3机械零件的热处理

第3章机械零件的热处理

钢的加热与冷却时的组织转变钢的退火与正火钢的淬火钢的回火钢的表面热处理与化学热处理热处理工艺的应用热处理新技术知识点学习目标了解钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态与性能，掌握机械零件常用热处理方法的特点，具备根据机械零件的材质和性能要求，正确选择热处理方法，病进行热处理操作的能力。

热处理概念、目的及分类，钢在加热和冷却时的组织转变，退火、正火、淬火等热处理方法的应用及工艺，表面热处理及化学热处理方法的应用及工艺，热处理新技术等。热处理是指采用适当方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，获得所需组织结构与性能的一种工艺方法。热处理是强化金属材料、提高产品质量和寿命的主要途径之一，在机械制造中绝大多数零件都要进行热处理。如机床工业中60%-70%的零件需要热处理，汽车拖拉机等工业中，70%-80%的零件需要经过热处理，各种量具、刃具。模具和滚动轴承几乎100%要进行热处理。热处理按照加热和冷却方式的不同，可分为以下3类：（1）整体热处理：指对工件整体进行穿透加热的热处理，常用的方法有退火、正火、淬火和回火。（2）表面热处理：指对工件表层进行热处理，以改变表层组织和性能的热处理，常用的方法有火焰淬火、感应淬火。（3）化学热处理：指改变工件表层的化学成分、组织和性能的热处理，常用的方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗金属等。热处理过程都是由加热—保温—冷却三个阶段组成，如图3-1。时间温度加热保温冷却O图3-1热处理工艺曲线示意图3.1钢指加热与冷却时的组织转变3.1.1钢在加热时的组织转变

3.1.2钢在冷却时的组织转变

什么是钢的热处理？

热处理：采用适当方式对材料或工件在固态下进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构，从而获得所需性能的工艺方法。热处理工艺热处理的原理热处理的实质3.1.1钢在加热时的组织转变A1，A3，Acm是碳钢在及其缓慢加热和冷却时的相变温度线。但实际生产中，加热和冷却速度都比较快，实际发生组织转变的温度与A1，A3，Acm都有不同程度的过热渡河过冷度，如有图。通常将加热时的各相变点用Ac1，Ac3，Accm表示，冷却时的各相变点用Ar1.Ar3.Arcm表示。3.1.1钢在加热时的组织转变

将钢加热Ac3或Ac1温度以上，以获得全部或部分奥氏体组织为目的的操作，称为奥氏体化。1、奥氏体的形成以共析钢为例，室温时组织为珠光体，它是片层相间的铁素体和渗碳体交替组成的机械混合物。当加热到Ac1以上，珠光体转变为面心立方晶格的奥氏体。其转变必须进行晶格的改组和铁、碳原子的扩散，转变过程遵循形核和核长大的基本规律。奥氏体形成过程可分为3个阶段，如下图所示。3.1.1钢在加热时的组织转变共析钢：

PAAc1亚共析钢：

F+PF+AAAc1Ac3过共析钢：

P+Fe3CA+Fe3CAAc1Accm1.共析钢奥氏体的形成

A形核A长大残余Fe3C溶解

A均匀化如何形核？如何长大？F->A转变与Fe3C溶解速度是否相同？

保温的目的？

P->A转变是不是结晶过程？

奥氏体晶核形成后依靠铁、碳原子的扩散，同时向晶核两侧的铁素体和渗碳体两个方向长大，即铁素体向奥氏体转变和渗碳体向奥氏体溶解两个基本过程。

由于铁素体向奥氏体转变的速度比渗碳体向奥氏体溶解的速度快得多，在珠光体的奥氏体化过程中，总是铁素体首先转变完毕，奥氏体形成后仍有部分残余渗碳体存在，随着保温时间的延长，渗碳体不断向奥氏体中溶解，直到全部消失。界面处形核，为什么？刚形成的奥氏体，其中的碳浓度是不均匀的，在原渗碳体处含碳量较高，而原铁素体处含碳量较低，只有在继续保温过程中，通过碳原子的扩散，才能使奥氏体的含碳量趋于均匀。课堂小结：

什么是钢的奥氏体化？以共析钢为例说明奥氏体的形成过程。亚共析钢和过共析钢要实现完全奥氏体化，各应加热到什么温度？

2、影响奥氏体转变的因素（1）加热温度加热温度越高，铁、碳原子扩散速度越快，且铁的晶格改组也越快，因而加速了奥氏体的形成。（2）加热速度

加热速度越快，转变开始温度越高，转变终了温度也越高，完成转变所需的时间越短，从而奥氏体转变速度越快。（3）钢的原始组织

如果钢的成分相同，其原始组织越细，相界面越多，奥氏体形成速度就越快。如相同成分的钢，由于细片状珠光体比粗片状珠光体的相界面积大，所以细片状珠光体的奥氏体形成速度快。3.1.1钢在加热时的组织转变3.奥氏体晶粒长大及其控制措施

