2.3　钢的热处理

钢铁材料使用了上千年，仍然历久弥新是与其拥有热处理性能分不开的。在切削加工前，使钢铁变软容易加工；切削之后，使钢铁变硬，提高耐磨性和使用寿命，这是可以通过钢的热处理工艺达到的。

钢的热处理是将钢在固态下，进行加热、保温和冷却，改变其表面或内部组织，从而获得所需性能的工艺方法。通过热处理可以提高材料的力学性能（强度、硬度、塑性和韧性等），同时，还可改善其工艺性能（如改善毛坯或原材料的切削性能，使之易于加工），从而扩大材料的使用范围，提高材料的利用率，满足一些特殊的使用要求。要了解钢的热处理机理，则必须从金属学的角度加以阐述。

2.3.1　金属的晶体结构与结晶

（1）晶体与非晶体

固态物质按组成原子（或分子、或离子）在内部的排列情况，可分为晶体和非晶体两大类。内部原子在空间按一定次序有规则地排列的物质称为晶体，例如固态的金属及合金、金刚石、石墨、水晶等。内部原子在空间无规则地排列的物质称为非晶体，例如玻璃、沥青、松香、石蜡等。晶体物质都具有固定的熔点、较高的硬度、良好的塑性、良好的导电性和各向异性等特征。非晶体物质没有固定的熔点，而且性能无方向性，即各向同性。

（2）晶格与晶胞

假设把金属晶体中的每一个原子抽象为一个点，并将这些点连接起来构成一个空间格架，称为晶格。晶体的晶格在空间排列上具有结构重复的特点。把晶格中能反映其空间排列规则特征的最小几何单位称为晶胞，如图2-11所示。

（3）常见金属的晶体结构

①体心立方晶格　如图2-12（a）所示，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶点和立方体的中心上各有一个原子。属于这类晶格的金属有铁（Fe）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）等。其中，铁在912℃以下具有体心立方晶格，亦称为α-Fe。

②面心立方晶格　如图2-12（b）所示，面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶点和立方体6个面的中心上各有一个原子。属于这类晶格的金属有铁（Fe）、铝（Al）、铜（Cu）、金（Au）、镍（Ni）等。其中，铁在912～1394℃具有面心立方晶格，亦称为γ-Fe。

③密排六方晶格　如图2-12（c）所示，密排六方晶格的晶胞是一个六棱柱体，六棱柱体的12个顶点上和上、下两个底面的中心处各有一个原子，柱体内部还均匀分布着3个原子。属于这类晶格的金属有镁（Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等。

（4）金属材料的实际晶体结构

如果晶体内部的晶格位向完全一致，则称为单晶体。实际使用的金属材料，绝大部分并非理想的单晶体，而是由许多小单晶体组成。由于每个小单晶体的外形多为不规则的颗粒状，所以常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。由许多晶格排列规则相同而位向不同的小单晶体（晶粒）组成的晶体结构就称为多晶体结构。

我们常用的金属材料实际上都是多晶体结构，因此对外并不表现出各向异性。

（5）晶体缺陷

实际金属晶体内部的原子排列并不像理想晶体那样完整和严守规则。由于各种原因，原子的规则排列遭到破坏，这种原子排列不完整和不规则的局部区域称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属材料的性能有很大影响。晶体缺陷根据几何特征分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类，如图2-13所示。

①点缺陷　如图2-13（a）所示，若晶体晶格中的某些结点未被原子所占据，则这些空着的结点称为晶格空位；若晶体晶格中原子之间的空隙处出现多余的原子，这些处于晶格间隙中的原子称为间隙原子。由于晶格空位和间隙原子的出现，使得原子间距和相互作用力发生了变化，形成“晶格畸变”，从而使金属材料的强度和硬度增大，塑性和韧性降低，形成强化效应。

②线缺陷　如图2-13（b）所示，线缺陷指晶体内部某一平面上沿某一方向呈线状（即一个方向尺寸很大，而另两个方向尺寸很小）的缺陷。常见的线缺陷是刃型位错。由于在位错线附近区域形成晶格畸变，从而使金属材料的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

