《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第4章

第4章鋼的熱處理4.1鋼的熱處理基礎(chǔ)4.2鋼的普通熱處理工藝4.3鋼的表面熱處理4.4熱處理新技術(shù)4.5工程應(yīng)用案例——工程車輛主要零件熱處理工藝習題與思考題4

4.1鋼的熱處理基礎(chǔ)

4.1.1概述鋼的熱處理是將固態(tài)鋼采用適當?shù)姆绞竭M行加熱、保溫和冷卻，以獲得所需組織結(jié)構(gòu)與性能的一種工藝。也稱之為鋼的改性處理。熱處理的工藝過程通?？捎脺囟葧r間坐標的熱處理工藝曲線來表示，如圖4－1所示。圖4－1熱處理工藝曲線

熱處理的特點是改變零件或者毛坯的內(nèi)部組織，而不改變其形狀和尺寸。其作用是消除毛坯，如鑄件、鍛件等中的某些缺陷，改善毛坯的切削性能，改善零件的力學性能，充分發(fā)揮材料的性能潛力，延長零件使用壽命，并為減小零件尺寸，減輕零件重量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本提供了可能性。因此，熱處理得到了廣泛的應(yīng)用，如汽車、拖拉機制造中70%~80%的零件需要進行熱處理，各種工夾量具和軸承則100%需要進行熱處理。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和對材料性能要求的日益提高，熱處理將發(fā)揮更大的作用。

根據(jù)熱處理的目的要求和工藝方法的不同，熱處理分為普通熱處理(退火、正火、淬火和回火)、表面熱處理(表面淬火、滲碳、滲氮、碳氮共滲等)及特殊熱處理(形變熱處理等)。但不是所有的材料都能進行熱處理強化，能進行熱處理強化的材料必須滿足：

(1)有固態(tài)相變。

(2)經(jīng)冷加工使組織結(jié)構(gòu)處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)表面能被活性介質(zhì)的原子滲入從而改變表面化學成分。

因此，要了解各種熱處理工藝方法，必須首先研究鋼在加熱(包括保溫)和冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的規(guī)律。

4.1.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變

鋼之所以能進行熱處理強化，是由于鋼在固態(tài)下具有相變。在固態(tài)下不發(fā)生相變的純金屬或合金則不能用熱處理方法強化。

在Fe－Fe3

C相圖中，

A1

、A3

和Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻時的相變溫度線，是平衡臨界點。在實際生產(chǎn)中，加熱和冷卻不可能極緩慢，因此不可能在平衡臨界點進行組織轉(zhuǎn)變。實際加熱時，各臨界點的位置分別為圖4－2中的Ac1、Ac3、Accm線；而實際冷卻時，各臨界點的位置分別為Ar1

、Ar3和Arcm

。圖4－2碳鋼加熱和冷卻時的臨界點在Fe－Fe3

C相圖上的位置

碳鋼加熱到A1以上時，便發(fā)生珠光體向奧氏體的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為奧氏體化。加熱時所形成奧氏體的化學成分、均勻性、晶粒大小以及加熱后未溶入奧氏體中的碳化物等過剩相的數(shù)量、分布狀況等都對鋼的冷卻轉(zhuǎn)變過程及轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能產(chǎn)生重要的影響。奧氏體化后的鋼，若以不同的方式冷卻，便可得到不同的組織，從而使鋼獲得不同的性能。因此，奧氏體化是鋼組織轉(zhuǎn)變的基本條件。

1.奧氏體的形成

共析鋼在A1以下全部為珠光體組織，當加熱到Ac1以上時，珠光體(P)轉(zhuǎn)變成奧氏體(A)。奧氏體的形成也稱為奧氏體化，形成遵循形核和長大的基本規(guī)律，并通過以下四個階段來完成，如圖4－3所示。圖4－3共析鋼的奧氏體化示意圖

(1)奧氏體形核階段。

由于相界面上碳濃度和結(jié)構(gòu)的特點，奧氏體晶核首先在鐵素體和滲碳體相界面處形成。

(2)奧氏體晶核長大階段。

奧氏體晶核長大是依靠依靠鐵、碳原子的擴散，使珠光體中的鐵素體繼續(xù)向奧氏體轉(zhuǎn)變和滲碳體不斷溶入奧氏體而進行的。在平衡條件下，鐵素體向奧氏體轉(zhuǎn)變的速度遠比滲碳體溶解速度快得多，珠光體中的鐵素體首先消失，當鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體時，奧氏體的長大結(jié)束。此時，未溶解的滲碳體殘留在奧氏體中，使奧氏體的平均碳濃度低于共析成分。

(3)殘余滲碳體的溶解階段。

鐵素體消失后，組織中還有一部分殘余滲碳體存在。隨著保溫時間的延長或繼續(xù)升溫，殘余滲碳體通過擴散不斷溶入奧氏體，直到全部消失為止。

(4)奧氏體成分均勻化階段。

殘余滲碳體完全溶解后，奧氏體中碳濃度是不均勻的。這時如果繼續(xù)保溫一段時間，奧氏體就會通過碳原子的充分擴散實現(xiàn)成分的均勻化。

與共析鋼相比，亞共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1以上時，原始組織中的珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體，而先析鐵素體(也稱為先共析鐵素體)或先析滲碳體尚未完全溶解。只有進一步加熱到Ac3或Accm以上，并保溫足夠時間，先共析相向奧氏體轉(zhuǎn)變，才能獲得均勻的單相奧氏體。

2.奧氏體晶粒的大小及其影響因素

鋼在加熱時所形成的奧氏體晶粒的大小，對冷卻后鋼的組織和性能有很大的影響。奧氏體晶粒過大，會使冷卻后的鋼材強度、塑性和韌性下降，尤其是塑性和韌性下降更為顯著。

奧氏體晶粒大小可用晶粒度來表示。根據(jù)國家標準GB6394，奧氏體晶粒度一般分為8級，以1級為最粗，

8級為最細。通常，

1~4級為粗晶粒，

5~8級為細晶粒。

影響奧氏體晶粒度的因素主要有:

(1)原始組織和碳含量。在鋼的原始組織中，珠光體越細，所形成的奧氏體晶粒也越細。鋼中碳含量對奧氏體晶粒長大的影響很大。隨奧氏體碳含量的增加，鐵、碳原子的擴散速度增大，奧氏體晶粒長大傾向性增加。但當超過奧氏體飽和碳濃度以后，由于出現(xiàn)殘余滲碳體，產(chǎn)生機械阻礙作用，使長大傾向性減小。

(2)加熱溫度和保溫時間。奧氏體剛形成時晶粒是細小的，但隨著溫度的升高，晶粒將逐漸長大。溫度越高，晶粒長大越明顯。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，奧氏體晶粒將急劇長大。這是由于晶粒長大是通過原子擴散進行的，而擴散速度隨著溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增加。在影響奧氏體長大的諸因素中，溫度的影響最顯著。因此，為了獲得細小奧氏體晶粒，熱處理時必須規(guī)定合適的加熱溫度范圍。一般都是將鋼加熱到相變點以上某一適當溫度。此外，鋼在加熱時，隨著保溫時間的延長，晶粒不斷長大。但隨著時間延長，晶粒長大速度愈來愈慢。當奧氏體晶粒長大到一定尺寸后，繼續(xù)延長保溫時間，晶粒不再明顯長大。

