钢的热处理及金属的表面处理
第三章钢的热处理及金属的表面处理
1. 热处理及其主要参数
热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定的温度，保温一定的时间，再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法，如图3-1所示。
图3-1 热处理工艺曲线示意图
热处理过程中，金属形状没有明显变化，但是在加热和冷却过程中，其内部发生了组织或相的转变，性能相应也发生变化。加热温度、保温时间、冷却速度是热处理过程中的三个主要工艺参数。改变工艺参数就可以得到不同的性能，其原因是不同工艺参数下的热处理得到不同的组织，从而获得不同的性能。
2. 热处理的主要作用
热处理的主要作用有以下几个方面：
⑴改变工件的内部组织
例如，钢退火可以得到硬度较低的珠光体组织，而淬火可以得到高硬度的马氏体组织。
⑵改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求
例如，低碳钢太软不利于切削，切削过程中容易粘刀，可以进行正火处理以提高其硬度，改善切削加工性能。又例如，调质钢经过调质处理后可以得到强度、硬度较高，塑性、韧性也较好，也就是较好的综合机械性能，满足一般工件的使用要求。
⑶改变工件表层的成分、组织、性能
例如，汽车汽缸的激光表面淬火可以提高其工作表面的硬度和耐磨性，延长其使用寿命。又例如低碳钢经过渗碳处理后表层含碳量可以达到1%左右，提高工件表面硬度和耐磨性。
⑷. 热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷
例如，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织、性能更加均匀等。
总之，热处理工艺不仅可以强化材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构质量、节约材料和能源，而且可以提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。但是，并非每种热处理工艺都可以完成以上所有作用，只能完成其中一种或多种作用。
3. 热处理的分类
随着工业生产的发展和科技的进步，热处理工艺方法日益增多。本章中主要介绍了钢的热处理，其分类如下表所示。
4. 表面处理
表面处理是指通过化学或电化学的方法使金属表面或表层生成新的物质，这些物质具有不同于工件基体的性能，从而提高工件表层的耐腐蚀性、硬度，或者起到装饰作用。例如，铝合金型材的氧化着色处理，可以提高工件表面的抗腐蚀性和起装饰作用。表面处理工艺方法有很多，除了以上介绍的表面热处理工艺方法以外，还有喷丸处理、高密度太阳能表面处理、离子注入表面处理、发黑处理、发蓝处理等。
第一节钢的热处理基本原理
第二章中介绍了纯铁的同素异构转变，钢之所以能够进行热处理就在于此，通过热处理改变钢的晶体结构，进而改变其组织和性能。为了正确理解和应用热处理工艺方法，掌握钢在加热和冷却过程中组织与性能的变化规律是十分必要的。
一、钢在加热时的组织转变
（一）相变温度
铁碳合金平衡状态图上钢的组织转变临界温度A1、A3、A cm是在平衡条件下得到的，而实际热处理生产中加热或冷却都比较快，所以热处理时的实际相变温度总要稍高或稍低于平衡相变温度，即存在一定的“过热度”或“过冷度”。通常把实际加热时的相变温度标以字母“c”，A c1、A c3、A ccm；而把实际冷却时相变温度标以字母“r”, A r1、A r3、A rcm。如图3-2所示。
（二）奥氏体的形成和晶粒长大
1. 奥氏体的形成
钢在加热到相变温度A c1以上时，其内部组
织发生变化，如共析钢在室温时的平衡组织为
100%的珠光体，当加热到A c1以上温度时，珠光
体将转变为含碳量0.77%的奥氏体。奥氏体的形
成过程如图3-3所示，当温度升至A c1时，首先
在铁素体与渗碳体的相界面上形成奥氏体晶核，
这些晶核周围的铁素体逐渐转变为奥氏体，渗
碳体不断溶入奥氏体中，因此刚刚
转变成的奥氏体，其碳浓度是不均匀的，通过
一段时间的保温，才能获得含碳均匀的奥氏体
图3-2 碳钢实际加热与冷却时的相变温度
组织。
对于亚共析钢，加热至A c1以上，原室温组织中的珠光体转变成奥氏体，而铁素体只有
加热至A c3以上时，才会全部转变成为奥氏体。
对于过共析钢，加热至A c1以上，原室温组织中的珠光体发生奥氏体转变，随着温度的升高，F e3CⅡ逐渐溶入奥氏体，但只有加热到A ccm温度以上时, F e3CⅡ才会完全溶入奥氏体，
形成单一均匀的奥氏体组织，因此钢的加热过程实质上是奥氏体化过程。
图3-3 共析钢的奥氏体形成过程图3-4 加热温度
对晶粒度的影响
2. 奥氏体晶粒长大
奥氏体化后，随着加热温度升高，或保温时间延长，会引
起奥氏体晶粒长大粗化。粗大的奥氏体晶粒，冷却时转变生成
的其它组织也是粗大的，如
图3-4所示。细晶粒钢的室温机械性能要优于粗晶粒钢。
奥氏体晶粒的大小直接影响钢冷却后的组织和性能，因此热处理过程中需要严格控制加热温度和保温时间。
二、钢在冷却时的组织转变
钢经过加热、保温，发生了组织的转变，为随后冷却时的组织转变做组织准备。为获得所需性能，还需以一定的冷却方式和冷却速度冷至室温，以得到所需的组图3-5 奥氏体化钢的冷却方式示意图
织和性能，因此冷却过程是热处理的关键，它决定着热（a）等温冷却（b）连续冷却
处理的质量。
钢的热处理冷却通常有两种方式，即等温冷却与连续冷却。等温冷却是将奥氏体化的钢件迅速冷至A1以下某一温度并保温，待钢件内外温度一致后或使其在该温度下发生组织转变后，再继续冷却，如图3-5（a）所示。连续冷却是将奥氏体化的钢件以某一冷却速度连续冷却，并可能在连续冷却过程中发生组织转变，如图3-5（b）所示。
钢组织中的铁素体和渗碳体在从A1以上温度冷却到A1以下温度的过程中不会发生组织转变，因此，钢在冷却时的组织转变实质上是奥氏体的组织转变。冷却到A1以下温度尚未发生组织转变的奥氏体称为过冷奥氏体，钢在冷却时的组织转变又可以说是过冷奥氏体的组织转变。
（一）（一）共析钢的等温冷却组织转变
对共析钢进行一系列不同过冷度的等温冷却实验，分别测出过冷奥氏体在A1以下不同温度保温时的组织转变开始时间和转变终了时间；在温度-时间坐标图中，标出转变开始与转变终了的坐标点；分别将开始转变点与终了转变点连成两条曲线，即得到共析钢的过冷奥
氏体等温冷却组织转变曲线，如图3-6所示，
通常形象地称之为“C”曲线。从“C”曲线上
可以看出，在不同过冷度下，过冷奥氏体等温
冷却组织转变的开始时间是不同的，转变开始
前的这一段时间称为“孕育期”。“孕育期”越
短，说明此温度下的过冷奥氏体越不稳定，越
容易发生其它组织转变。其中，以“C”曲线最
突出处温度下的孕育期最短，此温度称为“鼻
温”（共析钢大约为550℃）。在不同过冷度下，
过冷奥氏体等温转变的组织形态和性能有明显
差别，大致可分为以下三种类型：图3-6 共析钢的等温转变曲线
1. 高温组织转变
过冷奥氏体在A1至鼻温温度范围内的转变称为高温组织转变。高温组织转变产物是铁素体与渗碳体相间分布的片层状组织，称为珠光体型组织，因此，高温组织转变又称为珠光体型转变。当转变温度为A1～650℃时得到较粗的片状珠光体，形态接近平衡状态下的珠光体，仍称为珠光体（P）；转变温度在650～600℃之间得到的较细的片状珠光体，称之为索氏体（S）；转变温度在600～550℃之间得到极细的片状珠光体，称为屈氏体（T）。过冷度越大，珠光体的片层越细，其强度和硬度越高。
2. 中温组织转变
当过冷奥氏体的转变温度在“C”曲线的鼻温至M s温度（过冷奥氏体开始发生马氏体相变的温度）时，所发生的组织转变称为中温组织转变。中温组织转变产物为贝氏体（B），是铁素体与极细渗碳体的机械混合物。当转变温度较高（550～350℃）时，得到极细渗碳体分布于铁素体针之间的羽毛状组织，称为上贝氏体（B上）；当转变温度较低（350～M s）时，得到铁素体针内保留有极细渗碳体的竹叶状组织，称为下贝氏体（B下）。下贝氏体除了具有较高的强度和硬度外，还具有较大的塑性和韧性，而上贝氏体却具有较大的脆性，因此，在生产中常采用等温淬火得到下贝氏体组织。
3. 低温组织转变
若将过冷奥氏体激冷至M s以下，由于冷却温度过快，很难实现等温组织转变，其相变实际上是在M s～M f这一温度范围内连续进行的。此相变称为低温组织转变，转变产物为马氏体（M），因而又称之为马氏体相变。马氏体相变必须具备以下两个条件：
⑴过冷奥氏体必须以大于临界淬火冷却速度冷却，以避免过冷奥氏体发生珠光体和贝氏体转变。
⑵过冷奥氏体必须过冷到M s温度以下才能发生马氏体转变。
奥氏体为面心立方晶体结构，当过冷至M s温度以下时，其晶体结构将由面心立方转变为体心立方。由于转变温度很低、转变速度很大，原奥氏体中溶解的过多的碳原子没有能力进行扩散，致使所有溶解在原奥氏体中的碳原子来不及析出而保留下来，并使晶格发生畸变，致使原来的立方晶格转变成正方晶格，接近于α- F e的晶体结构，因此，将马氏体定义为：碳溶入α-F e中所形成的一种过饱和间隙式固溶体。
马氏体机械性能的显著特点是高硬度和高强度。马氏体的性能主要取决于马氏体中碳的过饱和程度。当碳的过饱和程度低于0.2%时，得到如图3-7所示的、呈一束尺寸大体相同的平行条状马氏体，称为板条状马氏体，又叫低碳马氏体，具有较高的硬度（50HRC左右）和强度，同时又具有较好的塑性和韧性。当马氏体中碳的过饱和程度大于0.6%时得到片状马氏体，在金相磨面上马氏体被截面呈针状，又称针状马氏体或高碳马氏体，如图3-8所示，具有很高的硬度（60～65HRC），但其塑性和韧性很差，脆性大。当钢的含碳量在0.2～0.6%之间时，低温冷却组织转变得到板条马氏体和片状马氏体的混合组织，并随含碳量增加，板条马氏体的相对含量减少而片状马氏体的相对含量增加。这种将钢奥氏体化后急速冷却至较低的温度使其发生马氏体相变的热处理，在热处理工艺上称为淬火。
图3-7 板条马氏体图3-8 片状马氏体马氏体的硬度的高低主要取决于碳的过饱和程度，而其他合金元素对马氏体的硬度影响不大，但这些其他合金元素可以改善马氏体的强度、塑性和韧性。
马氏体相变是在M s～M f温度范围内进行的（如共析钢为230～-50℃），而钢的淬火冷
却一般只进行到室温（20℃左右），即钢在淬火时马氏体相变不彻底，淬火后钢中还会有少量的过冷奥氏体未发生马氏体相变而保留下来，这种保留下来的奥氏体称为残余奥氏体。因此，钢进行淬火后得到的组织不是100%的马氏体，而是马氏体与残余奥氏体的混合组织。奥氏体转变成为马氏体时要发生体积膨胀，最后尚未转变的奥氏体受到周围马氏体的附加压力，失去长大的条件而保留下来。残余奥氏体的数量与奥氏体中的含碳量有关，奥氏体中的含碳量愈高，M s和M f愈低，则残余奥氏体的量越多。钢的淬火组织中存在残余奥氏体不仅会降低钢件的强度、硬度和耐磨性，而且，残余奥氏体是一种不稳定的组织，在钢件使用过程中容易发生组织转变而产生内应力，引起工件变形、降低工件精度。在生产中，对于一些硬度和精度要求高的工件进行冷处理，即将淬火后的工件迅速置于接近或低于M f的温度下，促使残余奥氏体转变成马氏体。
（二）共析钢的连续冷却组织转变
在实际生产中，热处理通常采用连续冷却的冷却方式。由于研究过冷奥氏体在连续冷却过程中的组织转变非常困难，生产中常借用等温组织转变曲线大致判断连续冷却组织转变后的组织和性能。
图3-9示意共析钢以不同冷却速度进行连续冷却的冷却曲线。
如何利用共析钢的等温冷却组织转变曲线即“C”曲线来判断连续冷却后共析钢的组织和性能是个非常重要的问题。如果冷却曲线穿进组织开始转变曲线，又穿出终了转变曲线，
那么冷却曲线与两条“C”曲线就各有一个交点，这两
个交点之间的温度范围就可看作是连续冷却时的大致
相变温度范围。这一温度范围内发生等温转变得到何
种组织，连续冷却也得到相应的组织。但应注意的是：
连续冷却至贝氏体相变温度范围时，由于温度低、冷
却快，原子扩散困难而不可能得到贝氏体。若连续冷
却曲线只穿进开始转变“C”曲线而未穿出终了转变“C”
曲线，一部分过冷奥氏体发生组织转变而转变成该区
域中的组织，当继续冷却至M s以下温度时，剩余过冷
奥氏图3-9 共析钢以不同冷却速度冷却的
