金属材料热处理简介

热处理

将金属或合金放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定的时间，然后以选定的方法和速度冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能的一种工艺。通过热处理可以改变金属材料的力学、物理和化学性能，是挖掘金属材料性能潜力的重要手段。热处理是齿轮生产中的重要工艺之一，常用的有退火、正火、淬火、回火及化学热处理等。

整体热处理

对工件整体进行穿透加热的热处理工艺称为整体热处理。

化学热处理

是将工件放在一定温度的特定介质中加热，使该介质中的一种或几种元素的活性原子渗入工件表面并向内部扩散，以改变表层组织与性能的一种热处理方法。按渗入元素的性质，化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。常用于齿轮的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗和碳氮硼共渗等。

表面热处理

仅对工件表层进行热处理以改变其组织和性能的工艺。

局部热处理

仅对工件的某一部位或某几个部位进行热处理的工艺。

预备热处理

为达到工件最终热处理的要求而取得需要的预备组织所进行的预先热处理。

真空热处理

在低于一个大气压的环境中进行加热的热处理工艺。

光亮热处理

工件在加热过程中基本不氧化，使表面保持光亮的热处理工艺。

流态床热处理

在悬浮于气流中形成流态化的固体粒子介质中，进行加热或冷却热处理的工艺。

稳定化处理

稳定组织，消除残余应力，以使工件形状和尺寸变化保持在规定范围内而进行的任何一种热处理工艺。

形变热处理

将压力加工与热处理有效地结合起来的综合强化工艺。在美苏等国称为“热机械处理”，日本称为“加工热处理”。可以同时达到成形和改善显微组织的双重目的，使工件获得优异的强度和韧性，大幅度地改善工艺性能和使用性能。形变热处理的工艺方法很多，主要有高温形变淬火、低温形变淬火、等温形变热处理、形变化学热处理和形变时效等。等温形变淬火适用于小齿轮，在提高强度的同时，可得到极为优异的冲击韧性。在珠光体转变中的等温形变淬火能使冲击韧性提高10～30倍，还能得到极为细密的球化组织。贝氏体转变中的等温形变淬火则能得到极高的强度和满意的塑性。锻热渗碳淬火（形变化学热处理）适用于中等模数渗碳齿轮，可以节省渗碳时加热齿轮所需电能，并能提高渗碳速度及表层硬度和耐磨性。渗碳表面形变时效（化学形变热处理）可使工件表层得到超高硬度及耐磨性，适用于耐磨性及疲劳性能同时要求高的齿轮。

孕育处理

普通灰铸铁熔液在浇注前，加入少量的（约占铁水总量的0.3％～0.4％）孕育剂，使其中的铝、硅等溶入铁水后，与氧、氮作用生成SiO2AIN等化合物，均匀地分布在铁水中，以加速石墨化过程，并使石墨细化，从而提高力学性能的方法。

预热

热处理时为了减少畸变，防止开裂，在加热到最终温度之前，先进行一次或数次低于最终温度，且逐步增温的预先加热。

退火

又称焖火。是指将金属或合金材料加热到稍高于或稍低于相变温度，保温一段时间，随后使其缓冷以获得接近平稳组织的金属热处理工艺。齿轮退火的目的是消除各种组织缺陷和内应力，改善切削加工性，为最终热处理作好组织准备。如对齿轮性能要求不高，亦可作为最终热处理。齿轮退火时的加热温度、保温时间和冷却速度，主要取决于材料成分和处理目的。齿轮常用的退火工艺有完全退火、不完全退火、球化退火、等温退火、石墨化退火、扩散退火、去应力退火等。

球化退火

将钢件加热到Ac1点以上20～40℃或Ac1点以下20～30℃，保温一段时间后，等温冷却或直接缓慢冷却的一种工艺过程。是不完全退火的一种特例。球化退火的目的是使碳化物球状化，降低硬度，提高塑性。共析钢或过共析钢齿轮可采用这种方法退火。保温时间大约是每1cm厚度或直径需要0．5～1h，但在生产实践中，根据设备、装炉量及齿轮大小等实际情况，需适当增加一些保温时间。

石墨化退火

将铸铁铸件加热到850～950℃，保温1～4h后适当冷却的退火处理。其目的是使渗碳体分解，形成团絮状石墨，以消除硬而脆的白口层。可锻铸铁和某些灰铸铁的齿轮毛坯，在切削加工前要经过石墨化退火处理。