钢在加热时，奥氏体晶粒大小将直接影响冷却后钢的组织和性能。

（1）奥氏体晶粒度（奥氏体晶粒大小）

奥氏体晶粒度是指将钢加热到相变点以上某一温度，并保温给定时间所得到的奥氏体晶粒大小。

奥氏体晶粒度随着加热温度的升高而迅速长大的钢称为本质粗晶粒钢；随着温度的升高，奥氏体晶粒不易长大，只有当温度超过一定时，奥氏体晶粒才会突然长大，这类钢称为本质细晶粒钢。生产中，需经热处理的工件一般采用本质细晶粒钢制造。3.1.1钢在加热时的组织转变（2）影响奥氏体晶粒长大的因素

1）加热温度和保温时间的影响

加热温度越高，保温时间越长，奥氏体晶粒就长得越大。通常加热温度对奥氏体晶粒长大的影响比保温时间更显著。

2）加热速度的影响

当加热温度一定时，加热速度越快，奥氏体晶粒就越细小。所以，快速高温加热和短时保温，是生产中常用的一种细化晶粒方法。

3）合金元素的影响

大多数合金元素均能不同程度地阻碍奥氏体晶粒的长大，特别是碳结合力较强的合金元素（如铬、钼、钨、钒等），由于他们在钢中形成难溶于奥氏体的碳化物，并弥散分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。锰磷等元素则促使奥氏体晶粒长大。

3.1.1钢在加热时的组织转变起始晶粒度与本质晶粒度起始晶粒度本质晶粒度

钢加热到930±10℃，保温8小时，冷却后测得的晶粒度叫本质晶粒度。表示奥氏体晶粒长大的倾向。

奥氏体化刚完成时的奥氏体晶粒。奥氏体晶粒大小的控制加热温度和保温时间—温度高，时间长促进奥氏体晶粒长大。加热速度—加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。钢的成分—碳含量增高时，晶粒长大的倾向增多；但碳含量超过一定值后，碳能以未溶碳化物状态存在，使晶粒长大的倾向减小。钢中加入能形成稳定碳化物的元素和能生成氧化物和氮化物的元素，有利于得到本质细晶粒钢。原始组织—钢的原始组织越细，碳化物弥散度越大，界面越多，则奥氏体的晶粒越小。

3.1.2钢在冷却时的组织转变

下表所示可看出，45钢加热到8400C保温后，由于采用不同的冷却方式，其力学性能有明显的差别。冷却速度越快，钢的强度、硬度越大，而塑形却下降。3.1.2钢在冷却时的组织转变

等温冷却连续冷却

将钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。

将钢迅速冷却到临界点以下给定温度，进行保温，使其在该温度下恒温转变。实际生产中，奥氏体冷却速度较快，必须郭楞道A1温度以下才开始转变。在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称为过冷奥氏体。过冷奥氏体有两种转变方式：1.过冷奥氏体的等温转变

过冷奥氏体的等温转变曲线的分析

共析钢过冷奥氏体的温度转变过程和转变产物可用其等温转变曲线图来分析。该曲线可简称为C曲线。如何建立？①线的意义②区的意义③孕育期1.过冷奥氏体的等温转变

①高温转变（在A1∽550℃之间）——珠光体型转变由于该范围内转变温度比较高，奥氏体能全部分解，最后得到铁素体和渗碳体所组成的机械混合物。在此温度范围内，由于过冷度不同，铁素体和渗碳体的片层间距也不相同。转变温度较低，过冷度越大，片层间距越小，其强度和硬度就越高，塑形、韧性也有所改善，根据片层间距的大小，将珠光体型转变产物通常又分为珠光体、索氏体和托氏体（屈氏体）三种。1.过冷奥氏体的等温转变

过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能①高温转变（在A1∽550℃之间）——珠光体型转变组织名称符号组织形态转变温度范围℃硬度珠光体P层片状组织Ac1～650170～200HB索氏体S细珠光体650～60025～35HRC屈氏体T极细珠光体600～55035～40HRC珠光体3800倍索氏体8000倍

屈氏体8000倍1.过冷奥氏体的等温转变

转变产物符号组织形态转变温度范围℃硬度上贝氏体B上羽毛状550～35040～45HRC下贝氏体B下黑色针状350～Ms45～55HRC②中温转变（550℃~Ms）——贝氏体型转变■550℃～350℃——B上。呈羽毛状，强度和韧性都较差。

■350℃～Mf——B下。黑色针状，硬度高，韧性好，具有较高的综合力学性能。F针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒电子显微照片12000×T8钢，B下，黑色针状光学显微照片×4001.过冷奥氏体的等温转变

