熱處理

熱處理的定義

熱處理是將金屬材料放在一定的介質內加熱、保溫、冷卻，通過改變材料表面或內部的金相組織結構，來

控制其性能的一種金屬熱加工工藝。

熱處理工藝的特點

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工作的形狀和整體的

化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其

特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。

為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理

工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制，

所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力

學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。

金屬熱處理的工藝的介紹

熱處理的工藝過程

熱史理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不

可間斷。

加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應用液

體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制，且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽

或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。

金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發生氧化、脫碳（即鋼鐵零件表面碳含量降低），這對于熱處理后零

件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂

料或包裝方法進行保護加熱。

加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質量的主要問題。加

熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異,但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另

外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時.，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫

度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，

一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。

冷去J也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退

火的冷卻速度最慢，亞火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼軌不同而有不同的要求，例如空度

綱就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。

熱處理工藝的分類

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷

卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同

的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處

理工藝種類繁多。

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的

金屬熱史理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

整體熱處理工藝的手段

退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使

金屬內剖組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。

正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于

改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，

但同時變脆。

為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650C的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進

行冷卻，這種工藝稱為回火。

退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一

不可。

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，把

淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為遇匝。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當

溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。

把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工芍?獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變

熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工

件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。

表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過

多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給于較大的熱能，使工件表

層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理,常用的熱源有氧乙烘

或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理不同

之處是后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質（氣體、液

體、固體）中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鈉等元素。滲入元素后，有時還要進行

其它熱史理工藝如淬火及回火。化學熱處埋的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

熱史理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。大體來說，它可以保證和提高工件的各種性能，

如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應力狀態，以利于進行各種冷、熱加工。

例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵,提高塑性；齒輪采用正確的熱處理工藝,使用壽

命可以比不經熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的

合金鋼也能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼;工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。

整體熱處理工藝的手段的補充

一、退火的種類

將組織偏離平衡狀態的鋼加熱到適當溫度，保溫到一定時間，然后緩慢冷卻（隨爐冷卻），獲得接近平衡

狀態組織的熱處理工藝。

鋼的退火工藝種類很多，根據加熱溫度可分為兩大類:一類是在臨界溫度（Ac1或Ac3）以上的退火，又稱為

相變重結晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和擴散運火等:另一類是在臨界溫度以下的退火,包括

再結晶退火及去應力退火等。

1.完全退火和等溫退火

完全退火又稱重結晶退火，一般簡稱為退火，這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄，鍛

件及熱軋型材，有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重工件的最終熱處理，或作為某些工件的預先熱處理。

2.球化退火

球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼（如制造刃具、量具、模具所用的鋼種）。其主要目的在于

降低硬度，改善切削加工性,并為以后淬火作好準備。

3.去應力退火

去應力退火又稱低溫退火（或高溫回火），這種退火主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件

等的殘余應力。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產生變形

或裂紋。

二、淬火時，最常用的冷卻介質是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不

容易產生淬不硬的軟點，但卻易使工件變形嚴重，甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩

定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。

三、鋼回火的目的

1.降低脆性，消除或減少內應力,鋼件淬火后存在很大內應力和脆性，如不及時回火往往會使鋼件發生

變形甚至開裂。

2.獲得工件所要求的機械性能，工件經淬火后硬度高而脆性大，為了滿足各種工件的不同性能的要求，

可以通過適當回火的配合來調整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性、塑性。

3.穩定工件尺寸

4.對于退火難以軟化的某些合金鋼，在淬火（或正火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當聚集，將

硬度降低，以利切削加工。

熱處理手段的補充

（1）退火：指金屬材料加熱到適當的溫度，保持一定的時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。常見的退火

工藝有：再結晶退火、去應力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的：主要是降低金屬材料的硬度，提高

塑性，以利切削加工或壓力加工，減少殘余應力，提高組織和成分的均勻化，或為后道熱處理作好組織準備

等。

（2）正火：指將鋼材或鋼件加熱到或（鋼的上臨界點溫度）以上，30?50℃保持適當時間后，在靜止

的空氣中冷卻的熱處理的工藝。正火的目的：主要是提高低碳鋼的力學性能，改善切削加工性，細化晶粒，

消除組織缺陷，為后道熱處理作好組織準備等。

（3）淬火：指將鋼件加熱到Ac3或Ac1（鋼的下臨界點溫度）以上某一溫度，保持一定的時間，然后

以適當的冷卻速度，獲得馬氏體（或貝氏體）組織的熱處理工藝。常見的淬火工藝有鹽浴淬火,馬氏體分級

淬火，貝氏體等溫淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使鋼件獲得所需的馬氏體組織，提高工件的

