教学材料工程材料-第五章

第五章钢的热处理热处理是指将钢在固态下加热到预定的温度，并在该温度下保持一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的一种热加工工艺，钢的热处理工艺曲线如图５－１所示。热处理是机械制造工艺中一个不可缺少的组成部分，它能改善零件的加工性能，提高材料的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命。可见，热处理在机械制造中占有非常重要的地位。根据热处理加热和冷却方式的不同，可分为普通热处理（即退火、正火、淬火、回火）和表面热处理（即表面淬火和化学热处理）。任何热处理工艺都包括加热、保温和冷却三个阶段。它可以用温度—时间坐标图形来表示。如图５－１所示，此曲线称为热处理工艺曲线。热处理中保温的目的是使工件热透，组织转变均匀。返回第一节钢在加热时的组织转变钢的热处理，首要的工作是进行加热，通常情况下是将钢放进加热炉（图５－４）进行加热。钢加热的目的是获得奥氏体。奥氏体虽然是钢在高温状态下的组织，但它的晶粒大小、均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有重要影响。因此，了解钢在加热时组织结构的变化规律，是对钢进行正确热处理的先决条件。钢的热处理过程，一般来说，首先是把钢加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所期望的组织和性能。通常把钢加热获得奥氏体的转变过程称为“奥氏体化”。加热时形成的奥氏体的化学成分、均匀化程度、晶粒大小以及加热后未溶入奥氏体中的碳化物等过剩相的数量和分布状况，直接影响钢在冷却后的组织和性能。下一页返回第一节钢在加热时的组织转变因此，研究钢在加热时的组织转变规律，控制加热规范以改变钢在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、保证热处理产品质量有重要意义。加热是热处理工艺的首要步骤。多数情况下，将钢加热到临界温度以上，使原有的组织转变成为奥氏体后，再以不同的冷却方式或速度转变成所需的组织，以获得预期的性能。如前所述，铁碳合金状态图中组织转变的临界温度曲线Ａ１、Ａ３、Ａｃｍ是在缓慢加热和冷却条件下测定出来的，而实际生产中的加热和冷却多不是极其缓慢的，故存有一定的滞后现象，也就是说，需要一定的过热或过冷转变才能充分进行。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变通常将加热时实际转变温度位置用Ａｃ１、Ａｃ３、Ａｃｃｍ表示；将冷却时实际转变温度位置用Ａｒ１、Ａｒ３、Ａｒｃｍ表示，如图５－５所示。共析钢奥氏体的形成过程以共析钢为例讨论奥氏体的形成过程。若共析钢的原始组织为片状珠光体，当加热至Ａｃ１以上温度时，珠光体转变为奥氏体。这种转变可用下式表示：上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变这一过程是由碳含量很高、具有正交晶格的渗碳体和碳含量很低、具有体心立方晶格的铁素体转变为碳含量介于两者之间、具有面心立方晶格的奥氏体。因此，奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。共析钢中奥氏体的形成由四个基本过程组成，即奥氏体的形核、奥氏体晶核的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化，如图５－６所示。１.奥氏体的形核将钢加热到Ａｃ１以上某一温度保温时，珠光体处于不稳定状态，通常首先在铁素体和渗碳体相界面上形成奥氏体晶核，这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度分布不均匀，原子排列不规则，易于产生溶度起伏和结构起伏区，为奥氏体形核创造了有利条件。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变珠光体裙边界也可成为奥氏体的形核部位。在快速加热时，由于过热度大，也可以在铁素体亚晶边界上形核。某些研究者认为，当过热度很大或在超快速加热条件下，Ｆ→Ａ的晶格改组是共格界面条件下的切变机制。碳原子从渗碳体扩散进入切变机构形成的片状奥氏体相区域中，使这些区域成为能长大的奥氏体晶核。２.奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成后，它一面与铁素体相接，一面和渗碳体相接，并在浓度上建立起平衡关系。由于和渗碳体相接的界面碳浓度高，而和铁素体相接的界面碳浓度低，这就使得奥氏体晶粒内部存在碳的浓度梯度，从而引起碳不断从渗碳体界面通过奥氏体晶粒向低碳浓度的铁素体界面扩散。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变为了维持原来相界面碳浓度的平衡关系，奥氏体晶粒不断向铁素体和渗碳体两边长大，直至铁素体全部转变为奥氏体为止。３.剩余渗碳体的溶解铁素体消失后，继续保温或继续加热时，随着碳在奥氏体中继续扩散，剩余渗碳体不断向奥氏体中溶解。４.奥氏体成分均匀化当渗碳体刚刚全部溶入奥氏体后，奥氏体内碳浓度仍是不均匀的，原来是渗碳体的地方碳浓度较高，而原来是铁素体的地方碳浓度较低，只有经长时间的保温或继续加热，让碳原子进行充分的扩散才能获得成分均匀的奥氏体。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变影响奥氏体形成速度的因素奥氏体的形成是通过形核与长大过程进行的，整个过程受原子扩散所控制。因此，凡是影响扩散、影响形核与长大的一切因素，都会影响奥氏体的形成速度。１.加热温度和保温时间为了描述珠光体向奥氏体的转变过程，将共析钢试样迅速加热到Ａｃ１以上各点不同的温度保温，记录各个温度下珠光体向奥氏体转变开始、铁素体消失、渗碳体全部溶解和奥氏体成分均匀化所需要的时间，绘制在转变温度和时间坐标图上，便得到共析钢的奥氏体等温形成图（图５－７）。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变由图５－７可见，在Ａｃ１以上某一温度保温时，奥氏体并不立即出现，而是保温一段时间后才开始形成。