金屬熱處理

金屬熱處理是將金屬工件在某種介質中加熱到合適的溫度，并在此溫度下保持一定時間后，在不同的介質中以不同的速度冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的微觀結構來控制其性能的過程。

大分類

金屬熱處理過程大致可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理是三大類。根據加熱介質、由于加熱溫度和冷卻方式不同，每一類又可分為幾種不同的熱處理工藝。同一種金屬通過不同的熱處理工藝可以獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼是工業上應用最廣泛的金屬，其顯微組織也是最復雜的，因此鋼的熱處理工藝有很多種。

特點

金屬熱處理是機械制造中的重要工序之一與其他加工技術相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織或改變工件表面的化學成分來賦予或改善工件的工作性能。其特點是提高工件的內在質量，一般肉眼是看不到的。因此，它是機械制造中的一個特殊過程，是質量管理中的一個重要環節。1]

為了使金屬工件具有所需的機械性能、理化性能，除了合理選擇材料和各種成型工藝外，熱處理工藝往往必不可少。鋼是機械工業中應用最廣泛的材料鋼的顯微組織復雜，可以通過熱處理來控制，所以鋼的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦及其合金也可以通過熱處理改變其力學性能、物理化學性質，以獲得不同的性能。

發展

在從石器時代到青銅時代和鐵器時代的過程中，熱處理的作用逐漸被人們所認識。早在商代就已經有再結晶退火后的金箔飾品。從公元前770年到公元前222年，中國的人們已經發現，由于溫度和壓力變形的影響，銅和鐵的性質會發生 的變化。白口鑄鐵的軟化處理是制造農具的重要工序。

公元前6世紀，逐漸采用鋼制武器為了提高鋼的硬度，淬火工藝發展很快。中國河北易縣燕下渡出土的兩把劍和一把戟，顯微組織中有馬氏體，說明經過淬火處理。

隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現淬火劑對淬火質量的影響。三國時的舒曼濮院，曾在陜西的這個斜谷為諸葛亮做了三千刀相傳他派人到成都取水淬火。這說明中國古代重視不同水質的冷卻能力，也重視油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206年~公元24年)中山劍在王靜 s墓心臟碳含量為0.15～0.4%表面碳含量為0.6%以上，說明滲碳工藝已經應用。但當時作為個人“手藝”秘密，拒絕傳播，所以發展很慢。

1863年，英國的金相學家和地質學家在顯微鏡下展示了鋼的六種不同的金相組織，證明了鋼的內部結構在加熱和冷卻時會發生變化，鋼中高溫的相在快速冷卻時會轉變為更硬的相。法國人奧斯蒙德建立的鐵類質同象理論和英國人奧斯汀首先制定的鐵碳相圖，為現代熱處理技術奠定了理論基礎。同時，人們還研究了金屬熱處理加熱過程中金屬的保護方法，以避免金屬在加熱過程中氧化脫碳。

從1850年到1880年，各種氣體的應用(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)已經有了一系列保護性加熱的專利。從1889年到1890年，英國人萊克獲得了各種金屬光亮熱處理的專利。

20世紀以來，隨著金屬物理的發展以及其他新技術的移植和應用，金屬熱處理工藝得到了很大的發展。一個顯著的進步是從1901年到1925年，轉底爐被用于工業生產中的氣體滲碳；露點電位器出現在20世紀30年代，使爐內氣氛中的碳勢可控，后來又發展了二氧化碳紅外儀、氧探針和其它方法來進一步控制爐內氣氛中的碳勢；60年代，等離子場用于熱處理技術，發展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、隨著電子束技術的應用，金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。

種類

整體熱處理是將工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，改變其整體機械性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵的整體熱處理是粗退火、正火、淬火和回火的四個基本過程。

退火是將工件加熱到合適的溫度，根據工件的材質和尺寸采用不同的保溫時間，然后緩慢冷卻，目的是使金屬的內部組織達到或接近平衡狀態，或釋放前一工序產生的內應力，以獲得良好的工藝性能和使用性能，或為進一步淬火做好結構準備。

