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热处理工艺介绍——表面淬火、退火工艺、正火工艺

表面淬火
• 钢的表面淬火
有些零件在 工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提 出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。 
根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。 
• 感应加热表面淬火
感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点： 
1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高 
2.工件因不是整体加热，变形小 
3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少 
4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命 
5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好 
6.便于机械化和自动化 
7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。 
• 感应加热的基本原理 
将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。 
• 感应表面淬火后的性能 
1.表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高 2～3 个单位（HRC）。 
2.耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。 
3. 疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层 深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化层深δ＝（10～20）％D。较为合适，其中D。为工件的有效 直径。 

·         退火工艺
退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。 
• 退火的目的 
①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 
②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。 
③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。 
• 退火工艺的种类 
①均匀化退火（扩散退火) 
均匀化退火是为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保持，然后进行缓慢冷却，以化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。 
均 匀化退火的加热温度一般为Ac3+（150～200℃），即1050～1150℃，保温时间一般为10～15h，以保证扩散充分进行，大道消除或减少成分 或组织不均匀的目的。由于扩散退火的加热温度高，时间长，晶粒粗大，为此，扩散退火后再进行完全退火或正火，使组织重新细化。 
②完全退火 
完全退火又称为重结晶退火，是将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。 
完 全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完 全退火需加热到Acm以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。 
完全退火的加 热温度碳钢一般为Ac3+（30～50℃）；合金钢为Ac3+（500～70℃）；保温时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、所选用的设备型号等 多种因素确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变，完全退火的冷却必须是缓慢的，随炉冷却到500℃左右出炉空冷。 
③不完全退火 
不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1～Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。 
不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是细化组织和降低硬度，加热温度为Ac1+(40～60)℃，保温后缓慢冷却。 
④等温退火 
等温退火是将钢件或毛坯件加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间地某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。 
等 温退火工艺应用于中碳合金钢和低合金钢，其目的是细化组织和降低硬度。亚共析钢加热温度为Ac3+(30～50)℃，过共析钢加热温度为Ac3+ (20～40)℃，保持一定时间，随炉冷至稍低于Ar3温度进行等温转变，然后出炉空冷。等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀。 
⑤球化退火 
球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。 
球 化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而 脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和 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倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲 压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。 
球化退火加热温度为Ac1+(20～40)℃或Acm-(20～30)℃，保温后等温冷却或 直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状 碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。 
球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和 等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化 退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球 化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。 
⑥再结晶退火（中间退火） 
再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。 
⑦去应力退火 
去应力退火是为了消除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火工艺。 
锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件内部存在内应力，如不及时消除，将使工件在加工和使用过程中发生变形，影响工件精度。采用去应力退火消除加工过程中产生的内应力十分重要。 
去 应力退火的加热温度低于相变温度A1，因此，在整个热处理过程中不发生组织转变。内应力主要是通过工件在保温和缓冷过程中消除的。为了使工件内应力消除得 更彻底，在加热时应控制加热温度。一般是低温进炉，然后以100℃/h左右得加热速度加热到规定温度。焊接件得加热温度应略高于600℃。保温时间视情况 而定，通常为2～4h。铸件去应力退火的保温时间取上限，冷却速度控制在（20～50）℃/h，冷至300℃以下才能出炉空冷。 

·         正火工艺
正火工艺是将钢件加热到Ac3（或Acm）以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100～150℃的正火则称为高温正火。 
对于中、低碳钢的铸、锻件正火的主要目的是细化组织。与退火相比，正火后珠光体片层较细、铁素体晶粒也比较细小，因而强度和硬度较高。 
低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，通过正火提高硬度，可改善切削性能，某些中碳结构钢零件可用正火代替调质，简化热处理工艺。 
过共析钢正火加热刀Acm以上，使原先呈网状的渗碳体全部溶入到奥氏体，然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，从而能消除网状碳化物，改善过共析钢的组织。 
焊接件要求焊缝强度的零件用正火来改善焊缝组织，保证焊缝强度。 
在热处理过程中返修零件必须正火处理，要求力学性能指标的结构零件必须正火后进行调质才能满足力学性能要求。中、高合金钢和大型锻件正火后必须加高温回火来消除正火时产生的内应力。 
有些合金钢在锻造时产生部分马氏体转变，形成硬组织。为了消除这种不良组织采取正火时，比正常正火温度高20℃左右加热保温进行正火。 
正火工艺比较简便，有利于采用锻造余热正火，可节省能源和缩短生产周期。 
正火工艺与操作不当也产生组织缺陷，与退火相似，补救方法基本相同。  