③亚共析钢和过共析钢的等温转变因亚共析钢和过共析钢的碳含量低于或高于共析成分，故亚共析钢等温转变曲线，多一条先共析铁素体析出线；过共析钢等温转变曲线，多一条二次渗碳体析出线，如下图所示。所以亚共析钢在珠光体型转变等温时，先析出铁素体，然后发生珠光体转变，得到铁素体和珠光体组织；过共析钢先析出渗碳体，然后发生珠光体转变，得到渗碳体和珠光体组织。1.过冷奥氏体的等温转变

（4）影响C曲线的因素①含碳量奥氏体含碳量不同，C曲线位置不同。在正常热处理加热条件下，亚共析钢随奥氏体含碳量增加，C曲线逐渐右移，过冷奥氏体稳定性增高；过共析钢随奥氏体含碳量增加，C曲线逐渐左移，过冷奥氏体稳定性减小；共析钢C曲线最靠右，过冷奥氏体最稳定。②合金元素除钴外，所有合金元素溶入奥氏体后均能增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。其中一些碳化物形成元素（如铬、钼、钨、钒等）不仅使C曲线右移，而且还使C曲线的形状发生改变。③加热温度和保温时间加热温度越高，保温时间越长，奥氏体成分越均匀，其晶粒也越粗大，晶界面积越少，使过冷奥氏体稳定性提高，C曲线右移。炉冷空冷油冷水冷P(170-220HBS)S(25-35HRC)M+T(45-55HRC)M+A′(55-65HRC)2.过冷奥氏体的连续冷却转变

过冷奥氏体的连续冷却转变曲线（CCT曲线）及分析①形状

只有等温转变曲线的上半部分，无下半部分，即连续冷却转变时不形成贝氏体组织，且较奥氏体等温转变曲线向右下方移一些。②特性线③转变过程及产物缓慢冷却时(炉冷)—过冷A将转变为珠光体，呈粗片状，硬度为170~220HB。稍快速度冷却时(空冷)—过冷A转变为索氏体，为细片状组织，硬度为25~35HRC。采用油冷时—得到的组织为屈氏体+马氏体+残余奥氏体。硬度为45~55HRC。快速度冷却时(水冷V>VK)—奥氏体将过冷到Ms点以下，得到的组织是马氏体+残余奥氏体。课堂小结：

综上所述，钢在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据其转变温度的高低可分为高温转变产物珠光体、索氏体、屈氏体；中温转变产物上贝氏体、下贝氏体；低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增高，而韧性的变化则较为复杂。2.过冷奥氏体的连续冷却转变

马氏体转变M—碳溶于α—Fe中的过饱和固溶体。冷却速度大于vk时，奥氏体会很快冷却到Ms温度以下，在Ms至Mf之间发生马氏体转变。由于转变温度低，碳均不能扩散，只能依靠铁原子做距离移动来完成γ-Fe向α-Fe的晶格改组，原来固溶在奥氏体的碳仍全部保留在α-Fe晶格，从而形成碳在α-Fe中的过饱和固溶体，称为马氏体，用M表示。

马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型，如下图。2.过冷奥氏体的连续冷却转变

组织形态及性能：马氏体的形态有板条状和针状(或称片状)两种.其形态决定于奥氏体的碳含量。碳含量＜0.2%时,基本上是板条状马氏体(亦称低碳马氏体),有较好的强韧性。碳含量1.0%时，为片状马氏体（高碳马氏体），其性能硬而脆。0.2%＜含碳量＜1.0%时，为片状和板条状的混合组织。马氏体的强度和硬度随含碳量增加而增大，当含量超过0.6%，强度和硬度增加不明显，这主要是由于奥氏体中碳含量增加，导致淬火后的参与奥氏体增多的缘故。3.2钢的退火与正火1.钢的退火

2.钢的正火3.2.1钢的退火退火就是将工件爱你加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火主要用于锻，铸，焊毛坯或半成品零件。退火的目的：①退火可以降低钢的硬度，提高塑性，改善其怯薛加工性能；②均化钢的成分，细化晶粒，改善组织与性能；③消除工件的内应力，防止变形与开裂。

