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③降低硬度，提高切削性能。

④为下一道工序（淬火）作好准备。

根据退火目的不同，退火的工艺有以下三种：

1.完全退火与等温退火

完全退火与等温退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧型材及焊接件等，而不宜用于过共析钢。

其目的是消除内应力，细化晶粒、改善组织，作为重要零件的预备热处理或不重要零件的最终热处理。

完全退火是将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃（完全奥氏体化），保温一定时间（由工件的有效厚度决定），然后随炉冷却（或埋在石灰等保温介质中），获得接近平衡组织的退火工艺。

生产中为提高生产率，一般随炉冷却至500～600℃时，将工件出炉空冷。

完全退火的缺点是时间长，生产率低，所以为缩短时间，生产中常采用等温退火工艺。

等温退火是指将钢加热到完全奥氏区域，保温一定时间，开炉门快速冷却至珠光体转变区，保温一定时间，使奥氏体全部转变为珠光体组织，然后将工件出炉空冷的退火工艺。

等温退火与完全退火目的相同，但转变过程较容易控制，所用时间比完全退火缩短1/3，并可获得均匀的组织和性能。

2球化退火

球化退火主要用于共析钢或过共析钢及其合金。

其主要目的是降低硬度，改善切削性能，同时获得球化组织，为淬火作准备。

球化退火是将共析钢和过共析钢加热到Ac1以上10～20℃，保温一定时间，随炉缓冷至600℃以下再出炉空冷，最终获得球状珠光体（球状渗碳体分布在铁素体基体上）。

在球化退火之前，若钢的组织中有明显的网状渗碳体（Fe3C）时，应先正火处理，去除网状组织。

3去应力退火

去应力退火又称低温退火，它是指将刚随炉缓慢加热至Ac1以下100～200℃，保温一定时间,随炉缓冷至200～300℃出炉空冷的退火工艺。

去应力退火主要用于消除铸件、锻件、焊接件及热轧件和冷拉件的残余内应力。

去应力退火的特点是在退火过程中钢的组织不发生相变。

（二）正火

正火是将钢加热到Ac3线（亚共析钢）或Accm线（过共析钢）以上30～80℃，保温一定时间后在空气中冷却的热处理工艺。

正火与退火的目的类似，主要区别是正火的冷却速度稍快，得到的组织较细小，强度和硬度有所提高，操作简便，生产周期短，成本较低。

低碳钢和合金低碳钢经正火后，可提高硬度，改善切削加工性能；

对于中碳结构钢制作的较重要工件，可作为预备热处理；

对于过共析钢，可消除网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备；

对于使用性能要求不高的工件，以及某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可采用正火作为最终热处理。

（三）钢的淬火

淬火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢和过共析钢）以上30～50℃，保温一定时间，然后以大于vk（临界冷却速度）的速度冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。

淬火的目的是提高钢的强度和硬度，得到马氏体组织。

淬火是钢铁材料的主要强化方式。

1.淬火加热的时间

淬火加热时间包括升温和保温时间。

通常以装炉后温度达到淬火加热温度所需时间为升温时间，并以此作为保温时间的开始；

保温时间是指钢件烧透并完成奥氏体均匀化所需时间。

2．淬火介质

常用的淬火介质有水、盐水、油、各种硝盐或碱浴以及各种有机或无机化合物的水溶液，但这些冷却介质的冷却特性并不十分理想。

因而在实际生产中，应根据淬火件的具体情况采用不同的淬火方法。

3.常用的淬火方法

常用的淬火方法有：

单液淬火法、双液淬火法、分级淬火法、等温淬火法等。

（1）单液淬火法即将奥氏体化的工件保温适当时间后，放入一种介质中连续冷却至室温。

这种方法操作简单，易于实现机械化、自动化，是最常用的操作方法，如碳钢在水中淬火、合金钢在油中淬火等均属于单液淬火法。

（2）双液淬火法将奥氏体化工件现在冷却能力较强的介质（如水或盐水）中冷却至300～400℃，再把工件放到冷却能力比较弱的介质（如矿物油）中继续冷却到室温。

这种方法主要用于高碳工具钢制造的易开裂工件，如丝锥、板牙等。

操作的关键是掌握好在水中的冷却时间。

（3）分级淬火法（又称热浴法）将奥氏体化工件先放到温度稍高或稍低于Ms点（过冷奥氏体）的盐浴或碱浴中保持适当时间，使工件整体达到介质温度后，取出空冷，以获得马氏体组织。

