钢的热处理(相关)

钢的热处理

1、 热处理的定义：主要有三点要注意，一是热处理是在固态范围内进行的，二是有三个过程（加热、保温和冷却），三是热处理是通过改变钢的组织结构来改善其性能的；

2、 热处理的实质

3、 热处理的目的：不改变材料的形状的尺寸，改善其性能，包括使用性能和工艺性能，可以充分发挥材料的潜力，提高零件的内在质量；

4、 热处理的应用：十分广泛；

5、 热处理的分类：普通热处理

表面热处理

化学热处理

6、 热处理的三要素：加热温度、保温时间、冷却速度；

第一节 钢在加热时的转变

第一步，目的是使原始组织转变为奥氏体，所以也称奥氏体化过程。然后以奥氏体为母相进行转变。

一、 钢的奥氏体化过程

2、 要使原始组织变为奥氏体，应将钢加热到A1（727℃）温度以上；具体的，亚共析钢应加热到Ac3线以上；共析钢加热到Ac1线以上；过共析钢如果进行完全奥氏体化应加热到Accm线以上。

3、 转变过程：

1） 奥氏体的形核和长大；

2） 残余渗碳体的溶解；

3） 奥氏体成分的均匀化；

一、 奥氏体晶粒度及其控制

1、 奥氏体晶粒大小对热处理的影响

细小的组织力学性能高（塑性变形和再结晶一章中已学过）；另外，如果奥氏体的晶粒细小，那么由其转变的产物也就细小；否则转变产物就比较粗大，或出现缺陷组织，还容易引起变形和开裂，所以要对奥氏体的晶粒大小进行控制。

2、 奥氏体晶粒大小的表示方法

1） 用晶粒的直径d表示；

2） 用单位面积内的晶粒数目n表示；

3） 用晶粒度等级G表示，一共分10级，其中一级最粗，10级最细；

3、 奥氏体晶粒度的控制

1） 正确制订和执行加热规范；

2） 选用长大倾向小的钢种，如用Al脱氧的钢，以及含Nb、TI、V等元素的钢；

第二节 钢在冷却时的转变

冷却是热处理的最后一个工序，也是最关键的工序，它决定了钢热处理后的组织和性能。同一种钢，加热温度和保温时间相同，冷却方法不同，热处理后的性能截然不同。这是因为过冷奥氏体在冷却过程中转变成了不同的产物。那么奥氏体在冷却时转变成什么产物？有什么规律呢？这就是本次课的主要内容。

碳钢热处理时的冷却速度一般较大，大多都偏离了平衡状态（除退火外），所以热处理后的组织为非平衡组织。碳钢非平衡组织和按铁碳相图结晶得到的平衡组织相比差别很大。所以不能再用铁碳相图加以分析，而应使用C

曲线来确定。

一、 共析钢等温转变C曲线

先介绍几个概念。

等温冷却和连续冷却；

过冷奥氏体：处于A1以下热力学不稳定的奥氏体，而奥氏体在A1以上是稳定的，不会发生转变。所以等温转变C曲线讲的就是过冷奥氏体在等温冷却条件下的转变规律。

（一）、等温C曲线的测定（略）

（二）、等温C曲线的结构

坐标轴、线、区的含义；

孕育期的问题，引出C曲线的“NOSE”，共析钢过冷奥氏体最不稳定的温度是550℃，也就是说其“NOSE”出现在550℃。C曲线的“NOSE”对钢的热处理影响很大，应注意。

（三）、转变产物

按照不同的冷却条件，过冷奥氏体在不同的温度范围内等温时将转变成不同的产物。

1、 珠光体类型转变

在A1--550℃之间等温时，过冷奥氏体转变成珠光体类型组织（即都是由F和Fe3C组成 ），而且等温温度越低，组织中F和Fe3C的层片间距越小，组织越细，力学性能越高。这些组织分别称为珠光体、索氏体和屈氏体，用符号P、S、T表示。其中S只有在1000倍的显微镜下才能分辨出其层片状形态；而T则只有在更高倍的电子显微镜下才能分辨出其层片状形态。