④为最终热处理做组织准备。3.2.1钢的退火种类加热温度冷却方式目的应用退火完全退火Ac3以上30～50℃随炉冷至600℃左右后出炉空冷消除残余应力；细化晶粒亚共析钢的铸、锻、焊件球化退火Ac1以上10～20℃冷至略低于Arl温度，保温后随炉冷至600℃左右，出炉空冷片状珠光体转变球状珠光体，降低硬度，改善切削加工性，为淬火作组织准备过共析钢的刃具、量具、模具等等温退火Ac3以上30～50℃或Ac1以上10～20℃较快冷却到珠光体转变温度区间的适当温度等温，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却与完全退火和球化退火相同，但组织更均匀、晶粒更细小，缩短生产周期高碳钢、合金工具钢和高合金钢3.2.1钢的退火种类加热温度冷却方式目的应用退火均匀化退火钢熔点以下100～200℃保温10～15h后缓冷消除铸造过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化亚共析钢的铸锭去应力退火A1以下100～200℃随炉缓300～200℃出炉空冷消除残余应力，稳定尺寸，减少变形铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机械加工件等再结晶退火T再=（0.35～0.40）T熔点（K）缓冷消除加工硬化，提高塑性，改善切削加工性及成形性能。进一步冷变形钢件,冷变形钢材及其它合金成品正火Ac3或Accm以上30～50℃空冷细化晶粒；改善切削加工性；为最终热处理作组织准备低碳钢、中碳钢的预备热处理；消除过共析钢的网状渗碳体；一般要求钢件的最终热处理。3.2.2钢的正火

正火是指将工件加热到Ac3或Accm以上300C-500C，保温适当时间后在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的和退火目的相同。与退火相比：①正火冷却速度较快，过冷度较大，得到珠光体组织晶粒教习，其强度、硬度比退火高一些；②操作简单，生产周期短，节约能源，生产效率高，成本较低。③生产中常优先采用正火。3.2.2钢的正火正火应用：①一般作预备热处理，安排在毛坯生产之后，粗加工（或半精加工）之前；②低碳钢、中碳钢或低碳合金钢经正火处理，可细化晶粒，提高硬度，改善其切削加工性能（一般硬度170-230HBS切削性能较好）可代替退火处理；③中碳合金钢，经正火处理可获得均匀而细密的组织，为调质处理作组织准备；④对性能要求不高的零件，以及一些大型或形状复杂的零件，淬火容易开裂时，常用正火作为最终热处理；⑤对过共析钢，正火可消除网状渗碳体，为球化退火作组织准备。3.2.2钢的正火图3.15各种退火与正火温度的工艺示意图3.2.2钢的退火与正火（选择）1.从切削加工性上考虑

切削加工性又包括硬度，切削脆性，表面粗糙度及对刀具的磨损等。一般金属的硬度在HB170～230范围内，切削性能较好。高于它过硬，难以加工，且刀具磨损快；过低则切屑不易断，造成刀具发热和磨损，加工后的零件表面粗糙度很大。对于低、中碳结构钢以正火作为预先热处理比较合适，高碳结构钢和工具钢则以退火为宜。至于合金钢，由于合金元素的加入，使钢的硬度有所提高，故中碳以上的合金钢一般都采用退火以改善切削性。

2.从使用性能上考虑如工件性能要求不太高，随后不再进行淬火和回火，那么往往用正火来提高其机械性能，但若零件的形状比较复杂，正火的冷却速度有形成裂纹的危险，应采用退火。

3.从经济上考虑正火比退火的生产周期短，耗能少，且操作简便，故在可能的条件下，应优先考虑以正火代替退火。3.3钢的淬火什么是钢的淬火？铁匠打铁时将烧红的铁块放入水中。

是将钢加热至临界点(Ac3或Ac1)以上300C-500C，保温后以大于VK的速度冷却，使奥氏体转变成马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺。淬火的目的是为了获得马氏体

理想淬火介质一、钢的淬火

3.3.1淬火工艺

（1）淬火加热温度①亚共析钢：淬火温度一般为Ac3以上30～50℃，淬火后得到均匀细小的M和少量残余奥氏体。②共析钢或过共析钢：淬火加热温度为Ac1以上30～50℃，淬火后得到细小的马氏体和少量残余奥氏体（共析钢）或细小的马氏体、少量渗碳体和残余奥氏体(过共析钢)。

（2）淬火加热时间t=αD

（3）淬火冷却介质水、盐水、油、盐浴、碱浴若淬火温度过低，则淬火后组织中将会有铁素体，使钢的强度、硬度降低；若加热温度过高，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体，钢的力学性能变差，且淬火应力增大，易导致变形和开裂。选用原则：能获得M或B尽可能慢，以减少淬火应力。水、盐水—适用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。变形开裂倾向大。

机油和柴油—一般用作为合金钢的淬火介质。它粘度大，流动性差，散热慢，不能用于碳钢冷却。

如果加热温度过高，渗碳体溶解过多，奥氏体中碳的质量分数提高，Ms温度降低，淬火后A‘量增多，钢的硬度和耐磨性降低；若加热温度低于Ac1点，则组织没发生相变，达不到淬火目的。

盐浴、碱浴和硝盐浴—主要用于分级淬火和等级淬火常用于处理形状复杂、尺寸较小、变形要求严格的工具等。3.3钢的淬火

3.3钢的淬火

3.3.2淬火方法(1)单介质淬火将工件加热奥氏体化后，保温一定时间，然后放入一种介质中进行冷却的淬火方法。如钢在水中淬火，合金钢在油中淬火等。操作简单，易实现机械化，应用较广。缺点是水淬变形开裂倾向大；油淬火容易产生硬度不足或硬度不均匀等现象。

