1　结构钢（碳素钢、强韧钢）
　　1.1　机械结构钢的分类
　　机械结构钢是经淬火回火获得高强韧性的钢类。机械结构钢广泛用于各种汽车零部件和机械部件，是特殊钢中产量最大的钢类。机械结构碳素钢（JIS　G4051、23个牌号）的C含量在0.10%-0.60%。C含量是决定钢热处理后性能的主要因素。所以对机械结构碳素钢的C含量进行细分，以便根据应用目的选择适宜的机械结构碳素钢。机械结构碳素钢中不含高价的合金元素，因此价格低廉，广泛用做螺栓、齿轮、轴类等机械零部件材料。但是机械结构碳素钢的淬透性较低，在制作大型部件时常常产生不完全淬火组织。
　　在制作要求保证淬透性的部件时，应采用机械结构合金钢（JIS　G　4053、40个牌号）。机械结构合金钢是在C含量0.10%-0.50%的机械结构碳素钢的基础上，添加Cr、Mo、Ni等合金元素的钢。对机械结构合金钢进行淬火回火，可使之具有高强度和良好韧性。所以说，机械结构合金钢是强韧钢。Mn钢和Mn-Cr钢是添加比较廉价的Mn、Cr合金元素提高淬透性的钢。添加1%Cr的Cr钢和添加1%Cr、0.2%Mo的Cr-Mo钢不仅提高了淬透性，而且提高了回火硬度。Ni-Cr钢和Ni-Cr-Mo钢在提高淬透性的同时，由于Ni的添加，提高了钢的低温韧性。
　　1.2　机械结构钢的淬火
　　机械结构钢淬火的目的是，使钢的组织成为马氏体，实现部件硬质化。为了获得马氏体组织，要将钢加热到奥氏体化后进行急冷。机械结构钢的奥氏体加热温度（淬火温度）是高于A3点50-100℃的温度。淬火温度升高，可缩短奥氏体化的时间，但淬火温度越高或保温时间越长，奥氏体晶粒越粗大，钢材的韧性越差。为了保证要求的韧性，应对淬火温度和保温时间进行合理设定。
　　处理的部件越大（例如圆棒工件的直径越大），淬火时部件中心的冷却速度越小，部件中心将不能形成马氏体组织（未淬透），这叫做质量效应。由于不同牌号机械结构钢的淬透性不同，因质量效应，淬火工件中心处获得马氏体的最大直径也不同。添加提高淬透性元素的机械结构合金钢的最大有效直径大于未添加合金元素的机械结构碳素钢。机械结构碳素钢的淬透性低，在用于大型部件时，会出现未淬透的现象。所以，大型部件多采用淬透性高的机械结构合金钢。
　　1.3机械结构钢的回火
　　淬火得到的马氏体强度高但韧性差。为使淬火部件获得要求的韧性，需对淬火后的部件进行加热到A1点以下适当温度的回火处理。
　　回火温度对淬火回火钢各力学性能的影响如图1所示。随回火温度升高，钢的抗拉强度下降，伸长率升高。冲击值也随回火温度升高而升高，但回火温度为300℃左右时，冲击值下降，这是低温回火脆性。为避免低温回火脆性的发生，一般将回火温度设定为150-200℃（低温回火）或400℃以上（高温回火）。对于强调高硬度、高强度的部件，要采用低温回火，强调韧性的部件，要采用高温回火。
　　添加合金元素的机械结构合金钢在进行500℃以上的回火时，会产生韧性下降的高温回火脆性。高温回火脆性起因于P等杂质在原始奥氏体晶界的偏析。钢在P等容易发生偏析的500℃左右保温或缓冷时，韧性会下降。Ni、Cr、Mn促进杂质的偏析，所以合金钢会产生高温回火脆性。合金钢在进行550℃以上的回火处理时，采用炉冷（缓冷），钢的韧性下降，但采用水冷（快冷）钢的韧性不下降。对于机械结构合金钢来说，为保证钢的良好韧性，应避免进行500℃左右的回火，并且在进行500℃以上高温回火时，应采用快冷（水冷、油冷）的冷却方式。
　　机械结构合金钢中合金元素的添加对回火中碳化物析出和长大速度产生影响，减缓了回火引起的硬度下降（抗回火软化性）。除了Cr，添加Si、Mo、Mn也可以提高钢的抗回火软化性。
