項目三

鋼的熱處理及表面處

理技術(shù)本章內(nèi)容1鋼的熱處理技術(shù)2表面處理技術(shù)項目概述熱處理是指采用適當(dāng)?shù)姆绞綄︿摶蚝辖疬M行加熱、保溫和冷卻，以獲得預(yù)期的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝方法。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?，不僅可以提高金屬的使用性能，改善金屬的工藝性能，而且能夠充分發(fā)揮金屬的性能潛力，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。項目目標(biāo)知識目標(biāo)01.了解鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變。02.掌握鋼的退火、正火、淬火、回火的過程及其目的。03.掌握鋼的表面熱處理和化學(xué)熱處理的原理及其目的。能力目標(biāo)理解不同熱處理的本質(zhì)和區(qū)別，掌握其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過實驗掌握各類熱處理過程的特點及其產(chǎn)物的不同特性。任務(wù)一鋼的熱處理技術(shù)相關(guān)知識熱處理是對固態(tài)的金屬或合金采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需要的組織結(jié)構(gòu)與性能的工藝。一、鋼在加熱和冷卻時的組織轉(zhuǎn)變大多數(shù)熱處理工藝都要將鋼加熱到臨界溫度以上，并保溫一段時間，以獲得全部或部分奧氏體組織，并使其成分均勻化，即進行奧氏體化。加熱和保溫時形成的奧氏體晶粒大小及成分均勻性對冷卻轉(zhuǎn)變過程及產(chǎn)物的組織、性能都有極大影響。1．鋼在加熱時的組織轉(zhuǎn)變1）加熱溫度的確定如圖3-1所示，為與平衡條件下的相變線相區(qū)別，通常將加熱時的相變線稱為，和，將冷卻時的相變線稱為，和線。圖3-1加熱和冷卻對臨界點，和的影響鋼在加熱到溫度以上時，會發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變（即奧氏體化）。下面以共析鋼為例，分析奧氏體的形成過程。2）奧氏體的形成奧氏體的形成遵循結(jié)晶過程的普遍規(guī)律，是一個形核和長大的過程，一般包括晶核的形成、晶核的長大、殘余滲碳體的溶解和奧氏體成分的均勻化四個階段，如圖3-2所示。（a）晶核的形成（b）晶核的長大（c）殘余滲碳體的溶解（d）奧氏體成分的均勻化圖3-2共析鋼奧氏體的形成過程示意圖（1）奧氏體晶核的形成奧氏體晶核優(yōu)先在鐵素體和滲碳體的兩相界面上形成，這是因為相界面處成分不均勻，原子排列不規(guī)則，晶格畸變大，能為產(chǎn)生奧氏體晶核提供成分和結(jié)構(gòu)兩方面的有利條件。（2）奧氏體晶核的長大奧氏體晶核形成后，通過鐵、碳原子的擴散，相鄰的鐵素體晶格將不斷改組成奧氏體晶格，相鄰的滲碳體將不斷地向奧氏體中溶解，因此，奧氏體晶核將向鐵素體和滲碳體兩個方向不斷長大。同時，新的奧氏體晶核也將不斷形成并長大，直至鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體為止。（3）殘余滲碳體的溶解由于滲碳體的晶體結(jié)構(gòu)和含碳量與奧氏體相差較大，所以，當(dāng)鐵素體全部消失后，仍有部分滲碳體尚未溶解，稱為殘余滲碳體。隨著保溫時間的延長，殘余滲碳體將逐漸溶入奧氏體中，直至完全消失。殘余滲碳體全部溶解后，奧氏體中的碳濃度是不均勻的，原來是滲碳體的區(qū)域碳濃度高，而原來是鐵素體的區(qū)域碳濃度低。只有保溫一段時間，通過碳原子的擴散，才能使奧氏體的

