第五章钢的热处理

1、第五章 钢的热处理本章重点：热处理工艺主要介绍钢的普通常见的热处理方法，1 退火2 正火3 淬火4 回火。难点：各种热处理方法的区别和应用§5.3 钢的退火和正火 退火和正火是应用最为广泛的热处理工艺。在机械零件和工、模具的制造加工过程中，退火和正火往往是不可缺少的先行工序，具有承前启后的作用。机械零件及工、模具的毛坯退火或正火后，可以消除或减轻铸件、锻件及焊接件的内应力与成分、组织的不均匀性，从而改善钢件的机械性能和工艺性能，为切削加工及最终热处理（淬火）作好组织、性能准备。一些对性能要求不高的机械零件或工程构件，退火和正火亦可作为最终热处理。一. 退火目的及工艺 退火是钢加热到适

2、当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织、提高加工性能的一种热处理工艺。其主要目的是减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火作好组织准备。 退火工艺种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火及再结晶退火等。不同退火工艺的加热温度范围如图5.25所示，它们有的加热到临界点以上，有的加热到临界点以下。对于加热温度在临界点以上的退火工艺，其质量主要取决于加热温度、保温时间、冷却速度及等温温度等。对于加热温度在临界点以下的退火工艺，其质量主要取决于加热温度的均匀性。1. 完全退火 完全退火是将亚共析钢加热到AC3以上2030，保

3、温一定时间后随炉缓慢冷却至500左右出炉空冷，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。它主要用于亚共析钢，其主要目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能。 低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢完全退火，加热温度在Acm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。2. 等温退火 完全退火所需时间很长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十小时，为了缩短退火时间，可采用等温退火。等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，钢件在加热温度保温一定时间后，快冷至Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后

4、出炉空冷。图5.26为高速钢的完全退火与等温退火的比较，可见等温退火所需时间比完全退火缩短很多。 A r1以下的等温温度，根据要求的组织和性能而定；等温温度越高，则珠光体组织越粗大，钢的硬度越低。3. 球化退火 球化退火是使钢中渗碳体球化，获得球状（或粒状）珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析和过共析钢，其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性能；同时为后续淬火作好组织准备。球化退火是将钢件加热到A c1以上2030，充分保温使未溶二次渗碳体球化，然后随炉缓慢冷却，或在A r1以下20左右进行较长时间保温，使珠光体中的渗碳体球化，随后出炉空冷。上述两种工艺如图5.27所示。（1分钟）对于有网状二

5、次渗碳体的过共析钢，在球化退火之前应进行一次正火，以消除粗大的网状渗碳体。 近年来，球化退火工艺应用于亚共析钢也取得较好的效果，只要工艺控制恰当，同样可使渗碳体球化，从而有利于冷成形加工。4. 扩散退火 扩散退火是将钢锭或铸钢件加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的一种热处理工艺，扩散退火加热温度通常为A c1以上150300，具体加热温度视钢种及偏析程度而定，保温时间工般为1015h。 扩散退火后钢的晶粒非常粗大，需要再进行完全退火或正火。由于高温扩散退火生产周期长、消耗能量大、生产成本高，所以一般不轻易采用。5. 去应力退火为了消除冷加工以及铸造、焊

6、接过程中引起的残余内应力而进行的退火，称为去应力退火。去应力退火还能降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。钢的去应力退火加热温度范围较宽，但不能超过A c1点，一般在500-650之间；去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。二. 正火目的及工艺 正火是将钢加热到A c3或A ccm以上3050，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。正火与退火主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，获得的珠光体组织较细，强度和硬度也较高。正火与退火的目的相似，但正火态钢的机械性能较高，而且正火生产效率高，成本低，因此在工业生产中应尽量用正火代替退火。 正火的主