　　1.4　机械结构钢的高频淬火
　　高频淬火是用高频感应加热的方法，在短时间内，将处理品表面加热到淬火温度，然后对表面喷水进行淬火的热处理方法。高频淬火方法可以进行局部淬火，即可以利用加热线圈的形状，只对要求硬化的部位进行淬火。高频淬火适用于与其他部件接触的齿轮和承受扭转应力的轴类等部件的表面处理。与渗碳和氮化相比，高频淬火可以用极短时间使处理品表层硬质化。由于是短时间加热使钢表面奥氏体化，所以高频淬火的加热温度比工件整体淬火温度高出50℃左右。高频淬火表层硬度取决于钢中的C含量。所以在进行高频淬火时，应根据工件用途，选择C含量适宜的钢种，以获得要求的表层硬度。
　　2　结构钢（渗碳钢、渗氮钢）
　　2.1　渗碳钢
　　2.1.1渗碳处理
　　渗碳处理是将钢在含有大量碳的气体、液体、固体的氛围中保温一定时间，使碳渗入钢表面的处理方法。在工业应用渗碳处理中，从生产效率和生产成本的角度考虑，主要采用气体渗碳方法。一般情况下，渗碳处理后要进行淬火回火处理，以获得要求的性能。
　　一般用于渗碳处理的钢是C含量为0.2%左右的钢，经渗碳处理后，处理品表面C含量达到0.8%。渗碳品经淬火处理后表层形成高硬度的高碳马氏体组织。使处理品具有高耐磨性和高疲劳强度。处理品的内部是低碳马氏体组织，与表层相比，硬度低、韧性好。因此，渗碳处理材的硬度是按照碳浓度多少分布的，表面硬度高、内部硬度低。渗碳处理比渗氮处理的处理温度高，所以渗碳品的硬化层深度大，兼有高强度、良好的耐磨性和良好的韧性。因此渗碳处理是机械结构部件表面硬化处理的主要方法，适用于齿轮等许多机械结构部件。
　　2.1.2渗碳处理技术开发
　　比传统的气体渗碳处理时间短的真空渗碳法受到人们的关注。与平衡反应的气体渗碳相比，真空渗碳是在真空条件下，使碳化氢气体直接与处理品发生反应，所以可使处理温度高温化和表面C量高浓度化，并且由于快速渗碳，大大降低能耗和减排CO2。此外，反复进行渗碳和碳扩散的“脉冲渗碳”法是快速渗碳的有效方法，已经得到广泛的应用。
　　因渗碳气体中含有氧，所以在气体渗碳处理过程中，在处理品晶界上生成Si、Mn、Cr的氧化物（晶界氧化），减少了这些元素的有效含量，使晶界附近的淬透性下降，产生了叫做“异常渗碳层”的不完全淬火层。异常渗碳层容易成为断裂的起点，并且由于异常渗碳层硬度低，成为处理品强度下降的主要原因。与气体渗碳不同，真空渗碳在无氧化氛围下进行处理，不生成异常碳化层，可以获得高强度的渗碳制品。
　　常规的渗碳处理品的表层碳浓度是0.8%左右。为了提高渗碳品的特性，开发出表层碳浓度是1.1%-1.3%的高浓度渗碳处理工艺，并达到实用化。高浓度渗碳处理提高了处理品的表层碳浓度，在处理品表层形成了硬质碳化物，使处理品具有优良的抗面压强度。为了使处理品表层微细析出碳化物，一般进行两次淬火。这时会引起处理品变形、尺寸精度下降。抑制两次淬火引起处理品变形的技术是今后应当研究的课题。
　　此外，近年来，为进一步提高零部件的特性，对渗碳 高频淬火、渗碳 渗氮等复合表面热处理技术进行了研究，并推进这些新技术的实用化。
　　2.1.3日本标准渗碳钢
　　日本标准中用于渗碳处理的标准钢种大部分是保证淬透性结构钢（H钢）标准（JIS　G　4052）和机械结构合金钢标准（JIS　G　4053）中的钢种。主要有SMnC、SCr、SCM、SNC、SNCM等牌号。这些牌号钢的C含量是0.15%-0.25%。使用H钢，并对淬透带的淬火硬度进行规定，可以获得稳定的硬化层深度和内部硬度，这对渗碳部件设计十分重要。因此，用于渗碳的合金钢多为H钢。日本国外渗碳钢标准的化学成分与日本标准有所不同，但体系是类似的。
