金属热处理

金属热处理是将金属工件在某种介质中加热到合适的温度，并在此温度下保持一定时间后，在不同的介质中以不同的速度冷却，通过改变金属材料表面或内部的微观结构来控制其性能的过程。

大分类

金属热处理过程大致可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理是三大类。根据加热介质、由于加热温度和冷却方式不同，每一类又可分为几种不同的热处理工艺。同一种金属通过不同的热处理工艺可以获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢是工业上应用最广泛的金属，其显微组织也是最复杂的，因此钢的热处理工艺有很多种。

特点

金属热处理是机械制造中的重要工序之一与其他加工技术相比，热处理一般不改变工件的形状和整体化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织或改变工件表面的化学成分来赋予或改善工件的工作性能。其特点是提高工件的内在质量，一般肉眼是看不到的。因此，它是机械制造中的一个特殊过程，是质量管理中的一个重要环节。1]

为了使金属工件具有所需的机械性能、理化性能，除了合理选择材料和各种成型工艺外，热处理工艺往往必不可少。钢是机械工业中应用最广泛的材料钢的显微组织复杂，可以通过热处理来控制，所以钢的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛及其合金也可以通过热处理改变其力学性能、物理化学性质，以获得不同的性能。

发展

在从石器时代到青铜时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐被人们所认识。早在商代就已经有再结晶退火后的金箔饰品。从公元前770年到公元前222年，中国的人们已经发现，由于温度和压力变形的影响，铜和铁的性质会发生 的变化。白口铸铁的软化处理是制造农具的重要工序。

公元前6世纪，逐渐采用钢制武器为了提高钢的硬度，淬火工艺发展很快。中国河北易县燕下渡出土的两把剑和一把戟，显微组织中有马氏体，说明经过淬火处理。

随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬火剂对淬火质量的影响。三国时的舒曼濮院，曾在陕西的这个斜谷为诸葛亮做了三千刀相传他派人到成都取水淬火。这说明中国古代重视不同水质的冷却能力，也重视油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206年~公元24年)中山剑在王静 s墓心脏碳含量为0.15～0.4%表面碳含量为0.6%以上，说明渗碳工艺已经应用。但当时作为个人“手艺”秘密，拒绝传播，所以发展很慢。

1863年，英国的金相学家和地质学家在显微镜下展示了钢的六种不同的金相组织，证明了钢的内部结构在加热和冷却时会发生变化，钢中高温的相在快速冷却时会转变为更硬的相。法国人奥斯蒙德建立的铁类质同象理论和英国人奥斯汀首先制定的铁碳相图，为现代热处理技术奠定了理论基础。同时，人们还研究了金属热处理加热过程中金属的保护方法，以避免金属在加热过程中氧化脱碳。

从1850年到1880年，各种气体的应用(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)已经有了一系列保护性加热的专利。从1889年到1890年，英国人莱克获得了各种金属光亮热处理的专利。

20世纪以来，随着金属物理的发展以及其他新技术的移植和应用，金属热处理工艺得到了很大的发展。一个显著的进步是从1901年到1925年，转底炉被用于工业生产中的气体渗碳；露点电位器出现在20世纪30年代，使炉内气氛中的碳势可控，后来又发展了二氧化碳红外仪、氧探针和其它方法来进一步控制炉内气氛中的碳势；60年代，等离子场用于热处理技术，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、随着电子束技术的应用，金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

种类

整体热处理是将工件整体加热，然后以适当的速度冷却，改变其整体机械性能的金属热处理工艺。钢铁的整体热处理是粗退火、正火、淬火和回火的四个基本过程。

退火是将工件加热到合适的温度，根据工件的材质和尺寸采用不同的保温时间，然后缓慢冷却，目的是使金属的内部组织达到或接近平衡状态，或释放前一工序产生的内应力，以获得良好的工艺性能和使用性能，或为进一步淬火做好结构准备。

正火或正火是将工件加热到合适的温度，然后在空气中冷却正火的效果类似于退火，只是得到的组织更细，常用于提高材料的切削性能，有时也作为一些要求不高的零件的最终热处理。

淬火就是将工件加热保温，然后浸泡在水中、油或其他无机盐溶液、在淬火介质如有机水溶液中快速冷却。淬火后，钢变得坚硬，但同时也变得易碎。

为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件长时间保持在高于室温但低于650℃的适当温度下，然后冷却这个过程叫做回火。退火、正火、淬火、回火是热处理的全部“四把火”其中淬火和回火密切相关，两者经常一起使用，缺一不可。

1.正火：将钢或钢零件加热至临界点Ac3(对于亚共析钢)或Accm（过共析钢）以上30℃—在50℃自由流动空气中均匀冷却适当时间的热处理工艺为正火.