这个转变是一个扩散型相变，需要完成铁的晶格改组和碳原子的重新分布。

2、 贝氏体转变

在550℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体发生贝氏体转变。贝氏体是过饱和F和碳化物组成的机械混合物，用符号B表示。在550℃--350℃之间 等温时，过冷奥氏体转变成上贝氏体（B上），呈黑色羽毛状，其中断续的碳化物分布在F片之间 ，这种上贝氏体力学性能较差，一般不用。在350℃--Ms之间等温时，过冷奥氏体转变成下贝氏体（B下），呈黑色针状或竹叶状，其中颗粒状碳化物分布在F片之上，这种下贝氏体具有较好的力学性能，应用广泛。

3、 马氏体转变

1）定义

当等温温度低于Ms线时，过冷奥氏体将转变成马氏体。马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，用符号M表示。

2）形态

马氏体按形态不同分为板条状马氏体和片状马氏体两种。板条状马氏体又称为低碳马氏体，在显微镜下呈一束束的板条状；片状马氏体又称为高碳马氏体，在显微镜下呈黑色针状，其立体形状为双凸透镜状。介于二者之间的为混合马氏体，如45钢淬火后的马氏体组织。

3）晶体结构

由于马氏体中固溶了过饱合的碳，所以其晶体结构由体心立方晶格变体心正方晶格，即高度C比宽度a大，C/a称为正方度，马氏体中的含碳量越多，正方度越大，组织转变应力越大，变形或开裂的危险也就

越大。

另一个要注意的问题是，在钢的相和组织中马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变成马氏体时，钢的体积增大。这也是造成应力的主要原因。

4） 性能

马氏体是钢中最硬的组织，马氏体的硬度主要取决于其中的含碳量，与其它因素关系不大。但当含碳量增大到0.6%时，马氏体的硬度不再继续升高，大约为60-64HRC，如图.

马氏体的高硬度主要是由于固溶强化造成的，另外还有位错和孪晶的影响，奥氏体向马氏体转变造成的组织细化也是一个因素。

原来认为马氏体是一个脆性相，但近年的研究发现，低碳板条马氏体有较好的塑性和韧性，因此常用低碳钢直接淬火得到以马氏体代替渗碳淬火。

高碳马氏体仍然是脆性较大的相。

5） 转变特点

这里主要注意两个问题。

首先，马氏体是在一个温度范围（Ms---Mf）内进行的，需要连续冷却，也就是说它不是一个等温转变。

其次，马氏体转变具有不完全性，最后总有一部分奥氏体残留下来。原因是部分钢的Mf低于室温，所以残余奥氏体的数量与Ms、Mf有关，而Ms、Mf又与钢的成分有关，含碳量和合金元素量越多，Ms、Mf越低，残余奥氏体量越多，如图。

复习等温C曲线，然后做一个练习。

转变温度 组织名称 符号 组织特征 力学性能

727-650℃ 珠光体 P 较粗 低

650-600℃ 索氏体 S 较细 较高

600-550℃ 屈氏体 T 极细 很高

550-350℃ 上贝氏体 B上 黑色羽毛状 劣

350-230℃ 下贝氏体 B下 黑色针状 强韧性好

230℃以下 马氏体 M 板条状或片状 硬度高

将T8钢加热到800℃，充分奥氏体化。问如何冷却才能得到下列组织：P、S、T、B、M；

二、亚共析钢和过共析钢的等温C曲线

首先，这两种的等温C曲线与共析钢相比，多一条先共析转变线。亚共析钢是铁素体转变线，过共析钢是渗碳体转变线。

其次，这两种钢的等温C曲线的位置比共析钢靠左，也就是说过冷奥氏体的稳定性较差。

最后，先共析产物的数量与等温温度有关系，等温温度越低，先共析产物越少，有可能出现伪共析组织。

1、 连续冷却转变C曲线

热处理生产多为连续冷却，所以研究连续冷却C曲线的实际意义更大。

（一）、共析钢连续冷却C曲线

这个曲线最明显的特点是只有半个C，也就是没有贝氏体转变，过共析钢也是如此。这是由于贝氏体相变被大大推迟了。

图中Ps是珠光体转变开始线，Pf是珠光体转变结束线，K线是转变中止线，当冷却到这条线时过冷

奥氏体要“休息一会儿”，直到冷却到Ms线时再继续转变。

钢在连续冷却转变时并不会出现新的转变，所有转变都以等温C曲线为基础。它相当于是许多时间很短的等温转变，其转变温度是在不断下降的，转变产物也在不断变化，所以连续冷却转变的产物多是混合组织。

