作者：王忠诚、齐宝森 编著
出版社：化学工业出版社
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典型零件热处理工艺与规范(上)试读：
前言
在我国机械工业制造领域，机械零件采用的材料包括黑色金属、有色金属以及各种合金等，为了达到要求的力学性能和技术要求，需要进行常规热处理、表面热处理以及复合热处理等。认识材料的热处理特点与主要零件的加工方法，对于典型零件选择先进的热处理工艺方法，合理选择热处理设备，分析零件热处理过程中的实施要点，从而提出热处理过程中缺陷的预防措施，对广大的热处理工作者来说是必须遵守的规则。
随着我国热处理领域对外技术交流的增加，在新设备、新技术的引进与新工艺的推广方面，取得了很大的成绩，我国的整体零件的热处理水平有了长足的进步，零件的热处理质量有了明显提高，本书立足于目前热处理行业的现状，便于热处理工作者以及管理人员系统而规范地学习零件的热处理基础要求，从零件的技术要求与加工流程、热处理工艺与注意事项、工艺分析与质量检验以及热处理常见缺陷分析与对策等方面，对典型零件进行了分析与讲解，结构紧凑、内容翔实，大量的数据来自于生产一线，便于指导热处理生产，是一本实用性强、覆盖面广、通俗易懂的专业书。
本书按不同领域的零件分类进行编写，以零件的工艺与规范为主线，主要包括机械零件热处理概述，齿轮类零件的热处理工艺与规范，常用标准件的热处理工艺与规范，大型铸件、锻件及焊接件的热处理工艺与规范，工、模、量具的热处理工艺与规范。
全书共分5章，第1、3、4、5章由王忠诚编写，第2章由齐宝森编写，全书由齐宝森、王忠诚统稿。
本书注重与实践的结合，其中介绍的典型零件与我们的工作和生活领域等息息相关，因此它是一本实用性强的热处理技术书，可供机械制造领域的热处理工程技术人员、管理人员以及操作者阅读使用，也可供相关专业的在校师生和科研人员参考，希望能对指导生产实践提供必要的帮助。
由于编著者水平所限，书中不足之处，敬请广大读者和专家批评指正。编著者第1章 机械零件热处理概述1.1 常用机械零件的机械加工工艺流程
工艺规程是指导生产的技术文件，它必须满足产品质量、生产率和经济性等多方面的要求。工艺规程应适应生产发展的需要，尽可能采用先进的工艺方法，但先进的高生产率的设备的成本较高，因此，所制定的工艺规程必须经济合理。1.1.1 制定工艺规程的要求和步骤
零件的工艺规程就是零件的加工方法与步骤，它包括：排列加工工艺（包括热处理工序），确定各工序所用的机床、装夹方法、检测方法、加工余量、切削用量和工时定额等。将各项内容填写在一定形式的卡片上，这就是机械加工工艺的规程，即通常所说的“机械加工工艺卡片”。（1）制定工艺规程的要求
不同的零件，由于结构、尺寸、精度和表面粗糙度等要求不同，其加工工艺也随之不同，即使是同一零件，由于生产批量、机床设备以及工、夹、量具等零件的不同，其加工工艺也不尽相同，在一定的生产条件下，一个零件可能有几种工艺方案，但其中总有一个更为合理的。
合理的加工工艺必须能保证零件的全部技术要求；在一定的生产条件下，使生产效率最高，成本最低；有良好、安全的劳动条件。因此，制定一个合理的加工工艺，并非轻而易举。除了具有一定的工艺理论知识和实践经验外，还要深入工厂或车间，了解生产的实际情况。一个较复杂的零件的工艺，往往要经过反复实践、反复修改，使其逐步完善的过程。（2）制定工艺规程的步骤
制定工艺规程的步骤大致如下。
①对零件进行工艺分析。
②毛坯的选择。
③定位基准的选择。
④工艺路线的制定。
⑤选择或设计、制造机床设备。
⑥选择或设计、制造刀具、夹具、量具及其他辅助工具。
⑦确定工序的加工余量、工序尺寸及公差。
⑧确定工序的切削用量。
⑨估算时间定额。
⑩编制工艺文件。1.1.2 制定工艺规程时要解决的主要问题（1）零件的工艺分析
要熟悉有关产品的装配图，了解产品的用途、性能、工作条件以及该零件在产品中的作用和地位，然后根据零件图对其全部技术要求作全面的分析，了解全局抓住重点，从加工的角度出发，对零件进行工艺分析，其主要内容有以下几点。
①检查零件的图纸是否完整和正确，分析零件主要表面的精度、表面完整性、技术要求等在现有生产条件下能否达到。
②检查零件材料的选择是否恰当，是否会使工艺变得困难和复杂。
③审查零件的结构工艺性，检查零件结构是否能经济地、有效地加工出来。
如果发现问题，应及时提出，并与有关设计人员共同研究，按规定程序对原图纸进行必要修改与补充。（2）毛坯的选择
毛坯的选择对经济效益影响很大，因为工序的安排、材料的消耗、加工工时的多少等，都在一定程度上取决于所选择的毛坯。毛坯的类型一般有型材、铸件、锻件以及焊接件等，具体选择要根据零件的材料、形状、尺寸、数量和生产条件等因素综合考虑决定。单件、小批量生产箱体零件时，一般采用砂型铸造毛坯，成批生产中小箱体零件时，一般采用金属型铸造毛坯。（3）定型基准的选择
在拟定加工路线时，先要选择工件的粗基准与主要精基准。粗基准与精基准的选择必须遵循一定的原则，以下是几种常见零件的主要精基准。
①轴类零件的主要精基准 传动用的阶梯轴，一般选用两端的中心孔作为主要精基准，如图1-1所示，因为阶梯轴的主要位置精度是各外圆之间的同轴度或径向圆跳动及各轴肩对轴线的垂直度或端面圆跳动。以两端中心孔作为精基准加工各段外圆及端面，符合基准同一原则，能较好地保证它们之间的位置精度。轴线是各外圆的设计基准，两端的中心孔是基准轴线的体现，选用中心孔作为定位精基准，符合基准重合原则。在磨削前一定要研磨中心孔，其目的是提高定位精度，从而提高被加工表面的位置精度。图1-1 阶梯轴的主要精基准
②盘套类零件的主要精基准 盘套类零件一般以中心部位的孔作为主要精基准，具体应用时有以下3种情况。
a.在一次装夹中精车齿轮坯的孔、大外圆和大端面，以保证这些表面的位置精度要求，如图1-2所示。图1-2 一次装夹精车齿轮坯
b.先精加工孔，然后以孔作为精基准，加工其他各表面。如图1-2所示的齿轮坯，也能较好地保证其位置精度。