(3)加熱速度。加熱速度愈大，奧氏體轉(zhuǎn)變時的過熱度愈大，奧氏體的實際形成溫度愈高，奧氏體的形核率大于長大速率，因此獲得細小的起始晶粒。生產(chǎn)中常采用快速加熱和短時間保溫的方法來細化晶粒。

(4)合金元素含量。鋼中加入適量的強碳化物形成元素，如Ti、Zr、Nb、V等，這些元素與碳化合形成熔點高、穩(wěn)定性強的碳化物，彌散分布在奧氏體晶粒內(nèi)，阻礙奧氏體晶界的遷移，使奧氏體晶粒難以長大。不形成碳化物的合金元素，如Si、Ni、Cu等對奧氏體晶粒長大的影響不明顯。而Mn、P等元素溶入奧氏體后，可促進奧氏體晶粒長大。

4.1.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變

鋼在奧氏體化后的冷卻過程是鋼熱處理的關(guān)鍵的一步，決定了鋼冷卻后的組織類型和性能。

鋼在奧氏體化后的冷卻方式通常分為兩種：一種是連續(xù)冷卻，即將奧氏體化的鋼連續(xù)冷卻到室溫；另一種是等溫處理，即將奧氏體化的鋼迅速冷卻到臨界溫度以下的某一溫度進行保溫，讓奧氏體在等溫條件下進行轉(zhuǎn)變，待組織轉(zhuǎn)變結(jié)束后再以某一速度冷卻到室溫。

奧氏體的穩(wěn)定存在溫度是在A1

線以上。當奧氏體溫度降至臨界溫度以下后，稱為過冷奧氏體。此時的奧氏體處于熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，會發(fā)生分解，形成穩(wěn)定相。根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度的高低及轉(zhuǎn)變機理和產(chǎn)物的不同，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變可分為三種基本類型:珠光體型轉(zhuǎn)變、貝氏體型轉(zhuǎn)變和馬氏體型轉(zhuǎn)變。

1.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線

過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線是研究過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變的重要工具，可以通過改變溫度和時間，分別研究溫度和時間對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響，有利于搞清轉(zhuǎn)變機理、轉(zhuǎn)變動力學、轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織和性能。

過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線測定的基本原理為:將奧氏體化的共析鋼試樣急冷至臨界點(A1

)以下某一溫度，并在該溫度下保溫不同的時間，然后測定過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變量與時間的關(guān)系。以溫度(℃)為縱坐標，時間(s)為橫坐標(對數(shù)坐標)，分別將各溫度下過冷奧氏體轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了時間點用光滑曲線連接起來，這就是過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線，簡稱TTT曲線(TimeTemper-atureTransform)，如圖4－4所示。由于曲線的形狀與“C”字相似，故也稱為C曲線。圖4－4共析碳鋼C曲線

在圖4－4中，由縱坐標軸到轉(zhuǎn)變開始線之間的水平距離表示過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變前所經(jīng)歷的時間，稱為孕育期。過冷奧氏體在不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變所需的孕育期是不同的。孕育期的長短標志著過冷奧氏體的穩(wěn)定性。從共析碳鋼的C曲線來看，在550℃附近，即C曲線“鼻尖”部分，孕育期最短，過冷奧氏體穩(wěn)定性最差。在不同溫度下，過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物也不同。過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變可以分成三種類型：“鼻尖”以上的高溫轉(zhuǎn)變區(qū)為珠光體類型轉(zhuǎn)變；“鼻尖”至Ms

(230℃)之間的中溫轉(zhuǎn)變區(qū)為貝氏體類型轉(zhuǎn)變；Ms－Mf

(-50℃)之間的低溫轉(zhuǎn)變區(qū)為馬氏體類型轉(zhuǎn)變。

2.影響TTT曲線的因素

1)碳含量

與共析碳鋼C曲線相比，亞共析或過共析碳鋼的C曲線形狀大體上也與其相似，只是高溫下的單相奧氏體在A3或Acm以下等溫冷卻時，會首先析出先析鐵素體或二次滲碳體。因此，在C曲線上多了一條先析相析出線，如圖4－5所示。另外，亞共析鋼中的含碳量越低或過共析鋼中的含碳量越高，將會使C曲線位置越向左移動，即過冷奧氏體越易于分解，穩(wěn)定性越低。由圖4－5還可看出，

Ms隨奧氏體碳濃度升高而明顯下降，

Mf也隨之降低。圖4－5三種碳鋼的C曲線

2)合金元素

除Co外，所有溶入奧氏體當中的合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線右移；強碳化物形成元素(如Cr、W、Mo、V、Ti等)還使C曲線的形狀發(fā)生變化，即珠光體轉(zhuǎn)變與貝氏體轉(zhuǎn)變各自形成一個獨立的C曲線，兩者之間出現(xiàn)一個奧氏體相當穩(wěn)定的區(qū)域，如圖4－6所示。圖4－

6合金元素對碳鋼C曲線的影響

3)奧氏體化溫度和保溫時間

奧氏體化溫度愈高或保溫時間愈長，會導(dǎo)致奧氏體晶粒長大，晶界減少，奧氏體成分趨于均勻，未溶碳化物數(shù)量減少，這些都不利于過冷奧氏體的分解轉(zhuǎn)變，故使C曲線向右移動。

3.過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線

采用類似于測定C曲線的原理和方法(但為連續(xù)冷卻)，可測出各種鋼的過冷奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖(

ContinuousCoolingTransformation，

CCT曲線)。共析碳鋼的CCT曲線如圖4－7所示。由圖可知，它有如下特點：

(1)CCT曲線只有上半部分，而沒有下半部分。這就是說，共析碳鋼在連續(xù)冷卻時，只發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變和馬氏體轉(zhuǎn)變，而沒有貝氏體轉(zhuǎn)變。

(2)CCT曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)由三條曲線構(gòu)成：Ps線為A→P轉(zhuǎn)變開始線；

Pf

為A→P轉(zhuǎn)變終了線；

K線為A→P轉(zhuǎn)變中止線，它表示當冷卻曲線碰到K線時，過冷奧氏體就不再發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，而一直保留到Ms

點以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。

(3)與CCT曲線相切的冷卻速度線稱為馬氏體臨界冷卻速度。馬氏體臨界冷卻速度對熱處圖4－7共析碳鋼的CCT圖理工藝具有十分重要的意義。當鋼以大于臨界冷卻

速度冷卻時，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為馬氏體；以小于臨界冷卻速度冷卻時，將至少有部分奧氏體在冷卻過程中會發(fā)生分解。圖4－7共析碳鋼的CCT圖

此外，過共析碳鋼的CCT曲線與共析碳鋼相比，除了多出一條先共析滲碳體的析出線外，其他基本相似。但亞共析碳鋼的CCT曲線與共析碳鋼卻大不相同，它除多出一條先共析鐵素體的析出線外，還出現(xiàn)了貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，因此亞共析碳鋼在連續(xù)冷卻后可以出現(xiàn)由更多產(chǎn)物組成的混合組織。例如，

