表面淬火和整体淬火有什么不同(表面淬火和整体淬火有什么区别)

金属热处理是机械制造中的重要工序之一。与其他加工技术相比，热处理一般不改变工件的形状和整体化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织或工件表面的化学成分来赋予或改善工件的使用性能。它的特点是提高工件的内在质量，一般肉眼是看不到的。正如有人所说，机加工是外科，热处理是内科，代表着一个国家制造业的核心竞争力。

工艺流程

热处理一般包括加热、保温和冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程相互联系，没有中断。

(加热)

金属加热时，工件暴露在空气体中，常导致氧化脱碳(即钢件表面含碳量降低)，对零件热处理后的表面性能有非常不利的影响。因此，金属通常应在受控气氛或保护气氛、熔盐和真空空中加热，也可通过涂覆或封装的方法进行保护性加热。

加热温度是热处理过程的重要工艺参数之一。选择和控制加热温度是保证热处理质量的主要问题。加热温度随待处理的金属材料和热处理目的而变化，但一般在相变温度以上，以获得高温显微组织。另外，转变需要一定的时间，所以当金属工件表面达到所需的加热温度时，必须在此温度下保持一定时间，使内外温度一致，组织转变完成。这个时间叫做保持时间。

(保温)

采用高能量密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

(冷却)

冷却液是热处理过程中必不可少的步骤，冷却方式因工艺不同而异，主要控制冷却速度。

过程分类

金属热处理工艺可分为三类:整体热处理、表面热处理和化学热处理。根据加热介质、加热温度和冷却方式的不同，每一类又可分为几种不同的热处理工艺。同一种金属通过不同的热处理工艺可以获得不同的组织，因此具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广泛的金属，其显微组织也是最复杂的，因此钢铁的热处理工艺有很多种。

整体热处理是将工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以获得所需的金相组织，从而改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理可分为退火、正火、淬火、回火四个基本过程，即热处理的“四火”。

止

淬火过程

钢的淬火是一种热处理工艺，其中钢被加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上的临界温度，保持一段时间，其全部或部分被奥氏体化，然后以大于马氏体(或贝氏体)转变的临界冷却速率的速率快速冷却到Ms以下(或接近Ms的等温)。

工艺:加热、保温、冷却。

淬火的本质是过冷奥氏体发生马氏体或贝氏体转变，获得马氏体或贝氏体组织。

淬火的目的是:(1)大幅度提高钢的刚度、硬度、耐磨性、疲劳强度和韧性，以满足各种机械零件和工具的不同要求；(2)通过淬火满足某些特殊钢材的特殊理化性能如铁磁性、耐腐蚀性等。

应用:淬火技术应用广泛，如工具、量具、模具、轴承、弹簧以及汽车、拖拉机、柴油机、切削机床、气动工具、钻探机械、农具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零部件。

淬火:图片来自中信重工

淬火剂

用于淬火和冷却工件的介质称为淬火冷却介质(或淬火介质)。理想的淬火介质应该具备这样的条件:工件可以淬火成马氏体，而不会引起太大的淬火应力。

常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔融碱等。

●水

水是一种冷却能力很强的淬火介质。

优点:来源广泛，价格低廉，成分稳定，不易变质。

缺点:冷却能力不稳定，工件容易变形或开裂。在C曲线的“鼻”区(约500 ~ 600℃)，水处于蒸气膜阶段，如果冷却得不够快，就会形成“软点”；但在马氏体相变温度范围内(300 ~ 100℃)，水处于沸腾阶段，如果冷却过快，容易使马氏体相变速度过快，产生很大的内应力，导致工件变形甚至开裂。当水温升高时，水中含有更多的气体或不溶性杂质(如油、肥皂、泥等。)，这将显著降低其冷却能力。

用途:适用于截面小、形状简单的碳钢工件的淬火冷却。

●盐水和碱性水。

在水中加入适量的盐和碱，使高温工件浸入冷却介质后，盐和碱的晶体会在蒸汽膜阶段析出并立即爆裂，破坏蒸汽膜，工件表面的氧化皮也会被吹起。这可以提高介质在高温区域的冷却能力，但其缺点是介质腐蚀性强。

应用:一般盐水浓度为10%，烧碱溶液浓度为10% ~ 15%。可用作碳钢和低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不超过60℃。淬火后应及时清洗和防锈处理。

