金屬材料熱處理過(guò)程及工藝淺述

張 龍

（山東省新泰市樓德鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，山東 新泰 271212）

近代以來(lái)，熱處理工藝技術(shù)發(fā)展迅速，先后經(jīng)歷了轉(zhuǎn)筒爐氣體滲碳、應(yīng)用露點(diǎn)電位差計(jì)、二氧化碳紅外儀、氧探頭實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)可控碳勢(shì)等熱處理工藝技術(shù)；等離子場(chǎng)在熱處理技術(shù)中的應(yīng)用，進(jìn)一步完善了滲氮、滲碳等化學(xué)熱處理工藝的深度和密度；科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了激光、電子束等現(xiàn)代科技手段在熱處理工藝中得以普遍應(yīng)用，為表面熱處理、化學(xué)熱處理等新的熱處理工藝提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

1 熱處理的三個(gè)必備過(guò)程

根據(jù)溫度控制的變化，熱處理工藝總結(jié)為加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程。

加熱是熱處理工藝的第一個(gè)步驟，早期的熱處理工藝加熱工序大部分利用木炭和煤炭作為熱源，隨著能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)，又出現(xiàn)了液體和氣體燃料；電力技術(shù)的普及，為熱處理加熱工序帶來(lái)了新的變革，普遍使用電力完成加熱過(guò)程，電加熱方式快捷并且易于控制，減少了對(duì)外部環(huán)境的污染。利用木炭、煤炭、液體氣體燃料以及電力等作為熱源，不借助加熱介質(zhì)加熱統(tǒng)稱(chēng)為直接加熱；間接加熱則是利用熔融的鹽或者浮動(dòng)粒子達(dá)到金屬工件升溫的效果。在加熱過(guò)程中，為保護(hù)金屬工件不受大氣中氧氣、一氧化碳等氣體影響而發(fā)生氧化、脫碳等現(xiàn)象，加熱環(huán)境要確?？煽?，加熱裝置要具備氣氛保護(hù)功能，比如利用熔融鹽或者真空環(huán)境進(jìn)行加熱，也可通過(guò)涂層或包裝來(lái)完成。

保溫工序是在一定的技術(shù)規(guī)范指導(dǎo)下，在確保加熱溫度和精準(zhǔn)控制下，讓加熱之后的金屬工件保持一定的溫度，通常會(huì)在相變溫度以上進(jìn)行加熱以獲得所需的結(jié)構(gòu)。將金屬工件表面加熱到符合要求的溫度并保持在一定的時(shí)間間隔之內(nèi)，以確保工件內(nèi)部與外部溫度能夠保持一致，從而使金屬結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)完全轉(zhuǎn)變，這段時(shí)間間隔在熱處理工藝規(guī)范中稱(chēng)為保溫時(shí)間；有些熱處理工藝保溫過(guò)程要求極短，甚至不需要保溫時(shí)間，例如，為了增加金屬材料表面的耐磨性，需要進(jìn)行高能密度加熱，其特點(diǎn)是短時(shí)或者瞬間致熱，這個(gè)過(guò)程就不需要保溫時(shí)間。

熱處理的另一個(gè)重要工序是冷卻過(guò)程，不同的熱處理工藝，冷卻方式不同，冷卻速度各不相同，冷卻速度的控制是冷卻環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，其中，退火最慢，正火較快，淬火最快，但是由于金屬材質(zhì)的不同，其要求也不同，例如，空氣硬化鋼可以通過(guò)冷卻速率的標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)硬化。

2 熱處理的四種基本工藝

熱處理的四種基本工藝分別是退火、正火、淬火和回火。退火就是將金屬工件加熱到符合要求的溫度值，緩慢冷卻，使金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)達(dá)到或接近于平衡狀態(tài)，主要用于降低金屬工件硬度，增強(qiáng)塑性，降低或消除內(nèi)應(yīng)力，防止在機(jī)加工期間機(jī)件的扭曲變形和開(kāi)裂，便于切削和冷變形加工，通過(guò)細(xì)化和均勻金屬組織晶粒，避免因鑄造、鍛壓、焊接等加工工序引起的構(gòu)造缺陷，進(jìn)一步改善工件機(jī)械性能，以利于其他后續(xù)熱處理工藝的順利進(jìn)行。受金屬材質(zhì)和加工等因素的影響，退火工藝細(xì)分為多個(gè)種類(lèi)，包括均勻化、重結(jié)晶、不完全、等溫、球化、再結(jié)晶、去應(yīng)力等多種退火方式。