中间退火

为消除形变强化、改善塑性、便于下道工序继续进行而采用的工序间的退火。

完全退火

将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。

不完全退火

是指将钢件加热到Ac1以上40～60℃，保温一段时间，然后随炉冷却或埋入砂子中冷却至500～600℃后，取出放在空气中继续冷却的一种工艺过程。不完全退火的目的是为了消除内应力，细化组织，降低硬度。组织细化程度低于完全退火。中碳钢及低合金钢的齿轮锻件常用这种方法退火。加热速度和保温时间与完全退火相同。

正火

正火亦称“常化”，是将钢件加热到上临界点（Ac3或Accm以上30～50℃，达到组织的完全奥氏体化和均匀化，然后出炉，在空气中冷却的工艺过程。正火的目的是细化晶粒，增加其强度和硬度，提高低碳钢的切削性能，或为最后热处理作好准备。用在淬火、氮化工序前。齿轮进行正火的主要材料为普通碳素钢，少数为优质的40、45和50号钢。齿轮经正火后，齿面有大块铁素体析出，当齿面因局部过载而塑性变形到一定程度时，易于形变硬化，使载荷趋于均匀。

淬火

将金属工件加热超过相变温度（Ac1或Ac3 、Acm），保温一定时间，随即浸入淬火介质中快速冷却的金属热处理工艺。在大多数情况下，钢的淬火是为了提高其硬度和耐磨性，但是，高锰钢淬火是为了提高韧性；铬锰不锈钢淬火是为了提高耐腐蚀性；马氏体时效钢、铝合金和铍青铜等淬火是为下一步的时效处理作准备。淬火工艺可根据加热温度、加热介质及热源条件、冷却部位、冷却方式及条件等分类。淬火是常用于齿轮的热处理工艺之一，目的是为了增加齿轮的强度和硬度。

一次淬火

工件经渗碳后先置于空气中或冷却坑中冷至室温，然后再重新加热淬火的热处理工艺。也称为重新加热淬火。淬火时，对于合金钢渗碳齿轮，可选择心部稍高于Ac1的温度加热；碳素钢渗碳齿轮，淬火温度选择在Ac1与Ac3之间：而对那些仅要求齿面有较高耐磨性的渗碳齿轮，淬火温度一般取760～780℃。

局部淬火

仅将工件的要求具有高硬度的部位进行淬火。操作方法有两种:一种是局部加热淬火法，它是将工件需要淬硬的部位加热，然后快冷。另一种是局部冷却淬火法，它是先将工件全部加热，然后进行局部冷却。局部淬火法常用于处理齿轮的齿部。

表面淬火

将工件表层快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，使表层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种淬火法。其目的是提高表层的硬度和强度，而使心部有较高的塑性和韧性。表面淬火常用于中碳钢或中碳合金钢，如40、45、40Cr等。为了改善工件的心部性能，并使表层在加热时易于获得比较均匀的奥氏体，在表面淬火前需要进行正火或调质处理。齿轮经表面淬火后，轮齿变形不太大，齿轮精度要求不高（如7级以下）时可不磨齿。常采用的表面淬火法有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，此外还有接触电阻加热淬火、电解加热淬火等。

油冷淬火

将工件加热到奥氏体化后淬入油中进行冷却的淬火工艺。通常合金钢齿轮多采用油冷淬火，可降低内应力，减小变形和开裂的倾向。

单液淬火

将加热好的工件浸入单一冷却介质中一直冷却到低温后取出的淬火法。单液淬火操作简单，应用甚广。水淬、油淬都属于单液淬火。水淬可以得到较深的淬硬层和高的硬度，但易变形和开裂。油淬的淬硬层薄，产生的内应力比较小，不易出现裂纹。一般碳素钢齿轮在水中或盐水中淬火，合金钢齿轮在油中淬火。

喷液淬火

工件加热至奥氏体化后，用压力将油、水或其他液态介质喷射到工件外表面或内表面进行冷却的淬火工艺。其特点是可获得较深淬硬层，硬度均匀，淬火应力较小，变形小。常用来处理局部淬火的齿轮和大型齿轮。

