机械加工热处理工艺（机械制造中的重要工艺金属热处理）

机械加工热处理工艺（机械制造中的重要工艺金属热处理）（冷却）采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺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。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。（保温）

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的化学成分，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，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。正如有些人说，机械加工是外科，热处理就是内科，代表一个国家制造业的核心竞争力。

工艺过程

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

（加热）

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。

加热温度是热处理工艺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。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。

（保温）

采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

（冷却）

冷却液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。

工艺分类

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。

整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺，即热处理的“四把火”。

淬火

淬火工艺

钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3（亚共析钢）或Ac1（过共析钢）以上温度，保温一段时间，使之全部或部分奥氏体化，然后以大于临界冷却速度快冷到Ms以下（或Ms附近等温）进行马氏体（或贝氏体）转变的热处理工艺。

工艺过程：加热、保温、冷却。

淬火的实质：是过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织。

淬火的目的：（1）大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求；（2）通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

应用范围：淬火工艺应用最为广泛，如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、钻探机械、农机具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零件都在使用淬火工艺。

淬火：图片来自中信重工

淬火介质

工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体，又不致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

水是冷却能力较强的淬火介质。

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，易使工件变形或开裂。在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”；而在马氏体转变温度区（300～100℃），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。

应用： 适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。

● 盐水和碱水

在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力，其缺点是介质的腐蚀性大。

应用：一般情况下，盐水的浓度为10％，苛性钠水溶液的浓度为10％～15％。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。

● 油

冷却介质一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的号越大，黏度越大，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

是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种，一直冷却到室温的淬火操作方法。单液淬火介质有水、盐水、碱水、油及专门配制的淬火剂等。

优点：操作简单，有利于实现机械化和自动化。

缺点：冷速受介质冷却特性的限制而影响淬火质量。

应用：单液淬火对碳素钢而言只适用于形状较简单的工件。

● 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，入先水后油、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

是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。

优点：分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。

应用：适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。

● 贝氏体等温淬火

是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（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

将工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使较大截面地工件获得M B组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变，在等温时又使马氏体回火。复合淬火用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。

回火

回火工艺

回火是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却到室温的热处理工艺。

回火的目的：（1）消除工件淬火时产生的残留应力，防止变形和开裂；（2）调整工件的硬度、强度、塑性和韧性，达到使用性能要求；（3）稳定组织与尺寸，保证精度；（4）改善和提高加工性能。

回火分类

●低温回火

指工件在150~250℃进行的回火。

目的：保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火残留应力和脆性。

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。

（针状马氏体）

应用范围：刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。

●中温回火

指工件在350～500℃之间进行的回火。

目的：得到较高的弹性和屈服点，适当的韧性。回火后得到回火屈氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物（或渗碳体）的复相组织。

（屈氏体）

应用范围：弹簧、锻模、冲击工具等。

●高温回火

指工件在500℃以上进行的回火。

目的：得到强度、塑性和韧性都较好的综合力学性能。

回火后得到回火索氏体，指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着细小球状碳化物（包括渗碳体）的复相组织。

（索氏体）

应用范围：广泛用于各种较重要的受力结构件，如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。

正火

正火工艺

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

目的：（1）使晶粒细化和碳化物分布均匀化；（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，珠光体绿色及深黄色，渗碳体素褐色

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：浅棕色珠光体灰褐色、铁素体红、黄、蓝色

材料：45钢

状态：正火

组织：浅蓝色铁素体、珠光体多种颜色

优点：（1）正火冷却速度比退火冷却速度稍快，因而所获得的珠光体片层间距较小，正火组织要比退火组织更细一些，因而其硬度和强度也较高；（2）正火炉外冷却不占用设备，生产率较高。

应用：只适用于碳素钢和低、中合金钢，而不适用于高合金钢。因为高合金钢的奥氏体非常稳定，在空气中冷却也将得到马氏体组织。

具体用途

（1）对于低碳钢和低合金钢，正火可以提高其硬度，以改善切削性；

（2）对于中碳钢，正火可代替调质处理，为高频淬火做组织准备，并可减少钢件的变形和降低加工成本；

（3）对于高碳钢，正火可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有急剧变化的钢铸件，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）对于钢的淬火反修件，可通过正火消除过热影响，以便能重新淬火；

（6）用于铸铁件以增加基体的珠光体量，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温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），的热处理工艺叫做退火。

退火的实质是将钢加热到奥氏体化后进行珠光体转变，退火后的组织是接近平衡后的组织。

退火的目的：

（1）降低钢的硬度，提高塑性，便于机加工和冷变形加工；

（2）均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，改善钢的性能或为淬火作组织准备；

（3）消除内应力和加工硬化，以防变形和开裂。

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（随炉）以获得接近平衡组织的热处理工艺（完全奥氏体化），实际生产中，为提高生产率，退火冷却至500℃左右即出炉空冷。

目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。 亚共析钢完全退火后的组织为F P。

应用：完全退火主要用于亚共析钢（wc=0.3~0.6%），一般是中碳钢及低、中碳合金钢铸件、锻件及热轧型材，有时也用于它们的焊接件。

2、不完全退火

工艺：将钢加热到Ac1~Ac3(亚共析钢)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：主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，以消除内应力，降低硬度，改善切削加工性。

3、等温退火

工艺：将钢加热到高于Ac3(或Ac1)的温度，保温适当时间后，较快冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体，然后空冷至室温的热处理工艺。

目的：与完全退火相同，转变较易控制。

应用：适用于较稳定的钢：高碳钢（wc>0.6％）、合金工具钢、高合金钢(合金元素的总量>10％)。等温退火还有利于获得均匀的组织和性能。但不适用于大截面钢件和大批量炉料，因为等温退火不易使工件内部或批量工件都达到等温温度。

4、球化退火

工艺：使钢中碳化物球状化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。加热至Ac1以上20~30℃温度，保温时间不宜太长，一般以2~4h为宜，冷却方式通常采用炉冷，或在Ar1以下20℃左右进行较长时间等温。

目的：降低硬度、均匀组织、改善切削加工性为淬火作组织准备。

应用：主要用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。球化退火得到球状珠光体，在球状珠光体中，渗碳体呈球状的细小颗粒，弥散分布在铁素体基体上。球状珠光体与片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时变形和开裂倾向小。

5、扩散退火（均匀化退火）

工艺：将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

目的：消除铸锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。

应用： 应用于一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭。扩散退火的加热温度很高，通常为Ac3或Accm以上100~200℃，具体温度视偏析程度及钢种而定，保温时间一般为10~15小时。扩散退火后需完全退火及正火处理，以细化组织。

6、去应力退火

工艺：将钢件加热至低于Ac1的某一温度（一般为500~650℃），保温，然后随炉冷却。

去应力退火温度低于A1，因此去应力退火不引起组织变化。

目的：消除残余内应力。

应用：主要用来消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。