热处理与金相知识

铁素体(F)

1.组织: 碳在α铁中的固溶体
2.特性: 
呈体心立方晶格.溶碳能力最小,最大为0.02%;硬度和强度很低,
HB=80-120,σb=250N/mm^2;而塑性和韧性很好,δ=50%,ψ=70-80%.
因此,含铁素体多的钢材(软钢)中用来做可压、挤、冲板与耐
冲击震动的机件.这类钢有超低碳钢,如 0Cr13,1Cr13、硅钢片等


奥氏体

1.组织: 碳在γ铁中的固溶体
2.特性:
呈面心立方晶格.最高溶碳量为2.06%,在一般情况
下,具有高的塑性,但强度和硬度低,HB=170-220,奥氏体组织除了在高温
转变时产生以外,在常温时亦存在于不锈钢、高铬钢和高锰钢中,如奥氏
体不锈钢等


渗碳体(C)

1.组织: 铁和碳的化合物(Fe3C)
2.特性: 
呈复杂的八面体晶格.
含碳量为6.67%,硬度很高,HRC70-75,耐磨,但脆性很大,因此,
渗碳体不能单独应用,而总是与铁素体混合在一起.
碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳都是
以渗碳体或其他碳化物形式出现


珠光体(P)

1.组织; 铁素体片和渗碳体片交替排列的层状显微组织,是铁素体与
渗碳体 祷旌衔?共析体)
2.特性: 
是过冷奥氏体进行共析反应的直接产物.
其片层组织的粗细随奥氏体过冷程度不同,过冷程度越大,片层组织
越细性质也不同.
奥氏体在约600℃分解成的组织称为细珠光体(有的叫一次索氏体),
在500-600℃分解转变成用光学显微镜不能分辨其片层状的组织称为极
细珠光体(有的一次屈氏体),它们的硬度较铁素体和奥氏体高,而较渗碳
体低,其塑性较铁素体和奥氏体低而较渗碳体高.
正火后的珠光体比退火后的珠光体组织细密,弥散度大,故其力学性
能较好,但其片状渗碳体在钢材承受负荷时会引起应力集中,故不如索氏体


莱氏体(L)

1.组织: 奥氏体与渗碳体的共晶混合物
2.特性: 
铁合金溶液含碳量在2.06%以上时,缓慢冷到1130℃便凝固出莱氏体.
当温度到达共析温度莱氏体中的奥氏转变为珠光体.
因此,在723℃以下莱氏体是珠光体与渗碳体机械混合物(共晶混合).
莱氏体硬而脆(＞HB700),是一种较粗的组织,不能进行压力加工,如白口铁.
在铸态含有莱氏体组织的钢有高速工具钢和Cr12型高合金工具钢等.
这类钢一般有较大有耐磨性和较好的切削性


淬火与马氏体

1.组织: 碳在α-Fe中的过饱和固溶体,显微组织呈针叶状
2.特性:
淬火后获得的不稳定组织.
具有很高的硬度,而且随含碳量增加而提高,但含碳量超过0.6%后的硬
度值基本不变,如含C0.8%的马氏体,硬度约为HRC65,冲击韧性很低,脆性
很大,延伸率和断面收缩率几乎等于零.
奥氏体晶粒愈大,马氏体针叶愈粗大,则冲击韧性愈低;淬火温度愈低,
奥氏体晶粒愈细,得到的马氏体针叶非常细小,即无针状马氏组织,其韧性最高
回火马氏体(S)

1.组织: 与淬火马氏体硬度相近,而脆性略低的黑色针叶状组织
2.特性:
淬火钢重新加热到150-250℃回火获得的组织.
硬度一般只比淬火马氏体低HRC1-3格,但内应力比淬火马氏体小


索氏体(S)