(2)双介质淬火将工件加热奥氏体化后，先浸入一种冷却能力较强的介质中，在组织即将发生马氏体转变时，立刻转入另一种冷却能力较弱的介质中缓慢冷却的淬火工艺。如碳钢先水冷后油冷，合金钢先油冷后空冷等。作用：减少热应力和相变应力，降低工件变形和开裂的倾向，但对技术要求较高。所以可用于形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件。3.3钢的淬火

（3）马氏体分级淬火将工件加热奥氏体化后，先浸入温度在Ms点附近（1500-2600C）的盐浴中，保温一定时间，待工件整体大道介质温度后，再取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺。此方法比双介质淬火容易操作，可显著地减小工件淬火的内应力，降低工件变形和开裂，硬度也比较均匀。比较适合尺寸较小，形状复杂或界面不均匀的唐钢和合金钢工件。（4）贝氏体等温淬火将工件加热奥氏体化后，快速冷却到贝氏体转变温度区间2600-2400C等温保持，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺。此方法可显著减少淬火盈利和变形，工件经贝氏体等温淬火后，强度、韧性和耐磨性较好，但生产周期长，效率低。适合于形状复杂，此次精度要求较高。并且硬度和韧性都要求较高的工件，如各种小型冷、热冲模，成型刃具和弹簧等。3.3钢的淬火

3.3.3钢的淬透性与淬硬性

钢的淬透性是指在规定条件下（工件尺寸、淬火介质），钢指淬火时获得淬硬层深度的能力，即钢指规定条件下淬火时获得马氏体组织深度的能力。淬硬层深度是指从淬硬的工件表面到规定硬度值（一般550HV)处的垂直距离。淬硬层深度越深，淬透性越好。影响钢的淬透性的主要因素：1、钢的化学成分，含碳量为0.77%的共析钢在碳钢中淬透性最好。2、大多数合金元素（除Co外）都能显著提高钢的淬透性。3、淬火加热温度、钢的原始组织也会影响钢的淬透性。3.淬火缺陷(1)变形与开裂

(2)过热与过烧

(3)氧化与脱碳

(4)硬度不足与软点

3.3钢的淬火

钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。钢的淬硬性主要取决于含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。淬硬性好的钢，其淬透性不一定好；反之，淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。如碳素工具钢的淬火后的硬度虽然很高（淬硬性好），但淬透性却很低；而某些低合金钢，淬火后的硬度虽然不高，但淬透性却很好。3.4钢的回火

为什么钢淬火后要进行回火？

钢淬火后存在的问题:①钢淬火后存在有内应力，容易产生变形和开裂；②淬火得到的马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，在工作中会发生分解，导致零件尺寸的变化；③淬火钢脆性大，韧、塑性差。

回火:将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的热处理工艺。

回火的目的:降低淬火钢的脆性，减少或消除内应力，防止工件变形和开裂；稳定工件组织和尺寸，保证精度。3.4钢的回火

回火时回火温度是决定钢的组织和性能的主要因素，随着回火温度升高，强度、硬度降低，如图3.19所示，塑形、韧性提高。温度越高，其变化越明显。按回火温度范围的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。3.4钢的回火（工艺及应用）淬火Ac3以上30～50℃Ac1以上30～50℃以大于钢的淬火临界冷却速度冷却，一般合金钢油淬，非合金钢水淬获得马氏体，个别获得下贝氏体，提高钢的硬度和耐磨性各种工具、模具、量具、滚动轴承等回火低温回火150～250℃空冷在保持高硬度（58-64HRC）和高耐磨性的同时，降低淬火内应力和脆性工具、模具、量具、轴承，渗碳件及经表面淬火的工件。中温回火350～500℃空冷获得高的弹性极限、屈服点和较好的韧性。硬度一般为35-50HRC。各种弹簧、锻模等。高温回火500～650℃空冷获得强度、塑性、韧性都较好的综合力学性能，硬度一般为25～35HRC各种重要的机器结构件，特别是受交变载荷的零件，如连杆、轴等回火后组织为回火马氏体。回火后组织为回火托氏体。回火后组织为回火索氏体。生产上将淬火加高温回火称为调质处理。3.4钢的回火（性能变化）

将工件淬火后高温回火的复合热处理工艺称调质处理。调质处理不仅可作为某些重要件，如轴、齿轮、连杆、螺栓等零件的最终处理，而且也作为一些精密零件，如丝杠、量具、模具等的预先热处理，使其获得均匀细小的组织，以减少最终热处理过程中的变形。在抗拉强度、硬度大致相同的情况下，条之后的塑形、韧性均显著高于正火，见表3.5。这是因为钢经调质处理后的组织为回火索氏体，其渗碳体呈粒状，而正火得到党组织为层片状索氏体。3.4钢的回火（性能变化）

