第2章 金属热处理

第2章金属热处理和表面改性

学习目标

了解金属热处理和表面改性的目的

掌握整体热处理中退火、正火、淬火和回火的工艺方法和应用

了解常用表面热处理的方法

了解常用表面改性的技术方法

内容提要

本章重点介绍了退火、正火、淬火和回火的工艺原理和应用，简要介绍了表面淬火和化学热处理的工艺方法和应用，探讨了表面改性技术的基本知识。

2.1 概述

热处理是将金属材料在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。

在机械制造中，热处理起着十分重要的作用，是零件的制造工艺中一道重要的工序，如在汽车、拖拉机制造中有70%-80%的零件需经热处理。运用热处理工艺可进一步提高金属材料的性能，保证产品的质量，延长产品的使用寿命，充分挖掘钢材的潜力。

钢的热处理工艺包括退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。虽然热处理方法较多，但其过程都是由加热、保温和冷却三个阶段组成。它们都可以通过热处理工艺曲线表示，见图2.1。

图2.1 钢热处理工艺规范曲线

2.2 退火与正火

2.2.1 退火

退火是将工件加热到一定温度，保持一定时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的是：降低硬度，改善切削加工性能；细化晶粒、改善组织，提高力学性能；消除内应力，并为后续热处理作好组织准备。在生产中，退火工艺根据退火目的的不同，常用的有以下三种：完全退火、球化退火和去应力退火。

退火最常用的是电阻炉，电阻炉有箱式电阻炉和井式电阻炉，见图2.2和图2.3。实际操作时必须注意以下几点：

（１）退火时加热温度要准确。因为温度过高会造成过热、过烧、氧化、脱碳等缺陷；温度过低，达不到退火的目的。

（２）工件装炉时要注意工件的放置方法。如对于细长工件的稳定尺寸退火，一定要在井式炉中垂直吊置，以防工件由于自身重量所引起的变形。

（３）装炉和出炉时注意不要触碰电阻丝，以免短路。

图2.2 箱式电阻炉图2.3 井式电阻炉

1-热电偶 2-炉壳 3-炉门 4-电热元件 1-升降机构 2-炉盖 3-风扇 4-工件 5-炉体5-炉膛 6-耐火砖 6-炉膛 7-电热元件 8-装料筐

2.2.2 正火

正火是将工件加热到一定温度(780—920℃)，保温后空气中冷却的热处理工艺。正火的冷却速度要比退火快，所获得的组织比退火更细，因此强度和硬度有所提高。对于低碳钢工件，正火可以提高硬度，使其具有良好的切削加工性能；而对于中碳钢和高碳钢，因正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺，但对于中碳钢小型工件用正火代替退火可以节能；对于比较重要的零件，正火可以作为淬火前的预备热处理；对于性能要求不高的碳钢工件，正火也可作为最终热处理。