这段时间称为孕育期。这是由于形成奥氏体晶核需要原子的扩散，而扩散需要一定的时间。随着加热温度的升高，原子扩散速率急剧加快，相变驱动力迅速增加以及奥氏体中碳的浓度梯度显著增大，使得奥氏体的形核率和长大速度大大增加，故转变的孕育期和转变完成所需时间也显著缩短，即奥氏体的形成速度加快。在影响奥氏体形成速度诸多因素中，温度的作用最为显著。因此，控制奥氏体的形成温度至关重要。但是，从图５－７也可以看到，在较低温度下长时间加热和较高温度下短时间加热都可以得到相同的奥氏体状态。因此，在制定加热工艺时，应当全面考虑加热温度和保温时间的影响。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变在实际生产采用的连续加热过程中，奥氏体等温转变的基本规律仍是不变的。２.原始组织的影响钢在原始组织为片状珠光体时，铁素体和渗碳体组织越细，它们的相界面越多，则形成奥氏体的晶核越多，晶核长大速度越快，因此可加速奥氏体的形成过程。如共析钢的原始组织为淬火马氏体、正火索氏体等非平衡组织时，则等温奥氏体化曲线如图５－８所示。每组曲线的左边一条是转变开始线，右边一条是转变终了线，由图可见，奥氏体化最快的是淬火状态的钢，其次是正火状态的钢，最慢的是球化退火状态的钢。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变这是因为淬火状态的钢在Ａ１点以上升温过程中已经分解为微细粒状珠光体，组织最弥散，相界面最多，有利于奥氏体的形核与长大，所以转变最快。正火态的细片状珠光体，其相界面也很多，所以转变也很快。球化退火态的粒状珠光体，其相界面最少，因此奥氏体化最慢。３.化学成分的影响１）碳钢中的含碳量对奥氏体形成速度的影响很大。这是因为钢中的含碳量越高，原始组织中渗碳体数量越多，从而铁素体和渗碳体的相界面越多，使奥氏体的形核率越大。此外，含碳量增加又使碳在奥氏体中的扩散速度增大，从而增大了奥氏体长大速度。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变２）合金元素合金元素主要从以下几个方面影响奥氏体形成速度。首先，合金元素影响碳在奥氏体中的扩散速度。其次，合金元素改变了钢的临界点和碳在奥氏体中的溶解度，于是就改变了钢的过热度和碳在奥氏体中的扩散速度，从而影响奥氏体的形成过程。此外，钢中合金元素在铁素体和碳化物中的分布不均匀的，在平衡组织中，碳化物形成元素集中在碳化物中，而非碳化物形成元素集中在铁素体中。因此，奥氏体形成后碳和合金元素在奥氏体中的分布都是极不均匀的。所以在合金钢中除了碳的均匀化之外，还有一个合金元素的均匀化过程。在相同条件下，合金元素在奥氏体中的扩散速度远比碳小得多，仅为碳的万分之一到千分之一。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变因此，合金钢的奥氏体均匀化时间要比碳钢长得多。在制定合金钢的加热工艺时，与碳钢相比，加热温度要高，保温时间要长，原因就在这里。奥氏体晶粒大小及其影响因素钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒大小对冷却转变后钢的组织和性能有着重要的影响。一般来说，奥氏体晶粒越细小，钢热处理后的强度越高，塑性越好，冲击韧度越高。１.奥氏体晶粒度的概念奥氏体晶粒大小对后续的冷却转变及转变所得的组织与性能有着重要的影响，因此获得细小的晶粒是热处理过程中始终要注意的问题。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变奥氏体有以下两种不同概念的晶粒度。（１）起始晶粒度。起始晶粒度是指珠光体刚刚转变为奥氏体的晶粒大小。起始晶粒度非常细小，在继续加热或保温过程中还要继续长大。（２）本质晶粒度。冶金部标准（ＹＢ／Ｔ５１４８—１９９３）中规定，将钢试样加热到（９３０±１０）℃、保温３～８ｈ，冷却后制成金相试样。在显微镜下放大１００倍观察，然后再和标准晶粒度等级图（图５－９）比较，确定该试样的晶粒度，这个晶粒度即为该钢的本质晶粒度。晶粒度在１～４级范围内的钢称为本质粗晶粒钢，晶粒度在５～８级范围内的钢称为本质细晶粒钢。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变不同的钢在加热时奥氏体长大的倾向是不同的，用本质晶粒度表示。奥氏体晶粒容易长大的钢称为“本质粗晶粒钢”，反之，奥氏体晶粒不容易长大的钢称为“本质细晶粒钢”。两种晶粒长大倾向示意图如图５－１０所示。本质晶粒度取决于钢的成分和冶炼条件，一般用铝脱氧的钢为本质细晶粒钢，而只用硅锰脱氧的钢为本质粗晶粒钢。镇静钢一般为本质细晶粒钢，而沸腾钢一般为本质粗晶粒钢。本质晶粒度在热处理中有重要意义。如渗碳是在高温长时间下进行的热处理，若采用本质细晶粒钢，渗碳后可直接淬火，得到细小组织；若用本质粗晶粒钢，将使奥氏体粗化，产生过热缺陷。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变２.晶粒度控制措施奥氏体晶粒度的影响因素很多，如加热温度、保温时间、加热速度、钢的成分、钢的原始组织等。要严格控制加热温度和保温时间，当加热温度确定后，加热速度越快，奥氏体晶粒越细小。因此，采用高温快速短时间的加热工艺是生产中常用的热处理加热方法。另外，要合理选材：采用加入一定量合金元素的钢，因为合金元素能不同程度地阻止奥氏体晶粒长大；采用原始组织较细的钢，因为原始晶粒越细，热处理加热后的奥氏体晶粒越细小；采用本质细晶粒钢。３.影响奥氏体晶粒大小的因素上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变由于奥氏体晶粒大小对钢件热处理后的组织和性能影响极大，因此必须了解影响奥氏体晶粒长大的因素，以寻求控制奥氏体晶粒大小的方法。奥氏体晶粒形成以后，其大小主要取决于升温或保温过程中奥氏体晶粒长大过程，这个过程可视为晶界的迁移过程，其实质就是原子在晶界附近的扩散过程。因此，凡是影响晶界原子扩散的因素都会影响奥氏体晶粒长大。１）加热温度和保温时间影响由于奥氏体晶粒长大与原子扩散有密切关系，因此加热温度越高，保温时间越长，则奥氏体晶粒越粗大。