1、3 金属热处理教学基本要求：1基本知识了解热处理的基本原理和基本工艺方法、种类、目的和应用。了解常用的热处理设备。了解布氏硬度和洛氏硬度的试验原理与方法。了解金相显微镜的构造和金相试样的制备过程。了解常用碳钢的平衡状态组织形态。2基本技能能进行试样的淬火操作过程。会使用洛氏硬度试验机进行试样硬度测定。能调整金相显微镜观察金相试样，能对照金相照片判断所观察试样的组织。3操作实践进行试样的淬火操作。对试样进行硬度测定。进行铁碳合金的显微组织观察。3.1 概述3.1.1 热处理的特点及应用金属机器零件在制造过程中要经过冷、热加工等多道工序，其间经常要穿插热处理工序。热处理是通过加热、保温和冷却，改变
2、固态金属的组织，以得到所需要的组织结构和性能的一种工艺。热处理工艺过程可用“温度时间”为坐标的曲线图表示，如图 3-1 所示，此曲线称为热处理工艺曲线。热处理与切削加工、铸造、锻压、焊接等方法不同，它只改变材料的使用性能和工艺性能，而不改变零件的形状和尺寸。在机械零件制造过程中，钢材被广泛应用。钢制零件的热处理在机械制造生产中具有非常重要的地位。如汽车、拖拉机生产中有三分之二以上的零件要进行热处理；锯条、铰刀、钻头、冲模等工、模具零件，要具有高硬度和耐磨性，才能保持锋利，达到加工金属并保持较久的使用寿命，除了选择合适的材料外，还必须进行热处理才能够满足性能要求；车床的主轴、某些齿轮等零件，其局
3、部表面要求有高的硬度和耐磨性，其它部位要求有足够的强度和高的韧性，这只有通过热处理才能在同一个零件上达到不同的性能要求。此外，热处理还可以改善材料的工艺性能，如改善材料的切削加工性能，使切削时省力、轻快，加工效率高，刀具磨损减少；改善材料的成形性能，使材料在冷变形加工中具有良好的变形能力而不破裂。因此，热处理是保证产品质量、提高加工效率等方面不可或缺的工序。图 3-1 热处理工艺曲线 图 3-2 钢在加热和冷却时在 Fe-Fe3C 相图上各临界点的位置示意图3.1.2 钢的热处理原理钢的热处理理论基础是铁的同素异构转变。铁的同素异构转变导致钢在加热和冷却过程中内部组织发生变化。钢的热处理原理主
4、要研究钢在加热和冷却时内部组织转变的基本规律，从而确定钢的加热温度、保温时间等工艺参数和冷却介质，制定热处理工艺规范。3.1.2.1 钢加热时的组织转变Fe-Fe3C 相图是钢进行热处理的依据。由 Fe-Fe3C 相图可知，A 1、A 3、A cm 是钢在平衡相变时的临界点。由于实际生产中加热或冷却速度较快，钢的组织转变有滞后现象，加热时温度要高于临界点，冷却时温度要低于临界点。为了区别，把加热时的各临界点用Ac1、Ac 3、Ac cm 表示；冷却时的各临界点用 Ar1、Ar 3、Ar cm 表示。图 3-2 是这些临界点在Fe-Fe3C 相图上的位置示意图。当加热温度稍高于 Ac1 时，钢中
5、的珠光体就转变为奥氏体。共析钢组织全部是珠光体，只需加热到稍高于 Ac1 时，就能获得完全的奥氏体组织；亚共析钢组织是铁素体和珠光体，铁素体要加热到 Ac3 以上时，才能全部转变为奥氏体组织；过共析钢组织是渗碳体和珠光体，渗碳体要加热到 Accm 以上时才能全部转变为奥氏体组织。不论原来钢中组织晶粒是粗还是细，加热温度超过实际临界温度不多时，得到的奥氏体晶粒是细小的。但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。加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大。钢在实际加热条件下获得的奥氏体晶粒的大小，称为奥氏体的实际晶粒，其大小对冷却时组织转变产物的组织和性能有很大影响：晶粒细小
6、而成分均匀的奥氏体，冷却后的组织晶粒也细小，强度、塑性、韧性均比粗晶粒的组织高；晶粒粗大的奥氏体在冷却过程中还易引起工件的较大变形，甚至开裂。因此，钢在加热时，要得到晶粒细小而成分均匀的奥氏体，必须严格控制加热温度和保温时间。奥氏体晶粒的细化是钢强韧化的有效途径。3.1.2.2 钢在冷却时的组织转变钢经加热获得奥氏体组织后，在不同的冷却条件下，得到的冷却产物和性能是不同的。为了了解奥氏体组织在冷却过程中组织变化规律，常采用奥氏体的等温转变方式。以下以共析钢为例，介绍冷却方式对钢的组织及性能的影响。（1）过冷奥氏体的等温转变产物 奥氏体在临界点以下是不稳定的，会发生组织转变。但并不等于冷却到 A
