金属材料热处理基本概念

2013-11-25 08:09:46

来源：河南感应加热设备有限公司

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金属材料热处理几个必须了解的基本概念
金属材料的组织结构和应力状态通常是通过各种金属热处理工艺来实现的。
热处理是金属材料的热工艺之一，它是各类机械制造业工艺中重要的一环。尽管选料适当，但没有相应的热处理工艺，就不可能满足各种使用要求，也没有发挥材料的潜在能力。
所谓热处理就是将金属材料加热到一定温度，并在此温度下停留一段时间，然后以适当的冷却速度冷却至一定温度的工艺过程。热处理改变金属内的组织结果，从而改善金属的性能，使其满足各种使用要求。现将现代工业中使用的各类热处理工艺做如下介绍：
1．退火
将金属材料加热到较高的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的工艺方法，称为退火。
退火的主要目的是：①降低硬度，改善加工性能；②增加塑性和韧性；③消除内应力；④改善内部组织，为最终热处理做好准备。
根基退火的目的和工艺特点，可分为完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、再结晶退火和扩散退火等七类。
按零件需退火部分的体制可分为整体退火及局部退火。按零件表面状态可分为黑皮退火和光亮退火等。
铸铁件的退火主要包括脱碳退火、各种石墨化退火及消除应力退火等。有热金属零件主要有再结晶退火、消除应力退火及铸态的扩散退火等。
2．正火
将金属材料加热到一定温度，保温后在空中冷却，以得到较细的珠光体类组织的工艺方法，称为正火。
正火与退火基本上相似，正火的目的是：
①提高低碳钢的硬度，改善切削加工性；
②细化晶粒，使内部组织均匀，为最后热处理做准备；
③消除内应力，并防止淬火中的变形开裂。
正火主要用于低碳钢、中碳钢和低合金钢，而对于高碳钢和高合金钢则不常用。正火与退火比较，正火后钢的强度和硬度都比退火高，正火工艺简单、经济，应用很广，与退火相比成本也较低。
3．淬火
淬火是把金属材料加热到相变温度以上，保温后，以大于临界冷却速度的速度急剧冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。
淬火是为了得到马氏体组织，再经过回火后，使工件过的良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。其主要目的是：
①提高金属金属材料的力学性能。例如：提高工具、轴承等硬度和耐磨性，提高弹簧性钢的弹性极限，提高轴类零件的综合力学性能，等等。
②改善某些特殊钢的力学性能或化学性能，如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。
淬火冷却时，除需合理选用淬火介质外，还要有正确的淬火方法。常用的淬火方法，主要有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火和局部淬火等。
钢材或金属材料零件热处理时寻用不同的淬火工艺。其目的除了为使其得到需要的组织和适当的性能外，淬火工艺还应保证被处理的零件尺寸和几何形状的变化尽坑地小，以保证零件的精度。
4．回火
回火是指将淬火（或正火）后的钢材或零件加热到临界点（Ac1）以下的某一温度，保温一定的时间后，以一定速度冷却至室温度，的热处理工艺的总称。回火是淬火后紧接着进行的一种操作，通常也是工件进行热处理的最后一道工序，因而把淬火和回火的联合工艺称为最终热处理。
淬火回火的主要目的是：
①减少内应力和降低脆性。淬火件存在着很大的应力和脆性，如不及时回火往往回产生变形甚至开裂。
②调整工件的力学性能。工件淬火后的硬度高、脆性大，为了满足各种工件不同的性能要求。可以通过回火来调整硬度、强度、塑性和韧性。
③稳定工件尺寸。通过回火可使用金相组织趋于稳定，以保证在以后的使用过程中不再发生变形。
④改善某些合金钢的切削性能。
在生产中，常根据对工件性能的要求，按加热温度的不同，把回火分为低温回火、中温回火和高温回火。
淬火和随后高温回火相结合的热处理工艺，称为调质。调质后的目的是获得回火索氏体，使工件具有口号的综合力学性能，即字具有高强度的同时，又有好的塑性和韧性。主要用于处理承受缴大载荷的机器结构零件，如机床主轴、汽车后桥半轴、强力齿轮等。
5．冷处理
冷处理是指将淬火后的金属成材或零件置于0℃以下的低温介质（通常在-30~150℃）中继续冷却，使淬火时的残余奥氏兆转变为马氏体组织的操作方法。
冷处理的主要目的是：
①进一步提高淬火件的硬度和耐磨性；
②稳定工件尺寸，防止和使用过程变形
③提高钢的铁磁性。
冷处理主要用于高合金钢、高碳钢和渗碳钢制造的精密零件。
6．时效
时效包括自然时效和人工时效。将工件长期（半年至一年或长时间）放置在室温或露天条件下，不需任何加热的工艺方法，即自然时效。将工件加热至低温（钢加热到100~150℃、铸铁加热到500~600℃），经较长时间（一般为8~15h）保温后，缓慢冷却到室温的工艺方法，叫做人工时效。
时效主要用于精密工具、量具、模具和滚动轴承，以及其他要求精度高的机械零件。时效的目的是：
①消除内应力，以减少工件加工或使用时的变形；
②稳定尺寸，使工件在长期使用过程中保持几何精度。
7．表面淬火
在动力载荷及摩擦条件下工作的齿轮、曲轴等零件，要求表面具有高硬度和高耐磨性，而心部又要求具有足够的塑性和韧性。这就需要采用表面热处理的方法来解决。表面淬火属于表面热处理工艺，是通过不同的热源对零件进行快速加热，使零件的表面层（一定厚度）很快地加热到淬火温度。然后迅速冷却，从而使表面层获得具有高硬度的马氏体，而心部仍然保持塑性和韧性较好的原来组织。
根据加热方式的不同，表面淬火又可分为火焰表面淬火、感应加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火等。
表面淬火后常需要进行低温回火以降低应力并部分地恢复表面层的塑性。
8．化学热处理
化学热处理是将工件在含有活性元素的介质中加热和保温，使合金元素渗入表面层，以改变表层的化学成分和组织，提高工件的耐磨性、抗蚀性、疲劳抗力或接触疲劳抗力等性能的工艺方法。
化学热处理包含着分解、吸收、扩散三个基本过程。
分解系指化学介质在一定稳定下，由于发生化学分解反应，生成能够渗入工件的“活性原子”。
吸收系是指分解析出来的“活性原子”被吸附在工件表面，然后溶入金属晶格中。
扩散系是指表面吸附“活性原子”后，使渗入元素的浓度大大提高，这样就形成了表面和内部显著的浓度差，从而获得一定厚度的扩散层。
根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮（氮化）、碳氮共渗、软氮化、渗金属等。通常，在进行化学渗（镀）的前后均需施以合适的热处于里，以期最大限度的发挥渗（镀）层的潜力，并达到钢件心部与表层在金相组织、应力分布等方面的最佳配合。
渗碳是化学热处理中最常用的一种，它是向工件表层渗入活性原子，提高表层碳浓度是一种操作工艺。渗碳的目的是获得高碳的表面层，提高工件表面的硬度和耐磨性，而心部仍保持原有的高韧性和高塑性，主要用于处理承受交变载荷、冲击载荷、很大接触应力和严重磨损条件工作的机械结构零件，如汽车变速箱及后桥齿轮、发动机活塞销等。

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