c.外圆与孔互为基准。如图1-3所示的套类零件，因小端外圆和孔的精度以及小端外观对孔的同轴度要求都很高，表面粗糙度要求很低，在车削后均须磨削。车削后可先以外圆和小端面作为基准，用百分表找正后磨孔；再以孔作为精基准，用心轴装夹磨外圆。由于内、外圆互为基准，每一工序都为下一工序准备了精度更高的定位基准，因此可以得到较高的同轴度要求。图1-3 以外圆找正磨内孔
③支架箱体类零件的主要精基准 对于支架箱类零件，一般采用机座上的主要平面（即轴承支承孔的设计基准）作为主要基准加工各轴承支承孔，以保证各轴承支承孔之间以及轴承孔与主要平面的位置精度要求。（4）工艺路线的拟定
拟定工艺路线就是把加工零件所需要的各个工序按顺序排列起来，它主要包括以下几个方面。
①加工方案的确定 根据零件每个加工表面（特别是主要表面）的精度、粗糙度及技术要求，选择合理的加工方案，确定每个表面的加工方法和加工次数。在确定加工方案时，还要考虑以下几个方面的内容。
a.被加工材料的性能及热处理要求。
b.加工表面的形状与尺寸。
c.考虑本公司或车间的现有设备状况、技术条件与工人的技术水平。
②加工阶段的划分 当零件的精度要求较高或零件形状较复杂时，应将整个工艺过程划分为以下几个阶段。
a.粗加工阶段。其主要目的是切除绝大部分余量。
b.半精加工阶段。使各主要表面达到图纸要求，并为主要表面的精加工提供基准。
c.精加工阶段。保证各主要表面达到图纸要求。
划分阶段的目的如下。
·有利于保证加工质量。由于粗加工余量大，切削力大，切削温度高，工件变形大，变形恢复时间长，如果不划分加工阶段，连续进行粗、精加工，会使已加工好的表面精度因变形恢复受到破坏。
·有利于合理使用设备。粗加工采用精度低、功率大、刚性好的机床，有利于提高生产率。精加工采用精度高的机床，既有利于保证加工质量，也有利于长期保持设备精度。
·有利于安排热处理工序。
·可避免损伤已加工好的主要表面，也可及时发现毛坯缺陷，及时采取补救措施或报废，以免浪费过多工时。
③加工顺序的安排 就是要合理地安排机械加工工序、热处理工序、检验工序和其他辅助工序，以便保证加工质量，提高生产率，提高经济效益。
a.机械加工工序的安排。在安排机械加工工序时，必须遵循以下几项原则。
·基准先行。作为精基准的表面应首先加工出来，以便用它作为定位基准加工其他表面。
·先粗后精。先进行粗加工，后进行精加工，有利于保证加工精度和提高生产率。
·先主后次。先安排主要表面的加工，然后根据情况相应安排次要表面的加工。主要表面就是要求精度表面粗糙度低的一些表面，次要表面是除了主要表面以外的其他表面。因为主要表面是零件上最难加工且加工次数最多的表面，因此安排好了主要表面的加工，也就容易安排次要表面的加工。
·先面后孔。在加工箱体零件时，应先加工平面，然后以平面定位加工各个孔，这样有利于保证孔与平面间的位置精度。
b.热处理工序的安排。根据热处理工序的目的不同，可将热处理工序分为以下几项。
·预备热处理。是为了改善工件的组织和切削性能而进行的热处理，如低碳钢的正火和高碳钢的退火。
·时效处理。是为了消除工件内部因毛坯制造或切削加工所产生的残余应力而进行的热处理。
·最终热处理。是为了提高零件（或表面层）的硬度和强度而进行的热处理，如调质处理、淬火、渗碳、氮化等。
上述热处理工序的安排位置如图1-4所示。退火或正火安排在毛坯制造之后、粗加工之前。时效处理一般安排一次，通常安排在毛坯制造之后、粗加工之前，也可安排在粗加工之后、半精加工之前。对于复杂零件时效处理可安排两次。调质处理工序安排在粗加工之后、半精加工之前。淬火工序与渗碳（渗碳+淬火）工序安排在半精加工之后、精加工之前。因为淬火后零件表面会产生脱碳层，需要继续加工以去除零件表面上的脱碳层。氮化工序安排在精加工之后，因为氮化后的零件不需要淬火，零件表面没有脱碳层，不需要再加工。如果零件的精度、硬度要求较高，则可在氮化后再精磨一次或进行高频淬火，或进行复合热处理。图1-4 热处理工序安排位置
c.检验工序的安排。为了保证产品的质量，除了每道工序由操作者自检以外，还应该在下列情况下安排检验工序。
·粗加工之后。毛皮表面层有无缺陷，粗加工之后就能发现，如果能及时发现毛坯缺陷，就能有效降低生产成本。
·工件在转出车间或工序之前。在工件转出之前，工件是否合格，需要进行检验与确认，以避免扯皮现象的发生。
·关键工序的前后。关键工序是最难加工的工序，加工时间长，加工成本高，如果能在关键工序之前发现工件已经超差，可避免不必要的加工，从而降低生产成本。另一方面，关键工序是最难保证的工序，工件容易超差。因此，关键工序的前后要安排检验工序。
·特种检验之前。因为特种检验费用较高，因此在特种检验之前必须知道工件是否合格。
d.辅助工序的安排。辅助工序主要有表面处理、特种检验、去毛刺、去磁、清洗等。
·零件表面处理工序。为了提高零件表面的耐蚀性、耐磨性等而采取的一些工艺措施。主要包括电镀、氮化和喷漆等。一般安排在加工过程的最后。
·特种检验。为了特殊目的而进行的非常规检验。最常用的是无损探伤，例如X射线、γ射线、超声波探伤等用于检验工件内部质量，一般安排在毛坯制造之后、粗加工之前；磁粉探伤、荧光探伤等用于检验工件表面层的质量，通常安排在精加工阶段；密封性检验根据情况而定；平衡检验则安排在工艺过程的最后。
·去毛刺、去磁、清洗等。根据加工过程的具体情况而定。
④工序的集中与分散 在制定工艺路线时，在确定了加工方案后，就要确定零件加工工序的数目和每道工序所要加工的内容。可以采用工序集中原则，也可以采用工序分散原则。
a.工序集中原则。使每道工序包括尽可能多的加工内容，因而工序数目减少。工序集中到极限时，只有一道加工工序。其特点是工序数目少，工序内容复杂，工件安装次数少，生产设备少，易于生产组织管理，但生产准备工作量大。
b.工序分散原则。使每道工序包括尽可能少的加工内容，因而使工序数目增加。工序分散到极限时，每道工序只包括一个工步。其特点是工序数目多，工序内容少，工件安装次数多，生产设备多，生产组织管理复杂。
在制定工艺路线时，是采用工序集中，还是采用工序分散，要根据下列条件确定。
a.生产类型。单件、小批量生产时，采用工序集中原则；大批、大量生产时，采用工序分散原则，有利于组织流水线生产。
b.工件的尺寸与重量。对于大尺寸和大重量的工件，由于安装与运输的问题，一般采用工序集中原则。