直接淬火

直接淬火是将渗碳工件随炉降温或出炉预冷至高于心部Ar3点的温度，直接淬入冷却液中进行淬火。直接淬火可简化工艺，生产率高，淬火变形以及表面氧化、脱碳的倾向小。低合金钢齿轮在气体或液体渗碳后，大多采用直接淬火。

滚动淬火

一种在淬火机床上采用滚子支承工件并允许其旋转的热处理方法，以减少工件在热处理过程中的变形。

压模淬火

在锥齿轮淬火过程中，为保持工件的正确形状而采用压紧模的一种热处理技术。

中频沿齿沟埋油淬火

将齿轮和中频感应器全部浸在冷却油中，对齿轮沿齿沟方向连续逐齿进行的中频感应加热淬火。通电后在中频感应器和齿沟间隙中的冷却油被加热汽化，使之得到表面加热。随着感应器向前移动，汽室消失，冷却油开始起冷却作用，从而得到连续不断的加热和淬火。其特点是淬硬层是沿整个齿沟的轮廓均匀分布的，仅在齿顶处断开，有利于提高齿轮的弯曲疲劳强度和使用寿命。对模数大于8mm的重负荷齿轮，广泛采用此法。特别是对合金钢齿轮的表面淬火更能显示出其优越性，淬火裂纹的倾向性小，淬火应力小，轮齿变形小。

频沿齿面埋油淬火

将齿轮和中频感应器浸入冷却油中，对齿轮沿齿面方向连续逐齿进行的中频感应加热淬火。模数大于8mm的齿轮可采用此法淬火，但淬火后淬硬层仅分布在齿的接触面上，而在齿的根部中断，易形成拉伸残余应力，降低了齿根的弯曲疲劳强度。故在目前生产中较少采用。

中频感应加热表面淬火

利用中频电流（频率一般在1～10kHz）进行的感应加热表面淬火。电流透入深度较大，约为高频电流的10～20倍，多用于大模数齿轮的表面淬火。

高频感应加热表面淬火

应用高频电流（频率一般在100～500kHz）进行的感应加热表面淬火。其特点是淬火表层力学性能高；淬火时不易氧化脱碳，并且变形小；淬火操作及淬硬层的厚度易实现电控制和自动化；具有很高的生产率等。常用于小模数齿轮的表面淬火。

超音频感应加热表面淬火

利用超音频电流（频率一般在10～40kHz）进行的感应加热表面淬火。由于其工作电流频率较低，进行淬火时工件表面温度均匀，不易引起硬度不均、变形、开裂等缺陷。而且可采用大的功率加热，生产效率高。通常用于小模数齿轮的表面淬火。对于模数3～6mm的齿轮，采用30～36kHz的电流，齿根、齿沟可以得到1～2mm深的淬硬层；如果设备功率较大，则该频率用于模数8mm的齿轮表面淬火，效果也较好，可使齿根、齿沟部得到1mm左右的淬硬层。

循环快速加热淬火

对工件反复采用快速加热到较低的奥氏体化温度下短暂保温，然后快速冷却的淬火工艺。目的是为了细化晶粒，获得超细晶粒钢。但循环快速加热最多不可超过4～5次，否则晶粒仍会长大。采用此法在不降低塑性、韧性的基础上，可以大大提高接触疲劳强度。用于工作条件恶劣的重负荷传动齿轮的热处理。

单齿连续加热淬火

应用感应电流对齿轮逐齿进行加热淬火。是齿轮感应加热表面淬火常用的方法之一。适用于模数较大的齿轮。优点是可用功率较小的设备处理尺寸及模数较大的齿轮。

全齿同时加热淬火

应用感应电流对齿轮所有的轮齿同时进行加热淬火。是齿轮感应加热表面淬火常用的方法之一。最佳电流频率主要由模数确定，小模数齿轮宜采用高频率电流。频率确定后，比功率（单位加热面积上的功率）的大小对达到齿轮的性能很重要。可按选定的频率和要求的加热深度选择合理的比功率数值。淬火层深度愈大，比功率应愈小。

回火

将淬火后的工件再加热到临界点Ac1以下的某一温度，保温一段时间，然后以一定的速度冷却到室温的金属热处理工艺。回火的目的是为了降低或消除淬火后存在的内应力，提高组织稳定性，并获得所需要的性能。回火有低温回火、中温回火和高温回火之分。回火是决定工件最终性能的热处理工序。回火是齿轮常用的热处理方法之一。