这种方法主要用于合金钢工件或尺寸较小、形状复杂的碳钢工件。

（4）等温淬火法（又称贝氏体淬火）将奥氏体化工件快速冷却到贝氏体转变温度区间（260～400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体。

主要用于形状复杂、要求具有较高硬度和强韧性的工具、模具等工件。

4.钢的淬透性

刚的淬透性是指在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。

有效淬硬深度越深，表明钢的淬透性越好。

（四）钢的回火

回火是指淬火后的钢加热到Ac1以下某一温度，保温后冷却至室温的一种热处理工艺。

钢的回火和淬火是密不可分的，经过淬火的零件，一般都要进行回火。

1.钢在淬火后的组织及回火目的

钢的淬火后的组织是马氏体及少量的残余奥氏体，它们都是不稳定的组织，都有向稳定组织转变的倾向。

回火的主要目的是降低钢的脆性、消除或减少内应力，稳定工件的组织和尺寸，调整硬度、提高韧性，获得工件所要求的力学性能。

2.回火的分类和应用

回火时，钢的性能主要由回火温度决定。

按回火温度的不同，回火方法分为：

（1）低温回火（150～250℃）得到的组织是回火马氏体，它保持了淬火的高硬度（58～64HRC）和耐磨性，内应力有所下降，韧性有所提高。

低温回火主要用于刃具、量具、模具、滚动轴承以及其他要求高硬度和耐磨性的零件。

（2）中温回火（350～500℃）得到的组织是回火托氏体，它具有高的弹性极限、屈服强度和适当的韧性，硬度可达40～50HRC。

中温回火主要用于弹性零件及热锻模等。

（3）高温回火（500～650℃）得到的组织是回火索氏体，它具有良好的综合力学性能（足够的强度和韧性），硬度可达25～40HRC。

生产中，常把淬火加高温回火的热处理工艺称为调质处理。

调质处理广泛地应用于各种重要零件，特别是在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。

调质处理的钢与正火钢相比，不仅强度高而且塑性、韧性也远高于正火钢，因此重要的结构零件应进行调质处理。

二、材料的强化技术

强化是使材料强度、硬度增大的过程。

工程材料的强化方式除了固溶强化、细晶强化和热处理工艺之外，主要还有材料表面强化（表面热处理）。

表面热处理主要包括表面淬火和表面化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗等）。

（一）钢的表面淬火

把工件表面迅速加热到淬火温度（心部温度仍保持在临界温度以下），快速冷却，使工件表面得到一定深度的脆硬层（马氏体组织），而其心部组织仍保持未淬火状态的热处理工艺称为表面淬火。

表面淬火的方法很多，目前广泛应用的有感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火两种。

1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火，是把工件放入空心铜管绕成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，以产生交变磁场，于是工件就会产生频率相同、方向相反的感应电流（涡流），将工件表层迅速加热到淬火所需要的温度（在几秒钟内可使工件表面温度上升到800～1000℃，而心部仍接近温室，随机快速冷却，从而达到了表面淬火的目的。

2．火焰加热表面淬火

利用氧-乙炔（或氧-煤气等可燃气体）的火焰对工件表面快速加热并快速冷却的淬火工艺，称为火焰加热表面淬火。

其淬硬层深度一般为2～6mm。

通常，表面淬火主要用于中碳钢（如40、45钢等）和中碳合金钢（如40Cr、40MnB等）。

表面淬火前应先进行正火或调质处理，以保证零件心部有良好的力学性能，并为表面加热作好组织准备。

表面淬火后，应进行低温回火，以降低淬火应力和脆性，保持高的硬度和耐磨性。

（二）钢的化学热处理

钢的化学热处理是将钢铁零件置于适当的活性介质中加热、保温、使一种或几种元素渗入其表层，以改变零件表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。

1.渗碳

渗碳是向零件表层渗如碳原子的过程。

它是将工件至于含碳的介质中加热、保温，使活性碳原子渗入钢的表面，以达到提高钢件表面含碳量的化学热处理工艺。

常用的渗碳方法有固体渗碳、液体渗碳和气体渗碳三种，其中应用较广泛的是气体渗碳。

渗碳层厚度主要取决于加热温度和保温时间。

加热温度越高，保温时间越长，则渗碳层越厚。

但加热温度过高，会使晶粒粗大，钢变脆；

保温时间过长，渗层厚度的增加速度也会逐渐减慢。

渗层厚度增加的速度一般可按0.2～0.25mm/h估算。

为了使零件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部仍保持较好的塑性和韧性，工件渗碳后必须进行适当的热处理（淬火+低温回火），才能使其表面获得细小片状回火马氏体及少量渗碳体，达到性能要求。