c.工艺设备条件。自动化程度高的设备一般采用工序集中原则，如加工中心、柔性制造系统。（5）确定加工余量
要使毛坯变成合格零件，从毛坯表面上所切除的金属层称为加工余量。加工余量分为总余量和工序余量。从毛坯到成品总共需要切除的余量称为总余量。在某工序中所要切除的余量称为该工序的工序余量。总余量应等于各工序的余量之和。工序余量的大小应按加工要求来确定。余量过大，既浪费材料，又增加切削工时；余量过小，会使工件的局部表面切削不到，不能修正前道工序的误差，从而影响加工质量，甚至造成废品。（6）填写工艺文件
工艺过程拟定之后，将工序号、工序内容、工艺简图、所用机床等项目内容用图表的方式填写成技术文件。工艺文件的繁简程度主要取决于生产类型和加工质量，常用的工艺文件有以下几种。
①机械加工工艺过程卡片 其主要作用是简要说明机械加工的工艺路线。实际生产过程中，机械加工工艺过程卡片的内容也不完全相同，最简单的只有工序目录。较详细的则附有关键工序的工艺卡片。主要用于单件、小批量生产中。
②机械加工工序卡片 要求工艺文件尽可能地详细、完整，除了有工序目录外，还有每道工序的工序卡片。工序卡片的主要内容有：加工简图、机床、刀具、夹具、定位基准、夹紧方案、加工要求等。
③机械加工工艺（综合）卡片 对于成批生产而言，机械加工工艺过程卡片太简单，而机械加工工序卡片太复杂且没有必要。因此，应采用一种比机械加工工艺过程卡片详细，比机械加工工序卡片简单且灵活的机械加工工艺卡片。工艺卡片既要说明工艺路线，又要说明各工序的主要内容，甚至要加上关键工序的工序卡片。1.1.3 典型实例：轴类零件典型工艺路线
对于7级精度、表面粗糙度Ra0.8～0.4μm的一般传动轴，其典型工艺路线为：正火→车端面钻中心孔→粗车各表面→精车各表面→铣花键、键槽→热处理→研磨中心孔→粗磨外圆→精磨外圆→检验。
轴类零件一般采用中心孔作为定位基准，以实现基准统一的方案。在单件小批生产中，钻中心孔的工序常在普通车床上进行；在大批量生产中，常在铣端面钻中心孔专用机床上进行。中心孔是轴类零件加工全过程中使用的定位基准，其质量对加工精度有着重大影响，所以必须安排研磨中心孔工序。研磨中心孔一般在车床上用金刚石或硬质合金顶尖加压进行。
对于空心轴（如机床主轴），为了能使用顶尖孔定位，一般采用带顶尖孔的锥套心轴或锥堵，若外圆和锥孔需要反复多次、互为基准进行加工，则在重装锥堵或心轴时，必须按外圆找正或重新修磨中心孔。
轴上的花键、键槽等次要表面的加工，一般安排在外圆精车之后、磨削之前进行。因为如果在精车之前就铣出键槽，在精车时由于断续加工而易产生振动，影响加工质量，又容易损坏刀具，也难以控制键槽的尺寸，但也不应安排在外圆精磨之后进行，以免破坏外圆表面的加工精度和表面质量。
在轴类零件的加工过程中，应当安排必要的热处理工序，以保证其机械性能和加工精度，并改善工件的切削加工性。一般毛坯锻造后安排正火工序，而调质处理则安排在粗加工后进行，以便消除粗加工后产生的应力以及获得良好的综合力学性能。淬火工序则安排在磨削工序之前，如轴类零件的机械加工工艺文件的制定。1.1.3.1 零件的工艺分析
图1-5所示零件是减速器中的传动轴，该零件小批生产。属于阶梯轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用：是使零件装配时有一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。图1-5 某减速器的传动轴简图
根据工作性能与条件，该传动轴图样规定了主要轴颈M、N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q的加工。1.1.3.2 毛坯的选择
该传动轴的材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足要求。本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择ф60mm的热轧圆钢作为毛坯。1.1.3.3 定位基准的选择
合理地选择定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面（Q、P、N、M）及轴肩面（H、G）对基准A—B均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴，所以应选择两端中心孔为基准，采用双顶尖装夹方法，以保证零件的技术要求。
粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆。中心孔加工采用三爪定心卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车端面、钻中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外观做粗基准，先加工一个端面，钻中心孔，车出一端外圆；然后以已车过的外圆做基准，用三爪定心卡盘装夹（有时在上工步已车外圆处搭建中心架），车另一端面，钻中心孔。如此加工中心孔，才能保证两中心孔同轴。1.1.3.4 工艺路线的拟定
①各表面加工方法的选择 传动轴大都是回转表面，主要采用车削和外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级（IT6）较高，表面粗糙度Ra值较小，故车削后还需要磨损，外圆表面的加工方案可为：粗车→半精车→磨削。
②加工顺序的确定 对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。该传动轴加工划分为三个阶段：粗车（粗车外圆、钻中心孔等），半精加工（半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等），粗、精磨（粗、精磨各处外圆），各阶段划分大致以热处理为界。
轴的热处理要根据其材料和使用要求确定。对于传动轴，正火、调质和表面淬火用得最多。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，并精车各外圆之前。