③面缺陷　如图2-13（c）所示，面缺陷指晶体内部呈面状分布（即两个方向尺寸很大，而另一个方向尺寸很小）的缺陷。常见的有晶界缺陷和亚晶界缺陷。由于在晶界和亚晶界附近区域形成晶格畸变，所以造成金属材料的强度、硬度增高而塑性变形困难。

（6）细晶强化

金属原子的聚集状态由无规则的液态转变为规则排列的固态晶体的过程称为金属的结晶。金属的结晶过程包括晶核的生成和晶核的长大两个过程。

晶粒大小对金属材料的机械性能影响很大，这是因为金属的晶粒越细小，单位体积里所包含的晶粒数量就越多，晶界就越多，晶界面积就越大，晶体缺陷就越多，晶界处的晶格排列方位就越不一致，就越容易形成相互咬合的现象，相互之间的连接也就更加紧密。因此，细晶粒组织的金属强度、硬度、塑性和韧性等都比粗晶粒组织的好，这种现象称为细晶强化。

为了获得细晶粒组织的材料，实际生产中经常采用以下3种方法。

①增大过冷度　金属冷却越快，过冷度也就越大，结晶过程中就会产生更多的晶核，形成更多的晶粒，最终获得细晶粒组织。

②变质处理　对于形状复杂、结构尺寸大的铸件，实际生产中常常在浇注前向液体金属中加入少量细小的变质剂作为结晶核心，提高其生核率，以获得细晶粒组织，达到改善其力学性能的目的，这种方法称为变质处理，也称孕育处理。

③附加振动　实际生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁搅拌等方法，使金属液体在铸型中产生运动，从而使得晶体在长大过程中不断被破碎，以产生更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。

（7）铁的同素异晶转变

有些金属在结晶以后，其晶格类型保持不变；也有些金属［例如铁（Fe）、钛（Ti）、钴（Co）、锰（Mn）、锡（Sn）等］在不同温度下呈现不同的晶格类型。这种纯金属在固态下随着温度的改变，其晶格类型发生转变的现象，称为同素异晶转变。如图2-14所示，为纯铁同素异构转变的冷却曲线。可以看出，铁在912℃以下具有体心立方晶格，称为α-Fe；在912～1394℃之间具有面心立方晶格，称为γ-Fe；在1394～1538℃之间具有体心立方晶格，称为δ-Fe。α-Fe与δ-Fe虽同为体心立方晶格，但其晶胞边长等参数不同，因此属于两种铁。另外，铁在高温下，如γ-Fe阶段磁性会消失。铁具有的这种同素异晶转变性质，为钢铁的热处理提供了可能。

2.3.2　铁碳合金的基本组织

（1）合金的相结构

合金中化学成分相同、晶体结构相同或原子聚集状态相同，并与其它部分之间有明确界面的独立均匀组成部分，称为相。例如，通过金相显微镜观察低碳钢显微组织，会发现视野里面有颜色深浅不同的、外形不规则的分属不同的相的颗粒。在合金中，相一般会以3种形态存在。

①固溶体　在固态合金中，一种组元的晶格中溶入另一种或多种其它组元而形成的成分相同、性能均匀、结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。在互相溶解时，保留自己原有晶格形式的组元称为溶剂；失去自己原有晶格形式而溶入其它晶格的组元称为溶质。按溶质原子在溶剂晶格中分布的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

溶质原子置换溶剂晶格结点上部分原子而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图2-15（a）所示。溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-15（b）所示。由于溶质原子的溶入会使溶剂晶格发生晶格畸变，从而提高了固溶体组织的强度、硬度。而且随着溶入溶质原子的增加，饱和程度的加大，这种晶格畸变会变得更严重，强化作用更明显。这种通过溶入溶质原子形成固溶体而使金属材料得到强化的方法称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的又一条基本途径，也是钢铁热处理的基本方法。

