1.3 钢的热处理

问题思考

1.3.1 热处理概述

据初步统计，在机床制造中，60%～70%的零件要经过热处理；在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%；而工具、模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡是重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。

1.热处理的概念

热处理就是把固态金属加热到一定温度，并在这个温度保持一定时间（保温），然后以一定的冷却速度、方式冷却下来，从而改变金属的内部组织，以获得预期性能的工艺过程。

要点提示

热处理均在固态下进行，它只改变工件的组织，不改变形状和尺寸。

机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空及航天等用的大量零部件都需要通过热处理工艺改善其性能。

2.热处理的目的

热处理不仅可以改善钢的加工工艺性能，更重要的是可以改善其使用性能，特别显著地提高钢的机械性能，并延长其使用寿命，达到充分发挥材料潜力，提高产品质量，延长使用寿命的目的。

不同化学成分的材料可以具有不同的机械性能，而同一化学成分的材料，由于有不同的内部组织，也可以具有不同的性能。通过不同的热处理方法可以改变材料的内部组织。

要点提示

我们把45钢加热到840℃，保温一段时间后，有些在水中冷却，有些在空气中冷却，有些随炉冷却，这样得到的硬度就不同，水冷的硬度最高，空气其次，缓冷的硬度最低。这是由于不同的冷却方式所得到的内部组织不一样的缘故。

3.热处理的基本原理

钢在固态范围内，随着加热温度和冷却速度的变化，其内部组织结构将发生相应的变化，利用不同的加热速度、加热温度、保温时间和冷却方式，可以控制或改变钢的组织结构，以便得到不同性能的材料。

因此，各种热处理工艺都要经过加热、保温和冷却3个阶段，如图1-16所示。

（1）加热。加热是热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。加热温度较低时，材料不发生组织变化；加热温度较高时，材料将发生组织转变。

（2）保温。保温的目的是要保证工件烧透，防止脱碳、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的关系。一般来说工件越大，其导热性越差，保温时间就越长。

（3）冷却。冷却是热处理的最终工序，也是最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织，从而确保材料获得不同的机械性能。

钢在热处理时，在加热、保温和冷却3个阶段中，其内部组织的转变情况不同，最后获得的热处理效果也不相同。

4.热处理的分类和应用

根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以按照图1-17所示分类。

热处理工艺的种类及应用

按照热处理在零件生产过程中的作用不同，热处理工艺还可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织，消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理做准备。

最终热处理是零件加工的最终工序，其目的是使经过成形工艺达到要求的形状和尺寸后的零件的性能达到所需要的使用性能。

5.热处理安全操作规程

热处理过程中，既有高温加热，又要涉及各种冷却介质，同时还要严格控制加热时间和冷却速度等参数。操作时，应注意以下事项。

（1）操作之前，必须穿好工作服，做好防护措施。

（2）操作者应熟悉各类仪器设备的结构和特点，严格按操作规程进行操作。未得到指导人员许可，操作者不得擅自开关电源和使用各类仪器设备。

（3）使用电炉前，必须仔细检查电源开关、插座及导线，保证绝缘良好，以防发生漏电、触电事故。

（4）必须在断电状态下往炉内装、取工件，并注意轻拿轻放，工件或工具不得接触或碰撞电热元件，更不允许将工件随意扔入炉内。

（5）严禁直接用手抓拿热处理工件，应按规定使用专用工具或夹具，并戴好防护手套，以防烫伤。

（6）操作结束后，应关掉总电源，并按规定做好整理工作和场所的清洁卫生工作。

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1.3.2 钢的普通热处理

钢的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火4种基本工艺。

1.退火

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）的一种热处理工艺。

（1）退火的用途。通过退火处理可以达到以下目的。

? 降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

? 消除工件中的残余应力，防止变形和开裂。

? 消除缺陷，改善组织，细化晶粒，提高钢的机械性能。

? 消除冷作硬化，提高塑性，以利于继续冷加工。

? 改善或消除毛坯在铸、锻、焊时所造成的成分或组织不均匀，以提高其工艺性能和使用性能。

? 消除前一道工序（铸造、锻造、冷加工等）所产生的内应力，为下道工序的最终热处理（淬火回火）做好组织准备。

（2）常用退火方法。生产中常用的退火方法主要有完全退火、扩散退火、去应力退火以及再结晶退火等，其工艺、目的和应用对比如表1-9所示。

2.正火

正火是将钢加热到适当温度后，再保温适当时间，待内部组织均匀后，在空气中冷却的热处理工艺。

要点提示

正火既可作为预备热处理工艺，为后续热处理工艺提供适宜的组织状态，也可作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能。