体开始发生马氏体转变，最终得到马氏体、少量残余奥冷却曲线
氏体和在M s温度以上组织转变得到的索氏体、屈氏体V1-炉冷V2-空冷V3-风冷V4-油冷
的混合组织。若以更快的速度冷却，冷却曲线未进入V5-水冷Vc-临界淬火冷却速度“C”曲线，则以该冷却速度连续冷却不会发生高温及中温组织转变，而只发生马氏体相变，得到马氏体和残余奥氏体。常把只发生马氏体相变的最低冷却速度称为临界淬火冷却速度，以V c表示。
通过以上分析可以得出以下结论：同一种钢奥氏体化后，使其在不同的温度下发生等温组织转变，或以不同的冷却速度连续冷却，可得到不同的转变组织，因而可以获得不同的性能。
以上介绍了共析钢的“C”曲线以及共析钢在冷却过程中的组织转变，其它钢的“C”曲线以及在冷却过程中的组织转变与共析钢相似，只是“C”曲线的形状和位置存在一些差别。
第二节钢的普通热处理
钢的普通热处理方法有退火、正火、淬火和回火四类。
一、退火
将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后随炉冷或将工件埋入石灰等冷却能力弱的介质中缓慢冷却到600℃以下，再空冷至室温的热处理工艺称为退火。根据退火加热温度的不同，退火工艺方法主要有完全退火、不完全退火、扩散退火、再结晶退火以及去应力退火五
种，其加热温度及工艺规范见图3-10和图3-11。以下具体介绍退火工艺方法及其主要作用。
图3-10 退火与正火的加热温度范围图3-11 退火与正火的工艺规范
1. 完全退火
完全退火是将钢件加热至A c3以上20～30℃，经过完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺，其主要作用和目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、
降低硬度和改善钢的切削加工性。完全退火主要用于亚共析
钢（W c=0.3～0.6%）,低碳钢和过共析钢不宜采用。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，
缓慢冷却，渗碳体有充分的时间析出，大量的渗碳体在晶界
上连成网状，使钢的硬度不均匀、塑性和韧性显著降低。
2. 不完全退火
不完全退火是将钢加热至A c1+（20～40℃）之间，经
过保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。其主
要作用和目的如下：图3-12 球
状珠光体显微组织
由于不完全退火加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，故基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态和分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已经均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要在A c1+（20～40℃）温度之间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，工艺过程时间短，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，则可以采用不完全退火代替完全退火。
不完全退火主要用于共析钢和过共析钢，在加热和保温过程中，通过渗碳体的不完全溶解而使片状珠光体和网状渗碳体转变为球状珠光体，如图3-12所示，以消除内应力、降低硬度、改善切削加工性，故不完全退火又称为球化退火。球化退火实质上是不完全退火的一种，在球化退火之前必须进行正火处理以使网状渗碳体断开，为球化退火作组织准备。
3. 扩散退火
扩散退火又称均匀化退火，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。其主要作用和目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的成分偏析，使成分和组织均匀化。
扩散退火加热温度高、保温时间长，所以加工效率低、成本高，也容易产生粗晶、氧化、脱碳等缺陷。因此，扩散退火只是用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭，并且扩散退火后可以进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除缺陷。
4. 再结晶退火
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温适当的时间，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。
钢经过冷冲、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。再结晶退火就是应用于冷变形工件，主要作用和目的就是要消除加工硬化，降低强度和硬度，使钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。
冷变形钢的再结晶温度与化学成分、变形程度有关，根据经验公式T再≈0.4T熔（其中T再、T熔分别是以绝对温度表示的再结晶温度和熔点），钢的再结晶温度大约为450℃，铝合金的再结晶温度大约为100℃。再结晶温度还与变形程度有关，一般来说，形变量越大，再结晶温度越低。
5. 去应力退火
主要作用和目的是减少和消除工件在铸造、锻造、焊接、切削、热处理等加工过程中产生的残余内应力，稳定工件的尺寸，防止工件的变形。其主要的工艺特点是退火加热温度低、保温时间长，因而又称之为低温退火。
二、正火
正火是将钢加热到A c1或A c3以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体型组织（珠光体、索氏体或屈氏体）的热处理工艺。与完全退火相比，二者的加热温度相同，但正火冷却速度较快，转变温度较低。因此，钢材正火组织较退火组织细小，强度、硬度较高。
正火的主要作用和目的如下：
1. 改善钢的切削加工性能
含碳量低于0.25%的低碳钢，退火后硬度较低，切削加工过程中容易“粘刀”，通过正火处理，可以提高硬度至140～190HB，改善钢的切削加工性能，提高刀具的使用寿命和加工工件的表面质量。
2. 消除工件的热加工缺陷
钢件在铸造、锻造、热轧、焊接等热加工过程中容易产生粗大晶粒、内应力等缺陷，通过正火处理可以消除这些缺陷，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。
3. 消除过共析钢的网状渗碳体，便于球化退火
过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火做好组织准备。当过共析钢中存在严重网状渗碳体时，直接球化退火将达不到良好的球化效果。正火加热时使渗碳体全部溶入奥氏体中，再采用较快的冷却速度冷却下来，以抑制渗碳体的析出，相当于使网状渗碳体断开，为球化退火做组织准备。
4. 代替调质处理作为最终热处理，提高加工效率
一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合机械性能，可以代替调质处理，作为最终热处理。
三、淬火
在机械制造中，多数零件都需要通过淬火与回火来获得所要求的组织、性能，因此，常把淬火+回火称为最终热处理。
淬火后钢的组织通常是马氏体与残余奥氏体的混合组织，马氏体和残余奥氏体都是不稳定的组织，在使用过程中会发生组织转变，性能也会随之发生转变。因此，淬火后必须及时回火（表面淬火可以例外），以消除内应力、稳定组织，获得所需要的性能。
淬火就是把钢件加热到A c3或A c1以上温度，经过保温后迅速冷却至室温的热处理工艺。淬火工艺涉及的问题比较复杂，应根据材料的化学成分、零件的形状和尺寸等，并参照该材料的“C”曲线来制定合理的淬火工艺方案。
1. 淬火的目的
钢的淬火包括两种，一种是等温淬火，目的是获得下贝氏体；另一种是普通淬火，目的是获得马氏体。通常所提到的淬火是指普通淬火，淬火的目的是为了获得马氏体组织。有了这种组织之后，就可以利用回火来调整它的强度、硬度、塑性、韧性之间的关系，获得所需要的性能。
2. 淬火工艺
淬火质量取决于淬火的三个要素，即加热温度、保温时间和冷却速度。
⑴淬火加热温度淬火加热温度主要取决于钢的化学成分。碳素钢的淬火加热温度如
图3-13所示。
亚共析钢的淬火加热温度范围为A c3+30～50℃。若
加热温度低于A c3，则加热组织不能完全奥氏体化，没有
奥氏体化的铁素体淬火时将保留下来，降低钢的硬度；若
加热温度过高，则奥氏体晶粒会过分长大，淬火得到粗大
的马氏体组织，使脆性增大，且淬火时工件易变形甚至产
生淬火裂纹或开裂。
共析钢和过共析钢适宜的淬火加热温度为A c1+30～
50℃。由于加热温度较低，加热组织为含碳量稍低的奥氏
体和未溶入奥氏体的少量渗碳体，渗碳体的存在对于
3-13 碳素钢的淬火加热温度范围
提高钢的硬度和耐磨性没有坏处，而且可以阻碍马氏体的长大，细化晶粒，降低脆性并可减小淬火产生的组织应力。若加热温度高于A ccm温度，奥氏体化后组织粗大，淬火会得到粗大的马氏体和过量的残余奥氏体，反而会使硬度和耐磨性降低，并且会增大淬火应力，使工件易变形甚至开裂。
对于含有阻碍奥氏体长大的强碳化物形成元素（如Ti、Zr、Nb、W等）的合金钢，淬火加热温度应偏高些，以加速碳化物的溶解，获得较好的淬火效果。对于含有促进奥氏体长大的元素（如Mn等）的合金钢，淬火加热温度应偏低些，以免产生过热现象。
⑵淬火加热保温时间保温的目的是使工件烧透，组织转变充分。保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。钢的含碳量越高，含合金元素越多，导热性就越差，因而保温时间就越长。在箱式电阻炉中加热，加热介质是热空气，加热速度慢，保温时间较长；而在盐浴炉中加热，加热介质是熔盐，加热速度快，保温时间较短。零件的尺寸（厚度或直径）越大，保温时间越长。生产上通常根据经验公式来确定具体保温时间。
⑶淬火冷却速度为了获得马氏体组织，工件在淬火冷却介质中的冷却必须有足够快的冷却速度。实际冷却速度V必须大于该钢的临界淬火冷却速度V c。但冷却速度过大会导致工件淬火内应力增大，容易导致工件的变形甚至开裂。
淬火介质的冷却能力决定了工件淬火时的冷却速度。为减小淬火内应力，防止工件淬火变形甚至开裂，在保证材料淬火中过冷奥氏体在鼻温以上不发生其它组织转变迅速冷却至M s温度以下发生马氏体转变的前提下，应选用冷却能力弱的冷却介质。
理想的淬火冷却介质是在“C”曲线鼻温以上冷却能力强，而在鼻温以下冷却能力弱，这样即可保证得到马氏体组织，又可减小淬火应力。
水是常用的淬火介质，在“C”曲线鼻温以上和以下都具有很强的冷却能力，工件容易获得马氏体组织，但会产生较大的淬火应力，易引起工件变形和开裂。常用水作为临界淬火冷却速度较大的碳素钢和某些低合金钢工件的淬火介质。
油类淬火介质有矿物油（如10#、20#机油）和植物油（如菜油、豆油）两类，也是常用的淬火冷却介质。油类淬火介质的冷却能力比水差，特别是在300～200℃范围内冷却速度比水低的多，因而能减小工件的淬火应力，防止工件变形和开裂。常用油类淬火介质作为临界淬火冷却速度较低的合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火介质。
此外，还有一些效果好的新型淬火介质，如水玻璃-苛性碱淬火介质、氯化锌-苛性碱淬火介质及过饱和硝酸盐水溶液淬火介质等。
3. 常用的淬火方法
为了保证工件淬透，同时防止变形和开裂，应根据材料的种类、工件的形状、尺寸和技术要求，选择正确的淬火冷却方法。
常用的淬火冷却方法有四种，如图3-14所示。
⑴单液淬火法（普通淬火法）工件加热后在一种介质中连续冷却至室温的淬火方法称为单液淬火法，操作简单，应用较广泛。其缺点是水淬淬火应力大，工件变形开裂倾向大；油淬淬透深度小。
⑵双液淬火法工件先后在两种介质中冷却至室温的淬火方法称为双液淬火法。一般
是先在冷却能力强的介质（常用水）中冷却至M s以上温度，然后再放入冷却能力弱的介质（常用油）中冷却至室温。此方法操作复杂，对工人技术水平要求高，但既可保证得到马氏体组织，又可减少淬火应力及产生变形、开裂的倾向。