②金属化合物　金属化合物具有明显的金属特性，其晶体结构复杂，熔点较高，硬度高而脆性大。当合金中含有金属化合物时，合金材料的硬度、强度和耐磨性就会提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是金属材料中的重要强化相。

③机械混合物　机械混合物是由纯金属、固溶体、金属化合物等这些合金的基本相按照固定比例构成的组织。例如，在室温下由铁素体与渗碳体混合形成的，其含碳量稳定在0.77%的机械混合物成为珠光体。

（2）铁碳合金的基本组织

由于铁和碳元素的相互作用不同，在铁碳合金中形成了以下几种基本组织。

①铁素体　碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，用符号F表示。铁素体溶碳能力几乎为零，可以看作纯铁。铁素体的强度和硬度较低，但具有良好的塑性和韧性。

②奥氏体　碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体溶碳能力较强，在1148℃时溶碳可达2.11%。奥氏体的强度σb≈400～850MPa，硬度约为120～200HBS，具有良好的塑性δ≈40%～60%，抗变形能力较低，是大多数钢种进行塑性成型的理想组织。一般锻造、热处理都加热到奥氏体区域。

③渗碳体　铁与碳形成的金属化合物Fe3C，称为渗碳体。其含碳量为6.69%。渗碳体的硬度很高，可达800HBW；脆性极大，塑性几乎为零。它是数量、形态、大小、分布对钢的性能有很大的影响。

④珠光体　铁素体与渗碳体组成的机械混合物，因其在金相显微镜下呈现扇贝壳表面的纹路，因此称为珠光体，用符号P表示。珠光体的含碳量为0.77%。由于它是铁素体和渗碳体两相组成的混合物，其力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高（σb≈700 MPa），硬度约为180HBS，有一定的塑性（δ≈20%～25%）和韧性（aK≈30～40J/cm2）。

⑤莱氏体　含碳量为4.3%的铁碳合金，在1148℃时从液体中结晶出奥氏体和渗碳体而形成的机械混合物称为莱氏体，用符号Ld表示。莱氏体的性能和渗碳体相近，硬度大于700HBW，塑性很差。

2.3.3　铁碳合金相图

铁碳合金相图向我们揭示了不同含碳量的铁碳合金在不同温度下具有什么样的组织和相结构，因此其在炼钢、铸造、锻造、焊接、热处理等工作方面具有极其重要的作用。简化了的铁碳合金相图如图2-16所示。

在图中，ACD线称为液相线，L表示液态；ECF线称为共晶线，其温度为1148℃；PSK线称为共析线，又称A1线，其温度为727℃；GS线称为A3线，SE线称为Acm线。我们现在只研究钢铁的部分，即含碳量0≤ωC≤2.11%的部分。我们通常把室温下具有全部珠光体组织的铁碳合金称为共析钢，其含碳量ωC=0.77%；把室温下具有珠光体+铁素体组织的铁碳合金称为亚共析钢，其含碳量0≤ωC<0.77%；把室温下具有珠光体+渗碳体组织的铁碳合金称为过共析钢，其含碳量0.77%<ωC≤2.11%。

例如，通过铁碳合金相图我们可以知道：45钢（ωC=0.45%是亚共析钢）在室温下的组织是F+P；加热到A1线以上即727℃时，组织变成A+P；加热到A3线以上时，组织变成单一的A；加热到液相线则会熔化。冷却时，其变化过程则相反。图2-17分别表示了三种钢在冷却过程中，其金相显微组织的变化情况。

2.3.4　钢在加热与冷却时的相变

①钢在加热时的相变　因为加入了碳或其它合金元素，且含量有所不同，所以钢材的同素异晶转变温度与纯铁的不一致，一般会降低。把钢材加热到其自身的同素异晶转变温度后，它们最终都会相变为同一种相——奥氏体，只是其化学成分（如含碳量）不同而已。