正火后的组织：亚共析钢为F S，共析钢为S，过共析钢为S Fe3C正火和完全退火的主要区别是冷却速度更快，为了使钢结构正火，也叫正火处理。

2.annealing：将亚共析钢工件加热至AC3以上20℃-40度，保温一段时间，随炉慢慢冷却(或者埋在沙子或石灰中冷却)在空气中冷却到500度以下的热处理过程

3.固溶热处理：将合金加热到高温单相区并保持恒温，使多余相完全溶解在固溶体中，然后迅速冷却获得过饱和固溶体的热处理工艺

4.时效：合金经固溶热处理或冷塑性变形后，保持在室温或略高于室温时，其性能随时间而变化。

5.固溶处理：充分溶解合金中的各相，强化固溶，提高韧性和耐蚀性，消除应力和软化，以便继续加工成型

6.时效处理：加热并保持强化相沉淀的温度，使得强化相沉淀硬化并提高强度

7.淬火：将钢奥氏体化，然后以适当的冷却速度冷却，使工件截面的全部或一定范围内发生马氏体等不稳定组织转变的热处理工艺

8.回火：将淬火后的工件加热到临界点AC1以下的适当温度并保持一定时间，然后通过令人满意的方法冷却，以获得所需的组织和性能的热处理工艺

9.钢的碳氮共渗：碳氮共渗是将碳和氮同时渗入钢表面的过程。传统上，碳氮共渗又称氰化，采用中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。

10.Quenching and tempering：一般习惯上把淬火和高温回火结合起来作为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构件，尤其是那些在交变载荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。淬火和回火后得到回火索氏体组织，其力学性能优于相同硬度的正火索氏体组织。其硬度取决于高温回火温度，与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200-350之间。

11.钎焊：用焊料将两种工件连接在一起的热处理工艺。

四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，产生了不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，将淬火和高温回火相结合的工艺称为调质。有些合金淬火形成过饱和固溶体后，长时间保持在室温或稍高的温度下，以提高合金的硬度、强度或电磁等。这种热处理过程称为时效处理。

压力加工变形和热处理有效而紧密地结合在一起，以获得良好的工件强度、韧性匹配的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，既能使工件不氧化脱碳，又能保持被处理工件表面的清洁，提高工件的性能，还可以引入渗剂进行化学热处理。

表面热处理是一种金属热处理工艺，只对工件表层进行加热，以改变其机械性能。为了只加热工件的表层而不将过多的热量传递到工件内部，所使用的热源必须具有高的能量密度，即单位面积给予工件的热能大，以使工件的表层或部分在短时间内或瞬间达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷、感应电流、激光和电子束等。

化学热处理是通过改变工件表层的化学成分、金属热处理工艺的组织和性能。化学热处理和表面热处理的区别在于后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是把工件放在含碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)介质加热并长时间保温，使工件表层渗碳、氮、硼和铬等元素。元素渗入后，有时还要进行淬火回火等其他热处理工艺。化学热处理的主要方法是渗碳、渗氮、渗金属。

热处理是机械零件和模具制造过程中的重要工序之一。一般来说，它能保证和提高工件的各种性能，如耐磨性、耐腐蚀等。还可以改善坯料的组织和应力状态，有利于各种冷却、热加工。

比如白口铸铁，可以长时间退火，获得可锻铸铁，提高其塑性；采用正确的热处理工艺，齿轮的使用寿命可以比未经热处理的齿轮提高一倍甚至几十倍；另外，廉价的碳钢通过渗入一些合金元素，具有昂贵合金钢的一些性能，可以替代一些耐热钢、不锈钢；几乎所有的工具和模具在使用前都需要热处理。

随着激光和等离子技术的成熟，利用这两种技术在普通钢铁工件表面涂覆一层其他耐磨层、耐腐蚀或耐热涂层来改变原工件的表面性质，这种新技术称为表面改性。

热处理过程通常包括加热、保温、冷却有三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程是相互关联和不间断的。

加热

加热是热处理的重要过程之一。金属热处理有多种加热方式最早是用木炭和煤作为热源，后来应用了液体和气体燃料。电的应用使加热容易控制，没有环境污染。这些热源可用于直接加热或通过熔盐或金属甚至漂浮颗粒间接加热。

当金属受热时，工件暴露在空气中，经常发生氧化、脱碳(即钢件表面碳含量降低)这对热处理后零件的表面性能有非常不利的影响。所以金属通常应该在受控的气氛或保护气氛中、在熔盐和真空中加热也可以通过涂层或包装来保护。

加热温度是热处理过程的重要工艺参数之一，加热温度的选择和控制是保证热处理质量的主要问题。加热温度随待处理的金属材料和热处理的目的而变化，但通常加热到某一特征转变温度以上以获得高温结构。另外，转变需要一定的时间，所以当金属工件表面达到要求的加热温度时，必须在此温度下保持一定时间，使内外温度一致，显微组织完全转变这段时间称为保温时间。采用高能量密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