●石油

矿物油(矿物油)一般用作冷却介质。例如机油、变压器油和柴油。一般用10号、20号、30号油。油号越大，粘度越高，闪点越高，冷却能力越低，使用温度越高。

淬火模式

●单一液体淬火

是将奥氏体化学零件浸入一定的淬火介质中，冷却至室温的淬火操作方法。单一淬火介质包括水、盐水、碱水、油和特制的淬火剂。

优点:操作简单，有利于实现机械化和自动化。

缺点:冷却速度受限于介质的冷却特性，影响淬火质量。

用途:对于碳钢，单液淬火只适用于形状简单的工件。

●双液淬火

奥氏体化学零件先浸入冷却能力强的介质中，然后在钢件达到淬火介质的温度前取出，立即浸入另一种冷却能力弱的介质中进行冷却，然后先放入水再放入油，先放入水再放入空气等。双液淬火降低了变形和开裂的倾向，操作不易掌握，在应用上有一定的局限性。

●马氏体分级淬火

是将奥氏体化学零件浸入温度略高于或低于钢的马氏体点的液体介质(盐浴或碱浴)中适当时间的淬火工艺。钢件内外两层达到中温后，取出空冷却，获得马氏体组织，也叫分级淬火。

优点:分级淬火能有效降低相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向，因为它停留在分级温度，直到工件内外温度相同，然后空冷。

用途:适用于变形要求高的合金钢、高合金钢工件，也可用于截面尺寸小、形状复杂的碳钢工件。

●贝氏体等温淬火

是将钢件奥氏体化，快速冷却到贝氏体转变温度范围(260 ~ 400℃)并保持等温，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺。有时也称为等温淬火。一般保持时间为30 ~ 60分钟。

●复合淬火

工件淬火至Ms以下，获得10% ~ 20%马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方式可以使大截面工件获得M+B组织。预淬火时形成的马氏体可以促进贝氏体转变，马氏体可以等温回火。合金工具钢工件采用复合淬火，可以避免第一种回火脆性，减少残余奥氏体量，即变形和开裂的倾向。

调和

回火过程

回火是将淬火后的工件重新加热至低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后，在空气体或水、油等介质中冷却至室温的热处理工艺。

回火的目的是:(1)消除工件淬火时的残余应力，防止变形和开裂；(2)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，以满足使用性能要求；(3)稳定结构和尺寸，保证精度；(4)改善和提高加工性能。

回火分类

●低温回火

指工件在150~250℃下的回火。

目的:保持淬火工件的高硬度和耐磨性，降低淬火残余应力和脆性。

回火后得到回火马氏体，是指淬火马氏体低温回火时得到的组织。

(针状马氏体)

用途:刀具、量具、模具、滚动轴承、渗碳和表面淬火零件等。

●中温回火

指工件在350 ~ 500℃下的回火。

目的:获得高弹性、屈服点和适当的韧性。回火后得到的回火屈氏体是指马氏体回火时形成的铁素体基体中分布着极其细小的球状碳化物(或渗碳体)的多相组织。

(屈氏体)

应用:弹簧、锻模、冲击工具等。

●高温回火

指工件在500℃以上的回火。

目的:获得具有良好强度、塑性和韧性的综合力学性能。

回火索氏体是回火后得到的，是指马氏体回火时形成的铁素体基体中分布着细小的球状碳化物(包括渗碳体)的多相组织。

(索氏体)