7、要应用是：1. 作为普通结构零件的最终热处理。2. 作为低、中碳结构钢的预先热处理，可获得合适的硬度，便于切削加工。3. 用于过共析钢消除网状二次渗碳体，为球化退火作妤组织准备。综上所述，为改善钢的切削性能，低碳钢宜用正火；共析钢和过共析钢宜用球化退火，且过共析钢宜在球化退火前采用正火消除网状二次渗碳体；中碳钢最好采用退火，但也可采用正火。§5.4 钢的淬火淬火是将钢加热到A c3或A c1以上的一定温度，保温后快速冷却，以获得马氏体（或下贝氏体）组织的一种热处理工艺。马氏体强化是钢最有效的强化手段，因此，淬火也是钢的最重要的热处理工艺。一. 淬火加热温度 淬火加热温度是淬火工艺的主

8、要参数。它的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以使淬火后获得细小的马氏体组织。为防止奥氏体晶粒粗化，淬火加热温度一般限制在临界点以上3050范围。碳钢淬火加热温度范围如图50.28所示。 亚共析钢淬火加热温度为A c3（3050）。这样可获得均匀细小的马氏体组织，若淬火加热温度过高，不仅会出现粗大马氏体组织，还会导致淬火钢的严重变形。若淬火加热温度过低，则会在淬火组织中出现铁素体，造成淬火钢硬度不足，甚至出现“软点”现象。 共析钢和过共析钢的淬火加热温度为A c1（3050）。淬火后，共析钢组织为均匀细小的马氏体和少量残余奥氏体；过共析钢则可获得均匀细小的马氏体加粒状二次渗碳体和少量残余

9、奥氏体的混合组织。过共析钢的这种正常淬火组织，有利于获得最佳硬度和耐磨性。若过共析钢的淬火加热温度过高，则会得到较粗大的马氏体和较多的残余奥氏体。这不仅降低了淬火钢的硬度和耐磨度性，而且会增大淬火变形和开裂倾向。 对于合金钢，由于大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，所以淬火加热温度可以稍微提高一些，以利于合金元素的溶解和均匀化，从而获得较好的淬火效果。二. 淬火冷却介质冷却也是影响淬火质量的一个重要因素。因此选择合适的淬火冷却介质，对于达到淬火目的和保证淬火质量具有十分重要的煮义。为了保证淬火能得到马氏体组织，淬火冷却速度就必须大于临界冷却速度（Vc）而快冷总是不可避免地要造成较大的内应

10、力，以致往往要引起钢件的变形或开裂。要解决这一矛盾，理想的淬火冷却曲线应如图50.29所示。由图可知，淬火并不需要整个冷却过程都是快冷，只要求在C曲线鼻尖附近快冷；而在MS点以下则应尽量慢冷，以减小马氏体转变时的内应力。但是到目前为止，还没有找到一种淬火冷却介质能符合这一理想淬火冷却曲线的要求，也就是说，至今还没有一种十分理想的淬火冷却介质。淬火最常用的冷却介质是水、盐水和油。水是既经济又有很强冷却能力的淬火冷却介质。其不足之处是在650550的范围内冷却能力不够强，而在300200范围内冷却能力又偏强，不符合理想淬火冷却介质的要求。盐水的淬火冷却能力比清水更强，尤其在650550范围内具有很

11、强的冷却能力，这对尺寸较大的碳钢件的淬火是非常有利的。采用盐水淬火时，由于盐晶体在工件表面的析出和爆裂，可不断有效地打破包围在工件表面的蒸汽膜和促使附着在工件表面上的氧化铁皮的剥落。因此用盐水淬火的工件容易获得高硬度和光洁的表面，且不会产生淬不硬的软点，这是清水淬火所不及的。但是盐水在300200以下温度范围内，冷却能力仍像清水那样相当强，能使工件变形加重，甚至发生开裂。此外，盐水对工件有锈蚀作用，淬过火的工件必须进行清洗。 总之，水和盐水主要适用于形状简单、硬度要求高而均匀、变形要求不严格的碳钢零件的淬火。 油是一类冷却能力较弱的淬火冷却介质。淬火用油主要为各种矿物油。油在高温区冷却速度不够