⑶分级淬火法将加热好的钢件先放入温度稍高于M s温度的液体介质（熔盐或熔碱）中冷却并保温一段时间（不可使冷却曲线进入“C”曲线），待工件表面与心部温度均匀一致后，再取出置于空气中冷却至室温得到马氏体组织，此淬火工艺方法叫分级淬火法。此方法可大大减小淬火应力，避免工件变形开裂，但由于盐浴或碱浴冷却能力差，故多用于淬透性大的合金钢，形状复杂、尺寸小的工件。
⑷等温淬火法等温淬火法操作与分级淬火相似，
只是工件在盐浴炉或碱浴炉内保温时间长，使冷却曲线穿
过“C”曲线，使过冷奥氏体转变为下贝氏体，然后出炉
空冷，目的是得到下贝氏体组织。此方法多用于形状复杂，
既要求有较高的硬度，又要求有较好的韧性的刀具、模具、
弹簧等一些重要工件。等温淬火不易使工件变形开裂，而
且下贝氏体在室温下能够稳定存在，所以一般不需要回火
即可使用，但生产周期长。
在其它条件相同的情况下，单液淬火法工件的淬
图3-14 常用淬火冷却方法
火应力要大于双液淬火法。a-单液淬火 b-双液淬火分级淬火法与等温淬火法比较，不同之处是：在等c-分级淬火 d-等温淬火
温过程中，分级淬火法不发生组织转变，只是减少工件内外部的温度差，因而减少淬火应力，等温淬火法发生组织转变获得下贝氏体；另一方面，淬火产物不同，分级淬火法获得马氏体组织，等温淬火法获得下贝氏体。
4. 钢的淬硬性与淬透性
钢的淬硬性是指钢能够淬硬的程度，也就是钢淬火后得到的马氏体的硬度的高低。它是指钢在正常淬火条件下可能达到的最高硬度。马氏体是含碳量过饱和的间隙式固溶体，碳的过饱和程度越高，则马氏体的硬度越高，所以淬硬性主要取决于钢的含碳量，含碳量越高，加热保温后奥氏体的碳浓度越大，淬火后所得到马氏体中的碳的过饱和程度越大，马氏体的晶格畸变越严重，钢的淬硬性越好。因此，当要求硬度高、耐磨性好时，应选用含碳量高的钢。至于合金元素，对钢的淬硬性影响不大，但对钢的淬透性却有重大影响。
钢的淬透性是指钢在一定淬火条件下淬火获得马氏体层深度的多少，以钢在一定淬火条件下得到马氏体深度来表示，深度越大，淬透性越好。钢的淬透性主要与合金元素及其含量有关，合金元素（除钴、铝外）使“C”曲线右移，减小临界淬火冷却速度，提高钢的淬透性。因此，一般来说合金钢的淬透性优于碳素钢。
淬透性是合理选用钢材及制定热处理工艺的重要依据之一。如果某种钢的淬透性大，工件能被淬透，经回火后的机械性能沿整个截面均匀一致，所以对受力大、截面大、形状复杂的调质件，应该力求沿工件截面各处的组织和性能均匀一致，可选用淬透性大的钢，如合金调质钢。如果某种钢的淬透性差，工件未被淬透，经回火后工件表层和心部的组织和性能均存在差异，心部的强度和硬度较低，表面的强度和硬度较高。所以对于一些要求表面硬度高、耐磨性好，而要求心部韧性好的工件，可选用低淬透性钢。
碳素钢的导热能力强，临界淬火冷却速度大，淬透性较差，一般采用冷却能力强的淬火介质；合金钢的导热能力弱，临界淬火冷却速度小，淬透性较好，一般采用冷却能力弱的淬火介质，这对减小淬火应力、变形和开裂十分有利，尤其对形状复杂和截面尺寸变化大的工件更为重要。
由于钢的淬硬性和淬透性的主要影响因素不同，所以一种钢的淬硬性好，它的淬透性不一定好，二者之间没有必然的联系。
5. 钢的主要淬火缺陷
⑴硬度过低或硬度不均主要原因可能是:淬火加热温度过低或保温时间过短；淬火冷却速度低或冷却不均匀；淬火加热时产生了较严重的氧化和脱碳。
⑵硬度过高、脆性过大主要原因可能是淬火加热温度过高或保温时间过长。
⑶过热或过烧当淬火加热温度过高，或保温时间过长时会使奥氏体晶粒急剧长大，
淬火后得到粗大的马氏体组织，这一现象称为过热。如果继续提高淬火加热温度，奥氏体晶界产生严重氧化或局部熔化，淬火后材料完全失去塑性，这种现象称为过烧。产生过热的工件可通过退火、正火或重新淬火来补救，但过烧的工件无法补救，只有报废。因此，必须严格控制淬火加热温度及保温时间。
⑷变形与开裂变形与开裂都是由内应力过大引起的，零件结构设计不当则更容易发生。产生过大的内应力是由加热或冷却速度过大引起的，导热性差的高合金钢更容易产生。当内应力超过钢的屈服极限时会引起工件变形，超过钢的强度极限时则导致工件开裂。
为避免发生以上缺陷，必须严格控制淬火工艺参数，包括淬火加热温度、保温时间，尤其是冷却速度。
四、回火
回火是把淬火后的工件重新加热到A1以下某一温度，经保温后空冷至室温的热处理工艺。钢淬火后得到马氏体与残余奥氏体的混合组织，这种组织及其性能是不稳定的，所以针对钢的基体的淬火，淬火之后必须回火，以稳定组织与性能。钢的表面淬火只是对钢件表层进行淬火，是个例外，表面淬火之后可以进行回火，也可以不进行回火。
1. 回火的目的
⑴消除内应力工件在淬火冷却时，会产生内应力，如果工件不进行回火，在放置或使用过程中会发生变形或突然的开裂，所以工件淬火后需要进行回火以使应力松弛或完全消除，从而降低脆性，提高韧性，防止工件变形与开裂。
⑵稳定工件组织钢在淬火后得到马氏体和残余奥氏体，都是不稳定的组织，组织转变过程中不仅会使工件的性能发生变化，而且会伴随着比容变化使工件尺寸发生变化，使其精度降低。因此，通过回火使组织稳定，以免工件在使用过程中发生组织转变。
⑶调整组织、性能对淬火钢进行不同的回火，可以获得不同的组织和性能。因此，可根据工件性能的要求，选用适当的回火工艺。
2. 淬火钢在回火时组织与性能的变化
淬火钢在回火时的组织转变可分为如下四个阶段：
第一阶段（室温至250℃）：在这一温度范围内回火，淬火马氏体分解，过饱和的碳原子析出，形成碳化物FeχC，马氏体中碳的过饱和程度降低。回火组织称为回火马氏体。
第二阶段（230～280℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，同时残余奥氏体转变为过饱和α固溶体与碳化物。回火组织亦称为回火马氏体。
第三阶段（260～360℃）：在此温度范围内回火，马氏体继续分解，过饱和α固溶体中的碳继续析出而转变为铁素体；回火马氏体中的FeχC转变为稳定的粒状渗碳体。此阶段回火后的组织为铁素体与极细渗碳体的机械混合物，称为回火屈氏体。
第四阶段（400℃以上）：在400℃以上回火，碳化物聚集长大，温度越高碳化物越大。这种适当聚集长大后的粒状碳化物与铁素体的机械混合物称为回火索氏体。
综上所述，淬火钢在回火过程中，随着回火温度升高，发生一系列的组织变化，必然引起性能的变化，总的趋势是随着回火温度升高，强度、硬度降低，塑性、韧性提高。
3. 回火工艺及其应用
⑴低温回火（150～250℃）低温回火后的组织为回火马氏体，由成分不均匀的过饱和α固溶体与高度弥散分布的碳化物FeχC所组成。低温回火后减少或消除了淬火内应力，提高了钢的韧性，基本保持了淬火钢的高硬度和耐磨性，常用于刃具、量具、冷作模具、滚动轴承以及表面淬火件和渗碳淬火件等工件的热处理。低温回火后的工件硬度一般在60HRC 以上。
⑵中温回火（350～500℃）中温回火后的组织为回火屈氏体，是极细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。中温回火的主要目的是提高弹性和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧、锻模、压铸模等工件的热处理。中温回火后的工件硬度一般为35～45HRC。
⑶高温回火（500～650℃）高温回火后的组织为回火索氏体，是较细小的铁素体与球状渗碳体的混合物。这种组织既具有一定强度和硬度，又有较高的冲击韧性，也就是具有良好的综合机械性能，常用于受力大而复杂的零件，如传动轴、连杆、曲轴、齿轮等。调质处理的工件硬度一般为28～33HRC。
淬火后高温回火这一综合热处理工艺称为调质处理，调质处理常用作最终热处理，有时也作为预备热处理。
4. 回火工艺参数
回火的主要工艺参数是回火温度和回火时间。随着回火温度的提高和回火时间的延长，淬火工件的硬度降低愈多，淬火工件的最终硬度不断降低。
5. 钢件在回火时的主要缺陷
⑴ 硬度过低 主要原因是回火温度过高或保温时间过长等。
⑵ 硬度过高、脆性过大 主要原因是回火温度过低或保温时间过短；在脆性温度范围内回火或冷却方式不当等。
第三节 钢的表面热处理
许多机械零件在工作时，要求其表面和心部具有显著不同的性能，如在交变载荷作用及摩擦条件下工作的齿轮、凸轮、传动轴、曲轴等。其表面与其他零件有接触摩擦，因而要求表面有较高的硬度和耐磨性；而零件要传递运动或动力，作用有比较大的力矩、扭矩甚至要承受冲击，要求心部有高的强度和韧性。一般材料不能满足这些互相矛盾的性能要求，但可以通过表面热处理来解决。
目前常用的表面热处理方法有两类，即表面淬火与化学热处理。
一、表面淬火
表面淬火是利用快速加热的方法，使钢件表层迅速奥氏体化，当热量尚未传至心部时，将其迅速冷却。这样，表层淬火得到马氏体，再进行低温回火获得回火马氏体组织，而心部
仍为综合机械性能较好的原始组织（正火或调质组织），从而使
工件表层和心部达到上述两种不同的性能要求。
按加热方式不同，表面淬火又分为感应加热表面淬火、火焰
加热表面淬火、激光加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。目
前生产中最常用的是感应加热表面淬火。
感应加热表面淬火的原理如图3-15所示。
首先，根据工件的形状和尺寸设计制造一个由紫铜管绕成的
感应圈。在表面淬火时，将工件置于感应圈内，当感应圈上接通
交变电源后，就会产生一个交变磁场，在交变磁场中的导体（工
件）上就会产生同频率的交变感应涡流电流。交变涡流有一个特
性，即在沿工件截面上的分布是不均匀的，电流密度趋集于工件
的表层，而心部几乎等于零，这种现象叫做“集肤效应”，交变
电流频率越高，集肤效应越显著，于是工件表层由 图3-15 感
应加热表面淬火
大密度电流作用产生极大的电阻热，将工件表层迅速（几秒至 原理示意图
几十秒内）加热至淬火温度（800～1000℃），随后立即喷水冷却，使工件表层淬火硬化。
感应电流的透入深度δ决定了工件表面淬硬层深度。δ值可由下式确定：
δ=5.03×104×
式中：ρ——工件材料的电阻率；
μ——工件材料的导磁率；
f ——交变电流频率。
由上式可知，当工件材料一定时，δ值取决于交变电流频率f ，f 值越大则δ值越小。因此，可以根据对工件淬硬层深度的要求来选用适当的交变电源频率。
表面淬火适用于含碳量为0.4%～0.5%的钢，如40、45、40Cr 、40MnB 等。含碳量过高，可提高表面淬火后的表面硬度与耐磨性，但会增大淬硬层脆性，降低心部的塑性与韧性，并增大淬火开裂的倾向；含碳量过低，会降低表面淬火后的表面硬度与耐磨性，以及心部的强度。
根据所用电源频率的不同，感应加热表面淬火可分为如下三种：
1. 1. 高频淬火
f μρ
高频淬火常用电源频率为200～300kHz，淬硬层深度为1～2mm，主要用于小型轴类件及小模数齿轮件的表面淬火。
2. 中频淬火
中频淬火常用电源频率为2500～8000Hz，淬硬层深度为2～10mm，主要用于直径较大的轴件及大、中模数齿轮的表面淬火。
3. 工频淬火
工频淬火所用电源频率为50Hz，淬硬层深度可达10～20mm，主要用于大型工件如轧辊、火车轮等的表面淬火。
二、化学热处理
化学热处理是将工件放入一定的化学介质中，经过加热保温，使介质中分解产生一种或几种元素的活性原子被工件表面吸收，并向表层一定深度扩散，从而改变其表层化学成分、组织和性能的一种热处理工艺方法。
化学热处理中，原子渗入工件表层的基本过程如下。
分解：加热时，介质中发生化学反应分解产生渗入元素的活性原子；
外扩散：活性原子由工件表面附近的层流层中向工件表面扩散；
吸附：活性原子被工件表面铁晶格捕获；
内扩散：铁晶格捕获的活性原子由工件表面向内扩散，形成一定厚度的渗层。
通过化学热处理可以提高工件表层的硬度、耐磨性和疲劳强度；可以提高工件表层的耐蚀性及抗氧化性等。
生产中常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗（氰化）、渗硼、渗金属
（如渗铝、渗铬）等。
（一）渗碳
渗碳是把工件置于渗碳介质中加热、保温，使活性碳原子产
生并渗入工件表层的化学热处理方法。
通过活性碳原子向工件表层渗入，提高了工件表层的含碳量，
