1.3 鋼的熱處理

問(wèn)題思考

1.3.1 熱處理概述

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，在機(jī)床制造中，60%～70%的零件要經(jīng)過(guò)熱處理；在汽車、拖拉機(jī)制造中，需要熱處理的零件多達(dá)70%～80%；而工具、模具及滾動(dòng)軸承，則要100%進(jìn)行熱處理。總之，凡是重要的零件都必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍苁褂谩?/p>

1.熱處理的概念

熱處理就是把固態(tài)金屬加熱到一定溫度，并在這個(gè)溫度保持一定時(shí)間（保溫），然后以一定的冷卻速度、方式冷卻下來(lái)，從而改變金屬的內(nèi)部組織，以獲得預(yù)期性能的工藝過(guò)程。

要點(diǎn)提示

熱處理均在固態(tài)下進(jìn)行，它只改變工件的組織，不改變形狀和尺寸。

機(jī)床、汽車、摩托車、火車、礦山、石油、化工、航空及航天等用的大量零部件都需要通過(guò)熱處理工藝改善其性能。

2.熱處理的目的

熱處理不僅可以改善鋼的加工工藝性能，更重要的是可以改善其使用性能，特別顯著地提高鋼的機(jī)械性能，并延長(zhǎng)其使用壽命，達(dá)到充分發(fā)揮材料潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長(zhǎng)使用壽命的目的。

不同化學(xué)成分的材料可以具有不同的機(jī)械性能，而同一化學(xué)成分的材料，由于有不同的內(nèi)部組織，也可以具有不同的性能。通過(guò)不同的熱處理方法可以改變材料的內(nèi)部組織。

要點(diǎn)提示

我們把45鋼加熱到840℃，保溫一段時(shí)間后，有些在水中冷卻，有些在空氣中冷卻，有些隨爐冷卻，這樣得到的硬度就不同，水冷的硬度最高，空氣其次，緩冷的硬度最低。這是由于不同的冷卻方式所得到的內(nèi)部組織不一樣的緣故。

3.熱處理的基本原理

鋼在固態(tài)范圍內(nèi)，隨著加熱溫度和冷卻速度的變化，其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)將發(fā)生相應(yīng)的變化，利用不同的加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻方式，可以控制或改變鋼的組織結(jié)構(gòu)，以便得到不同性能的材料。

因此，各種熱處理工藝都要經(jīng)過(guò)加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段，如圖1-16所示。

（1）加熱。加熱是熱處理的第一道工序。不同的材料，其加熱工藝和加熱溫度都不同。加熱溫度較低時(shí)，材料不發(fā)生組織變化；加熱溫度較高時(shí)，材料將發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。

（2）保溫。保溫的目的是要保證工件燒透，防止脫碳、氧化等。保溫時(shí)間和介質(zhì)的選擇與工件的尺寸和材質(zhì)有直接的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)工件越大，其導(dǎo)熱性越差，保溫時(shí)間就越長(zhǎng)。

（3）冷卻。冷卻是熱處理的最終工序，也是最重要的工序。鋼在不同冷卻速度下可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌慕M織，從而確保材料獲得不同的機(jī)械性能。

鋼在熱處理時(shí)，在加熱、保溫和冷卻3個(gè)階段中，其內(nèi)部組織的轉(zhuǎn)變情況不同，最后獲得的熱處理效果也不相同。

4.熱處理的分類和應(yīng)用

根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點(diǎn)的不同，熱處理可以按照?qǐng)D1-17所示分類。

熱處理工藝的種類及應(yīng)用

按照熱處理在零件生產(chǎn)過(guò)程中的作用不同，熱處理工藝還可分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。預(yù)備熱處理是零件加工過(guò)程中的一道中間工序（也稱為中間熱處理），其目的是改善鍛、鑄毛坯件組織，消除應(yīng)力，為后續(xù)的機(jī)加工或進(jìn)一步的熱處理做準(zhǔn)備。

最終熱處理是零件加工的最終工序，其目的是使經(jīng)過(guò)成形工藝達(dá)到要求的形狀和尺寸后的零件的性能達(dá)到所需要的使用性能。

5.熱處理安全操作規(guī)程

熱處理過(guò)程中，既有高溫加熱，又要涉及各種冷卻介質(zhì)，同時(shí)還要嚴(yán)格控制加熱時(shí)間和冷卻速度等參數(shù)。操作時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

（1）操作之前，必須穿好工作服，做好防護(hù)措施。

（2）操作者應(yīng)熟悉各類儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，嚴(yán)格按操作規(guī)程進(jìn)行操作。未得到指導(dǎo)人員許可，操作者不得擅自開(kāi)關(guān)電源和使用各類儀器設(shè)備。