示范和实践内容：

（1）正火的装炉方式、加热速度、保温时间的选择与控制与退火同，但加热温度和冷却方式不同。

（2）正火除空冷外，还可采用风冷(如风扇吹)、喷雾冷却等。

2.3 淬火与回火

2.3.1 淬火

淬火是将工件加热到某一温度，保温一定时间，然后在水或油中快速冷却，以获得马

氏体组织的热处理工艺。淬火的主要目的是提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，并在回火

后获得高硬度与一定韧性相结合的性能。淬火的冷却速度主要取决于淬火剂，常用的淬

火剂有水、油等。淬火后，一般要经回火后才能使用。

示范和实践内容：

（１）热处理操作前，有些工件需要进行正确捆扎，错误的捆扎会使加热后的工件因

自重将孔拉长变形，见图2.4。

（２）加热时温度必须选择恰当，选择时依据不同的工件材料而定。

（３）根据工件的技术要求，选择合适的加热设备。常用的加热设备有电阻炉、盐浴炉等。

（4）根据工件几何形状和尺寸大小，装炉方式、加热设备，选择适当的加热保温时间。

（５）选择适当的淬火剂，水作为淬火剂，适用于一般碳钢的淬火，向水中加入少量盐，还可进一步提高其冷却能力；油作为淬火剂，适用于合金钢淬火或双液淬火。

（６）要注意工件浸入淬火剂的方式，若浸入方式不正确，可能会造成极大内应力，甚至使工件发生变形和开裂，或产生局部淬不硬等缺陷。例如，厚薄不匀的工件，厚的部

分应先浸入淬火剂中；细长的工件应垂直地浸入淬火剂中；薄而平的工件必须立着放入淬

火剂中；薄壁环状工件，浸入淬火剂时，它的轴线必须垂直于液面；截面不匀的工件应斜

着放下去，使工件各部分的冷却速度趋于一致等。各种不同形状的工件在淬火时浸入的方

式见图2.5。

图2. 4 热处理工件捆扎法图2. 5 工件浸入淬火剂的正确方法

2.3.2回火

将淬火后的工件重新加热到某一温度，经保温后在油中或空气中冷却的操作称回火。回火的目的是减少或消除工件在淬火时所形成的内应力，降低淬火钢的脆性，调整工件的

力学性能，稳定工件尺寸。回火操作主要是控制回火温度，回火温度越高，工件的韧性愈好，内应力愈小，但硬度和强度下降得愈多。根据回火时加热温度不同，可分为以下三种：１.低温回火回火温度150—250℃，其主要目的是为了减少工件淬火后的内应力和脆性，而保持钢在淬火后得到的高硬度和高耐磨性。低温回火适用于刃具、量具、冷冲模具和滚动轴承等。

２. 中温回火回火温度为350—500℃，其主要的目的是提高钢的弹性屈服极限，大大减少工件的内应力，同时又具有一定的韧性和硬度。它一般适用于热锻模、弹簧等热处理。

３. 高温回火回火温度为500—650℃，习惯上把淬火加高温回火称为调质，其主要目

的是为了获得既有一定的强度和硬度，又有良好的塑性和韧性相配合的综合力学性能。它广泛用于中碳钢、合金钢制造的重要结构零件如轴、齿轮、连杆等的热处理。

示范和实践内容：

（１）回火时加热温度要选择适当，保温时间的确定，其基本原则是保证热透并且组织充分转变，但不得少于半小时。

（２）回火后冷却一般对性能影响不大，大多采用空冷，但重要的工件，为了防止产生应力可缓冷，特别是某些含有硅、锰、鉻等元素的合金钢，为了避免回火脆性，往往要求快冷(水冷或油冷)，为消除内应力再补充低温回火。

2.4 表面热处理

某些零件的使用要求是表面应具有高硬度、高强度、高耐磨性和抗疲劳性能，而心部保持一定的强度、硬度条件下应具有足够的塑性和韧性，这就需要采用表面热处理的方法。表面热处理在生产实践中应用较广泛的是表面淬火和化学热处理。

2.4.1 表面淬火

钢的表面淬火是通过快速加热，将钢件表面层迅速加热到淬火温度，然后快速冷却下来的热处理工艺。表面淬火主要适用于中碳钢和中碳低合金钢如45、40Cr等。通常，工件在表面淬火前均须进行正火或调质处理。这样，不仅可以保证其表面的高硬度和高耐磨性，而且可以保证心部的强度和韧性。

表面淬火通常采用电感应加热和火焰加热两种，实际生产中最常用的是电感应加热。感应加热表面淬火见图2. 6所示。

图2.6 感应加热表面淬火示意图

示范和实践内容：

（１）感应加热淬火前须进行调质处理。

（２）根据工件的形状和大小选择一个合适的感应圈。

（３）淬火后工件要及时回火。

2.4.2 化学热处理

化学热处理是将工件置于某种化学活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入工件表面，改变其化学成分，达到改变表面组织和性能的热处理工艺。根据渗入元素的不同，化