7、1 温度下就发生转变，在 A1 温度下存在的奥氏体称为过冷奥氏体。将钢经奥氏体化后在 A1 温度以下的温度区间内等温，使过冷奥氏体发生组织转变称为等温转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温转变过程中，转变温度、转变时间与转变产物间的关系曲线图叫等温转变图，如图 3-3 所示。该曲线又称 C 曲线或 S 曲线，TTT 曲线。由共析钢等温转变图可知：在 A1 以上是奥氏体稳定区；纵坐标与转变开始线间的时间段称为孕育期；转变开始线和转变终了线间是转变进行区；转变终了线的右方是转变产物区；Ms 称为上马氏体点，Mf 称为下马氏体点；Ms 与 Mf 两线间是马氏体转变区。孕育期最短处，过冷奥氏体最不稳定，
8、最易发生转变，对于碳素钢而言，该处的温度约为550。从等温转变图可以了解钢在不同温度下的转变产物。a珠光体转变 A1 550温度区间，过冷奥氏体等温分解为铁素体和渗碳体的片状混合物珠光体，即过冷奥氏体转变成珠光体。在珠光体转变区内，转变温度愈低，得到的珠光体片愈细：在 A1680间，得到正常的珠光体（用 P 表示） ，硬度约170230HBS；在 680600 间，得到细珠光体，称为索氏体（用 S 表示） ，硬度约230320HBS；在 600550 间，得到极细的珠光体，称为屈氏体（用 T 表示） ，硬度约 330400HBS 。珠光体的片层越小，其强度和硬度越高，同时塑性和韧性略有下降。b
9、贝氏体转变 550Ms 温度区间，过冷奥氏体等温分解为贝氏体（用 B 表示） 。贝氏体组织仍然是铁素体和渗碳体的混合物。由于转变温度较低，原子活动能力较弱，铁素体中的碳超过了正常的溶解度。贝氏体的形态主要决定于转变温度：550350间，得到的是上贝氏体，组织呈羽毛状，硬度 4048HRC；350Ms 间，得到的是下贝氏体，组织呈针状，硬度 4855HRC。上贝氏体脆性较大，基本无实用价值；而下贝氏体具有较高的强度和硬度，同时塑性和韧性也较好，所以热处理时可用等温淬火的方法以获得下贝氏体组织。c马氏体转变 MsMf 区间，过冷奥氏体转变为马氏体（用 M 表示） 。马氏体实际上是碳在 -Fe 中的
10、过饱和固溶体，具有很高的硬度，可达 6065HRC，但脆性很大，冲击韧性很低，塑性很小。（2）过冷奥氏体的等温转变图的应用 在生产中，过冷奥氏体大多是在连续冷却过程中转变的。因为连续冷却转变图的测定较困难，常采用等温转变图近似分析连续冷却转变的过程。将连续冷却曲线叠加到等温转变图上，根据它们同 C 曲线相交的位置，就能大致知道其冷却的产物和性能。连续冷却曲线又称 CCT 曲线，如图 3-4 所示。图 3-3 共析钢等温转变图 图 3-4 在共析钢等温转变图上估计 连续冷却时的组织转变图图 3-4 中，v 1、v 2、v 3、v 4、v k 分别代表不同的冷却速度。当共析钢以 v1 速度从高温连
11、续冷却时，相当于随炉冷却，则奥氏体将转变为正常的珠光体组织，热处理中称为退火；当共析钢以 v2 速度从高温连续冷却时，相当于在空气中冷却，则奥氏体将转变为细珠光体，即索氏体组织，热处理中称为正火；当共析钢以 v3 速度从高温连续冷却时，相当于在油中冷却，它只与组织转变开始线相交，一部分奥氏体将转变为屈氏体，剩余的奥氏体转变为马氏体，最后得到屈氏体和马氏体的混合组织；当共析钢以 v4 速度从高温连续冷却时，相当于在水中冷却，它不与 C 曲线相交，奥氏体将转变为马氏体，最后得到马氏体和残留奥氏体的混合组织。当共析钢以 vk 速度从高温连续冷却时，它与 C 曲线相切，奥氏体不分解为珠光体组织，将转变
12、为马氏体，它是共析钢淬火时为遏制非马氏体组织转变的最小冷却速度。v k 又称为临界冷却速度。v k 的大小与 C 曲线的位置相关，除了 Co 元素外，大多数合金元素（包括金属及 C、N 等非金属元素）能使 C 曲线右移，使 vk 降低，故合金钢一般采用油冷即可得到马氏体组织。3.2 热处理设备热处理设备可分为主要设备和辅助设备两大类。主要设备用来完成热处理主要操作加热和冷却；辅助设备用来完成各种辅助工序、生产操作、动力供应及保证安全生产等任务。热处理常用设备有热处理加热设备、冷却设备、测、控温仪表和硬度计等。3.2.1 热处理加热设备热处理常用的加热设备按能源分有燃料加热设备和电加热设备；按工
13、作温度可分为高温炉（1000） 、中温炉（6501000）和低温炉（650） 。生产上常用的加热设备有电阻炉、浴炉、气体渗碳炉、高频感应加热设备等。3.2.1.1 电阻炉电阻炉是利用电流通过电热元件产生的电阻热加热工件，用热电偶及动圈式温度指示调节仪等电热仪表控制炉内温度，炉子结构紧凑，热效率高，操作控制方便，易于实现自动化、机械化，劳动条件优越。其结构形式有箱式电阻炉（图 3-5）和井式电阻炉（图 3-6） 。电阻炉可用于工件的退火、正火、淬火、回火及固体渗碳等热处理的加热。电阻炉在使用前，须检查其电源接头及电源线的绝缘是否良好；炉体及控温系统应保持清洁，控温系统要定期检验；炉内氧化皮要经常
