详解热处理技术_金属材料及热处理_

由于六工石墨产品广泛应用于热处理行业，许多客户对热处理技术非常感兴趣。六工徐经理从事热处理石墨研究十多年，认真整理了热处理技术，方便大家学习参考。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一。与其他加工工艺相比，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工件表面的化学成分来赋予或提高工件的使用性能。其特点是提高工件的内部质量，肉眼看不到。正如有人所说，机械加工是外科，热处理是内科，代表着一个**制造业的核心竞争力。

工艺过程

热处理工艺一般包括加

金属加热时，工件暴露在空气中，经常氧化脱碳（即钢件表面碳含量降低），对热处理后零件的表面性能有非常不利的影响。因此，金属通常应在可控气氛或保护气氛、熔融盐和真空中加热，或涂层或包装方法。

加热温度是热处理过程中的重要工艺参数之一。选择和控制加热温度是保证热处理质量的主要问题。加热温度因金属材料和热处理的目的而异，但通常加热到相变温度以上以获得高温组织。此外，转换需要一定的时间，因此当金属工件表面达到所需的加热温度时，必须保持一定的时间，使内外温度一致，使显微组织完全转换，称为保温时间。

采用高能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。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。

工艺

金属热处理工艺一般可分为三类：整体热处理、表面热处理和化学热处理。根据不同的加热介质、加热温度和冷却方法，每个类别可分为几种不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可以获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢是工业上应用更广泛的金属，钢显微组织也是更复杂的，因此钢热处理工艺种类繁多。

整体热处理是对工件进行整体加热，然后以适当的速度冷却，获得所需的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁的整体热处理大致包括退火、正火、淬火和回火，即热处理的四火。

淬火

淬火工艺

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac三、或Ac1(过分析钢)以上温度，保温一段时间，使其全部或部分奥氏体化，然后快速冷却到比临界冷却速度大Ms以下（或Ms马氏体(或贝氏体)转换的热处理工艺在附近等温。

工艺：加热、保温、冷却。

淬火的本质：马氏体或贝氏体转化为过冷奥氏体，得到马氏体或贝氏体组织。

淬火的目的：（1）大大提高钢的刚度、硬度、耐磨性、疲劳强度和韧性，满足各种机械部件和工具的不同使用要求；（2）通过淬火满足某些特殊钢的铁磁性和耐腐蚀性。

应用范围：淬火工艺应用更广泛，如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切割加工机床、气动工具、钻井机械、农业机械、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等部件。

淬火介质

淬火冷却工件中使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。理想的淬火介质的条件是使工件淬火成马氏体，而且不会引起太大的淬火应力。

常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。

● 水

水是一种冷却能力强的淬火介质。

优点:来源广，价格低，成分稳定，不易变质。

缺点： 冷却能力不稳定，容易使工件变形或开裂。C曲线的鼻子区(500~600℃左右)，水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成软点；在马氏体转变温度区(300~1000℃），水处于沸腾阶段，冷却过快，容易使马氏体转化过快，产生较大的内应力，导致工件变形甚至开裂。当水温升高时，水中含有更多的气体或与不溶性杂质（如油、肥皂、泥浆等）混合，会显著降低其冷却能力。

应用： 适用于碳钢工件的淬火冷却，截面尺寸小，形状简单。

● 盐水和碱水

在水中加入适量的盐和碱，使高温工件浸泡在冷却介质中，在蒸汽膜阶段沉淀盐和碱晶体，立即爆裂，破坏蒸汽膜，破坏工件表面的氧化皮，提高高温区介质的冷却能力，缺点是介质腐蚀性大。

应用:一般盐水浓度为10%，苛性钠水溶液浓度为10%~15%。可用作碳钢和低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不得超过60%℃，淬火后应及时清洗防锈处理。

● 油

矿物油(矿物油)通常用于冷却介质。如机油、变压器油、柴油等。机油一般为10号、20号、30号。油越大，粘度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。

淬火方式

● 单液淬火

它是一种淬火操作方法，将奥氏体化学物质浸泡在某种淬火介质中，直到室温冷却。单液淬火介质包括水、盐水、碱水、油和专用淬火剂。

优点：操作简单，有利于机械化和自动化。

缺点：淬火质量受介质冷却特性的限制。

应用:单液淬火仅适用于碳素钢形状简单的工件。

● 双液淬火

是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等。双液淬火减少变形和开裂倾向，操作不好掌握，在应用方面有一定的局限性。

● 马氏体分级淬火

奥氏体化学品首先浸泡在温度略高或略低于钢的马氏体点的液体介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，在钢的内外层达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称为分级淬火。

优点：分级淬火可有效降低相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂趋势，因为分级温度保持在工件内外温度一致后是空冷的。

应用：适用于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也适用于截面尺寸小、形状复杂的碳钢工件。

● 贝氏体等温淬火

将钢件奥氏体化，使其快速冷却到贝氏体转换温度范围(260~400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火，一般保温时间为30～60min。