12、，不利于碳钢的淬硬，但有利于减少工件的变形。因此，在实际生产中，油主要用作过冷奥氏体稳定性好的合金钢和尺寸小的碳钢零件的淬火冷却介质。 熔融状态的碱浴和硝盐浴也常用作淬火冷却介质。碱浴在高温区的冷却能力比油强而比水弱，而硝盐在高温区的冷却能力比油略弱。在低温区域，碱浴和硝盐浴的冷却能力都比油弱。因此碱浴和硝盐浴广泛作截面不大、形状复杂、变形要求严格的工具钢的分级淬火或等温淬火的冷却介质。 表5.1和表5.2分别为常用淬火冷却介质水、盐水、碱水和油的冷却能力与碱浴、硝盐浴的成分、熔点使用温度。三. 淬火冷却方法由于淬火介质不能完全满足淬火质量的要求，所以要选择适当的淬火方法，以保证获得所需要的淬

13、火组织和性能的前提下，尽量减小淬火应力、工件变形和开裂倾向。；最常用的几种淬火方法如下：1. 单液淬火单液淬火是将奥氏体化后的钢件淬入一种介质中连续冷却获得马氏体组织的一种淬火方法（如图5.30曲线-1所示）这种方法操作简单，易实现机械化与自动化热处理；但它只适用于形状简单的碳钢和合金钢零件的淬火。（1分钟）2. 双液淬火双液淬火是先将奥氏体化后的钢件淬入冷却能力较强的介质中冷至接近MS点温度时快速转人冷却能力较弱的介质中冷却，直至完成马氏体转变（如图5.30曲线2所示）。这种淬火法利用了两种介质的优点，获得了较为理想的冷却条件；在保证工件获得马氏体组织的同时，减小了淬火应力，能有效防止工件的

14、变形或开裂。在工业生产常以水和油分别作为两种冷却介质，故又称之为水淬油冷法。双液淬火法要求操作人员必须具有丰富的实践经验，否则难以保证淬火质量。（1分钟）3. 分级淬火 分级淬火是将奥氏体化后的钢件淬入稍高于MS点温度的盐浴中，保持到工件内外温度接近后取出，使其在缓慢冷却条件下发生马氏体转变（如图5.30曲线3所示）。这种淬火方法显著降低了淬火应力，因而更为有效地减小或防止了淬火工件的变形和开裂。因受熔盐冷却能力的限制，它只适用于处理尺寸较小的工件。4. 等温淬火 等温淬火是将奥氏体化后的钢件淬入高于MS点温度的盐浴中，等温保持，以获得下贝氏体组织的一种淬火工艺（如图5.30曲线4所示）。这种

15、淬火方法处理的工件强度高、韧性好；同时因淬火应力很小，故工件淬火变形极小。它多用于处理形状复杂、尺寸较小的零件。 §5.5 钢的回火 回火是将淬火钢加热到临界点Acl以下的某一温度，保温后以适当方式冷却到室温的一种热处理工艺。 回火的主要目的是：降低脆性：消除或减少内应力。淬火钢存在很大的内应力，如不及时回火，往往会导致工件的变形和开裂。 稳定组织和工件尺寸：回火过程中，不稳定的淬火马氏体和残余奥氏体会转变为较稳定的铁素体和渗碳体或碳化物的两相混合物，从而保证了工件在使用过程中形状和尺寸的稳定性。 获得要求的机械性能：钢的淬火态组织一般虽然硬度很高，但脆性也很大；可通过适当温度的回火

16、，以获得零件所要求的强度、硬度、塑性和韧性的良好配合。一. 淬火钢在回火时的转变与回火组织1. 淬火钢在回火时的转变 淬火碳钢在回火过程中的组织转变主要发生在加热阶段。随着回火温度的升高，淬火钢的组织变化大致可以分为四个阶段；如图5.31所示。（1分钟）1) 马氏体分解 当回火温度超过80时，马氏体开始发生分解，从过饱和固溶体中析出弥散的且与母相保持共格联系的碳化物。随着回火温度的升高，马氏体中含碳量不断降低；直到350左右，马氏体分解基本结束。相中的含碳量降至接近平衡浓度。此时的相仍保持板条或针片状特征。（1分钟）2) 残余奥氏体转变 淬火碳钢加热到200时，残余奥氏体开始分解，转变为-碳化