（3）使用電爐前，必須仔細(xì)檢查電源開(kāi)關(guān)、插座及導(dǎo)線，保證絕緣良好，以防發(fā)生漏電、觸電事故。

（4）必須在斷電狀態(tài)下往爐內(nèi)裝、取工件，并注意輕拿輕放，工件或工具不得接觸或碰撞電熱元件，更不允許將工件隨意扔入爐內(nèi)。

（5）嚴(yán)禁直接用手抓拿熱處理工件，應(yīng)按規(guī)定使用專用工具或夾具，并戴好防護(hù)手套，以防燙傷。

（6）操作結(jié)束后，應(yīng)關(guān)掉總電源，并按規(guī)定做好整理工作和場(chǎng)所的清潔衛(wèi)生工作。

提高訓(xùn)練

1.3.2 鋼的普通熱處理

鋼的普通熱處理包括退火、正火、淬火和回火4種基本工藝。

1.退火

退火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（一般隨爐冷卻）的一種熱處理工藝。

（1）退火的用途。通過(guò)退火處理可以達(dá)到以下目的。

? 降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。

? 消除工件中的殘余應(yīng)力，防止變形和開(kāi)裂。

? 消除缺陷，改善組織，細(xì)化晶粒，提高鋼的機(jī)械性能。

? 消除冷作硬化，提高塑性，以利于繼續(xù)冷加工。

? 改善或消除毛坯在鑄、鍛、焊時(shí)所造成的成分或組織不均勻，以提高其工藝性能和使用性能。

? 消除前一道工序（鑄造、鍛造、冷加工等）所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，為下道工序的最終熱處理（淬火回火）做好組織準(zhǔn)備。

（2）常用退火方法。生產(chǎn)中常用的退火方法主要有完全退火、擴(kuò)散退火、去應(yīng)力退火以及再結(jié)晶退火等，其工藝、目的和應(yīng)用對(duì)比如表1-9所示。

2.正火

正火是將鋼加熱到適當(dāng)溫度后，再保溫適當(dāng)時(shí)間，待內(nèi)部組織均勻后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。

要點(diǎn)提示

正火既可作為預(yù)備熱處理工藝，為后續(xù)熱處理工藝提供適宜的組織狀態(tài)，也可作為最終熱處理工藝，提供合適的機(jī)械性能。

? 對(duì)力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件可用正火作為最終熱處理，以提高其強(qiáng)度、硬度和韌性。

? 對(duì)低、中碳素鋼，可用正火作為預(yù)備熱處理，以調(diào)整其硬度，改善其切削加工性能。

正火與退火的主要區(qū)別在于冷卻速度不同，正火冷卻速度較快，得到的組織細(xì)小，因而強(qiáng)度和硬度也較高。在生產(chǎn)中是使用正火還是退火工藝，主要從下面兩方面來(lái)考慮。

? 從使用性能方面考慮。一些受力不大的工件，力學(xué)性能要求不高，可用正火作為最后熱處理；對(duì)于某些大型或形狀復(fù)雜的零件，當(dāng)淬火有開(kāi)裂的危險(xiǎn)時(shí)，可用正火代替淬火、回火處理。

? 從經(jīng)濟(jì)性方面考慮。由于正火比退火生產(chǎn)周期短，操作簡(jiǎn)便，工藝成本低，因此，在滿足鋼的使用性能和工藝性能的前提下，應(yīng)盡可能用正火代替退火。

3.淬火

鋼的淬火就是將鋼加熱到適當(dāng)溫度后，保溫一定時(shí)間使其組織均勻，然后以較快的速度冷卻，從而獲得強(qiáng)度和硬度都較高的組織的一種熱處理工藝過(guò)程。

（1）淬火的目的。淬火是使鋼材強(qiáng)化和獲得某些特殊使用性能的主要方法，其主要目的如下。

? 提高鋼的硬度及耐磨性。例如，量具、模具、刀具等零件，通過(guò)淬火可以大幅提高其硬度及耐磨性。這類零件淬火后一般要配合低溫回火。

? 提高鋼的強(qiáng)韌性，即提高鋼的硬度、強(qiáng)度的同時(shí)獲得較高的塑韌性，如機(jī)器中的大部分承載零件（變速箱花鍵軸、機(jī)床主軸、齒輪等）。這類零件淬火后一般要配合高溫回火。