正火或正火是將工件加熱到合適的溫度，然后在空氣中冷卻正火的效果類似于退火，只是得到的組織更細，常用于提高材料的切削性能，有時也作為一些要求不高的零件的最終熱處理。

淬火就是將工件加熱保溫，然后浸泡在水中、油或其他無機鹽溶液、在淬火介質如有機水溶液中快速冷卻。淬火后，鋼變得堅硬，但同時也變得易碎。

為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件長時間保持在高于室溫但低于650℃的適當溫度下，然后冷卻這個過程叫做回火。退火、正火、淬火、回火是熱處理的全部“四把火”其中淬火和回火密切相關，兩者經常一起使用，缺一不可。

1.正火：將鋼或鋼零件加熱至臨界點Ac3(對于亞共析鋼)或Accm（過共析鋼）以上30℃—在50℃自由流動空氣中均勻冷卻適當時間的熱處理工藝為正火.

正火后的組織：亞共析鋼為F S，共析鋼為S，過共析鋼為S Fe3C正火和完全退火的主要區別是冷卻速度更快，為了使鋼結構正火，也叫正火處理。

2.annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20℃-40度，保溫一段時間，隨爐慢慢冷卻(或者埋在沙子或石灰中冷卻)在空氣中冷卻到500度以下的熱處理過程

3.固溶熱處理：將合金加熱到高溫單相區并保持恒溫，使多余相完全溶解在固溶體中，然后迅速冷卻獲得過飽和固溶體的熱處理工藝

4.時效：合金經固溶熱處理或冷塑性變形后，保持在室溫或略高于室溫時，其性能隨時間而變化。

5.固溶處理：充分溶解合金中的各相，強化固溶，提高韌性和耐蝕性，消除應力和軟化，以便繼續加工成型

6.時效處理：加熱并保持強化相沉淀的溫度，使得強化相沉淀硬化并提高強度

7.淬火：將鋼奧氏體化，然后以適當的冷卻速度冷卻，使工件截面的全部或一定范圍內發生馬氏體等不穩定組織轉變的熱處理工藝

8.回火：將淬火后的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度并保持一定時間，然后通過令人滿意的方法冷卻，以獲得所需的組織和性能的熱處理工藝

9.鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是將碳和氮同時滲入鋼表面的過程。傳統上，碳氮共滲又稱氰化，采用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。

10.Quenching and tempering：一般習慣上把淬火和高溫回火結合起來作為調質處理。調質處理廣泛應用于各種重要的結構件，尤其是那些在交變載荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。淬火和回火后得到回火索氏體組織，其力學性能優于相同硬度的正火索氏體組織。其硬度取決于高溫回火溫度，與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200-350之間。

11.釬焊：用焊料將兩種工件連接在一起的熱處理工藝。

四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，產生了不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，將淬火和高溫回火相結合的工藝稱為調質。有些合金淬火形成過飽和固溶體后，長時間保持在室溫或稍高的溫度下，以提高合金的硬度、強度或電磁等。這種熱處理過程稱為時效處理。

壓力加工變形和熱處理有效而緊密地結合在一起，以獲得良好的工件強度、韌性匹配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，既能使工件不氧化脫碳，又能保持被處理工件表面的清潔，提高工件的性能，還可以引入滲劑進行化學熱處理。

表面熱處理是一種金屬熱處理工藝，只對工件表層進行加熱，以改變其機械性能。為了只加熱工件的表層而不將過多的熱量傳遞到工件內部，所使用的熱源必須具有高的能量密度，即單位面積給予工件的熱能大，以使工件的表層或部分在短時間內或瞬間達到高溫。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、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的化學成分、金屬熱處理工藝的組織和性能?；瘜W熱處理和表面熱處理的區別在于后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是把工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(氣體、液體、固體)介質加熱并長時間保溫，使工件表層滲碳、氮、硼和鉻等元素。元素滲入后，有時還要進行淬火回火等其他熱處理工藝?；瘜W熱處理的主要方法是滲碳、滲氮、滲金屬。