14、清理干净，以防引起电热元件短路；装炉时工件不得随意抛撒，不得撞击炉衬；进出料时，必须切断电源，保证安全生产。3.2.1.2 浴炉浴炉是利用熔融液体介质加热工件，加热速度较快，氧化脱碳较轻，而且便于局部淬火、等温淬火及多种化学热处理，因此应用较广。浴炉依热源可分为燃料加热浴炉、电阻加热浴炉、电极加热浴炉和感应加热浴炉等，其中以电加热浴炉应用最广。图 3-5 箱式电阻炉的结构1-炉门 2-炉体 3-炉膛 4-炉底板 5-电热元件6-被加热件 7-热电偶 8-温控仪表图 3-6 井式电阻炉的结构1-炉盖启闭装置 2-炉盖 3-风扇 4-被加热件 5-炉体 6-炉膛 7-电热元件 8-料筐电阻加热浴炉
15、用电热元件加热浴剂，主要用于中温及低温，供小型工件淬火、回火加热、等温淬火冷却以及液体化学热处理等操作。电极加热浴炉借助于盐浴本身的电阻产生热能，炉体结构简单，热效率高，工作温度范围广，坩埚尺寸不受限制，加热迅速均匀，并可防止氧化、脱碳等缺陷，在热处理中应用广泛。浴炉常用的浴盐为 NaCl、KCl、BaCl、CaCl、NaNO 3、KNO 3 等；其它的浴剂有汽缸油、铅及铝等。浴炉通常须设置炉盖和通风罩，使用时要采用强力抽风，工作人员必须穿防护服，配戴手套和防护眼镜；工件和浴盐等须烘干后才能入炉，并定期对盐浴脱氧、捞渣和添加新盐或更换新盐；严格按操作规程操作，保证安全生产。3.2.1.3 气体
16、渗碳炉气体渗碳炉以井式炉最常见，炉内有铬锰氮系耐热钢或高硅球墨铸铁铸造的炉罐，以及使气氛在炉罐内强制循环用的风扇。为防止跑气，炉盖和风扇轴处有密封装置；炉盖上还有通气的管路和吊放检测试样的开口。这类炉子可供零件及工具的气体渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理之用。3.2.1.4 高频感应加热设备高频感应加热设备是利用大功率的电子管自激振荡器，将 50Hz 的工频电源转换为200300kHz 的高频交流电源；将高频交流电源接上加热感应圈的两端，使感应圈周围产生强大的交变磁场；将工件放入感应圈内，工件内就会产生与感应圈电流频率相同、方向相反的感应电流，即“涡流” ；涡流有“集肤效应” ，即工件表面电流
17、密度大，中心电流密度小，电流频率越高，涡流集中的表面层越薄；在工件本身电阻的作用下，很快将工件表面层加热到淬火温度，而工件心部温度基本不变或温度较低；在随后的喷水（或其它冷却剂）冷却后，工件表面层被淬硬，而心部不会被淬硬。交流电的频率越高，集肤效应越显著，感应加热深度 也越薄。对于中碳和中碳合金钢，感应加热深度 （mm）和交流电频率 f（Hz）间有一定关系，可用以下经验公式表示：= f605式中 感应加热深度（mm） ；f交流电频率（Hz） ；3.2.2 热处理冷却设备热处理冷却设备应能保证工件在冷却时具有相应的冷却速度和冷却温度。常用的冷却设备有：单纯冷却设备，如缓冷热处理炉、冷却室和冷却坑
18、、淬火槽及喷射淬火装置等；冷却机械化设备，如淬火机床、淬火压床、淬火压力机、淬火压力校正机及弯曲淬火机等；冷处理设备，如干冰冷处理设备、气体液化冷却设备和冷冻机式冷却设备等。3.2.3 热处理测、控温仪表热处理时，为了准确测量和控制工件及冷却介质的温度，需要测、控温仪表进行测温和控温。3.2.3.1 玻璃液体温度计玻璃液体温度计是根据液体介质（水银、酒精、甲苯等）在玻璃管内受热膨胀的原理进行温度测量，测量温度范围为：100800。玻璃液体温度计的特点是就地指示，准确方便，带电接点者还可配继电器实现发信或控制。3.2.3.2 热电偶与毫伏计热电偶是由两根成分不同的金属丝或合金丝组成，一端焊接起来
19、插入炉中（热端） ，另一端（冷端）分开，用导线和毫伏计相连。当热端被加热后与冷端间产生温度差，冷端两线间产生电位差，使带有温度刻度的毫伏计的指针发生偏转指示温度。温度差越大，电位差也越大，指示温度也相应增大。毫伏计的测量机构是一个磁电系表头，由张丝支承的可动线圈处于固定的永久磁场中。热电偶产生的毫伏信号使可动线圈内有电流经过，受磁场作用而转动。张丝的扭转力矩与动圈的转动力矩平衡时，动圈的位置与毫伏信号的大小相对应，指针在刻度盘上指出相应的温度。毫伏计刻度表面上均注明配用的热电偶分度号，一种规格的毫伏计只能与相应分度号的热电偶配合使用。热电偶高温计可以和自动控温设备组合起来自动控制炉温。使用时先
20、按照工艺设定工件加热的温度，当炉温低于设定温度时就自动接通电源进行加热；当炉温高于设定温度后就自动切断电源停止加热；炉温下降低于设定温度后，重新接通电源再加热，保证炉内温度的均匀。热电偶高温计可供测定 02000范围内的各种气体或液体的温度。3.2.3.3 光学高温计光学高温计是利用物体单色波辐射强度（即单色亮度）随温度而变化的原理进行测温。均匀地改变光学高温计灯丝的亮度，使其与被测物体单色亮度相同，光学高温计表盘上即指示出被测物体的亮度温度。光学高温计是按照绝对黑体进行温度分度的，因此在测量一般物体的温度时，表盘上的读数必须用该物体的单色辐射系数（ ）进行修正，才能求得被测物体的真实温度。光
