一 慨述

　　金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后佃却，又以不同速度冷卻的一種工藝方法者吁。

　　金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其它加工工藝相比饲帅，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分复凳，而是通過改變工件內(nèi)部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分灶泵，賦予或改善工件的使用性能育八。其特點是改善工件的內(nèi)在質量对途，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髓棋、物理性能和化學性能肝珍，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楚辆。鋼鐵是機械工業(yè)中應用最廣的材料芍司，鋼鐵顯微組織復雜，可以通過熱處理予以控制甜序，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容抽堵。另外，鋁驹拢、銅起忠、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學帕吆、物理和化學性能聋芹，以獲得不同的使用性能。

　　在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中觅霉，熱處理的作用逐漸為人們所認識沥涕。早在公元前770～前222年，中國人在生產(chǎn)實踐中就已發(fā)現(xiàn)绑警，銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化求泰。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農(nóng)具的重要工藝。

　　公元前六世紀计盒，鋼鐵兵器逐漸被采用渴频，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發(fā)展北启。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟卜朗，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經(jīng)過淬火的咕村。

　　隨著淬火技術的發(fā)展场钉，人們逐漸發(fā)現(xiàn)冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀培廓，相傳是派人到成都取水淬火的惹悄。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和尿的冷卻能力肩钠。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上暂殖，說明已應用了滲碳工藝岂张。但當時作為個人“手藝”的秘密墓篇，不肯外傳，因而發(fā)展很慢础估。

　　1863年瘾夯，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時牙德，內(nèi)部會發(fā)生組織改變巧嗡，鋼中高溫時的相在急冷時轉變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論庭钢，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖恋鞋，為現(xiàn)代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時讽钻，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法赵须，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。

　　1850～1880年扎矾，對于應用各種氣體(如氫氣业嗅、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利唉侄。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利咒吐。

　　二十世紀以來，金屬物理的發(fā)展和其它新技術的移植應用属划，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展渤滞。一個顯著的進展是1901～1925年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉筒爐進行氣體滲碳 榴嗅；30年代出現(xiàn)露點電位差計,使爐內(nèi)氣氛的碳勢達到可控妄呕，以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢的方法嗽测；60年代绪励，熱處理技術運用了等離子場的作用，發(fā)展了離子滲氮唠粥、滲碳工藝疏魏；激光、電子束技術的應用晤愧，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法大莫。

　　二　金屬熱處理的工藝

　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫篇瀑、冷卻三個過程厨朗，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接看剃，不可間斷淀然。

　　加熱是熱處理的重要步驟之一鹿腕。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悔琉，進而應用液體和氣體燃料悼锻。電的應用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染唉攻。利用這些熱源可以直接加熱透辜，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱网赤。

　　金屬加熱時使萨，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化貌砖、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)喂很，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皆刺、熔融鹽中和真空中加熱少辣，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(shù)之一羡蛾，選擇和控制加熱溫度 漓帅，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痴怨，但一般都是加熱到相變溫度以上忙干，以獲得需要的組織。另外轉變需要一定的時間浪藻，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時捐迫，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致爱葵，使顯微組織轉變完全施戴，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萌丈，加熱速度極快赞哗，一般就沒有保溫時間或保溫時間很短，而化學熱處理的保溫時間往往較長庭走。

　　冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟蕴脯，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度荸凸。一般退火的冷卻速度最慢曼沐，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快及奋。但還因鋼種不同而有不同的要求鱼虽，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬海黍。

　　金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理婶祥、表面熱處理付准、局部熱處理和化學熱處理等。根據(jù)加熱介質阴迹、加熱溫度和冷卻方法的不同佩艇，每一大類又可區(qū)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俭疤，可獲得不同的組織送丰，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬弛秋，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜器躏，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蟹略，然后以適當?shù)乃俣壤鋮s登失，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火挖炬、正火揽浙、淬火和回火四種基本工藝。