再经过淬火和低温回火后，表层为高碳回火马氏体，具有高硬度
和高耐磨性，而心部为低碳回火马氏体或索氏体，强度高、韧性
好。渗碳主要用于承受强烈摩擦、冲击以及容易疲劳损坏的零件，
如齿轮、轴类、链条、套筒等。
渗碳用钢一般为低碳钢，即含碳量0.1～0.25%的碳素钢和
图3-16 井式气体渗碳电
低合金钢，如15、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3等。含碳量阻炉结构示意图
过高会使心部韧性降低，所以渗碳钢含碳量一般不超过0.3%。1-风扇 2-废气出口 3-炉盖根据渗碳介质的物理状态，渗碳分为气体渗碳、固体渗碳4-砂封 5-电阻元件 6-耐热罐和液体渗碳，目前应用最广泛的是气体渗碳。7-工件 8-炉体 9-渗剂入口
1. 气体渗碳
气体渗碳用的渗碳介质多为碳氢化合物：煤气、天然气等气体介质；煤油、丙酮、丙烷、丁烷等易气化分解的液体介质。为加速渗碳介质的分解及活性碳原子[C]的吸收和扩散，渗碳加热温度一般为900～950℃。工件的渗碳层深度取决于渗碳温度、活性碳原子浓度和渗碳时间。
渗碳层深度一般为0.2～2mm，表面层含碳量可提高到0.85～1.0%。渗碳层深度由工件的工作条件及截面尺寸大小而定。渗碳层太厚，会使冲击韧性降低；渗碳层太薄，容易引起表面疲劳剥落。渗碳后的工件必须进行淬火和低温回火才能有效地发挥渗碳的作用。
气体渗碳容易控制、质量好、劳动条件好、生产率高，在三种渗碳工艺中是应用最广泛的一种。
2. 固体渗碳
固体渗碳介质常用一定大小的块状木炭加10～20%的碳酸盐（BaCO3或Na2CO3等）的混合物。
固体渗碳是将工件和渗碳介质一同装入渗碳箱中，使工件埋在渗碳介质中，渗碳箱加盖并用耐火泥进行密封，送入加热炉中加热到900～950℃，保温。渗碳箱中空气中的氧与渗碳介质中的碳作用，生成CO，CO在高温下不稳定，遇到钢件表面分解，产生活性碳原子，
被钢件表面吸收，并逐步向内部扩散。
2CO→CO2+[C]
固体渗碳操作简单，成本低，容易实现，但质量不容易保证，并且劳动条件差、生产率低。固体渗碳的劳动条件差是由于木炭的密度小，在混合渗剂过程中容易飘浮起来。
3. 液体渗碳
液体渗碳是把工件放进熔盐中进行渗碳，渗碳速度快，渗碳过程不容易控制，而且工件表面粘盐，清理困难，所以液体渗碳应用也较少。
（二）渗氮（氮化）
向工件表面渗入活性氮原子，在工件表层获得一定深度的富氮硬化层的化学热处理工艺称为渗氮（氮化）。其目的在于提高工件的表面硬度、耐磨性、疲劳强度、耐蚀性及红硬性。
渗氮处理有气体氮化、离子氮化等工艺方法，其中气体氮化应用最广泛。气体氮化常用氨气作为氮化介质，氮化过程和气体渗碳相似。将零件放在带进气口、出气口的密封容器中，通入氨气，加热到500～600℃，氨分解产生活性氮原子[N]：
2NH3→3H2+2[N]
活性氮原子被工件表面捕获并向内部扩散，形成富氮硬化层。氮化层厚度一般为0.25～0.6mm。渗氮时间较长，例如，要得到深度为0.4～0.5mm的渗氮层时，需保温40～70h。氮化结束后，随炉降温至200℃以下，停止供氮，工件出炉空冷。
氮化用钢通常是含有Al、Cr、Mo等元素的合金钢，如38CrMoAl、35CrMo、40Cr等。氮化层由碳、氮溶于α-Fe的固溶体和碳、氮与铁的化合物组成，还含有高硬度、高弥散度的稳定的合金氮化物AlN、MoN、CrN等。氮化层硬度可达69～73HRC,而且可在600～650℃保持较高的硬度。
钢件在氮化前需要进行调质处理，使工件基体获得良好的综合机械性能。氮化后的富氮层已经具有高的硬度和耐磨性。因此，氮化后工件不再进行其他热处理，可避免已成形工件再进行热处理带来的变形等缺陷。
渗氮与渗碳相比，渗氮温度大大低于渗碳温度，工件变形小；氮化层的硬度、耐磨性、耐疲劳强度、耐蚀性及红硬性均高于渗碳层。但氮化层比渗碳层薄且脆；氮化处理时间比渗碳长的多，生产率低。氮化处理广泛用于如磨床主轴、镗床镗杆等要求高精度、表面高硬度、高耐磨性的精密零件及要求高耐磨性的模具等。
目前又出现了一种新的渗氮工艺——离子氮化，是将工件放入真空容器中，往真空室中通入氨气，加高压电场使含氮的稀薄气体产生辉光放电，电离后的氮离子以极高的速度轰击工件表面，使工件表面温度升高，并使氮离子获取电子成为氮原子，渗入工件表层，故而又称为辉光离子氮化。离子氮化比气体氮化所需时间短，氮化质量好，氮化层的脆性小，韧性和疲劳强度大，从而提高了生产效率和零件的使用寿命，不足之处是生产成本高。
（三）碳氮共渗（氰化）
碳氮共渗是同时向工件表面渗入活性碳原子和活性氮原子的一种化学热处理工艺，因早期只使用剧毒的氰盐（NaCN或KCN）作为介质，故又名为氰化。现多用无毒的含碳和氮的介质，例如向炉膛通入煤油和氨气的热分解气体，同时形成渗碳、渗氮气氛的气体氰化。
根据氰化温度的不同，气体氰化又分为高温氰化(900～950℃)、中温氰化(800～870℃)和低温氰化(500～600℃)三种工艺方法。
高温氰化以渗碳为主，氰化处理后，工件还需要进行淬火和低温回火处理；低温氰化以渗氮为主，即所谓的“软氮化”工艺，它与一般的气体氮化相比，渗层硬度较低、脆性较小，生产周期短、零件变形较小；中温氰化兼顾渗碳和渗氮，是介于高温氰化和低温氰化之间的一种氰化工艺。
第四节钢的热处理工艺选用
一、预先热处理
预先热处理是在零件制造加工过程中，为改善其加工工艺性或有目的的改善其组织状况而进行的热处理。
预先热处理包括退火、正火、调质等。经热加工的铸件、锻件等毛坯，一般都要进行退
火或正火处理，以消除毛坯中的内应力，细化组织，改善切削性能，或为最终热处理作好组织准备。退火和正火一般安排在毛坯成形之后、切削加工之前进行。对精度要求高的零件，为了消除切削加工产生的内应力，在切削加工工序间还应适当安排去应力退火。
调质处理主要是为了提高零件的综合机械性能，或为以后的表面淬火和易变形精密零件（要求精度高的零件）的整体淬火作好组织准备。调质处理一般安排在粗加工之后、半精加工或精加工之前进行。
在实际生产中，退火、正火或调质也常常作为铸铁件、铸钢件、轧钢件的最终热处理。
二、最终热处理
最终热处理是为保证零件使用性能而进行的热处理。
最终热处理包括淬火、回火、表面热处理等，一般安排在半精加工之后、精加工之前进行。
对于要求高硬度和高耐磨性的刀具、量具、夹具、冷冲模及滚动轴承等要进行淬火和低温回火；对要求弹性好的弹性元件及热作模具等进行淬火和中温回火；对要求综合机械性能好的轴、齿轮、连杆、曲轴等应进行调质处理。
对需要进行表面淬火的工件，为保证工件心部组织和性能，以及获得细小马氏体的表层淬火组织，在表面淬火前应先进行调质处理，表面淬火后进行低温回火。
渗碳分整体渗碳与局部渗碳两种情况，当工件表面只需局部渗碳时，在不需渗碳部位可以镀铜保护或采用多留切削余量，待渗碳后切除该部分渗碳层。
对需要进行表面氮化的工件，为提高心部机械性能和表面质量，一般在氮化前应先进行调质处理。由于渗氮层很浅，氮化应安排在精加工（磨削）或超精加工（精磨、抛光）之前进行。为消除氮化前切削加工产生的残余应力，氮化前还应进行去应力退火。当工件表面只需局部渗氮时，不需氮化的部位可进行镀锡保护，或留适当余量，待氮化后磨去。
对精密机床主轴、丝杠，以及量具等高精度工件，为充分消除内应力，稳定工件尺寸，在精加工或超精加工前还应进行去应力退火或时效处理。
综上所述，将几种典型零件的热处理在加工工艺过程中的安排归纳如下：
1. 要求硬度高、耐磨性好的工件（刃具钢、量具钢、冷模钢、轴承钢）：
下料→锻造→正火→球化退火→粗加工→淬火→低温回火→精加工
2. 要求弹性好和足够韧性的工件（弹簧钢、热模钢）：
下料→锻造→退火→粗加工→淬火→中温回火→精加工
3. 要求综合机械性能好的工件（调质钢）：
下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→精加工
4. 要求表面硬度高、心部综合机械性能好的工件（调质件）：
（1）下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→表面淬火→低温回火→精加工
（2）下料→锻造→正火（或退火）→粗加工→调质处理（淬火+高温回火）→氮化→精加工
5. 要求表面硬度高、心部韧性好的工件（渗碳钢）：
下料→锻造→正火→粗加工→渗碳→淬火→低温回火→精加工
合理选材和合理选择、安排热处理工艺，是保证零件内在质量的决定性因素。选用材料时还应注意其热处理工艺性能，包括淬硬性、淬透性、过热敏感性、回火脆性等。在选择刀具及冷作模具材料时，应特别注意材料的淬硬性与淬透性；在选择弹性元件材料时应特别注意材料的氧化脱碳倾向；在选择渗碳件材料时应注意材料的过热敏感性；在选择调质件材料时要注意材料的回火脆性。
在机械零件加工中，必须将铸、锻、焊、切削加工过程与热处理合理地安排，才能保证零件的加工质量，保证使用性能。正确选择和合理安排热处理在整个加工过程中的位置是一个非常重要的问题，必须给予足够的重视。
第五节金属的表面处理
一、表面处理
表面处理是指采用某种工艺方法，在金属材料或金属零件表面生成或覆盖上一层物质（金属、非金属或氧化物）的加工工艺方法，主要目的是对金属基体起防护作用，故又常称之为表面防护。
二、表面处理的主要作用
1. 提高材料表面的耐腐蚀能力，防止金属基体被腐蚀
金属材料和金属零件在储存、运输和使用过程中，与环境介质接触，发生化学作用或电化学作用而被腐蚀。由腐蚀而造成的金属材料损失非常惊人，统计资料表明，全世界每年因腐蚀而损耗或报废的金属占全世界全年金属总产量的20%以上。另外，金属零件被腐蚀后，不仅失去金属光泽、表面起伏不平、引起外形和尺寸变化，而且强度、导电性和导热性也会大大降低，甚至导致构件失效，造成事故。因此，必须充分重视金属表面防护。
长期以来，人们不断深入研究金属腐蚀的发生与发展，分析它们变化的条件，采取适宜的防护措施。根据金属腐蚀产生的原理及腐蚀的破坏形式，可从以下几个方面进行防护：
⑴研制耐腐蚀金属和改善材料的组织状态，提高材料本身的抗腐蚀能力。
⑵改善机械产品的工作环境，减轻环境介质的腐蚀作用。
⑶采用表面覆盖防腐层或表面钝化，以及强化表面等方法提高金属的耐腐蚀能力。
2. 提高零件表面机械性能（硬度、耐磨性等）
零件失效的主要原因是腐蚀、磨损和断裂，尤其是对于一些挤压模具，磨损是其失效的最主要的原因。因此，采用一些表面处理的工艺方法来提高模具的工作表面的硬度和耐磨性，就能有效地延长模具的使用寿命，降低生产成本。例如，采用模具挤压5454铝合金管材，一套模具只能挤压几十公斤，而对模具进行硼碳氮渗处理后模具工作表面的硬度大大提高，可达2000HV，一套模具可以挤压型材1～2吨。
3. 调整工件的表面尺寸
许多工件在使用过程中，磨损到一定程度就要报废掉，对于这些报废的工件，如果我们采用一些表面处理工艺方法调整其表面尺寸，使之满足使用要求而重新加以利用，则可以降低生产成本、提高经济效益。例如，一套模具的价格一般在几千至几万元之间，而模具在使用过程中会发生磨损，工作表面一般磨损到10～20微米，模具就要报废。这时如果采用热喷镀或激光熔覆等表面处理工艺使模具尺寸恢复，就能重新加以利用，取得极好的经济效益。
4. 起装饰作用，使工件表面美观
随着人们生活水平的提高，对产品美观方面的要求越来越高，通过表面处理可以满足这些要求。例如，经过氧化着色处理，不仅可以在铝合金型材表层形成氧化层，提高其耐蚀性，而且可以改变其表面颜色，如银白、黑色、古铜色、仿不锈钢色等不同颜色的铝合金型材。
三、表面处理工艺方法
生产中常用的金属表面处理工艺方法有：镀金属法、包覆金属法、化学转化膜法、喷丸处理、离子注入、激光熔覆、电子束表面处理、高密度太阳能表面处理、非金属涂层法、表面合金化法等，以下简单介绍其中的几种方法。
1. 镀金属法
常用作镀层的金属有锌、锡、铬、镍、镉等。镀金属的工艺方法有电镀、热喷镀、浸镀等。
⑴电镀电镀是利用电解的方法在零件的表面上沉积一层其他金属的表面处理方法。
电镀法的优点是适应性广，不仅可在铁基金属上镀覆，而且可在非铁基金属、塑料、石墨等基体上镀覆；镀层厚度易于控制，消耗金属少；镀层均匀光洁，与基体结合牢固。其缺点是镀层密度小，镀覆速度慢。
现比较几种常用的镀种：
镀锌层在空气中及水中有很好的防腐蚀能力，且成本较低，是一般钢质机械零件常用的表面处理方法。但镀层较软，不耐冲击和摩擦，使用温度不宜太高。