成分趨于均勻。（4）奧氏體成分的均勻化3）奧氏體的晶粒度及其影響因素奧氏體晶粒大小是評定鋼加熱質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。奧氏體晶粒大小對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能都有重要影響。一般來說，奧氏體晶粒越細小，鋼熱處理后的強度越高，塑性、韌性越好。

奧氏體晶粒大小用晶粒度來表示。目前，世界各國對鋼鐵產(chǎn)品幾乎統(tǒng)一使用與標(biāo)準(zhǔn)金相圖片相比較的方法來確定晶粒度的級別。晶粒度可分為8級，各級晶粒度的晶粒大小如圖3-3所示。通常，1～4級為粗晶粒，5～8級為細晶粒，8級以外的晶粒稱為超粗或超細晶粒。（1）奧氏體的晶粒度圖3-3標(biāo)準(zhǔn)晶粒度等級示意圖（100×）加熱溫度越高，保溫時間越長，奧氏體晶粒長得越大。通常，加熱溫度對奧氏體晶粒長大的影響比保溫時間更顯著。（2）影響奧氏體晶粒度的因素

加熱溫度確定后，加熱速度越快，奧氏體晶粒越細小。因此，快速高溫加熱和短時保溫是生產(chǎn)中常用的一種晶粒細化方法。②加熱速度

在一定的含碳量范圍內(nèi)，隨著含碳量的增加，奧氏體晶粒長大的傾向增大。但當(dāng)含碳量超過某一限度時，由于未熔碳化物會阻礙奧氏體晶界的遷移，奧氏體晶粒反而會變得細小。③含碳量若在鋼中加入適量的Ti，Zr，V，Nb等元素，它們將在鋼中形成高熔點的彌散碳化物和氮化物，能阻礙奧氏體晶粒長大。④合金元素鋼經(jīng)加熱奧氏體化后，采用不同的方式冷卻，將獲得不同的組織和性能。所以，冷卻過程是熱處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。2．鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變當(dāng)以極其緩慢的速度冷卻時，奧氏體在線發(fā)生轉(zhuǎn)變。但當(dāng)冷卻速度較快時，奧氏體常需過冷到線以下才能發(fā)生轉(zhuǎn)變。我們把在共析溫度以下存在的奧氏體稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體的冷卻方式有兩種：等溫冷卻和連續(xù)冷卻。01等溫冷卻：將已奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界點以下的某一給定溫度，進行保溫，使其在該溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。02連續(xù)冷卻：將已奧氏體化的鋼以某種冷卻速度連續(xù)冷卻，使其在臨界點以下的不同溫度進行組織轉(zhuǎn)變。1）過冷奧氏體的等溫冷卻轉(zhuǎn)變

現(xiàn)以共析鋼為例詳細說明過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖是表示過冷奧氏體在不同過冷度下的等溫過程中，轉(zhuǎn)變溫度、轉(zhuǎn)變時間和轉(zhuǎn)變產(chǎn)物之間的關(guān)系曲線。因其形狀與字母“C”相似，所以又稱為C曲線，也稱為TTT曲線（Time，Temperature，Transformation）。如圖3-4所示為共析鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖。（1）共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖圖3-4共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線圖分析等溫轉(zhuǎn)變曲線圖可知，圖中有兩條曲線、三條水平線、六個區(qū)域、一個特征和三種類型轉(zhuǎn)變。三條水平線：線為穩(wěn)定奧氏體與過冷奧氏體分界線；

線的溫度是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度；線的溫度是過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的終了溫度。

六個區(qū)域：線以上為奧氏體穩(wěn)定區(qū)；線以下、轉(zhuǎn)變開始線以左、線以上為過冷奧氏體區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，奧氏體不發(fā)生轉(zhuǎn)變；兩曲線之間為過冷奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)，過冷奧氏體向珠光體或貝氏體轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變終了線以右為轉(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)；線以下、線以上為馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)；線以下為馬氏體和殘余奧氏體兩相共存區(qū)。一個特征：即“鼻尖”，C曲線上最突出、距縱坐標(biāo)最近的部分。鼻尖以上或以下，隨著溫度的升高或降低，孕育期（過冷奧氏體轉(zhuǎn)變之前所經(jīng)歷的時間）增長，過冷奧氏體穩(wěn)定性增加；鼻尖處，過冷奧氏體的孕育期最短，最不穩(wěn)定，最易分解，轉(zhuǎn)變速度也最快。