45鋼經(jīng)油冷淬火后得到鐵素體，屈氏體，上、下貝氏體，馬氏體的混合組織。

鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變圖與其等溫轉(zhuǎn)變圖一樣，是制訂熱處理工藝的重要依據(jù)。各鋼種(包括合金鋼)的TTT圖與CCT曲線都可在有關(guān)手冊中查找。

4.過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的組織與性能

過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物有三種類型，分別是珠光體類型組織、貝氏體類型組織和馬氏體類型組織。

1)珠光體類型組織

將鋼奧氏體化后冷卻至稍低于A1

溫度就會發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，即由面心立方的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橛审w心立方的鐵素體和復(fù)雜六方的滲碳體組成的珠光體。珠光體中鐵素體與滲碳體的層片間距離，隨轉(zhuǎn)變溫度的降低(即過冷度的增大)而減小，即組織變得更細。根據(jù)片層間距的大小，將珠光體組織分為珠光體、索氏體、屈氏體，其形成溫度范圍、組織和性能如表4－1所示。

珠光體的強度及硬度隨片間距離的減小(即鐵素體滲碳體相界面增多)而升高，塑性也略有改善。在工程中，冷拔鋼絲就要求具有索氏體組織才容易變形而不至因拉拔而斷裂。

2)貝氏體類型組織

過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w類型組織是在介于高溫和低溫之間的中溫范圍內(nèi)進行的。這時由于轉(zhuǎn)變溫度相對較低，即過冷度較大，鐵原子已失去擴散能力，碳原子也只能作短程的擴散，所以，貝氏體類型的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榘霐U散型的轉(zhuǎn)變。

貝氏體是由含碳過飽和的鐵素體與滲碳體(或碳化物)組成的兩相混合物。根據(jù)轉(zhuǎn)變溫度和組織形態(tài)的不同，貝氏體一般分為上貝氏體(B上)和下貝氏體(B下)兩種，其形成溫度范圍、組織和性能如表4－2所示。

3)馬氏體類型組織

奧氏體化的碳鋼自A1

線以上快速冷卻到Ms

以下將發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變也稱為低溫轉(zhuǎn)變。由于馬氏體轉(zhuǎn)變溫度極低，過冷度很大，形成速度極快，因此鐵、碳原子都不能進行擴散，奧氏體只能發(fā)生非擴散性的晶格轉(zhuǎn)變，過冷奧氏體由面心立方晶格向體心立方晶格轉(zhuǎn)變。但由于溶解在原奧氏體中的碳原子無法析出，從而造成了晶格嚴重畸變，實際得到的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為體心正方晶格，這樣奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體，用符號M表示。

馬氏體的組織形態(tài)主要有板條狀和片狀兩種。其形成溫度、范圍、組織和性能如表4－3所示。

鋼中出現(xiàn)何種形態(tài)的馬氏體主要取決于碳含量。馬氏體的強度和硬度主要取決于馬氏體中的碳含量，隨著馬氏體碳含量的增加，晶格畸變增大，馬氏體的強度、硬度也隨之增高。當含碳量大于0.6%時，其強度和硬度的變化趨于平緩。馬氏體的塑性和韌性隨碳含量增高而急劇降低。這是因為碳含量高，晶格畸變大，淬火內(nèi)應(yīng)力大，存在許多顯微裂紋，同時微細孿晶破壞了滑移系，也使脆性增大。而低碳馬氏體具有較高的強度和韌性，因此其在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

4.2鋼的普通熱處理工藝

4.2.1鋼的退火退火是將鋼加熱到預(yù)定溫度，保溫一定時間后緩慢冷卻(通常隨爐冷卻)，獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。

退火的目的:

(1)降低硬度，改善切削加工性。

(2)消除殘余應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，減少變形與開裂傾向。

(3)細化晶粒，調(diào)整組織，消除組織缺陷。

根據(jù)鋼的成分和退火的目的不同，退火可分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火(擴散退火)、去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火等。

1.完全退火

完全退火是指把鋼加熱到Ac3線以上30~50℃，保溫后緩慢冷卻的熱處理上藝。它主要適用于亞共析成分的鑄鋼件、鍛件、熱軋型材和焊接件。通過完全退火后，獲得接近于平衡狀態(tài)的珠光體組織?？上鲜龉ぜ?nèi)部的粗晶結(jié)構(gòu)和不均勻的組織，降低工件的硬度，提高強度和韌性，同時可以消除殘余內(nèi)應(yīng)力，為后續(xù)加工和塑性變形作準備。

2.等溫退火

等溫退火時加熱溫度與完全退火相同，但保溫后快速冷卻到Ac1線以下再進行保溫，使奧氏體的轉(zhuǎn)變在稍低溫度下進行，這樣可以縮短轉(zhuǎn)變時間，提高生產(chǎn)效率。同時在轉(zhuǎn)變過程中，整個工件的溫度均衡，可獲得均勻的組織與性能。等溫退火主要用于奧氏體穩(wěn)定的合金鋼工件和高合金鋼件的處理。

3.球化退火

球化退火是指把鋼加熱到Ac1線以上20℃保溫后，緩慢冷卻至600℃出爐，在空氣中冷卻的熱處理工藝。它主要適用于共析和過共析鋼及合金工具鋼的退火，使鋼中的網(wǎng)狀二次滲碳體和珠光體中的片狀滲碳體球化，降低材料硬度，改變切削加工性，并可減小最終淬火變形和開裂，為以后的熱處理作準備。

球化退火保溫時間較長，以保證二次滲碳體球化，冷卻過程要足夠緩慢，以保證奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變時，共析滲碳體球化。為了獲得較好的球化效果，對于含碳量高、網(wǎng)狀滲碳體嚴重的鋼，應(yīng)在退火前用正火消除網(wǎng)狀滲碳體。

在生產(chǎn)過程中，也有將球化退火應(yīng)用于亞共析鋼的，主要目的是使珠光體中的滲碳體變?yōu)榍驙?，降低硬度，提高塑性，大大有利于冷拔、冷沖壓等冷變形加工。

4.均勻化退火(擴散退火)

均勻化退火是指把鋼加熱到Ac3

線以上150~250℃，長時間保溫后緩慢冷卻的處理工藝。它主要適用于合金鋼鑄錠和鑄件，目的是消除鑄件中存在的偏析缺陷，使成分均勻化。合金元素含量越多的鋼，加熱溫度也越高。保溫時間可視工件大小和壁厚情況來確定，一般至少應(yīng)保溫10h上。

擴散退火容易使鋼的晶粒粗大，影響力學性能，因此一般擴散退火后仍需進行完全退火或正火，以細化擴散退火中因高溫和長時間的保溫所產(chǎn)生的粗大組織。

5.去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火是指把鋼加熱到低于Ac1

線的某一溫度(一般為600~650℃)，保溫后緩慢冷卻的處理工藝。它主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖件以及切削加工件中存在的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火過程中沒有組織轉(zhuǎn)變過程，殘余應(yīng)力的消除是通過保溫時金屬產(chǎn)生塑性變形來實現(xiàn)的。去應(yīng)力退火還可穩(wěn)定工件尺寸及形狀，減少零件在切削加工和使用過程中的變形和裂紋傾向。去應(yīng)力退火又稱低溫退火或人工時效。