镀铬和镀镍不仅具有很好的抗腐蚀能力，而且镀层硬度高、耐磨性好、易于抛光，常用于量具、模具和需要装饰的机件。但镀铬和镀镍成本高，且镀层常有微孔，所以镀前往往先进行镀铜。
镀镉层在空气、水、碱、盐及海水中均具有良好的抗腐蚀能力，而且允许使用温度比较高。但此法成本较高、环境污染较严重，一般情况下应用较少。
⑵热喷镀热喷镀又称热喷涂，是借助压缩空气，将熔融金属喷涂在工件表面，形成
防护层的镀涂方法。生产中常用的喷涂金属有铝、锌、锡、铅及不锈钢等。此法常用于不宜用其他方法镀覆的大型工件。其缺点是涂层较粗糙且不致密，与基体结合不牢，耐蚀性较差。
⑶热浸镀热浸镀又称热浸涂覆，是将经过表面净化处理后的工件浸入熔融的液态金属中一段时间而得到涂镀层的方法，优点是方法简单、生产率高、镀层与基体结合牢固。其缺点是不易控制镀层厚度，也不易获得均匀的镀层，且只适用于涂覆锌、锡、铅等低熔点金属。
2. 包覆金属法
包覆金属法是用碾压的方法，将耐蚀性好的金属与被防护金属压合在一起，形成防护层的工艺方法。如在耐蚀性较差的硬铝材料表面压覆上一层耐蚀性好的纯铝来提高硬铝的耐蚀性。以这种方法形成的包覆层非常致密且结合牢固。
3. 化学转化膜法
利用化学或电化学的方法，在被保护金属自身表面生成一层结构致密的氧化膜保护层，使内层金属与工作环境介质隔绝而得到保护的方法称为化学转化膜法，又称作钝化处理。容易进行钝化处理的金属有Fe、Al、Cr、Ni、Mo等，常用的方法有以下几种：
⑴钢件发蓝（氧化）处理将光亮的钢件浸入140～150℃的发蓝液（一般用NaOH和NaNO2的水溶液）中，经过处理60～90min，在钢件表面生成一层0.5～3.0μm厚的蓝黑色Fe3O4薄膜，称为发蓝处理。
发蓝处理设备简单，操作方便，成本低；发蓝膜很薄，不影响零件精度，且色泽美观，广泛用于机械零件、模具、夹具和枪械零件的表面防护。但由于发蓝膜很薄，其防护能力较差，耐磨性不高，不宜作湿热条件下使用的零件保护层和摩擦件的防护。若经浸油填充或用肥皂液进行钝化处理可提高其防护能力。
⑵钢件发黑（磷化）处理将光亮的钢件放入加热的磷化液中，保持一定时间，使钢件表面生成一层不溶于水的磷酸盐薄膜（简称磷化膜）的表面处理工艺称为磷化处理。钢件磷化膜呈黑色，所以又称为发黑处理。
常用磷化液为磷酸锰铁盐和硝酸锌的水溶液，处理温度为98℃，保持时间为20～30min。磷化处理多用于螺母、螺钉、垫圈等标准件以及齿轮、活塞环等的表面处理。但磷化膜不耐水蒸气、氨水、海水及酸、碱的腐蚀，若采用重铬酸钾溶液进行钝化处理，会提高其抗蚀性。另外，磷化膜机械强度低，质脆，有孔洞，常用作涂料涂覆的预处理和冷挤压钢件的润滑处理（磷化+皂化）。
⑶阳极化处理将铝合金浸入电解液（一般为15～20%的硫酸水溶液）中，工件同电源正极（阳极）相连，阴极用铝板，通电后，阳极（铝件）上聚集大量新生态的氧原子，其氧化能力很强，使工件表面生成一层致密的Al2O3氧化膜。这种表面处理工艺方法属于电化学处理，由于工件接阳极，所以又称为阳极氧化，简称阳极化处理。
氧化膜稳定性好，硬而致密，是铝合金广泛使用的表面处理方法，若用重铬酸钾进行钝化处理，使氧化膜微孔封闭，防护效果更好；若在钝化处理时加入染料，则可起装饰作用，得到各种不同颜色的铝合金件。
⑷铝合金件化学氧化当铝合金制件体积较大，不便采用阳极化处理时，可采用化学氧化法，即用含有氧化剂（如铬酸盐）的碱性溶液，使之与铝合金制件表面作用而获得氧化防护膜，广泛用于各种复杂的大型铝合金工件的表面处理。
4. 非金属涂层法
非金属涂层法是用无机或有机材料涂覆在工件表面而形成防护层的方法。无机涂层有水溶性颜料涂层、水泥和搪瓷等，有机涂层有各种有机涂料（俗称油漆）、塑料、橡胶、树脂等。这类涂层须有一定的韧性和硬度，以免在偶然受到摩擦、冲击或基体热胀冷缩时损坏剥落，涂覆的方法有喷涂、刷涂、浸涂、胶涂等。各种工件的基体和工作条件不同，对所用涂层材料的性能要求也有差别，合理选用才能收到预期效果。
用有机涂料涂覆金属工件表面，施工方便、成本低，应用十分广泛。有机涂料最早使用的是以桐油和漆为主要原料加工制成的油漆，现使用最多的是采用合成树脂和有机溶剂为主要原料制成的“油漆”，所以称为“涂料”更为合适。有机涂料的种类很多，要根据使用条件和要求选用具有不同物理化学性能的涂料。涂料的性能是指其耐磨性、耐酸性、耐碱性、耐热性及绝缘性、附着力等。
把塑料薄膜直接粘合在金属表面作为防护层，或用静电喷涂的方法把极细的塑料粉涂覆
在工件表面，能有效地抵抗酸、碱、盐等介质的腐蚀。塑料中用的最多的是聚氯乙烯，抗腐蚀性最好的是聚四氟乙烯，能抵抗王水、沸腾硝酸等强腐蚀性介质的腐蚀作用。
硬橡胶保护层是在生胶中参入30～50%的硫制成的硬硫化橡胶，具有耐酸、碱等化学物质腐蚀的能力，多用作化工设备的衬里。其缺点是工作温度升高后会变脆，只限于50℃以下温度使用。
搪瓷亦称为珐琅，是类似玻璃的物质。K、Na、Ca、Al等金属的硅酸盐中掺入作为熔剂的硼砂，将其均匀附着于工件表面，经高温烧结生成坚硬而光滑的防护层，多用于化工反应器的衬里，既耐化学腐蚀，又耐热、耐压。
5. 表面合金化
表面合金化就是化学热处理，使一种或几种元素原子渗入工件表层，改变其化学成分与金相组织，从而提高工件表面稳定性与耐腐蚀能力，渗层均匀无孔，热稳定性好，常用的渗入元素有C、N、B、Si、Al、Cr、W、Cu等。
表面处理一般安排在零件加工的最后一道工序，或在组件、部件甚至产品装配后进行。
思考练习题
1.钢奥氏体化后在不同温度等温冷却，各得到什么组织，机械性能如何？
2.一般采用什么方法改善低碳钢、高碳钢的切削性能，并说明原因。
3.退火工艺方法有哪些，主要目的分别是什么？
4.共析钢经过下列热处理工艺处理后分别得到什么组织？
退火、正火、淬火、淬火+低温回火、淬火+中温回火、淬火+高温回火、等温淬火。
5.用“C”曲线解释下列问题：
（1）为什么钢在正火后要比退火后硬度高？
（2）如果“C”曲线图中的M f线位于室温以下，对钢的淬火有何影响？
（3）为什么碳素钢淬火冷却介质常用水，而合金钢淬火冷却介质常用油？
（4）为什么截面大和形状复杂的调质件要用合金调质钢而不用碳素调质钢？
6.何为冷处理，什么情况下需要进行冷处理？
7.分级淬火与等温淬火有何区别，各适用于什么情况？
8.钢件淬火后为什么要进行回火处理，回火工艺有哪几种，各用于什么类型的工件？
9.钢件化学热处理的常用方法有哪些，特点和应用范围各是什么？
10.金属表面处理的作用有哪些？
常用热处理与表面处理
热处理和表面处理工艺流程说明 拟稿： 审核： 批准： 目录 1. 淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2 2. 淬火（内部生产流程）------------------------------------------------------------------------------------------------4 3. 感应加热淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------5 4. 淬火加人工时效---------------------------------------------------------------------------------------------------------7 5. 调质------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------8 6. 渗碳淬火------------------------------------------------------------------------------------------------------------------9 7. 气体氮化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------10 8. 离子氮化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------12 9. 去应力退火---------------------------------------------------------------------------------------------------------------13 10. 固溶热处理---------------------------------------------------------------------------------------------------------------14 11. 渗碳淬火-去应力--------------------------------------------------------------------------------------------------------15 12. 白色/黑色ARC-20 UNI 4522 阳极氧化----------------------------------------------------------------------------17 13. 特殊白色阳极氧化------------------------------------------------------------------------------------------------------19 14. 硬质阳极氧化（有硬度要求）---------------------------------------------------------------------------------------20 15. 硬质氧化加涂特氟龙层------------------------------------------------------------------------------------------------22 16. 发黑------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------24 17. 磷化------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------25 18. 镀铬------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------28 19. 镀镍------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------29 20. 化学镀镍------------------------------------------------------------------------------------------------------------------30 21. 镀锌------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------32 22. 电抛光（亮光/亚光）--------------------------------------------------------------------------------------------------33 23. 电抛光---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------34 24. 电抛光（控制抛去的厚度）------------------------------------------------------------------------------------------35 25. 电抛光（亚光）---------------------------------------------------------------------------------------------------------36 26. 