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变加热温度对奥氏体晶粒长大起主要作用，因此生产上必须严加控制，防止加热温度过高，以避免奥氏体晶粒粗化。通常要根据钢的临界点、工件尺寸及装炉量确定加热规程。２）加热速度的影响加热温度相同时，加热速度越快，过热度越大，奥氏体的实际形成温度越高，形核率的增加速度大于长大速度，使奥氏体晶粒细小。生产上常采用快速加热短时保温工艺来获得超细化晶粒。３）钢的化学成分的影响在一定的含碳量范围内，随着奥氏体中碳含量的增加，碳在奥氏体中扩散速度及铁的自扩散速度增大，晶粒长大倾向增加。上一页下一页返回第一节钢在加热时的组织转变用铝脱氧或在钢中加入适量的Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ等强碳化物形成元素时，能形成高熔点的弥散碳化物和氮化物，可以得到细小的奥氏体晶粒。Ｍｎ、Ｐ、Ｃ、Ｎ等元素溶入奥氏体后削弱了铁原子结合力，加速了铁原子的扩散，因而促进了奥氏体晶粒的长大。上一页返回第二节钢在冷却时的组织转变钢经奥氏体化后，由于冷却条件不同，其转变产物和性能有很大差别。由表５－１可以看出，４５钢在同样奥氏体化条件下，由于冷却速度不同，其力学性能有明显差别。在热处理生产中，常用的冷却方式有两种，即等温冷却和连续冷却，其曲线如图５－１１所示。等温冷却是将奥氏体迅速冷却到Ａｃ１以下某一温度进行保温，使奥氏体发生转变，然后冷却到室温（图５－１１曲线１）。连续冷却是将奥氏体自高温连续冷却到室温（图５－１１曲线２）。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，不会发生转变。奥氏体冷却至临界温度以下，在热力学上处于不稳定状态，要发生分解转变。下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变这种在临界温度以下存在且不稳定的、将要发生转变的奥氏体，叫作过冷奥氏体。过冷奥氏体在连续冷却时的转变是在一个温度范围内发生的，其过冷度是不断变化的，因而可以获得粗细不同或类型不同的混合组织。虽然这种冷却方式在生产中广泛应用，但分析起来比较困难。钢在等温冷却的情况下，可以控制温度和时间这两个因素，分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响，有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及不同转变产物的组织和性能，并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线。由于等温转变对研究钢在冷却时的组织转变较为方便，下面以共析钢为例来说明冷却方式对钢组织和性能的影响。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变过冷奥氏体等温转变１.过冷奥氏体等温转变图反映过冷奥氏体等温转变温度与转变产物之间关系的图形称为过冷奥氏体等温转变图。图５－１２为共析钢过冷奥氏体等温转变图，因两条曲线形状如英文字母Ｃ，故称为“Ｃ曲线”，图中左边Ｃ曲线为过冷奥氏体转变开始线，右边Ｃ曲线为过冷奥氏体转变终了线。从Ｃ曲线图中我们可以看出：Ａ１以上是奥氏体稳定区域；在Ａ１以下左Ｃ曲线左边，由于过冷现象，奥氏体仍然存在一段时间，这段时间称为孕育期。孕育期的长短标志着过冷奥氏体稳定性的大小。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变曲线的拐弯处（５５０℃左右）俗称“鼻尖”，孕育期最短（约１ｓ），过冷奥氏体稳定性最小；右Ｃ曲线右边为转变产物区；在左Ｃ、右Ｃ两条曲线之间为过渡区，转变正在进行。２.过冷奥氏体等温转变产物的组织和性能过冷奥氏体等温转变图中的鼻尖将曲线分为上下两部分，上部称为珠光体转变区，下部称为贝氏体转变区。１）珠光体转变（在Ａｌ～５５０℃范围）珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。渗碳体呈片层状分布在铁素体基体上，等温转变温度越低，所得珠光体越细。根据所形成片层间距大小，珠光体又可分为珠光体、索氏体和托氏体，其组织和性能见表５－２。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变珠光体的力学性能主要取决于片层间距的大小。片层间距越小，则珠光体的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也有所改善。２）贝氏体转变（在５５０℃～Ｍｓ范围）因转变温度较低，原子活动能力较弱，过冷奥氏体虽然仍分解成渗碳体和铁素体的混合物，但铁素体溶解的碳超过了正常的溶解度。转变后得到的组织为含碳量具有一定过饱和程度的铁素体和极分散的渗碳体组成的混合物，称为贝氏体，用符号“Ｂ”表示。在５５０℃～３５０℃范围内，转变的产物呈密集平行的白亮条状组织，形若羽毛，这种组织称为上贝氏体（图５－１３）。上贝氏体硬度为４０～４５ＨＲＣ，但塑性很差，在生产中很少使用。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变在３５０℃～２３０℃范围内，转变的产物呈黑色针叶状，这种组织称为下贝氏体（图５－１４）。下贝氏体硬度高（４５～５５ＨＲＣ），韧性也好。共析钢贝氏体转变产物的组织和性能见表５－３。过冷奥氏体连续冷却转变把钢加热到奥氏体状态后，使奥氏体在温度连续下降的过程中发生的转变称为过冷奥氏体连续冷却转变。因过冷奥氏体连续冷却转变曲线测定困难，故目前生产中通常应用过冷奥氏体等温转变图近似地来分析奥氏体连续冷却时的转变。在共析钢的等温转变图上估计生产中典型连续冷却时的转变情况，如图５－１５所示。典型的连续冷却产物见表５－４。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变随炉冷却（ｖ１约１０℃／ｍｉｎ）时，根据它和Ｃ曲线相交的位置，可以估计出奥氏体转变为珠光体。空气冷却（ｖ２约１０℃／ｓ）时，根据它和Ｃ曲线相交的位置，可以估计出奥氏体转变为索氏体。