上图冷却后，V1是珠光体；V2是S+T+M；V3是M。

VK是一个临界冷却速度，它是保证过冷奥氏体全部冷却到MS线以下转变成马氏体的最小冷却速度，称上临界冷却速度，也称淬火临界冷却速度，因为淬火时冷却速度必须大于它。

一般地，钢连续冷却转变C曲线的位置在等温C曲线的右下方，即钢在连续冷却时比在等温冷却时稳定。

2、C曲线的应用

确定等温热处理的工艺参数；

确定淬火工艺参数和淬火后组织性能；

在等温C曲线估计连续冷却时的产物。

第三节 退火和正火

前二节学习的内容是热处理的原理，从这一节开始学习热处理工艺，也就是具体的热处理实现方法。

在一个零件的加工路线中，热处理起着很重要的作用，一般有两种情况，如一个齿轮：

下料------锻造------预备热处理（退火或正火）------铣齿-------最终热处理（淬火回火）------精加工（磨削）；

其中预备热处理的作用是消除锻造的缺陷，如晶粒粗大、内应力、缺陷组织等，同时调整硬度，为后续的切削做准备。最终热处理的作用是使材料具有使用状态下的性能，如强度、硬度等。

一、 钢的退火

1、 定义

2、 特点：缓冷，一般用随炉冷却。过冷奥氏体在C曲线的上部进行转变，热处理后的组织接近于平衡组织，以珠光体为主。亚共析钢为F+P，共析、过共析钢为球状珠光体。

3、 用途：降低硬度，以利于切削（比较适合的切削硬度为160---260HBS）；消除内应力，稳定尺寸，防止变形或开裂；消除偏析，均匀成分；

4、 分类：

1） 完全退火：适用于亚共析钢的铸件、锻件、焊接件，（目的同上）。工艺参数为：加热到Ac3+30--50℃，保温，随炉冷却到600℃出炉空冷。

2） 等温退火：原理与完全退火相同，主要是为了缩短工艺周期，特别是对一些大型合金钢件的退火。

3） 球化退火：适用于共析及过共析钢，目的是为了获取球状珠光体，降低这些高碳钢的硬度，以利于切削。所有的高碳钢在切削之前一般都要进行球化退火。工艺参数为：加热到Ac1+30--50℃，保温，随炉冷却或等温冷却；

4） 均匀化退火：一般用于铸件，消除偏析，使成分均匀；通常是将钢加热到固相线以下100--20

0℃长时间保温，使原子充分扩散。

5） 去应力退火：属于低温热处理，加热温度一般在A1线以下，对于钢来说，大约为600℃。

二、 正火

将钢加热到Ac或Accm线以上完全A化，然后在空气中冷却的一种热处理工艺。它的主要特点是空冷，对于大型零件或在炎热地区，也可用风冷或喷雾冷却。

正火和退火的区别主要有以下几点：

1、 正火的加热温度较高；

2、 正火的冷却速度比退火快，热处理后的组织比退火细，先共析相数量也较少，所以正火后的性能比在退火时高；

3、 正火的用途也和退火有所不同：

1） 正火能提高硬度，一般用于低碳钢的预备热处理；

2） 正火可以消除魏氏组织、粗大组织、网状组织等；如过共析钢在球化退火之前，应先用正火消除网状的Fe3CⅡ；

3） 对于一些大件，正火可代替调质作为最终热处理使用；

第四节 钢的淬火

将钢加热到Ac1或Ac3以上30--50℃，适当保温，然后快速冷却，获取马氏体或下贝氏体的一种热处理工艺。

淬火是一种很早就应用的热处理工艺，它的目的是获得马氏体或下贝氏体，但主要是马氏体。从性能上看，它是为了强化材料，提高材料的强度或硬度。

一、 淬火工艺

为了获得好的淬火效果，就必须制定正确的淬火工艺参数。

1、 加热温度

根据钢的成分确定，亚共析钢加热到Ac3+30--70℃，共析、过共析钢加热到Ac1+30--70℃；

根据铁碳相图进行解释。

例如，45钢的Ac3=780℃，其淬火温度为840--860℃；

T8、T12钢的Ac1=730℃，其淬火温度为760--780℃；

合金钢由于合金元素的影响，加热温度比碳钢高，具体情况可以查阅热处理手册。

2、 加热时间

一般将升温时间和保温时间加在一起，称为加热时间。加热时间的确定应考虑二个问题，一个是材料的均温，一个是组织转变的时间。淬火加热时间与零件的尺寸和加热设备有关，可按下列经验公式确定；