综合以上分析，传动轴的工艺路线如下：下料→车两端面，钻中心孔→粗车各外圆→调质处理→修研中心孔→半精车各外圆，车槽，倒角→车螺纹→划键槽加工线→铣键槽→修研中心孔→磨削→检验。
定位基准面中心孔应在粗加工之前加工，在调质处理之后和磨削之前，各需安排一次修研中心孔的工序。调质处理之后修研中心孔的目的是消除中心孔的热处理变形和氧化皮；磨削之前修研中心孔是为了提高定位基准面的精度，减小锥面的表面粗糙度。
拟定传动轴的工艺过程时，在考虑主要表面加工的同时，还要考虑次要表面的加工。在半精加工ф52mm、ф44mm和M24外圆时，应车到图样规定的尺寸，同时加工出各退刀槽、倒角与螺纹；三个键槽应在半精车后及磨削之前铣削加工出来。这样既可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏已精加工的外圆表面。在拟定工艺规程时，应检验工序的安排、检查项目及检验方法的是否已确定。1.1.3.5 轴类零件的检验（1）加工中的检验
自动测量装置作为辅助装置安装在机床上，这种检验方式能在不影响加工的情况下，根据测量结果，主动控制机床的工作过程，如改变进给量，自动补偿刀具磨损，自动退刀、停刀等，是指适应加工条件的变化，防止产生废品，故又称为主动检验。主动检验在线检测，即在设备运行、生产不停顿的情况下，根据信号处理的基本原理，掌握设备运行状况，对生产过程进行预测预报及必要调整。目前，在线检测在机械制造中的应用越来越广。（2）加工后的检验
单件小批生产中，尺寸精度一般用外径千分尺检验；大批大量生产时，常采用光滑极限量规检验，长度大而精度高的工件可用比较仪检验，表面粗糙度可用粗糙度仪进行检验；要求较高时可用光学显微镜或轮廓度仪检验。圆度误差可用千分尺测量出的工件同一截面直径的最大差值之半来确定。也可用千分尺借助V形铁来测量，若条件许可，可用圆度仪检验。圆柱度误差通常用千分尺测出同一轴向剖面内最大与最小值之差来确定。主轴相互位置精度检验一般以轴两端顶尖孔或工艺锥堵上的顶尖孔为定位基准，在两支承轴颈上方分别用千分表测量。1.2 预备热处理的分类与特点
热处理工艺是指将钢通过加热、保温和冷却等过程来改变钢的内部组织结构，以满足工件加工和使用要求的加工方法。热处理工艺的制定应依据钢的相图和等温冷却曲线，因此钢在加热和冷却过程中的组织转变规律是制定热处理工艺参数的重要依据。
根据零件的热处理技术要求不同，其热处理的方法有很大的差异，但热处理的目的就是获得需要的组织结构和性能，下面介绍钢的预备热处理分类与特点。
预备热处理是指经过冶炼、铸造、锻造、轧制、冲压和挤压等工艺手段生产的钢材或毛坯及半成品等，为了改善其力学性能和后续加工工艺而实施的热处理技术。
预备热处理的作用包括消除上道工序的缺陷（如均匀化退火可以消除铸造偏析，去应力退火可以消除锻造后应力，去氢退火可以消除大件氢等）、为下道工序做准备（如完全退火可降低中碳钢硬度，正火可提高低碳钢硬度，便于机械加工）以及为最终热处理做组织准备（如调质处理）。
钢的正火与退火主要用于处理工件毛坯，为以后切削加工及最终热处理做准备，故正火与退火通常称为预备热处理。对一般铸件及性能要求不高的工件，正火与退火可作为最终热处理。可见预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。1.2.1 钢的退火和正火
退火是指将钢加热到一定温度以上（A或A），保温一定时间，c3c1随后缓慢冷却（一般随炉冷却），以获得平衡状态组织的热处理工艺。而正火则是加热到更高温度（A或A）以上，在空气中冷却或进c3ccm行风冷、喷雾冷却等，可以看作退火的特例。退火和正火是目前应用最为广泛的预备热处理工艺，个别不重要的产品常把正火作为最终的热处理，图1-6为正火冷却方式类别。图1-6 各种正火工艺的冷却方式1.2.1.1 退火和正火的目的
同样作为钢铁零件的预备热处理工艺，退火和正火的区别在于加热温度和冷却方法的不同，考虑到两者处理的目的存在差别，为了便于比较两者的差异，现将退火和正火的性能列于表1-1中供参考。表1-1 退火工艺和正火工艺性能的对比
关于具体零件的退火或正火的工艺选择，应根据以下几个方面分析确定。
①从材料的切削加工性能上分析，应便于进行机械加工。零件硬度在170～230HBW范围内的零件，其车、铣、刨、磨等切削加工性最好，一般而言，作为预备热处理，通常低碳钢选择正火处理，而高碳钢则进行退火处理。
②从使用和受力情况等角度分析，对亚共析钢制造的零件，正火后的力学性能高，如零件要求性能不高，采用正火作为最终热处理；而对于复杂的零件，为防止开裂和出现性能不足，建议采用退火为宜。
③从经济性考虑，零件需要热处理时，通常考虑选择热处理成本低、周期性短、操作方便的工艺方法，在选择合适的热处理设备的同时，应优先采用正火处理工艺。
④从零件最终热处理方面考虑，为了减小热处理淬火后的变形和开裂倾向，可选择正火处理工艺，正火组织有助于加快奥氏体的形成和碳化物的溶解，常作为快速加热淬火的预备热处理。
钢退火与正火后均为珠光体型组织，但正火是十分经济的工艺，得到细片状的珠光体。通常作为预备热处理，为最终热处理做好金相组织准备，作为正火可看作特殊的退火方式。1.2.1.2 退火的分类和作用
根据退火加热温度及退火过程中所发生组织转变的不同，可分为完全退火、不完全退火、低温退火、球化退火、扩散退火、等温退火等，各种退火的加热温度和区域见图1-7。图1-7 各种退火的加热温度和区域示意图（1）完全退火（或称重结晶）
适用于亚共析钢（中碳钢和合金结构钢），其加热温度为A+（30～50）℃，退火后组织为铁素体+珠光体，该工艺可明显改c3善亚共析钢热锻、热轧、焊接或铸件所出现的粗大组织，消除组织应力和组织缺陷，降低硬度，便于力学加工，提高钢的力学性能等。对其进行重新加热和缓冷，则可实现上述技术要求。常见结构钢的退火温度和硬度见表1-2。表1-2 常见结构钢的退火温度和硬度（2）不完全退火
适用于亚、过共析钢（亚共析钢温度为A～A，过共析钢温度c1c3为A～A）退火，使珠光体转变为奥氏体，但其组织未完全奥氏c1ccm体化，可消除热加工后锻轧内应力，降低硬度和提高韧性，改善切削加工性，但无法改变二次渗碳体或过剩铁素体的形状与大小，因而仅用于改变珠光体组织，一般主要用于过共析钢。（3）低温退火（去应力退火或高温回火）