油中冷却（ｖ３约１５０℃／ｓ）时，它与Ｃ曲线开始转变线相交，可判断有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，但ｖ３没有与Ｃ曲线的转变终了线相交，故另一部分过冷奥氏体来不及分解，就被过冷到Ｍｓ温度以下，转变为马氏体，最后得到托氏体＋马氏体的混合物。水中冷却（ｖ４约６００℃／ｓ）时，它不与Ｃ曲线相交，一直过冷到Ｍｓ温度以下，开始转变为马氏体。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变共析钢Ｃ曲线最为简单，只有珠光体转变区和马氏体转变区，说明共析钢连续冷却时没有贝氏体形成。马氏体转变的特点如下。（１）奥氏体向马氏体转变，是连续冷却进行的，它从Ｍｓ开始，到Ｍｆ转变终止。（２）转变速度极快。（３）马氏体转变体积发生膨胀，并产生很大的内应力。（４）转变不彻底，存在残余奥氏体。马氏体的形态主要有板条状和针状两种，显微组织如图５－１６所示。上一页下一页返回第二节钢在冷却时的组织转变两种马氏体性能比较见表５－５，含碳量为０.２％～１.０％时，淬火后的组织是板条状马氏体和针状马氏体的混合物。同一种钢，马氏体比其他任何一种组织的硬度都要高，所以获得马氏体组织的淬火工艺，是强化钢铁零件的主要方法。上一页返回第三节退火和正火退火与正火主要是用于消除铸造、锻造、焊接等热加工过程中产生的某些缺陷，为随后的切削加工或最终热处理做组织上的准备。退火与正火一般安排在铸造、锻造、焊接之后，粗加工之前，属于钢的预先热处理；对于某些性能要求不高的零件，退火与正火也可作为最终热处理，处理后直接使用。退火或正火的主要目的及作用主要有如下几点。（１）降低或调整钢件硬度，提高塑性，以利于随后的切削加工或塑性变形加工（冲压、拉拔等）。（２）消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。（３）细化晶粒，均匀成分，改善组织，提高钢的力学性能。下一页返回第三节退火和正火钢退火及正火加热温度如图５－１７所示。退火退火是将钢加热至临界点Ａｃ１以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，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。退火的方法较多，根据加热温度可分为在临界温度以上退火或在临界温度以下退火。前者包括完全退火、均匀化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续冷却退火。上一页下一页返回第三节退火和正火１.完全退火完全退火是将亚共析钢工件加热到Ａｃ３以上２０℃～５０℃，保温一定时间，使组织完全奥氏体化后慢慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢，其目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火，因为低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至Ａｃｃｍ以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧度显著降低。完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ａｒ１以下较高温度范围内转变为珠光体，从而达到消除内应力、降低硬度和改善切削加工性能的目的。上一页下一页返回第三节退火和正火实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至６００℃左右即可出炉空冷。完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢更是如此。如果将奥氏体化后的钢较快地冷至稍低于Ａｒ１温度等温，使奥氏体转变为珠光体，再空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种退火方法叫作等温退火。等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢，它不但可以达到和完全退火相同的目的，而且有利于钢件获得均匀的组织和性能。但是对于大截面钢件和大批量钢件和大批量炉料，却难以保证工件内外达到等温温度，故不宜采用等温退火。上一页下一页返回第三节退火和正火完全退火在加热过程中，使钢的组织全部转变为奥氏体，在缓慢冷却后得到铁素体和珠光体的混合物，从而达到降低硬度、细化晶粒、消除内应力的目的。完全退火后的组织接近其平衡组织，可降低钢的硬度，提高加工性能；细化组织，改善力学性能；消除内应力，防止变形和开裂。在机械制造中，完全退火主要用于亚共析钢的锻件、铸件、焊接件等。２.不完全退火不完全退火是将钢加热至Ａｃ１～Ａｃ３（亚共析钢）或Ａｃ１～Ａｃｍ（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。上一页下一页返回第三节退火和正火由于加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，基本上不会改变原先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火。不完全退火主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，以消除内应力、降低硬度、改善切削加工性，故不完全退火又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。上一页下一页返回第三节退火和正火３.球化退火球化退火是将过共析钢加热到Ａｃ１以上２０℃～３０℃，充分保温后随炉缓冷到６００℃以下再出炉空冷，以获得球状珠光体的热处理工艺。球状珠光体组织中，渗碳体呈球状小颗粒均匀分布在铁素体基体上（图５－１８）。球状珠光体同片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂的倾向小。球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火做组织准备。