? 对力学性能要求不高的结构、零件可用正火作为最终热处理，以提高其强度、硬度和韧性。

? 对低、中碳素钢，可用正火作为预备热处理，以调整其硬度，改善其切削加工性能。

正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，得到的组织细小，因而强度和硬度也较高。在生产中是使用正火还是退火工艺，主要从下面两方面来考虑。

? 从使用性能方面考虑。一些受力不大的工件，力学性能要求不高，可用正火作为最后热处理；对于某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，可用正火代替淬火、回火处理。

? 从经济性方面考虑。由于正火比退火生产周期短，操作简便，工艺成本低，因此，在满足钢的使用性能和工艺性能的前提下，应尽可能用正火代替退火。

3.淬火

钢的淬火就是将钢加热到适当温度后，保温一定时间使其组织均匀，然后以较快的速度冷却，从而获得强度和硬度都较高的组织的一种热处理工艺过程。

（1）淬火的目的。淬火是使钢材强化和获得某些特殊使用性能的主要方法，其主要目的如下。

? 提高钢的硬度及耐磨性。例如，量具、模具、刀具等零件，通过淬火可以大幅提高其硬度及耐磨性。这类零件淬火后一般要配合低温回火。

? 提高钢的强韧性，即提高钢的硬度、强度的同时获得较高的塑韧性，如机器中的大部分承载零件（变速箱花键轴、机床主轴、齿轮等）。这类零件淬火后一般要配合高温回火。

? 提高硬磁性，如用高碳钢和磁钢制的永久磁铁。

? 提高零件的弹性，如各种弹簧。这类零件淬火后一般要配合中温回火。

? 提高钢的耐蚀性和耐热性，如不锈钢和耐热钢。

（2）淬火冷却介质。工件进行淬火冷却所用的介质称为冷却介质。为保证工件淬火后得到马氏体，又要减小变形和防止开裂，必须正确选用冷却介质。

常用冷却介质的使用特点如表1-10所示。

4.回火

回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺。淬火后再将工件加热到适当温度，保温后再冷却到室温的热处理工艺称为回火。

（1）回火的目的。淬火后的钢铁工件处于高内应力状态，不能直接使用，必须及时回火，否则会有工件断裂的危险。回火的目的如下。

? 减小和消除淬火时产生的应力与脆性，防止和减小工件变形与开裂。

? 获得稳定组织，保证工件在使用中的形状和尺寸不发生改变。

? 调整工件的内部组织和性能，获得工件所要求的使用性能。

（2）回火温度种类。工件回火后的硬度主要取决于回火温度，而回火温度的选择和确定主要取决于工件的使用性能、技术要求、钢种及淬火状态。

① 低温回火（回火温度低于250℃）。一般工具、量具要求硬度高、耐磨，并具备足够的强度和韧性。又如滚动轴承，除了上述要求外，还要求有高的接触疲劳强度，从而有高的使用寿命。

工具、量具和机器零件一般均用碳素工具钢或低合金工具钢制造，淬火后具有较高的强度和硬度，并伴有较大的淬火内应力和较多的微裂纹，故应及时回火，通常采用180℃～200℃的温度回火。

要点提示

对于精密量具和高精度配合的结构零件，在淬火后进行 120℃～150℃（12h，甚至几十小时）回火，目的是稳定组织及最大限度地减少内应力，从而使尺寸稳定。为了消除加工应力，多次研磨，还要多次回火，这种低温回火常被称作时效处理。

② 中温回火（回火温度为350℃～500℃）。中温回火主要用于处理弹簧钢。回火后，应力基本消失，工件既有较高的弹性极限，又有较高的塑性和韧性。回火时，根据所采用的钢种选择回火温度以获得最高弹性极限，例如，65碳钢，在380℃回火，可得最高弹性极限。