三種類型轉(zhuǎn)變：分別是高溫珠光體轉(zhuǎn)變、中溫貝氏體轉(zhuǎn)變和低溫馬氏體轉(zhuǎn)變。其中，高溫珠光體轉(zhuǎn)變和中溫貝氏體轉(zhuǎn)變屬于等溫轉(zhuǎn)變，而低溫馬氏體轉(zhuǎn)變則屬于連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變。（2）共析鋼過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和特征①高溫轉(zhuǎn)變

高溫轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變溫度為550℃～，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體。過冷奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變是擴散型相變，要發(fā)生鐵、碳原子的擴散和晶格改組，其轉(zhuǎn)變過程也是通過形核和長大完成的。

珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物，滲碳體呈層片狀分布在鐵素體基體上。轉(zhuǎn)變溫度越低，片層間距越小。按層間距不同，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物分別為珠光體（P）、索氏體（S）、屈氏體（T）。它們并無本質(zhì)區(qū)別，也沒有嚴格界限，只是層片粗細不同，如圖3-5所示。它們的大致形成溫度及性能如表3-1所示。(a)珠光體(3800×)(b)索氏體(8000×)

(c)屈氏體(8000×)圖3-5共析鋼過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變組織表3-1過冷奧氏體高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的形成溫度及性能②中溫轉(zhuǎn)變中溫轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變溫度為～550℃，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為貝氏體，用符號B表示。由于此溫度范圍內(nèi)過冷度較大，鐵原子難以擴散，僅有碳原子擴散，因此，過冷奧氏體向貝氏體的轉(zhuǎn)變?yōu)榘霐U散型相變。貝氏體是過飽和鐵素體和碳化物的兩相混合物。按轉(zhuǎn)變溫度和組織形態(tài)的不同，貝氏體可分為上貝氏體(

)和下貝氏體()兩種。上貝氏體的形成溫度范圍為350～550℃，其金相組織呈羽毛狀，如圖3-6所示。下貝氏體的形成溫度范圍為～350℃，其金相組織呈黑色針狀或棒狀，如圖3-7所示。圖3-6上貝氏體形態(tài)圖3-7下貝氏體形態(tài)貝氏體的性能與其形態(tài)有關(guān)。上貝氏體強度低，脆性大，易引起脆斷，實用性較差。下貝氏體中，鐵素體片細小，且無方向性，碳的過飽和度大，碳化物分布均勻，彌散度大，因此，下貝氏體具有較高的強度和硬度，良好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能好，生產(chǎn)中常采用等溫轉(zhuǎn)變獲得下貝氏體組織。2）過冷奧氏體的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變生產(chǎn)中，奧氏體的轉(zhuǎn)變大多是在連續(xù)冷卻過程中進行的。因此，分析過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線具有重要的實用意義?，F(xiàn)以共析鋼為例進行詳細說明。（1）共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線如圖3-8所示為共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖，又稱為CCT曲線（ContinuousCoolingTransformation）。由圖可知，連續(xù)冷卻曲線只有C曲線的上半部分，沒有下半部分，即連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變時不形成貝氏體組織；連續(xù)冷卻曲線較C曲線還向右下方移了一些。圖3-8共析鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖圖3-8中，線分別為珠光體轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了線，線為珠光體轉(zhuǎn)變中止線。當(dāng)冷卻曲線碰到線時，過冷奧氏體向珠光體的轉(zhuǎn)變將被中止，殘留奧氏體將一直過冷至線以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。共析鋼過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變過程分析如下。爐冷：當(dāng)過冷奧氏體以爐冷的冷卻速度緩慢冷卻時，冷卻曲線分別與珠光體轉(zhuǎn)變開始線和終了線相交，交點位于C曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域上部，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體。

