第四节 热处理基础知识

热处理是将金属在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变金属内部组织结构，从而得到所需要性能的一种工艺方法。热处理在现代机器制造中的作用日趋重要，对金属材料的性能不断提出更高要求，如果完全由原材料的原始性能来满足这些要求，常常是不经济的，甚至是不可能的。但经过适当的热处理后，可以提高金属材料的强度和硬度，能充分发挥材料潜力，节省金属，延长机械的使用寿命。目前机器中大多数零件都要进行热处理，至于刀具、量具、模具等则全部要进行热处理。由此可见，热处理在机械制造中具有重要的作用。

热处理过程一般可分为加热、保温和冷却三个步骤。由于加热温度、保温时间和冷却速度不同，可分为不同的热处理类型，使钢组织产生不同的组织转变。

钢的热处理工艺有退火、正火、淬火及回火等。

1.退火

退火是将钢件加热到某一温度，保温一段时间，然后随炉缓慢冷却下来的处理方法。退火的目的是：降低硬度，改善切削加工性；细化晶粒；改善组织，提高机械性能；消除内应力，并为以后的淬火做好准备；提高钢的塑性和韧性，便于进行冷加工。

2.正火

正火的工艺方法与退火相似，所不同的是正火时工件在空气中冷却速度较快，所得到的组织比退火细，强度、硬度有所提高，但消除内应力不如退火彻底。正火时工件在炉外冷却，不占用设备，生产率较高，所以低碳钢大都采用正火。对于比较重要的零件，正火常作为淬火前的预备热处理；对于性能要求不高的碳钢零件，正火也可以作为最终热处理。

3.淬火

淬火是将钢加热到某一温度，保持一段时间，然后在水或油中快速冷却下来的热处理方法。

淬火后，钢的硬度大大提高，例如含碳量为0.8%的碳素钢，正火后硬为HRC25，而淬火且可达HRC65。但淬火后钢的脆性增加，并产生很大残余内应力，所以为了减少脆性、消除内应力和获得所需的机械性能，淬火后一般都必须回火。

4.回火

回火是将淬火钢加热到某一较低温度，保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。回火后的性能主要不是取决于冷却方法，而是取决于加热温度。根据加热温度不同，回火可分以下三种：

（1）低温回火。在150～250℃温度范围内进行的回火，其目的是降低钢的内应力及脆性，而保持淬火钢的高硬度和耐磨性。低温回火适用于刀具、量具等工具。

（2）中温回火。在350～500℃温度范围内进行的回火。其目的是提高钢的弹性和屈服强度。中温回火适用于弹簧、锻模等。

（3）高温回火。在500～650℃温度范围内进行的回火。其目的是获得强度塑性和韧性等都较好的综合机械性能。生产上把“淬火+高温度回火”称为“调质处理”。它广泛应用于各种重要的结构零件，如连杆、齿轮、主轴等。

5.表面淬火

表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而中心部位仍保持未淬火状态的一种局部淬火方法。它是通过快速加热，使钢件表面层很快达到淬火温度，在热量来不及传到中心就立即迅速冷却，实现局部淬火。

表面淬火的目的在于获得高硬度的表面层和有利的残余应力分布，以提高工件的耐磨性或疲劳强度；而钢件的中心部位并未淬火，塑性和韧性较好，能承受冲击载荷。表面淬火可采用的快速加热方法颇多，我国目前应用较多的是电感应加热法和火焰加热法。表面淬火的常用材料有40、45、40Cr、40MnB等。

6.化学热处理

化学热处理是将零件放在某种化学介质中，通过加热和保温，使介质中的元素渗入到工件表面的热处理方法。根据渗入元素的不同，化学热处理有渗碳、氮化、氰化等。

渗碳材料是低碳钢。零件经渗碳后表面层为高碳组织，尚需进行淬火及低温回火，使表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持良好的韧性。常用的渗碳材料有15、20、20Cr、20CrMnTi等。

零件经氮化后表面形成一层氮化物，不需淬火便具有高的硬度、耐磨性、抗疲劳性和一定的耐腐蚀性，而且变形小。38CrMoAlA是典型的氮化用钢。