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金属热处理
简述
金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度
中保持一定时间后,又以不同速度冷却的一种工艺
金属热处理是札械制造中的重要工艺と一,与其他加工工艺相比,热处理
般不改变工件的形状利整体的化学成分,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
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材
料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最
广的材料,钢铁显微组织复杂,可以通过热处理予以控制,所以钢铁的热处理是
金属热处理的主要内容。另外,铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理
改变其力学、物理和化学性能,以获得不同的使用性能
在从石器时代进展到铜器时代利铁器时代的过程中,热处理的作用逐渐为人
们所认识。早在公元前770~前222年,中国人在生产实中就已发现,铜铁的
性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的
重要工艺。
公元前六世纪,钢铁兵器逐渐被采用,为了提高钢的硬度,淬火工艺遂得到
迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟,其显微组织中都有马
氏体存在,说明是经过淬火的。
随着淬火技术的发展,人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲
元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀,相传是派人到成都取水溶火的。这
说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了,同时也注意了油和尿的冷却能
カ。中国出土的西汉(公元前206~公元24)中山靖土墓中的宝剑,心部含碳量为
0.15~0.4%,而表面含碳量却达0.6%以上,说明口应用了渗碳工艺。但当时作
为个人“手艺”的秘密,不肯外传,因而发展很慢
1863年,英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金
相纽织,证明了钢在加热和冷却时,内部会发生组织改变,钢中高温时的相在急
冷时转变为一种较硬的相。法国人斯蒙德确立的铁的同素异构理论,以及英国
人?斯汀最早制定的铁碳相图,为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同
时,人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法,以避免加热过
程中金属的氧化和脱碳等。
1850~1880年,对于应用各种气体(诸如氧气、煤气、一氧化碳等)进行保护
加热曾有一系列专利。1889~1890年英国人菜売状得多种金属光亮热处理的专
利
十世纪以来,金属物理的发展和其他新技术的移植应用,使金属热处理工
艺得到更大发展。一个显著的进展是1901~1925年,在工业生产中应用转筒炉
进行气体滲碳;30年代出现露点电位差计,使炉内气氖氛的碳势込到可控,以后又
研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法:60年代,
热处理技术运用了等离子场的作用,发展了离子渗氮、渗碳工艺:激光、电子
束技术的应用,又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
金属热处理的工艺
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。
加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多,最早足采用木
炭和煤作为热源,进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制,且无环
境污染。利用这些热源可以直接加热,也可以通过熔融的盐或金属,以至浮动粒
子进行间接加热。
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
在可控气氛或保抑气氛中、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,这段时问称为保温时问。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。一般退火的冷却速度最慢,正火的冷却速度较快,溶火的
冷却逑度更快。但还因钢种不同而有不同的要求,例如硬钢就可以用正火一样
的冷却速度进行淬硬。
金属热处理工艺人体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三人类
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,而且钢铁忌微组织也最为复杂,因此
钊铁热处理工艺种类繁多
柊体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,以改变其体力学
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。
退火是将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,
然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工
艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的
温度斤在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改
善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理
淬火是将工件加热保温后,在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质
中快速冷却。済火后钢件变硬,但同时变脆。为了降低钢件的脆性,将淬火后的
钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,
这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其
中的溶火与回火关系密切,常常合使用,缺一不可。
“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺。
为了获得一定的强度和韧性,把溶火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。某
些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时
问,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处工艺称为时效处
把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起米进行,使工件获得很好的强