空冷：當(dāng)過冷奧氏體以空冷的冷卻速度冷卻時，冷卻曲線分別與珠光體轉(zhuǎn)變開始線和終了線相交，交點位于C曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域中下部，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為索氏體。

油冷：當(dāng)過冷奧氏體以油冷的冷卻速度冷卻時，冷卻曲線分別與珠光體轉(zhuǎn)變開始線和中止線相交，沒有與轉(zhuǎn)變終了線相交，即僅有一部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w，其余部分在冷卻至線以下后轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，冷卻至室溫后，還會有少量的殘余奧氏體存在。因此，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為屈氏體+馬氏體+殘余奧氏體。

水冷：當(dāng)過冷奧氏體以水冷的冷卻速度冷卻時，冷卻曲線不與C曲線相交，過冷奧氏體將直接冷卻至線以下進行馬氏體轉(zhuǎn)變，冷卻至室溫后，還會保留部分殘余奧氏體。因此，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體+殘余奧氏體。由以上分析可知，和為兩個臨界冷卻速度。是過冷奧氏體在連續(xù)冷卻中不發(fā)生分解，全部冷至線以下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的最小冷卻速度，稱為上臨界冷卻速度或臨界淬火速度；是過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的最大冷卻速度，稱為下臨界冷卻速度。（2）馬氏體轉(zhuǎn)變當(dāng)冷卻速度大于時，奧氏體將會很快被過冷至線以下，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，用符號M表示。因轉(zhuǎn)變溫度很低，鐵、碳原子都不能進行擴散，因此，馬氏體轉(zhuǎn)變是一種非擴散型相變。鐵原子沿奧氏體一定晶面，集中地（不改變相互位置關(guān)系）做一定距離的移動（不超過一個原子間距），使面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方晶格，碳原子原地不動，過飽和地留在新晶胞中。因此，馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。過飽和碳使α-Fe的晶格發(fā)生很大的畸變，形成很強的固溶強化。①馬氏體轉(zhuǎn)變的特點馬氏體的轉(zhuǎn)變速度極快。過冷奧氏體冷卻至線以下后，瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。隨著溫度的下降，過冷奧氏體不斷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，是一個連續(xù)冷卻的轉(zhuǎn)變過程。馬氏體轉(zhuǎn)變是不徹底的，總會殘留少量奧氏體。殘余奧氏體的含量與和線的位置有關(guān)。奧氏體的含碳量越高，和

線就越低，殘余奧氏體含量就越高。通常，含碳量高于0.6%時，在轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中應(yīng)標(biāo)上殘余奧氏體；含碳量低于0.6%，殘余奧氏體可忽略。馬氏體形成時體積膨脹，在鋼中會造成很大的內(nèi)應(yīng)力，嚴重時將使被處理零件開裂。馬氏體的形態(tài)因其成分和形成條件而異，通常分為板條馬氏體和片狀（針狀）馬氏體兩種。②馬氏體的形態(tài)含碳量在0.25%以下時，形成板條馬氏體（低碳馬氏體）。板條馬氏體由一束束平行排列的細板條組成，在光學(xué)顯微鏡下觀察到的只是邊緣不規(guī)則的塊狀，故板條馬氏體又稱為塊狀馬氏體，如圖3-9所示。（a）板條馬氏體顯微組織（1000×）（b）板條馬氏體示意圖圖3-9板條馬氏體的組織形態(tài)含碳量大于1.0%時，形成片狀馬氏體（高碳馬氏體）。片狀馬氏體單個晶體的立體形態(tài)呈雙凸透鏡形的片狀，觀察金相磨片，其斷面呈針狀。一個奧氏體晶粒內(nèi)，先形成的馬氏體片較為粗大，往往貫穿整個奧氏體晶粒，而后形成的馬氏體片則不能穿越先形成的馬氏體片。因此，越晚形成的馬氏體片尺寸越小，整個組織是由長短不一的馬氏體片組成的，如圖3-10所示。（a）片狀馬氏體顯微組織（1500×）（b）片狀馬氏體示意圖圖3-10片狀馬氏體的組織形態(tài)馬氏體具有高的硬度和強度。馬氏體的硬度主要取決于其含碳量，含碳量越高，其硬度越高。馬氏體具有高強度的原因主要包括固溶強化、相變強化、時效強化及晶界強化等。③馬氏體的性能特點