上一页下一页返回第三节退火和正火过共析钢为层片状珠光体和网状二次渗碳体时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且增大钢的脆性，容易产生淬火变形及开裂。为此，钢热加工后必须加一道球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗碳体发生球化，得到粒状珠光体。其关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火加热温度一般在Ａｃ１以上２０℃～３０℃。不高的温度下，保温时间亦不能太长，一般以２～４ｈ为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在Ａｒ１以下２０℃左右进行较长时间等温。这样可使未溶碳化物粒子和局部高碳区形成碳化物核心并局部聚集球化，得到粒状珠光体组织。上一页下一页返回第三节退火和正火如果加热温度过高（高于Ａｃｃｍ）或保温时间过长，则大部分碳化物均已溶解，并形成均匀的奥氏体，在随后缓慢冷却中奥氏体易转变为片状珠光体，球化效果很差。完全退火或球化退火所需时间比较长，是一种较费时的工艺。为缩短退火时间，生产中常采用等温退火方法，即将工件加热到高于Ａｃ３（或Ａｃ１）的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的适当温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体类型组织后，出炉在空气中冷却。图５－１９为Ｔ１２钢一般球化退火与等温球化退火工艺的比较。上一页下一页返回第三节退火和正火４.均匀化退火均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中充分扩散，均匀化退火加热温度很高，通常为Ａｃ３或Ａｃｍ以上１５０℃～３００℃，具体加热温度视偏析程度和钢种而定。碳钢一般为１１００℃～１２００℃，合金钢多采用１２００℃～１３００℃。保温时间也与偏析程度和钢种有关，通常可按最大有效截面，一般均匀化退火时间为１０～１５ｈ。上一页下一页返回第三节退火和正火由于均匀化退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一次正常的完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。均匀化退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只有一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。５.去应力退火和再结晶退火上一页下一页返回第三节退火和正火将钢加热到略低于Ａｃ１温度（一般取５００℃～６００℃），保温一段时间，随炉缓冷至２００℃以下出炉空冷的热处理工艺称为去应力退火。去应力退火可消除工件由塑性变形加工、切削加工或焊接造成的应力以及铸件内存在的残余应力。去应力退火过程中，钢的组织不发生变化，只消除内应力。去应力退火主要用于消除铸件、锻压件、焊件、切削加工件的残留应力，稳定尺寸，减小变形，对于形状复杂和壁厚不均匀的零件尤为重要。钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同造成内外温差会产生残余内应力。上一页下一页返回第三节退火和正火这种内应力和后续工艺因素产生的应力叠加，易使工件发生变形和开裂。焊接件焊缝处由于组织不均匀也存在很大的内应力，显著降低焊接接头的强度。为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。除消除内应力外，去应力退火还可降低硬度，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较宽，但不超过Ａｃ１点，一般为５００℃～６５０℃。铸铁件去应力退火温度一般为５００℃～５５０℃，超过５５０℃容易造成珠光体的石墨化。焊接工件的退火温度一般为５００℃～６００℃。上一页下一页返回第三节退火和正火一些大的焊接构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用火焰或工频感应加热局部退火，其退火加热温度一般略高于炉内加热。去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为３ｍｉｎ／ｍｍ，铸铁的保温时间为６ｍｉｎ／ｍｍ。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。有些合金结构钢，由于合金元素的含量高，奥氏体较稳定，在锻、轧后空冷时能形成马氏体或贝氏体，硬度很高，不能切削加工，为了消除应力和降低硬度也可在Ａ１点以下低温退火温度范围进行软化处理，使马氏体或贝氏体在加热过程中发生分解。这种处理实质上就是高温回火。上一页下一页返回第三节退火和正火再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。钢经冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工硬化现象，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，切削加工性能和成形性能变差。经过再结晶退火，消除了加工硬化，钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。正火正火是指将亚共析钢加热到Ａｃ３以上３０℃～５０℃，过共析钢加热到Ａｃｃｍ以上３０℃～５０℃，使钢完全奥氏体化，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。上一页下一页返回第三节退火和正火正火的目的与退火相同，但与退火相比，冷却速度稍快，所得到的组织比较细小，强度、硬度、韧性等比退火高一些，而且操作简单，生产周期短，成本低，因此在生产上应用很广。如表５－６为４５钢退火和正火后力学性能比较。