用途:广泛用于各种重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮和轴类零件。

常化

标准化过程

正火是将钢件加热到临界温度(完全奥氏体化的温度)以上30-50℃，然后从炉中取出，在空气体中或喷水、喷雾或吹风冷却的一种金属热处理工艺。

目的:(1)细化晶粒，均匀碳化物分布；(2)去除材料的内应力；(3)增加材料的硬度。

材料:亚共晶马口铁

状态:正常化

显微组织:石墨褐色，马氏体浅黄色，珠光体绿色和暗黄色，渗碳体褐色。

材质:A-299

状态:正常化

显微组织:褐色铁素体黄色、蓝色、白色珠光体褐色

材料:13MnNiMoNb

状态:正常化

显微组织:浅棕色珠光体灰褐色，铁素体红色，黄色和蓝色。

材料:45钢

状态:正常化

显微组织:浅蓝色铁素体、珠光体和各种颜色。

优点:(1)正火的冷却速度略快于退火，所以得到的珠光体片层间距更小，正火组织比退火更细小，所以其硬度和强度更高；(2)正火炉外冷却不占用设备，生产率高。

用途:仅适用于碳钢和中低合金钢，不适用于高合金钢。因为高合金钢的奥氏体非常稳定，在空气体中冷却后会得到马氏体组织。

特定用途

(1)对于低碳钢和低合金钢，正火可以增加它们的硬度以改善它们的可加工性；

(2)对于中碳钢，正火可以代替调质处理，为高频淬火准备组织，减少钢的变形，降低加工成本；

(3)对于高碳钢，正火可以消除网状渗碳体组织，有利于球化退火；

(4)对于截面变化剧烈的大型钢锻件或铸钢件，可用正火代替淬火，以减少变形和开裂的倾向，或为淬火做准备；

(5)对于钢的淬火和修复部位，可通过正火消除过热的影响，使其重新淬火；

(6)用于铸铁件，增加基体的珠光体含量，提高铸件的强度和耐磨性。

锻炼

退火过程

将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(通常随炉冷却)的热处理过程称为退火。

退火的本质是将钢加热奥氏体化，然后进行珠光体转变。退火后的微观结构接近平衡。

退火的目的:

(1)降低钢的硬度，提高塑性，便于加工和冷变形；

(2)使钢的化学成分和显微组织均匀化，细化晶粒，改善钢的性能或为淬火做准备；

(3)消除内应力和加工硬化，以防止变形和开裂。

退火方法

1.完全退火

工艺:将钢加热到Ac3以上20~30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却(随炉)，获得组织接近平衡的热处理工艺(完全奥氏体化)。在实际生产中，为了提高生产率，退火冷却到500℃左右再出料空冷却。

目的:细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度，改善钢的可加工性。亚共析钢完全退火后的显微组织为F+P。

用途:完全退火主要用于亚共析钢(wc=0.3~0.6%)，一般为中碳钢和中低碳合金钢的铸件、锻件和热轧型材，有时也用于其焊件。

2.不完全退火

工艺:将钢材加热至Ac1~Ac3(亚共析钢)或Ac1~Accm(过共析钢)，然后缓慢冷却，以获得近乎平衡的显微组织的热处理工艺。

用途:主要用于从过共析钢中获得球状珠光体组织，以消除内应力，降低硬度，改善可加工性。

3.等温退火

工艺:将钢材加热到高于Ac3(或Ac1)的温度，保温适当时间后，在珠光体区冷却到一定温度，并保持在等温温度，使奥氏体转变为珠光体，然后空冷却到室温的热处理工艺。

目的:与完全退火一样，这种转变易于控制。

用途:适用于稳定钢:高碳钢(WC >: 0.6%)、合金工具钢、高合金钢(合金元素总量>:10%)。等温退火也有利于获得均匀的组织和性能。但不适用于大断面钢件和批量炉料，因为等温退火不易使工件内部或批量达到等温温度。

4、球化退火

工艺:一种热处理工艺，将钢中的碳化物球化，得到粒状珠光体。加热至Ac1以上20~30℃的温度，保温时间不宜过长，一般2~4h为宜，冷却方式通常为炉冷或在Ar1以下20℃左右等温较长时间。

目的:降低硬度，均匀显微组织，改善机械加工性能，为淬火准备显微组织。

用途:主要用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。球状珠光体通过球化退火获得。在球状珠光体中，渗碳体是球状细小颗粒，弥散分布在铁素体基体上。与片状珠光体相比，球状珠光体不仅硬度较低，易于切削，而且在淬火和加热时不易变形和开裂。

5.扩散退火(均匀化退火)

工艺:将钢锭、铸件或锻造毛坯长时间加热至略低于固相线的温度，然后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

目的:消除铸锭凝固过程中的枝晶偏析和区域偏析，使成分和组织均匀化。

用途:适用于一些偏析严重的优质合金钢及合金钢铸件和铸锭。扩散退火的加热温度很高，通常比Ac3或Accm高100~200℃。具体温度视偏析程度和钢种而定，保温时间一般为10~15小时。扩散退火后，需要完全退火和正火来细化微观结构。

6.消除应力退火

工艺:将钢材加热到低于Ac1的温度(一般500~650℃)，保温，然后随炉冷却。

去应力退火温度低于A1，所以去应力退火不会引起结构变化。

目的:消除残余内应力。

用途:主要用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拔件的残余应力。如果不消除这些应力，在一定时间后或在随后的切割过程中，钢将变形或开裂。

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