馬氏體的塑性和韌性主要取決于其組織。板條馬氏體具有較高的硬度、強度及較好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能較好。片狀馬氏體具有比板條馬氏體更高的硬度，但脆性較大，塑性和韌性較差。退火是指將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻）的熱處理工藝。根據(jù)處理的目的不同，鋼的退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、擴散退火、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。各種退火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖3-11所示。二、鋼的退火（a）加熱溫度范圍（b）工藝曲線圖3-11退火和正火的加熱溫度范圍和工藝曲線1．完全退火完全退火是指將工件完全奧氏體化后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的退火工藝，其加熱溫度為以上30～50℃。完全退火后的組織一般為。完全退火的目的是細化晶粒，消除內(nèi)應(yīng)力與組織缺陷，降低硬度，提高韌性，為隨后的切削和淬火做好組織準(zhǔn)備。完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊件等，不能用于過共析鋼，因為過共析鋼加熱到線以上緩慢冷卻時，會沿奧氏體晶界析出網(wǎng)狀二次滲碳體，降低鋼材的力學(xué)性能。2．等溫退火完全退火所需時間很長，為縮短退火時間，生產(chǎn)中常采用等溫退火的方法。等溫退火是指將鋼件加熱到(或)以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，以較快速度冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的適當(dāng)溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，然后出爐空冷的退火工藝。等溫退火不僅可以有效地縮短退火時間，提高生產(chǎn)率，而且因工件內(nèi)外在同一溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，故能獲得均勻的組織與性能。3．球化退火球化退火是指將共析鋼或過共析鋼加熱到以上20～30℃，保溫一定時間后，隨爐緩冷至室溫，或快冷到略低于溫度，保溫后出爐空冷，使鋼中碳化物球狀化的退火工藝。過共析鋼及合金工具鋼熱加工后，組織中常出現(xiàn)粗片狀珠光體和網(wǎng)狀二次滲碳體，硬度高，切削加工性能較差，且淬火時易產(chǎn)生變形和開裂。為消除上述缺陷，可采用球化退火，使珠光體中的片狀滲碳體和鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體均呈球狀（或粒狀）。這種在鐵素體基體上彌散分布著粒狀滲碳體的復(fù)相組織稱為粒狀珠光體。若鋼的原始組織中存在嚴重網(wǎng)狀二次滲碳體，可先進行一次正火，將滲碳體網(wǎng)破碎，然后再進行球化退火。擴散退火又稱為均勻化退火，是指將鑄件加熱至鋼熔點以下100～200℃并長時間保持（一般為10～15h），然后隨爐緩慢冷卻至600℃（高合金鋼為350℃）左右出爐空冷的退火工藝。4．?dāng)U散退火