②钢在冷却时的相变　钢的加热并不是最终目的，而冷却才是热处理的关键阶段。钢在加热后获得的奥氏体，冷却到相变温度以下时，处于不稳定状态，它有自发地转变为稳定状态的倾向。处于未转变的、暂时存在的、不稳定的奥氏体称为过冷奥氏体。为了描述过冷奥氏体在连续冷却条件下的转变，需要建立一个连续冷却转变图。过冷奥氏体的连续冷却转变图是指钢经奥氏体化后，在经过不同的冷却速度连续冷却的条件下，获得的转变温度、转变时间、转变产物之间的关系曲线，如图2-18所示。

从图中可以看出，冷却速度较慢（炉冷或空冷）时，冷却曲线会越过两条“C曲线”，分别得到硬度较小的珠光体（P）或贝氏体（B）；冷却速度快（如水冷、油冷）时，冷却曲线会进入Ms和Mf线之间，得到马氏体组织（M）。马氏体是指碳在α-Fe中形成的过饱和固溶体。我们知道，α-Fe对碳是溶解能力几乎为零，由于冷却速度过快，碳来不及析出而被过饱和地固溶在铁的晶格之间，造成严重的晶格畸变。因此，马氏体的硬度极大。而当用较慢的速度冷却时（如炉冷、空冷），则进入Ps和Pf线之间，得到珠光体类型的组织，且冷却速度越慢，碳能够充分析出，得到的组织硬度越小。

冷却曲线与A点相切的冷却速度vK称为临界冷却速度，它是获得全部马氏体组织的最小冷却速度；vk越小，钢件在淬火时越易得到马氏体组织。

2.3.5　钢的热处理工艺

在热处理时，要根据零件的形状、大小、材料及性能等要求，采取不同的加热速度、加热温度、保温时间以及冷却速度。因而会分生出不同的热处理方法，常用的有普通热处理和表面热处理两类。常用的普通热处理有退火、正火、淬火和回火，如图2-19所示。表面热处理可分为表面淬火与化学热处理两类。

（1）钢的普通热处理

经热处理后，工件由表及里均发生了组织转变的热处理工艺方法称为钢的普通热处理。

①退火　将钢加热到某一适当温度，并保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的工艺过程称为退火。退火的主要目的是：改善组织，使成分均匀、晶粒细化，提高钢的力学性能，消除内应力，降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序做好准备，因此，退火又称预先热处理。如在零件制造过程中常对铸件、锻件、焊接件进行退火处理，便于以后的切削加工或为淬火作组织准备。

a.均匀化退火：又称扩散退火，是将金属铸锭、铸件或锻坯，在相变温度以上长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化目的的热处理工艺称为均匀化退火。

铸件凝固时要发生偏析，造成成分和组织的不均匀性。如果是钢锭，这种不均匀性则在轧制成钢材时，将沿着轧制方向拉长而呈方向性，最常见的如带状组织。由于这种成分和结构的不均匀性，需要长过程均匀化才能消除，因而过程进行得很慢，并要消耗大量的能量，且生产效率低，只有在必要时才使用。因此，均匀化退火多用于优质合金钢及偏析现象较为严重的合金。

b.完全退火：又称重结晶退火，一般简称为退火。这种退火主要用于亚共析的碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重要工件的最终热处理或作为某些重要件的预先热处理。完全退火的目的是细化晶粒，均匀组织，降低硬度以利于切削加工，并充分消除内应力。

c.等温退火：完全退火全过程所需时间比较长，生产率低，对奥氏体比较稳定的合金钢和大型碳钢件，常采用等温退火，其目的与完全退火相同。它是相变后，在珠光体转变温度等温冷却，不仅大大缩短了退火时间，而且转变产物较易控制，同时，由于工件内外都是处于同一温度下发生组织转变，因此能获得均匀的组织和性能。

d.球化退火：是将钢件加热至相变温度后，充分保温，以缓慢的冷却速度冷却至600℃以下，再出炉空冷的热处理工艺。球化退火工艺的特点是低温短时加热和缓慢冷却。其目的是使珠光体内的渗碳体呈球状或粒状分布在铁素体基体上，从而消除或改善片状渗碳体的不利影响。

e.去应力退火：是将钢件加热至相变温度以下（一般为500～650℃），保温后缓冷到200℃，再出炉空冷的热处理工艺。其目的是消除工件（铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件及粗加工后的工件）的残余应力，以稳定工件尺寸，避免在使用过程中或随后加工过程中产生变形或开裂。去应力退火过程不发生组织转变.只消除内应力。