另外，正火生产周期短，生产效率高，成本低，生产中一般优先采用正火工艺。通常正火主要应用于以下几个方面。１.改善低碳钢、中碳钢的切削加工性２.作为普通结构零件的最终热处理３.消除过共析钢中网状渗碳体，改善钢的力学性能过共析钢中有网状渗碳体存在时，不仅硬度高，难以进行切削加工，而且钢的脆性大，淬火时容易变形及开裂。上一页下一页返回第三节退火和正火因此，钢在热处理时应防止产生网状渗碳体组织。退火与正火的选择退火与正火的目的大致相同，在实际选用中要从以下三个方面进行考虑。１.从切削加工性考虑一般来说，金属材料硬度在１７０～２３０ＨＢＳ范围内切削性能良好。图５－２１为各种碳钢退火和正火后的大致硬度值，其中，阴影部分为切削加工性较好的硬度范围。２.从使用性能上考虑上一页下一页返回第三节退火和正火对于亚共析钢来说，正火处理比退火处理具有更好的力学性能，如果零件性能无要求，可用正火作为最终热处理。但当零件形状复杂，正火的冷却速度较快，有形成裂纹危险时，则采用退火处理。３.从经济上考虑正火比退火的生产周期短，成本低，操作方便。故在可能条件下，应优先考虑采用正火。上一页返回第四节钢的淬火淬火是将工件加热到Ａｃ３或Ａｃ１以上某一温度，保温一定时间后以较快速度冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是得到马氏体（或贝氏体）组织，作用是提高钢的硬度、强度、耐磨性等。因此，它是强化钢最重要的热处理方法，重要的结构件特别是承受较大载荷和剧烈摩擦的零件，以及各种类型的工具等都要进行淬火。淬火加热温度及保温时间碳钢淬火的加热温度由铁碳相图确定，加热温度范围如图５－２２所示。下一页返回第四节钢的淬火亚共析钢淬火加热温度一般为Ａｃ３＋（３０℃～５０℃），以得到全部细小的奥氏体晶粒，淬火后组织为均匀细小的马氏体和残余奥氏体。若加热温度为Ａｃ３～Ａｃ１，淬火后组织中将有一部分铁素体存在，使钢的淬火硬度降低；若加热温度超过Ａｃ３过高时，奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大的马氏体组织，钢的性能变差，淬火应力增大，导致变形和开裂。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ａｃ１＋（２０℃～３０℃）。淬火后，共析钢得到细小马氏体和残余奥氏体组织；过共析钢为马氏体和少量粒状渗碳体组织和残余奥氏体组织，粒状渗碳体的存在可提高钢的硬度和耐磨性。上一页下一页返回第四节钢的淬火若加热温度在Ａｃｃｍ以上，由于渗碳体全部溶入奥氏体中，提高了奥氏体含碳量，奥氏体的稳定性提高，淬火后残留奥氏体量增多，钢的硬度和耐磨性将会降低；另外，因奥氏体晶粒粗化，淬火后得到粗大马氏体，使钢的脆性增大。淬火冷却介质淬火时为了得到马氏体，工件在淬火介质中的冷却速度必须大于或等于临界冷却速度，但不是冷却速度越快越好。若淬火冷却速度过快，产生的收缩应力大大超过马氏体膨胀应力，工件易出现变形或开裂。因此，在保证淬硬的前提下，应尽量选择缓和的冷却介质，以减少淬火应力，防止工件变形和开裂。上一页下一页返回第四节钢的淬火从共析钢的过冷奥氏体等温转变图可以看出，为了获得马氏体组织，并不需要在整个冷却过程中都快冷，关键应在等温转变图“鼻尖”附近快冷。如图５－２３所示为理想的淬火冷却速度（即慢—快—慢），但是，目前实际使用的淬火冷却介质还不能完全满足理想的冷却速度的要求。生产中应用较广的淬火冷却介质有水、盐或碱的水溶液、油等。表５－７是常用的淬火冷却介质及其平均冷却速度。水：是冷却能力较强的淬火介质，但它在需要快冷的６５０℃～５００℃温度范围内冷速较小，而在需要慢冷的３００℃～２００℃温度范围内冷速较大。由于水比较便宜故应用较多，但只能用于形状简单、截面尺寸较小的碳钢工件。上一页下一页返回第四节钢的淬火盐水：是在水中加入５％～１５％的ＮａＣｌ得到的盐溶液，在６５０℃～５００℃温度范围内冷却能力是自来水的１０倍以上，淬火时易得到较高硬度；但在３００℃～２００℃温度范围内冷速也很快，使工件易产生变形和开裂。生产上常采用先盐水冷，再在Ｍｓ温度附近用冷速缓慢的介质冷却。盐水主要用于形状简单、硬度要求较高、变形要求不严的碳钢零件，如螺钉、销、垫圈等。油：矿物油或植物油也是使用较广的淬火介质，其冷却能力较小，在３００℃～２００℃温度范围内对降低变形和开裂有利，但在６５０℃～５００℃温度范围内对防止奥氏体发生非马氏体转变不利。主要用于过冷奥氏体稳定的合金钢或尺寸较小的碳钢工件。上一页下一页返回第四节钢的淬火淬火方法为了使淬火时最大限度地减少变形和避免开裂，除了正确地进行加热和合理选择冷却介质外，还应该根据工件的成分、尺寸、形状和技术要求选择合适的淬火方法。常用的淬火方法如下。１.单液淬火（水淬或油淬）单液淬火是将工件加热奥氏体化后浸入某一种冷却介质中冷却的淬火工艺。冷却速度线如图５－２４中①所示。此法操作简便，易实现机械化和自动化，但易产生变形和开裂。形状简单的碳钢件一般采用在水中淬火，而合金钢件和尺寸较小的碳钢件一般在油中淬火。２.双液淬火上一页下一页返回第四节钢的淬火双液淬火是将工件加热奥氏体化后先浸入冷却能力强的介质，在组织即将发生马氏体转变时立即转入冷却能力弱的介质中冷却的淬火工艺。冷却速度线如图５－２４中②所示。此法由于在水中的停留时间不易控制，操作不便。双液淬火法主要用于碳素工具钢制造易开裂的工件、形状复杂的高碳钢件和尺寸较大的合金钢件，如丝锥、板牙等。３.分级淬火分级淬火是将工件加热奥氏体化后浸入温度稍高或稍低于Ｍｓ点的盐浴或碱浴中保持较短时间，在工件整体达到介质温度后取出空冷以获得马氏体的淬火工艺。冷却速度线如图５－２４中③所示。上一页下一页返回第四节钢的淬火此法易于操作，能够减小工件中的热应力，并缓和相变产生的组织应力，可有效地防止工件的变形和开裂。主要用于尺寸较小、形状较复杂工件的淬火，如钻头、丝锥等小型刀具、小型模具等。４.等温淬火等温淬火是将工件加热奥氏体化后在温度稍高于Ｍｓ点的盐浴或碱浴中快冷到贝氏体转变温度区间，等温保持一定时间，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。冷却速度线如图５－２４中④所示。等温淬火后的工件淬火应力较小，不易变形和开裂，具有较高的强度和韧性，但生产周期长、效率低。