擴散退火的目的是消除晶內(nèi)偏析，使化學(xué)成分和組織均勻化。擴散退火后，鋼的晶粒很粗大，因此一般還需再進行完全退火或正火處理。5．去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火是指將工件緩慢加熱到500～600℃，保溫一定時間，然后隨爐緩慢冷卻至200℃再出爐空冷的退火工藝。由于加熱溫度低于，因此去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生相變。去應(yīng)力退火的目的是去除由于塑性變形加工、切削加工或焊接造成的應(yīng)力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力。它可消除50%～80%的內(nèi)應(yīng)力，對形狀復(fù)雜及壁厚不均勻的零件尤為重要。6．再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火是指將冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當(dāng)時間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除形變強化和殘余應(yīng)力的退火工藝。正火是指將鋼加熱到或以上30～50℃，保溫適當(dāng)時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。正火的加熱溫度范圍和工藝曲線如圖3-11所示。三、鋼的正火（a）加熱溫度范圍（b）工藝曲線圖3-11退火和正火的加熱溫度范圍和工藝曲線正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，得到的組織較細小（見圖3-12），強度和硬度也較高。正火操作簡便，生產(chǎn)周期短，成本較低，因此，在工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)盡量用正火代替退火。圖3-12鋼的退火（左）與正火（右）的組織比較