21、学高温计具有结构简单、使用方便和非接触测量物体温度等优点。但由于测量结果受现场环境的影响较大，又不能实现温度的自动测量和控制，同时只能测量高温而不能测量低温，在热处理中仅用于热电偶较易腐蚀或难以测量的高温场合，如感应加热工件表面温度的测量、高温盐浴炉炉温的测量等。3.2.4 硬度计硬度是指在只有材料局部区域受到试验影响的情况下，对材料抵抗塑性变形、弹性变形或破坏的能力，或者抵抗其中两者或三者同时发生能力的描述。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。由于硬度和其它力学性能之间有一定的内在联系：材料的强度越高，塑性变形抗力越大，其硬度值也越高。硬度试验由于设备简单，操作方便、迅速，同时又能灵敏
22、地反映材料的成分及组织的差异，仅在工件表面局部产生很小的压痕，对大多数工件可进行产品硬度检验而无需加工专门的试件，因此，工件经热处理后一般都用硬度计检测硬度，以检查、控制其热处理工艺质量。硬度试验方法很多，以下介绍常用的布氏硬度和洛氏硬度试验方法。3.2.4.1 布氏硬 01 度布氏硬度试验是将直径为 D 的高硬度球形压头，以一定的试验力 F 压入被测金属材料的表面，保持一定时间后，卸除试验力 F，然后用读数显微镜测量表面压痕直径 d，计算压痕的球面积，根据压痕单位面积上承受试验力的大小来确定被测金属的硬度值。实际操作时，只需用读数显微镜测量表面压痕直径 d，然后通过专门的硬度表查出材料的布氏
23、硬度值。布氏硬度试验原理见图 3-7。图 3-7 布氏硬度试验原理 图 3-8 洛氏硬度试验原理F-试验力 D-球形压头直径 0、1、2、3压头位置d-压痕直径 h-压痕深度 h、h 1 、 h2 、h 3 压入深度布氏硬度的压头有淬火钢球压头和硬质合金压头。对于不同硬度及厚薄的材料，采用的压头材料和直径、试验力 F 的大小也不相同。目前布氏硬度试验一般用淬火钢球压头，用于测定较软金属材料的硬度，所测的硬度值按下式计算：HBS（HBW）=0.102 =0.102Dh)(22dDF式中 HBS（HBW ）用钢球（或硬质合金球）压头所得的布氏硬度HBS（HBW）；一个布氏硬度单位相应在特定条件下
24、9.807N/mm2；F试验力（N） ；D球形压头直径（mm） ；d压痕直径（mm） ；h压痕深度（mm） 。为了避免经常计算压痕面积的麻烦，生产中已经制定了球形压头直径与布氏硬度值的对照表，只要测出压痕直径 d 后，直接查表就可以获得布氏硬度值。3.2.4.2 洛氏硬度洛氏硬度试验时，压头在初试验力和总试验力（主试验力初试验力）的作用下，先后压入被测材料表面，保持一定时间后，卸除主试验力，在初试验力下测定压头压入深度增量 h，以压入深度增量 h 来确定其硬度值，见图 2-8。由于被测材料越硬，压入深度增量h 越小，这与布氏硬度所标志的硬度值大小的概念相矛盾。为了与习惯上数值越大硬度越高的概念
25、相一致，采用常数 K 减去压入深度增量 h 来表示硬度值；为简便起见又规定每0.002mm 压入深度为一个硬度单位。洛氏硬度的计算公式如下：HR= 02.式中 K常数（金刚石压头： K=0.2；淬火钢球压头： K=0.26） ；h压入深度增量（mm） 。实际操作时，洛氏硬度值可直接从硬度试验机的表盘上读出。洛氏硬度试验机的结构如图 3-9 所示。图 3-9 洛氏硬度试验机的结构1-表盘 2-卸载手柄 3-缓冲装置 4-砝码座 5、6-砝码 7-砝码吊杆8-砝码吊套 9-外壳 10-杠杆 11-顶杆 12-表盘外圈 13-主轴系统14-压头 15-被测工件 16-载样台 17-升降螺杆 18-升
26、降手轮洛氏硬度压痕较小，对工件一般不造成损伤，但对试件的准备和试验操作要求较高。试样试验面及支撑面必须平整洁净；压头表面、螺杆台阶、载样台表面及底部等，均应保持清洁。由于压头和施加试验力的不同，洛氏硬度有多种标尺，常用的有 HRA、 HRC 和HRB。各种洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围见表 2-1。表 2-1 常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用范围硬度符号 压头类型 总试验力 /N 测量范围 应用范围HRA 120 金刚石圆锥体 588.4 7085HRA 硬质合金、粉末冶金钢等HRC 120 金刚石圆锥体 1471.1 2067HRC 淬火、回火钢等HRB 1.588mm 淬火钢球 980.