17、物和过饱和相的混合物，即转变为下贝氏体或回火马氏体。相中的含碳量与马氏体在相同的温度下分解后的含碳量相近。到300时残余奥氏体分解基本完成。（1分钟）3) 碳化物的转变 当回火温度升至250400时，亚稳定的-碳化物转变为稳定的碳化物，即从相中析出渗碳体。这种转变在350左右进行较快，结果-碳化物被渗碳体所代替，从此碳化物与母相之间已不再有共格联系。（1分钟）4) 渗碳体聚集长大和相再结晶 当回火温度升至400以上时，渗碳体开始聚集长大。淬火碳钢经高于500回火后，渗碳体已为粒状；当回火温度超过600时，细粒状渗碳体迅速粗化。与此同时，在400以上相发生回复；当回火温度升到600以上时，相发生

18、再结晶，失去板条或针片状形态，成为多边形铁素体。（1分钟）2. 回火组织 由于淬火钢在回火过程中上述转变过程的交又进行，因此得到的回火组织较为复杂，但根据回火温度范围的不同，大致可将碳钢的主要回火组织分为三类。1) 回火马氏体高碳淬火钢在150350低温回火时，淬火马氏体分解为回火马氏体，它是由细小的-碳化物和较低过饱和度的针片状相组成，如图5.32所示。中碳淬火钢低温回火后得到的回火马氏体仍保持板条状和针片状形态。低碳淬火钢低温回火时，只发生碳原子的偏聚而无碳化物析出，其形态仍保持板条状不变。2) 回火托氏体 淬火碳钢在350500温度范围内回火得到的组织为回火托氏体。常见的回火托氏体是由大

19、量弥散分布的细粒状渗碳体和针片状铁素体组成，在光学显微镜下，渗碳体颗粒难以分辨，如图5.33所示。3) 回火索氏体 淬火碳钢在500850温度范围内回火得到的组织为回火索氏体。它是由粒状渗碳体和多边形铁素体组成，在光学显微镜下，渗碳体颗粒能清楚分辨，如图5.34所示。二. 回火钢的性能淬火钢在回火过程中，回火温度回火组织钢的性能之间存在着一一对应关系。回火温度越高，钢的硬度越低，如图5.35所示。在200以下回火时，由于-碳化物的弥散析出，硬度下降甚微；而高碳钢在100左右回火时，硬度甚至稍有提高。在200250回火时，由于残余奥氏体转变为下贝氏体或回火马氏体，高碳钢的硬度几乎停止下降。当回火

20、温度超过250以后，由于-碳化物转变为渗碳体以及渗碳体的聚集长大，钢的硬度随回火温度的升高直皇直线下降。在较低温度（200-300）回火时，因淬火引起的内应力被消除，钢的屈服强度和抗拉强度都得到提高。在300400温度范围内回火时，钢的弹性极限达到最高值。进一步提高回火温度，钢的强度将迅速下降，钢的塑性和韧性一般都随着回火温度的升高而增长。在600左右回火时，钢的塑性、韧性与强度达到良好配合，即可获得较好的综合机械性能。淬火钢经回火获得的托氏体和索氏体组织与过冷奥氏体直接分解所得到的托氏体和索氏体相比，具有较优的性能；在硬度相同时，前者具有较高的屈服强度、塑性和韧性。这主要是因为组织形态不同所

21、致。三. 回火种类淬火钢回火后的组织和性能决定于回火温度。按回火温度范围的不同，可将钢的回火分为三类：1. 低温回火回火温度范围一般为150250，得到回火马氏体组织。淬火钢经低温回火后仍保持高硬度（HRC58-64）和高耐磨性。其主要目的是为了降低淬火应力和脆性。各种高碳钢工、模具及耐磨零件通常采用低温回火。2. 中温回火回火温度范围通常为350500，得到回火托氏体组织。淬火钢经中温回火后，硬度为HRC3545，具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的塑性和韧性。中温回火主要用于各种弹簧的处理。3. 高温回火回火温度范围通常为500650，得到回火索氏体组织，硬度为HRC2535。淬火钢经