　　退火是將工件加熱到適當溫度意敛，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間馅巷，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)草姻，獲得良好的工藝性能和使用性能钓猬，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撩独，正火的效果同退火相似草悦，只是得到的組織更細，常用于改善材料的切削性能即粗，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理滋样。

　　淬火是將工件加熱保溫后，在水枯悲、油或其它無機鹽督阿、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬埂伺，但同時變脆畴制。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于710℃的某一適當溫度進行長時間的保溫夭掸，再進行冷卻译快，這種工藝稱為回火喊傻。退火、正火攻内、淬火褂磕、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匪傍，常常配合使用您市，缺一不可。

　　“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同役衡，又演變出不同的熱處理工藝 茵休。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手蝎，稱為調質榕莺。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棵介，以提高合金的硬度钉鸯、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理鞍时。把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行亏拉，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理逆巍；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理及塘，它不僅能使工件不氧化，不脫碳厚较，保持處理后工件表面光潔坊蜂，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理蚤岗。

　　表面熱處理是只加熱工件表層卢俯，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(nèi)部变硬，使用的熱源須具有高的能量密度氢熏，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫粱宝。表面熱處理的主要方法仲蔼，有激光熱處理、火焰淬火和感應加熱熱處理玖膨，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰些搅、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乏呐、組織和性能的金屬熱處理工藝猛蔽。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灵寺÷猓化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(氣體替久、液體凉泄、固體)中加熱躏尉，保溫較長時間蚯根，從而使工件表層滲入碳、氮胀糜、硼和鉻等元素颅拦。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火教藻【嗨В化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮括堤、滲金屬碌秸、復合滲等。

　　熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一沛专。大體來說尖蚪，它可以保證和提高工件的各種性能 ，如耐磨讯翎、耐腐蝕等嫉簿。還可以改善毛坯的組織和應力狀態(tài)，以利于進行各種冷最勤、熱加工封鹦。

　　例如白口鑄鐵經(jīng)過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性 坚矢；齒輪采用正確的熱處理工藝晾游，使用壽命可以比不經(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外翁纵，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性能丽信，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼柴伪；工模具則幾乎全部需要經(jīng)過熱處理方可使用蹲居。

　　三　鋼的分類

　　鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11% 两芳。鋼是經(jīng)濟建設中極為重要的金屬材料摔寨。鋼按化學成分分為碳素鋼（簡稱碳鋼）與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金怖辆，除鐵是复、碳為其主要成分外，還含有少量的錳竖螃、硅淑廊、硫、磷等雜質特咆。碳鋼具有一定的機械性能季惩，又有良好的工藝性能，且價格低廉腻格。因此画拾，碳鋼獲得了廣泛的應用。但隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學技術的迅速發(fā)展菜职，碳鋼的性能已不能完全滿足需要摊矮，于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎上睬漩，有目的地加入某些元素（稱為合金元素）而得到的多元合金影偶。與碳鋼比，合金鋼的性能有顯著的提高漫诬，故應用日益廣泛确羹。