27、7 20100HRB 退火、正火钢，铸铁等3.3 热处理的工艺方法根据钢在加热和冷却时组织与性能的变化规律，钢的热处理的基本工艺方法有退火、正火、淬火、回火及表面热处理等。通过不同的热处理工艺，可以使钢的性能发生很大地变化。3.3.1 钢的退火与正火钢的退火与正火是在生产上应用非常广泛的预备热处理工艺。通过退火与正火工艺处理后，不仅可以消除毛坯零件的内应力及成分和组织的不均匀性，还能调整钢的力学性能与工艺性能，为下一道加工工序做好组织、性能准备。3.3.1.1 钢的退火钢的退火是将钢加热到临界温度以上或以下温度，经保温后随炉缓慢冷却，以获得近乎平衡状态组织的热处理工艺。退火的目的是降低钢的硬度
28、，均匀钢的化学成分及组织，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。钢的成分和使用目的不同，所用退火工艺也不相同。退火工艺种类很多，常用的退火操作有完全退火、球化退火、再结晶退火和去应力退火等。（1）完全退火 完全退火是将钢加热到完全奥氏体化后保温，再进行缓慢冷却，以获得近乎平衡组织的热处理工艺。完全退火主要用于中、低碳结构钢的铸、锻件和热轧型材。完全退火的加热温度一般为 Ac3 以上 2030；保温时间一般为每毫米工件有效厚度两分钟。完全退火的冷却应缓慢进行，故需要的时间较长。为了提高效率，实际生产中，随炉冷却到 500600以下即可出炉空冷。（2）球化退火 球
29、化退火是使钢中的碳化物球化，得到粒状珠光体（铁素体基体上均匀分布细小球状碳化物）的一种热处理工艺。球化退火主要用于过共析钢和合金工具钢。球化退火的加热温度一般为 Ac1 以上 2030；保温时间不能太长，一般为 24 小时；冷却方式通常采用炉冷，或在 Ar1 以下 20左右进行长时间等温，然后炉冷到 600以下出炉空冷。（3）再结晶退火 再结晶退火是把经冷变形加工后的钢材加热到再结晶温度以上保温，使变形晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。再结晶退火主要用于经冷变形加工后的低碳钢。经再结晶退火后，消除了加工硬化，钢的性能恢复到冷变形加工前的状态。再结晶退火的加热温度一般为 6
30、50700；保温时间为 13 小时；冷却方式通常为空冷。钢的冷变形量越大，再结晶温度越低，再结晶退火温度也越低。还需注意的是：不同的钢都有一个临界变形度，在临界变形度下变形的钢，再结晶退火时会导致组织晶粒异常长大。一般钢的临界变形度为 610%。（4）去应力退火 去应力退火是为了去除由于塑性变形加工、铸造、焊接及切削加工过程中引起的残余内应力而进行的退火工艺。去应力退火的加热温度一般为 500650；保温时间一般为每毫米工件有效厚度三分钟；冷却方式通常为随炉冷却；为了提高工效，也可随炉冷却到 200出炉空冷。3.3.1.2 钢的正火钢的正火是将钢加热到 Ac3 或 Accm 以上 3050，使
31、钢完全奥氏体化，经保温后从炉中取出，在空气中冷却的热处理工艺。正火的目的与退火基本相似，但正火冷却速度比退火快，得到的组织较退火的细小，强度和硬度稍高，而塑性和韧性稍低。正火还可以消除过共析钢中的网状渗碳体，为球化退火做好组织准备。低碳钢工件经正火后比退火具有更好的切削加工性能；而对于高碳钢和中碳合金钢工件，因正火后硬度偏高，切削加工性能不如退火，故宜采用退火工艺为佳。正火难以消除内应力，为防止工件的变形和开裂，对形状复杂的和大型工件，较多采用退火工艺。正火比退火生产周期短，设备利用率高，节约能源，操作简便，降低生产成本。在可能条件下，应优先考虑采用正火工艺作为预备热处理工序。退火和正火除了作
32、为预备热处理工序外，对于普通的铸件、焊接件及不重要的工件，也可作为最终热处理工序。3.3.2 钢的淬火与回火钢的淬火与回火是热处理工艺中最重要、用途最广的工序，一般作为工件的最终热处理赋予工件最终的性能，是强化钢材的重要手段之一。3.3.2.1 钢的淬火钢的淬火是将钢加热到临界温度以上某一温度，经保温后，以适当的冷却速度冷却，得到马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的目的是使钢强化，提高钢的硬度、强度和耐磨性；对于获得马氏体组织的淬火，配合不同的温度回火，可获得各种需要的性能。由于不同成分钢的过冷奥氏体的稳定性不同，淬火后获得马氏体的能力差异较大；淬火时工件截面各处冷却速度不同；在冷却过程中