磨料抛光------------------------------------------------------------------------------------------------------------------37 27酸洗-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------38 28不锈钢零件的酸洗和钝化----------------------------------------------------------------------------------------------39 29不锈钢零件的酸洗和钝化流程----------------------------------------------------------------------------------------40 30未浸入溶液的不锈钢零件的酸洗和钝化----------------------------------------------------------------------------41 31喷漆的普通材料一览表------------------------------------------------------------------------------------------------ 42 32喷漆流程-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------43 33电镀流程-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------46 34碱性镀锌处理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------47 35发黑处理-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------49 36锰系磷化处理、黑色磷化----------------------------------------------------------------------------------------------50
金属材料与热处理(含答案)
《金属材料与热处理》期末考试试卷(含答案) 班级数控班姓名学号分数 一、填空题：每空1分，满分30分。 1.金属材料与热处理是一门研究金属材料的、、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。 2.本课程的主要内容包括金属材料的、金属的、金属学基础知识和热处理的基本知识。 3.金属材料的基本知识主要介绍金属的及的相关知识。 4.金属的性能主要介绍金属的和。 5.金属学基础知识讲述了铁碳合金的和。 6.热处理的基本知识包括热处理的和。 7.物质是由原子和分子构成的，其存在状态可分为气态、、。 8.固态物质根据其结构特点不同可分为和。 9.常见的三种金属晶格类型有、、密排六方晶格。 10.常见的晶体缺陷有点缺陷、、。 11.常见的点缺陷有间隙原子、、。 12.常见的面缺陷有金属晶体中的、。 13.晶粒的大小与和有关。 14.机械零件在使用中常见的损坏形式有变形、及。 15.因摩擦而使零件尺寸、和发生变化的现象称为磨损。 二、判断题：每题1分，满分10分。 1.金属性能的差异是由其内部结构决定的。（） 2.玻璃是晶体。（） 3.石英是晶体。（） 4.食盐是非晶体。（） 5.晶体有一定的熔点，性能呈各向异性。（） 6.非晶体没有固定熔点。（） 7.一般取晶胞来研究金属的晶体结构。（） 8.晶体缺陷在金属的塑性变形及热处理过程中起着重要作用。（） 9.金属结晶时，过冷度的大小与冷却速度有关。（） 10.冷却速度越快，过冷度就越小。（） 三、选择题：每题2分，满分20分。 1.下列材料中不属于晶体的是（） A.石英 B.食盐 C.玻璃 D.水晶 2.机械零件常见的损坏形式有（） A.变形 B.断裂 C.磨损 D.以上答案都对 3.常见的载荷形式有（） A.静载荷 B.冲击载荷 C.交变载荷 D.以上答案都对 4.拉伸试样的形状有（） A.圆形 B.矩形 C.六方 D.以上答案都对 5.通常以（）代表材料的强度指标。 A.抗拉强度 B.抗剪强度 C.抗扭强度 D.抗弯强度 6.拉伸试验时，试样拉断前所能承受的最大应力称为材料的（）
金属热处理及表面处理工艺规范
北京奇朔科贸有限公司 部分金属材料热处理及表面处理工艺规范 第一版 编写：赵贵波 审核： 批准： 北京奇朔科贸有限公司 二零一二年六月
目录 1.0 热处理的工艺分类及代号---------------------------------------------------------------------3 1.1 基础分类-----------------------------------------------------------------------------------------------3 1.2 附加分类-----------------------------------------------------------------------------------------------3 1.3 热处理工艺代号--------------------------------------------------------------------------------------4 1.4 图样中标注热处理技术条件用符号--------------------------------------------------------------7 2.0 金属材料的热处理方法和应用目的-------------------------------------------------------8 2.1 钢的淬火-----------------------------------------------------------------------------------------------8 2.2 热处理的过程方法和应用目的--------------------------------------------------------------------9 3.0 部分金属材料的热处理规范-----------------------------------------------------------------17 3.1 渗碳钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------17 3.2 渗氮钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------------------20 3.3 调质钢的热处理工艺-------------------------------------------------------------------------------21 3.4 -弹簧钢的热处理工艺------------------------------------------------------------------------------23 3.5 轴承钢的热处理工艺-------------------------------------------------------------------------------25 3.6 合金工具钢的热处理工艺------------------------------------------------------------------------- 26 3.7 碳素工具钢的热处理工艺--------------------------------------------------------------------------29
金属材料与热处理题库完整.doc
一、填空（每空0.5 分，共 23 分） 1 、200HBW10/3000表示以毫米压头，加载牛顿的试验力，保持秒测得的 硬度值，其值为。 1、洛氏硬度 C 标尺所用压头为，所加总试验力为牛顿，主要用于测的硬度。 2 、金属常见的晶格类型有、、。α -Fe 是晶格，γ -Fe 是 晶格。 2 、与之差称为过冷度，过冷度与有关，越大，过冷度也越大，实际结晶温 度越。 3 、钢中常存元素有、、、，其中、是有益元素，、是有害 元素。 3、表示材料在冲击载荷作用下的力学性能指标有和，它除了可以检验材料的冶炼和热加工质 量外，还可以测材料的温度。 3 、拉伸试验可以测材料的和指标，标准试样分为种，它们的长度分别是和。 4 、疲劳强度是表示材料在载荷作用下的力学性能指标，用表示，对钢铁材料，它是试验循环数达时的应力值。 4 、填出下列力学性能指标的符号： 上屈服强度，下屈服强度，非比例延伸强度，抗拉强度，洛氏硬度 C 标尺，伸长率，断面收缩率，冲击韧度，疲劳强度，断裂韧度。 5 、在金属结晶时，形核方式有和两种，长大方式有和两种。 5 、单晶体的塑性变形方式有和两种，塑性较好的金属在应力的作用下，主要以方式进行变形。 5 、铁碳合金的基本组织有五种，它们分别是，，，，。 ６、调质是和的热处理。 6 、强化金属的基本方法有、、三种。 6 、形变热处理是将与相结合的方法。 ７、根据工艺不同，钢的热处理方法有、、、、。 ９、镇静钢的主要缺陷有、、、、等。 10、大多数合金元素（除Co 外），在钢中均能过冷奥氏体的稳定性，使 C 曲线的位置，提 高了钢的。 11、按化学成分，碳素钢分为、、，它们的含碳量围分别为、、 。 12、合金钢按用途主要分为、、三大类。 13、金属材料抵抗冲击载荷而的能力称为冲击韧性。 14、变质处理是在浇注前向金属液体中加入促进或抑制的物质。 15、冷塑性变形后的金属在加热过程中，结构和将发生变化，其变化过程分为、、三个 阶段。 10、在机械零件中，要求表面具有和性，而心部要求足够和时，应进行表面热处理。 16、经冷变形后的金属再结晶后可获得晶粒，使消除。 17、生产中以划分塑性变形的冷加工和。 18、亚共析钢随含碳量升高，其力学性能变化规律是：、升高，而、降低。 19、常用退火方法有、、、、等。 20、08 钢含碳量， Si 和 Mn 含量，良好，常轧成薄钢板或带钢供应。
金属材料与热处理试题及复习资料
金属材料与热处理 一、填空题（30分，每空1分） 1、常见的金属晶体类型有_体心立方_晶格、__面心立方__晶格和密排六方晶格三种。 2、金属的整个结晶过程包括形核_____、___长大_______两个基本过程组成。 3、根据溶质原子在溶剂晶格中所处的位置不同，固溶体分为_间隙固溶体_与_置换固溶体_两种。 4、工程中常用的特殊性能钢有_不锈钢__、_耐热钢_、耐磨钢。 5、常用的常规热处理方法有___回火___、正火和淬火、__退火__。 6、随着回火加热温度的升高，钢的__强度__和硬度下降，而_塑性___和韧性提高。 7、根据工作条件不同，磨具钢又可分为_冷作模具钢_、__热作模具钢__和塑料磨具用钢等。 8、合金按照用途可分为_合金渗碳体_、_特殊碳化物_和特殊性能钢三类。 9、合金常见的相图有__匀晶相图__、_共晶相图__、包晶相图和具有稳定化合物的二元相图。 10、硬质合金是指将一种或多种难熔金属_碳化物__和金属粘结剂，通过_粉末冶金__工艺生产的一类合金材料。 11、铸铁的力学挺能主要取决于_基体的组织_的组织和石墨的基体、形态、_数量_以及分布状态。 12、根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为_灰口铸铁__、_白口铸铁_和麻口铸铁三类。 13、常用铜合金中，_青铜_是以锌为主加合金元素，_白铜_是以镍为主加合金元素。 14、铁碳合金的基本组织中属于固溶体的有_铁素体_和_奥氏体_,属于金属化合物的有_渗碳体_，属于混合物的有_珠光体_和莱氏体。 二、选择题（30分，每题2分） 1、铜只有通过冷加工并经随后加热才能使晶粒细化，而铁则不需冷加工，只需加热到一定温度即使晶粒细化，其原因是（ C ） A 铁总是存在加工硬化，而铜没有 B 铜有加工硬化现象，而铁没有 C 铁在固态下有同素异构转变，而铜没有 D 铁和铜的再结晶温度不同 α-是具有（ A ）晶格的铁。 2、Fe A 体心立方 B 面心立方