τ=α×D；

其中α是系数，一般取1—1.5；D是零件的有效厚度。

3、 淬火冷却介质

淬火冷却速度应大于VK，但不是越快越好，在保证大于VK的前提下应尽量缓慢，这主要是为了避免出现大的应力，引起变形或开裂。

1） 理想淬火冷却介质

“NOSE”处要快，以避开它，保证获得全部的马氏体组织；而在“NOSE”下面，特别是在Ms线以下要慢，以避免变形和开裂。

但是实际使用的淬火介质都不满足这个条件，（介绍常用的淬火介质）水、油、盐水、碱水等。

二、 淬火

方法

1、 单液淬火

碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火，

它的优点是操作方便，容易实现机械化

和自动化。缺点是在水中淬火容易变形

和开裂；在油中容易出现软点。

2、 双液淬火

克服单淬火的缺点，主要有水---油、油---空气等。要熟练操作需要一定的经验。

3、 分级淬火

主要是为了最大限度的减小内应力。常用的是在Ms线附近进行分级，适用于截面较小的合金钢件。

4、 等温淬火

为了获得下贝氏体，等温温度选取在稍高于Ms温度，保温足够时间，使钢发生贝氏体转变。等温淬火的好处是内应力小，组织性能高，淬火后不需要回火，如T7做的螺丝刀。

5、 局部淬火

有些工件只要局部较高的硬度，如菜刀、凿子、卡规等，因此淬火时只将需要硬化的部位进行加热淬火。

三、 钢的淬透性

工件淬火时，特别是大件淬火时表面和心部的冷却速度是不一致的，如果表面和心部的冷却速度都大于V，那么工件同表及里都得到了马氏体，就是工件被淬透了；如果仅表面一定厚度的冷却速度大于V，而心部的冷却速度小于V，那么仅表面一层得到了马氏体，而心部得到了非马氏体组织，就是说工件没有被淬透；如图。淬透性就是表示材料接受淬火的能力。

1、淬透性：钢在淬火条件下得到M组织或淬透层深度的能力，是钢的固有属性。取决于VK（上临界冷却速度）。

在实际生产中， 往往要测定淬火工件的淬透层深度， 所谓淬透层深度即是从试样表面至半马氏体区(马氏体和非马氏体组织各占一半)的距离。在同样淬火条件下， 淬透层深度越大， 则反映钢的淬透性越好。

2．淬硬性，钢在淬火后获得硬度的能力，取决于M中C%，

C%↑→淬硬性↑

3．影响淬透性的因素——VK，C曲线

C% 亚共析钢 C%↑→淬透性↑，过共析钢C%↑→淬透性↓

奥氏体化温度 T↑t↑→淬透性↑

合金元素 除Co%以外，C曲线右移，↑淬透性

未溶第二相 ↓淬透性

4.钢的淬透性测定

用末端淬火法测定钢的淬透性

淬透性可用“末端淬火法”来测定(见GB225-63)。将标准试样(Φ25×100mm)加热奥氏体化后， 迅速放入末端淬火试验机的冷却孔中， 喷水冷却。规定喷水管内径12.5mm， 水柱自由高度65±5mm， 水温20-30℃。图2-84(a)为末端淬火法示意图。显然， 喷水端冷却速度最大， 距末端沿轴向距离增大， 冷却速度逐渐减小， 其组织及硬度亦逐渐变化。在试样测面沿长度方向磨一深度0.2-0.5mm的窄条平面， 然后从末端开始，每

