金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一,與其它加工工藝相比,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在質量,而這一般不是肉眼所能看到的。

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。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理等。

整體熱處理

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、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。

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,常用于改善低碳材料的切削性能,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。

回火

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。

“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

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

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。它可以控制工件的各種性能 ,如耐磨、耐腐蝕、磁性能等。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。

退火和回火的區別

退火與回火的區別在于:(簡單地說,退火就是不要硬度,回火還保留一定硬度)。

回火:

高溫回火所得組織為回火索氏體。回火一般不單獨使用,在零件淬火處理后進行回火,主要目的是消除淬火應力,得到要求的組織,回火根據回火溫度的不同分為低溫、中溫和高溫回火。分別得到回火馬氏體、屈氏體和索氏體。其中淬火后進行高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理,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。回火后硬度一般為HB200-330。

退火:

退火過程中發生得是珠光體轉變,退火的主要目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,為后續加工和最終熱處理做準備。去應力退火是為了消除由于塑性形變加工、焊接等而造成的以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火工藝。鍛造、鑄造、焊接以及切削加工后的工件內部存在內應力,如不及時消除,將使工件在加工和使用過程中發生變形,影響工件精度。采用去應力退火消除加工過程中產生的內應力十分重要。去應力退火的加熱溫度低于相變溫度,因此,在整個熱處理過程中不發生組織轉變。內應力主要是通過工件在保溫和緩冷過程中自然消除的。為了使工件內應力消除得更徹底,在加熱時應控制加熱溫度。

一般是低溫進爐,然后以100℃/h左右得加熱速度加熱到規定溫度。焊接件得加熱溫度應略高于600℃。保溫時間視情況而定,通常為2~4h。鑄件去應力退火的保溫時間取上限,冷卻速度控制在(20~50)℃/h,冷至300℃以下才能出爐空冷。時效處理可分為自然時效和人工時效兩種自然時效是將鑄件置于露天場地半年以上,便其緩緩地發生,從而使殘余應力消除或減少,人工時效是將鑄件加熱到550~650℃進行去應力退火,它比自然時效節省時間,殘余應力去除較為徹底。

什么叫回火?

回火是將淬火后的金屬成材或零件加熱到某一溫度,保溫一定時間后,以一定方式冷卻的熱處理工藝,回火是淬火后緊接著進行的一種操作,通常也是工件進行熱處理的最后一道工序,因而把淬火和回火的聯合工藝稱為最終熱處理。淬火與回火的主要目的是:

1)減少內應力和降低脆性,淬火件存在著很大的應力和脆性,如沒有及時回火往往會產生變形甚至開裂。

2)調整工件的機械性能,工件淬火后,硬度高,脆性大,為了滿足各種工件不同的性能要求,可以通過回火來調整,硬度,強度,塑性和韌性。

3)穩定工件尺寸。通過回火可使金相組織趨于穩定,以保證在以后的使用過程中不再發生變形。

4)改善某些合金鋼的切削性能。

在生產中,常根據對工件性能的要求。按加熱溫度的不同,把回火分為低溫回火,中溫回火,和高溫回火。淬火和隨后的高溫回火相結合的熱處理工藝稱為調質,即在具有高度強度的同時,又有好的塑性韌性。主要用于處理隨較大載荷的機器結構零件,如機床主軸,汽車后橋半軸,強力齒輪等。

什么叫淬火?

淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上,保溫后,以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻,以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織,再經回火后,使工件獲得良好的使用性能,以充分發揮材料的潛力。其主要目的是: 

1)提高金屬成材或零件的機械性能。例如:提高工具、軸承等的硬度和耐磨性,提高彈簧的彈性極限,提高軸類零件的綜合機械性能等。 

2)改善某些特殊鋼的材料性能或化學性能。如提高不銹鋼的耐蝕性,增加磁鋼的永磁性等。

淬火冷卻時,除需合理選用淬火介質外,還要有正確的淬火方法,常用的淬火方法,主要有單液淬火,雙液淬火,分級淬火、等溫淬火,局部淬火等。

“四把火”的區別與聯系

正火有以下目的和用途:

① 對亞共析鋼,正火用以消除鑄、鍛、焊件的過熱粗晶組織和魏氏組織,軋材中的帶狀組織;細化晶粒;并可作為淬火前的預先熱處理。

② 對過共析鋼,正火可以消除網狀二次滲碳體,并使珠光體細化,不但改善機械性能,而且有利于以后的球化退火。

③ 對低碳深沖薄鋼板,正火可以消除晶界的游離滲碳體,以改善其深沖性能。

④ 對低碳鋼和低碳低合金鋼,采用正火,可得到較多的細片狀珠光體組織,使硬度增高到HB140-190,避免切削時的“粘刀”現象,改善切削加工性。對中碳鋼,在既可用正火又可用退火的場合下,用正火更為經濟和方便。

⑤ 對普通中碳結構鋼,在力學性能要求不高的場合下,可用正火代替淬火加高溫回火,不僅操作簡便,而且使鋼材的組織和尺寸穩定。

⑥ 高溫正火(Ac3以上150~200℃)由于高溫下擴散速度較高,可以減少鑄件和鍛件的成分偏析。高溫正火后的粗大晶粒可通過隨后第二次較低溫度的正火予以細化。

⑦ 對某些用于汽輪機和鍋爐的低、中碳合金鋼,常采用正火以獲得貝氏體組織,再經高溫回火,用于400~550℃時具有良好的抗蠕變能力。

⑧ 除鋼件和鋼材以外,正火還廣泛用于球墨鑄鐵熱處理,使其獲得珠光體基體,提高球墨鑄鐵的強度。

由于正火的特點是空氣冷卻,因而環境氣溫、堆放方式、氣流及工件尺寸對正火后的組織和性能均有影響。正火組織還可作為合金鋼的一種分類方法。通常根據直徑為25毫米的試樣加熱到900℃后,空冷得到的組織,將合金鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。

退火是將金屬緩慢加熱到一定溫度,保持足夠時間,然后以適宜速度冷卻的一種金屬熱處理工藝。退火熱處理分為完全退火,不完全退火和去應力退火。退火材料的力學性能可以用拉伸試驗來檢測,也可以用硬度試驗來檢測。許多鋼材都是以退火熱處理狀態供貨的,鋼材硬度檢測可以采用洛氏硬度計,測試HRB硬度,對于較薄的鋼板、鋼帶以及薄壁鋼管,可以采用表面洛氏硬度計,檢測HRT硬度。

退火的目的在于:

① 改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應力,防止工件變形、開裂。

② 軟化工件以便進行切削加工。

③ 細化晶粒,改善組織以提高工件的機械性能。

④ 為最終熱處理(淬火、回火)作好組織準備。

常用的退火工藝有:

① 完全退火。用以細化中、低碳鋼經鑄造、鍛壓和焊接后出現的力學性能不佳的粗大過熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉變為奧氏體的溫度以上30~50℃,保溫一段時間,然后隨爐緩慢冷卻,在冷卻過程中奧氏體再次發生轉變,即可使鋼的組織變細。

② 球化退火。用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度。將工件加熱到鋼開始形成奧氏體的溫度以上20~40℃,保溫后緩慢冷卻,在冷卻過程中珠光體中的片層狀滲碳體變為球狀,從而降低了硬度。

③ 等溫退火。用以降低某些鎳、鉻含量較高的合金結構鋼的高硬度,以進行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩定的溫度,保溫適當時間,奧氏體轉變為托氏體或索氏體,硬度即可降 低。 

④ 再結晶退火。用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過程中的硬化現象(硬度升高、塑性下降)。加熱溫度一般為鋼開始形成奧氏體的溫度以下50~150℃ ,只有這樣才能消除加工硬化效應使金屬軟化。

⑤ 石墨化退火。用以使含有大量滲碳體的鑄鐵變成塑性良好的可鍛鑄鐵。工藝操作是將鑄件加熱到950℃左右,保溫一定時間后適當冷卻,使滲碳體分解形成團絮狀石墨。

⑥ 擴散退火。用以使合金鑄件化學成分均勻化,提高其使用性能。方法是在不發生熔化的前提下,將鑄件加熱到盡可能高的溫度,并長時間保溫,待合金中各種元素擴散趨于均勻分布后緩冷。

⑦ 去應力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內應力。對于鋼鐵制品加熱后開始形成奧氏體的溫度以下100~200℃,保溫后在空氣中冷卻,即可消除內應力。

