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什么是熱處理?
來源： 技術論壇
作者：南皮縣中小企業(yè)公共服務平臺
日期：
2024-03-06
熱處理是將材料放在一定的介質(zhì)內(nèi)加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內(nèi)部的組織結構,來控制其性能的一種綜合工藝過程。
熱處理名詞:
金屬:具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性并且其導電能力隨溫度的增高而減小，富有延性和展性等特性的物質(zhì)。金屬內(nèi)部原子具有規(guī)律性排列的固體(即晶體)。
合金:由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成，具有金屬特性的物質(zhì)。
相:合金中成份、結構、性能相同的組成部分。
固溶體:是一個(或幾個)組元的原子(化合物)溶入另一個組元的晶格中，而仍保持另一組元的晶格類型的固態(tài)金屬晶體，固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。
固溶強化:由于溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙或結點，使晶格發(fā)生畸變，使固溶體硬度和強度升高，這種現(xiàn)象叫固溶強化現(xiàn)象。
化合物:合金組元間發(fā)生化合作用，生成一種具有金屬性能的新的晶體固態(tài)結構。
機械混合物:由兩種晶體結構而組成的合金組成物，雖然是兩面種晶體，卻是一種組成成分，具有獨立的機械性能。
鐵素體:碳在a-Fe(體心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。
奧氏體:碳在g-Fe(面心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。
滲碳體:碳和鐵形成的穩(wěn)定化合物(Fe3c)。
珠光體:鐵素體和滲碳體組成的機械混合物(F+Fe3c 含碳0.8%)
萊氏體:滲碳體和奧氏體組成的機械混合物(含碳4.3%)
金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。
為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業(yè)中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。
在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770~前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。
公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被采用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的。
隨著淬火技術的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火質(zhì)量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206~公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15~0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發(fā)展很慢。
1863年，英國金相學家和地質(zhì)學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。
1850~1880年，對于應用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889~1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。
二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其他新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是1901~1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉筒爐進行氣體滲碳 ;30年代出現(xiàn)露點電位差計,使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法;60年代，熱處理技術運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ;激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。
金屬熱處理的工藝
熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。
加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。
金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。
加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。
冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。
金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。
退火是將工件加熱到適當溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。
正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。
淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。
為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。
退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。
“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。
把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理;在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。
表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內(nèi)部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。
化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?；瘜W熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。
熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。大體來說，它可以保證和提高工件的各種性能，如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應力狀態(tài)，以利于進行各種冷、熱加工。
例如白口鑄鐵經(jīng)過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性 ;齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高;另外，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼;工模具則幾乎全部需要經(jīng)過熱處理方可使用。
退火---淬火---回火
一.退火的種類
1. 完全退火和等溫退火
完全退火又稱重結晶退火，一般簡稱為退火，這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄，鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重工件的最終熱處理，或作為某些工件的預先熱處理。
2. 球化退火
球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼(如制造刃具，量具，模具所用的鋼種)。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準備。
3. 去應力退火
去應力退火又稱低溫退火(或高溫回火)，這種退火主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產(chǎn)生變形或裂紋。
二.淬火時，最常用的冷卻介質(zhì)是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點，但卻易使工件變形嚴重，甚至發(fā)生開裂。而用油作淬火介質(zhì)只適用于過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。
三.鋼回火的目的
1. 降低脆性，消除或減少內(nèi)應力，鋼件淬火后存在很大內(nèi)應力和脆性，如不及時回火往往會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。
2. 獲得工件所要求的機械性能，工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大，為了滿足各種工件的不同性能的要求，可以通過適當回火的配合來調(diào)整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性，塑性。
3. 穩(wěn)定工件尺寸
4. 對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火(或正火)后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當聚集，將硬度降低，以利切削加工。
幾種常見熱處理概念
1. 正火:將鋼材或鋼件加熱到臨界點AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。
2. 退火annealing:將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20-40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻(或埋在砂中或石灰中冷卻)至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝
3. 固溶熱處理:將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝
4. 時效:合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時，其性能隨時間而變化的現(xiàn)象。
5. 固溶處理:使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，以便繼續(xù)加工成型
6. 時效處理:在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度
7. 淬火:將鋼奧氏體化后以適當?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)生馬氏體等不穩(wěn)定組織結構轉變的熱處理工藝
8. 回火:將經(jīng)過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝
9. 鋼的碳氮共滲:碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。
10. 調(diào)質(zhì)處理quenching and tempering:一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200-350之間。
11. 釬焊:用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝
回火的種類及應用
根據(jù)工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種:
(一)低溫回火(150-250度)
低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58-64。
(二)中溫回火(350-500度)
中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35-50。
(三)高溫回火(500-650度)
高溫回火所得組織為回火索氏體。習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結構零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類?；鼗鸷笥捕纫话銥镠B200-330。
熱處理
( 1):退火:指金屬材料加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定的時間，然后緩慢冷卻的熱處理工 藝。常見的退火工藝有:再結晶退火，去應力退火，球化退火，完全退火等。退火的目的: 主要是降低金屬材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或壓力加工，減少殘余應力，提高組織和成分的均勻化，或為后道熱處理作好組織準備等。
(2 ):正火:指將鋼材或鋼件加熱到 或 (鋼的上臨界點溫度)以上，30~50℃ 保持適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理的工藝。正火的目的:主要是提高低碳鋼的 力學性能，改善切削加工性，細化晶粒，消除組織缺陷，為后道熱處理作好組織準備等。
(3):淬火:指將鋼件加熱到 Ac3 或 Ac1(鋼的下臨界點溫度)以上某一溫度，保持一 定的時間，然后以適當?shù)睦鋮s速度，獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。常見的淬 火工藝有鹽浴淬火，馬氏體分級淬火，貝氏體等溫淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目 的:使鋼件獲得所需的馬氏體組織，提高工件的硬度，強度和耐磨性，為后道熱處理作好組 織準備等。
(4):回火:指鋼件經(jīng)淬硬后，再加熱到 以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷 卻到室溫的熱處理工藝。常見的回火工藝有:低溫回火，中溫回火，高溫回火和多次回火等。
回火的目的:主要是消除鋼件在淬火時所產(chǎn)生的應力，使鋼件具有高的硬度和耐磨性外，并 具有所需要的塑性和韌性等。
(5):調(diào)質(zhì):指將鋼材或鋼件進行淬火及高溫回火的復合熱處理工藝。使用于調(diào)質(zhì)處理的鋼稱調(diào)質(zhì)鋼。它一般是指中碳結構鋼和中碳合金結構鋼。
(6):滲碳:滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。
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