主要用于处理形状复杂和尺寸要求精确、强韧性要求较高的各种中、高碳钢和合金钢制造的小型复杂工件，如各种模具、刀具、螺栓、弹簧等。上一页下一页返回第四节钢的淬火淬透性与淬硬性１.淬透性淬透性是指在规定条件下钢试样淬硬层深度，是指钢淬火时获得马氏体的能力。淬透性可用在规定条件下的有效淬硬层深度来表示。有效淬硬层深度是指从淬硬的工件表面（组织全部为马氏体）至规定硬度值处（硬度一般为５５０ＨＶ，组织为一半马氏体）的垂直距离。淬透性也可用临界直径ｄ０来表示（钢制圆柱试样在某种介质中快冷后，中心得到全部或５０％马氏体组织的最大直径），常用钢的临界淬透直径见表５－８。上一页下一页返回第四节钢的淬火在选用材料和制定热处理工艺时经常要考虑淬透性。若工件整个截面未被淬透，则工件表面和心部的组织及性能就不均匀，心部未淬透部分的性能就达不到要求。因此，对大截面重要零件，以及轴向承受拉应力或压应力或交变应力、冲击载荷的连杆、螺柱、锻模、锤杆等，应选用淬透性高的钢；对承受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷和局部磨损的轴类零件，其表面受力很大，心部受力较小，不要求全部淬透，可选用淬透性较低的钢；焊接件一般选用淬透性低的钢，否则易在焊缝和热影响区出现淬火组织，导致变形和开裂；承受交变应力和振动的弹簧，为防止心部淬不透，导致工作时产生塑性变形，应选用淬透性高的钢。上一页下一页返回第四节钢的淬火２.淬硬性淬硬性是指钢在理想条件下淬火所能达到的最高硬度，即淬火后得到的马氏体的硬度。淬硬性主要取决于钢的含碳量，合金元素对它没有显著影响。含碳量越高，淬火加热时固溶于奥氏体中的碳含量越高，所得马氏体的含碳量越高，钢的淬硬性越高。淬硬性对选材及制定热处理工艺也具有指导作用。对要求高硬度、高耐磨性的工模具，可选用淬硬性高的高碳钢、高碳合金钢；对要求高综合力学性能的轴类、齿轮类等零件，选用淬硬性中等的中碳钢、中碳合金钢；对要求高塑性的焊接件等，选用淬硬性低的低碳钢、低碳合金钢。上一页下一页返回第四节钢的淬火钢的淬硬性、淬透性是两个不同的概念。淬硬性高的钢，不一定淬透性就高；淬硬性低的钢，不一定淬透性就低。如低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高；再如高碳工具钢的淬透性较差，但它的淬硬性很高。零件的淬硬层深度与淬透性也是不同的概念，淬透性是钢本身的特性，与其成分有关，而淬硬层深度是不确定的，它除取决于钢的淬透性外，还与零件形状及尺寸、冷却介质等外界因素有关。如同一钢种在相同的奥氏体化条件下，水淬要比油淬的淬硬层深，小件要比大件的淬硬层深。上一页返回第五节钢的回火回火是将工件淬火后，重新加热到Ａｃ１以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。回火一般采用在空气中缓慢冷却。回火的目的：一是减少和消除淬火时产生的淬火应力，降低脆性，稳定组织与尺寸，以减小工件变形及开裂；二是获得强度和韧性之间的不同配合，达到工件所要求的不同使用性能。回火时的组织转变工件淬火后，组织中的马氏体与残余奥氏体都是不稳定组织，在回火加热时都会自发向稳定组织转变。转变是通过原子的扩散进行的，回火温度越高，扩散速度就越快。回火一般分为以下四个阶段。下一页返回第五节钢的回火（１）第一阶段马氏体分解（≤２００℃）。在１００℃以下温度回火时，淬火钢没有明显的组织转变，此时只发生马氏体中碳的偏聚，而没有开始分解。１００℃以上回火时，马氏体开始分解，碳以ε碳化物（Ｆｅ２～４Ｃ的过渡型碳化物）形式析出，使马氏体中碳的过饱和度逐渐降低。这种由过饱和度较低的α相与极细的ε碳化物所组成的混合组织，称为回火马氏体。回火马氏体的形态与淬火马氏体区别不大，但回火马氏体因为易腐蚀，组织为暗黑色。高碳钢的回火马氏体呈片状，具有高硬度；低碳钢的回火马氏体呈板条状，具有较高的强韧性。图５－２５所示为回火马氏体组织。上一页下一页返回第五节钢的回火（２）第二阶段残余奥氏体分解（２００℃～３００℃）。淬火钢中残留奥氏体从２００℃开始分解，到３００℃左右基本结束，由于在回火的第一阶段马氏体分解尚未结束，在此阶段中马氏体分解继续进行，到３５０℃左右马氏体含碳量降至接近平衡成分，马氏体分解才基本结束。（３）第三阶段渗碳体转变（２５０℃～４００℃）。在２５０℃以上回火时，碳原子的扩散能力增强，铁原子也恢复了扩散能力，马氏体分解和残余奥氏体分解析出的过渡ε碳化物逐渐向稳定的渗碳体转变，到４００℃时全部转变为极其细小球状颗粒渗碳体。上一页下一页返回第五节钢的回火随着碳化物的析出和转变，马氏体中碳的质量分数不断降低，马氏体的晶格畸变消失，马氏体转变为铁素体，但仍保持针状，于是得到由针状铁素体和极其细小的球状颗粒渗碳体组成的两相组织，称为回火托氏体，图５－２６所示为回火托氏体显微组织。此阶段淬火应力基本消除，硬度有所下降，塑性、韧性得到提高，具有较高弹性。（４）第四阶段渗碳体的聚集长大与铁素体的再结晶（＞４００℃）。在４００℃以上回火时，由于回火温度已经很高，碳原子和铁原子均具有较强的扩散能力，高度弥散分布的渗碳体逐渐聚集长大，在５００℃以上时，α相逐渐发生再结晶，使铁素体形态失去原来的板条状或片状，转变成为多边形晶粒。上一页下一页返回第五节钢的回火这种在多边形铁素体基体上分布着球粒状渗碳体的两相组织，称为回火索氏体，图５－２７所示为回火索氏体显微组织。回火索氏体具有良好的综合力学性能。此阶段内应力和晶格畸变完全消除，硬度明显下降。综上所述，淬火钢回火时的组织转变是在不同温度范围内产生的，又是交叉重叠进行的，在同一回火温度下会进行几种不同的变化。淬火钢回火后的性能随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。图５－２８所示为４０钢淬火回火后的力学性能与回火温度的关系。从图中可看出，随着回火温度提高，钢的硬度和强度下降，而塑性和韧性提高；在６００℃左右回火时，塑性和韧性达到较高的数值，并保持较高的强度，即具有良好的综合力学性能。上一页下一页返回第五节钢的回火回火方法与工艺钢在不同温度回火后的组织和性能不同，根据回火温度范围将回火分为三种：低温回火、中温回火和高温回火。（１）低温回火（１５０℃～２５０℃）。