低温回火

淬火后工件在150～250℃之间进行的回火。低温回火后得到的组织为回火马氏体。目的是为了降低钢中的残余应力和脆性，而保持钢在淬火后所得到的高硬度和耐磨性。低温回火常用于经渗碳与碳氮共渗后的齿轮。回火时间一般为1.5～4h，较长的回火时间有利于提高齿轮的脆断强度。

中温回火

淬火后的工件加热到250～500℃之间进行的回火。其组织为回火屈氏体。可用于中碳结构钢类的齿轮，以代替调质工艺，既能提高强度，又有较高的韧性。

高温回火

淬火后的工件在500～650℃范围内进行的回火。习惯上将淬火加高温回火称为调质处理。高温回火后得到的组织为回火索氏体。目的是为了获得既有较高的强度和硬度，又具有良好的塑性和韧性的综合机械性能。广泛应用于各种重要的结构零件，如在交变载荷下工作的齿轮等。高温回火同时也常做为渗氮前的预先热处理。

调质

指钢件淬火及高温回火的复合热处理工艺。调质的目的在于调整中碳钢的性能，使其具有最佳强度与相协调的韧性。调质的全过程是先将工件淬火，然后高温（一般为500℃以上）回火，得到回火索氏体组织，这种组织兼有较高的强度和韧性。对于中碳钢齿轮，调质后可提高轮齿齿面硬度（一般情况齿面硬度≤300HB）及齿心韧性，从而提高齿面接触强度和齿根弯曲强度。调质后还可进行渗氮或表面热处理，以进一步提高齿面耐磨性和抗疲劳能力。钢件调质后硬度不太高，仍可进行切削加工。调质也可以应用于球墨铸铁制作的齿轮。

时效处理

合金工件经固溶热处理后在室温或稍高于室温保温，以达到沉淀硬化目的的处理。

人工时效处理

合金工件经固溶热处理后在室温以上的温度进行的时效处理。

天然稳定化处理

亦称天然时效。将铸铁件在露天长期（数月乃至数年）放置，使铸造应力缓慢松弛，从而使铸件尺寸稳定的处理。

渗碳

指将钢（通常是含0.10％～0.25％的碳）件置于富碳介质中加热保温后，使活性碳原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。齿轮渗碳后经过淬火与低温回火，在提高齿面硬度和耐磨性的同时，心部能保持原有的韧性。渗碳淬火的低碳钢齿轮适用于在有冲击的中小载荷下工作；渗碳淬火后的低碳合金钢齿轮，可用于重载并有冲击载荷的场合。渗碳是应用最广、发展最快的化学热处理工艺。使用微处理机可以实现自动渗碳，能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。

渗氮

亦称氮化。将氮原子渗入钢件表层的化学热处理工艺。齿轮经渗氮后齿面具有高的硬度（可达1000～1200HV）、耐磨性和疲劳强度，并具有一定的抗蚀性和热硬性，但硬化层较薄（0.1～0.3mm），承载能力不及渗碳齿轮。渗氮后齿轮变形较小，一般不需要进行最后的磨齿工序。因此内齿轮和其它很难实现磨削的齿轮宜采用渗氮处理。另外，渗氮齿轮不宜用于有严重磨损的场合。它不宜承受冲击载荷，因硬化层有被压碎的危险。