冷却

冷却也是热处理过程中必不可少的步骤，冷却方式因工艺而异，主要控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度较快。但由于钢种不同，要求也不同例如，空气淬硬钢可以以与正火相同的冷却速度淬硬。

退火

1.完全退火和等温退火

完全退火，也称为再结晶退火，一般称为退火这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸造锻造和热轧型材，有时也用于焊接结构。一般常用于一些轻型工件的最终热处理或一些工件的预热处理。

2.球化退火

球化退火主要用于共析碳钢和合金工具钢(如用于制造刀具量具和模具的钢种)其主要目的是降低硬度，改善切削性能，为以后淬火做准备。

3.去应力退火

去应力退火也称为低温退火(或高温回火)这种退火主要用于消除铸件锻件焊接件热轧件冷拉件等的残余应力。如果不消除这些应力，经过一段时间后或在随后的切割过程中，钢件就会变形或开裂。

淬火

淬火时，最常用的冷却介质是盐水水和油。盐水淬火的工件容易获得高硬度和光滑的表面，不易产生未硬化的软斑，但容易使工件严重变形，甚至开裂。而使用油作为淬火介质，只适合于淬火一些过冷奥氏体稳定性高的合金钢或小尺寸碳钢工件。

回火作用

1.降低脆性，消除或降低内应力钢件淬火后内应力大，脆性大如果不及时回火，钢件往往会变形甚至开裂。

2.获得工件所需的机械性能淬火后工件硬度高，脆性大为了满足各种工件不同性能的要求，可以通过适当的回火来调整硬度，以降低脆性，获得所需的韧性和塑性。

3.稳定工件尺寸

4.对于一些退火后难以软化的合金钢，则采用淬火(或正火)之后常采用高温回火，使钢中的碳化物适当聚集，降低硬度，有利于切削。

炉型应根据不同的工艺要求和工件类型来确定

1.对于那些可以 不能批量生产，工件大小不一，种类繁多，要求在技术上具有通用性、多用，可选择箱式炉。

2.加热长轴长螺丝管子等工件时，可选用深井电炉。

3.对于小批量的渗碳件，可选用井式气体渗碳炉。

4.对于大量的汽车来说、拖拉机齿轮等零件可用连续渗碳生产线或箱式多用炉生产。

5.批量生产的冲压件毛坯加热时，最好选择轧钢炉和辊底炉。

6.对于批量成型的零件，可采用推杆式或传送带式电阻炉进行生产(推杆炉或铸带炉)

7.小型机械零件如：螺杆和螺母可选自振动底炉或网带炉。

8.内螺旋旋转管式炉可用于钢球和滚子的热处理。

9.推杆炉可用于大批量生产有色金属锭，空气循环加热炉可用于小型有色金属零件和材料。

金属：具有不透明、一种具有良好导热性和导电性的物质，其导电性随温度的升高而降低，并富有延展性和延展性。金属中原子规则排列的固体(即晶体)

金属热处理[金属处理技术术语]

合金：由两种或两种以上金属或金属与非金属组成的物质，具有金 属的特征。

相：合金中成份、结构、具有相同性能的组件。

固溶体：是一个(或几个)组元的原子(化合物)溶解到另一种成分的晶格中同时仍然保持另一种成分的晶格类型的固体金属晶体可以分为间隙固溶体和置换固溶体。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的空隙或节点，晶格发生畸变，固溶体的硬度和强度增加这种现象称为固溶强化。

化合物：通过合金成分之间的化学结合产生具有金属性质的新的晶体固体结构。

机械混合物：由两种晶体结构组成的合金成分，虽然是两种晶体，但却是具有独立力学性能的成分。

铁素体：碳在α-Fe(具有体心立方结构的铁)中的间隙固溶体。

奥氏体：碳在γ-Fe(面心立方结构铁)中的间隙固溶体。

渗碳体：碳和铁的稳定化合物(Fe3c)

珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物(α Fe3c含碳0.77%

莱氏体：渗碳体和奥氏体的机械混合物(含碳4.3%

钢材

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钢的分类

钢是以铁、以碳为主要成分的合金的碳含量一般小于2.11%钢是经济建设中极其重要的金属材料。

钢按化学成分分为碳钢(简称碳钢)与合金钢两大类。碳钢是一种合金，通过熔炼除铁以外的生铁获得、除碳外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具有一定的机械性能，工艺性能好，价格低。因此，碳钢得到了广泛的应用。但是随着现代工业和科学技术的飞速发展，碳钢的性能已经不能完全满足需要，于是人们开发了各种合金钢。合金钢是在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素(称为合金元素)和获得的多元合金。与碳钢相比，合金钢的性能得到了显著的提高，因此得到了广泛的应用。