正火的主要應(yīng)用是：作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理；作為低、中碳結(jié)構(gòu)鋼的預(yù)備熱處理，可獲得合適的硬度，便于切削；用于過共析鋼消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火做好組織準(zhǔn)備。四、鋼的淬火淬火是指將鋼加熱到或以上某一溫度，保持一定時間，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s獲得馬氏體和（或）貝氏體組織的熱處理工藝。淬火是鋼最重要的強化方法。淬火需與適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に囅嗯浜希拍苁逛摼哂胁煌牧W(xué)性能，以滿足各類零件或工、模具的使用要求。淬火加熱溫度是淬火工藝的主要參數(shù)。一般情況下，淬火加熱溫度應(yīng)限制在臨界點以上30～50℃范圍內(nèi)，如圖3-13所示。1．淬火工藝1）淬火加熱溫度圖3-13碳鋼的淬火加熱溫度范圍亞共析鋼的淬火加熱溫度為，這樣可獲得均勻而細小的馬氏體組織。若加熱溫度在之間，淬火后的組織中會保留鐵素體，使鋼的硬度降低。若加熱溫度過高，不僅會出現(xiàn)粗大的馬氏體組織，還會導(dǎo)致淬火鋼嚴重變形。共析鋼和過共析鋼的淬火加熱溫度為。淬火后，共析鋼可獲得均勻而細小的馬氏體和少量殘余奧氏體；過共析鋼可獲得均勻而細小的馬氏體、粒狀二次滲碳體和少量殘余奧氏體。過共析鋼的這種淬火組織，有利于獲得最佳硬度和耐磨性。若過共析鋼的淬火加熱溫度過高，則會得到較粗大的馬氏體和較多的殘余奧氏體，這不僅會降低淬火鋼的硬度和耐磨性，而且還會增大淬火應(yīng)力，使變形和開裂傾向增大。若過共析鋼的淬火加熱溫度低于點，則組織不發(fā)生相變，達不到淬火目的。淬火加熱時間是指達到加熱溫度和獲得奧氏體均勻化的時間，包括升溫和保溫時間。加熱時間不能過長，也不能過短，其受工件形狀和尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質(zhì)等影響。2）淬火加熱時間3）淬火冷卻介質(zhì)理想的淬火冷卻介質(zhì)應(yīng)該能使零件通過快速冷卻轉(zhuǎn)變成馬氏體，同時又不會引起太大的淬火應(yīng)力。理想的冷卻速度如圖3-14所示。。圖3-14理想冷卻曲線在650℃以上時，過冷奧氏體較穩(wěn)定，冷卻速度可以慢一些，以減少零件內(nèi)外溫差引起的熱應(yīng)力；在500～650℃之間時，過冷奧氏體很不穩(wěn)定，冷卻速度應(yīng)大于，快冷，以避免過冷奧氏體轉(zhuǎn)變成其他組織；在200～300℃之間時，冷卻速度應(yīng)慢一些，以減小組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力。生產(chǎn)中常用的淬火冷卻介質(zhì)為水和油。水在500～650℃范圍內(nèi)需要快冷時，冷卻速度相對較小；而在200～300℃范圍內(nèi)需要慢冷時，冷卻速度又相對較大。但因水價廉且安全，故常用于形狀簡單、截面較大的碳鋼件的淬火。若在水中加入鹽或堿形成鹽或堿的水溶液，可增加500～650℃范圍內(nèi)的冷卻速度，但基本上不改變200～300℃范圍內(nèi)的冷卻速度。常用的淬火用油主要為各種礦物用油，如機油、柴油、變壓器油等。油在200～300℃范圍內(nèi)的冷卻速度很慢，有利于減少工件變形和開裂；但在500～650℃范圍內(nèi)的冷卻速度也很慢，不利于過冷奧氏體穩(wěn)定性差的非合金鋼的淬硬。因此，油一般作為合金鋼的淬火冷卻介質(zhì)。常用的淬火方法有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火等，如圖3-15所示。4）淬火方法1—單介質(zhì)淬火；2—雙介質(zhì)淬火；3—分級淬火；4—等溫淬火圖3-15不同淬火方法示意圖單介質(zhì)淬火是指奧氏體化后的工件在一種介質(zhì)（水或油）中連續(xù)冷卻至室溫的淬火方法。此法操作簡單，易于實現(xiàn)機械化和自動化，但淬火應(yīng)力大，工件容易變形和開裂。對碳素鋼而言，單介質(zhì)淬火只適用于形狀較簡單的工件。（1）單介質(zhì)淬火雙介質(zhì)淬火是指將工件奧氏體化后，先在冷卻能力較強的介質(zhì)中冷卻，在組織即將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時，立即轉(zhuǎn)入冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻的淬火方法，如先水后油、先水后空氣等。此方法可有效減少工件變形和開裂，但操作不好掌握，主要用于形狀復(fù)雜的高碳鋼件和尺寸較大的合金鋼件。（2）雙介質(zhì)淬火馬氏體分級淬火是指將奧氏體化后的工件浸入溫度稍高于或稍低于點的堿浴或鹽浴中保持適當(dāng)時間，在工件整體達到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法。此方法顯著降低了淬火應(yīng)力，因而能更有效地減小或防止淬火工件的變形和開裂，主要用于尺寸較小的工件。（3）馬氏體分級淬貝氏體等溫淬火是指將工件奧氏體化后，隨之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火方法。