钢的化学热处理
钢的化学热处理
组织说明
腐蚀方法：4％硝酸酒精溶液腐蚀 放大倍数：500×
18 渗碳层过渡区（亚共析区）
组织特征：黑色块状为珠光体， 白色块状为铁素体，过渡区中珠 光体逐步减少，铁素体增多。组 织特点是将钢加热至单相的奥氏 体区，使碳原子渗入钢件表面， 根据渗碳气氛的浓度及时间，表 面的含碳量可达过共析或共析、 亚共析成分。本试样的表层为共 析成分，次表层及过渡区的含碳 量逐步减小。 材料：低碳钢表面渗碳 热处理状态：930℃气体渗碳3小 时（煤油分解），罐中退火
组织说明
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未腐蚀渗硼层（微差干涉照明）
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组织特征：下边黑色区域为试样 边缘，表层彩色“指状”为铁硼化 合物，上部为基体未腐蚀。组织 特点是将钢加热至单相的奥氏体 区，使硼原子渗入钢件表面，与 铁形成化合物（FeB）,又称硼针 并深深楔入基体中。 材料：T8钢表面渗硼 热处理状态：950℃固体渗硼 6小时，正火 腐蚀方法：未腐蚀 放大倍数：200× 用微差干涉 衬度照明观察
热处理状态：930℃气体渗碳3小 时（煤油分解），罐中退火
组织说明
腐蚀方法：4％硝酸酒精溶液腐蚀 放大倍数：200×
10 渗碳层
组织特征：左下角为试样边缘， 表层彩色区域为共析成分的珠光 体，右上角区域的白色块状为亚 共析区的铁素体。组织特点是将 钢加热至单相的奥氏体区，使碳 原子渗入钢件表面，根据渗碳气 氛的浓度及时间，表面的含碳量 可达过共析或共析,亚共析成分。 本试样的表层为共析成分，次表 层及过渡区的含碳量逐步减小。
组织说明
04 渗碳层过渡区
组织特征：左下角的彩色区域为 次表层共析成分的珠光体，右上 角区域的白色块状为亚共析区的 铁素体。组织特点是将钢加热至 单相的奥氏体区，使碳原子渗入 钢件表面，根据渗碳气氛的浓度 及时间，表面的含碳量可达过共 析或共析、亚共析成分。本试样 的表层为过共析成分，因出现网 状二次渗碳体组织，次表层及过 渡区的含碳量逐步减小。
钢的化学热处理
3. 渗氮的特点 （1）高硬度和高耐磨性 渗氮： 70HRC 500℃ 渗碳：60~62HRC 200℃ （2）高的疲劳强度 残余压应力 （3）变形小而规律性强 铁素体状态下进行 无需热处理 变形原因只有渗氮层的体积膨胀
（4）较好的抗咬合能力 高硬度 高温硬度 （5）较高的抗蚀性能 ε化合物层（化学稳定性高而且非常致密） 缺点： 处理时间长：生产成本高 渗氮层薄：不能承受太高的接触应力和冲 击载荷，脆性大
3. 硬度法 取样并进行表面处理 垂直于渗碳表面测量维氏硬度（试验力为 9.8N），做出硬度与至表面距离关系曲线， 以硬度大于550HV之层深作为有效渗碳层 深度。 优点：测量便捷、结果精确、设备简单
七．渗碳件的常见缺陷 1. 表面硬度偏低 原因：表面脱碳或出现了非马氏体组织 2. 渗碳层深度不足或不均匀 原因：渗碳温度偏低、渗碳时间过短、炉内 碳势偏 低 不均匀：炉气循环不良或温度不均
（2）二次加热淬火 定义：工件渗碳冷却后两次加热淬火。 淬火温度的选择：一次淬火加热温度一般为心部 成分的Ac3以上，目的是细化心部组织，消除表层 网状碳化物；二次淬火一般加热到Ac1以上，使渗 层获得细小粒状碳化物和隐晶马氏体，以保证获 得高强度和高耐磨性。 缺点：工艺复杂、成本高、效率低，变形大 适用：要求表面高耐磨性和心部高韧性的重要零 件
四．渗氮用钢及渗氮强化机理 1. 38CrMoAl 普通碳钢渗氮后无法获得高硬度高耐磨性 铬、钼、铝合金元素在渗氮时可形成硬度 很高，弥散分布的合金氮化物 38CrMoAl缺点：加工性差；淬火温度较高； 易于脱碳；渗氮后脆性较大
2. 强化机理 氮和合金元素原子在α 相中偏聚，形成混合G.P区， 成盘状，与基体共格，引起较大点阵畸变，从而使 硬度提高。 Fe16 N2 型过渡氮化物析出，也会引起硬度的强 烈提高。
钢的化学热处理名词解释
钢的化学热处理名词解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可如下所示：热处理是一种通过加热和冷却的工艺，用于改善金属材料的特性和性能。
尤其在钢材的制造和加工过程中，热处理是至关重要的一步。
通过对钢材进行化学热处理，可以使其具有更高的强度、更好的耐腐蚀性、更优异的机械性能等一系列优点。