33、还会引起淬火应力，所以要对淬火影响因素有足够地重视。（1）淬火加热温度 淬火加热温度的选择主要依据钢的成分确定：亚共析钢通常加热到 Ac3 以上 3050；共析钢和共析钢过通常加热到 Ac1 以上 3050。（2）淬火保温时间 淬火保温时间与钢的成分、炉温、工件的大小和形状、装炉方式和装炉量等因素有关。淬火保温时间一般为每毫米工件有效厚度 14 分钟。（3）淬火冷却介质 淬火冷却介质又称为淬火介质。淬火介质冷却能力越强，钢的冷却速度越快，则工件容易淬硬，淬硬层深度越深，也会使工件产生的内应力越大，易引起工件发生变形和开裂。为保证淬火质量，应选择合适的淬火介质。理想的淬火介质的冷却能力应该是：在
34、奥氏体最不稳定的 650400间能快速冷却；在 400以下应当缓慢冷却以减小淬火应力，从而保证在获得马氏体组织的条件下减小淬火应力，避免工件发生变形和开裂。常用的淬火介质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物质油等。尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火，大多采用水；盐水和碱水溶液的冷却能力极强，适合低碳钢的淬火；合金钢工件淬火时，一般选择冷却能力较低的油作为淬火介质。水、盐水或碱水溶液及各种矿物质油等淬火介质各有优缺点，均不是理想的淬火介质，而介于水和油之间的冷却能力的是比较理想的淬火介质。目前各国都在发展有机水溶液作为淬火介质，如聚乙烯醇、聚二醇等水溶液。（4）淬火方法 工件淬火时除了要保证淬硬外，
35、还要尽量减小变形和避免开裂，应选择合适的淬火方法。a单液淬火 将钢奥氏体化后，在一种淬火介质中冷却到室温的淬火方法称为单液淬火。单液淬火操作简单，容易实现机械化、自动化，应用广泛。但由于单独用一种淬火介质，如果淬火介质冷却特性不够理想，容易产生硬度不足或变形、开裂等缺陷。一般碳钢采用水冷，合金钢采用油冷。b双液淬火 将钢奥氏体化后，先在冷却能力强的淬火介质中冷却，待工件冷到400300左右，将工件转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直到完成马氏体转变的淬火方法称为双液淬火。双液淬火既可以保证工件得到马氏体组织，又可以减小淬火应力，防止工件开裂和减小变形。尺寸较大或形状复杂的碳素钢工件适合采用双液
36、淬火。双液淬火操作要求较高，需经验丰富的人员来操作。c分级淬火 将钢奥氏体化后，先放入略高于（或略低于）钢的 Ms 温度的盐浴或碱浴炉内保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出工件，空冷至室温，完成马氏体转变的淬火方法称为分级淬火。分级淬火大大降低了淬火应力，工件变形轻微，还克服了双液淬火时难以控制的缺点。但分级淬火时盐浴或碱浴的冷却能力不大，只适合形状复杂、尺寸较小的碳钢工件或淬透性好的合金钢工件。d等温淬火 将钢奥氏体化后，放入高于钢的 Ms 温度的盐浴或碱浴炉内等温保持足够长的时间，使其转变为下贝氏体组织，然后取出工件，在空气中冷却到室温的淬火方法称为等温淬火。等温淬火得到的下贝氏体组
37、织具有较高的强度和硬度，同时塑性和韧性也较好，并可显著减小淬火应力和淬火变形，并能基本避免工件淬火裂纹，适宜处理形状复杂、尺寸要求精密的小件工具和重要的机器零件。（5）淬火操作要领 淬火操作时，还要注意工件浸入淬火介质的方式。合理的淬火操作方式，对减小工件变形和避免工件开裂有着重要的影响。淬火操作要领是：尽量保证淬火冷却时工件各部分冷却速度的均匀性。a细长的工件，如钻头、轴等，应垂直浸入淬火介质中。b厚薄不均的工件，厚的部分应先浸入淬火介质中。c薄壁环状工件，如圆筒、套圈等，应轴向垂直浸入淬火介质中。d薄而平的工件，如圆盘铣刀，应立着放入淬火介质中。e带有盲孔或中空型腔的工件，应使孔口或腔口向
38、上浸入淬火介质中。f截面不均匀的工件，应斜着浸入淬火介质中。3.3.2.2 钢的回火钢的回火是将淬火后的钢，再加热到 Ac1 以下某一温度，保温一段时间，然后冷却到室温，以获得预期性能的热处理工艺。淬火钢回火的目的是：减少或消除淬火应力，防止工件的变形与开裂；调整工件的力学性能，满足工件的使用性能要求；稳定工件的组织，保证工件的形状和尺寸的稳定。（1）回火加热温度 工件回火后的性能，主要取决于回火温度。随着回火温度的提高，钢的强度和硬度下降，塑性和韧性增大。根据钢的性能要求，按照回火温度的高低，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火。对碳素钢而言，其回火的温度如下：a低温回火 在 150250