3.4.2回火脆性回火脆性是指工件淬火后在某些温度区间回火时出现韧性显著下降的现象，见图3.23。回火脆性分两种：第一类回火脆性：在250～350℃范围内出现的回火脆性，又称“低温回火脆性”或“不可逆回火脆性”，不管是碳素钢还是合金钢，都应避免这种回火脆性。第二类回火脆性：含铬、镍、锰等元素的合金钢淬火后，在450～650℃范围内回火，缓冷产生的脆性，又称“高温回火脆性”或“可逆回火脆性”。为防止第二类回火脆性的出现，小零件可采用回火时快冷，大零件可选用含钨或钼的合金钢。3.5钢的表面热处理和化学热处理3.5.1钢的表面淬火

3.5.2钢的化学热处理3.3.1钢的表面热处理

表面热处理是指对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的热处理工艺。表面淬火是常用的一种表面热处理，它是指仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。表面淬火不改变零件表层的化学成分，只改变表层的组织，并且心部仍保留原来退火、正火或调质状态的组织。其目的是使工件表层具有高硬度、耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。工业上常用的表面淬火方法有火焰淬火和感应淬火。3.5.1钢的表面热处理1、火焰淬火

把工件放入空心铜管绕成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，使工件内产生与绕圈电流频率相同的感应电流，使工件表层迅速被加热到淬火温度，然后立即喷水快速冷却，将工件表面淬硬成马氏体，而心部仍保持原始组织。感应电流透入工件表层的深度主要取决于交流电频率的高低。频率越高，淬硬层深度越小。如下表。类别频率范围/kHz淬硬层深度/mm应用举例高频感应加热100-5000.5-2.5要求淬硬层较薄的中、小型零件，如小模数齿轮和小轴等中频感应加热1-103-10承受较大载荷和磨损的零件，如大模数齿轮、尺寸较大的凸轮等工频感应加热0.0510-20要求应层深的大型零件和刚才的穿透加热，如轧辊、火车车轮等3.5.1钢的表面热处理与普通淬火相比：1、感应加热表面淬火加热速度极快（一般几秒到几十秒），加热温度高（高频感应淬火为A错3以上100～200℃）；2、奥氏体晶粒均匀、细小，淬火后可真工件表面获得极细马氏体，硬度比普通淬火高2-3HRC，且脆性低；3、因马氏体体积膨胀，工件表层产生残余压应力，疲劳强度提高20%～30%；4、工件表层不易氧化和脱碳，变形小，淬硬层深度容易控制；5、易实现机械化和自动化操作，劳动生产率高。但感应加热设备昂贵，维修调整较难，故不宜用于形状复杂的零件及单件生产。主要用于中碳钢或中碳低合金钢，也可用于高碳工具钢，含合金元素较少的合金工具钢及铸铁等。3.5.1钢的表面热处理2、火焰表面淬火

火焰淬火是利用氧-乙炔(或其他可燃气体)火焰对工件表层加热，并快速冷却的淬火工艺。淬硬层深度一般为2～6mm。特点：1、火焰加热表面淬火设备简单，成本不太稳定，生产效率低。2、适用于单件小批量生产或中碳钢、中碳低合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴等零件的表面淬火。3.5.2钢的化学热处理

化学热处理是指将工件放入一定温度的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入其表层，以改变表层一定深度的化学成分、组织和性能的热处理工艺。化学热处理种类很多，最常用的是渗碳和渗氮。1、钢的渗碳渗碳是将工件放入渗碳介质中加热到高温，使碳原子渗入工件表曾的化学热处理工艺。渗碳目的：（1）为了提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度，经淬火和低温回火后提高工件表面硬度和耐磨性，使心部保持良好的韧性。（2）渗碳主要用于承受较大冲击力和在眼中磨损下工作的零件，如齿轮、活塞销等。根据渗碳剂不同，渗碳可分为固体渗碳，气体渗碳，液体渗碳三种。1、钢的渗碳（1）气体渗碳气体渗碳是将工件放在密闭的渗碳炉中，滴入易于分解和气化的液体（如煤油、甲醇等），或直接通入渗碳气体（如煤气、石油液化气、丙烷等），加热到渗碳温度900-9500C保温一定时间，上述渗碳气体或有机液体在高温下分解产生活性炭原子，活性炭原子逐渐渗入工件表面，并向心部扩散，形成一定深度的渗碳层。渗碳层深度可通过控制保温时间来达到，一般为0.5-2.5mm。低碳钢渗碳后表层的Wc在0.85%-1.05%之间为佳。工件渗碳后必须进行淬火和低温回火。最终表层为细小片状的高碳回火马氏体、粒状渗碳体及少量参与奥氏体，获得较高的硬度（58-64HRC)、耐磨性及疲劳强度；心部组取决于钢的淬透性，一般低碳钢心部组织为铁素体和珠光体，硬度为110-180HRS，低合金钢通常心部组织为低碳回火马氏体，铁素体和少量托氏体，硬度为35-45HRC，具有较高的强度和韧性以及一定的塑形。气体渗碳的应用