钢的化学热处理是指通过控制钢材的加热和冷却过程，改变其组织结构和性能。
在热处理过程中，钢材经历了加热、保温和冷却三个阶段。
加热阶段将钢材加热至一定温度，使其达到适宜的热处理温度。
保温阶段是使钢材在一定温度下保持一定时间，使其组织结构发生变化。
冷却阶段是将钢材迅速冷却，以固定其新形成的组织。
通过钢的化学热处理，可以实现钢材硬化、退火、淬火等不同的组织和性能调整。
例如，通过调整钢材的加热温度、保温时间和冷却速度，可以使钢材具有更高的强度和硬度，适用于制造高强度的机械零件和工具。
反之，如果需要提高钢材的韧性和可加工性，可以进行退火处理。
此外，钢的化学热处理还可以改善钢材的耐腐蚀性能，延长其使用寿命。
钢的化学热处理在工业领域具有广泛的应用。
它被广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造、机械制造等行业。
通过热处理，可以使得钢材在各种恶劣的工作环境下具有更好的性能和耐久性。
此外，钢材通过不同的化学热处理方法，还可以实现特定的性能要求，如减轻内应力、消除残余应力等。
综上所述，钢的化学热处理是一项重要的工艺，通过加热和冷却过程的控制，可以改善钢材的性能和特性，满足不同领域对钢材性能的要求。
其广泛的应用和重要性使得研究和理解钢的化学热处理成为一个重要的课题。
1.2文章结构2. 正文2.1 热处理热处理是一种通过加热和冷却钢材来改变其物理和化学性质的工艺。
它是钢材加工过程中非常重要的一步，可以通过控制加热温度、冷却速率和持续时间等参数，使钢材具有所需的性能和组织结构。
在热处理过程中，钢材经历了一系列的相变和组织变化，从而达到特定的力学性能和耐用性。
钢的热处理
t2 t1
等温时间t M转变量与等温时间的关系
M转变是在Ms～Mf温度范围内迚行，与停留时间无关。
3
转变不完全
多数钢的Mf点在室温以下，因此冷却到室温时 仍会有A存在，称为残余A，用Ar表示。A的含碳 量越高，Ms、Mf就越低，所以Ar就越多。
100 80 60 40 20
4
瞬间形核，高速长大
Ms Mf 20 温度（℃） M转变量与温度的关系
E G A3
900
γ
Accm Arcm Acm
860
820
780
α+γ Ar3 P
Ac3
S
γ+Fe3C
K
740
临界点，它是制定热处理工
艺时选择加热和冷却温度的 依据。
700
α+Fe3C
660 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
w(C)%
3 钢在加热时的组织转变
3.1 A的形成
A A→F3C A→P A→B Ms
21 32
38
40 43 50 55
HRC
温度/℃
Mf
1 10 102 103 104 105
时间/s
影响C曲线的因素
⑴ 成分的影响
① 含碳量的影响：共析钢的C曲线最靠右，其余向左移动。
Ms 与Mf 点随含碳量增加而下降。
② 合金元素的影响
除Co 外, 凡溶入奥氏体的合金元素都使C 曲线右移。
4
原始组织的影响 ——原始组织越细，相界面越多，越有利于A形核。
4 钢在冷却时的组织转变
连续冷却转变 热处理时常用的冷却方式
等温转变
由于冷却过程大多不是极其缓慢的，得到的组织是不平衡组织，因
钢的化学热处理
渗剂
吸收: 析出的活性原子克服表面能垒进入金属表面， 形成固溶体或化合物。
Fe〃[C]吸附 → Fe〃C溶
溶解
3Fe〃[C]吸附 → Fe3C
化合
吸收必须进行得足够快，否则会因发生其它反应而失去活性 。 吸收能力与钢的表面活性有关，表面缺陷多（位错、晶界露 头）、粗糙、干净无污染则表面活性高，吸附力强，可促进化 学热处理。
常用的气体介质：天然气、煤气、液化石油气。
使用时，直接通入炉罐里。 CH4→2H2+[C]
2CO→CO2+[C]
CO+H2→H2O+[C]
良好的渗碳介质应具备下列条件：
价格低廉，安全卫生，易于获取； 具有较好的活性，既保证能获得较高的渗碳速度，同时不致使
渗碳层碳浓度过高，而造成大量的过剩碳化物；
5）化学催渗：渗剂中加入一定的化学药剂或触媒剂以加速分解或吸收过程
6）物理催渗：eg:高频电场下的扩散。
化学热处理进行的条件:
1. 渗入元素的原子必须是活性原子, 而且具有较大的扩散能力 2. 零件本身具有吸收渗入原子的能力, 即对渗入原子有一定的 溶解度或能与之化合, 形成化合物。
分解、吸收、扩散三者的协调进行是确保化学热处理成功进行的关键。
