1.3 钢的热处理
1.3.1 热处理的目的和作用
钢的热处理是指将钢在固态下进行加热、保温和冷却，改变其内部组织，从而获得所需要性能的一种金属加工工艺。通过热处理，能有效地改善钢的内部组织，提高其力学性能并延长其使用寿命，是钢材料重要的强化手段。
1.3.2 热处理的分类
1.3.2.1 按加热和冷却方式以及组织和性能变化特点的不同分类
（1）整体热处理
整体热处理是指对零件整体进行穿透加热的热处理，包括退火、正火、淬火和回火等。
（2）表面热处理
表面热处理是指为改变零件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺，包括感应淬火、火焰淬火、激光淬火和电子束淬火等。
（3）化学热处理
化学热处理是指将零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层，以改变其化学成分、组织和性能的热处理，包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等。
1.3.2.2 按热处理在零件生产过程中的位置和作用不同分类
（1）预备热处理
预备热处理是零件加工过程中的一道中间工序，其目的是改善锻件、铸件和焊件组织，消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。
（2）最终热处理
最终热处理是零件加工的最终工序，其目的是使零件达到所需要的使用性能。
1.3.3 钢的退火和正火
退火和正火主要用于各种铸件、锻件、热轧型材及焊接构件，由于处理时冷却速度较慢，故对钢的强化作用小，主要用于改善其工艺性能的预备热处理。
1.3.3.1 退火
退火是指将钢件加热到适当温度，保温一段时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。其目的是降低钢的硬度，改善切削加工性能；细化晶粒，改善组织，改善钢的性能或为以后的热处理做准备；消除毛坯制造时产生的内应力，以防止变形和开裂。
常用的退火工艺有完全退火、球化退火、去应力退火和均匀化退火等。各种退火工艺规范如图1-5所示。
图1-5 各种退火和正火的加热温度和工艺曲线
（1）完全退火
完全退火是指把钢加热至Ac3以上30～50℃，保温一定时间后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺。完全退火一般用于亚共析钢的铸件、锻件和焊件等，可以降低钢的硬度，改善切削加工性。此外，由于冷却速度缓慢，还可消除内应力。
（2）球化退火
球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺。其目的是降低钢件的硬度，提高塑性，改善切削加工性，并为以后的淬火作准备，减小工件冷却时的变形和开裂。球化退火主要用于共析钢和过共析钢等工模具钢。
（3）去应力退火
一些铸铁件、焊接件和冷变形加工件会残存很大的内应力，为了消除残余内应力而进行的退火称为去应力退火。
1.3.3.2 正火
正火是将钢件加热到Ac3或Accm以上30～50℃，经过保温后，从炉中取出置于空气中冷却的热处理工艺。正火与退火两者的目的基本相同，但正火的冷却速度比退火稍快，故正火钢的组织比较细，它的强度、硬度比退火钢要高。正火的工艺规范如图1-5所示。
正火可以细化晶粒，使组织均匀化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于力学性能要求不高的结构钢零件，可用正火作为最终热处理；对于低碳钢和低碳合金钢，通常采用正火来代替完全退火，作为预备热处理。
1.3.3.3 退火与正火的选择
（1）对碳的质量分数低于0.5%的低碳钢和低碳合金钢，因硬度过低，切削时容易粘刀，应安排正火处理以提高硬度；而对于碳的质量分数大于0.5%的碳钢和合金钢，因硬度过高难以加工，为降低硬度利于切削，应安排退火处理。
（2）如果零件的力学性能要求不高时，可采用正火作为最终热处理。当零件形状复杂时，正火的冷却速度快，易产生裂纹，则采用退火较好。
（3）正火比退火的周期短，成本低，操作方便，故在可能的条件下应优先采用正火。
1.3.4 钢的淬火
淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1以上适当温度，保温一段时间后，然后以大于淬火临界冷却速度进行快速冷却的热处理工艺，其目的是提高钢的硬度和耐磨性能。
1.3.4.1 淬火冷却介质
常用的淬火冷却介质有水、盐水、油和空气等。淬火时为了得到足够的冷却速度，又不至于因为冷却速度过大而引起零件内应力增大，造成工件变形或开裂。所以，应合理选用冷却介质。