气体渗碳生产率高，渗碳过程易于控制，渗碳层质量高，劳动条件好，易于实现机械化和自动化；但设备成本较高，不宜单件、小批量身缠，适用于成批或大批量生产。主要用于耐冲击和耐磨都要求很高的零件，如汽车变速齿轮，活塞销，凸轮、轴类。

例：渗碳零件的工艺路线锻造—正火—机加工—渗碳—淬火＋低温回火（＋喷丸）——精磨——……1、钢的渗碳1、钢的渗碳（2）固体渗碳固体渗碳是将工件放在填充渗碳剂的密封箱中，然后放入炉中加热至9000C-9500C，保温渗碳。渗碳剂采用颗粒状的木炭和15%-20%的碳酸盐的混合物。木炭提供活性炭原子，碳酸盐可加速渗碳速度。在渗碳温度下形成不稳定的CO，CO与工件表面发生分解，生成活性炭原子[C]被工件表面吸收，并逐渐向内部扩散形成渗碳层。设备简单，成本低廉，但劳动条件差，质量不易控制，生产率低。主要用于单件、小批生产。渗氮的方法

①气体渗氮②离子渗氮渗氮是指在一定温度下(一般在Ac1以下)于一定介质中使活性氮原子渗入钢件表面的化学热处理工艺。其目的是使工件表面获得高硬度、高耐磨性、高疲劳强度和高热硬性以及良好的耐蚀性。渗氮温度低，变形小。（1）气体渗氮气体渗氮是将工件置于通有氨气（NH3）的密炉内，加热到500-5600C，氨分解产生的活性氮离子[N]被工件表面吸收，并逐渐向心部扩散，从而形成渗氮层。渗氮层一般为0.1-0.6mm。渗氮最常用的钢是38CrMoAl，渗氮前应进行调质处理。3.应用（因渗氮后表面形成一层坚硬的氮化物渗氮层硬度高达1000-1200HV，耐磨性好；渗氮温度低，工件变形小；渗氮层存在压应力，耐疲劳性好；渗氮层致密，耐腐蚀性好。）

渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件。例：精密机床、化工、食品机械的中碳合金钢（38CrMoAL,35CrMo)的轴、齿轮、阀门等。氮化齿轮的加工路线：锻造——完全退火——机加工——调质——精加工——氮化（最终热处理）——……

2、钢的渗氮但渗氮生产周期长，成本高，渗氮层薄而脆，因而不宜承受集中重载荷。（2）离子渗氮离子渗氮是指在低于1×105Pa的渗氮气氛中，利用工件（阴极）和阳极（真空器）之间产生的辉光放电进行渗氮的工艺。即将工件放入离子渗氮炉中的真空器内，通入氨气或氮、氢混合气体，保持一定的压力，在阳极与阴极间通入高压400-700直流电，迫使电离、后的氮离子以高速轰击工件表面，将表面家饿到渗氮所需温度，氮离子在阴极上夺取电子后，还原成氮原子，被工件表面吸收，并逐渐向内部扩散形成渗氮层。离子渗氮的特点1、渗氮速度快；2、渗氮层质量好，脆性小，工件变形小；3、省电，无公害，操作条件好；4、对材料适应性强，如碳钢，合金钢，铸铁均可进行离子渗氮；5、对于形状复杂或截面相差悬殊的零件，渗氮后很难同时达到相同的硬度和渗氮层深度，设备复杂，操作要求严格。（缺点）2、钢的渗氮3.6热处理工艺的应用3.6.1热处理技术条件

3.6.2热处理工艺位置3.6.1热处理技术条件

根据零件的性能要求，一般在图纸上应标出热处理技术条件，

包括：最终热处理方法(如调质、淬火、回火、渗碳等)以及应达到的力学性能指标。

力学性能指标一般只标出硬度值，如：调质220～250HBS，淬火回火40～45HRC

对于力学性能要求较高的重要件，如主轴、齿轮、曲轴、连杆等，还应标出强度、塑性和韧性指标，有时还要对金相组织提出要求。对于渗碳或渗氮件应标出渗碳或渗氮部位、渗层深度，渗碳或渗氮后的硬度等。表面淬火零件应标明淬硬层深度、硬度及部位等。3.6.1热处理技术条件

