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金屬熱處理的工藝

加工工藝與質量 | 2011/3/18 | 點擊：4057

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之一，選擇和控制加熱溫度 ，是保證熱處理質量的主要問題。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。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區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，然后以適當的速度冷卻，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，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，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，稱為調質。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。化學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(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。化學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，以利于進行各種冷、熱加工。

例如白口鑄鐵經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生變形或裂紋。

二．淬火時，最常用的冷卻介質是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產生淬不硬的軟點，但卻易使工件變形嚴重，甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩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，消除或減少內應力，鋼件淬火后存在很大內應力和脆性，如不及時回火往往會使鋼件發生變形甚至開裂。

2． 獲得工件所要求的機械性能，工件經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整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性，塑性。

3． 穩定工件尺寸

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。

爐型的選擇

爐型應依據不同的工藝要求及工件的類型來決定

1．對于不能成批定型生產的，工件大小不相等的，種類較多的，要求工藝上具有通用性、多用性的，可選用箱式爐。

2．加熱長軸類及長的絲桿，管子等工件時，可選用深井式電爐。

3．小批量的滲碳零件，可選用井式氣體滲碳爐。

4．對于大批量的汽車、拖拉機齒輪等零件的生產可選連續式滲碳生產線或箱式多用爐。

5．對沖壓件板材坯料的加熱大批量生產時，最好選用滾動爐，輥底爐。

6．對成批的定型零件，生產上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐（推桿爐或鑄帶爐）

7．小型機械零件如：螺釘，螺母等可選用振底式爐或網帶式爐。

8．鋼球及滾柱熱處理可選用內螺旋的回轉管爐。

9．有色金屬錠坯在大批量生產時可用推桿式爐，而對有色金屬小零件及材料可用空氣循環加熱爐。

加熱缺陷及控制

　　一、過熱現象

我們知道熱處理過程中加熱過熱最易導致奧氏體晶粒的粗大，使零件的機械性能下降。

1.一般過熱：加熱溫度過高或在高溫下保溫時間過長，引起奧氏體晶粒粗化稱為過熱。粗大的奧氏體晶粒會導致鋼的強韌性降低，脆性轉變溫度升高，增加淬火時的變形開裂傾向。而導致過熱的原因是爐溫儀表失控或混料（常為不懂工藝發生的）。過熱組織可經退火、正火或多次高溫回火后，在正常情況下重新奧氏化使晶粒細化。

2.斷口遺傳：有過熱組織的鋼材，重新加熱淬火后，雖能使奧氏體晶粒細化，但有時仍出現粗大顆粒狀斷口。產生斷口遺傳的理論爭議較多，一般認為曾因加熱溫度過高而使MnS之類的雜物溶入奧氏體并富集于晶接口，而冷卻時這些夾雜物又會沿晶接口析出，受沖擊時易沿粗大奧氏體晶界斷裂。

3.粗大組織的遺傳：有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織的鋼件重新奧氏化時，以慢速加熱到常規的淬火溫度，甚至再低一些，其奧氏體晶粒仍然是粗大的，這種現象稱為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性，可采用中間退火或多次高溫回火處理。

二、過燒現象

加熱溫度過高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現氧化或熔化，導致晶界弱化，稱為過燒。鋼過燒后性能嚴重惡化，淬火時形成龜裂。過燒組織無法恢復，只能報廢。因此在工作中要避免過燒的發生。

三、脫碳和氧化

鋼在加熱時，表層的碳與介質（或氣氛）中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發生反應，降低了表層碳濃度稱為脫碳，脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強度及耐磨性降低，而且表面形成殘余拉應力易形成表面網狀裂紋。

加熱時，鋼表層的鐵及合金與元素與介質（或氣氛）中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發生反應生成氧化物膜的現象稱為氧化。高溫（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化，具有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現淬火軟點。

為了防止氧化和減少脫碳的措施有：工件表面涂料，用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護氣氛加熱（如凈化后的惰性氣體、控制爐內碳勢）、火焰燃燒爐（使爐氣呈還原性）

四、氫脆現象

高強度鋼在富氫氣氛中加熱時出現塑性和韌性降低的現象稱為氫脆。出現氫脆的工件通過除氫處理（如回火、時效等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。