产生的“碳黑”“焦炭”少。 渗碳剂分解产物中如果含有较多的不饱和碳氢化合物易形成过
多的碳黑附着在零件表面，使渗碳不均匀；附着在炉壁上，使
炉罐导热性差，从而使渗碳速度降低，同时也增加清理时的麻 烦。 含硫量低。
举例：
18CrMnTi钢汽车后桥主动伞齿轮渗碳工艺
固体渗碳：
钢材的热处理有以下几个方法
钢材的热处理有以下几个方法※均质退火处理简称均质化处理（Homogenization），系利用在高温进行长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称为『扩散退火』。
加热温度会因钢材种类有所差异，大钢锭通常在1200℃至1300℃之间进行均质化处理，高碳钢在1100℃至1200℃之间，而一般锻造或轧延之钢材则在1000℃至1200℃间进行此项热处理。
※完全退火处理完全退火处理系将亚共析钢加热至Ac3温度以上30~50℃、过共析钢加热至Ac1温度以上50℃左右的温度范围，在该温度保持足够时间，使成为沃斯田体单相组织（亚共析钢）或沃斯田体加上雪明碳体混合组织后，在进行炉冷使钢材软化，以得到钢材最佳之延展性及微细晶粒组织。
※球化退火处理球化退火主要的目的，是希望藉由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。
常见的球化退火处理包括：（1）在钢材A1温度的上方、下方反复加热、冷却数次，使A1变态所析出的雪明碳铁，继续附着成长在上述球化的碳化物上；（2）加热至钢材A3或Acm温度上方，始碳化物完全固溶于沃斯田体后急冷，再依上述方法进行球化处理。
使碳化物球化，尚可增加钢材的淬火后韧性、防止淬裂，亦可改善钢材的淬火回火后机械性质、提高钢材的使用寿命。
※软化退火处理软化退火热处理的热处理程序是将工件加热到600℃至650℃范围内（A1温度下方），维持一段时间之后空冷，其主要目的在于使以加工硬化的工件再度软化、回复原先之韧性，以便能再进一步加工。
此种热处理方法常在冷加工过程反复实施，故又称之为制程退火。
大部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随着加工量渐增而变大，也因此导致材料延性降低、材质变脆，若需要再进一步加工时，须先经软化退火热处理才能继续加工。
※弛力退火处理弛力退火热处理主要的目的，在于清除因锻造、铸造、机械加工或焊接所产生的残留应力，这种残存应力常导致工件强度降低、经久变形，并对材料韧性、延展性有不良影响，因此弛力退火热处理对于尺寸经度要求严格的工件、有安全顾虑的机械构件事非常重要的。
第11章钢的化学热处理总结
固体渗碳优点： 设备简单，方便易行，中小型工厂；
缺点：周期长，生产效率低，劳动条件差， 质量不易保证。
c. 液体渗碳
在能析出活性碳原子的盐浴中进行的。 优点：加热速度快，加热均匀，渗碳效率高， 渗碳层均匀，便于直接淬火。 缺点：成本高，渗层盐浴大多有毒，不宜于 大件和大批量生产。 渗碳盐浴一般由三类物质组成： ①加热介质：通常用NaCl和BaCl2的混和盐。 BaCl2还同时具有催化剂的作用。 ②催化剂（5～30％）：常用碳酸盐 （Na2CO3或BaCO3）。
①心部要求较高强韧性的零件，加热至心部Ac3稍 上。心部通过相变重结晶，细化了晶粒，淬火后得 到细小的低碳M，具有较高的强韧性；表面可消除 网状渗碳体；但表面加热温度高，淬火后晶粒较 大，残余奥氏体较多，影响耐磨性。
②对表面耐磨性要求较高的零件，加热温度应选 择在Ac1稍上，淬火后表面层为M、未溶碳化物和 少量残余奥氏体，有较高的硬度和耐磨性。而对心 部组织来说，加热温度过低，淬火后低碳M和未溶 铁素体，强度受到一定的影响。
• 多用于连续式炉气体渗碳
b. 固体渗碳 将工件埋在固体渗碳剂中密封起来，加热到
900~930ºC，保温后出炉。
固体渗碳由两类物质组成： 渗碳物质（85～90％）：木炭、焦炭、骨炭等。 催化剂（10～15％）：碳酸钠、碳酸钡等。
木炭与渗碳箱内的氧气发生反应： C+O2→CO2, CO2+C→2CO 2CO→CO2+[C]
4、渗碳层深度不均匀 可能由于原材料中带状组织严重，也可
能由于渗碳件表面局部结焦或沉积碳黑，炉 气循环不均匀，零件表面有氧化膜或不干净， 炉温不均匀，零件在炉内放置不当等所造 成．预防措施，应分析其具体原因，采取相 应措施。
钢的化学热处理三个基本过程
钢的化学热处理三个基本过程
钢的化学热处理包括三个基本过程：分解、吸收和扩散。