③ 高温回火（回火温度高于 500℃）。淬火加高温回火通常称为调质处理，主要用于中碳碳素结构钢或低合金结构钢，以获得良好的综合机械性能。一般调质处理的回火温度选择 600℃以上。与正火处理相比，钢经调质处理后，在硬度相同的条件下，钢的屈服强度、韧性和塑性有明显提高。

调质处理一般用于发动机曲轴、连杆、连杆螺栓、汽车拖拉机半轴、机床主轴及齿轮等要求具有综合机械性能的零件。

（3）回火后的冷却。回火后工件一般在空气中冷却。对于一些工模具，回火后不允许水冷，以防止开裂。对于性能要求较高的工件，在防止开裂的条件下，可进行油冷或水冷，然后进行一次低温补充回火，以消除快冷产生的内应力。

在实际生产中，热处理总是穿插在金属切削加工的各个阶段中，如图1-18所示。其中预备热处理以退火和正火为主，用于改变材料的切削性能，最终热处理以淬火和回火为主，主要用于提高产品的机械性能。

1.3.3 钢的表面热处理

对于齿轮、传动轴等重要零件，通过表面热处理可以提高零件的表面性能，使其具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度。同时，又可以使零件心部具有足够高的塑性和韧性，防止脆性断裂，从而使整个零件“表硬心韧”。

1.表面淬火

表面淬火是将工件表面快速加热到较高温度，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。

（1）工艺特点。表面淬火的工艺特点如下。

? 不改变工件表面的化学成分，只改变表面组织和性能。

? 表面与心部的成分一致，组织不同。

（2）适用材料。表面淬火一般多适用于中碳钢、中碳合金钢，也少量用于工具钢、球墨铸铁等。例如，用40、45钢制作的机床齿轮齿面的强化、主轴轴颈处的硬化等。

（3）感应加热表面淬火。给感应线圈通一定频率的交变电流，产生的交变磁场在工件内产生一定频率的感应电流，利用工件的电阻将工件加热；当工件表层被快速加热到适当温度后，立即快速冷却，在工件表面获得一定深度的淬硬层。其原理如图1-19所示。

感应加热表面淬火质量好，表层组织细密、硬度高、脆性小、疲劳强度高，生产频率高、便于自动化，但设备较贵，不适于单件和小批量生产。感应加热表面淬火主要适用的零件类型如下。

? 齿轮零件：如机床和精密机械上的中、小模数传动齿轮，蒸汽机车、内燃机车、冶金、矿山机械等上的大模数齿轮。

? 轴类零件：如花键轴、汽车半轴和机床主轴轴颈、凸轮轴、镗杆、钻杆以及轧辊等。

? 工模具：如滚丝模、游标卡尺量爪面、剪刀刃、锉刀等。

（4）火焰加热表面淬火。火焰加热表面淬火是利用气体燃烧的火焰加热工件表面（乙炔—氧、煤气—氧、天然气），使工件表层快速加热至奥氏体化，然后立即喷水冷却，使工件表面淬硬的一种淬火工艺。其原理如图1-20所示。

使用这种方法获得的淬硬层深度可达 2～8mm，并且操作简便，设备简单，成本低，但质量不稳定，仅适于单件、小批量生产。

火焰加热表面淬火适用的典型零件有轧钢机齿轮、轧辊，矿山机械齿轮、轴，普通机床导轨和齿轮等。

（5）激光加热表面淬火。激光是一种具有高亮度、方向性和单色性强、能量密度高的强光源。激光加热表面淬火是利用激光对工件表面的照射和扫描，依靠工件的自激冷却而淬火。

使用这种方法获得的淬硬层深度为 1～2mm，并且加热和冷却极快，淬火后组织细小、硬度高、淬硬层薄、工件变形小、不需回火，生产效率高，属绿色制造，已成功应用于汽车和拖拉机的气缸与缸套、活塞环、凸轮轴、机床导轨等零件的表面处理，前景广阔。但这种方法需要的设备昂贵，故大规模应用受到限制。

2.表面淬火零件工艺路线

零件表面淬火时的工艺路线如下。

下料→锻造→退火或正火→机加工→调质处理→表面淬火→低温回火→精磨

要点提示

表面淬火前，先对零件进行正火或调质等预处理，目的是细化和均匀组织，使工件心部具有良好的强韧性。表面淬火后，再进行200℃左右的低温回火，以消除淬火应力，使工件表面保持高的硬度和耐磨性。