6.再結(jié)晶退火

再結(jié)晶退火是指把鋼加熱到再結(jié)晶溫度以上150℃左右，保溫后緩慢冷卻的處理工藝。它主要適用于冷變形塑性加工件，用以消除工件的加工硬化現(xiàn)象，獲得較好的綜合力學性能。

4.2.2鋼的正火

正火是將鋼加熱到Ac3(亞共析鋼)或Accm(共析和過共析鋼)以上30~50℃，保溫適當時間后在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。

正火的目的：

(1)對普通碳素鋼、低合金鋼和力學性能要求不高的結(jié)構(gòu)件，可作為最終熱處理。

(2)對低碳素鋼，可用來調(diào)整硬度，避免切削加工中“粘刀”現(xiàn)象，改善切削加工性。

(3)對共析、過共析鋼，可用來消除網(wǎng)狀二次滲碳體，為球化退火作好組織上的準備。

正火比退火加熱溫度高，冷卻速度快，冷卻后組織中鐵素體量少，珠光體彌散度大，得到的索氏體組織比退火的珠光體組織細，故正火比退火具有較高的力學性能。同樣的鋼件在正火后強度和硬度比退火后高，鋼的含碳量愈高，用這兩種方法處理后的強度和硬度差別愈大。而且，正火生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)率高、操作簡便、經(jīng)濟性好。

4.2.3鋼的淬火

淬火是將鋼加熱到Ac3

或Ac1以上30~50℃，經(jīng)過保溫后在冷卻介質(zhì)中迅速冷卻的熱處理工藝。淬火可以使鋼件獲得馬氏體和貝氏體組織，以提高鋼的力學性能。各種工具、模具、量具、滾動軸承等都需要經(jīng)過淬火來提高硬度和耐磨性，以滿足使用的需要。所以淬火是強化鋼件的最主要的而且是最常用的熱處理方法。

淬火工藝的選擇對淬火工件的質(zhì)量影響較大，如果選擇不當，容易使淬火件力學性能不足或產(chǎn)生過熱，馬氏體晶粒粗大和變形開裂等缺陷，嚴重的還會造成零件報廢。因此，應(yīng)力求在加熱中防止過熱、表面氧化和脫碳，在冷卻中減少變形和開裂，這些都是制定淬火工藝所必須考慮的基本因素。

1.淬火加熱溫度和加熱時間

碳鋼的淬火加熱溫度范圍如圖4－8所示。圖4－8碳鋼的淬火加熱溫度范圍

亞共析鋼的淬火加熱溫度為Ac3

+(30~50)℃，淬火后的組織為均勻細小的馬氏體。如果加熱溫度過高，將導(dǎo)致馬氏體晶粒粗大并引起工件變形;如果加熱溫度小于Ac3

，淬火組織為馬氏體和鐵素體，嚴重影響淬火鋼的整體性能，造成強度和硬度不足。

過共析鋼的淬火加熱溫度為Ac1

+(30~50)℃，淬火后的組織為均勻細小的馬氏體和粒狀二次滲碳體，有利于增加鋼的硬度和耐磨性。如果加熱溫度過高，則二次滲碳體將全部溶入奧氏體，使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，淬火組織中殘余奧氏體增多，而粒狀滲碳體減少，使鋼的硬度和耐磨性降低。同時由于加熱溫度高，晶粒粗大，使鋼的脆性增大，可增加變形和開裂的傾向。

加熱時間(包括零件的升溫時間和保溫時間)也是影響淬火質(zhì)量的因素之一。若時間太短，會使奧氏體成分不均，甚至奧氏體轉(zhuǎn)變不完全，淬火后零件出現(xiàn)軟點或淬不硬。若加熱時間過長，將增加氧化、脫碳和晶粒粗大的傾向。影響淬火加熱時間的因素較多，如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、爐溫、裝爐方式及裝爐量等。

2.淬火冷卻介質(zhì)

冷卻是決定鋼的淬火質(zhì)量的關(guān)鍵。工件淬火冷卻時，要使其得到合理的淬火冷卻速度，必須選擇適當?shù)拇慊鸾橘|(zhì)。

根據(jù)鋼種的不同，淬火時所用的冷卻介質(zhì)也有所不同，目前應(yīng)用較廣的冷卻介質(zhì)是水、油及鹽或堿的水溶液。水是最便宜而且在650~550℃范圍內(nèi)具有很大的冷卻能力的淬火介質(zhì)，對工件的腐蝕作用弱，適合作為碳鋼淬火時的冷卻介質(zhì)。油的冷卻能力比水低，有利于減少工件的變形，適合作為合金鋼淬火時的冷卻介質(zhì)。鹽或堿的水溶液冷卻能力更強，使淬火后鋼的硬度高而且均勻，但容易使工件的內(nèi)應(yīng)力增大，它具有一定的腐蝕作用，適合作為形狀簡單的低、中碳鋼淬火時的冷卻介質(zhì)。

3.淬火方法

生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)鋼的化學成分、工件的形狀和尺寸，以及技術(shù)要求等來選擇淬火方法。選擇合適的淬火方法可以在獲得所要求的淬火組織和性能條件下，盡量減少淬火應(yīng)力，從而減小工件變形和開裂的傾向。常用的淬火方法如表4－4所示。

金屬材料經(jīng)淬火處理后的效果可用淬透性和淬硬性來表示和衡量。

淬透性是指鋼在淬火時所能得到的淬硬層深度。通常規(guī)定將工件表面到半馬氏體組織(50%馬氏體和50%非馬氏體)的距離作為淬硬層深度。鋼的淬透性主要取決于臨界冷卻速度。臨界冷卻速度愈小，過冷奧氏體愈穩(wěn)定，鋼的淬透性也就愈好。因此，除Co外，大多數(shù)合金元素都能顯著提高鋼的淬透性。

淬硬性是指鋼在淬火后能達到的最高硬度值。淬硬性的高低主要取決于馬氏體中的含碳量。淬硬性好的鋼不一定其淬透性也好，而淬透性好的鋼其淬硬性也未必高。

機械制造中，一般截面尺寸較大和形狀復(fù)雜的重要零件，以及承受軸向拉伸或壓縮應(yīng)力(或交變應(yīng)力)、沖擊負荷的螺栓、拉桿、鍛模等，應(yīng)選用淬透性高的鋼，并將整個工件淬透。對承受交變應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、沖擊負荷和局部磨損的軸類零件，它們的表面受力很大，心部受力較小，不要求一定淬透，因而可選用低淬透性的鋼，一般淬透到截面半徑的1/2至1/4深，可根據(jù)載荷大小進行調(diào)整。

承受交變應(yīng)力和振動的彈簧，應(yīng)選用淬透性高的鋼材，以免由于其心部沒有淬透，在心部出現(xiàn)游離鐵素體，使屈強比大大降低，工作時容易產(chǎn)生塑性變形而失效。

焊接件不宜選用淬透性高的鋼材，否則容易在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)淬火組織，造成焊件變形和裂紋。

4.2.4鋼的回火

回火是將淬火后的鋼加熱到Ac1線以下某一溫度，保溫后冷卻至室溫的處理工藝。它是淬火工件必須進行的一個工序，其目的是為了消除淬火時因冷卻過快而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，降低淬火工件的脆性，穩(wěn)定工件尺寸和使工件具有符合工作條件的性能。