碳氮共渗

指在一定温度下，同时将碳、氮渗入工件表层奥氏体中并以渗碳为主的化学热处理工艺。早期的碳氮共渗在熔融氰盐中进行，故有“氰化”之称。碳氮共渗的特点是：1）渗层性能好，与渗碳层相比，具有更高的耐磨性和疲劳强度，并有一定的抗蚀能力。与氮化层相比，抗压强度较高而脆性较低。2）渗入速度快。由于碳、氮原子能互相促进渗入过程，在同样温度下，共渗速度比渗碳和氮化都快。3）氮的渗入降低了奥氏体组织的存在温度，故可在较低的温度下进行，工件不易过热。4）氮同时渗入提高了渗层的淬透性，可在较缓和的淬冷介质中淬硬，有利于减少工件的变形和开裂倾向。5）应用范围广，各种低碳钢和中碳钢都可以进行碳氮共渗。但碳氮共渗层深度一般不超过lmm,如要获得更厚的渗层，则渗速慢，不经济。碳氮共渗按共渗温度可分为低温（500～580℃）、中温（700～880℃）和高温（900～950℃）三种。低温碳氮共渗以渗氮为主，俗称氮碳共渗或软氮化，多用于提高碳钢、合金钢、铸铁等零件的耐磨性及抗咬合性。中温碳氮共渗与渗碳相似，主要用于结构钢工件。高温碳氮共渗，生产中采用较少。按共渗介质的不同，可分为固体、液体、气体三种。按渗层深度可分为薄层（≤0.4mm）和厚层（>0.4mm）。层深取决于工件服役条件，在轻负荷下主要承受摩擦的工件层深为0.05～0.25mm；承受较高载荷的齿轮的层深为0.65～0.75mm；要求心部强度较高，如HRC40～45的汽车变速箱齿轮（采用40Cr钢），层深为0.25～0.40mm；低碳合金渗碳钢制齿轮为0.4～0.6mm；模数大于4的重载齿轮为0.6～0.9mm。碳氮共渗的时间主要按温度、层深、材质、共渗介质等来确定。共渗后的工件要进行热处理，一般采用：1）从共渗温度直接淬火并低温回火；2）要求变形小的工件，在共渗后可在180～200℃热油或热浴中分级淬火再低温回火。3）要求共渗后不直接淬硬的工件，应空冷或坑冷，再另行加热淬火、回火，但淬火加热应在脱氧良好的盐炉或带保护气氛的设备中进行。4）对于含有Cr、Ni、Mn的高合金钢，淬火后应立即进行冰冷处理，再低温回火。目的是为减少残余奥氏体，提高硬度，稳定尺寸。5）上述高合金钢共渗后需切削加工的工件，可在淬火后进行高温回火，再二次淬火并低温回火。70年代以来，碳氮共渗工艺发展迅速，不仅可用在汽车、拖拉机零件上，也比较广泛地用于多种齿轮的表面强化。

气体碳氮共渗

指在气体介质中，将碳和氮同时渗入工件表层并以渗碳为主的化学热处理工艺。

液体碳氮共渗

俗称氰化。是在一定温度下的含氰化物的盐浴中，使碳、氮原子同时渗入工件表层并以渗碳为主的化学热处理工艺。

离子碳氮共渗

在低于一个大气压的含碳、氮气体中，利用工件（阴极）和阳极之间产生的辉光放电同时渗入碳和氮并以渗碳为主的化学热处理工艺。

氮碳共渗

亦称低温碳氮共渗或软氮化。工件表层渗入氮和碳并以渗氮为主的化学热处理工艺。是在500～580℃温度下进行的。与气体渗氮相比，氮碳共渗层同样具有较高的硬度，良好的耐磨、抗疲劳性能，一定的耐蚀、抗咬死性能。其主要特点是渗速较快，生产周期短，表面脆性小，对工件材质要求不严。各种碳钢、合金钢、铸铁和粉末冶金制成的齿轮都能通过氮碳共渗提高使用寿命。氮碳共渗的介质常用尿素、甲酰胺、三乙醇胺等，它们在渗氮温度下将同时分解出活性碳氮原子，起到共渗作用。共渗后的组织是氮碳化合物加扩散层组成。该化合物层硬而不脆，具有一定的韧性，起耐磨和抗咬合的作用。不足之处是工件共渗层较薄，不宜在高载荷下工作。

气体氮碳共渗

用气体介质对工件同时渗入氮和碳并以渗氮为主的化学热处理工艺。

液体氮碳共渗

又称软氮化。在盐浴中同时渗入氮和碳并以渗氮为主的化学热处理工艺。

碳氮硼共渗

是把碳、氮、硼三种元素同时渗入工件表层的化学热处理工艺。它兼备碳、氮、硼各自渗入的某些特点：渗层具有高的硬度、耐磨性及疲劳秘限；处理温度比渗碳和碳氮共渗低，工件变形小；渗层脆性小、无剥落现象；渗层化学稳定性高，在某些介质中具有抗蚀性。碳氮硼共渗可用于各种碳钢、合金钢及球墨铸铁齿轮，但以中碳钢齿轮处理后效果最好。