金屬熱處理是機(jī)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(xué)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(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)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。正如有些人說，機(jī)械加工是外科，熱處理就是內(nèi)科，代表一個(gè)國(guó)家制造業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

　　工藝過程

　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過程，有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過程。這些過程互相銜接，不可間斷。

　　(加熱)

　　金屬加熱時(shí)，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(duì)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(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)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(zhuǎn)變需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，還須在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。

　　(保溫)

　　采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí)，加熱速度極快，一般就沒有保溫時(shí)間，而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長(zhǎng)。

　　(冷卻)

　　冷卻液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。

　　工藝分類

　　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(xué)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(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

　　整體熱處理是對(duì)工件整體加熱，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學(xué)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，即熱處理的“四把火”。

　　淬火

　　淬火工藝

　　鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上溫度，保溫一段時(shí)間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度快冷到Ms以下(或Ms附近等溫)進(jìn)行馬氏體(或貝氏體)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝。

　　工藝過程：加熱、保溫、冷卻。

　　淬火的實(shí)質(zhì)：是過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或貝氏體組織。

　　淬火的目的：(1)大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)械零件和工具的不同使用要求;(2)通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。

　　應(yīng)用范圍：淬火工藝應(yīng)用最為廣泛，如工具、量具、模具、軸承、彈簧和汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)、切削加工機(jī)床、氣動(dòng)工具、鉆探機(jī)械、農(nóng)機(jī)具、石油機(jī)械、化工機(jī)械、紡織機(jī)械、飛機(jī)等零件都在使用淬火工藝。

　　淬火：圖片來自中信重工

　　淬火介質(zhì)

　　工件進(jìn)行淬火冷卻所使用的介質(zhì)稱為淬火冷卻介質(zhì)(或淬火介質(zhì))。理想的淬火介質(zhì)應(yīng)具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應(yīng)力。

　　常用的淬火介質(zhì)有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。

　　● 水

　　水是冷卻能力較強(qiáng)的淬火介質(zhì)。

　　優(yōu)點(diǎn)：來源廣、價(jià)格低、成分穩(wěn)定不易變質(zhì)。

　　缺點(diǎn)： 冷卻能力不穩(wěn)定，易使工件變形或開裂。在C曲線的“鼻子”區(qū)(500～600℃左右)，水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會(huì)形成“軟點(diǎn)”;而在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)(300～100℃)，水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快而產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，致使工件變形甚至開裂。當(dāng)水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質(zhì)(如油、肥皂、泥漿等)，均會(huì)顯著降低其冷卻能力。

　　應(yīng)用： 適用于截面尺寸不大、形狀簡(jiǎn)單的碳素鋼工件的淬火冷卻。

　　● 鹽水和堿水

　　在水中加入適量的食鹽和堿，使高溫工件浸入該冷卻介質(zhì)后，在蒸汽膜階段析出鹽和堿的晶體并立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質(zhì)在高溫區(qū)的冷卻能力，其缺點(diǎn)是介質(zhì)的腐蝕性大。

　　應(yīng)用：一般情況下，鹽水的濃度為10%，苛性鈉水溶液的濃度為10%～15%。可用作碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼工件的淬火介質(zhì)，使用溫度不應(yīng)超過60℃，淬火后應(yīng)及時(shí)清洗并進(jìn)行防銹處理。

　　● 油

　　冷卻介質(zhì)一般采用礦物質(zhì)油(礦物油)。如機(jī)油、變壓器油和柴油等。機(jī)油一般采用10號(hào)、20號(hào)、30號(hào)機(jī)油，油的號(hào)越大，黏度越大，閃點(diǎn)越高，冷卻能力越低，使用溫度相應(yīng)提高。

　　淬火方式

　　● 單液淬火

　　是將奧氏體化工件浸入某一種淬火介質(zhì)種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質(zhì)有水、鹽水、堿水、油及專門配制的淬火劑等。

　　優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。

　　缺點(diǎn)：冷速受介質(zhì)冷卻特性的限制而影響淬火質(zhì)量。

　　應(yīng)用：?jiǎn)我捍慊饘?duì)碳素鋼而言只適用于形狀較簡(jiǎn)單的工件。

　　● 雙液淬火

　　是將奧氏體化工件先浸入一種冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)，在鋼件還未達(dá)到該淬火介質(zhì)溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質(zhì)中冷卻，入先水后油、先水后空氣等。雙液淬火減少變形和開裂傾向，操作不好掌握，在應(yīng)用方面有一定的局限性。