22、高温回火后，在保持较高强度的同时，又具有较好的塑性和韧性，即综合机械性能较好。人们通常将中碳钢的淬火加高温回火的热处理称为凋质处理。它广泛应用于处理各种重要的结构零件，如在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。（2分钟）四. 回火脆性 淬火钢回火时，其冲击韧性并非随着回火温度的升高而单调地提高，在250400和450650两个温度区间内出现明显下降，这种脆化现象称为钢的回火脆性，如图5.36所示。1. 低温回火脆性淬火钢在250400温度范围内回火出现的脆性称为低温回火脆性，也叫第一类回火脆性。几乎所有的淬火钢在300左右回火时都会出现这种脆性。一般认为，低温回火脆性是由于马氏体分解在其晶

23、界上析出断续的薄壳状渗碳体，降低了晶界断裂强度，使裂纹容易沿着晶界形成与扩展，因而导致脆性断裂。若进一步提高回火温度，可使碳化物聚集球化，从而减轻和消除界面脆化，钢的韧性又得到恢复和提高，此后，即使再一次在300左右回火，脆性不会重新出现。因此又称低温回火脆性为不可逆回火脆性，为了防止低温回火脆性，通常的办法是避免在脆化温度范围内回火。2. 高温回火脆性淬火钢在500-650温度范围内回火出现的脆性称为高温回火脆性，又叫第二类回火脆性。这类回火脆性主要出现在含Cr、Ni、Mn、Si等合金元素的钢中。当淬火钢在550左右加热保温后缓慢冷却时，会出现明显的隘脆化现象，若快速冷却，脆化现象消失或受到

24、抑制。若将已产生脆化的钢重新加热到550左右保温并快速冷却时，可消除脆性；反之，若将已消除脆性的钢重新加热到高温回火温区，然后缓慢冷却，则脆性又会再次出现。因此高温回火脆性又称可逆回火脆性。一般认为，高温回火脆性的产生主要与Sb、Sn、P、As等有害杂质元素在原奥氏体晶界偏聚有关。这些杂质削弱了奥氏体晶界上原子间的结合，从而降低了晶界断裂强度，而Ni、Cr、Mn等合金元素不但促进上述杂质元素向原奥氏体晶界偏聚，所以增大了回火脆性倾向。在钢中加入Mo、W等合金元素，能抑制杂质元素向晶界偏聚，可有效减轻或消除这类回火脆性倾向。§5.6 钢的淬透性淬透性是钢的一个重要的热处理工艺性能，它是

25、根据使用性能合理选择钢材和正确制定热处理工艺的重要依据。一. 淬透性的概念钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小可用钢在一定条件下淬火获得淬透层的深度表示。淬透层越深，表明钢的淬透性越好。一定尺寸的工件在某种冷却介质中淬火时，其淬透层的深度与工件从表面到心部各点的冷却速度有关，若工件心部的冷却速度能达到或超过钢的临界冷却速度Vc，则工件从表面到心部均能得到马氏体组织，这表明工件已淬透。若工件心部的冷却速度达不到Vc，仅外层冷却速度超过Vc，则心部只能得到部分马氏体或全部非马氏体组织，这表明工件未淬透。在这种情况下，工件从表到里是由一定深度的淬透层和未淬透的心部组成。显然钢

26、的淬透层深度与钢件尺寸及淬火介质的冷却能力有关。工件尺寸越小，淬火介质冷却能力越强，则钢的淬透层深度越大；反之，工件尺寸越大，介质冷却能力越弱，则钢的淬透层深度就越小。钢的淬透性在本质上取决于过冷奥氏体的稳定性。过冷奥氏体越稳定，临界冷却速度越小，钢件在一定条件下淬火后得到的淬透层深度越大，则钢的淬透性越好。因此，凡是影响过冷奥氏体稳定性的因素，都影响钢的淬透性。过冷奥氏体的稳定性主要决定于钢的化学成分和奥氏体化温度。也就是说，钢的含碳量、合金元素及其含量以及淬火加热温度是影响淬透性的主要因素。需要特别强调两个问题，一是钢的淬透性与具体工件的淬透层深度的区别。淬透性是钢的一种工艺性能，也是钢的