根據(jù)回火加熱溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火。

(1)低溫回火。

低溫回火是把淬火后的鋼加熱至150~200℃，保溫后冷卻至室溫的處理工藝。低溫回火后的組織為回火馬氏體，基本保持了回火后的高硬度(58~64HRC)和高耐磨性。它主要用于處理各種高碳工具鋼、模具、滾動軸承以及滲碳和表面淬火的零件。

(2)中溫回火。

中溫回火是把淬火后的鋼加熱至35~500℃，保溫后冷卻至室溫的處理工藝。中溫回火后的組織為回火屈氏體，回火硬度一般為35~50HRC，應(yīng)力基本消除，工件的彈性和韌性很高。它主要用于處理各種彈性元件。

(3)高溫回火。

高溫回火是把淬火后的鋼加熱至500~650℃，保溫后冷卻的處理工藝。高溫回火后的組織為回火索氏體，其綜合力學性能優(yōu)良，在保持較高強度的同時，具有良好的塑性和韌性，回火硬度一般為25~35HRC。這種淬火后高溫回火的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。它適用于處理傳遞運動和力的重要零件，如傳動軸、齒輪、傳遞連桿等。

4.3鋼的表面熱處理

對于承受彎曲、扭轉(zhuǎn)等交變載荷及沖擊載荷并在摩擦條件下工作的零件，如齒輪、軸類、軋輥等，不但要求其表面有高的強度、硬度、耐磨性和疲勞強度，還要求零件心部有足夠的塑性和韌性，以使零件的表面和心部實現(xiàn)良好的性能配合。普通熱處理方法不能滿足這些性能要求，生產(chǎn)上常用表面熱處理的方法進行處理。

4.3.1鋼的表面淬火

表面淬火是對工件表層進行淬火的工藝。它是將工件表而進行快速加熱，使其奧氏體化并快速冷卻獲得馬氏體組織，而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)的組織。表而淬火后需進行低溫回火，以減少淬火應(yīng)力和降低脆性。

目前，生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的是感應(yīng)加熱表面淬火，其次是火焰加熱表面淬火。

1.感應(yīng)加熱表面淬火

感應(yīng)加熱是將鋼件置于通入交變電流的線圈中，由于電磁感應(yīng)，鋼件產(chǎn)生頻率相同、方向相反的交變電流。由于集膚效應(yīng)，集中在鋼件表層的高密度電流，在具有較大電阻的鋼件表層呈渦旋流動并產(chǎn)生熱效應(yīng)，將鋼件表層迅速加熱至淬火溫度，而鋼件中心電流幾乎為零，溫度變化很小，這時經(jīng)噴水冷卻，鋼件表面快冷淬火，得到一定深度的馬氏體層。淬火后為了消除內(nèi)應(yīng)力和淬硬層脆性，應(yīng)進行180~200℃、1~2h低溫回火處理，獲得回火馬氏體，保持高硬度及高耐磨性。

感應(yīng)加熱時，工件截面上感應(yīng)電流密度的分布與通入感應(yīng)線圈中的電流頻率有關(guān)。電流頻率愈高，感應(yīng)電流集中的表面層愈薄，淬硬層深度愈小。因此可通過調(diào)節(jié)通入感應(yīng)線圈中的電流頻率來獲得工件不同的淬硬層深度。

根據(jù)所用電流頻率，感應(yīng)加熱可分：為高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱和工頻感應(yīng)加熱。

(1)高頻感應(yīng)加熱。

高頻感應(yīng)加熱所用電流頻率范圍為100~500kHz。國內(nèi)常用電源設(shè)備為電子管式高頻發(fā)生裝置，其頻率為200~300kHz，主要用于要求淬硬層較淺的小型軸類零件、齒輪，其淬硬層深度為0.5~2mm。

(2)中頻感應(yīng)加熱。

中頻感應(yīng)加熱所用電流頻率范圍為500~10000Hz。常用電源設(shè)備有中頻發(fā)電機和可控硅中頻發(fā)生器，其頻率為2500~8000Hz，適用于大模數(shù)齒輪和尺寸較大的凸輪軸、曲軸等，其淬硬層深度為2~10mm。

(3)工頻感應(yīng)加熱。

工頻感應(yīng)加熱所用電流頻率為50Hz。電源設(shè)備為工頻加熱裝置，主要用于大尺寸零件，如軋輥和大型工模具等，其淬硬層深度為10~15mm。

感應(yīng)淬火具有加熱速度快(只需幾十秒)、淬火組織細密、零件表面氧化脫碳少、變形小、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點;但加熱設(shè)備較貴，對形狀復(fù)雜的零件處理比較困難，故不適合單件、小批量生產(chǎn)。

感應(yīng)加熱表面淬火主要適用于中碳鋼和中碳低合金鋼，例如45、40Cr、40MnB等。若碳含量過高，會增加淬硬層脆性，降低心部塑性和韌性，并增加淬火開裂傾向;若碳含量過低，會降低零件表面淬硬層的硬度和耐磨性。在某些條件下，感應(yīng)加熱表面淬火也應(yīng)用于高碳工具鋼、低合金工具鋼、鑄鐵等工件。

2.火焰加熱表面淬火

火焰加熱表面淬火法是用乙炔氧或其他可燃氣體燃燒時形成的高溫火焰將工件表面加熱到相變溫度以上，然后立即噴水淬火冷卻的方法。

火焰加熱表面淬火的淬硬層深度一般為2~6mm。它適用于中碳鋼、中碳合金鋼制成的異型、大型或特大型工件的表面淬火；還可以用于灰鑄鐵、合金鑄鐵的表面淬火，例如對車床床身導(dǎo)軌表面淬火。

火焰加熱表面淬火方法設(shè)備簡單，操作方便，成本低，適用于單件、小批量生產(chǎn)的大型零件和需要局部淬火及外型復(fù)雜的工具和零件，如大型軸類、大模數(shù)齒輪和大型工模具等。但火焰加熱表面淬火容易過熱，淬火質(zhì)量不穩(wěn)定，限制了它在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用?，F(xiàn)代化大規(guī)模生產(chǎn)中采用專用火焰加熱淬火機床能有效地穩(wěn)定淬火質(zhì)量，進行大批量連續(xù)生產(chǎn)。

4.3.2化學熱處理

鋼的化學熱處理是將金屬或合金工件置于一定溫度的活性介質(zhì)中保溫，使一種或幾種元素滲入表層，以改變其化學成分、組織和性能的熱處理工藝。它與表面淬火不同，表面淬火是通過改變表面層組織的辦法來改變表面層的性能，而化學熱處理是用改變工件表層成分的辦法來改變工件表層的組織和性能?；瘜W熱處理根據(jù)滲入元素的不同可分為滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等。除了使工件表面硬度、耐磨性提高外，化學熱處理還可以使工件表面獲得一些特殊性能，如耐熱性、耐蝕性等。

1.滲碳

滲碳是提高一件表面含碳量的工藝方法。滲碳有固體滲碳、液體滲碳、氣體滲碳三種。由于固體滲碳生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不易控制，而液體滲碳環(huán)境污染大、勞動條件差，因此在生產(chǎn)中很少采用。目前使用最廣泛的是氣體滲碳。

氣體滲碳在井式或箱式可控氣氛爐中進行。加熱溫度為900~950℃，爐內(nèi)滴入易分解的有機液體(如煤油、甲醇等)，或直接通入滲碳氣體(如煤氣、石油液化氣等)通過分解反應(yīng)產(chǎn)生活性碳原子，它被工件吸收，然后碳原子向表層深處擴散，從而使工件在一定深度的表層(0.2~2mm)含碳量達到0.