39、 间的回火称为低温回火。低温回火后的组织是回火马氏体。通过低温回火，可部分消除淬火应力，适当降低钢的脆性，提高韧性，并保持淬火获得的高硬度和耐磨性，回火后的硬度一般为 5664HRC。低温回火主要用于各种工、模、量具和滚动轴承等耐磨零件。b中温回火 在 350500 间的回火称为中温回火。中温回火后的组织是回火屈氏体。通过中温回火，可进一步消除淬火应力，可使工件获得高弹性极限、屈服强度和适当的韧性，回火后的硬度一般为 3548HRC。中温回火主要用于各种弹簧、发条弹性夹具及热锻模等零件。c高温回火 在 500650 间的回火称为高温回火。高温回火后的组织是回火索氏体。通过高温回火，可消除淬火应
40、力，可使工件获得强度、硬度、塑性和韧性均较好的综合力学性能，回火后的硬度一般为 2032HRC。高温回火主要用于各种重要的结构零件，如齿轮、连杆、曲轴、主轴及高强度螺栓等。通常将淬火和随后的高温回火并称为调质处理。调质处理是一种重要而广泛应用的热处理工艺。由于钢的成分差异较大，在实际生产中，往往根据零件的硬度要求，从零件用钢的回火温度与硬度的关系曲线中选择相应的回火温度。（2）回火保温时间 回火保温时间是指工件完全热透及组织充分转变所需要的时间。实际生产中，一般以炉温达到回火温度时开始计算回火保温时间。回火加热温度越高，回火保温时间越短。在生产中，回火保温时间一般取 13 小时，对于要求高硬度
41、，只能低温回火的一些工件，如量具、滚动轴承等，为使内应力消除并使组织趋于稳定，有时需要保温十几小时甚至几十小时。（3）回火冷却 一般工件回火后都在空气中冷却。但对具有回火脆性的钢，如铬锰钢、铬镍钢等，在 450650间回火后，应在水中或油中快冷，以避免回火脆性的产生。3.3.3 钢的表面热处理在机器当中，有些零件要承受扭转和弯曲等交变载荷，以及强烈的摩擦和冲击，如齿轮、凸轮、凸轮轴、主轴、活塞销等。为了保证这类零件的正常使用，要求零件的表面具有高的硬度和耐磨性，而心部要有较好的塑性和韧性。由于这类零件表面和心部的性能要求不同，很难通过选材来解决表面和心部的不同的性能要求，一般要采用表面热处理来
42、实现这类零件的性能要求。3.3.3.1 钢的表面淬火表面淬火是指仅将工件表面层快速加热到奥氏体状态，立即进行淬火冷却，使表面层得到淬火组织，而心部仍然保持原来组织的热处理工艺。表面淬火的常用工艺有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火及电接触加热表面淬火等。（1）感应加热表面淬火 如图 3-10 所示，将工件放在通有一定频率交流电的感应圈内，利用工件内部产生的感应电流（涡流）加热工件本身，而后淬火冷却的热处理工艺。由于涡流有“集肤效应” ，即工件表面电流密度大，中心电流密度小，很快将工件表面层加热到淬火温度，而工件心部温度基本不变或温度较低；在随后的喷水（或其它冷却剂）冷却后，工 图 3-10 感
43、应加热表面淬火原理图件表面层被淬硬，而心部不会被淬硬。 1-淬火层 2-冷却液 3-工件 4-感应圈交流电的频率越高，所需加热时间越短， 5-感应圈冷却水 6-冷却液喷射圈加热层越薄，淬火硬化层也越小。一般高频（200300kHz）感应加热淬硬层深度为0.52mm，主要用于要求淬应层较薄的中、小型零件，如小模数齿轮、中小型轴等；中频（100010000Hz）感应加热淬硬层深度为 210mm，主要用于要求淬应层较厚的零件，如直径较大的轴和曲轴、中等模数的齿轮、大模数齿轮的单齿加热淬火等；工频（50Hz）感应加热淬硬层深度为 1020mm，主要用于大型零件，如冷轧辊、火车轮毂等。感应加热表面淬火后
