最终热处理最终热处理包括淬火、回火、表面淬火和化学热处理等，一般安排在半精加工或精加工之后。6.8.2典型零件的材料选择和热处理工序分析1.齿轮类

（1）机床齿轮一般机床齿轮选用中碳钢制造，并经高频感应热处理，所得到的硬度、耐磨性、强度及韧性已能满足其性能要求，而且高频淬火具有变形小、生产率高等优点。机床齿轮加工工艺路线： 下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火及回火→精磨。正火处理、调质处理为预备热处理。高频淬火及低温回火为最终热处理。6.8.2典型零件的材料选择和热处理工序分析（2）汽车、拖拉机齿轮常用20CrMnTi钢制造

工艺路线：备料→锻造→正火→机械加工→渗碳、淬火及低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。表6-820CrMnTi汽车变速齿轮加工中热处理工序的作用分析热处理名称性质加热温度（℃）作用正火预备热处理855～875消除毛坯的锻造应力；降低硬度，改善切削加工性能；均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理做好组织准备渗碳最终热处理900～950保证齿面的含碳量在0.85％以上，渗碳安排在齿面粗加工之后，并根据粗加工后余量确定渗层深度淬火+低温回火760～780表面获得针状高碳马氏体，有足够的硬度，经回火后应达58～62HRC；心部可得到板条状低碳马氏体，具有较高的强度和韧性，硬度达33～48HRC200～2202.轴类（1）普通车床变速箱主轴

45钢图6-48车床主轴示意图加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→内锥孔及外圆锥面的局部淬火、低温回火→粗磨（外圆、内锥孔、外圆锥面）→铣花键→花键感应加热表面淬火、低温回火→精磨。正火、调质处理为预备热处理。内锥孔、外圆锥面局部盐浴淬火、低温回火后获得所要求的硬度，以保证装配精度和不易磨损。花键部分高频感应加热淬火、低温回火获得表面硬度48～52HRC。

工艺路线：

下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。图6-49汽车半轴（2）汽车半轴中型载重汽车目前选用40Cr钢，而重型载重汽车则选用性能更高的40CrMnMo钢。

3.其它类型（扁锉T12钢）图6-50锉刀工艺路线：备料→锻造→正火、球化退火→机械加工→锉身局部淬火、回火→机械加工。6.9.1加热炉的分类6.9.2选择热处理使用能源应考虑的一般原则6.9.3感应加热设备6.9热处理设备简介6.9热处理设备简介

6.9.1加热炉的分类

1.按使用能源分类可分为电炉、燃料（煤、油、气）炉。目前电炉应用较为广泛。

2.按工作温度分类可分为高温炉（1000～1300℃）、中温炉（650～1000℃）、低温炉（＜650℃）。

3.按炉膛内加热介质分类可分为空气炉、可控气氛炉、浴炉、流态粒子炉、真空炉、离子渗氮炉等。

4.按工艺用途分类可分为正火炉、退火炉、淬火炉、回火炉、渗碳炉、氮化炉、碳氮共渗炉等。

5.按炉型分类可分为箱式炉、井式炉、台车式炉、罩式炉、推杆式炉、转底式炉、振底式炉、传送带式炉等。

6.按作业方式分类可分为周期式作业炉、连续式作业炉、半连续式作业炉等。井式热处理炉井式热处理炉台车式热处理炉箱式热处理炉立式龙门型热处理炉6.9.2选择热处理使用能源应考虑的一般原则

1．生产成本

2．因地制宜

3．操作、控温与维护

4．工艺要求5．环境影响6.9.3感应加热设备

感应加热淬火具有加热速度快、生产效率高、变形小、劳动条件好、易于实现机械化和自动化等优点，在冶金、机械行业中得到了广泛应用。根据感应加热设备工作频率的不同，可分为超高频、高频、超音频、中频、工频感应加热装置。6.10热处理新工艺技术简介6.10.1形变热处理6.10.2激光热处理6.10.3保护气氛热处理6.10.4真空热处理6.10.5计算机在热处理的应用6.10.1形变热处理

形变热处理是将塑性变形（锻、轧等）和热处理工艺紧密结合起来的一种热处理方法。

形变热处理可分为高温形变热处理和低温形变热处理两种，如图6-69所示。图6-69形变热处理工艺图a)低温形变热处理b）高温形变热处理形变热处理1．高温形变热处理

高温形变热处理是将工件加热到奥氏体化温度以上，保温一段时间，在该温度下进行塑性变形，然后立即进行淬火处理，以获得马氏体组织，称为高温形变淬火。2．低温形变热处理

低温形变热处理是将工件加热到奥氏体化温度以上，保温后迅速冷却到过冷奥氏体的亚稳定区（500℃～600℃）进行大量的（60%～90%）塑性变形，随后进行淬火、回火的综合工艺方法。3．复合形变热处理是将两种或两种以