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钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需的组织结构和性能的一种工艺。热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。所以热处理的过程就是按加热—保温—冷却这三阶段进行，这三个阶段可用冷却曲线来表示。不管是哪种热处理工艺，都分为这三个阶段，不同的只是加热温度、保温时间和冷却速度。钢的热处理过程如图1.6所示。
图1.6钢的热处理过程
钢的热处理的目的是消除材料组织结构上的某些缺陷，更重要的是改善和提高钢的性能，充分发挥钢的性能潜力，这对提高产品质量和延长使用寿命有重要的意义。
钢的热处理的工艺方法很多，大致可分为两大类：
①第一类是普通热处理，也称零件热处理，包括退火、正火、淬火、回火等；
②第二类是表面热处理，包括表面淬火和化学热处理（如渗碳、渗氮、渗硼处理）。
退火就是将金属或合金的工件加热到适当温度（高于或低于临界温度，临界温度就是使材料发生相变的温度），保持一定的时间，然后进行缓慢冷却（即随炉冷却或者埋入导热性较差的介质中）的热处理工艺。退火工艺的特点是保温时间长，冷却缓慢，可获得平衡状态的组织。钢退火的主要目的是细化组织，提高性能，降低硬度，以便切削加工；消除内应力，提高韧性，稳定尺寸，使钢的组织与成分均匀化；也可为以后的热处理工艺作组织准备。
根据退火目的的不同，退火分为完全退火、球化退火、消除应力退火等几种。
退火常在零件制造过程中对铸件、锻件、焊件进行，以便以后的切削加工或为淬火作组织准备。
将钢件加热到临界温度以上30~ 50℃，保温适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火的主要目的是细化组织，改善钢的性能，获得接近平衡状态的组织。
正火与退火工艺相比，其主要区别是正火的冷却速度稍快，热处理的生产周期短，故退火与正火同样能达到零件性能要求时，尽可能选用正火。大部分中、低碳钢的坯料一般都采用正火热处理。一般合金钢坯料常采用退火，若用正火，由于冷却速度较快，使其正火后硬度较高，不利于切削加工。
将钢件加热到临界点以上某一温度（45号钢淬火温度为840~ 860℃，碳素工具钢的淬火温度为760~ 780℃），保持一定的时间，然后以适当速度冷却以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺称为淬火。
淬火与退火、正火处理在工艺上的主要区别是冷却速度快，目的是获得马氏体组织。也就是说，要获得马氏体组织，钢的冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。这里的临界冷却速度，就是获得马氏体组织的最小冷却速度。钢的种类不同，临界冷却速度就不同，一般碳钢的临界冷却速度要比合金钢大。所以碳钢加热后要在水中冷却，而合金钢要在油中冷却。虽然冷却速度小于临界冷却速度得不到马氏体组织，但冷却速度过快，会使钢中内应力增大，引起钢件的变形，甚至开裂。
钢件淬硬后，再加热到临界温度以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。
淬火后的钢件一般不能直接使用，必须进行回火后才能使用。因为淬火钢的硬度高、脆性大，直接使用常发生脆断。通过回火一方面可以消除或减少内应力、降低脆性、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。
淬火钢件在250℃以下的回火称为低温回火。低温回火主要是消除内应力，降低钢的脆性，且仍保持钢件的高硬度。如钳工实习时用的锯条、锉刀等一些有高硬度的钢件，都是淬火后经低温回火处理的。
淬火钢件在350~ 500℃的回火称为中温回火。淬火钢件经中温回火后可获得良好的弹性，因此弹簧、压簧、汽车中的板弹簧等，常采用淬火后的中温回火处理。
淬火钢件在高于500℃的回火称为高温回火。淬火钢件经高温回火后，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），因此，中碳钢和中碳合金钢常采用淬火后的高温回火处理，轴类零件应用最多。淬火+高温回火这一热处理工艺组合通常又称为调质处理。
仅对工件表层进行热处理以改变组织和性能的工艺称为表面热处理。
对钢件表层进行淬火的工艺称为表面淬火，其热处理特点是用快速加热的方法把钢件表面迅速加热到淬火温度（这时钢件的芯部温度较低），然后快速冷却，使钢件一定深度的表层淬硬，芯部仍保持其原来状态。这样就提高了钢件表面的硬度和耐磨性，芯部仍具有较好的综合力学性能（一般表面淬火前进行了调质处理）。例如齿轮工作时表面接触应力大，摩擦大，要求表层硬度高，而齿轮芯部通过轴传递动力（包括冲击力），因此，中碳钢制造的齿轮需调质处理后，再经表面淬火。表面淬火由于快速加热方法的不同分为火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火。感应加热表面淬火又由于电源频率不同分为高频淬火、中频淬火等。
将金属或合金工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面，以改变工件表面的化学成分、组织和性能的热处理工艺称为化学热处理。化学热处理的过程也是加热—保温—冷却这三个阶段，不同之处是在一定介质中保温。根据渗入元素不同，化学热处理有渗低碳合金钢（如20钢、20Cr钢等）；气体渗碳时的渗碳剂为煤油或乙醇；渗碳温度为900~ 950℃，煤油或乙醇在该温度下裂解出活性碳原子，碳原子渗入低碳钢件的表层，然后依靠浓度差向内部扩散，形成一定厚度的渗碳层。
热处理中常用的加热设备主要有加热炉、测温仪表、冷却设备和硬度计等。其中，加热炉有很多种，常用的有电阻炉和盐浴炉。
电阻炉是利用电流通过电热元件（如金属电阻丝、SiC棒等）产生的热量来加热工件。根据其加热温度的不同，可分为高温电阻炉、中温电阻炉和低温电阻炉等；又根据形状不同分为箱式电阻炉和井式电阻炉等多种。这种炉子的结构简单、操作容易、价格较低，主要用于中、小型零件的退火、正火、淬火、回火等热处理，其主要缺点是加热易氧化、脱碳，是一种周期性作业炉，生产率低。
盐浴炉是用熔融盐作为加热介质（即工件放入熔融的盐中加热）的加热炉，使用较多的是电极式盐浴炉和外热式盐浴炉。盐浴炉常用的盐为氯化钡、氯化钠、硝酸钾和硝酸钠。由于工件加热是在熔融盐中进行，与空气隔开，因此工件的氧化、脱碳少，加热质量高，且加热速度快而均匀。盐浴炉常用于小型零件及工具、模具的淬火和回火。