此法淬火后應(yīng)力和變形很小，工件強度高、韌性好，多用于形狀復(fù)雜、尺寸較小的零件。（4）貝氏體等溫淬火2．鋼的淬透性鋼的淬透性是指鋼件在淬火時形成馬氏體的能力，一般以圓柱體試樣的淬硬層深度或沿截面的硬度分布曲線表示。因半馬氏體組織（馬氏體和非馬氏體組織各占一半）比較容易由顯微鏡或硬度的變化來確定，所以，一般規(guī)定，從工件表面向里至半馬氏體組織的深度為鋼的淬硬層深度。在同樣的淬火條件下，淬硬層深度越大，鋼的淬透性越好。一般來說，奧氏體的穩(wěn)定性越好，形成馬氏體所需要的臨界冷卻速度也就越小，鋼的淬透性越好。因此，凡是影響奧氏體穩(wěn)定性的因素，如合金元素、碳含量、奧氏體化溫度和鋼中的第二相等，均影響鋼的淬透性。五、鋼的回火回火是指將淬火鋼重新加熱到以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝?；鼗鹨话阍诖慊鸷箅S即進行。淬火與回火常作為零件的最終熱處理?；鼗鹂蓽p小和消除淬火時產(chǎn)生的應(yīng)力和脆性，防止和減小工件變形和開裂；獲得所需的穩(wěn)定組織，保證工件在使用中形狀和尺寸不發(fā)生改變；獲得工件所要求的使用性能。按回火溫度范圍不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。1．低溫回火低溫回火的加熱溫度為150～250℃，所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持鋼淬火后的高硬度（58～64HRC）和高耐磨性的前提下，降低淬火應(yīng)力及脆性，主要用于量具、刃具、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。2．中溫回火中溫回火的加熱溫度為350～500℃，所得組織為回火屈氏體，硬度一般為35～50HRC。其目的是獲得高的屈強比、彈性極限和較高的韌性，主要用于各種彈簧和鍛模。3．高溫回火高溫回火的加熱溫度為500～650℃，所得組織為回火索氏體，硬度一般為25～35HRC。工件淬火加高溫回火的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)處理，簡稱調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)后的工件具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能，廣泛用于汽車、拖拉機、機床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類等?；鼗饡r一般采用空冷，冷卻方式對回火后的性能影響不大。在機械設(shè)備中，有許多零件是在沖擊載荷、扭轉(zhuǎn)載荷及摩擦條件下工作的，它們要求表面具有很高的硬度和耐磨性，而心部要求具有足夠的塑性和韌性。為了滿足這些要求，實際生產(chǎn)中一般先通過選材和常規(guī)熱處理來滿足心部的力學(xué)性能，然后再通過表面熱處理或化學(xué)熱處理的方法強化零件表面的力學(xué)性能，以達到零件“外硬內(nèi)韌”的性能要求。任務(wù)二表面處理技術(shù)相關(guān)知識一、鋼的表面熱處理表面熱處理是指為改變工件表面的組織和性能，僅對工件表層進行的熱處理工藝。表面淬火是一種常用的表面熱處理，是指僅對工件表層進行淬火的工藝。工件經(jīng)表面淬火后，表層得到馬氏體組織，具有高的硬度和耐磨性，而心部仍保留著韌性和塑性較好的原始組織。最常用的表面淬火方法為感應(yīng)加熱表面淬火和火焰加熱表面淬火。感應(yīng)加熱表面淬火是指利用感應(yīng)電流通過工件時所產(chǎn)生的熱量，使工件表層、局部或整體加熱并快速冷卻的淬火工藝。1．感應(yīng)加熱表面淬火如圖3-16所示，工件放入用空心純銅管繞成的感應(yīng)器內(nèi)，給感應(yīng)器通入一定頻率的交流電，周圍便產(chǎn)生同頻率的交變磁場，于是在工件內(nèi)部就產(chǎn)生了同頻率的感應(yīng)電流（渦流）。由于感應(yīng)電流的集膚效應(yīng)（電流集中分布在工件表面）和熱效應(yīng)，使工件表層迅速加熱到淬火溫度，而心部仍處于相變點溫度以下，隨即快速冷卻，從而達到表面淬火的目的。1）感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理圖3-16感應(yīng)加熱表面淬火示意圖與普通淬火相比，感應(yīng)加熱表面淬火速度快，加熱時間短；淬火質(zhì)量好，表面硬度高，淬硬層深度易于控制；勞動條件好，生產(chǎn)率高，適于大批量生產(chǎn)。但感應(yīng)加熱設(shè)備較昂貴，調(diào)整、維修比較困難，工件形狀復(fù)雜時感應(yīng)器制造困難，且不適合單件小批生產(chǎn)。2）感應(yīng)加熱表面淬火的特點及應(yīng)用感應(yīng)加熱表面淬火最適宜的鋼種是中碳鋼（如40鋼、45鋼）和中碳合金鋼（如40Cr鋼、40MnB鋼），也可用于高碳工具鋼、含合金元素較少的合金工具鋼及鑄鐵等。2．火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火是指采用氧-乙炔（或其他可燃氣體）火焰，對零件表面進行加熱，隨之淬火冷卻的工藝，如圖3-17所示。其淬硬層深度一般為2～6mm。圖3-17火焰加熱表面淬火示意圖火焰加熱表面淬火操作簡便，設(shè)備簡單，成本低，靈活性大；但加熱溫度不