27、一种属性，对于一种钢在一定的奥氏体化温度下淬火时，其淬透性是确定不变的。钢的淬透性的大小用规定条件下的淬透层深度表示。而具体工件的淬透层深度是指在实际淬火条件下得到的半马氏体区至工件表面的距离，是不确定的，它受钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等诸多因素的影响。二是淬透性与淬硬性的区别。淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力，用淬火后马氏体所能达到的最高硬度表示，它主要取决于马氏体中的含碳量。淬透性和淬硬性并无必然联系，如过共析碳钢的淬硬性高，但淬透性低；而低碳合金钢的淬硬性虽然不高，但淬透性很好。 二. 淬透性的测定及表示方法测定钢的淬透性的最常用的方法是末端淬火法（筒称端淬法），其有关细则可

28、参见国家标谁GB225-63。采用25mm×100mm的标准试样，经奥氏体化后迅速放在末端淬火装置（见图5.38a）上喷水冷却。 将端淬后的试样沿着轴线方向相对两侧面各磨去0.20.5mm，获得两个相互平行的窄条平面。然后从试样的末端开始，每隔1.5mm，测量一个硬度值，即可得到试样沿轴线方向的硬度分布曲线，这就是钢的淬透性曲线。钢的淬速性通常用表示，其中J表示末端淬透性，d表示至水冷端的距离，HRC为在该处测得的硬度值。例如表示距水冷端12mm处的硬度值为HRC35，表示距水冷端6mm处的硬度值为HRC4550。三. 淬透性曲线的应用1. 根据淬透性曲线可以比较不同钢种的淬透性大小

29、先在半马氏体区硬度与钢的含碳量的关系曲线（图5.38c）上找出不同钢种的半马氏体区硬度值，然后过此硬度值的点作一水平线与淬透性曲线相交（见图5.38b），交点处对应的距离即为相应钢种的半马氏体区至水冷端的距离。该距离越大，钢的淬透性就越大。例如，45钢半马氏体区至水冷端的距离大约为3.3mm，而40Cr钢则为10.5mm左右，显然40Cr钢的淬透性比45钢大。2. 利用淬透性曲线可以确定钢棒的临界淬火直径一根钢棒在某种介质中淬火时，能够淬透或截面中心获得半马氏体的最大直径，叫做临界淬火直径。3. 利用淬透性曲线可推导圆钢淬火后横我面上的硬度分布 基本方法是：先在图5.40中找到钢材直径的水平线

30、上与“表面”、“3/4半径”、“1/2半径”和“中心”曲线的交点，并由此找到它们相应的距试样末端的距离d，然后利用这些d值在钢的淬透性曲线上找到它们相应的硬度值。4. 淬透性与机械设计 由于钢的机械性能受淬透性的影响，因此设计人员在根据工件的服役条件和性能要求选材时，必须充分考虑淬透性这一重要因素。 对于一些重要零件，如承受较大载荷的螺栓、拉杆、锤杆等，常常要求其心部和表面机械性能一致，因此应当选用能全部淬透的钢。 某些心部机械性能对于使用条件影响不大的零件，如仅承受弯曲和扭转的轴类零件，不需要一定淬透，因而可选用较低淬透性的钢，只要保证淬透层深度为工件半径的1/31/2即可。 有些工件不能选

31、用淬透性高的钢，例如需要焊接的工件，若选用高淬透性的钢，则易在焊缝热影响区内出现淬火组织，造成焊件的变形和开裂。 由于工件的淬透层深度受到工件有效尺寸的影响，一些大尺寸工件往往不能淬透，并且工件截面尺寸越大、淬透层深度越小。因此，在机械设计中，不能将小尺寸试样的性能数据用于大尺寸工件的设计计算中。 低淬透性钢制造的大尺寸工件，采用正火代替凋质处理，不仅更为经济，而且性能也相差不大。§5.7 钢的表面淬火 表面淬火是采用快速加热的方法使工件表面奥氏体化，然后快冷获得表层淬火组织的一种热处理工艺。 很多承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件，其表面要比心部承受更高的应力。因此，要求零件表面应具