淬火,金屬和玻璃的一種熱處理工藝。把合金制品或玻璃加熱到一定溫度,隨即在水、油或空氣中急速冷卻,一般用以提高合金的硬度和強度。通稱“蘸火”。將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度,保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火后具有以下特點:

① 得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡(即不穩定)組織。

② 存在較大內應力。

③ 力學性能不能滿足要求。因此,鋼鐵工件淬火后一般都要經過回火。

回火的作用在于:

① 提高組織穩定性,使工件在使用過程中不再發生組織轉變,從而使工件幾何尺寸和性能保持穩定。

② 消除內應力,以便改善工件的使用性能并穩定工件幾何尺寸。

③ 調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。

回火之所以具有這些作用,是因為溫度升高時,原子活動能力增強,鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散,實現原子的重新排列組合,從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時,硬度和強度下降,塑性提高。回火溫度越高,這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼,在某一溫度范圍回火時,會析出一些顆粒細小的金屬化合物,使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化。

回火要求:用途不同的工件應在不同溫度下回火,以滿足使用中的要求。

① 刀具、軸承、滲碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下進行低溫回火。低溫回火后硬度變化不大,內應力減小,韌性稍有提高。

② 彈簧在350~500℃下中溫回火,可獲得較高的彈性和必要的韌性。

③ 中碳結構鋼制作的零件通常在500~600℃進行高溫回火,以獲得適宜的強度與韌性的良好配合。

淬火加高溫回火的熱處理工藝總稱為調質。

鋼在300℃左右回火時,常使其脆性增大,這種現象稱為第一類回火脆性。一般不應在這個溫度區間回火。某些中碳合金結構鋼在高溫回火后,如果緩慢冷至室溫,也易于變脆。這種現象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬,或回火時在油或水中冷卻,都可以防止第二類回火脆性。將第二類回火脆性的鋼重新加熱至原來的回火溫度,便可以消除這種脆性。

一、鋼的退火

概念:將鋼加熱、保溫后緩慢冷卻,以獲得接近平衡組織的工藝過程。

1、完全退火

工藝:加熱Ac3以上30-50℃→保溫→隨爐冷到500度以下→空冷室溫。

目的:細化晶粒,均勻組織 ,提高塑韌性,消除內應力,便于機械加工。

2、等溫退火

工藝:加熱Ac3以上→保溫→快冷至珠光體轉變溫度→等溫停留→轉變為P→出爐空冷;

目的:同上。但時間短,易控制,脫氧、脫碳小。(適用于過冷A比較穩定的合金鋼及大型碳鋼件)。 

3、球化退火

概念:是使鋼中的滲碳體球化的工藝過程。

對象:共析鋼和過共析鋼

工藝:

(1)等溫球化退火加熱Ac1以上20-30度→保溫→迅速冷卻到Ar1以下20度→等溫→隨爐冷至600度左右→出爐空冷。

(2)普通球化退火加熱Ac1以上20-30度→保溫→極緩慢冷卻至600度左右→出爐空冷。(周期長,效率低,不適用)。 

目的:降低硬度、提高塑韌性,便于切削加工。

機理:使片狀或網狀滲碳體變成顆粒狀(球狀)

說明:退火加熱時,組織沒有完全A化,所以又稱不完全退火。

4、去應力退火

工藝:加熱到Ac1以下某一溫度(500-650度)→保溫→緩冷至室溫。

目的:消除鑄件、鍛件、焊接件等的殘余內應力,穩定工件尺寸。

二、鋼的回火  

工藝:將淬火后的鋼重新加熱到A1以下某一溫度保溫,然后冷卻(一般空冷)至室溫。

目的:消除淬火產生的內應力,穩定工件尺寸,降低脆性,改善切削加工性能。

力學性能:隨著回火溫度的升高,硬度、強度下降,塑性韌性升高。

1、低溫回火:150-250℃ ,M回,減少內應力和脆性,提高塑韌性,有較高的硬度和耐磨性。用于制作量具、刀具和滾動軸承等。

2、中溫回火:350-500℃ ,T回,具有較高的彈性,有一定的塑性和硬度。用于制作彈簧、鍛模等。

3、高溫回火:500-650℃ ,S回,具有良好的綜合力學性能。用于制作齒輪、曲軸等。