1.3.4.2 钢的淬透性和淬硬性
（1）淬透性
钢的淬透性是指在规定条件下，钢在淬火后有效淬硬层深度和硬度分布的材料特性。所谓淬硬层深度，一般指由钢的表面到有50%马氏体组织处的深度。淬硬层越深，淬透性就越好。如果淬硬层深度达到心部，则表面该工件全部淬透。
（2）淬硬性
淬硬性是指钢以大于临界冷却速度冷却时，获得马氏体组织所能达到的最高硬度。它主要取决于马氏体中的含碳量。
淬硬性与淬透性是两个意义不同的概念。淬透性好，淬硬性不一定好；同样，淬硬性好，淬透性亦不一定好。
1.3.5 钢的回火
1.3.5.1 钢的回火及目的
回火是将淬火后的工件重新加热到Ac1以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。为了不致产生新的应力，回火冷却一般采取空冷。一般淬火后的工件必须进行回火，有些工件还要求及时回火。回火的主要目的是降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；稳定淬火后的组织，以稳定工件尺寸；调整工件的性能，以满足工件的使用要求。
1.3.5.2 回火的种类及应用
（1）低温回火
低温回火的温度为150～250℃，回火后的组织为回火马氏体。内应力和脆性有所降低，但保持了马氏体的高硬度和耐磨性，主要应用于高碳钢或高碳合金钢制造的工具、模具、滚动轴承及渗碳和表面淬火的工件。
（2）中温回火
中温回火的温度为350～500℃，回火后的组织为回火托氏体。这种组织具有一定的韧性和较高的弹性极限和屈服强度，主要应用于各类弹簧和模具等。
（3）高温回火
高温回火的温度为500～650℃，回火后的组织为回火索氏体。这种组织具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。习惯上将淬火与高温回火相结合的热处理称为调质处理，简称调质。调质广泛用于各种重要的结构零件，如轴、齿轮、连杆和螺栓等，也可作为精密零件和量具等的预备热处理，调质后硬度一般为210～300HBW。
1.3.6 钢的表面热处理
表面热处理也称表面淬火。目前应用最多的是感应加热表面淬火和火焰加热表面淬火。
（1）感应加热表面淬火
感应加热表面淬火是指采用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面快速加热到淬火温度后立即喷水冷却的一种热处理方法。
感应加热表面淬火的加热速度快，生产率高，加热温度和淬硬层深度容易控制，工件表面氧化和脱碳少，工件变形小，可以使全部淬火过程实现机械化和自动化。但设备较昂贵，形状复杂的工件感应圈不易制造，仅适用于大批量生产。
（2）火焰加热表面淬火
火焰加热表面淬火是指用乙炔-氧或煤气-氧的混合体气体燃烧产生的高温火焰，喷射至工件表面上，使其快速加热，达到淬火温度后，立即喷水冷却，从而获得预期的硬度和淬硬层深度的一种淬火方法。
火焰加热表面淬火设备简单，方法易行，但火焰加热温度不易控制，零件表面容易产生过热，淬火质量控制也比较困难，淬硬层的均匀性远不如感应加热表面淬火。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、轧辊和导轨等）的表面淬火。
1.3.7 钢的化学热处理
（1）渗碳
为提高工件表层碳的质量分数并获得一定的碳浓度梯度，将工件在渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入钢表层的化学热处理工艺称为渗碳。
渗碳的目的是提高工件表层含碳量，经过渗碳及随后的淬火和低温回火，提高了工件表面的硬度、耐磨性和疲劳强度，而心部仍保持良好的塑性和韧性。渗碳主要用于既受强烈摩擦、又承受冲击或疲劳载荷的工件，如汽车变速器齿轮、活塞销和摩擦片等。
（2）渗氮（氮化）
渗氮是在一定温度下于一定的介质中使活性氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。渗氮的目的在于提高钢件表面的硬度和耐磨性，提高疲劳强度和耐蚀性。
渗氮后不需要淬火，因此工件变形小，但是渗氮生产周期长，工艺复杂，而且要用合金钢，使钢种受到限制，所以氮化零件的成本较高。渗氮处理适用于耐磨性和精度要求都较高的零件或要求抗热、抗蚀的耐磨件。如发动机的气缸、排气阀、高精度传动齿轮等。
（3）碳氮共渗
碳氮共渗是指在金属工件表层同时渗入氮和碳两种元素的化学热处理工艺。目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗应用较为广泛。
气体碳氮共渗兼有渗碳层和渗氮层的优点。目前生产中，常用来处理汽车和机床上的各种齿轮、蜗轮、蜗杆和轴类零件等。