1.组织: 铁索体和较细的粒状渗碳体组成的组织
2.特性:
淬火钢重新加热到500-680℃回火后获得的组织.
与细珠光体相比,在强度相同情冲下塑性及韧性都高,随回火温度提高,
硬度和强度降低,冲击韧性提高.硬度约为HRC23-35.综合机械性能比较好.
索氏体有的叫二次索氏体或回火索氏体


屈氏体

屈氏体(T)组织或特性
1.组织: 铁索体和更细的粒状渗碳体组成的组织
2.特性:
淬火钢重新加热到350-450℃回火后获得的组织.
它的硬度和强度虽然比马氏体低,但因其组织很致密,仍具有较高的强
度和硬度,并有比马氏体好的韧性和塑性,硬度约为HRC35-45.
屈氏体有的叫二次屈氏体或回火屈氏体


下贝氏体(B)

1.组织: 
显微组织呈黑色针状形态,其中的铁素体呈现针状,而碳化物呈现
极小的质点以弥散状分布在针状铁素体内
2.特性:
过冷奥氏体在400-240℃等温度转变后的产物.
具有较高的硬度,约为HRC40-55,良好的塑性和很高的冲击韧性,其综
合机械性能比索氏体更好;
因此,在要求较大的、韧性和高强度相配合时,常以含有适当合金元素
的中碳结构钢等温淬火,获得贝氏体以改善钢的机械性能,并减小内应力
和变形


低碳马氏体

具有高强度与良好的塑性、韧性相结合的特点(σb=1200-1600N/mm^2,
σ0.2=1000-1300N/mm^2,δ5≥10%,ψ≥40%αk≥60J/cm^2); 同时还有
低的冷脆转化温度(≤-60℃);在静载荷、疲劳及多次冲击载荷下,其缺
口敏感度和过载敏感性都较低.
低碳马氏体状态的20SiMn2MoVA综合力学性能,比中碳合金钢等温淬火
获得的下贝氏体更好.
保持了低碳钢的工艺性能,但切削加工较难.




铁-碳合金平衡图中特性点与线(搂冷却叙述,加热为可逆的)
符号 说明
A  纯铁的凝固点 
E  碳在γ-Fe中的最大溶解度
G  γ-Fe→α-Fe转变点
C  共晶点
S  共折点
ABCD  液相线.液体开始结晶
AHJECF  固相线,液体终止结晶
ES  Acm线,渗碳体开始从奥氏体中析出
ECF  共晶线,开始从液体结晶出奥氏体和渗碳体的共晶混合物
GS  As线,自奥氏体开始析出铁素体,
      即γ-Fe→α-Fe的开始线
PSK  共析线或称A1线,自奥氏体开始析出铁素体和
渗碳体的共析混合物
注:1.As线在加热时称为Ac3线,冷却时称Ar3线;
2.A1线在加热时称为Ac1线,冷却时称Ar1线

室温下铁-碳合金的平衡组织
名称  含碳晶,%  平衡组织
亚共析钢  0.02-0.8  铁素体＋珠光体
共析钢  0.8  珠光体
过共析钢  0.8-2.06  珠光体＋二次渗碳体
亚共晶的口铁 2.06-4.3  树状珠光体＋二次渗透体＋共晶体
共晶白口铁 4.3  共晶体(珠光体＋渗碳体)
过共晶白口铁 ＞4.3-6.67  板状一次渗碳体＋共晶体

热处理方法中的退火正火淬火回火基础介绍

金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。 
     金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。 
     为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。 
     在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 
     公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。 
     随着淬火技 术的发展，人们逐渐发现冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注 意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为 0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。 
     1863 年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种 较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在 金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 
     1850～1880年，对于应用各种气体(如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。 
     二 十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行 气体渗碳 ；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热 处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。 
     二 金属热处理的工艺 
     热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。 
     加热是热处理的重要步骤之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 
     金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。 
     加 热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般 都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一 致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间或保温时间很短，而化学热处理的保温 时间往往较长。 
     冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 
     金属热 处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工 艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理 工艺种类繁多。 
     整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 
     退 火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使 用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性 能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 
     淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快 速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工 艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。

“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某 些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压 力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它 不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。 
     表面热处理是 只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积 的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法，有激光热处理、火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或 氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。 
     化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表 面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而 使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等。 
     热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。 
     例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。 

