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热循环化学处理又称非稳定温度化学热处理，或称变温化学热处理，其过程是在热扩散渗过程中变化温度，即工件在加热装置中经过一段时间热扩散后，在另一装置中进行冷却；之后工件再在加热装置中加热，如此循环往复进行处理。
例如：热循环渗氮工艺规范；
工件加热到510~530℃，在氨分解率为50%~60%气氛中渗氮2h，然后冷却到340~360℃再加热到510~530℃渗氮。如此循环往复多次，直至获得所需渗层为止。
热循环化学热处理可以缩短工艺周期，是一项技术经济效益非常显著的，有发展前途的工艺方法。
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