　　由于鋼材品種繁多，為了便于生產(chǎn)鼎派、保管烁讨、選用與研究，必須對鋼材加以分類径候。按鋼材的用途么养、化學成分、質量的不同速袁，可將鋼分為許多類：

　⌒獭（一）． 按用途分類

　　按鋼材的用途可分為結構鋼、工具鋼绳匀、特殊性能鋼三大類芋忿。

　　1.結構鋼：

　　（1）.用作各種機器零件的鋼疾棵。它包括滲碳鋼戈钢、調質鋼、彈簧鋼及滾動軸承鋼。

　⊙沉恕（2）．用作工程結構的鋼开仰。它包括碳素鋼中的甲、乙薪铜、特類鋼及普通低合金鋼众弓。

　　2.工具鋼：用來制造各種工具的鋼。根據(jù)工具用途不同可分為刃具鋼隔箍、模具鋼與量具鋼谓娃。

　　3.特殊性能鋼：是具有特殊物理化學性能的鋼⊙烟玻可分為不銹鋼滨达、耐熱鋼、耐磨鋼溶隅、磁鋼等迹遏。

　　（二）． 按化學成分分類

　　按鋼材的化學成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類龄冀。

　　碳素鋼：按含碳量又可分為低碳鋼（含碳量≤0.25%）；中碳鋼（0.25%＜含碳量＜0.6%）掏谎；高碳鋼（含碳量≥0.6%）圆如。

　　合金鋼：按合金元素含量又可分為低合金鋼（合金元素總含量≤5%）；中合金鋼（合金元素總含量=5%--10%）锄菊；高合金鋼（合金元素總含量＞10%）游颅。此外，根據(jù)鋼中所含主要合金元素種類不同占犹，也可分為錳鋼诞昧、鉻鋼、鉻鎳鋼理币、鉻錳鈦鋼等步嘹。

　　（三）． 按質量分類

　　按鋼材中有害雜質磷聋亡、硫的含量可分為普通鋼（含磷量≤0.045%肘习、含硫量≤0.055%；或磷坡倔、硫含量均≤0.050%）漂佩；優(yōu)質鋼（磷、硫含量含硫量≤0.030%）罪塔。

　　此外投蝉，還有按冶煉爐的種類，將鋼分為平爐鋼（酸性平爐、堿性平爐）瘩缆，空氣轉爐鋼（酸性轉爐港柜、堿性轉爐、氧氣頂吹轉爐鋼）與電爐鋼咳榜。按冶煉時脫氧程度夏醉，將鋼分為沸騰鋼（脫氧不完全），鎮(zhèn)靜鋼（脫氧比較完全）及半鎮(zhèn)靜鋼涌韩。

　　鋼廠在給鋼的產(chǎn)品命名時畔柔，往往將用途、成分模朋、質量這三種分類方法結合起來布橄。如將鋼稱為普通碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼谆府、碳素工具鋼荠涂、高級優(yōu)質碳素工具鋼、合金結構鋼灯趁、合金工具鋼等裙靶。均≤0.040%）；高級優(yōu)質鋼（含磷量≤0.035%稼炉、

　　四 金屬材料的機械性能

　　金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類犹喜。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中，金屬材料在所定的冷草嫉、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能阎敬。金屬材料工藝性能的好壞，決定了它在制造過程中加工成形的適應能力症慰。由于加工條件不同魄帽，要求的工藝性能也就不同，如鑄造性能凯傲、可焊性犬辰、可鍛性、熱處理性能泣洞、切削加工性等忧风。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下，金屬材料表現(xiàn)出來的性能球凰，它包括機械性能狮腿、物理性能、化學性能等呕诉。金屬材料使用性能的好壞缘厢，決定了它的使用范圍與使用壽命吃度。

　　在機械制造業(yè)中，一般機械零件都是在常溫贴硫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的椿每，且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能英遭，稱為機械性能（或稱為力學性能）砂腰。金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據(jù)。外加載荷性質不同（例如拉伸蔑氛、壓縮潘娄、扭轉、沖擊汇割、循環(huán)載荷等）持拐，對金屬材料要求的機械性能也將不同。常用的機械性能包括：強度恋得、塑性啰哪、硬度、韌性此妙、多次沖擊抗力和疲勞極限等侵宝。下面將分別討論各種機械性能。

　　1． 強度

　　強度是指金屬材料在靜荷作用下抵抗破壞（過量塑性變形或斷裂）的性能殃通。由于載荷的作用方式有拉伸攘默、壓縮、彎曲昔搂、剪切等形式，所以強度也分為抗拉強度输拇、抗壓強度摘符、抗彎強度、抗剪強度等策吠。各種強度間常有一定的聯(lián)系逛裤，使用中一般較多以抗拉強度作為最基本的強度指標。

　　2． 塑性

　　塑性是指金屬材料在載荷作用下猴抹，產(chǎn)生塑性變形（永久變形）而不破壞的能力带族。

　　3． 硬度

　　硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。目前生產(chǎn)中測定硬度方法最常用的是壓入硬度法蟀给，它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的金屬材料表面蝙砌，根據(jù)被壓入程度來測定其硬度值。

　　常用的方法有布氏硬度（HB）跋理、洛氏硬度（HRA择克、HRB恬总、HRC）和維氏硬度（HV）等方法.