三 钢的分类 
     钢 是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 。钢是经济建设中极为重要的金属材料。钢按化学成分分为碳素钢（简称碳钢）与合金钢两大类。 碳钢是由生铁冶炼获得的合金，除铁、碳为其主要成分外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，又有良好的工艺性能，且价格低廉。因 此，碳钢获得了广泛的应用。但随着现代工业与科学技术的迅速发展，碳钢的性能已不能完全满足需要，于是人们研制了各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上，有目 的地加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。与碳钢比，合金钢的性能有显著的提高，故应用日益广泛。 
     由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选用与研究，必须对钢材加以分类。按钢材的用途、化学成分、质量的不同，可将钢分为许多类： 
     （一）． 按用途分类 
     按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。 
     1.结构钢： 
     （1）.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。 
     （2）．用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。 
     2.工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。 
     3.特殊性能钢：是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。 
     （二）． 按化学成分分类 
     按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。 
     碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜含碳量＜0.6%）；高碳钢（含碳量≥0.6%）。 
     合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量≤5%）；中合金钢（合金元素总含量=5%--10%）；高合金钢（合金元素总含量＞10%）。此外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。 
     （三）． 按质量分类 
     按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢（含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%；或磷、硫含量均≤0.050%）；优质钢（磷、硫含量含硫量≤0.030%）。 
     此外，还有按冶炼炉的种类，将钢分为平炉钢（酸性平炉、碱性平炉），空气转炉钢（酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢）与电炉钢。按冶炼时脱氧程度，将钢分为沸腾钢（脱氧不完全），镇静钢（脱氧比较完全）及半镇静钢。

钢厂在给钢的产品命名时，往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。均≤0.040%）；高级优质钢（含磷量≤0.035%、 
     四 金属材料的机械性能 
     金 属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工 艺性能的好坏，决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，要求的工艺性能也就不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工 性等。所谓使用性能是指机械零件在使用条件下，金属材料表现出来的性能，它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏，决定了它的使用 范围与使用寿命。 
     在机械制造业中，一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的，且在使用过程中各机械零件都将承受 不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性 质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、韧性、多次冲击抗力和疲 劳极限等。下面将分别讨论各种机械性能。 
     1． 强度 
     强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏（过量塑性变形 或断裂）的性能。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度间常有一定的联 系，使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指标。 
     2． 塑性 
     塑性是指金属材料在载荷作用下，产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。 
     3． 硬度 
     硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面，根据被压入程度来测定其硬度值。 
     常用的方法有布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC）和维氏硬度（HV）等方法。 
     4． 疲劳 
     前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，在这种条件下零件会产生疲劳。 
     5． 冲击韧性 
     以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做冲击韧性。 
     五 退火--淬火--回火 
     (一)．退火的种类 
     1． 完全退火和等温退火 
     完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重要工件的最终热处理，或作为某些工件的预先热处理。 
     2． 球化退火 
      球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具，量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火作好准备。 
     3． 去应力退火 
     去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。 
     (二)． 淬火  为了提高硬度采取的方法，主要形式是通过加热、保温、速冷。最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生 淬不硬的软点，但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。 
     (三)．回火 
     1． 降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。 
     2． 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 
     3． 稳定工件尺寸 
     4． 对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 
     六 常用炉型的选择 
     炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定 
     1．对于不能成批定型生产的，工件大小不相等的，种类较多的，要求工艺上具有通用性、 
     多用性的，可选用箱式炉。 
     2．加热长轴类及长的丝杆，管子等工件时，可选用深井式电炉。 
     3．小批量的渗碳零件，可选用井式气体渗碳炉。 
     4．对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。 
     5．对冲压件板材坯料的加热大批量生产时，最好选用滚动炉，辊底炉。 
     6．对成批的定型零件，生产上可选用推杆式或传送带式电阻炉（推杆炉或铸带炉） 
     7．小型机械零件如：螺钉，螺母等可选用振底式炉或网带式炉。 
     8．钢球及滚柱热处理可选用内螺旋的回转管炉。 
     9．有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉，而对有色金属小零件及材料可用空气循环加热炉。

REFERENCE

http://news.mechnet.com.cn/jxbz/detail--63741--.html
http://news.mechnet.com.cn/jxbz/detail--62654--.html
http://news.mechnet.com.cn/jxbz/detail--62656--.html