35%~1.05%。

滲碳工件一般選用低碳鋼，滲碳后的工件一定要進行淬火和低溫回火處理，使其表層具有回火馬氏體結(jié)構(gòu)和消除滲碳過程中形成的粗晶結(jié)構(gòu)。

2.滲氮

滲氮是指提高鋼件表面含氮量的處理工藝。工業(yè)中廣泛應(yīng)用的是氣體滲氮法。把氮氣通入爐中，加熱到50~600℃，氮發(fā)生分解，活性氮原子滲入鋼的表面并向內(nèi)擴散，形成一定深度的氮化層。氮化層表面硬度很高(69HRC)，所以它具有較高的耐磨性和熱硬性，并具有較好的抗疲勞性。

滲氮后工件的性能主要取決于合金元素形成的氮化物，所以滲氮用鋼都是含有Cr、Al、Mo、Ti、V等元素的合金鋼，形成的CrN、AlN、MoN等氮化物具有極強的硬度、很高的熔點和穩(wěn)定的化學性能。氮化件不需要再進行其他熱處理，但其生產(chǎn)周期長，成本高，且需專用鋼才有好效果，因此滲氮處理應(yīng)用受到了一定限制。滲氮工藝主要用于耐磨性和精度都要求較高的零件，或要求耐熱、抗蝕的耐磨件，如發(fā)動機汽缸、排氣閥、精密絲杠、銼床主軸等。

3.碳氮共滲

碳氮共滲是向零件表面同時滲入碳原子和氮原子的化學熱處理工藝。由于碳和氮同時向鋼中擴散，因此工件在較低的溫度和較短的時間里就能獲得相當深的共滲層。雖然碳氮共滲層的含碳量比滲碳的低，但因為有氮的存在，碳氮共滲后淬火可獲得含氮馬氏體和碳氮化合物，共滲層可獲得高硬度。

當碳氮共滲時，向爐內(nèi)通入氨氣和滴入煤油，在20~860℃溫度時，即可獲得活性碳氮原子，其被工件表面吸收，并逐漸擴散到內(nèi)部，形成0.2~1mm厚的共滲層，再經(jīng)淬火和低溫回火后即可獲得所需性能。

碳氮共滲具有生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)效率高、表面硬度高和變形小等優(yōu)點，主要用于形狀復(fù)雜、要求變形小的耐磨零件。除了20CrMnTi等低碳合金鋼外，碳氮共滲處理還廣泛用于中碳鋼和中碳合金鋼。

4.滲硼

滲硼就是在高溫下使硼原子滲入工件表面形成硼化物硬化層的化學熱處理工藝。滲硼使零件表面具有很高的硬度(

1200~2000HV)和耐磨性、良好的抗蝕性、紅硬性和抗氧化性。例如對履帶銷、拉伸模等進行滲硼處理，其壽命可提高7~10倍。

滲硼方法有固體滲硼、液體滲硼和氣體滲硼三種。其中，在液體滲硼法的鹽浴成分中主要是硼砂，它在熔融狀態(tài)下發(fā)生熱分解，然后用活潑元素(硅、鈦、鋁、鋰、鎂、鈣等)將硼從B2

O3

中置換出來，產(chǎn)生活性硼原子即可進行滲硼。

滲硼層的耐磨性比其他化學熱處理好，尤其是高溫下的耐磨性更為優(yōu)越。滲硼零件一般不需要進行淬火。對心部強度要求較高的滲硼件，一定要進行淬火時，應(yīng)先將滲硼后的工件在中溫鹽浴中預(yù)冷以減少應(yīng)力，然后用油冷或分級淬火，并及時進行回火。

5.滲金屬

滲金屬的基本原理和其他化學熱處理相似，由含有滲入元素的介質(zhì)分解產(chǎn)生活性原子而被吸收到基體金屬表面，經(jīng)擴散作用使?jié)B入元素向零件內(nèi)部遷移。因為滲入原子與基體原子半徑相差小，原子在晶格中的遷移比較困難，要得到足夠的擴散層，就必須有較高的溫度和較長的時間。

滲金屬主要是將鋼材表面合金化，使之具有所需要的特殊性能。例如，滲鉻可以提高工件的抗腐蝕、抗高溫氧化和耐磨性，并有較好的抗疲勞性能，可代替不銹鋼;滲鋁可以提高抗高溫氧化性，可代替耐熱鋼；滲鋅可以提高正常大氣環(huán)境中的抗腐蝕性能;滲硅零件對各種介質(zhì)(海水、硝酸、硫酸、鹽酸等)都具有良好的抗腐蝕性等。

鋼件表面同時滲入若干元素的方法稱為金屬共滲。金屬共滲所得到的滲層性能比滲入一種元素要好。例如，鉻鋁共滲層的高溫抗氧化性比滲鉻、滲鋁都好，而且其表面硬度高于滲鉻，耐磨性也較好。鋁硅共滲后，抗氧化性和抗腐蝕性都有顯著提高。而碳氮硼三元共滲能顯著提高材料的表面硬度(960~1100HV)、耐磨性和抗腐蝕能力，而且由于處理溫度低，使得零件的熱處理變形小。

4.4熱處理新技術(shù)

4.4.1高能束表面處理技術(shù)高能束表面處理是指將具有高能量密度的能源施加到材料表面，使之發(fā)生物理、化學變化，以獲得特殊表面性能的方法。高能束通常指激光束、電子束和離子束。

1.激光束表面改性

激光束表面改性是采用高功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面，借助于材料的自身傳導(dǎo)、冷卻，來實現(xiàn)材料表面改性的工藝方法。

激光淬火是鐵基合金在固態(tài)下經(jīng)受激光輻射，表層被迅速加熱至奧氏體溫度以上，并在激光停止輻射后，快速自冷淬火得到馬氏體組織的一種工藝方法。適用激光淬火的材料主要有灰鑄鐵、球墨鑄鐵、碳鋼、合金鋼和馬氏體不銹鋼等。

激光淬火的特點:

(1)能使硬化層內(nèi)殘留相當大的壓應(yīng)力，從而增強了材料表面的疲勞強度。

(2)速度快，進入工件的熱量少，因此熱變形小。

(3)無需淬火液，清潔衛(wèi)生，并可直接將淬火工序安排在生產(chǎn)線上，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。

(4)為非接觸方式，可用于窄小的溝槽和底面的表面淬火。

2.電子束表面改性

電子束表面改性是利用空間定向運動的電子束，在撞擊工件后將部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，對工件進行表面處理的技術(shù)。電子束在真空條件下可同激光一樣用于表面改性，提高工件的硬度和耐磨性，而且加熱時間極其短暫，變形小或無變形。