● 复合淬火

快速冷却工件Ms以下是10%~20%马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可以获得大截面工件M B组织。预淬形成的马氏体可以促进贝氏体的转化，并在等温时回火马氏体。合金工具钢工件采用复合淬火，可避免**种回火脆性，减少残余奥氏体量，即变形开裂趋势。

回火

回火工艺

回火是将淬火工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，并在空气、水、油等介质中冷却一段时间。

回火的目的：（1）消除淬火过程中产生的残余应力，防止变形和开裂；（2）调整硬度、强度、塑性和韧性，满足使用性能要求；（3）稳定组织和尺寸，确保精度；（4）和提高加工性能。

回火分类

●低温回火

指工件在150~250℃回火。

目的：保持淬火工件的高硬度和耐磨性，降低淬火残余应力和脆性。

回火后得到回火马氏体，指淬火马氏体低温回火时得到的组织。

适用范围：刀具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火零件等。

●中温回火

指工件在350～500℃之间的回火。

目的：获得较高的弹性和屈服点，并具有适当的韧性。回火后获得回火屈氏体是指分布在极小球状碳化物（或渗碳体）中的复合组织。

适用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。

●高温回火

指工件在500℃上述回火。

目的：综合力学性能具有良好的强度、塑性和韧性。

回火后获得回火索氏体，是指分布在细小球状碳化物（包括渗碳体）中的马氏体回火形成的铁素体基体的复合组织。

应用范围：广泛应用于连杆、螺栓、齿轮、轴等各种重要应力结构件。

正火

正火工艺

正火是将钢加热到30-50以上的临界温度(完全奥氏体化的温度)℃，保温适当时间后，从炉内取出空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

目的:(1)均匀分布晶粒细化和碳化物；(2)去除材料的内应力；(3)增加材料的硬度。

材料：亚共晶马口铁

状态：正火

组织:石墨棕色、马氏体浅黄色、珠光体绿色和深黄色、渗碳体素棕色

材料：A-299

状态：正火

组织:棕色 铁素体黄、蓝、白 珠光体棕色

材料：13MnNiMoNb

状态：正火

组织:浅棕色珠光体灰棕色，铁素体红，黄，蓝

材料：45钢

状态：正火

组织：浅蓝色铁素体和珠光体有多种颜色

优点：（1）正火冷却速度略快于退火冷却速度，珠光片层间距小，正火组织比退火组织细，硬度和强度高；（2）正火炉外冷却不占用设备，生产率高。

应用：仅适用于碳钢和低、中合金钢，不适用于高合金钢。由于高合金钢的奥氏体非常稳定，马氏体组织也会在空气中冷却。

具体用途

(1)正火可以提高低碳钢和低合金钢的硬度，提高切削性；

(2)对于中碳钢，正火可以代替调质，为高频淬火做好组织准备，降低钢件的变形和加工成本；

(3)对于高碳钢，正火可以消除网状渗碳体组织，便于球化退火；

(4)对于大型钢锻件或截面变化较大的钢铸件，可用正火代替淬火，以减少变形开裂倾向，或为淬火做好组织准备；

(5)钢淬火修件可通过正火消除过热影响，重新淬火；

(6)用于铸铁，增加基体的珠光体积，提高铸件的强度和耐磨性。

退火

退火工艺

将金属或合金加热到适当的温度，保温一段时间，然后慢慢冷却（通常随炉冷却），热处理工艺称为退火。

退火的本质是将钢加热到奥氏体，然后转化为珠光体。退火后的组织是接近平衡的组织。

退火目的：

(1)降低钢的硬度，提高塑性，便于机械加工和冷变形加工；

(2)均匀钢的化学成分和组织，细化晶粒，提高钢的性能或为淬火做准备；

(3)消除内应力和加工硬化，防止变形和开裂。

退火方法

1、完全退火

工艺：将钢加热到Ac3以上20~30℃，保温一段时间后，缓慢冷却（炉）以获得接近平衡组织的热处理工艺（完全奥氏体化）。在实际生产中，退火冷却至500℃左右出炉空冷。

目的：细化晶粒，组织均匀，消除内应力，降低硬度，提高钢的切割加工性能。 亚分析钢完全退火后的组织是F P。

应用：亚共析钢主要用于完全退火（wc=0.3~0.6%)一般为中碳钢及低碳合金钢铸件、锻件及热轧型材，有时用于焊接件。

2.不完全退火

工艺：将钢加热到Ac1~Ac三、或Ac1~Accm(过共析钢)经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。

应用：主要用于过分析钢获取球形珠光体组织，消除内应力，降低硬度，提高切削加工能力。

3、等温退火

工艺:将钢加热到高于Ac3(或Ac1)温度，保温适当时间后，迅速冷却到 珠