隔一定距离测量一个硬度值， 即可测得试样沿长度方向上的硬度变化， 所得曲线称为淬透性曲线。

实验测出的各种钢的淬透性曲线均收集在有关手册中。同一牌号的钢， 由于化学成分和晶粒度的差异， 淬透性曲线实际上为有一定波动范围的淬透性带。

根据GB225-63规定， 钢的淬透性值用 表示。其中J表示末端淬火的淬透性， d表示距水冷端的距离， HRC为该处的硬度。例如， 淬透性值 ， 即表示距水冷端5mm试样硬度为42HRC。

淬火试样断面上马氏体量和硬度的变化

4．淬透性的应用

（1）根据服役条件，确定对钢淬透性的要求——选材的依据

（2）热处理工艺制定的依据

（3）尺寸效应

利用淬透性曲线， 可比较不同钢种的淬透性。淬透性是钢材选用的重要依据之一。 利用半马氏体硬度曲线和淬透性曲线，找出钢的半马氏体区所对应的距水冷端距离。该距离越大，则淬透性越好。图中可知40Cr钢的淬透性比45钢要好。

淬透性不同的钢材经调质处理后， 沿截面的组织和机械性能差别很大。图中40CrNiMo钢棒整个截面都是回火索氏体， 机械性能均匀， 强度高， 韧性好。而40Cr、40钢的都为片状索氏体+铁素体， 表层为回火索氏体， 心部强韧性差。截面较大、形状复杂以及受力较苛刻的螺栓、拉杆、锻模、锤杆等工件，要求截面机械性能均匀，应选用淬透性好的钢。而承受弯曲或扭转载荷的轴类零件、外层受力较大，心部受力较小，可选用淬透性较低的钢种。

§5-5回火

工件淬火后不能直接使用，主要原因有三：

1、 马氏体是不稳定组织；另外还有一定数量的残余奥氏体；

2、 淬火后的性能不能满足工件的使用要求，如脆性太大；

3、 淬火后工件内部有内应力，会导致工件的变形或开裂；

因此工件淬火后还应进行回火，（例子）。

钢件淬火后， 为了消除内应力并获得所要求的组织和性能， 将其加热到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叫做回火。

一、回火时钢组织和性能的变化

1、 钢组织的变化

非常复杂。一般是马氏体由过饱和状态向非饱和状态转变，也就是碳以一定的形式析出；残余奥氏体也发生变化 ，它们的最后转变产物是铁素体和渗碳体。

2、 钢性能的变化

随回火温度升高，马氏体中的碳不断析出，所以钢的强度、硬度不断下降，而塑性、韧性不断升高。

二、回火的分类和应用

1．低温回火

回火温度为150℃～250℃。在低温回火时，从淬火马

氏体内部会析出碳化物薄片（Fe2.4C）， 马氏体的过饱和度减小。部分残余奥氏体转变为下贝氏体， 但量不多。所以低温回火后组织为回火马氏体＋残余奥氏体。下贝氏体可忽略。

低温回火的目的是降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度(一般为58HRC～64HRC)和高耐磨性。适用于工具、模具和表面处理件。

2．中温回火

回火温度为350℃～500℃，得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织，叫做回火屈氏体(回火T)。铁素体仍保留马氏体的形态，渗碳体比回火马氏体中的碳化物粗。

回火屈氏体具有高的弹性极限和屈服强度，同时也具有一定的韧性，硬度一般为35HRC～45HRC。适用于弹簧等弹性元件。

3. 高温回火

回火温度为500℃～650℃， 得到粒状渗碳体和铁素体基体的混和组织， 称回火索氏体。

在生产中将淬火后高温回火的复合热处理工艺称为调质，调质后得到的回火索氏体具有良好的综合力学性能，广泛用于轴类、齿轮、连杆等受力复杂的零件，回火后硬度大约为200~330HBS。

§5-6 钢的表面热处理

在生产中，有很多零件要求表面和心部具有不同的性能，一般是表面硬度高，有较高的耐磨性和疲劳强度；而心部要求有较好的塑性和韧性。在这种情况下，单从材料选择入手或采用普通热处理方法，都有不能满足其要求。解决这一问题的方法是表面热处理和化学热处理。

