金屬材料熱處理過程及工藝淺述

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，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)可控碳勢等熱處理工藝技術(shù)；等離子場在熱處理技術(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 熱處理的三個必備過程

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

加熱是熱處理工藝的第一個步驟，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了新的變革，普遍使用電力完成加熱過程，電加熱方式快捷并且易于控制，減少了對外部環(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)稱為直接加熱；間接加熱則是利用熔融的鹽或者浮動粒子達(dá)到金屬工件升溫的效果。在加熱過程中，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)境要確保可控，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，也可通過涂層或包裝來完成。

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，這段時間間隔在熱處理工藝規(guī)范中稱為保溫時間；有些熱處理工藝保溫過程要求極短，甚至不需要保溫時間，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)是短時或者瞬間致熱，這個過程就不需要保溫時間。

熱處理的另一個重要工序是冷卻過程，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冷卻速率的標(biāo)準(zhǔn)化來硬化。

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)件的扭曲變形和開裂，便于切削和冷變形加工，通過細(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)分為多個種類，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)加工等因素千差萬別，淬火介質(zhì)也有所不同，可以采用水、油或其他無機(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)受長期的表層摩擦，這就對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期保持在室溫至710℃之間的某一適當(dāng)溫度，然后經(jīng)過冷卻工藝，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，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，這種熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。時效處理是將經(jīng)過淬火形成過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的時間，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)用壓力對工件進(jìn)行形變加工，稱之為形變熱處理。在負(fù)壓或真空中進(jìn)行的熱處理稱之為真空熱處理，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，在這一過程中，有時還需要經(jīng)過回火、淬火等其他熱處理工藝對金屬工件進(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)門類的快速發(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。