電子束表面淬火是利用高能量電子束快速掃描工件，使基體材料表層快速吸收能量而升溫至鋼的相變點之上，發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而進行的表面強化。

電子束熔凝處理是利用電子束輻照金屬表面，使其溫度迅速達到其熔點以上，形成過熱狀態(tài)，此時整體金屬尚處于冷態(tài)，則基底金屬就成為熔化金屬的“淬火劑”，將其迅速冷卻至室溫。它可改善合金的表層組織，獲得超細晶粒。

電子束比激光束的能量效率高得多，淬火自由度也比激光束淬火大，但對于大型零件的淬火，電子束不如激光束有利。

3.離子注入表面改性

離子注入表面改性是將幾萬或幾十萬電子伏特的高能離子注入到材料表面，使材料表面層的物理、化學和力學性能發(fā)生變化。經(jīng)離子注入后，某些金屬材料的耐蝕、耐磨和抗氧化性能提高近1000倍。

離子注入的過程是將需要注入的元素在離子源中進行離子化，以數(shù)千伏的電壓把形成的離子引入質(zhì)量分析器，在質(zhì)量分析器中把具有一定荷質(zhì)比的離子篩選出來，并導(dǎo)入加速系統(tǒng)，在數(shù)千伏到數(shù)百千伏的加速電壓作用下，高能離子可在掃描電場作用下，在材料表面縱橫掃描，從而實現(xiàn)高能離子對材料表面的均勻注入。

離子注入表面改性可獲得其他方法不能得到的新合金相，且與基體結(jié)合牢固，無明顯界面和脫落現(xiàn)象。由于處理溫度一般在室溫附近，因此不會引起精密零件的變形，能保證原有尺寸精度和表面光潔程度。

4.4.2熱噴涂技術(shù)

熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動使其霧化并高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。按熱源形式分，熱噴涂可分為電弧噴涂、等離子弧噴涂、火焰噴涂等。

1.電弧噴涂

電弧噴涂是以電弧為熱源，將金屬絲熔化并用氣流霧化，使熔融粒子高速噴到工件表面形成涂層的一種工藝。電弧噴涂在不提高工作溫度，不使用貴重底層材料的情況下，可獲得高的結(jié)合強度，電弧噴涂層的結(jié)合強度是火焰噴涂層的2~6倍。其生產(chǎn)效率高，能源利用率高于其他噴涂方法，而且能源費用降低50%以上。由于電弧噴涂僅用電和壓縮空氣，不用易燃氣體，故安全性好。

2.等離子弧噴涂

等離子弧噴涂是以等離子弧為熱源的熱噴涂。等離子弧是一種高能密束熱源，電弧在等離子噴槍中受到壓縮，能量集中。粉末在等離子焰流中被加熱到熔融狀態(tài)，并高速噴打在零件表面上。當撞擊零件表面時，熔融狀態(tài)的球形粉末發(fā)生塑性變形，黏附在零件表面，各粉粒之間也依靠塑性變形而相互連接起來，隨著噴涂時間的增長，零件表面就獲得一定尺寸的噴涂層。

等離子弧噴涂的特點：

(1)零件無變形，不改變基體金屬的熱處理性質(zhì)。

(2)涂層的種類多。

(3)工藝穩(wěn)定，涂層質(zhì)量高。

此外，等離子噴涂還和其他方法一樣，具有零件尺寸不受限制，基體材質(zhì)廣泛，加工余量小，可用噴涂強化普通基材零件表面等優(yōu)點。

3.火焰噴涂

火焰噴涂是以氧燃料氣體火焰作為熱源，將噴涂材料加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，并以高速噴射到經(jīng)過預(yù)處理的基體表面上，從而形成具有一定性能涂層的工藝。燃料氣體包括乙炔、氫氣、液化石油氣和丙烷等。比如，氧乙炔火焰噴涂可以噴涂各種絲材、棒材。它具有設(shè)備簡單，工藝操作簡便，應(yīng)用廣泛靈活，適應(yīng)性強，經(jīng)濟性好，噪聲小等特點，因而是目前熱噴涂技術(shù)中普遍應(yīng)用的一種。

4.4.3真空熱處理

在環(huán)境壓力低于正常大氣壓以下的減壓空間中進行加熱、保溫的熱處理工藝稱為真空熱處理。

金屬在進行真空熱處理時，既可避免氧化，又有脫氣、脫脂等作用。例如，硅鋼片的真空退火可除去大部分氣體和氮化物、硫化物等，可以消除內(nèi)應(yīng)力和晶格畸變，甚至可以提高磁感應(yīng)強度。對于結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼等零件采用真空退火，均可獲得滿意的光亮度。鐵及鈦合金進行真空退火，可以消除極易與鈦產(chǎn)生反應(yīng)的各種氣體和揮發(fā)性有機物的危害，并可獲得合金的光亮表面。

又如，在真空中進行加熱淬火工藝已廣泛應(yīng)用于各種鋼材和鈦、鎳、鈷基合金等，真空淬火后鋼件硬度高且均勻，表面光潔，無氧化脫碳，變形小。在真空加熱時的脫氣作用還可以提高材料的強度、耐磨性、抗咬合性和疲勞強度，使工件壽命提高。例如模具經(jīng)真空淬火后壽命可提高40%以上。

此外，工件在真空中加熱并進行氣體滲碳稱為真空滲碳。真空滲碳的滲碳層均勻，滲碳層碳濃度變化平緩，表面光潔，無反常組織及晶界氧化物，而且滲碳速度快，工作環(huán)境好，基本上沒有污染。

4.5工程應(yīng)用案例——工程車輛主要零件熱處理工藝

工程車輛工作強度大，工況復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，因此，常用的一些關(guān)鍵零部件必須采用合適的熱處理方式，以提高其強度和耐磨性等綜合性能。一般情況下，工程車輛主要熱處理零件包括軸(套)類、齒輪類、大型(焊接)結(jié)構(gòu)件和叉架類等。工程車輛示意圖如圖4－9所示。圖4－9工程車輛示意圖

4.5.1軸(套)類零件熱處理

工程車輛常用的軸(套)類零件材料有45鋼、20CrMnTi、20CrMo、40Cr和42CrMo等。

1.調(diào)質(zhì)處理

由于許多工程車輛零件要求具有較高的強度和可靠性，因此一般軸類、套類零件均需進行調(diào)質(zhì)處理。目前，建筑機械調(diào)質(zhì)處理零件一般是沿用鍛造、正火、淬火和高溫回火等工序，調(diào)質(zhì)處理一向被認為是最合理的工藝方法，但也有一些不足之處，如工藝流程復(fù)雜及成本較高等。

工程車輛零件調(diào)質(zhì)處理后應(yīng)達到特定的要求：淬火后回火前，表面金相組織應(yīng)為馬氏體或貝氏體，當零件直徑小于使用材料的臨界直徑時，調(diào)質(zhì)后的金相組織應(yīng)為回火索氏體;凡零件直徑大于使用材料的臨界直徑，調(diào)質(zhì)后心部允許有細珠光體和游離鐵素體。零件調(diào)質(zhì)處理后，表面硬度波動范圍應(yīng)符合表4－5所示要求。