? 提高硬磁性，如用高碳鋼和磁鋼制的永久磁鐵。

? 提高零件的彈性，如各種彈簧。這類零件淬火后一般要配合中溫回火。

? 提高鋼的耐蝕性和耐熱性，如不銹鋼和耐熱鋼。

（2）淬火冷卻介質(zhì)。工件進(jìn)行淬火冷卻所用的介質(zhì)稱為冷卻介質(zhì)。為保證工件淬火后得到馬氏體，又要減小變形和防止開(kāi)裂，必須正確選用冷卻介質(zhì)。

常用冷卻介質(zhì)的使用特點(diǎn)如表1-10所示。

4.回火

回火一般是緊接淬火以后的熱處理工藝。淬火后再將工件加熱到適當(dāng)溫度，保溫后再冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。

（1）回火的目的。淬火后的鋼鐵工件處于高內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，不能直接使用，必須及時(shí)回火，否則會(huì)有工件斷裂的危險(xiǎn)。回火的目的如下。

? 減小和消除淬火時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力與脆性，防止和減小工件變形與開(kāi)裂。

? 獲得穩(wěn)定組織，保證工件在使用中的形狀和尺寸不發(fā)生改變。

? 調(diào)整工件的內(nèi)部組織和性能，獲得工件所要求的使用性能。

（2）回火溫度種類。工件回火后的硬度主要取決于回火溫度，而回火溫度的選擇和確定主要取決于工件的使用性能、技術(shù)要求、鋼種及淬火狀態(tài)。

① 低溫回火（回火溫度低于250℃）。一般工具、量具要求硬度高、耐磨，并具備足夠的強(qiáng)度和韌性。又如滾動(dòng)軸承，除了上述要求外，還要求有高的接觸疲勞強(qiáng)度，從而有高的使用壽命。

工具、量具和機(jī)器零件一般均用碳素工具鋼或低合金工具鋼制造，淬火后具有較高的強(qiáng)度和硬度，并伴有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力和較多的微裂紋，故應(yīng)及時(shí)回火，通常采用180℃～200℃的溫度回火。

要點(diǎn)提示

對(duì)于精密量具和高精度配合的結(jié)構(gòu)零件，在淬火后進(jìn)行 120℃～150℃（12h，甚至幾十小時(shí)）回火，目的是穩(wěn)定組織及最大限度地減少內(nèi)應(yīng)力，從而使尺寸穩(wěn)定。為了消除加工應(yīng)力，多次研磨，還要多次回火，這種低溫回火常被稱作時(shí)效處理。

② 中溫回火（回火溫度為350℃～500℃）。中溫回火主要用于處理彈簧鋼。回火后，應(yīng)力基本消失，工件既有較高的彈性極限，又有較高的塑性和韌性。回火時(shí)，根據(jù)所采用的鋼種選擇回火溫度以獲得最高彈性極限，例如，65碳鋼，在380℃回火，可得最高彈性極限。

③ 高溫回火（回火溫度高于 500℃）。淬火加高溫回火通常稱為調(diào)質(zhì)處理，主要用于中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，以獲得良好的綜合機(jī)械性能。一般調(diào)質(zhì)處理的回火溫度選擇 600℃以上。與正火處理相比，鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，在硬度相同的條件下，鋼的屈服強(qiáng)度、韌性和塑性有明顯提高。

調(diào)質(zhì)處理一般用于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、連桿、連桿螺栓、汽車拖拉機(jī)半軸、機(jī)床主軸及齒輪等要求具有綜合機(jī)械性能的零件。

（3）回火后的冷卻。回火后工件一般在空氣中冷卻。對(duì)于一些工模具，回火后不允許水冷，以防止開(kāi)裂。對(duì)于性能要求較高的工件，在防止開(kāi)裂的條件下，可進(jìn)行油冷或水冷，然后進(jìn)行一次低溫補(bǔ)充回火，以消除快冷產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

在實(shí)際生產(chǎn)中，熱處理總是穿插在金屬切削加工的各個(gè)階段中，如圖1-18所示。其中預(yù)備熱處理以退火和正火為主，用于改變材料的切削性能，最終熱處理以淬火和回火為主，主要用于提高產(chǎn)品的機(jī)械性能。

1.3.3 鋼的表面熱處理

對(duì)于齒輪、傳動(dòng)軸等重要零件，通過(guò)表面熱處理可以提高零件的表面性能，使其具有高硬度、高耐磨性和高的疲勞強(qiáng)度。同時(shí)，又可以使零件心部具有足夠高的塑性和韌性，防止脆性斷裂，從而使整個(gè)零件“表硬心韌”。