常用材料热处理表面处理
代号 工艺规范 HB HRC Z 840~860℃ 空冷≤229—组织均匀化消除应力 T215820~840℃ 水冷200~230—T235550~630℃ 回火220~250—T265820~840℃ 水冷—T265530~570℃ 回火—C42820~840℃ 水冷—C42 350~400℃ 回火—C48820~840℃ 水冷—C48240~280℃ 回火—G42860~900℃高频、水冷—G42340~370℃ 回火—G48860~900℃高频、水冷—G48220~250℃ 回火—G54860~900℃高频水冷—G54100~200℃ 回火—H48860~900℃高频水冷—H48250~300℃ 回火—Y62 950~980℃ 油冷——H62160~180℃ 回火——Y58950~980℃ 油冷——H58200~270℃ 回火—— Th 850~870℃ 保温—Th 720~750℃ 等温炉冷—C48 1030~1050℃ 油冷——C48570~590℃ 回火——Y62980~1030℃ 油冷——H62160~180℃ 回火——Y58980~1030℃ 油冷——H58200~270℃ 回火—— Th 700~790℃ 保温—Th 680~700℃等温炉冷—冷处理在淬火后 1小时内冷却到70℃——提高硬度(HRC+1)稳定尺寸C56 840~860℃ 油冷 — 常 用 金 属 材 料 热 处 理 提高硬度和耐磨性 表面耐磨,芯部韧性好,变形小 表面耐磨，芯部韧性好 降低硬度，细化组织 57~59细化组织，降低硬度热处理目的 钢号 54~59 CrWMn 207~255 Cr12CrMoV 207~255 46~5161~6346~5157~5946~5161~6346~5152~5740~45提高性能，改善组织 45 热 处 理 硬 度250~280 40~45 Cr12
金属热处理及表面处理工艺
一、热处理工艺简解 1、退火 操作方法：将钢件加热到Ac3+30~50℃或Ac1+30~50℃或Ac1以下的温度（能够查阅有关材料）后，通常随炉温缓慢冷却。 意图：1.下降硬度，进步塑性，改进切削加工与压力加工功能；2.细化晶粒，改进力学功能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所发生的内应力。 运用关键：1.适用于合金布局钢、碳素东西钢、合金东西钢、高速钢的锻件、焊接件以及供给状况不合格的原材料；2.通常在毛坯状况进行退火。 2、正火 操作方法：将钢件加热到Ac3或Accm 以上30~50℃，保温后以稍大于退火的冷却速度冷却。 意图：1.下降硬度，进步塑性，改进切削加工与压力加工功能；2.细化晶粒，改进力学功能，为下一步工序做准备；3.消除冷、热加工所发生的内应力。 运用关键：正火通常作为锻件、焊接件以及渗碳零件的预先热处理工序。关于功能需求不高的低碳的和中碳的碳素布局钢及低合金钢件，也可作为最终热处理。关于通常中、高合金钢，空冷可致使彻底或部分淬火，因而不能作为最终热处理工序。 3、淬火 操作方法：将钢件加热到相变温度Ac3或Ac1以上，保温一段时刻，然后在水、硝盐、油、或空气中疾速冷却。 意图：淬火通常是为了得到高硬度的马氏体安排，有时对某些高合金钢（如不锈钢、耐磨钢）淬火时，则是为了得到单一均匀的奥氏体安排，以进步耐磨性和耐蚀性。运用关键：1.通常用于含碳量大于百分之零点三的碳钢和合金钢；2.淬火能充分发挥钢的强度和耐磨性潜力，但一起会构成很大的内应力，下降钢的塑性和冲击韧度，故要进行回火以得到较好的归纳力学功能。 4、回火 操作方法：将淬火后的钢件从头加热到Ac1以下某一温度，经保温后，于空气或油、热水、水中冷却。 意图：1.下降或消除淬火后的内应力，削减工件的变形和开裂；2.调整硬度，进步塑性和耐性，取得作业所需求的力学功能；3.安稳工件尺度。 运用关键：1.坚持钢在淬火后的高硬度和耐磨性时用低温回火；在坚持必定韧度的条件下进步钢的弹性和屈从强度时用中温回火；以坚持高的冲击韧度和塑性为主，又有满足的强度时用高温回火；2.通常钢尽量防止在230~280℃、不锈钢在400~450℃之间回火，因为这时会发生一次回火脆性。5、调质 操作方法：淬火后高温回火称调质，行将钢件加热到比淬火时高10~20度的温度，保温后进行淬火，然后在400~720℃的温度下进行回火。 意图：1.改进切削加工功能，进步加工外表光洁程度；2.减小淬火时的变形和开裂； 3.取得杰出的归纳力学功能。 运用关键：1.适用于淬透性较高的合金布局钢、合金东西钢和高速钢；2. 不只能够作为各种较为重要布局的最终热处理，并且还能够作为某些严密零件，如丝杠等的
金属材料及热处理试题库和答案解析
金属材料与热处理习题及答案 第一章金属的结构与结晶 一、判断题 1、非晶体具有各同性的特点。( √) 2、金属结晶时，过冷度越大，结晶后晶粒越粗。(×) 3、一般情况下，金属的晶粒越细，其力学性能越差。( ×) 4、多晶体中，各晶粒的位向是完全相同的。( ×) 5、单晶体具有各向异性的特点。( √) 6、金属的同素异构转变是在恒温下进行的。( √) 7、组成元素相同而结构不同的各金属晶体，就是同素异构体。 ( √) 8、同素异构转变也遵循晶核形成与晶核长大的规律。( √) 10、非晶体具有各异性的特点。( ×) 11、晶体的原子是呈有序、有规则排列的物质。( √) 12、非晶体的原子是呈无序、无规则堆积的物质。( √) 13、金属材料与热处理是一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。( √) 14、金属是指单一元素构成的具有特殊的光泽延展性导电性导热性的物质。( √)
15、金银铜铁锌铝等都属于金属而不是合金。( √) 16、金属材料是金属及其合金的总称。( √) 17、材料的成分和热处理决定组织，组织决定其性能，性能又决定其用途。( √) 18、金是属于面心立方晶格。( √) 19、银是属于面心立方晶格。( √) 20、铜是属于面心立方晶格。( √) 21、单晶体是只有一个晶粒组成的晶体。( √) 22、晶粒间交接的地方称为晶界。( √) 23、晶界越多，金属材料的性能越好。( √) 24、结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体状态的过程。 ( √) 25、纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。( √) 26、金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成。 ( √) 27、只有一个晶粒组成的晶体成为单晶体。( √) 28、晶体缺陷有点、线、面缺陷。( √) 29、面缺陷分为晶界和亚晶界两种。( √) 30、纯铁是有许多不规则的晶粒组成。( √) 31、晶体有规则的几何图形。( √) 32、非晶体没有规则的几何图形。( √) 36、物质是由原子和分子构成的。( √)
40Cr钢的调质处理——【热处理及表面处理工艺】
40Cr钢的调质处理 Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。截面尺寸大或重要的调质工件，应采用Cr钢。但Cr钢有第二类回火脆性。40Cr工件调质的淬回火，各种参数工艺卡片都有规定，我们在实际操作中体会是： (一)40Cr工件淬火后应采用油冷，40Cr钢的淬透性较好，在油中冷却能淬硬，而且工件的变形、开裂倾向小。但是小型企业在供油紧张的情况下，对形状不复杂的工件，可以在水中淬火，并未发现开裂，只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。 (二)40Cr工件调质后硬度仍然偏高，第二次回火温度就要增加20~50℃，不然，硬度降低困难。 (三)40Cr工件高温回火后，形状复杂的在油中冷却，简单的在水中冷却，目的是避免第二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件，必要时再施以消除应力处理。 影响调质工件的质量，操作工的水平是个重要因素，同时，还有设备、材料和调质前加工等多方面的原因，我们认为： (一)工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢，工件入水的温度已降到低于Ar3临界点，产生部分分解，工件得到不完全淬火组织，达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度，大工件予冷要掌握时间。 1
(二)工件装炉量要合理，以1~2层为宜，工件相互重叠造成加热不均匀，导致硬度不匀。 (三)工件入水排列应保持一定距离，过密使工件近处蒸气膜破裂受阻，造成工件接近面硬度偏低。 (四)开炉淬火，不能一口气淬完，应视炉温下降程度，中途闭炉重新升温，以便前后工件淬后硬度一致。 (五)要注意冷却液的温度，10%盐水的温度如高于60℃，不能使用。冷却液不能有油污、泥浆等杂质，不然，会出现硬度不足或不均匀现象。 (六)未经加工毛坯调质，硬度不会均匀，如要得到好的调质质量，毛坯应粗车，棒料要锻打。 (七)严把质量关，淬火后硬度偏低1~3个单位，可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬火后工件硬度过低，有的甚至只有HRC25~35，必须重新淬火，绝不能只施以中温或低温回火以达到图纸要求完事，不然，失去了调质的意义，并有可能产生严重的后果。 2
《金属材料与热处理》教学大纲.doc
《金属材料与热处理》教学大纲 一、说明 1、课程的性质和内容 金属材料与热处理是一门技术基础课。其主要内容包括：金属的性能、金属学基础知识、钢的热处理、常用金属材料及非金属材料的牌号等。 2、课程的任务和要求 本课程的任务是使学生掌握金属材料与热处理的基本知识，为学习专业理 论，掌握专业技能打好基础。通过本课程的学习，学生应达到下列基本要求: （1）了解金属学的基本知识。 （2）掌握常用金属材料的牌号、性能及用途。 （3）了解金属材料的组织结构与性能之间的关系。 （4）了解热处理的一般原理及其工艺。 （5）了解热处理工艺在实际生产中的应用。 3、教学中应注意的问题 （1）认真贯彻理论联系实际的原则，注重学生素质的全面提高。 （2）在组织教学时，应根据所学工种，结合实际生产，选择不同的学习内容，有“*”的为选学内容。 （3）加强实验和参观，增强感性认识和动手能力。 （4）有条件的可辅以电化教学，是教学直观而生动。 二、教学要求、内容、建议及学时分配。（总学时80课时，开课时间为：高 一上期） 绪论总学时1 教学要求 1、明确学习本课程的目的。 2、了解本课程的基本内容。 教学内容
1、学习金属材料与热处理的目的。 2、金属材料与热处理的基木内容。 3、金属材料与热处理的发展史。 4、金属材料在工农业生产中的应用。 教学建议 1、结合实际生产授课，以激发学生学习本课程的兴趣。 2、展望金属材料与热处理的发展前景。 第一章金属的结构与结晶总学时2 教学要求 1、了解金属的晶体结构。 2、掌握纯金属的结晶过程。 3、掌握纯铁的同素异构转变。 教学内容 §1-1金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 二、晶体结构的概念 三、金属晶格的类型 § 1-2纯金属的结晶 一、纯金属的冷却曲线及过冷度 二、纯金属的结晶过程 三、晶粒大小对金属力学性能的影响 四、金属晶体缺陷 § 1-3金属的同素异构转变 教学建议 1、晶体结构较抽象，可使用模型配合讲课。 2、讲透同素异构转变与结晶过程之间的异同点。
金属表面处理工艺有哪些,常见金属表面处理方法