硬度，強度和耐磨性，為后道熱處理作好組織準備等。

（4）回火：指鋼件經淬硬后，再加熱到以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工

藝。常見的回火工藝有：低溫回火，中溫回火，高溫回火和多次回火等。

回火的目的：主要是消除鋼件在淬火時所產生的應力，使鋼件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要

的塑性和韌性等。

（5）調質：指將鋼材或鋼件進行淬火及高溫回火的復合熱處理工藝。使用于調質處理的鋼稱調質鋼。它

一般是指中碳結構鋼和中碳合金結構鋼。

（6）滲碳：滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經

過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

一些常見的熱處理概念

1.正火：將鋼抬或鋼件加熱到臨界點AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻，得

到珠光體類組織的熱處理工藝。

2.退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（或

埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝

3.固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以

得到過飽和固溶體的熱處理工藝

4.時效：合金經固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或梢高于室溫保持時，其性能隨時間而變化的

現象。

5.固溶處理:使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化,以便繼

續加工成型

6.時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度

7.淬火：將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等

不穩定組織結構轉變的熱處理工藝

8.回火：將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法

冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝

9.鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氟化，目前以

中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高

鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。

10.調質處理quenchingandtempering：一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。

調質處理廣泛應用丁各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、鰥至、齒粕及軸類等。調質

處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優。它的硬度取決于高溫回火溫

度并與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200—350之間。

11.釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝

回火的種類及應用

根據工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種：

（-）低溫回火（150—250度）

低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內應

力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲

碳件等，回火后硬度一般為HRC58-64。

（二）中溫回火（350—500度）

中溫回火所得組織為回火屈氏體。其H的是獲得高的屈服強度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用

于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35-50。

（三）高溫回火（500—650度）

高溫回火所得組織為回火索氏體。習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理，其目的是獲得

強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結構零件，如

連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200-330。

熱處理變形的預防

精密復雜模具的變形原因往往是復雜的，但是我們只要掌握其變形規律，分析其產生的原因，采用不同的

方法進行預防模具的變形是能夠減少的，也是能夠控制的。一般來說，對精密復雜模具的熱史理變形可采取以

下方法預防。

（1）合理選材。對精密復雜模具應選擇材質好的微變形模縣鋼（如空淬鋼），對碳化物偏析嚴重的模具鋼應進

行合理鍛造并進行調質熱處理，對較大和無法鍛造模具鋼可進行固溶雙細化熱處理。

（2）模具結構設計要合理，厚薄不要太懸殊，形狀要對稱，對于變形較大模具要掌握變形規律，預留加工

余量，對于大型、精密復雜模具可采用組合結構。

(3)精密復雜模具要進行預先熱處理，消除機械加工過程中產生的殘余應力。

(4)合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對于精密復雜模具可采取緩慢加熱、預熱和其他均衡加熱的方法

來減少模具熱處理變形。

(5)在保證模具硬度的前提下，盡量采用預冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。

(6)對精密復雜模具，在條件許可的情況下，盡量采用真空加熱淬火和淬火后的漁全處理。

(7)對一些精密復雜的模具可采用預先熱處理、時效熱處理、調質氮化熱處理來控制模具的精度。

(8)在修補模具砂眼、氣孔、磨損等缺陷時，選用冷焊機等熱影響小的修復設備以避免修補過程中變形的

產生。

另外，正確的熱處理工藝操作(如堵孔、綁孔、機械固定、適宜的加熱方法、正確選擇模具的冷卻方向和

在冷卻介質中的運動方向等)和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復雜模具變形的有效措施。

熱處理子工藝

退火熱處理

硫化熱處理

硬化熱處理

消除應力熱處理

表面淬火回火熱處理

表面淬火回火熱處理通常用感應加熱或火焰加熱的方式進行。主要技術參數是表面硬度、局部硬度和有效

硬化層深度。硬度檢測可采用維氏硬度計，也可采用洛氏或表面洛氏硬度計。試驗力(標尺)的選擇與有效硬化

層深度和工件表面硬度有關。這里涉及到三種硬度計。

一、維氏硬度計是測試熱處理工件表面硬度的重要手段，它可選用0.5?100kg的試驗力，測試薄至0.05

mm厚的表面硬化層，它的精度是最高的，可分辨出熱處理工件表面硬度的微小差別。另外，有效硬化層深度

也要由維氏硬度計來檢測，所以，對于進行表面熱處理