②正火　将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后在空气中自然冷却的工艺过程称为正火。正火的主要目的与退火基本类似。其主要区别是正火的冷却速度稍快，正火比退火所得到的组织细，强度和硬度比退火的高，而塑性和韧性则稍低，内应力消除不如退火彻底。因此，有些塑性和韧性较好、硬度低的材料（如低碳钢），可以通过正火处理，提高工件硬度，改善其切削性能。正火热处理的生产周期短、效率高，因此，在能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。

③淬火　将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，然后快速冷却的工艺过程称为淬火。淬火的主要目的是：提高工件强度和硬度，增加耐磨性。淬火是钢件强化最经济有效的热处理工艺，几乎所有的工具、模具和重要的零件都需要进行淬火热处理。淬火后，钢的硬度高、脆性大，一般不能直接使用，必须进行回火后（获得所需综合性能）才能使用。

淬火操作的难度比较大，这主要是因为淬火要求得到马氏体，淬火的冷却速度就必须大于临界冷却速度，而快冷总是不可避免地要造成工件产生很大的内应力，这往往会引起工件的变形和开裂。淬火时，最常用的淬火介质是水、盐水和油。水的淬火冷却能力强，但冷却特性不理想。在需要快速冷却650～400℃时，水的冷却速度太小（小于200℃/s）；而在马氏体转变区，水的冷却速度又太大，很容易引起工件的变形与开裂。水的冷却特性受水温的影响变化很大，随水温升高，工件在高温区的冷却速度显着下降，而低温时的冷却速度依然较高，所以，淬火时水温一般不超过30℃。盐水的淬冷能力更强，尤其在650～550℃范围内具有很大的冷却能力（>600℃/s），这对保证工件，特别是碳钢件的淬硬来说是非常有利的。用盐水淬火的工件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不易产生淬不硬的软点。可是盐水冷却能力相当大，这将使工件变形严重，甚至发生开裂。油的淬冷能力很弱。淬火用的油几乎全部为矿物油，特别适合一些淬透性好的合金钢的淬火。

淬火操作方法有以下几种。

a.单介质淬火法：是将奥氏体状态的工件，放入一种淬火介质中，一直冷却到室温的淬火方法。这种淬火方法适用于形状简单的碳钢和合金钢工件。

b.双介质淬火法：是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。一般用水作为快冷淬火介质，用油作为慢冷淬火介质。既保证了工件淬透淬硬，又尽量避免了开裂变形。

c.分级淬火法：是将奥氏体化的工件首先淬入略高于钢的Ms点温度的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。这种淬火方法由于工件内外温度均匀并在缓慢冷却条件下完成马氏体转变，不仅减小了淬火热应力，而且显著降低组织应力，因而有效地减小或防止了工件淬火变形或开裂。分级淬火只适用于尺寸较小的工件，如刀具、量具和要求变形很小的精密工件。

d.等温淬火　它是将奥氏体化后的工件淬入Ms点以上某温度盐浴中等温保持足够长时间，使之转变为下贝氏体组织，然后于空气中冷却的淬火方法。等温淬火实际上是分级淬火的进一步发展，所不同的是等温淬火获得下贝氏体组织。下贝氏体组织的强度、硬度较高，且韧性良好，故等温淬火可显著提高钢的综合力学性能。等温淬火可以显着减小工件变形和开裂倾向，适宜处理形状复杂、尺寸要求精密的工具和重要的机器零件，如模具、刀具、齿轮等。