　　4． 疲勞

　　前面所討論的強度、塑性肚邢、硬度都是金屬在靜載荷作用下的機械性能指標辱雅。實際上，許多機器零件都是在循環(huán)載荷下工作的苛每，在這種條件下零件會產(chǎn)生疲勞怨颜。

　　5． 沖擊韌性

　　以很大速度作用于機件上的載荷稱為沖擊載荷，金屬在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性木鸭。

　　五  退火--淬火--回火

　　(一)．退火的種類

　　1． 完全退火和等溫退火

　　完全退火又稱重結晶退火夯架，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肚苇，鍛件及熱軋型材功抠，有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重要工件的最終熱處理蚣锌，或作為某些工件的預先熱處理耘昙。

　　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，量具计浮，模具所用的鋼種）谓墨。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性辫继，并為以后淬火作好準備怒见。

　　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姑宽，鍛件遣耍，焊接件，熱軋件炮车，冷拉件等的殘余應力舵变。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后瘦穆，或在隨后的切削加工過程中產(chǎn)生變形或裂紋纪隙。

　　(二)．淬火

　　為了提高硬度采取的方法，主要形式是通過加熱扛或、保溫绵咱、速冷。最常用的冷卻介質是鹽水熙兔，水和油悲伶。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面惯慎，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點颤皆，但卻易使工件變形嚴重酬苇，甚至發(fā)生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火给番。

　　(三)．回火

　　1． 降低脆性蚤件，消除或減少內(nèi)應力，鋼件淬火后存在很大內(nèi)應力和脆性狞绰，如不及時回火往往會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂完株。

　　2． 獲得工件所要求的機械性能，工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大峦夺，為了滿足各種工件的不同性能的要求谊阐，可以通過適當回火的配合來調整硬度压状，減小脆性右婚，得到所需要的韌性捍睡，塑性。

　　3． 穩(wěn)定工件尺寸

　　4． 對于退火難以軟化的某些合金鋼斋值，在淬火（或正火）后常采用高溫回火绑雄，使鋼中碳化物適當聚集，將硬度降低奥邮，以利切削加工万牺。

　　六 常用爐型的選擇

　　爐型應依據(jù)不同的工藝要求及工件的類型來決定

　　1．對于不能成批定型生產(chǎn)的，工件大小不相等的洽腺，種類較多的脚粟，要求工藝上具有通用性、多用性的蘸朋，可選用箱式爐核无。

　　2．加熱長軸類及長的絲桿，管子等工件時藕坯，可選用深井式電爐厕宗。

　　3．小批量的滲碳零件，可選用井式氣體滲碳爐堕担。

　　4．對于大批量的汽車、拖拉機齒輪等零件的生產(chǎn)可選連續(xù)式滲碳生產(chǎn)線或箱式多用爐曲聂。

　　5．對沖壓件板材坯料的加熱大批量生產(chǎn)時霹购，最好選用滾動爐，輥底爐侠呛。

　　6．對成批的定型零件贾瞪，生產(chǎn)上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐（推桿爐或鑄帶爐）

　　7．小型機械零件如：螺釘，螺母等可選用振底式爐或網(wǎng)帶式爐披锨。

　　8．鋼球及滾柱熱處理可選用內(nèi)螺旋的回轉管爐习怒。

　　9．有色金屬錠坯在大批量生產(chǎn)時可用推桿式爐符站，而對有色金屬小零件及材料可用空氣循環(huán)加熱爐。

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