适用于经冷加工变形后的钢材，退火温度在A以下，通常为500c1～650℃。其特点为：没有组织的转变，通过再结晶后消除内应力，稳定尺寸，防止变形和开裂，降低钢的硬度、强度和脆性，提高韧性和塑性。对铸件采用520～550℃；对焊接件采用620～650℃；对切削加工件采用650～680℃。需要指出的是：作为需进行氮碳共渗处理的进、排气门，在粗加工后必须采取氮化前退火，以消除车削和磨削等机械加工应力，减小氮化过程中的变形，这是十分关键的工序。由于可消除焊接件和铸件的内应力，故又称去应力退火。（4）球化退火
适用于使高碳工具钢（碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢）获得球状（颗粒）珠光体的热处理工艺，球化退火温度一般为A+（20～30）℃。主要用于共析钢和过共析钢零件的退火处理，c1具有降低零件硬度，改善切削加工性能，获得细化的球状珠光体晶粒的特点，但不宜出现长大和过热现象，组织可均匀变形。球化退火按照加热温度和长短分为四种：①一次球化退火，可看作不完全退火；②一次等温球化退火，实质上是共析钢和过共析钢的等温退火；③循环球化退火，适用于粗片状碳化物的球化，但很少采用；④低温球化退火。当存在网状碳化物时，要先正火消除网状碳化物，然后进行球化退火。图1-8为球化退火工艺的冷却方式。图1-8 球化退火工艺的冷却方式（5）扩散退火
指加热到A+（150～250）℃，其目的在于改善或消除合金铸c3锭、铸件、高合金钢锭和铸件中存在的严重的“偏析”化学成分、组织和性能的不均匀性，属于均匀化退火，即在高温下通过扩散而得到均匀化。（6）等温退火
指加热到A+（30～50）℃，保温后快冷到A以下某一温度，c3r1在此温度等温到奥氏体全部分解，然后随炉冷却得到珠光体组织。适合于亚共析、过共析等中、高合金钢大型铸件和锻件的批量退火处理。等温退火具有时间短、生产效率高、组织和性能比较均匀一致、硬度较低等特点，几种常见工具钢的等温退火工艺见表1-3。表1-3 常见工具钢的等温退火工艺
可看作特殊退火的正火是：将工件加热到A或A+（30～c3c350）℃，保温一定时间后快速冷却，如空冷、鼓风冷却、喷雾冷却、油中或水中冷至相变点以下，得到细片状珠光体组织（索氏体），获得较高的硬度和强度等。对于低碳钢而言，通常采用正火来代替退火，其组织比退火好。中碳钢获得细的珠光体组织可保证在淬火过程中较其他组织产生裂纹和变形的倾向小，因此多用于预备热处理，对高碳钢主要用来消除网状碳化物。常见结构钢的正火温度及硬度见表1-4。表1-4 常见结构钢正火温度及硬度
对于合金钢的退火加热温度，考虑到合金元素在钢中的作用，结合化学成分的影响，通常使钢的奥氏体化温度升高，因此常采用比较高的加热温度；加热时间的影响同样如此，加热时间包括升温时间和保温时间两部分，如升温太快，势必造成晶粒的不均匀长大，一般要求工件的保温时间占总加热时间的1/3～1/2或1/5～1/4，确保工件的透烧，即奥氏体的形成、碳化物溶解和成分的均匀化。1.2.2 钢的调质处理
调质处理是指将钢材或钢件进行淬火+高温回火的复合热处理工艺，用于调质处理的钢称为调质钢，它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质处理。
调质处理（Quenching and Tempering）广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后可获得均匀细致的回火索氏体组织，它的力学性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度，并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在200～350HBW之间。
应当注意到调质处理可为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形做准备，故调质也可作为预备热处理。由于调质后零件的综合力学性能较好，对某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作为最终热处理工序。
对于需要进行渗氮、氮碳共渗的工件，选用的材质为中、高合金超高强度钢、渗氮钢等，为确保其要求的性能与尺寸稳定性，其在机械加工前进行调质处理，以获得良好的组织与性能，同时要注意高温回火的温度应不低于渗氮、氮碳共渗的温度，否则会造成工件基体硬度的降低，影响其使用要求与工作条件。1.3 最终热处理的特点1.3.1 钢的淬火和回火的特点1.3.1.1 钢的淬火
钢的淬火是指将钢加热到临界点A或A以上某一温度，经保温c3c1后急速冷却，以获得马氏体组织的工艺方法，淬火后的组织主要为马氏体，还有少量残余奥氏体。此时钢的硬度很高而塑性很低，需经回火后才能使用。加热温度是根据钢的化学成分来确定，一般亚共析钢的加热温度为A+（30～70）℃，共析钢和过共析钢为A+（30～c3c170）℃。（1）淬火目的
①提高零件的力学性能，如强韧性、耐磨性和弹性等，又如提高工具和轴承的硬度和耐磨性，弹簧钢板获得优良的弹性，轴类零件提高其综合力学性能等。
②改变钢的物理、化学性能，增加磁钢的永磁性，提高不锈钢的耐腐蚀性等。（2）钢的淬火温度的选择
具体钢铁零件淬火温度的确定，除了考虑该钢的化学成分外，还要分析以下几个因素：①零件的尺寸和形状；②硬度、变形量的具体要求；③奥氏体晶粒长大的倾向；④采用的加热介质和淬火方式；⑤冷却介质的选择等。（3）常用的加热设备和加热介质
零件的热处理离不开提供热源的热处理炉，一般分为井式电阻炉、箱式电阻炉、燃气炉、盐浴炉、流动粒子炉、可控气氛炉、真空炉等，其加热的传递方式为传导、对流和辐射。各种加热设备的介质为空气、燃料气、熔盐、流动粒子、保护气氛、真空等。