熱處理是機械零件和模具制造過程中的重要工序之一。一般來說，它能保證和提高工件的各種性能，如耐磨性、耐腐蝕等。還可以改善坯料的組織和應力狀態，有利于各種冷卻、熱加工。

比如白口鑄鐵，可以長時間退火，獲得可鍛鑄鐵，提高其塑性；采用正確的熱處理工藝，齒輪的使用壽命可以比未經熱處理的齒輪提高一倍甚至幾十倍；另外，廉價的碳鋼通過滲入一些合金元素，具有昂貴合金鋼的一些性能，可以替代一些耐熱鋼、不銹鋼；幾乎所有的工具和模具在使用前都需要熱處理。

隨著激光和等離子技術的成熟，利用這兩種技術在普通鋼鐵工件表面涂覆一層其他耐磨層、耐腐蝕或耐熱涂層來改變原工件的表面性質，這種新技術稱為表面改性。

熱處理過程通常包括加熱、保溫、冷卻有三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程是相互關聯和不間斷的。

加熱

加熱是熱處理的重要過程之一。金屬熱處理有多種加熱方式最早是用木炭和煤作為熱源，后來應用了液體和氣體燃料。電的應用使加熱容易控制，沒有環境污染。這些熱源可用于直接加熱或通過熔鹽或金屬甚至漂浮顆粒間接加熱。

當金屬受熱時，工件暴露在空氣中，經常發生氧化、脫碳(即鋼件表面碳含量降低)這對熱處理后零件的表面性能有非常不利的影響。所以金屬通常應該在受控的氣氛或保護氣氛中、在熔鹽和真空中加熱也可以通過涂層或包裝來保護。

加熱溫度是熱處理過程的重要工藝參數之一，加熱溫度的選擇和控制是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨待處理的金屬材料和熱處理的目的而變化，但通常加熱到某一特征轉變溫度以上以獲得高溫結構。另外，轉變需要一定的時間，所以當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，必須在此溫度下保持一定時間，使內外溫度一致，顯微組織完全轉變這段時間稱為保溫時間。采用高能量密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。

冷卻

冷卻也是熱處理過程中必不可少的步驟，冷卻方式因工藝而異，主要控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度較快。但由于鋼種不同，要求也不同例如，空氣淬硬鋼可以以與正火相同的冷卻速度淬硬。

退火

1.完全退火和等溫退火

完全退火，也稱為再結晶退火，一般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造鍛造和熱軋型材，有時也用于焊接結構。一般常用于一些輕型工件的最終熱處理或一些工件的預熱處理。

2.球化退火

球化退火主要用于共析碳鋼和合金工具鋼(如用于制造刀具量具和模具的鋼種)其主要目的是降低硬度，改善切削性能，為以后淬火做準備。

3.去應力退火

去應力退火也稱為低溫退火(或高溫回火)這種退火主要用于消除鑄件鍛件焊接件熱軋件冷拉件等的殘余應力。如果不消除這些應力，經過一段時間后或在隨后的切割過程中，鋼件就會變形或開裂。

淬火

淬火時，最常用的冷卻介質是鹽水水和油。鹽水淬火的工件容易獲得高硬度和光滑的表面，不易產生未硬化的軟斑，但容易使工件嚴重變形，甚至開裂。而使用油作為淬火介質，只適合于淬火一些過冷奧氏體穩定性高的合金鋼或小尺寸碳鋼工件。

回火作用

1.降低脆性，消除或降低內應力鋼件淬火后內應力大，脆性大如果不及時回火，鋼件往往會變形甚至開裂。

2.獲得工件所需的機械性能淬火后工件硬度高，脆性大為了滿足各種工件不同性能的要求，可以通過適當的回火來調整硬度，以降低脆性，獲得所需的韌性和塑性。

3.穩定工件尺寸

4.對于一些退火后難以軟化的合金鋼，則采用淬火(或正火)之后常采用高溫回火，使鋼中的碳化物適當聚集，降低硬度，有利于切削。

爐型應根據不同的工藝要求和工件類型來確定

1.對于那些可以 不能批量生產，工件大小不一，種類繁多，要求在技術上具有通用性、多用，可選擇箱式爐。

2.加熱長軸長螺絲管子等工件時，可選用深井電爐。

3.對于小批量的滲碳件，可選用井式氣體滲碳爐。

4.對于大量的汽車來說、拖拉機齒輪等零件可用連續滲碳生產線或箱式多用爐生產。

5.批量生產的沖壓件毛坯加熱時，最好選擇軋鋼爐和輥底爐。

6.對于批量成型的零件，可采用推桿式或傳送帶式電阻爐進行生產(推桿爐或鑄帶爐)