　　● 馬氏體分級(jí)淬火

　　是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼的馬氏體點(diǎn)的液態(tài)介質(zhì)(鹽浴或堿浴)中，保持適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，待鋼件的內(nèi)、外層都達(dá)到介質(zhì)溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級(jí)淬火。

　　優(yōu)點(diǎn)：分級(jí)淬火由于在分級(jí)溫度停留到工件內(nèi)外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應(yīng)力和熱應(yīng)力，減少淬火變形和開裂傾向。

　　應(yīng)用：適用于對(duì)于變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復(fù)雜地碳素鋼工件。

　　● 貝氏體等溫淬火

　　是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間(260～400℃)等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時(shí)也叫等溫淬火，一般保溫時(shí)間為30～60min。

　　● 復(fù)合淬火

　　將工件急冷至Ms以下獲得10%～20%馬氏體，然后在下貝氏體溫度區(qū)等溫。這種冷卻方法可使較大截面地工件獲得M+B組織。預(yù)淬時(shí)形成的馬氏體可促進(jìn)貝氏體轉(zhuǎn)變，在等溫時(shí)又使馬氏體回火。復(fù)合淬火用于合金工具鋼工件，可避免第一類回火脆性，減少殘余奧氏體量即變形開裂傾向。

　　回火

　　回火工藝

　　回火是將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度，保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻到室溫的熱處理工藝。

　　回火的目的：(1)消除工件淬火時(shí)產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，防止變形和開裂;(2)調(diào)整工件的硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性，達(dá)到使用性能要求;(3)穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度;(4)改善和提高加工性能。

　　回火分類

　　●低溫回火

　　指工件在150~250℃進(jìn)行的回火。

　　目的：保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應(yīng)力和脆性。

　　回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時(shí)得到的組織。

　　(針狀馬氏體)

　　應(yīng)用范圍：刃具、量具、模具、滾動(dòng)軸承、滲碳及表面淬火的零件等。

　　●中溫回火

　　指工件在350～500℃之間進(jìn)行的回火。

　　目的：得到較高的彈性和屈服點(diǎn)，適當(dāng)?shù)捻g性?；鼗鸷蟮玫交鼗鹎象w，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著極其細(xì)小球狀碳化物(或滲碳體)的復(fù)相組織。

　　(屈氏體)

　　應(yīng)用范圍：彈簧、鍛模、沖擊工具等。

　　●高溫回火

　　指工件在500℃以上進(jìn)行的回火。

　　目的：得到強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能。

　　回火后得到回火索氏體，指馬氏體回火時(shí)形成的鐵素體基體內(nèi)分布著細(xì)小球狀碳化物(包括滲碳體)的復(fù)相組織。

　　(索氏體)

　　應(yīng)用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結(jié)構(gòu)件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。

　　正火

　　正火工藝

　　正火是將鋼件加熱到臨界溫度(完全奧氏體化的溫度)以上30-50℃，保溫適當(dāng)時(shí)間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風(fēng)冷卻的金屬熱處理工藝。

　　目的：(1)使晶粒細(xì)化和碳化物分布均勻化;(2)去除材料的內(nèi)應(yīng)力;(3)增加材料的硬度。

　　材料：亞共晶馬口鐵

　　狀態(tài)：正火

　　組織：石墨棕色、馬氏體淺黃色，珠光體綠色及深黃色，滲碳體素褐色

　　材料：A-299

　　狀態(tài)：正火

　　組織：棕色 鐵素體黃、藍(lán)、白 珠光體棕色

　　材料：13MnNiMoNb

　　狀態(tài)：正火

　　組織：淺棕色珠光體灰褐色、鐵素體紅、黃、藍(lán)色

　　材料：45鋼

　　狀態(tài)：正火

　　組織：淺藍(lán)色鐵素體、珠光體多種顏色

　　優(yōu)點(diǎn)：(1)正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而所獲得的珠光體片層間距較小，正火組織要比退火組織更細(xì)一些，因而其硬度和強(qiáng)度也較高;(2)正火爐外冷卻不占用設(shè)備，生產(chǎn)率較高。

　　應(yīng)用：只適用于碳素鋼和低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。因?yàn)楦吆辖痄摰膴W氏體非常穩(wěn)定，在空氣中冷卻也將得到馬氏體組織。

　　具體用途

　　(1)對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，正火可以提高其硬度，以改善切削性;

　　(2)對(duì)于中碳鋼，正火可代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火做組織準(zhǔn)備，并可減少鋼件的變形和降低加工成本;