分解是指渗剂中生成能渗入钢表面的活性原子的化学反应，通常包括分解反应、置换反应和还原反应。
化学反应速度除取决于反应物的本性外，还与温度、压力、浓度、催化剂有关。
一般增加浓度和升高温度，能增加反应速度。
添加催化剂可以使反应速度剧增。
吸收是指一切固体都能或多或少地把周围介质中的分子、原子或离子吸附到自己的表面上来。
粗糙的表面比平滑的表面吸附作用强，晶界比晶内吸附作用强。
扩散是指活性原子从工件表层向内部的扩散，这是化学热处理过程中的重要环节。
扩散速度与温度和浓度梯度有关，通常温度越高，扩散越快。
以上三个过程是相互联系、相互影响的，必须同时进行，以保证化学热处理的顺利进行。
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能获得具有特殊性能的表面层
如耐腐蚀性、耐磨性等
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㈢ 化学热处理的分类
目前工业上广泛使用的化学热处理方法，就是在钢 件表面渗入一种或多种元素，即渗入法。
根据所渗入的元素，可以将化学热处理分为渗碳、 渗氮、渗硫、渗硼、渗铝、渗钒、渗铬等。
如果同时渗入两种以上的元素，则称之为共渗，如 碳氮共渗、铬硅铝共渗等。
比表面淬火 硬化方法的
效果更好
可获得适应零 件多种性能要 求的表面层
提高表面硬度 时，仍能保持 心部处于较好 的韧性状态
化学热处理同 时改变钢件表 层的化学成分
与组织
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如果渗入元 素选择适当
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⑵ 提高零件的疲劳强度
渗碳、渗氮、软氮化和碳氮共渗等方法，都可使 钢零件在表面强化的同时，在零件表面形成残余 压应力，有效地提高零件的疲劳强度。
钢的化学热处理
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11.1 化学热处理概述
㈠ 化学热处理的概念
钢的化学热处理：是将钢件置于特定的活性介质 中加热保温，使一种或几种元素渗入钢件表层， 从而改变钢件表层化学成分和组织，达到改进表 面性能，满足技术要求的热处理过程。
机械零件的失效和破坏，大多数都萌发在工件的
表面层，特别在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、
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㈠ 渗碳原理 ⑴ 渗碳介质的分解
工业气体渗碳方法的主要类型
可控气氛＋碳氢化合物气体
含碳的有机液体
在炉中产生所需要的渗碳气氛
气氛的主要组成物都是CO、CO2、CH4、H2和H2O 等5种气体； 其中CO和CH4起渗精碳品作课件用，其余的起脱碳作用。 16
在渗碳炉中，与渗碳有关的最主要反应有如下四个
渗入原子在基体金属 中的扩散，是化学热 处理得以进行和获得 一定深度渗层的保证
目前生产中最常用的化学热处理是渗碳、渗氮、碳
氮共渗、渗硼和渗铝等。
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11.2 钢的渗碳
渗碳：就是将钢件置于具有足够碳势的介质中加热
到奥氏体状态并保温，使其表层形成一个富碳层的
热处理工艺。
碳势可控
气体渗碳 最常用
生产效率高 劳动条件好
渗碳 种类
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
固体渗碳 常用
便于直接淬火等
液体渗碳
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渗碳的目的 提高零件表层的含碳量
提高表层硬度，增强 零件的抗磨损能力
同时保持心部的 良好韧性
主要用于那些对表面有较高耐磨性要 求、并承受较大冲击载荷的零件
渗碳用钢：为低碳钢及低碳合金钢，如20、20Cr、
20CrMnTi、20CrMnMo、18Cr2Ni4W等。
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在所供应的原料气氛 组成稳定的情况下， 只要控制气氛中微量 的 CO2 、 H2O 、 CH4 或 O2 中 的 任 何 一 个 的含量，就可达到控 制渗碳炉中碳势的目 的.