正火工藝是將金屬工件加熱至一定的溫度，控制在符合要求的時(shí)間之內(nèi)進(jìn)行冷卻的熱處理工藝。高溫正火要求加熱溫度最高，要把金屬工件加熱至Ac3以上100至150攝氏度。

在鑄造、鍛壓加工實(shí)踐中，通過(guò)正火工藝，可以實(shí)現(xiàn)中、低碳鋼的組織細(xì)化。經(jīng)正火處理后的珠光體片層和鐵素體晶粒更細(xì)密、體積更小，珠光體的強(qiáng)度和硬度更高，部分要求較低的金屬工件往往把正火環(huán)節(jié)作為最終的熱處理工序，可以使金屬工件具有更好的切削性能，以便于加工各種形狀的零部件，而不至于開(kāi)裂斷裂。

淬火工藝是要將金屬工件加熱保溫，然后浸泡在相應(yīng)的淬火介質(zhì)中以最快的速度進(jìn)行冷卻，大幅增強(qiáng)增加工件硬度和脆度，金屬材質(zhì)和機(jī)加工等因素千差萬(wàn)別，淬火介質(zhì)也有所不同，可以采用水、油或其他無(wú)機(jī)鹽，也可以利用有機(jī)水溶液等等。在機(jī)械制造加工實(shí)踐中，有些金屬零件受外力作用，承受的應(yīng)力內(nèi)外差別巨大，有些還要經(jīng)受長(zhǎng)期的表層摩擦，這就對(duì)工件性能提出了更高的要求，因此變形小、生產(chǎn)效率高的表面淬火工藝得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于材質(zhì)差異和熱源不同，又衍生出感應(yīng)、火焰、電接觸加熱等多種不同的表面淬火工藝，在具體操作中，科學(xué)合理選擇，以達(dá)到最佳的淬火效果。回火是將淬火工件長(zhǎng)期保持在室溫至710℃之間的某一適當(dāng)溫度，然后經(jīng)過(guò)冷卻工藝，從而降低工件的脆性。

3 熱處理的六種深度工藝

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)總結(jié)常用的六種深度熱處理工藝。把淬火工藝和高溫回火有機(jī)結(jié)合起來(lái)，科學(xué)調(diào)配運(yùn)用，增強(qiáng)金屬工件的強(qiáng)度和韌性，以獲得更好的處理效果，這種熱處理工藝稱(chēng)為調(diào)質(zhì)。時(shí)效處理是將經(jīng)過(guò)淬火形成過(guò)飽和固溶體之后的某些合金材料，放置在室溫或者稍高的溫度下保持較長(zhǎng)的時(shí)間，增強(qiáng)金屬工件的硬度、強(qiáng)度、電性、磁性等性能。按照機(jī)制加工工藝需求，配合熱處理運(yùn)用壓力對(duì)工件進(jìn)行形變加工，稱(chēng)之為形變熱處理。在負(fù)壓或真空中進(jìn)行的熱處理稱(chēng)之為真空熱處理，其意義在于防止金屬工件氧化、脫碳，保持工件處理后表面光潔。

通過(guò)化學(xué)元素滲入改善金屬工件性能的熱處理方式叫z作化學(xué)熱處理，將工件放置在含有氮、碳或其他合金元素的介質(zhì)中長(zhǎng)期加熱，使氮、碳、鉻、硼等元素能夠滲入到工件表面，以改善金屬工件的耐磨性、亮度和光潔度，在這一過(guò)程中，有時(shí)還需要經(jīng)過(guò)回火、淬火等其他熱處理工藝對(duì)金屬工件進(jìn)行深度加工處理，主要的深度處理方式有滲氮法、滲碳法、復(fù)合滲碳法、金屬化法等等。

表面熱處理的重點(diǎn)在于利用能量高度密集熱源使工件表層瞬間升溫，改善工件表層力學(xué)性能；電力、激光、化學(xué)燃料等行業(yè)門(mén)類(lèi)的快速發(fā)展，為表面熱處理提供了更多的熱源選擇，傳統(tǒng)的表面熱處理向現(xiàn)代工藝快速轉(zhuǎn)化，更多的使用了感應(yīng)電流、激光和電子束、有氧乙炔或氧丙烷火焰等加熱熱源，相對(duì)應(yīng)的也出現(xiàn)了激光、電子束、火焰淬火和感應(yīng)加熱等多種表面熱處理方式。