任何零件经热处理后，应符合零件变形小、表面基本无氧化脱碳的要求，其中熔盐是把中性盐如BaCl、KCl、NaCl等单独或按一定2比例混合熔化，依靠熔盐的温度来将零件加热到淬火温度，其特点为零件在盐浴中加热，不与空气接触，故减少了氧化脱碳的概率，由于氯化盐中含有结晶水和某些杂质，在高温下生成氧化物，因此盐浴要定期加入盐浴校正剂。常见盐浴加热的介质及使用范围见表1-5。表1-5 常见盐浴加热的介质及使用范围
一般电阻炉的加热介质为空气，为防止氧化脱碳，采用木炭保护或涂料保护；燃气炉加热介质为煤气、天然气等，其主要成分为CO、CH，燃烧的产物为CO、O。因此应控制燃料气与空气的比422例，减少氧化脱碳现象的发生。
保护气氛是加热时通入的特定成分的气体，使炉内形成还原性气氛，保护零件表面无氧化脱碳，在生产中通过调整CO/CO或HO/H222的比值实现无氧化脱碳加热。目前的网带炉大多采取将甲醇、丙酮、煤油、苯等碳氢化合物滴入炉内，保护零件的表面。也有的采用向炉内通入高纯氮气的方法，均取得了令人满意的效果。
真空炉的出现从根本上解决了困扰零件表面氧化的难题，密封的真空室内的气体被机械泵和增压泵抽出，炉内压力低于大气压（称为负压），此时内部残余水分和氧气对零件不足以产生氧化脱碳，因此对于要求表面状态光亮、无氧化的重要和关键零件，建议首选真空炉处理。（4）钢的淬火方法和冷却介质
根据零件的化学成分、形状、尺寸及要求的力学性能不同，可采用不同的淬火方法，每种钢有其固定的C曲线，冷却介质决定了淬火后的金相组织和力学性能。因此在获得马氏体的条件下，应使冷却速度尽可能低，理想的冷却曲线见图1-9。图1-9 钢在理想淬火介质中的冷却速度示意图
选择合适的淬火介质显得尤为重要，它决定了零件淬火后的组织和性能。冷却能力是指淬火介质与零件表面热量的交换能力，其大小同介质的组成及物理和化学性能有关。
每一种钢都有其C曲线，为了控制非马氏体转变的产生，需要冷却介质在C曲线的“鼻子尖”附近（550～650℃）快冷，即过冷奥氏体在此区域分解最快，此处应具有最强的冷却能力，而在M点附近s冷却性能尽量缓慢，以免产生过大的组织应力，防止出现工件的淬火变形和开裂。淬火临界区和危险区见图1-10。图1-10 淬火临界区和危险区
从图1-10可知，有两个需控制的温度区域，一个是快冷后得到马氏体的临界区域，另一个为产生淬火裂纹危险的低温区。在M点以s下A转变为M，比体积变大、体积膨胀，该过程中组织应力及宏观的热应力共同作用，使工件产生了变形，个别甚至开裂而成为废品。
①常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等，常见淬火介质的冷却能力见表1-6。表1-6 常见淬火介质的冷却能力
②水及其溶液、油等冷却介质的性能和特点。
a.水。在零件的热处理过程中，水作为一种常用的淬火介质具有安全环保、无污染，成本低廉、更换方便、易于获得以及物理和化学性能稳定等优点。水存在以下不足：马氏体转变区（低温区即300℃左右）冷却速度太快，极易造成零件的变形和开裂；水温升高后，则冷却能力逐渐降低；水中有杂质、油等则明显影响冷却性能，由于碳钢的淬透性差，故常用作碳钢的淬火介质，对于既要求有高的硬度，又确保零件不开裂的碳钢或低合金结构钢，应采用水淬油冷的工艺方法。
b.盐水。将一定量的氯化钠溶解于水中，即配制成了盐水溶液。热处理生产过程中盐水浓度为5％～15％，在650～550℃具有最大的冷却速度，而在低温区相当于自来水的冷速。但盐水在200～300℃之间的冷却速度仍然太大，会产生较大的相变应力，造成零件的变形。根据零件要求的硬度，一般盐水的温度通常控制在20～40℃范围内，当超过60℃时，冷却能力急剧下降，无法实现零件的冷却。
c.碱水溶液。5％～15％的苛性钠用于对淬透性低的碳钢和易变形及开裂工件的淬火。其特点为：在低温区域与盐水冷却速度相当，氧化皮易于脱落，工件表面清洁。其不足为：若使用温度提高，其冷却能力降低。通常推荐的工作温度为20～60℃，多用于淬透性较差的碳素钢，一般经处理后，工件的变形小，开裂倾向低。
d.油。油是十分重要的热处理冷却介质，为满足零件热处理工艺的要求，常选用矿物油作淬火介质，但其必须具有下列特点：闪点和燃点高，安全可靠；黏度较低，可减少热损失；性能稳定，不易老化；在珠光体或贝氏体的转变区有足够的冷却速度。
在实际过程中，为了改善油的冷却性能，通常采用对淬火介质在工作时搅拌或加入部分添加剂的方法，添加物粘在工件的表面，成为蒸汽泡的质点，改变了膜破裂的温度，提高了冷却能力，使油在较高的温度区仍有高的冷却性能。下面介绍零件在热处理过程中常用冷却用油。
·机械油。机械油流动快，传热效果好，随着温度的提高则冷却能力增强，但当油温超过80℃后，冷却能力将明显下降，因此，应在热处理过程中严格控制淬火后的油温。
·普通淬火油。为了克服机械油冷却能力低、易氧化和老化的缺点，将石蜡基润滑油馏分精制后，加入催冷剂、抗氧化剂和表面活性剂等配成的淬火油，用作轴承钢和工模具钢、要求冷却速度的大型调质件和渗碳件的淬火介质。
·光亮淬火油。工件在油中淬火后表面发黑，为了保证可控气氛加热后的工件无氧化脱碳，真正实现光亮淬火，采用净化处理方法，加入去掉灰分的物质、抗氧化剂和光亮剂，多用于中小截面的轴承钢、工模具钢及工具钢的淬火介质。
·真空淬火油。为保持真空处理后工件的光亮，所用的淬火油应44在1×10～5×10Pa真空度下正常工作，无蒸发现象，因此其必须具有如下特性：饱和蒸汽压低；无污染；冷却能力强；工件光亮、热稳定性好；使用寿命长。采用该介质可使淬火后的零件表面光亮、变形小、硬度均匀、耐磨性好，因此用于要求变形小的轴承、工模具及结构钢等零件的淬火，缺点为成本高，目前国产真空油有ZZ-1、ZZ-2等几种型号。
·等温、分级淬火油。在较高的状态下使用此类淬火油，其工作温度在100～250℃，具有闪点高、挥发性小、安全可靠等特点。在高温下具有强的冷却性能，而在低温下具有缓慢的冷却效果。在60℃以上有很好的流动性。通常等温和分级淬火使用硝盐和碱浴，存在清洗困难、污染环境等缺陷。
③盐浴和碱浴、硝盐浴等冷却介质的特点及应用。
为了保证钢中的奥氏体淬火后转变为马氏体，碳钢的淬透性差，常采用水或水溶液作为冷却介质，而合金钢使用油，为减少变形和开裂倾向，碱浴和硝盐浴多用于碳钢及低合金钢的分级及等温淬火；氯化盐则适合于高速钢等材料的分级淬火。