所谓钢的淬透性，是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火获得的有效淬硬层深度表示。它是在规定条件下决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，是钢材本身具有的属性。反映了钢在淬火时获得马氏体组织的难易程度。钢的淬硬性是指钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。淬硬性的高低主要取决于钢的含碳量。钢中含碳量越高，淬硬性越好。必须注意，淬硬性与淬透性是两个概念。淬硬性好的钢.其淬透性不一定好；反之，淬透性好的钢，其淬硬性不一定好。

④回火　将已经淬火的钢重新加热到一定温度，保温一定时间，然后冷却到室温的工艺过程称为回火。回火一方面可以消除或减少淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，提高韧性；另一方面可以调整淬火钢的力学性能，达到钢的使用性能。根据回火温度的不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。

a.低温回火：回火温度为150～250℃，主要是减少工件内应力，降低钢的脆性，保持高硬度和高耐磨性。低温回火主要应用于要求硬度高、耐磨性好的工件，如量具、刃具（钳工实训时用的锯条、锉刀等）、冷变形模具和滚珠轴承等。

b.中温回火：回火温度为350～450℃。经中温回火后可以使工件的内应力进一步减少，组织基本恢复正常，因而具有很高的弹性。中温回火主要应用于各类弹簧、高强度的轴及热锻模具等工件。

c.高温回火：回火温度为500～650℃。经高温回火后可以使工件的内应力大部分消除，具有良好的综合力学性能（既有一定的强度、硬度，又有一定的塑性、韧性）。

通常将淬火后再高温回火的处理称为调质处理。调质处理适用于中碳钢或中碳合金钢，调质处理后得到的组织是回火索氏体。调质处理被广泛用于综合性能要求较高的重要结构零件，其中轴类零件应用最多。

（2）钢的表面热处理

机械制造中有不少零件表面要求具有较高的硬度和耐磨性，而心部要求有足够的塑性和韧性，即“外坚内韧”的机械性能，这很难通过选择材料来解决。为了兼顾零件表面和心部的不同要求，可采用表面热处理方法。生产中应用较广泛的有表面淬火与化学热处理等。

①表面淬火　将钢件的表面快速加热到淬火温度，在热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，仅使表面层获得淬火组织的工艺过程称为表面淬火。淬火后需进行低温回火，以降低内应力，提高表面硬化层的韧性和耐磨性。表面淬火适用于对中碳钢和中碳合金钢材料的表面热处理。

按加热方法的不同，表面淬火可分为感应加热淬火、火焰加热淬火、接触电阻加热淬火、电解液淬火等。应用最广泛的是感应加热淬火和火焰加热淬火。

a.感应加热表面淬火：是利用感应电流通过工件时所产生的热效应，使工件表面局部加热并进行快速冷却的淬火工艺。

感应加热的基本原理：把工件放在一个由铜管制成的感应器内，感应器中通入一定频率的交流电，在感应器周围将产生一个频率相同的交变磁场，于是工件内就会产生同频率的感应电流，这个电流在工件内形成回路，称为涡流。此涡流能使电能变为热能加热工件。涡流在工件内分布是不均匀的，表面密度大，心部密度小。通入感应器的电流频率愈高，涡流集中的表层愈薄，这种现象称为集肤效应。由于集肤效应使工件表面迅速被加热到淬火温度，随后喷水冷却，工件表面被淬硬，就达到了淬火的目的，如图2-20所示。

感应加热表面淬火加热速度快，淬火质量好，淬硬层深度易于控制，淬火操作便于实现机械化和自动化。但设备费用较高，维修调整较难，故不适用于单件生产。感应加热表面淬火主要用于中碳钢和中碳低合金钢，也可用于高碳工具钢和铸铁。工件在表面淬火前一般先进行正火或调质处理；表面淬火后需进行低温回火，以减小淬火应力和降低脆性。

b.火焰加热表面淬火：是用氧-乙炔或氧-煤气的混合气体燃烧的火焰喷射在工件表面，使之快速加热，当达到淬火温度时立即喷水冷却，从而获得预期硬度和有效淬硬深度的一种表面淬火方法。