　　在渗碳钢钢种选定时，应选择具有可获得渗碳品内部要求硬度的淬透性钢种。一般来说，钢中的Mo、Ni含量增加，可以减少不完全淬火组织、提高渗碳层的强韧性。但可能导致加工性下降。所以在渗碳钢钢种选定和渗碳条件设计时，应综合考虑渗碳层性能和加工性能。
　　2.1.4高强度渗碳钢
　　为满足用户对部件小型轻量化的要求，渗碳钢的高强度化是一个永无止境的研究课题。随着对渗碳部件高强度化要求的不断提高，开发出许多高强度渗碳钢。这些高强度渗碳钢降低了Si、Mn、Cr等氧化物形成元素的含量，增加了Ni、Mo等提高淬透性和韧性元素的含量。此外，由于喷丸处理可以对渗碳层附加残留压缩应力，提高部件的疲劳强度，所以对喷丸处理渗碳钢及其渗碳条件也进行了研究。
　　喷丸技术的进步提高了齿轮的弯曲疲劳强度，但使齿轮的剥蚀损坏凸显出来。因此，对提高面压强度的高强度渗碳钢也进行了研究。抑制齿面温度升高引起的软化是防止齿面剥蚀的有效手段。为了提高齿面的抗热软化能力，开发出增加Si含量的高Si型、高强度渗碳钢和碳氮共渗钢。
　　2.1.5低成本渗碳钢
　　近终形冷锻工艺可以简化或省略切削加工，可省略冷锻中的中间热处理，所以是节能和低成本的生产工艺。为此开发出冷锻性优良的钢种。这类钢种中降低了使冷锻性下降的Si、Mn含量，添加B降低了冷锻时的硬度并提高了淬透性。
　　为了缩短渗碳时间，不断推进渗碳温度的高温化。渗碳温度的高温化带来的问题是晶粒粗大化和晶粒异常长大。为了抑制渗碳时奥氏体晶粒长大，开发出控制AlN、Nb（C、N）等钉扎粒子量和分布状态的新钢种。
　　为应对合金价格高涨和资源枯竭危机，近年来日本开展了渗碳钢低合金化的研究。降低Cr-Mo钢的Mo含量，并能保证渗碳品加工性和强度的省合金渗碳钢已经实用化。
　　2.2渗氮钢
　　2.2.1渗氮处理
　　渗氮处理是使处理品在氮化气体或盐浴环境中保持一定时间，使氮渗入处理品表面的处理方法。与渗碳处理不同，渗氮处理后，一般不进行淬火处理。渗氮钢的硬化层是钢中元素的氮化物析出形成的。最表层是硬度达到1000HV以上的氮化合物层，化合物层的下面是氮扩散层。
　　渗氮处理与软氮化不同，渗氮处理中氮从表面渗入，因此也叫做纯氮化。软氮化是碳和氮同时渗入钢中的处理方法。此外，还有碳和氮同时渗入钢中的碳氮共渗方法，但软氮化的处理温度低（500-600℃），不发生组织转变。碳氮共渗是在常规渗碳处理后，进行高温（约850℃）处理，然后进行淬火，所以发生组织转变（马氏体转变）。软氮化的优点是处理品变形小，缺点是硬化层深度小。碳氮共渗的优缺点与软氮化相反。
　　与渗碳品相比渗氮品的表面硬度更高、耐磨性和抗热黏结性更好。但是渗氮处理的硬化层深度小，要获得较深的硬化层需要长时间处理，不够经济。因此，对要求高强度的部件，渗氮处理的应用受到局限。
　　2.2.2渗氮处理技术开发
　　渗氮处理产生的最表层的氮化合物层硬度高、耐磨性好，但比较脆弱，是发生剥离、导致强度下降的主要原因。为此，进行了不生成氮化合物层处理方法的研发。此外，还推进了利用高电压使氮化气体离子化，进行快速处理的等离子氮化、高温氮化技术的开发。
　　日本标准中用于渗氮处理的标准钢种大部分是机械结构碳素钢标准（JIS　G　4051）、保证淬透性结构钢（H钢）标准（JIS　G　4052）和机械结构合金钢标准（JIS　G　4053）中的钢种。主要有SC、SCr、SCM、SACM等牌号。这些钢的C含量约为0.40%。SACM465已经作为渗氮钢纳入JIS标准，钢中提高了Cr、Al含量以通过氮化获得高硬度。