1.表面淬火

表面淬火是將工件表面快速加熱到較高溫度，在熱量尚未達(dá)到心部時(shí)立即迅速冷卻，使表面得到一定深度的淬硬層，而心部仍保持原始組織的一種局部淬火方法。

（1）工藝特點(diǎn)。表面淬火的工藝特點(diǎn)如下。

? 不改變工件表面的化學(xué)成分，只改變表面組織和性能。

? 表面與心部的成分一致，組織不同。

（2）適用材料。表面淬火一般多適用于中碳鋼、中碳合金鋼，也少量用于工具鋼、球墨鑄鐵等。例如，用40、45鋼制作的機(jī)床齒輪齒面的強(qiáng)化、主軸軸頸處的硬化等。

（3）感應(yīng)加熱表面淬火。給感應(yīng)線圈通一定頻率的交變電流，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在工件內(nèi)產(chǎn)生一定頻率的感應(yīng)電流，利用工件的電阻將工件加熱；當(dāng)工件表層被快速加熱到適當(dāng)溫度后，立即快速冷卻，在工件表面獲得一定深度的淬硬層。其原理如圖1-19所示。

感應(yīng)加熱表面淬火質(zhì)量好，表層組織細(xì)密、硬度高、脆性小、疲勞強(qiáng)度高，生產(chǎn)頻率高、便于自動(dòng)化，但設(shè)備較貴，不適于單件和小批量生產(chǎn)。感應(yīng)加熱表面淬火主要適用的零件類型如下。

? 齒輪零件：如機(jī)床和精密機(jī)械上的中、小模數(shù)傳動(dòng)齒輪，蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、冶金、礦山機(jī)械等上的大模數(shù)齒輪。

? 軸類零件：如花鍵軸、汽車半軸和機(jī)床主軸軸頸、凸輪軸、鏜桿、鉆桿以及軋輥等。

? 工模具：如滾絲模、游標(biāo)卡尺量爪面、剪刀刃、銼刀等。

（4）火焰加熱表面淬火。火焰加熱表面淬火是利用氣體燃燒的火焰加熱工件表面（乙炔—氧、煤氣—氧、天然氣），使工件表層快速加熱至奧氏體化，然后立即噴水冷卻，使工件表面淬硬的一種淬火工藝。其原理如圖1-20所示。

使用這種方法獲得的淬硬層深度可達(dá) 2～8mm，并且操作簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低，但質(zhì)量不穩(wěn)定，僅適于單件、小批量生產(chǎn)。

火焰加熱表面淬火適用的典型零件有軋鋼機(jī)齒輪、軋輥，礦山機(jī)械齒輪、軸，普通機(jī)床導(dǎo)軌和齒輪等。

（5）激光加熱表面淬火。激光是一種具有高亮度、方向性和單色性強(qiáng)、能量密度高的強(qiáng)光源。激光加熱表面淬火是利用激光對(duì)工件表面的照射和掃描，依靠工件的自激冷卻而淬火。

使用這種方法獲得的淬硬層深度為 1～2mm，并且加熱和冷卻極快，淬火后組織細(xì)小、硬度高、淬硬層薄、工件變形小、不需回火，生產(chǎn)效率高，屬綠色制造，已成功應(yīng)用于汽車和拖拉機(jī)的氣缸與缸套、活塞環(huán)、凸輪軸、機(jī)床導(dǎo)軌等零件的表面處理，前景廣闊。但這種方法需要的設(shè)備昂貴，故大規(guī)模應(yīng)用受到限制。

2.表面淬火零件工藝路線

零件表面淬火時(shí)的工藝路線如下。

下料→鍛造→退火或正火→機(jī)加工→調(diào)質(zhì)處理→表面淬火→低溫回火→精磨

要點(diǎn)提示

表面淬火前，先對(duì)零件進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)等預(yù)處理，目的是細(xì)化和均勻組織，使工件心部具有良好的強(qiáng)韌性。表面淬火后，再進(jìn)行200℃左右的低溫回火，以消除淬火應(yīng)力，使工件表面保持高的硬度和耐磨性。

1.3.4 鋼的化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將工件置于某種化學(xué)介質(zhì)中，通過(guò)加熱、保溫和冷卻，使介質(zhì)中的某些元素滲入工件表層，以改變工件表層的化學(xué)成分和組織，從而使其具有“表硬心韌”的性能特點(diǎn)。