仅对钢的表面加热、冷却而不改变其成分的热处理工艺称为表面热处理， 也叫表面淬火。

一.感应加热表面热处理

1.感应加热的基本原理

感应线圈中通以交流电时，即在其内部和周围产生一与电流相同频率的交变磁场。若把工件置于磁场中，则在工件内部产生感应电流，并由于电阻的作用而被加热。由于交流电的集肤效应，靠近工件表面的电流密度大，而中心几乎为零。工件表面温度快速升高到相变点以上，而心部温度仍在相变点以下。感应加热后，采用水、乳化液或聚乙烯醇水溶液喷射淬火，淬火后进行180-200℃低温回火，以降低淬火应力，并保持高硬度和高耐磨性。

表面淬火一般用于中碳钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB钢等。用于齿轮、轴类零件的表面硬化，提高耐磨性。

2.感应加热表面热处理的特点：

(1) 高频感应加热时，钢的奥氏体化是在较大的过热度（Ac3以上80℃～150℃)进行的， 因此晶核多， 且不易长大。

(2) 表面层淬得马氏体后， 由于体积膨胀在工件表面层造成较大的残余压应力， 显著提高工件的疲劳强度。

(3) 因加热速度快，没有保温时间，工件的氧化脱碳少。另外，由于内部未加热，工件的淬火变形也小。

(4) 加热温度和淬硬层厚度（从表面到半马氏体区的距离）容易控制，便于实现机械化和自动化。

二.火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火是用乙炔－氧或煤气－氧等火焰加热工件表面，进行淬火。

火焰加热表面淬火和高频感应加热表面淬火相比，具有设备简单，成本低等优点。但生产率低，零件表面存在不同程度的过热，质量控制也比较困难。因此主要适用于单件、小批量生产及大型零件（如大型齿轮、轴、轧辊等）的表面淬火。

§5-7 钢的化学热处理

化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入它的表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能，满足技术要求的热处理过程。

一.渗碳

（1）工艺 为了增加表层的碳含量和获得一定碳浓度梯度， 钢件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入表面的工艺称为渗碳。将工件装在密封的渗碳炉中，加热到900℃～950℃，向炉内滴入煤油、苯、甲醇等有机液体，或直接通入煤气、石油液化气等气体，通过化学反应产生活性碳原子，使钢件表面渗碳。渗碳使低碳(0.15～0.30%)钢件表面获得高碳浓度（约1.0%）。

（2）渗碳后的热处理

① 直接淬火 渗碳后直接淬火，由于渗碳温度高， 奥氏体晶粒长大， 淬火后马氏体较粗， 残余奥氏体也较多， 所以耐磨性较低， 变形较大。为了减少淬火时的变形， 渗碳后常将工件预冷到830℃～850℃后淬火。

② 一次淬火 是在渗碳缓慢冷却之后， 重新加热到临界温度以上保温后淬火，心部组织要求高时 一次淬火的加热温度略高于Ac3。对于受载不大但表面性能要求较高的零件， 淬火温度应选用Ac1以上30℃～50℃， 使表层晶粒细化， 而心部组织无大的改善， 性能略差一些。

③ 二次淬火 对于机械性能要求很高或本质粗晶粒钢， 应采用二次淬火。第一次淬火是为了改善心部组织， 加热温度为Ac3以上30℃～50℃。第二次淬火是为细化表层组织， 获得细马氏体和均匀分布的粒状二次渗碳体， 加热温度为Ac1以上30℃～50℃。

④渗碳、淬火后进行低温(150℃～200℃)回火， 以消除淬火应力和提高韧性。

（3）钢渗碳、淬火、回火后的性能：

① 表面硬度高，达58HRC～64HRC以上， 耐磨性较好；。心部韧性较好， 硬度较低，可达30～45HRC。

② 疲劳强度高。表层体积膨胀大，心部体积膨胀小，结果在表层中造成压应力，使零件的疲劳强度

提高。

二.氮化

氮化就是向钢件表面渗入氮的工艺。氮化的目的在于更大地提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和抗蚀性。常用的氮化钢有35CrAlA， 38CrMoAlA， 38CrWVAlA等。

（1）工艺

目前广泛应用的是气体氮化。氨被加热分解出活性氮原子（2NH3→3H2+2[N])， 氮原子被钢吸收并溶入表面， 在保温过程中向内扩散， 形成渗氮层。

① 氮化温度 一般为500℃～600℃。氮化时间长，一般为20h～50h，

②氮化前零件须经调质处理 目的是改善机加工性能和获得均匀的回火索氏体组织， 保证较高的强度和韧性。对于形状复杂或精度要求高的零件，在氮化前精加工后还要进行消除内应力的退火，以减少氮化时的变形。