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通常，生产中多 采用露点仪来控 制气氛中的H2O 含量；
因为气氛的露点 与气氛中的含水 量具有很好的对 应关系，即含水 量越高、露点就 越高；
钢中渗入的元素，可能溶入铁中形成固溶体，也可
能与铁形成某种化合物，总之渗入的元素与基体金
属之间具有相互作用。
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㈣ 化学热处理的基本过程
渗入法化学热处理的 基本过程
分解
吸收
扩散
钢件周围的介 质分解，以形 成渗入元素的
活性原子
活性原子被钢件吸 收，其先决条件是 活性原子能够溶解 于钢件表层金属中
⑶ 提高零件的抗蚀性 例如渗氮可提高零件抗大气腐蚀性能
⑷ 提高零件的抗高温氧化性
钢件渗铝、渗铬、渗硅后，与氧或腐蚀介质作用
形成致密、稳定的Al2O3、Cr2O3、SiO2保护膜，
提高抗蚀性及高温抗氧化性。
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钢的化学热处理具有如下特点
1）不受工件几何形状的限制 2）具有较好的工艺性 3）经济效果好 4）能获得具有特殊性能的表面层
蒸汽表面处理产生的Fe3O4 薄膜有抗粘结的作用，表 面硫化获得的FeS薄膜可兼 有减磨与抗粘结的作用。
在表面同时形 成高硬层与抗 粘或减磨薄膜
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近年来发展起来的多元共 渗工艺，如氧氮共渗，硫 氮共渗，碳氮硫氧硼五元 共渗等。
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化学热处理方法 表面硬化的优势
能更好地解决 钢件硬化与其 韧性的矛盾
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不受工件几何 形状的限制
即任何几何形状复杂的工 件经过化学 热处理后，均 可获得沿其轮廓分布的均
一的表面化学热处理层
具有较好的工艺性
如开裂倾向较小；处理温 度范围较宽；对冷 却介
质的敏感性较小等等
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经济效果好
廉价的钢材经化学热处理后可 获得表面性能高的工 件。经 化学热处理的碳钢件的表层性 能不亚于同类合金钢的性能。
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生产中或者采用 红外线仪来控制 CO2的含量；
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或者采用氧探头来控制气氛中O2含量。 无论采用上述哪种方法，都可以达到控制渗碳炉中 渗碳气氛碳势的目的。
在实际生产中，渗碳时间往往比较短，必须根据气 氛种类、表面碳含量要求、渗碳温度和渗碳时间等 因素确定出一个在不平衡情况下的合适碳势，才能 真正保证渗碳工件所需的表面含碳量； 同时还需采用多参数控制法来减少碳势控制的误差。
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⑵ 碳原子的吸收
要使反应生成的活性碳原子被钢件表面吸收，必 须满足以下条件：
① 工件表面必须清洁；
② 炉气需要具有良好的循环：活性碳原子被吸 收后，剩下的CO2、H2或H2O等脱碳气氛需 要被及时排出；
③ 控制好分解和吸收两个阶段的速度，使之恰
当配合：如果分解速度大于吸收速度，将在
工件表面形成积碳，从而影响吸收速度。
目的有四
提高零件的疲劳强度 提高零件的抗蚀性
提高零件的抗高温氧化性
⑴ 提高零件的耐磨性
➢在表面形成高硬层
➢在钢件表面形成减磨、抗粘结薄膜
➢在钢件表面同时形成高硬层与抗粘或减磨薄膜
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在表面形成 高硬层
钢件渗碳淬火可获得高碳 M硬化表层；合金钢件渗 氮可获得合金氮化物的弥 散硬化表层。
在表面形成减磨、 抗粘结薄膜
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⑶ 碳原子的扩散 碳原子由表面向心部的扩散，是渗碳得以进行并获 得一定深度渗层的条件。
氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能就显
得尤为重要。
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经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种 特殊复合材料。
渗入了合金 元素的材料
紧密的 晶体型结合
原始 成分 的钢
远远强于电镀等 表面涂覆技术所 获得的心、表部 之间的结合
经化学热处理后的钢件
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3
㈡ 化学热处理的目的
提高零件的耐磨性