7.小型機械零件如：螺桿和螺母可選自振動底爐或網帶爐。

8.內螺旋旋轉管式爐可用于鋼球和滾子的熱處理。

9.推桿爐可用于大批量生產有色金屬錠，空氣循環加熱爐可用于小型有色金屬零件和材料。

金屬：具有不透明、一種具有良好導熱性和導電性的物質，其導電性隨溫度的升高而降低，并富有延展性和延展性。金屬中原子規則排列的固體(即晶體)

金屬熱處理[金屬處理技術術語]

合金：由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成的物質，具有金 屬的特征。

相：合金中成份、結構、具有相同性能的組件。

固溶體：是一個(或幾個)組元的原子(化合物)溶解到另一種成分的晶格中同時仍然保持另一種成分的晶格類型的固體金屬晶體可以分為間隙固溶體和置換固溶體。

固溶強化：由于溶質原子進入溶劑晶格的空隙或節點，晶格發生畸變，固溶體的硬度和強度增加這種現象稱為固溶強化。

化合物：通過合金成分之間的化學結合產生具有金屬性質的新的晶體固體結構。

機械混合物：由兩種晶體結構組成的合金成分，雖然是兩種晶體，但卻是具有獨立力學性能的成分。

鐵素體：碳在α-Fe(具有體心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。

奧氏體：碳在γ-Fe(面心立方結構鐵)中的間隙固溶體。

滲碳體：碳和鐵的穩定化合物(Fe3c)

珠光體：鐵素體和滲碳體的機械混合物(α Fe3c含碳0.77%

萊氏體：滲碳體和奧氏體的機械混合物(含碳4.3%

鋼材

編輯

鋼的分類

鋼是以鐵、以碳為主要成分的合金的碳含量一般小于2.11%鋼是經濟建設中極其重要的金屬材料。

鋼按化學成分分為碳鋼(簡稱碳鋼)與合金鋼兩大類。碳鋼是一種合金，通過熔煉除鐵以外的生鐵獲得、除碳外，還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質。碳鋼具有一定的機械性能，工藝性能好，價格低。因此，碳鋼得到了廣泛的應用。但是隨著現代工業和科學技術的飛速發展，碳鋼的性能已經不能完全滿足需要，于是人們開發了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼的基礎上，有目的地加入一些元素(稱為合金元素)和獲得的多元合金。與碳鋼相比，合金鋼的性能得到了顯著的提高，因此得到了廣泛的應用。

由于鋼材品種繁多，為了便于生產、保管、選擇和研究，鋼材必須分類。按鋼材的用途、化學成分、根據不同的質量，鋼可以分成許多種類：

一。按用途分類

根據鋼材的用途，可分為結構鋼、工具鋼、三類特殊性能鋼。

結構鋼：1.用作各種機器零件的鋼。它包括滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼和滾動軸承鋼。

2.工程結構用鋼。它包括碳鋼中的A、乙、特殊鋼和普通低合金鋼。

工具鋼：用來制造各種工具的鋼。根據工具用途的不同，可分為切削工具鋼、模具鋼與量具鋼。

特殊性能鋼：它是具有特殊物理和化學性質的鋼?？煞譃椴讳P鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。

二。按化學成分分類

根據鋼的化學成分，可分為碳鋼和合金鋼。

碳素鋼：按含碳量可分為低碳鋼(含碳量≤0.25%中碳鋼(25%含碳量0.6%高碳鋼(含碳量≥0.6%

合金鋼：根據合金元素的含量，可分為低合金鋼(合金元素的總含量≤5%中合金鋼(合金元素的總含量=5%10%高合金鋼(合金元素的總含量為10%此外，根據鋼中所含主要合金元素的種類不同，還可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。