a.盐浴、等温分级淬火硝盐浴。氯化盐低温盐浴用于高速工具钢的分级冷却，其成分多为氯化钡、氯化钠和氯化钾等混合物。硝酸盐（NaNO和KNO）和亚硝酸盐（NaNO和KNO）以不同比例混合，3322可得到不同熔点和不同冷却能力的硝盐浴，用于合金工具钢和模具钢的淬火，具有工件变形小、硬度高、不易开裂的特点。表1-7为低温氯化盐浴淬火介质的成分及使用温度，表1-8为硝酸盐浴的组成及工作温度。表1-7 低温氯化盐淬火介质的成分和使用温度表1-8 硝酸盐浴的组成及工作温度
b.碱浴。其具有较大的冷却能力，淬火后的工件表面呈银灰色，洁净，如加入水则可显著降低其熔点，提高了冷却速度。该碱浴的缺点为有较强的腐蚀性，对皮肤有损坏，因而现场要加通风装置，赤热的工件浸入后，碱液会剧烈沸腾、飞溅，主要用于碳钢的淬火。表1-9为常见的几种碱浴配方与特性。表1-9 常见碱浴的配方与特性
c.盐与碱、硝盐的混合液。其用于工件的淬火发蓝处理，处理后具有变形小、光洁度好和一定的抗锈蚀能力。多用于形状复杂、要求变形小的碳素工具钢、渗碳钢、工具钢和合金钢等淬火。对于该类介质，如果对溶液加以循环，具有提高冷却能力的作用，产品质量得到保障。同时流动性好，使用温度范围宽，高温下冷却速度快，用作分级、等温淬火，低温下冷却缓慢，要求变形小、形状复杂的工模、模具钢的淬火介质。盐浴中盐和碱的含量比例可适当调整，亚硝酸钠对氧化膜的生成和外观质量影响较大，如含量高则氧化膜薄、抗锈蚀能力减弱；含量降低则因氧化膜增厚、氧化层疏松而易剥落。表1-10为实际生产中几种常见碱浴和硝盐浴配比及特点。表1-10 常见碱浴和硝盐浴配比及特点
④常用的淬火方法。
为了使零件得到要求的硬度和性能，满足实际需要，工件加热后要选择合适的淬火方法，即实现零件的淬火硬化而又不开裂，将零件以大于其临界冷却速度在临界区急冷，同时又在危险区（低温区域）应慢冷，这种先快后慢的冷却方法可确保工件的技术要求和零件变形小、无开裂现象。在淬火过程中，为了减少零件的变形和避免开裂，要正确进行加热温度、保温时间、淬火方法和淬火介质的选择，同时应充分考虑到零件的化学成分、结构尺寸和形状、具体的技术要求等，另外，零件浸入淬火介质的方法也显得尤为重要，常见工件的淬火方式见图1-11，一般常用的淬火方法的冷却曲线见图1-12。图1-11 常见工件淬火方式示意图图1-12 各种淬火方法的冷却曲线a—单液淬火；b—双液淬火；c—分级淬火；d—等温淬火
a.单液淬火法。也称为普通淬火法，是指将钢加热到淬火温度，保温后在单一淬火介质中一直冷却到室温的热处理方法，见图1-12中曲线a，淬火介质一般为水或水溶液、油、空气等。其优点是操作简单，适用于形状不复杂、无尖锐棱角、截面无突变的简单形状工件。该工艺既适于用淬透性差的低碳钢、中碳钢等零件的淬火，也可用于淬透性好的合金钢和高合金钢等零件的热处理。
b.双液淬火法。又称断续淬火法，指将钢加热到奥氏体状态后首先淬入冷却能力较强的介质中，快速冷却到M以上温度（300℃左s右），使其不发生组织转变，然后转入冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却速度下转变为马氏体，见图1-12中曲线b。即将加热后的零件在两种介质中进行冷却处理，以获得需要的组织和性能。通常双液介质有水-油、水-空气、油-空气、油-盐浴、盐浴-空气等，该类淬火工艺可明显减少零件的变形和开裂。如在水淬油冷的过程中，一定要控制好零件在水中的冷却时间，它对零件的淬火质量至关重要，尤其适用于高碳工具钢、大型低合金钢等零件的淬火处理。
c.分级淬火法。也称分段淬火法，是指将加热到奥氏体的零件淬入稍高或稍低于M点的熔盐浴槽内，使工件快速冷却到M点左右冷ss却，停留一段时间，使零件的表面和心部达到介质的温度，但不发生相变，随后取出，在空气中或油中缓慢冷却，使过冷奥氏体逐渐转变为马氏体，见图1-12中曲线c。一般在150～260℃的硝盐浴、碱浴或盐浴中进行，此时马氏体的转变完全在空气中进行，200℃左右零件产生的热应力比双液淬火的小，恒温几分钟可使一部分奥氏体空冷形成马氏体。产生的组织应力小，防止了工件的开裂。需要注意：稍高于M点的分级淬火适用于尺寸较小的合金钢、碳钢和工模具钢等零s件；稍低于M点的分级淬火用于尺寸较大和淬透性较差的钢种。s
d.等温淬火法。将零件加热到奥氏体状态，然后零件以大于临界冷却速度淬入贝氏体转变区温度介质中，保温一段时间完成贝氏体转变；也可淬入M点稍上温度的热浴（盐浴或金属浴）中停留一段较s长时间，使过冷奥氏体保温转变为马氏体组织，发生相变后在空气中冷却的淬火方法见1-12中曲线d。前者称为贝氏体等温淬火，后者为马氏体等温淬火。通常该工艺用于形状复杂、要求变形小、具有较高硬度和冲击韧性的工具和模具，以及含碳量大于0.6％的碳钢制造的零件等。1.3.1.2 钢的回火
回火指将淬火钢加热到A以下某一温度，保温一定时间，然后c1冷却到室温，使不稳定组织转变为较稳定组织的热处理工艺。钢淬火后的组织为淬火马氏体，硬度高、脆性大、尺寸不稳定，有很大的内应力，易于开裂，故无法正常使用，因此必须经过回火处理，以获得要求的硬度、组织和性能等。（1）回火的目的
回火的目的为：①减少或消除零件的淬火内应力；②适当降低硬度，提高钢的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能；③稳定组织，使零件尺寸在长期使用过程中不发生组织变化和保持精度；④改善加工性能，避免磨削加工时开裂现象的发生。（2）回火的种类
按加热的温度高低将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种，回火后的冷却方式通常为空冷。
①低温回火 回火温度在150～250℃，回火后使淬火马氏体转变为回火马氏体，既保证了工件的高硬度，又提高了塑性和韧性，同时降低了淬火应力。保持高硬度的刃具、量具、冷变形模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件、碳氮共渗件和高强度钢等多采用该回火工艺。