1.3.4 钢的化学热处理

化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却，使介质中的某些元素渗入工件表层，以改变工件表层的化学成分和组织，从而使其具有“表硬心韧”的性能特点。

（1）化学热处理的工艺特点。化学热处理的工艺特点如下。

? 既改变工件表面的化学成分，又改变表面的组织和性能。

? 表面与心部的成分不同、组织不同。

与表面热处理的不同之处是，化学热处理改变了工件表层的化学成分。

（2）化学热处理的目的。化学热处理可提高工件表面的硬度、耐磨性、耐磨蚀性、耐热性、抗氧化性和疲劳强度等性能，而使心部仍保持一定的强度和良好的塑性、韧性。

（3）化学热处理的分类。根据渗入元素的不同来分，化学热处理主要有渗碳、渗氮、多元渗、渗铝及渗铬等渗非金属和渗金属两大类。

? 渗碳、渗氮、碳氮共渗可提高零件的硬度、耐磨性和疲劳强度。

? 渗硼、渗铬可提高零件的耐磨性和耐腐蚀性。

? 渗铝、渗硅可提高零件的耐热性和抗氧化性。

? 渗硫是为了零件的减摩，减小零件的摩擦系数。

其中，渗碳是工业中最常用的，是齿轮、活塞销类零件加工中的一道重要工序。

① 渗碳。渗碳是将工件放入渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子渗入，以提高工件表层碳含量的热处理工艺。通过提高工件表层的含碳量，可提高工件的表面硬度和耐磨性，同时使心部保持一定的强度和良好的塑韧性。

要点提示

低碳钢和低碳合金钢都适合于渗碳处理，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。

根据渗碳剂的状态不同，渗碳方法可以分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳3种，常用的是气体渗碳法和固体渗碳法。

（a）气体渗碳法。用煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然气及煤气等作为渗碳剂，在高温裂解后产生活性碳原子，被工件表面吸收、扩散，在工件内得到一定深度的渗碳层的方法称为气体渗碳法。

气体渗碳的优点是生产率高，易控制，渗碳质量好。

（b）固体渗碳法。固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与 15%～20%的碳酸盐（BaCO3 或Na2CO3）的混合物。木炭提供渗碳所需要的活性炭原子，碳酸盐起催化作用。

将工件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好，然后放在炉中加热至 900℃～950℃，保温足够长时间，得到一定厚度的渗碳层。

要点提示

钢件渗碳后缓慢冷却得到的组织接近平衡态，必须经过“淬火+低温回火”处理，才能达到性能要求。

② 渗氮。渗氮工艺又叫氮化，是将工件放入含氮活性气氛中，使工件表层渗入氮元素，形成含氮的硬化层的热处理工艺。渗氮可以提高工件表层的含氮量，以提高工件表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和抗腐蚀性。

含有铬、钼、钨、钒及铝等元素的中碳合金钢和工模具钢都适合于渗氮处理，这些元素可与氮形成氮化物，起到强化作用，如38CrMoAlA、38CrWVA、25CrNi3MoAl等。

渗氮件的表面硬度比渗碳件的还高，耐磨性好；同时渗层处于压应力，疲劳强度极大提高；具有一定的抗蚀性，但脆性较大；渗氮件变形很小，通常无需再加工。

渗氮操作适合于要求精度高、冲击载荷小、表面耐磨性好的零件，如一些精密机床的主轴和丝杠、精密齿轮、精密模具等都可用氮化工艺处理。

钢件在渗氮前，一般需经调质处理，以得到均匀的回火索氏体组织，保证渗氮后的组织均匀。渗氮件的应力变形都很小，渗氮后不再进行热处理。

要点提示

齿轮的表面处理既可以采用感应加热表面淬火，也可以采用化学热处理，如渗碳、渗氮等。经化学热处理的齿轮具有较高的整体强度和一定的韧性，齿面具有良好的耐磨性和接触疲劳强度，因此对于汽车、拖拉机、飞机及其他动力机械的高负荷、高速度的重载齿轮，常采用渗碳或碳氮共渗处理。