　　渗氮处理是无组织转变的处理，处理品在500-600℃的渗氮温度下保持时间过长，内部会发生软化。因此，要对内部要求硬度和加工性进行综合考虑，选择适宜的渗氮钢钢种和渗氮处理条件。渗氮处理是无组织转变的处理方法，其优点是热处理变形小。另一方面，渗氮处理的硬化层深度小，强度不如渗碳品高。所以对开发出高强度、低变形渗氮钢的要求很迫切。为此开发出添加Cr、Al、V等提高氮化硬度元素的高强度渗氮钢，并实现了实用化。
　　3　工具钢
　　工具钢是用于对金属、非金属材料进行切削、塑性加工的模具、刀具材料的总称。日本标准将工具钢分为碳素工具钢（SK）、高速工具钢（SKH）、合金工具钢（SKS、SKD、SKT）三大类别。为最大限度发挥出工具钢的特性，必须对工具钢按照使用目的进行热处理。
　　3.1碳素工具钢
　　碳素工具钢的C含量较多，为0.55%-1.5%，钢中有较多的碳化物，使钢具有优良的耐磨性。C含量大于共析成分的高碳钢（过共析钢），在淬火加热时由于固溶C增加，冷却过程中在晶界析出网状碳化物，钢的韧性下降。因此过共析钢的淬火温度不能过高。碳素工具钢的淬火条件是加热到780℃左右、水冷。需要注意的是，钢在加热过程中容易发生脱碳。碳素工具钢中由于没有添加合金元素，淬透性较差，处理品尺寸较大时，芯部硬度不足。并且，由于内外组织差别很大，会产生很大的相变应力，导致处理质量不合格。大尺寸工件应采用合金工具钢制造。合金工具钢淬火后，一般进行150-200℃的低温回火。
　　3.2高速工具钢
　　高速工具钢俗称高速钢。高速钢最初是作为切削刀具开发出的钢种。钢中添加较多的W、Mo、V等元素，使钢在刀具高速旋转产生的高热量条件下，具有耐热性和耐磨损性。W、Mo、V等元素在钢中形成比Fe3C（渗碳体）难于固溶的碳化物，所以淬火温度较高，一般在1200℃左右。
　　高速钢是高合金钢，熔点低于普通钢，当加热温度超过规定的淬火温度时，会发生晶界熔化，产生过热组织，所以对高速钢进行加热时，对加热炉的温度精度控制和检测装置的维护十分重要。图2是SKH55钢的热处理温度和抗折吸收能的关系。即使是同一种材料，淬火回火温度的不同也会使热处理后材料特性有很大差异。对于强调耐热、耐磨性的工具来说，淬火温度高，会引起裂纹发生，因此，应适当降低淬火温度。对于塑性加工工具用SKH51钢来说，淬火温度一般是1180-1200℃，但为了提高韧性，可采用将淬火温度降低到1100-1150℃的欠热淬火处理方法。高速钢加热时，为防止晶粒粗大导致韧性下降，应禁止加热时间过长，一般来说，工件芯部温度达到规定温度后保温几分钟为好。为防止高速钢在淬火加热后的冷却过程中碳化物的晶界析出，一般采用将处理品浸入油中或盐浴中进行快冷的方法。盐浴淬火是降低处理品变形程度的有效处理方法，但盐浴废液处理存在环境问题。并且由于对淬火品表面光洁性要求越来越高，所以，盐浴淬火逐渐被真空淬火所替代。高速钢的回火温度是刚刚超过二次硬化峰值温度的560℃左右。回火要进行两次，含Co高速钢要回火三次。
　　3.3合金工具钢
　　3.3.1冷作工具钢
　　冷作工具钢要求具有高耐磨性和60HRC的高硬度，很早以来就采用SKD11作为冷作工具钢。SKD11具有良好的淬透性，SKD11工件在真空炉内进行气冷，也能获得直到芯部的均匀硬度。SKD11的淬火温度一般是1020-　1030℃。SKD11的马氏体转变终了温度在常温以下，所以淬火后残留了约20%的奥氏体。残留奥氏体是软质组织，并且在450℃以下处于亚稳定状态，所以在要求韧性的情况下，对淬火后的SKD11钢要进行低温回火，以防止裂纹等缺陷的发生。