金属表面处理工艺有哪些_常见金属表面处理方法有哪些 金属表面在各种热处理、机械加工、运输的过程中，不可避免地会产生腐蚀、随着油污和杂质等，产生氧化现象，这就需要进行表面处理。 金属表面处理有很多种，按照其特性的不同可分为溶剂清洗、机械处理和化学处理三大类。根据不同氧化程度的金属表面，应采用不同的处理方式。如对于较薄的氧化层可采用溶剂清洗、机械处理和化学处理，或者直接采用化学处理，对于严重氧化的金属表面，由于氧化层较厚，如果直接采用溶剂清洗和化学处理，不但处理不彻底，还会浪费大量的清洗剂和化学剂，最好先采用机械处理。 溶剂清洗是对使用溶剂对金属表面进行清洗的一种处理方法，该方法可以有效去除工件表面的油污、杂质和氧化层，使工件表面获得清洁。经溶剂清洗后的金属表面具有高度活性，更容易受到灰尘、湿气的污染，所以处理后的工件还要进行喷涂、喷涂等表面处理，提高工件的抗腐蚀能力。 金属的表面处理有哪些？ 不锈钢：电镀、抛光、拉丝、电泳、PVD、蚀刻、彩色钝化 铝合金：阳极氧化、电镀、蚀刻 镁合金：电镀、钝化皮膜 钛合金：电镀、阳极氧化 锌合金：电镀、钝化 铸铝：电镀、阳极氧化 钢铁：钝化、磷化 电镀 镀层金属或其他不溶性材料做阳极，待镀的工件做阴极，镀层金属的阳离子在待镀工件表面被还原形成镀层。为排除其它阳离子的干扰，且使镀层均匀、牢固，需用含镀层金属阳离子的溶液做电镀液，以保持镀层金属阳离子的浓度不变。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性(镀层金属多采用耐腐蚀的金属)、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性、和表面美观。 电泳 电泳是电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷涂料离子移动到阴极,并与阴极表面所产生之碱性作用形成不溶解物，沉积于工件表面。 电泳表面处理工艺的特点： 电泳漆膜具有涂层丰满、均匀、平整、光滑的优点，电泳漆膜的硬度、附着力、耐腐、冲击性能、渗透性能明显优于其它涂装工艺。电泳工艺优于其他涂装工艺。 镀锌 镀锌是指在金属、合金或者其它材料的表面镀一层锌以起美观、防锈等作用的表面处理技术。现在主要采用的方法是热镀锌。 电镀与电泳的区别 电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程。
常见零件的热处理方式
一、齿轮 1.渗碳及碳氮共渗齿轮的工艺流程 毛坯成型→预备热处理→切削加工→渗碳（碳、氮共渗）、淬火及回火→（喷丸）→精加工2.感应加热和火焰加热淬火齿轮用钢及制造工艺流程 配料→锻造→正火→粗加工→精加工→感应或火焰加热淬火→回火→珩磨或直接使用调质 3.高频预热和随后的高频淬火工艺流程 锻坯→正火→粗车→高频预热→精车（内孔、端面、外圆）滚齿、剃齿→高频淬火→回火→珩齿 二、滚动轴承 1.套圈工艺流程 棒料→锻制→正火→球化退火 棒料→钢管退火磨→补加回火→精磨→成品 2.滚动体工艺流程 （1）冷冲及半热冲钢球 钢丝或条钢退火→冷冲或半热冲→低温退火→锉削加工→软磨→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→补加回火→精磨→成品 （2）热冲及模锻钢球 棒料→热冲或模锻→球化退火→锉削加工→软磨→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→补加回火→精磨→成品 （3）滚子滚针 钢丝或条钢（退火）→冷冲、冷轧或车削→淬火→冷处理→低温回火→粗磨→附加回火→精磨→成品 三、弹簧 1.板簧的工艺流程
切割→弯制主片卷耳→加热→弯曲→余热淬火→回火→喷丸→检查→装配→试验验收 2.热卷螺旋弹簧工艺流程 下料→锻尖→加热→卷簧及校正→淬火→回火→喷丸→磨端面→试验验收 3.冷卷螺旋弹簧工艺流程 下料→锻尖→加热→卷簧及校正→去应力回火→淬火→回火→喷丸→磨端面→试验验收 四、汽车、拖拉机零件的热处理 1.铸铁活塞环的工艺流程 （1）单体铸造→机加工→消除应力退火→半精加工→表面处理→精加工→成品 （2）简体铸造→机加工→热定型→内外圆加工→表面处理→精加工→成品 2.活塞销的工艺流程 棒料→粗车外圆→渗碳→钻内孔→淬火、回火→精加工→成品 棒料→退火→冷挤压→渗碳→淬火、回火→精加工→成品 热轧管→粗车外圆→渗碳→淬火、回火→精加工→成品 冷拔管→下料→渗碳→淬火、回火→精加工→成品 3.连杆的工艺流程 锻造→调质→酸洗→硬度和表面检验→探伤→校正→精压→机加工→成品 4.渗碳钢气门挺杆的工艺流程 棒料→热镦→机加工成型→渗碳→淬火、回火→精加工→磷化→成品 5.合金铸铁气门挺杆的工艺流程 合金铸铁整体铸造（间接端部冷激）→机械加工→淬火、回火→精加工→表面处理→成品合金铸铁整体铸造（端部冷激）→机械加工→消除应力退火→精加工→表面处理→成品钢制杆体→堆焊端部（冷激）→回火→精加工→成品 钢制杆体→对焊→热处理→精加工→表面处理→成品 6.马氏体型耐热钢排气阀的工艺流程 马氏体耐热钢棒料→锻造成型→调质→校直→机加工→尾部淬火→抛光→成品 7.半马氏体半奥氏体型耐热钢（Gr13Ni7Si2）排气阀的工艺流程
金属材料与热处理
金属材料的性能（材料的性能一般分为使用性能和工艺性能两大类，使用性能主要包括力学性能、物理性能、化学性能）（选择题） 1.力学性能：强度（屈服强度、抗拉强度）、塑性、弹性与刚度、硬度（布氏 硬度，洛氏硬度，维氏硬度）、冲击韧性、疲劳强度 2.物理性能：密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性、 3.化学性能：耐蚀性、抗氧化性 常见金属的晶格类型—— 1.体心立方晶体具有这种晶格的金属有钨（W），钼（M），铬（Cr），钒（V）， α-铁（α-Fe）等 2.面心立方晶格具有这种晶格的金属有金(Au),银(Ag),铝（Al）,铜（Cu）,镍 （Ni）,γ-铁（γ-Fe）等 3.密排六方晶格具有这种晶格的金属有镁（Mg），锌（Zn），铍（Be），α- 钛（α-Ti） 根据晶体缺陷的几何特点，可分为 1.点缺陷点缺陷是指在晶体中长，宽，高尺寸都很小的一种缺陷，常见的有 晶格空位和间隙原子 2.线缺陷线缺陷是指在晶体中呈线状分布（在一维方向上的尺寸很大，而别 的方向则很小）原子排列不均衡的晶体缺陷，主要指各种类型的位错 3.面缺陷面缺陷是指在二维方向上吃醋很大，在第三个方向上的尺寸很小， 呈面状分布的缺陷 位错：位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 铁素体：铁素体是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，为体心立方晶格，用符号F（或α）表示 简化后的Fe-Fe3C相图，画图啊亲，三个学期的铁碳相图啊有木有，都是泪啊有木有！！！书P9 共析钢由珠光体向奥氏体的转变包括以下四个阶段：奥氏体形核，奥氏体晶核长大，剩余渗碳体溶解和奥氏体成分均匀化 影响奥氏体晶粒长大的因素： 1.加热温度和保温时间加热温度愈高，保温时间愈长，奥氏体晶粒愈粗大
金属热处理和金属表面处理的区别和联系【详解】
金属热处理和金属表面处理的区别和联系 内容来源网络，由深圳机械展收集整理！ 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，又以不同速度在不同的介质中冷却，通过改变金属材料表面或内部的显微组织结构来控制其性能的一种工艺。 金属材料表面处理技术与金属热处理和表面热处理不是一个类型的慨念。一般把金属表面防护和改性称之为金属材料表面处理，改变金属材料表面组织结构和力学性能指标称为金属表面热处理。 表面防护的内容：电镀、涂装、化学处理层；电镀包括（镀锌、铜、铬、铅、银、镍、锡、镉等）；涂装包括（油漆涂装、静电喷粉、喷塑工艺）；化学处理包括（发黑处理、磷化处理）。另一方面是金属的表面改性,也称表面优化,就是借助离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性质，从而获得用传统的冶金和表面处理技术无法得到的新薄层材料，或者使传统材料具有更好的性能。现代先进的表面改性技术主要有物理气相沉积（简称PVD）、化学气相沉积（简称CVD）、等离子体化学气相沉积（简称PCVD）、离子注入和离子束沉积。 至于工艺步骤的确是太多了，电镀有挂镀和滚镀、油漆涂层分类更多，有刷涂、
浸漆、烤漆、电泳、静电喷涂等，不同的要求，工艺方法区别也大。 热处理主要包括：淬火、回火、退火、调质等等；目的是改变金属材料的机械性能；都与加热有关； 表面处理包括的内容太多：涂覆（涂漆，喷塑）、热浸镀、电镀、氧化、发蓝、着色、磷化、钝化、酸洗、化学抛光、电解抛光、电铸、抛丸、磨沙、拉丝、振光、火焰喷涂、渗碳、渗氮.... 表面处理的目的最多的是防腐蚀，其次是改善外观质量；但渗碳、渗氮是为了改变金属材料的机械性能；表面处理大多与加热无关。 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工序之一。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
常用表面处理工艺及热处理工艺
正火：又称常化，是将工件加热至Ac3或Acm以上40~60℃，保温一段时间后， 从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 运用范围：①用于低碳钢，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切 削加工的预处理。 ②用于中碳钢，可代替调质处理作为最后热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。 ③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等，可以消降或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。 ④用于铸钢件，可以细化铸态组织，改善切削加工性能。 ⑤用于大型锻件，可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。 ⑥用于球墨铸铁，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 目的：使晶粒细化和碳化物分布均匀化，去除材料的内应力，降低材料的硬度。 退火：将金属构件加热到高于或低于临界点，保持一定时间，随后缓慢冷却，从而获得接近平衡状态的组织与性能的金属热处理工艺。 目的：降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹 倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。退火工艺随目的之不同而有多种，如等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火，以及稳定化退火、磁场退火等等。 注: 正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，因而正火组织 要比退火组织更细一些，其机械性能也有所提高。故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。 淬火：将钢件加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上某一温 度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体1化，然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。 注：将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间，随即浸入淬冷介质中 快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。缺点是在水中淬火应力大，工件容易变形开裂；在油中淬火，冷却速度小，淬透直径小，大型工件不易淬透。 目的：淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或下贝 氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。 回火：将淬火后的钢，在AC1以下加热、保温后冷却下来的热处理工艺。