②中温回火 回火温度在350～500℃，回火后的组织为回火托氏体，硬度在35～45HRC，其目的是获得高弹性和足够的硬度，同时保持一定的韧性。多用于机械零件、各种标准件、弹簧以及某些热锻模具的回火。为了消除铬钢、铬锰钢、硅锰钢和铬镍钢的回火脆性，如40Cr、45Mn2等，在回火后应在油中或水中快冷。
③高温回火 回火温度在500～650℃，该工艺也称调质处理，回火后的组织为细致、均匀的回火索氏体，具有较低的硬度、强度和较高的塑性和韧性，即获得综合的力学性能，达到较高强度和韧度的良好配合。多用于在受冲击、交变载荷下工作的零件，用于制作各种重要的结构件。广泛应用于汽车、拖拉机、机床等零件，如半轴、连杆、螺栓、曲轴、主轴和凸轮轴等轴类零件和各种齿轮等。另外，也可为零件表面淬火、渗氮、碳氮共渗等预备热处理做组织上的准备。1.3.2 钢的冷处理与时效处理的特点（1）钢的冷处理
冷处理是指工件淬火后或回火后继续深冷到0℃以下某一温度，使在室温尚未转变的残留奥氏体继续转变为马氏体，待整个工件冷透后，于空气中缓慢回升到室温的热处理工艺，处理时间一般保温1～3h。其适用高碳碳素钢和高碳合金钢制作零件，可提高尺寸稳定性与耐磨性，防止磨削裂纹，减少变形，以及提高工件的磁性等。一般而言，冷处理后金相组织中残留奥氏体的体积分数不大于1％～2％。
根据处理温度的不同，冷处理分为冰冷处理（-80～0℃）、中冷处理（-150～-80℃）和深冷处理（-200～-150℃）三种。生产中经常采用的制冷方法有：干冰（固体二氧化碳）；干冰+酒精（或丙酮、汽油等）；氨或甲醇、压缩的液体空气等。按照冷处理目的、零件类别以及结构复杂程度、技术要求等不同，冷处理在工序安排也有不同，通常冷处理包括三种类型。
①淬火→冷处理→低温回火。
②淬火→低温回火→冷处理→低温回火。
③淬火→冷处理→低温回火→冷处理→时效。
对于精度与尺寸稳定性要求高的量具、标准硬度试块、刀具、轴承、精密滚轴丝杠、套圈、柴油机针阀体等，都需要进行冷处理，其目的是降低残余奥氏体量，避免残余奥氏体的稳定化。（2）钢的时效处理
由于工件经过多工序加工，其内部存在残留应力与不稳定组织，经过长时间存放或使用而自然改变其性能与尺寸形状的现象，称为时效。故为保持性能与尺寸稳定，通常在精加工前进行快速的人工时效处理。可见时效处理的主要目的是消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力与热应力，减少变形开裂和稳定组织的工艺方法。
时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力与热应力，为避免过多运输工作量，对于一般精度的零件，在精加工前安排一次时效处理即可。但对精度要求较高的零件（如坐标镗床的箱体等），应安排两次或数次时效处理工序。简单零件一般可不进行时效处理。除铸件外，对于一些刚性较差的精密零件（如精密丝杠、精密滚动轴承、精密量检具和非铁金属及其合金的精密零件等），为消除加工中产生的内应力，稳定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理。有些轴类零件加工，在校直工序后也要安排时效处理。对于模具钢而言，为防止模具冷却过程中因应力过大而开裂，在油中冷却一定时间后，需要立即放入一定温度的时效炉内保温加热。
零件时效处理分人工时效与自然时效，其工艺方法包括以下几种。
①精密零件的人工时效工艺，是在110～150℃温度下，经过长时间的保温后在空气中冷却。如对于精度和尺寸稳定性要求高的量具等，在淬火、回火及精磨后，要在110～150℃保温6～36h进行时效处理，其目的是使马氏体继续析出碳化物，降低其正方度，使残余奥氏体稳定化，并消除残余应力；在精磨后研磨前进行时效处理，可消除精磨时产生的磨削应力，进一步提高尺寸与组织的稳定性。
②铸件的人工时效在530～570℃温度下进行长时间的保温，其目的是稳定铸造组织和消除内应力，比较常见的铸铁件为机床床身、压力机等。
铸造件的人工时效分为三种。
a.铸造→机械粗加工→人工时效→机械精加工。
b.铸造→机械粗加工→人工时效→机械半精加工→人工时效→机械精加工。
c.铸造→机械粗加工→自然时效。1.4 机械零件表面强化工艺及其特点1.4.1 渗碳与碳氮共渗
钢的渗碳是指将低碳钢零件放在富碳气氛的介质中进行加热（温度一般为880～950℃）保温，使活性碳原子渗入零件表面，从而提高表层碳浓度的过程，零件的表面被碳所饱和而获得高碳的渗层组织。（1）渗碳的过程及作用
渗碳是将钢件放入渗碳介质中加热和保温，使碳原子渗入零件表面的化学热处理工艺。渗碳对于在交变载荷、冲击载荷、较大接触应力和严重磨损条件下工作的机器零件如齿轮、活塞销和凸轮轴等，在工作过程中要求其工作面必须具有高的耐磨性、疲劳强度和抗弯强度，心部具有足够的强度和韧性，采用渗碳工艺处理后，可满足其性能要求，因此渗碳不仅改变了材料表面的特性，更为零件使用寿命的提高提供了有力的保障。
从钢的渗碳过程和形式来分析，钢的渗碳过程通常分为三个基本阶段：渗碳介质的分解→钢件对碳原子的吸收→碳原子的扩散，渗碳典型工艺曲线见图1-13。图1-13 井式炉气体渗碳典型工艺曲线
气体渗碳的全过程包括分解、吸收和扩散三个基本过程，以齿轮在井式渗碳炉渗碳为例加以介绍，最常见渗碳剂为煤油。
分解阶段是指渗碳剂通过反应，形成了渗入钢表面的活性碳原子。通常煤油在渗碳温度920～940℃时，分解后产生如CO、CH、4CH、CH、H、CO、O、N等气体，其中CO为弱渗碳气体，n2n+2n2n2222而CH则为强渗碳气体，高温下会在零件表面进一步分解，形成渗入4能力很高的活性碳原子［C］。
吸收阶段为活性碳原子被零件表面吸附、吸收的过程，钢临界点以上所形成的奥氏体具有较大的溶解碳的能力，超过碳原子吸收能力时，会在零件表面堆积而形成炭黑，影响渗碳的正常进行，严重的甚至会造成炉罐的导热性差及电热体的短路等。
扩散阶段为已被吸收的碳原子向零件内部扩散渗入，由于表面吸收了活性碳原子，故碳浓度提高，造成零件内外产生碳的浓度差，使碳原子从浓度高的区域向低的区域扩散，形成渗碳层。
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