32、有高的强度、硬度和耐磨性，而心部在保持一定强度、硬度的条件下，应具有是够的塑性和韧性。显然，采用表面淬火的热处理工艺，能使工件达到这种表硬心韧的性能要求。 表面淬火是钢表面强化的方法之一，由于其具有工艺简单、生产率高、热处理缺陷少等优点，因而在工业生产中获得了广泛的应用。根据加热方法的不同，表面淬火可分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火及激光加热表面淬火等。其中应用最广泛的是感应加热与火焰加热表面淬火方法。一. 感应加热表面淬火1. 感应加热的基本原理感应加热是利用电磁感应原理，使工件表面产生密度很高的感应电流，将工件表层迅速加热、。图5.42为感应加

33、热表面淬火示意图。将工件放人感应圈内，当感应圈中通过一定频率交流电时会产生交变磁场，于是工件内就会感应产生同频率的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭回路，故通常称为涡流。涡流在工件中的分布由表面到心部呈指数规律衰减。因此，涡流主要分布在工件表面，工件心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。感应加热就是利用感应电流的集肤效应和热效应将工件表面迅速加热到淬火温度的。2. 感应加热表面淬火的种类感应电流透入工件表层的深度主要取决于电流频率，电流频率越高，电流透入深度越浅，则工件表层被加热的厚度越薄，即淬透层深度越小。感应电流透入工件表层的深度（mm）与电流频率f（Hz）之间有如下关系： （

34、20冷态） （800热态） 800远大于20。，这是因为钢被加热到磁性转变点以上温度时，失去磁性，磁导率急剧下降，导致电流透人深度急剧增加。根据所用电流频率的不同，感应加热表面淬火可分为三类：1) 高频感应加热表面淬火：电流频率为100500kHz，最常用频率为200300kHz，可获淬硬层浓度为0.52.0mm，主要适用于中、小模数齿轮及中、小尺寸轴类零件的表面淬火。2) 中频感应加热表面淬火：电流频率为50010000Hz，最常用频率为25008000Hz。可获淬硬层深度为35mm。主要用于要求淬硬层较深的较大尺寸的轴类零件及大中模数齿轮的表面淬火。3) 工频感应加热表面淬火：电流频率为5

35、0Hz，不需要变频设备。可获得淬硬层深度为1015mm。适用于轧辊、火车车轮等大直径零件的表面淬火。 感应加热速度极快，一般不进行加热保温，为保证奥氏体化质量，感应加热表面淬火可采用较高的淬火加热温度，一般可比普通淬火温度高100200。 感应加热表面淬火通常采用喷射介质冷却。工件经表面淬火后，一般应在180200进行回火，以降低残余应力和脆性。3. 感应加热表面淬火的特点 与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火有以下主要特点：1) 由于感应加热速度极快，钢的奥氏体化温度明显升高，奥氏体化时间显著缩短，即奥氏体化是短时间内在一个很宽的温度范围内完成的。2) 由于感应加热时间短、过热度大，使得奥氏

36、体形核多，且不易长大，因此淬火后表面得到细小的隐晶马氏体，硬度比普通淬火的高HRC2-3，韧性也明显提高。3) 表面淬火后，不仅工件表层强度高，而且由于马氏体转变产生的体积膨胀，在工件表层造成了有利的残余压应力，从而有效地提高了工件的疲劳强度并降低了缺口敏感性。4) 感应加热速度快、时间短，工件一般不会发生氧化和脱碳；同时由于芯部未被加热，淬火变形小c5) 感应加热表面淬火的生产效率高，便于实际机械化和自动化；但因设备费用昂贵，不宜用于单件生产。感应加热表面淬火主要适用于中碳和中碳低合金结构钢，例如40、45、40Cr、40MnB等。 §5.8 钢的化学热处理 化学热处理是将工件置于