（1）化學(xué)熱處理的工藝特點(diǎn)。化學(xué)熱處理的工藝特點(diǎn)如下。

? 既改變工件表面的化學(xué)成分，又改變表面的組織和性能。

? 表面與心部的成分不同、組織不同。

與表面熱處理的不同之處是，化學(xué)熱處理改變了工件表層的化學(xué)成分。

（2）化學(xué)熱處理的目的。化學(xué)熱處理可提高工件表面的硬度、耐磨性、耐磨蝕性、耐熱性、抗氧化性和疲勞強(qiáng)度等性能，而使心部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。

（3）化學(xué)熱處理的分類。根據(jù)滲入元素的不同來(lái)分，化學(xué)熱處理主要有滲碳、滲氮、多元滲、滲鋁及滲鉻等滲非金屬和滲金屬兩大類。

? 滲碳、滲氮、碳氮共滲可提高零件的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

? 滲硼、滲鉻可提高零件的耐磨性和耐腐蝕性。

? 滲鋁、滲硅可提高零件的耐熱性和抗氧化性。

? 滲硫是為了零件的減摩，減小零件的摩擦系數(shù)。

其中，滲碳是工業(yè)中最常用的，是齒輪、活塞銷類零件加工中的一道重要工序。

① 滲碳。滲碳是將工件放入滲碳介質(zhì)中加熱、保溫，使活性碳原子滲入，以提高工件表層碳含量的熱處理工藝。通過(guò)提高工件表層的含碳量，可提高工件的表面硬度和耐磨性，同時(shí)使心部保持一定的強(qiáng)度和良好的塑韌性。

要點(diǎn)提示

低碳鋼和低碳合金鋼都適合于滲碳處理，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。

根據(jù)滲碳劑的狀態(tài)不同，滲碳方法可以分為氣體滲碳、固體滲碳和液體滲碳3種，常用的是氣體滲碳法和固體滲碳法。

（a）氣體滲碳法。用煤油、苯、甲醇、丙酮、醋酸乙酯、天然氣及煤氣等作為滲碳劑，在高溫裂解后產(chǎn)生活性碳原子，被工件表面吸收、擴(kuò)散，在工件內(nèi)得到一定深度的滲碳層的方法稱為氣體滲碳法。

氣體滲碳的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)率高，易控制，滲碳質(zhì)量好。

（b）固體滲碳法。固體滲碳劑通常是一定粒度的木炭與 15%～20%的碳酸鹽（BaCO3 或Na2CO3）的混合物。木炭提供滲碳所需要的活性炭原子，碳酸鹽起催化作用。

將工件和固體滲碳劑裝入滲碳箱中，用蓋子和耐火泥封好，然后放在爐中加熱至 900℃～950℃，保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，得到一定厚度的滲碳層。

要點(diǎn)提示

鋼件滲碳后緩慢冷卻得到的組織接近平衡態(tài)，必須經(jīng)過(guò)“淬火+低溫回火”處理，才能達(dá)到性能要求。

② 滲氮。滲氮工藝又叫氮化，是將工件放入含氮活性氣氛中，使工件表層滲入氮元素，形成含氮的硬化層的熱處理工藝。滲氮可以提高工件表層的含氮量，以提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。

含有鉻、鉬、鎢、釩及鋁等元素的中碳合金鋼和工模具鋼都適合于滲氮處理，這些元素可與氮形成氮化物，起到強(qiáng)化作用，如38CrMoAlA、38CrWVA、25CrNi3MoAl等。

滲氮件的表面硬度比滲碳件的還高，耐磨性好；同時(shí)滲層處于壓應(yīng)力，疲勞強(qiáng)度極大提高；具有一定的抗蝕性，但脆性較大；滲氮件變形很小，通常無(wú)需再加工。

滲氮操作適合于要求精度高、沖擊載荷小、表面耐磨性好的零件，如一些精密機(jī)床的主軸和絲杠、精密齒輪、精密模具等都可用氮化工藝處理。

鋼件在滲氮前，一般需經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，以得到均勻的回火索氏體組織，保證滲氮后的組織均勻。滲氮件的應(yīng)力變形都很小，滲氮后不再進(jìn)行熱處理。

要點(diǎn)提示

齒輪的表面處理既可以采用感應(yīng)加熱表面淬火，也可以采用化學(xué)熱處理，如滲碳、滲氮等。經(jīng)化學(xué)熱處理的齒輪具有較高的整體強(qiáng)度和一定的韌性，齒面具有良好的耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度，因此對(duì)于汽車、拖拉機(jī)、飛機(jī)及其他動(dòng)力機(jī)械的高負(fù)荷、高速度的重載齒輪，常采用滲碳或碳氮共滲處理。