44、一般均需要回火。回火的方式有炉中回火、自回火和感应加热回火。（2）火焰加热表面淬火 用氧-乙炔（或其它可燃气体）高温火焰加热工件表面，使其迅速加热到钢的淬火温度，然后淬火冷却的热处理工艺。火焰加热表面淬火的淬硬层一般为 28mm，适用于处理异形、大型或特大型工件，如大型轴类、大模数齿轮等。火焰加热表面淬火设备简单，操作准备快捷，比感应加热的灵活性大；但加热温度不易控制，零件表面易过热，淬火质量不稳定。火焰加热表面淬火应及时回火，以防开裂。按照工件的大小及技术要求，可采用炉内回火、火焰回火或自回火。（3）电接触加热表面淬火 电接触加热表面淬火是利用电极和工件间的接触电阻使工件表面加热，并借助工件
45、本身未加热部分的热传导来实现淬火冷却。电接触加热表面淬火设备简单，操作方便，工件变形小，淬火后不需要回火，能显著提高工件的耐磨性，但淬硬层较浅（0.150.30mm） ，多用于机床铸铁导轨的表面淬火。2.3.3.2 钢的化学热处理钢的化学热处理是将钢件置于一定温度的某种介质中保温，使一种或多种元素渗入工件表层，从而改变工件表面的化学成分、组织与性能的热处理方法。钢的化学热处理是表面合金化与热处理相结合的一种工艺，其目的是为了强化工件表面和改善表面的物理、化学性能，如硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性等得到提高。根据渗入元素的不同，钢的化学热处理可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗铝、渗铬等。（1）渗碳
46、渗碳是向钢的表层渗入碳原子的过程。渗碳后的工件表面层是高碳组织，而心部仍是原始的低碳组织，从而使工件具有不同含碳量钢的性能特点。工件渗碳后要进行淬火和低温回火处理。渗碳用钢一般为低碳或低碳合金钢（ C%0.25%） ，如15、20、20CrMnTi、20Cr、 20MnVB 等钢，如使用含碳较高的钢渗碳，则工件心部的塑、韧性降低。工件经渗碳、淬火和低温回火后，可使表层具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性，而心部仍保持较高的塑性、韧性和一定的强度。渗碳工艺有气体渗碳（图 3-11） 、固体渗碳和液体渗碳。常用的渗碳工艺是气体渗碳。气体渗碳工艺是将工件装入密封的渗碳炉中；向炉内通入渗碳剂（如煤油、丙酮、
47、乙醇和苯等液体或人工煤气、天然气等气体） ；在 900950的高温下，渗碳剂发生分解，产生活性碳原子渗入工件表面；经一定的时间渗碳后，获得要求的表面碳浓度、渗层深度和合适的碳浓度梯度后，进行冷却处理：直接淬火的工件可冷却到适宜的淬火温度，并保温 1530 分钟后出炉淬火；需重新加热淬火的工件可直接出炉空冷或移入冷却罐内，也可随炉冷却到 860后出炉。气体渗碳工艺生产率高，劳动条件较好， 图 3-11 气体渗碳示意图比较容易控制渗碳过程，渗碳质量好，在生 1-风扇电机 2-废气火苗 3-炉盖 4-砂封产中应用广泛。 5-加热元件 6-渗碳罐 7-渗碳件 8-炉身（2）渗氮 将氮渗入工件表层的工艺
48、称为渗氮。工件渗氮后，其表面具有高的硬度、耐磨性和抗疲劳性，以及抗蚀性和抗咬合性，而心部仍具有渗氮前的性能。渗氮温度低，工件变形极小，但生产周期较长。常用的渗氮工艺有气体渗氮和离子渗氮等。a气体渗氮 气体渗氮工艺是将工件装入密封的渗氮炉中；向炉内通入渗氮气体（氨气或氨氮混合气体） ；在 500600的温度下，氨气发生分解，产生活氮原子被工件表面吸收后，逐渐向工件内部扩散形成氮化层。氮化层的深度一般为 0.10.6mm ，表面硬度可达 10001200HV。b离子渗氮 离子渗氮工艺原理是将工件装入真空容器中，工件接阴极，真空容器接阳极；真空容器内通入少量的氨气或氮氨混合气体；两极间接 40060
49、0V 的高压直流电，使气体被电离；被电离的氮和氢的正离子加速冲向工件，撞击工件表面，使工件周围产生辉光，放出热量；氮的正离子在阴极（工件）获得电子后变成氮原子渗入工件表面并向内部扩散形成氮化层。离子渗氮适用于各种钢件、铸铁件及有色金属件的渗氮。离子渗氮设备复杂，投资较高，装炉量少；但离子渗氮的氮化层的韧性和抗疲劳性较气体渗氮高，变形也较小，渗氮速度快，节约气源和电力，工作环境温度低，劳动条件好，有利于环境保护等特点，已得到较广的应用。 （3）碳氮共渗 碳氮共渗是指向钢的表面同时渗入碳和氮的工艺过程。碳氮共渗能提高工件表面的硬度、耐磨性和抗疲劳性，以及抗蚀性和抗咬合性。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗应用较为广泛。a中温气体碳氮共渗 中温气体碳氮共渗温度一般为 820