37、特定介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表层的化学成分和组织，从而达到改进表层性能的一种热处理工艺。与表面淬火相比，化学热处理后的工件表层不仅有组织的变化，而且有化学成分的变化，所以，化学热处理使工件表层性能提高的程度超过了表面淬火的水平。 化学热处理不仅可以显著提高工件表层的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐腐蚀性能，而且能够保证工件心部具有良好的强韧性。因此，化学热处理在工业生产中已获得越来越广泛的应用。 化学热处理种类很多，根据渗入元素的不同，可分为渗碳、渗氮（氮化），！碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗硫、渗金属、多元共渗等。在机械制造工业中，最常用的化学热处理工艺有钢的渗碳、氮化和

38、碳氮共渗。一. 化学热处理的基本过程 化学热处理过程是一个比较复杂的过程。一般将它看成由渗剂的分解、工件表面对活性原子的吸收和渗入工件表面的原子向内部扩散三个基本过程组成。1. 渗剂的分解 在一定温度下渗剂的化合物发生分解，产生渗人元素的活性原子（或离子）。例如： 2COCO2C COH2H2OC CH42H2C 2NH3一3H22N 值得注意的是，作为化学热处理渗剂的物质必须具有一定的活性，即具有易于分解出被渗元素原子的能力。然而并非所有含被渗元素的物质都能作为渗剂。例如N2在普通渗氮温度下就不能分解出活性氮原子，因此不能作为渗氮的渗剂。2. 工件表面的吸收 刚分解出的活性原子（或离子）碰到

39、工件时，首先被工件表面所吸附；而后溶入工件表面，形成固溶体；在活性原子浓度很高时，还可能在工件表面形成化合物。3. 工件表面原子向内部扩散 工件表面吸收被渗元素的活性原子后，造成了工件表面与心部的浓度差，促使被渗元素的原子由高浓度表面向内部的定向迁移，从面形成一定深度的扩散层。二. 钢的渗碳将低碳钢放人渗碳介质中，在900950加热保温，使活性碳原子渗入钢件表面以获得高碳渗层的化学热处理工艺称为渗碳。渗碳的主要目的是提高工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，同时保持心部具有一定强度和良好的塑性与韧性。渗碳钢的含碳量一般为0.10.3，常用渗碳钢有20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi、20

40、MnVB等。因此，一些重要的钢制机器零件经渗碳和热处理后，能兼有高碳钢和低碳钢的性能；从而使它们既能承受磨损和较高的表面接触应力，同时又能承受弯曲应力及冲击载荷的作用。1. 渗碳方法根据所用渗碳剂的不同，渗碳方法可分为三种，即气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。常用的是前两种，尤其是气体渗碳应用最为广泛。1) 气体渗碳气体渗碳是零件在含有气体渗碳介质的密封高温炉罐中进行渗碳处理的工艺。通常使用的渗碳剂是易分解的有机液体，如煤油、苯、甲醇、丙酮等。这些物质在高温下发生分解反应，产生活性碳原子，造成渗碳条件： CH4一2H2C 2COCO2C COH2一H2OC 2) 固体渗碳 如图5.45所示，固体渗

41、碳是将工件装人渗碳箱中，周围填满固体渗碳剂，密封后送入加热炉内，进行加热渗碳。渗碳温度一般也为900950。2. 渗碳层成分、组织和厚度 低碳钢渗碳后，表层含碳量可达过共析成分，由表往里碳浓度逐渐降低，直至渗碳钢的原始成分，如图5.46所示。所以渗碳件缓冷后，表层组织为珠光体加二次渗碳体；心部为铁素体加少量珠光体组织；两者之间为过渡层，越靠近表层铁素体越少，如图5.47所示。一般规定，从表面到过渡层一半处的厚度为渗碳层的厚度。 渗碳层的厚度主要根据零件的工作条件来确定。渗碳层太薄，易产生表面疲劳剥落；太厚则使承受冲击载荷的能力降低。一般机械零件的渗碳层厚度在0.52.0mm之间。工作中磨损轻、