三。按質量分類

根據鋼中有害雜質磷、硫的含量可以分為普通鋼(含磷量≤0.045%含硫量≤0.055%或磷、硫含量均≤0.050%優質鋼(磷、硫含量均≤0.040%高級優質鋼(含磷量≤0.035%含硫量≤0.030%

此外，根據冶煉爐的類型，鋼分為平爐鋼(酸性平爐、堿性平爐)，空氣轉爐鋼(酸性轉爐、堿性轉爐、氧氣頂吹轉爐鋼)與電爐鋼。根據冶煉時的脫氧程度，鋼分為沸騰鋼(脫氧不完全)，鎮靜鋼(脫氧比較完全)及半鎮靜鋼。

鋼廠給鋼材命名的時候，經常會用到、成分、將質量的三種分類方法結合起來。例如，鋼被稱為普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、優質碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼等。

機械性能

金屬材料的性能一般分為兩類工藝性能和使用性能。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在套冷、高溫工作條件下的性能。金屬材料的工藝性能決定了其在制造過程中的適應性。由于加工條件不同，所需的工藝性能也不同，如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂服役性能，是指金屬材料在機械零件服役條件下的性能，包括力學性能、物理性能、化學性能等。金屬材料的性能決定了其應用范圍和使用壽命。

在機械制造業中，一般的機械零件都是常溫的、用于常壓和非強腐蝕性介質中，所有機械部件在使用過程中會承受不同的載荷。金屬材料在負載下抵抗損壞的能力稱為機械性能(或稱為力學性能)

金屬材料的力學性能是零件設計和選擇的主要依據。外部載荷的性質是不同的(例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等)，金屬材料所需的機械性能也會不同。常用的機械性能包括：強度、塑性、硬度、沖擊韌性、多重抗沖擊性和疲勞極限等。各種機械性能將在下面分別討論。

1.強度

強度是指金屬材料在靜載荷下抵抗破壞的能力(過度塑性變形或斷裂)的性能。由于載荷的作用方式，存在張力、壓縮、彎曲、剪切等形式，所以強度也分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度之間往往存在一定的關系，在使用中一般以抗拉強度作為最基本的強度指標。

2.塑性

塑性是指金屬材料在載荷作用下的塑性變形(永久變形)而不破壞的能力。

3.硬度

硬度是衡量金屬材料硬度的指針。目前生產中最常用的測量硬度的方法是壓痕硬度法，它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測金屬材料表面，根據壓痕程度來確定其硬度值。

常用的方法是布氏硬度(HB)洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和維氏硬度(HV)等方法。

4.疲勞

前面討論的強度、塑性、硬度是靜態負載下金屬機械性能的指標。事實上，許多機器零件在循環載荷下工作，在這種情況下，零件會疲勞。

5.沖擊韌性

以很大的速度作用在機器零件上的載荷稱為沖擊載荷，金屬在沖擊載荷下抵抗損傷的能力稱為沖擊韌性。

滲氮是將氮原子滲入鋼表層的過程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及疲勞強度和耐腐蝕性。

它利用氨氣在加熱過程中分解活性氮原子，被鋼吸收在其表面形成氮化物層，同時向中心擴散。

滲氮通常用專用設備或井式滲碳爐進行。適用于各種高速傳動的精密齒輪、機床主軸(如鏜桿、磨床主軸)高速柴油機曲軸、閥門等。

滲氮工件的工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調質－精加工－除應力－粗磨－氮化－精磨或研磨。

因為氮化層薄而脆，所以需要具有高強度的核心結構因此，應先進行回火熱處理，以獲得回火索氏體，從而提高芯部的機械性能和滲氮層的質量。

滲氮后，鋼具有高于HV850的高表面硬度，無需淬火)及耐磨性。

滲氮處理溫度低，變形小，與滲碳有關、與感應表面淬火相比，變形要小得多

鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是將碳和氮同時滲入鋼表面的過程傳統上，碳氮共滲也被稱為氰化。采用中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應用較是廣。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，而低溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。