　　(3)對(duì)于高碳鋼，正火可消除網(wǎng)狀滲碳體組織，便于球化退火;

　　(4)對(duì)于大型鋼鍛件或截面有急劇變化的鋼鑄件，可用正火代替淬火，以減少變形開裂傾向，或?yàn)榇慊鹱龊媒M織準(zhǔn)備;

　　(5)對(duì)于鋼的淬火反修件，可通過正火消除過熱影響，以便能重新淬火;

　　(6)用于鑄鐵件以增加基體的珠光體量，提高鑄件的強(qiáng)度和耐磨性。

　　退火

　　退火工藝

　　將金屬或合金加熱到適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻(一般為隨爐冷卻)，的熱處理工藝叫做退火。

　　退火的實(shí)質(zhì)是將鋼加熱到奧氏體化后進(jìn)行珠光體轉(zhuǎn)變，退火后的組織是接近平衡后的組織。

　　退火的目的：

　　(1)降低鋼的硬度，提高塑性，便于機(jī)加工和冷變形加工;

　　(2)均勻鋼的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，改善鋼的性能或?yàn)榇慊鹱鹘M織準(zhǔn)備;

　　(3)消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，以防變形和開裂。

　　退火方法

　　1、完全退火

　　工藝：將鋼加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一段時(shí)間后緩慢冷卻(隨爐)以獲得接近平衡組織的熱處理工藝(完全奧氏體化)，實(shí)際生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)率，退火冷卻至500℃左右即出爐空冷。

　　目的：細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度和改善鋼的切削加工性。 亞共析鋼完全退火后的組織為F+P。

　　應(yīng)用：完全退火主要用于亞共析鋼(wc=0.3~0.6%)，一般是中碳鋼及低、中碳合金鋼鑄件、鍛件及熱軋型材，有時(shí)也用于它們的焊接件。

　　2、不完全退火

　　工藝：將鋼加熱到Ac1~Ac3(亞共析鋼)或Ac1~Accm(過共析鋼)經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。

　　應(yīng)用：主要用于過共析鋼獲得球狀珠光體組織，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度，改善切削加工性。

　　3、等溫退火

　　工藝：將鋼加熱到高于Ac3(或Ac1)的溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后，較快冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，然后空冷至室溫的熱處理工藝。

　　目的：與完全退火相同，轉(zhuǎn)變較易控制。

　　應(yīng)用：適用于較穩(wěn)定的鋼：高碳鋼(wc>0.6%)、合金工具鋼、高合金鋼(合金元素的總量>10%)。等溫退火還有利于獲得均勻的組織和性能。但不適用于大截面鋼件和大批量爐料，因?yàn)榈葴赝嘶鸩灰资构ぜ?nèi)部或批量工件都達(dá)到等溫溫度。

　　4、球化退火

　　工藝：使鋼中碳化物球狀化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。加熱至Ac1以上20~30℃溫度，保溫時(shí)間不宜太長(zhǎng)，一般以2~4h為宜，冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間等溫。

　　目的：降低硬度、均勻組織、改善切削加工性為淬火作組織準(zhǔn)備。

　　應(yīng)用：主要用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。球化退火得到球狀珠光體，在球狀珠光體中，滲碳體呈球狀的細(xì)小顆粒，彌散分布在鐵素體基體上。球狀珠光體與片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時(shí)變形和開裂傾向小。

　　5、擴(kuò)散退火(均勻化退火)

　　工藝：將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。

　　目的：消除鑄錠在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。

　　應(yīng)用： 應(yīng)用于一些優(yōu)質(zhì)合金鋼及偏析較嚴(yán)重的合金鋼鑄件及鋼錠。擴(kuò)散退火的加熱溫度很高，通常為Ac3或Accm以上100~200℃，具體溫度視偏析程度及鋼種而定，保溫時(shí)間一般為10~15小時(shí)。擴(kuò)散退火后需完全退火及正火處理，以細(xì)化組織。

　　6、去應(yīng)力退火

　　工藝：將鋼件加熱至低于Ac1的某一溫度(一般為500~650℃)，保溫，然后隨爐冷卻。

　　去應(yīng)力退火溫度低于A1，因此去應(yīng)力退火不引起組織變化。

　　目的：消除殘余內(nèi)應(yīng)力。

　　應(yīng)用：主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應(yīng)力。如果這些應(yīng)力不予消除，將會(huì)引起鋼件在一定時(shí)間以后，或在隨后的切削加工過程中產(chǎn)生變形或裂紋。