低温回火后组织为回火马氏体，硬度为５８～６４ＨＲＣ，保持了淬火组织的高硬度和耐磨性，降低了淬火应力，减小了钢的脆性。低温回火主要用于高碳钢、合金工具钢制造的刃具、量具、模具、滚动轴承等有高硬度要求的工件。（２）中温回火（３５０℃～５００℃）。上一页下一页返回第五节钢的回火中温回火后组织为回火托氏体，硬度为３５～４５ＨＲＣ，大大降低了淬火应力，使工件获得高的弹性极限和屈服强度，并具有一定的韧性。中温回火主要用于中高碳钢制作的卷簧、板簧等弹簧类工件，也用于一些热作模具（如热锻模、压铸模等）。（３）高温回火（500℃～650℃）。高温回火后组织为回火索氏体，硬度为２５～３５ＨＲＣ，淬火应力可完全消除，强度较高，有良好的塑性和韧性，即具有良好的综合力学性能。工件经淬火后再进行高温回火的热处理工艺称为调质处理。高温回火主要用于中碳钢制作的各种重要结构件，如轴、连杆、螺栓、齿轮等。中碳钢调质后的各种力学性能均高于正火，表５－９为４５钢正火与调质的性能比较。上一页返回第六节钢的表面热处理许多在动载荷及摩擦条件下工作的零件，如齿轮、凸轮轴、曲轴、主轴及机床床身导轨等，它们的表面或轴颈部分应具有高的硬度和耐磨性，而心部则应具有高的强度和韧性。要满足这种要求，单从选材上考虑是很困难的。若采用高碳钢，则心部韧性不足；若采用低碳钢，则表面硬度低而不耐磨。为此，工业上常常对零件进行表面热处理。表面热处理是通过改变工件表层组织以改变表面性能的热处理工艺，主要有表面淬火和渗碳、渗氮等化学热处理。表面淬火是不改变工件表层化学成分，只改变表层组织和性能的热处理工艺；化学热处理是既改变工件表层化学成分又改变表层组织和性能的热处理工艺。下一页返回第六节钢的表面热处理表面淬火钢的表面淬火是通过快速加热方法，使表面奥氏体化并立即快冷获得马氏体，以提高钢的表面硬度的一种特殊淬火工艺。其目的是使工件获得表硬心韧的性能，主要用于要求表面有高的强度、硬度和耐磨性，而心部应具有足够的强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、曲轴、凸轮轴等。根据加热方式的不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、激光表面淬火等。１.感应加热表面淬火感应加热表面淬火是利用交变磁场产生的感应电流通过工件所产生的热量，使工件表面加热，然后快速用水冷却的淬火工艺。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理图５－３２（ａ）是感应加热表面淬火示意图，图５－３２（ｂ）是感应加热表面淬火实景图。将需要表面淬火的零件，放入与它相适应的一个感应器内，感应圈与零件间需保持１.５～３ｍｍ的间隙，将一定频率的交流电通入感应线圈时，感应线圈的周围便产生交变磁场。零件在交变磁场的作用下产生感应电流。这种电流主要集中在零件表面层。由于电流热效应的作用，零件表面层迅速被加热到淬火温度，随之喷水急冷，使零件表面层淬硬。感应电流的大小与通入的交流电频率有关，频率越高表层感应电流越大，且表层越薄。按交流电频率，感应加热表面淬火有以下三种。（１）高频感应加热表面淬火。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理电流频率为１００～５００ｋＨｚ，淬硬层深度为０.５～２ｍｍ。适用于淬硬层较薄的中、小模数齿轮和中、小尺寸的轴类零件等。（２）中频感应加热表面淬火。电流频率为５００～１００００Ｈｚ，淬硬层深度为２～１０ｍｍ。适用于大、中模数齿轮和较大直径轴类零件等。（３）工频感应加热表面淬火。电流频率为５０Ｈｚ，淬硬层深度为１０～２０ｍｍ。适用于大直径轧辊、火车车轮等零件的表面淬火和穿透加热。感应加热表面淬火的主要特点是：加热迅速（几秒到几十秒），生产率高；淬硬层易于控制，淬火质量好，淬火变形小；易于实现机械化、自动化，适用于大批量生产。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理但设备较贵，不适用于形状复杂的零件，消耗电能较大。感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳合金钢制造的中小型工件的成批生产，目前应用最广泛的是汽车、拖拉机、机床和工程机械中的齿轮、轴类等，也可用于高碳工具钢、低合金工具钢和铸铁等工件。中碳钢淬火剂用水；合金钢可用聚乙烯醇水溶性淬火剂；如用油淬火，以埋入油中淬火较为安全，喷油很易着火。２.火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火是利用氧－乙炔火焰（最高温度达３０００℃）或其他可燃气火焰使工件表层快速加热，随后喷水快速冷却的表面淬火方法，如图５－３３（ａ）所示。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理图５－３３（ｂ）所示为采用乙炔－氧火焰（最高温度达３２００℃）为齿轮零件进行火焰加热表面淬火实景图。火焰加热表面淬火的淬硬层深度一般为２～６ｍｍ。若淬硬层过深，往往容易使工件表面严重过热，产生变形与裂纹。此热处理工艺适用于中碳钢及中碳合金钢，单件小批生产的大型工件和需要局部淬火的工具或零件，如大型齿轮、车轮、大轴轴颈、轨道等。火焰加热表面淬火操作简便，设备简单，成本低，灵活性大。但生产率低，加热温度不易控制，工件表面易过热，质量不稳定，限制了它在机械制造业中的应用，故适用于单件或小批量生产。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理３.激光表面淬火激光是２０世纪最重大的科学发现之一。激光是具有高亮度、高方向性、高单色性的相干光束，这种神奇的光束可以达到任何其他已知光束所不能达到的聚焦精度，并且聚焦后可以将巨大的能量集中在非常小的范围内。激光表面淬火就是用高能量激光做热源，以极快的速度加热零件表面，让其自行冷却，使零件表面强化的热处理工艺。目前使用最多的是ＣＯ２激光器，ＣＯ２激光表面淬火如图5－３４所示。激光表面淬火快速、清洁，冷却不需要水或油等冷却介质，淬火变形几乎可以忽略，淬火硬度较常规淬火高10％～２０％，可解决复杂零件、易变形零件难淬火的问题，特别适合高精度零件的表面处理。上一页下一页返回第六节钢的表面热处理化学热处理化