火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，使用方便灵活。但生产效率低，淬火质量较难控制，因此只适用于单件、小批量生产或用于中碳钢、中碳合金钢制造的大型工件，如大齿轮、轴的局部表面淬火。

②化学热处理　有的时候我们为了强化零件表面层，只使用表面淬火是达不到目的的。例如使用低碳钢，由于其含碳量低，淬火后马氏体内部的含碳过饱和程度也低，晶格畸变的程度也小，对外表现为硬度并没有提高太多。化学热处理则是利用化学介质中的某些元素渗入到工件的表面层，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使工件的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺方法。通过化学热处理可以强化工件表面，提高表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性及其它性能等。

按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等。

渗碳是将零件置于高碳介质中加热、保温，使活性碳原子渗入表面层的过程。零件渗碳再经过表面淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。气体渗碳法是将煤油滴入渗碳炉中，煤油分解出活性碳原子渗入工件表面；固体渗碳法是将工件埋入含有木炭的固体渗碳剂中，通过高温加热，渗碳剂释放出活性碳原子渗入工件表面。

渗氮是将零件置于高氮介质（如氨气）中加热、保温，使氮原子渗入表面层的过程。其目的是提高零件表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。一般是将氨水滴入渗氮炉中，在高温下氨水分解出活性氮原子渗入工件表面。

氰化（又称碳氮共渗）是使零件表面同时渗入碳原子与氮原子的过程，它使钢表面具有渗碳与渗氮的良好特性。

渗金属是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。

（3）热处理设备

热处理车间的常用设备有加热炉、测温仪表、冷却水槽、油槽及硬度计等。

①加热炉　热处理加热炉主要有各种规格的箱式电阻炉、井式电阻炉和盐浴炉。由于篇幅有限，只介绍箱式电阻炉。箱式电阻炉结构如图2-21所示。其炉膛由耐火砖砌成；炉壳是用角钢、槽钢及钢板焊接而成；电热组件一般是铁铬铝合金或镍铬合金，放置在炉膛两侧的搁砖上和炉底上，炉底电热组件的上方是用耐热合金制成的炉底板；炉门由铸铁制成，内衬以轻质耐火砖；炉门设有观察孔、提升机构和手摇装置；热电偶从炉顶插入炉膛。

②测温仪表　加热炉的温度测量和控制主要是利用热电偶、温度控制仪表及开关器件，其精度直接影响到热处理的质量。

③冷却设备　冷却水槽和油槽是热处理生产中主要的冷却设备。通常用钢板焊接而成，槽的内外涂有防锈油漆，槽体设有溢流装置，油槽的底部或靠近底部的侧壁上开有事故放油孔。

④检验设备　热处理质量的检验设备主要有检验硬度的硬度计、测量变形的检弯机以及检验内部组织的金相显微镜等。

（4）热处理操作规范

①操作前须进行准备工作，如检查设备是否正常、确认工件及相应的工艺参数等。

②工件要正确捆扎、装炉。工件装炉时，工件间要留有间隙，以免影响加热质量。

③工件淬火冷却时，应根据工件不同的成分和对其力学性能的不同要求，来选择冷却介质。如钢退火时一般是随炉冷却，淬火时碳素钢一般在水中冷却，而合金钢一般在油中冷却。冷却时为防止冷却不均匀，工件放入淬火槽后要不断地摆动，必要时淬火槽内的冷却介质还要进行循环流动。

④工件淬火时要注意淬入的方式，避免引起变形和开裂。如对厚薄不均的工件，厚的部分应先浸入；对细长的、薄而平的工件应垂直浸入；对有槽的工件，应槽口向上浸入。

⑤热处理后的工件出炉后要进行清洗或喷丸，并检验硬度和变形。