2.鍛造淬火

目前，在提倡節(jié)約型國家的大背景下，以節(jié)約能源和提高熱處理性能為目的的鍛造淬火逐漸被廣泛采用。鍛造淬火工序為鋼坯加熱、預(yù)軋、模鍛、切邊、淬火和回火。鋼坯加熱一般采用感應(yīng)加熱，所以不會產(chǎn)生太大的污染，工作環(huán)境良好。由于鍛造淬火利用鍛造后的余熱直接淬火，省去了第二次加熱工序，經(jīng)過鍛造淬火處理后工件的淬透性好，甚至可以替代低合金鋼，能使心部得到充分地硬化，并且有很好的韌性。

3.表面感應(yīng)淬火

在工程車輛中，一些中碳鋼的軸類零件整體或局部通常采用高頻、中頻或超音頻表面淬火熱處理工藝。高頻表面淬火只是在所要求的軸(套)類零件部位進行加熱，所需能量少，污染也較小，因此其應(yīng)用范圍日漸擴大，是一種理想的熱處理方式。零件經(jīng)高頻加熱表面淬火后，其疲勞強度和耐磨性能大幅度提高。一些中碳鋼工程車輛零件如輪軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等，在進行表面高頻加熱淬火后，其成本大大降低，強度得到提高。此外，對于齒輪軸等一些傳動零件，表面感應(yīng)淬火也將作為最終熱處理方式，來強化齒面或關(guān)鍵部位的力學性能。在采用高、中頻或超音頻表面淬火前，中碳鋼、中碳低合金鋼一般應(yīng)先采用調(diào)質(zhì)預(yù)處理，以使工件獲得良好的綜合力學性能。

4.軟氮化處理

氣體軟氮化處理可使零件的疲勞強度、耐磨性和抗咬合性大大提高，是一種很重要的處理方法。選用NH3和吸熱型氣體Rx(丁烷、丙烷的制備氣)，按照50∶50的比例通入爐內(nèi)，

570℃處理3~4h，可在鋼材或鑄鐵表面獲得10~20μm的化合物層和0.1~0.5mm的擴散層。

工程車輛零件采用軟氮化處理的有曲軸、凸輪軸和搖臂等，某些鑄鐵零件也用此法來增強其抗熱疲勞性能。軟氮化處理作為一種提高耐磨性能的處理方法被廣泛應(yīng)用。

4.5.2齒輪類零件熱處理

在工程車輛齒輪零件中，耐磨性是齒輪的基本要求，其次是抗彎曲疲勞能力和抗接觸疲勞能力。一般情況下，工程車輛所用齒輪均應(yīng)進行熱處理。常用的熱處理方法主要有滲碳淬火、高頻或火焰淬火、整體淬火和正火。前兩種方法由于其表層的高硬度與心部的高韌性相結(jié)合，能大大提高齒輪的耐磨性、抗彎曲疲勞和接觸疲勞能力。整體淬火一般適用于輕負荷的中小齒輪；正火主要用于大型無噪聲齒輪。

1.滲碳淬火

滲碳淬火主要適用于低碳(合金)鋼，如20CrMnTi、20CrMnMo和20CrMo。在進行熱處理時應(yīng)考慮以下幾點：一是滲碳層組織；二是有效硬化層；三是合金元素成分及含量；四是切削加工性。

根據(jù)零件材料和結(jié)構(gòu)不同，淬火方式可分為直接淬火法和再加熱淬火法:

(1)直接淬火有下列特點:

①淬火后，即使是再加熱淬火也沒有貝氏體析出;

②熱處理變形小;

③馬氏體針上容易產(chǎn)生微裂紋，會使疲勞性能下降;

④滲碳齒輪直接淬火，表層組織中含有15%~30%的殘余奧氏體，如果齒面硬度下限為57HRC，將含殘余奧氏體25%的齒輪進行噴丸處理能提高疲勞強度。

(2)再加熱淬火適于高合金鋼或需急速冷卻的齒輪。再加熱淬火容易生成網(wǎng)狀碳化物或引起脫碳，因此，在工程車輛用齒輪中，幾乎所有滲碳淬火零件都采用連續(xù)爐直接淬火。

直接淬火溫度要低于滲碳溫度，如用840℃淬火，其目的是控制殘余奧氏體。直接淬火可以不必顧慮析出網(wǎng)狀碳化物。無鎳合金再加熱淬火溫度也應(yīng)以840℃為宜。一般情況下，采用滲碳淬火工藝齒輪表面硬度可達62~63HRC，這樣可以有效防止齒輪膠合和提高耐磨性。在淬火后，中小齒輪宜采用150~180℃溫度回火，大型齒輪應(yīng)在190~200℃回火，使其表面硬度為55HRC左右。

2.感應(yīng)加熱表面淬火

根據(jù)齒輪形狀、模數(shù)及工作條件不同，采用感應(yīng)加熱的齒輪淬火方法主要有以下幾種熱處理方式：

(1)齒穿透加熱淬火。對于模數(shù)小于4mm的45鋼齒輪多采用此種方法，淬火后硬度一般為45~50HRC。操作時應(yīng)采用較高頻率的加熱設(shè)備和環(huán)狀感應(yīng)器。

(2)單齒淬火。大模數(shù)齒輪一般采用沿工作面單齒淬火法，其優(yōu)點是可采用小功率設(shè)備處理直徑與模數(shù)大的齒輪;缺點是因齒根部位不能被淬硬，將使其疲勞強度有所降低。對于模數(shù)較大、齒寬也較大的齒輪，宜采用單齒面高頻感應(yīng)表面淬火法，只要掌握好熱處理過程和工藝參數(shù)，不但能使零件的變形量減小，加工成本降低，而且還可以確保熱處理后零件的多種技術(shù)要求。單齒淬火工藝的關(guān)鍵，一是要設(shè)計合適的感應(yīng)器，在感應(yīng)器寬度、高度、截面形狀、噴水孔的設(shè)計上能滿足淬火性能要求;二是要制定合理的工藝參數(shù)(預(yù)熱時工件移動速度、淬火時工件移動速度、屏極電壓、陽極電流、柵極電流和槽路電壓等)。

(3)整體感應(yīng)淬火。一些低要求的中小齒輪也可采用整體加熱感應(yīng)淬火方式，為確保零件淬火后的性能，感應(yīng)器一般要結(jié)合零件結(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計，雖然成本較高，但生產(chǎn)效率高，適合于批量齒輪熱處理。

4.5.3大型結(jié)構(gòu)件熱處理

工程車輛的大型結(jié)構(gòu)件較多，由于大型結(jié)構(gòu)件在焊接后往往存在較大的焊接應(yīng)力，若不消除必將造成較大的焊接變形，影響設(shè)備的使用效果。大型結(jié)構(gòu)件的熱處理方式一般用去應(yīng)力退火，加熱溫度一般為620℃左右，保溫時間視工件尺寸而定，采取去應(yīng)力退火后可基本消除焊接應(yīng)力。

4.5.4叉架類零件熱處理

叉架類零件在工程車輛中應(yīng)用較多，如變速器的各種撥叉零件，由于其形狀比較復(fù)雜，尺寸及形位精度要求較高以及撥叉頭部壁厚較薄等因素，在進行局部淬火時