根据零件的性能要求，一般在图纸上

包括：最终热处理方法(如调质、淬火、回火、渗碳等)以及应达到的力学性能指标

力学性能指标一般只标出硬度值，如：调质220～250HBS，淬火回火40～45HRC

对于力学性能要求较高的重要件，如主轴、齿轮、曲轴、连杆等，还应标出强度、塑性和韧性指标，有时还要对金相组织提出要求。对于渗碳或渗氮件应标出渗碳或渗氮部位、渗层深度，渗碳或渗氮后的硬度等。表面淬火零件应标明淬硬层深度、硬度及部位等。3.6.1热处理技术条件工艺总称代号工艺类型代号工艺名称代号热处理5整体热处理1退火1正火2淬火3淬火和回火4调质5稳定化处理6固溶处理；水韧处理7固溶处理+时效8表面热处理2表面淬火和回火1物理气相沉积2化学气相沉积3等离子体增强化学气相沉积4离子注入5化学热处理3渗碳1碳氮共渗2渗氮3氮碳共渗4渗其它非金属5渗金属6多元共渗73.6.1热处理技术条件3.6.1热处理技术条件表3-4加热方式及代号加热方式可控气氛（气体）真空盐浴（液体）感应火焰激光电子束等离子体固体装箱流态床电接触代号0102030405060708091011表3-5退火工艺及代号退火工艺去应力退火均匀化退火再结晶退火石墨化退火脱氢处理球化退火等温退火完全退火不完全退火代号StHRGDSpIFP表3-6淬火冷却介质和冷却方法及代号冷却介质和方法空气油水盐水有机聚合物水溶液盐浴加压淬火双介质淬火分级淬火等温淬火形变淬火气冷淬火冷处理代号AOWBPoHPrIMAtAfGC如515-33-01表示调质和气体渗氮。3.6.2热处理工艺位置热处理可分为预先热处理和最终热处理两大类。1.预先热处理预先热处理包括退火、正火和调质等。其工序位置一般安排在毛坯生产之后，切削加工之前，或粗加工之后，精加工之前。1）退火、正火工序位置毛坯生产→退火(或正火)→切削加工。作用：消除毛坯的内应力，细化晶粒，均匀组织，改善切削加工性，为最终热处理做好组织准备。1、对某些精密零件，可在切削加工工序之间安排去应力退火；2、对一些性能要求不高的中碳钢零件，正火可作为最终热处理。2）调质工序位置下料→锻造→正火(或退火)→粗加工(留余量)→调质→半精加工(或精加工)1、可作为表面淬火零件和易变形零件的淬火作组织准备；2、氮化零件在氮化前，一般先进行调质处理，以提高零件整体的力学性能；3、对性能要求不高的一般零件，调质也可作为最终热处理，3.6.2热处理工艺位置热处理可分为预先热处理和最终热处理两大类。1.最终热处理最终热处理包括各种淬火、回火及化学热处理。零件经最终热处理后，硬度较高或处理层较浅，除磨削外，一般不再进行其他切削加工。一般安排在半精加工之后，磨削之前。1）淬火工序位置①整体淬火一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工、半精加工(留磨量)→淬火、回火(低、中温)→磨削。②表面淬火一般为：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→半精加工(留磨量)→表面淬火、低温回火→磨削3.6.2热处理工艺位置2)渗碳工序位置

整体渗碳工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗、半精加工→渗碳→淬火、低温回火→磨削。3)渗氮工序位置

渗氮件加工路线一般为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→半精加工→去应力退火(俗称高温回火)→粗磨→渗氮→精磨或研磨或抛光。局部渗碳工艺路线一般为：下料→锻造→正火→粗、半精加工→保护非渗碳部位→渗碳→切除防渗余量→淬火、低温回火→磨削。3.6.3热处理零件结构的工艺性热处理零件结构工艺性是指在设计需要进行热处理零件时，特别是需淬火的零件，既要考虑保证零件的使用性能要求，又要考虑热处理工艺对零件结构的要求。如果结构工艺性不合理，可能造成淬火变形、开裂等热处理缺陷。注意事项：1、避免尖角与棱角零件的尖角与棱角是淬火应力集中的地方，容易称为淬火裂纹源。一般尽量将其设计成圆角、倒角，如下图：3.6.3热处理零件结构的工艺性2、避免截面厚薄悬殊，合理安排空洞和键槽截面厚薄悬殊的零件，淬火冷却时，由于冷却不均匀容易造成零件变形和开裂。一般采用将零件薄处加厚，或采用开工艺空、变不通孔为通孔等方法，如下图：3.6.3热处理零件结构的工艺性3、采用封闭、对称结构由于开后不对称结构零件淬火时应力分布不均匀，容易引起变行，故应改为封闭或对称结构，如下图：4、采用组合结构对某些有淬裂倾向而各部分工作条件要求不同的零件或形状复杂的零件，尽可能采用组合结构或镶拼结构，如下图：3.6.4热处理工