通常渗碳零件的工艺路线为：

锻造—正火—机械加工—渗碳—淬火+低温回火—精加工。

渗碳用钢为低碳钢和低碳合金钢，Wc=0.1%～0.25%。

含碳量过高会降低工件心部的韧性。

工件渗碳后其表层Wc=0.85%～1.05%。

渗碳缓慢冷却后的组织，由表层向心部依次为过共析钢组织、共析钢组织、亚共析钢组织，心部为原始组织。

2.渗氮（氮化）

渗氮是向钢的表层渗入氮原子的过程。

它是在一定温度下（一般在Ac1以下），使活性氮原子渗入钢件表层的化学热处理工艺，其目的是为了提高钢表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳强度。

渗氮主要用于耐磨性和精度要求很高的精密零件或承受交变载荷的重要零件，以及要求耐热、耐蚀、耐磨的零件，如精密机床的主轴、蜗杆、发动机曲轴、高速精密齿轮及成形刀具、模具等。

渗氮和渗碳相比有如下特点：

①氮化后的零件不用淬火就能得到高硬度和耐磨性。

且在600～650℃时仍能保持高硬度（即热硬性好）。

②氮化温度低，故变形小。

③氮化零件具有很好的耐蚀性，可防止水、蒸汽、碱性溶液的腐蚀。

④氮化后，显著地提高了钢的疲劳强度。

但是渗氮工艺的生产周期长，成本高；

渗氮层薄而脆不宜承受集中的载荷。

3.碳氮共渗

碳氮共渗是指一定温度下在工件表层同时渗入碳和氮，并以渗碳为主的化学热处理工艺，其主要目的是提高工件表面的硬度和耐磨性。

常用的是气体碳氮共渗。

碳氮共渗后要进行淬火和低温回火，共渗层表面组织为回火马氏体、粒状碳氮化合物和少量残留奥氏体，渗层深度一般为0.3～0.8mm。

气体碳氮共渗用钢大多为低碳或中碳钢及低合金钢等。

三、材料的表面处理技术

材料的表面处理是指通过物理及化学手段改变零件表面状态，使零件表面具有特殊的性能和功用，从而增加零件表面的耐磨性、耐久性、抗腐蚀性、装饰性的一种工艺方法。

常见的表面处理技术主要有以下几种：

1.热喷涂

热喷涂（又称喷涂覆层）是采用气体、液体燃料或电弧、等离子弧、激光等作热源，将金属或其他材料融化，并用压缩空气将其以雾状喷射到被加工物体表面，形成金属或其他材料的覆盖层。

2.气相沉积

气相沉积技术是指利用气相之间的反应，在各种材料或制品表面沉积单层或多层薄膜，从而使材料或制品获得所需的各种优异性能的工艺方法。

它是近些年来发展迅速、应用广泛的表面镀覆新技术。

3.高能束强化

激光束、电子束、离子束为三大高能量离子束流（简称高能束），由于高能束的能量密度极高，对材料表面加热速度快、精度高、无污染，因此在金属材料的改性方面得到成功应用，成为材料表面改性的一个高新技术领域。

4.钢铁表面防护处理

钢铁表面防护处理是指在钢铁表面生成或覆盖上一层能阻止介质腐蚀的物质，既可防护钢铁基体不被腐蚀，又可起到装饰和美观作用，从而提高零件的力学性能和使用寿命的工艺方法。

常用的钢铁表面防护处理方法有以下几种。

（1）电镀与化学镀电镀是利用电解作用在金属（或非金属）表面沉积一层金属覆盖层的过程，电镀是在电解质水溶液中进行的。

化学镀是利用还原剂将溶液中的金属离子还原在呈催化活性的工件表面，使之形成金属镀层的过程。

（2）钢铁氧化与磷化氧化处理（又称发黑处理或发蓝处理）是将经过清洗的钢件在空气—水蒸汽或含有NaOH、NaNO3等氧化性介质中加热至适当温度，使钢表面生成一层致密的蓝色或黑色氧化膜，以改善钢的耐蚀性和外观的工艺方法。

磷化是将钢件侵入磷酸盐溶液中，是其表面获得一层致密的不溶于水的灰黑色磷酸盐薄膜的工艺方法。

（3）钢铁着色处理为使金属表面美观，并兼有防腐作用，常对金属表面进行着色装饰处理。

表面着色是指通过特定的处理方法，使金属表面产生与原来不同的色调，经抛光后，表面平滑并富有金属光泽的工艺方法。