由于钢材品种繁多，为了便于生产、保管、选择和研究，钢材必须分类。按钢材的用途、化学成分、根据不同的质量，钢可以分成许多种类：

一。按用途分类

根据钢材的用途，可分为结构钢、工具钢、三类特殊性能钢。

结构钢：1.用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢。

2.工程结构用钢。它包括碳钢中的A、乙、特殊钢和普通低合金钢。

工具钢：用来制造各种工具的钢。根据工具用途的不同，可分为切削工具钢、模具钢与量具钢。

特殊性能钢：它是具有特殊物理和化学性质的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

二。按化学成分分类

根据钢的化学成分，可分为碳钢和合金钢。

碳素钢：按含碳量可分为低碳钢(含碳量≤0.25%中碳钢(25%含碳量0.6%高碳钢(含碳量≥0.6%

合金钢：根据合金元素的含量，可分为低合金钢(合金元素的总含量≤5%中合金钢(合金元素的总含量=5%10%高合金钢(合金元素的总含量为10%此外，根据钢中所含主要合金元素的种类不同，还可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。

三。按质量分类

根据钢中有害杂质磷、硫的含量可以分为普通钢(含磷量≤0.045%含硫量≤0.055%或磷、硫含量均≤0.050%优质钢(磷、硫含量均≤0.040%高级优质钢(含磷量≤0.035%含硫量≤0.030%

此外，根据冶炼炉的类型，钢分为平炉钢(酸性平炉、碱性平炉)，空气转炉钢(酸性转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢)与电炉钢。根据冶炼时的脱氧程度，钢分为沸腾钢(脱氧不完全)，镇静钢(脱氧比较完全)及半镇静钢。

钢厂给钢材命名的时候，经常会用到、成分、将质量的三种分类方法结合起来。例如，钢被称为普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。

机械性能

金属材料的性能一般分为两类工艺性能和使用性能。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中，金属材料在套冷、高温工作条件下的性能。金属材料的工艺性能决定了其在制造过程中的适应性。由于加工条件不同，所需的工艺性能也不同，如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓服役性能，是指金属材料在机械零件服役条件下的性能，包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料的性能决定了其应用范围和使用寿命。

在机械制造业中，一般的机械零件都是常温的、用于常压和非强腐蚀性介质中，所有机械部件在使用过程中会承受不同的载荷。金属材料在负载下抵抗损坏的能力称为机械性能(或称为力学性能)

金属材料的力学性能是零件设计和选择的主要依据。外部载荷的性质是不同的(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等)，金属材料所需的机械性能也会不同。常用的机械性能包括：强度、塑性、硬度、冲击韧性、多重抗冲击性和疲劳极限等。各种机械性能将在下面分别讨论。

1.强度

强度是指金属材料在静载荷下抵抗破坏的能力(过度塑性变形或断裂)的性能。由于载荷的作用方式，存在张力、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。各种强度之间往往存在一定的关系，在使用中一般以抗拉强度作为最基本的强度指标。

2.塑性

塑性是指金属材料在载荷作用下的塑性变形(永久变形)而不破坏的能力。

3.硬度

硬度是衡量金属材料硬度的指针。目前生产中最常用的测量硬度的方法是压痕硬度法，它是用一定几何形状的压头在一定载荷下压入被测金属材料表面，根据压痕程度来确定其硬度值。

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

4.疲劳

前面讨论的强度、塑性、硬度是静态负载下金属机械性能的指标。事实上，许多机器零件在循环载荷下工作，在这种情况下，零件会疲劳。

5.冲击韧性

以很大的速度作用在机器零件上的载荷称为冲击载荷，金属在冲击载荷下抵抗损伤的能力称为冲击韧性。

渗氮是将氮原子渗入钢表层的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及疲劳强度和耐腐蚀性。

它利用氨气在加热过程中分解活性氮原子，被钢吸收在其表面形成氮化物层，同时向中心扩散。

渗氮通常用专用设备或井式渗碳炉进行。适用于各种高速传动的精密齿轮、机床主轴(如镗杆、磨床主轴)高速柴油机曲轴、阀门等。

渗氮工件的工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。

因为氮化层薄而脆，所以需要具有高强度的核心结构因此，应先进行回火热处理，以获得回火索氏体，从而提高芯部的机械性能和渗氮层的质量。

渗氮后，钢具有高于HV850的高表面硬度，无需淬火)及耐磨性。

渗氮处理温度低，变形小，与渗碳有关、与感应表面淬火相比，变形要小得多

钢的碳氮共渗：碳氮共渗是将碳和氮同时渗入钢表面的过程传统上，碳氮共渗也被称为氰化。采用中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较是广。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度耐磨性和疲劳强度，而低温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。