（2）组织和性能：

① 钢件氮化后具有很高的硬度(1000HV～1100HV)， 且在600℃～650℃下保持不下降， 所以具有很高的耐磨性和热硬性。氮化后，工件的最外层为一白色ε或γ相的氮化物薄层，很脆。常用精磨磨去；中间是暗黑色含氮共析体（α＋γ′）层；心部为原始回火索氏体组织。

②钢氮化后， 渗层体积增大， 造成表面压应力， 使疲劳强度大大提高。

③氮化温度低， 零件变形小。

④氮化后表面形成致密的化学稳定性较高的ε相层， 所以耐蚀性好， 在水中、过热蒸气和碱性溶液中均很稳定。

三.碳氮共渗

碳氮共渗就是同时向零件表面渗入碳和氮的化学热处理工艺，也称氰化。一般采用高温或低温两种气体碳氮共渗。低温碳氮共渗以氮为主，实质为软氮化。

1.高温碳氮共渗工艺

将工件放入密封炉内，加热到共渗温度830℃～850℃，，向炉内滴入煤油，同时通以氨气，经保温1h～2h后，共渗层可达0.2mm～0.5mm。高温碳氮共渗主要是渗碳，但氮的渗入使碳浓度很快提高，从而使共渗温度降低和时间缩短。碳氮共渗后淬火， 再低温回火。

2.碳氮共渗后的机械性能

(1)共渗及淬火后， 得到的是含氮马氏体， 耐磨性比渗碳更好。

(2)共渗层具有比渗碳层更高的压应力， 因而疲劳强度更高， 耐蚀性也较好。

§5-8 钢的热处理新技术

为了提高零件机械性能和表面质量， 节约能源，降低成本，提高经济效益， 以及减少或防止环境污染等， 发展了许多热处理新技术、新工艺。

一.可控气氛热处理

在炉气成分可控制的炉内进行的热处理称为可控气氛热处理。

把 燃料气（天然气、城市煤气、丙烷）按一定比例空气混合后，通入发生器进行加热，或者靠自身的燃烧反应而制成的气体。也可用液体

有机化合物（如甲醇、乙醇、丙酮等）滴入热处理炉内所得到气氛，用于渗碳、碳氮共渗、软氮化、保护气氛淬火和退火等。

二.真空热处理

在真空中进行的热处理称为真空热处理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化学热处理等。真空热处理具有如下优点：

(1)可以减少变形 在真空中加热，升温速度很慢，工件变形小。

(2)可以净化表面 在高真空中， 表面的氧化物、油污发生分解， 工件可得光亮的表面， 提高耐磨性、疲劳强度。防止工件表面氧化。

(3)脱气作用 有利于改善钢的韧性， 提高工件的使用寿命。

三.离子渗扩热处理

1-真空容器； 2-直流电源； 3-测温装置系统；

4-真空泵； 5-渗剂气体调节装置； 6-待处理工件

离子渗扩示意图

1. 离子氮化

离子氮化所用介质一般为氨气， 压强保持在1.3×102～1.3×103Pa， 温度为500℃～560℃， 渗层为Fe2N、Fe4N等氮化物，具有很高的耐磨性、耐蚀性和耐疲劳性。

离子氮化的优点：渗速是气体渗氮的3～4倍。渗层具有一定的韧性。处理后变形小， 表面银白色， 质量好。能量消耗低， 渗剂消耗少， 对环境几乎无污染。

离子渗氮可用于轻载、高速条件下工作的需要耐磨耐蚀的零件及精度要求较高的细长杆类零件， 如镗床主轴，精密机床丝杠、阀杆、阀门等。

2. 离子氮碳共渗+离子渗硫复合处理

先进行离子氮碳共渗， 介质为氨气+丙酮蒸汽， 共渗温度为530℃～580℃， 后再进行离子渗硫。W18Cr4V钢经复合处理后， 次表层为Fe2-3(N，C)化合物层， 表层主要由FeS、Fe3S4组成。由于硫化物具有自润滑性能， 因此降低了摩擦系数， 同时表面硫化物的存在还提高了工件的抗咬合性能。