　　自1980年前后开始，模具制作方法发生很大变化。刻模等制模技术得到广泛应用，这时变形和裂纹问题多有发生。变形和裂纹的主要原因是淬火时产生的残留应力，因此采用的防止变形和裂纹的方法是500-520℃的高温回火。近年来，为提高耐磨性和防止卡模，PVD等表面处理技术得到应用。采用PVD等表面处理技术时，即使是在常温下使用的冷作工具钢也要进行高温回火处理。在这种情况下，许多钢铁厂开发出高温回火后硬度在62HRC以上的8%Cr钢等改良型冷作工具钢钢种。
　　对SKD11进行高温回火时，钢中的残留奥氏体不稳定，在冷却过程中转变为马氏体，发生体积膨胀。回火温度越高、残留奥氏体量越少，热处理尺寸变化率越大。
　　随着冷作工具钢高温回火应用的增加，冷作工具钢经年变形的问题受到人们的关注。经年变形是在淬火回火时没有转变的不稳定奥氏体，随着时间的延长发生膨胀相变引起的尺寸变化现象。一般认为，每1%的残留奥氏体转变，会引起0.010%-0.015%的伸长。精密冲压加工的模具要求微米级的高尺寸精度，所以必须有抑制经年变形的措施。为抑制经年变形需要减少残留奥氏体的量，或者使残留奥氏体转变为稳定奥氏体。减少残留奥氏体量的方法是进行冷处理（深冷处理）。冷处理方法是，将干冰（-78℃）、液态氮（-196℃）气化气体等冷却剂装入密闭装置内，将淬火后的工件立即投入密闭装置内进行冷却。当工件芯部温度达到规定温度时，停止冷却。然后再进行回火。使残留奥氏体转变为稳定奥氏体的方法是，工具钢淬火回火后，对工件进行250-400℃的再加热，使残留奥氏体稳定化。这叫做稳定化处理。虽然这两种方法都不能完全消除经年变形，但经过反复处理或两种方法组合处理，可以大大减轻经年变形量。
　　3.3.2热作工具钢
　　热作工具钢要求具有较高的高温强度和良好的高温韧性。最常用的热作工具钢是SKD61。在压铸等模具大型化和短间歇周期的加工领域内使用的模具材料是ESR（电渣重溶）钢和VAR（真空电弧重溶）钢等高级特殊钢。
　　近年来，真空淬火炉的性能有很大提高，可以实现比油淬更快的冷却速度，因此，大型SKD61工件都采用真空淬火处理方法。
　　淬火急冷可以提高处理品的韧性，但使处理品的变形量变大。增加了热处理后精加工的负担。这对模具制作成本和交货期都有很大影响。此外，淬火急冷导致的淬火裂纹事故也时有发生。在提高模具特性的同时，将模具变形和开裂控制到最小程度，是热处理厂家必须研究的课题。日立金属公司开发的两级冷却技术（MAQ?H）较好地解决了这个问题。
　　碳化物晶界析出区和贝氏体转变区的冷却速度是SKD61类钢淬火处理的关键工艺参数。为此，用改变高温区和低温区冷却条件的方法针对碳化物晶界析出和贝氏体组织对钢韧性的影响进行了研究。图3是低温区急冷和常规冷却时SKD61韧性值的比较。从图中可知，高温区冷却速度小，但低温区进行急冷，也能获得高韧性值。由此可以判定，高温区的冷却速度对钢的韧性影响很小。
　　MAQ?H法是淬火处理时，高温区比较慢冷，低温区急冷的冷却方法。该方法既减轻了处理品的变形程度，又提高了处理品的韧性。图4是对时间模具采用MAQ?H法和采用传统冷却方法的模具变形量及冲击值。MAQ?H法的模具变形程度很小与普通风冷相同，并且具有与油冷相同的高韧性。将提高高温强度和韧性的SKD61改良钢与MAQ?H法结合，可以提高模具使用寿命和降低模具制作成本。