金工实习（第2版）：高效金属热处理方法

金属热处理是将金属材料在固态下进行加热、保温和快速冷却，通过改变金属的内部组织，从而获得金属所需性能的一种工艺方法。最常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火等，还有表面淬火、化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）等。

在机械制造中，热处理是一种非常重要的工艺手段：切削加工之前对毛坯材料进行预备热处理，可以改善工件的切削加工性能，提高切削效率，明显改善加工质量；切削加工之后根据图纸对工件进行最终热处理，可以提高零件的硬度，改善零件的耐磨性，消除内应力稳定零件的形状和尺寸，使零件达到图纸规定的使用性能指标。所以，热处理是现代机械制造中改善加工条件、保证产品质量、节约能源、节省材料的一项极为重要的工艺措施。

常用热处理方法的工艺过程如图1-7所示，图中显示可以通过控制加热温度、保温时间、冷却速度等工艺参数，来调整热处理后的金属材料内部组织的结构与力学性能，改善材料的切削加工工艺性能。

图1-7　常用热处理方法的工艺过程

1．退火

将钢材加热到800℃~900℃范围并保温一段时间，然后随炉缓慢冷却的热处理工艺称为退火。退火后的钢件内部晶粒细小，组织均匀，降低了硬度和消除了应力，切削加工性能得到改善，主要适用于含碳量较高的碳钢和各类合金钢。

有时为了消除内应力，防止材料变形和开裂，可将工件加热到600℃~650℃，保温一段时间后缓慢冷却，这称为去应力退火（低温退火）。

通常情况下，退火时的冷却速度十分缓慢，所需时间很长，故生产效率很低。

2．正火

正火是将工件加热到800℃~900℃范围并保温一段时间，然后从炉中取出置于干燥空气中冷却的热处理工艺。在实际生产中，材料正火的目的与退火相似，但正火时的冷却速度较快，不仅生产效率较高，而且正火后钢材的组织更为细小致密，硬度更适合于切削加工。所以，正火广泛用作改善切削加工性能的钢材预备热处理。对于普通要求的机械零件，有时也可以将正火作为达到最终使用性能的热处理工艺。

1．淬火

淬火是将工件加热到780℃~880℃并保温一段时间，然后投入水中或油中急速冷却的热处理工艺。淬火之后，材料的内部组织发生了变化，工件的硬度和耐磨性提高，但塑性和韧性下降，脆性加大，并产生了较大的内应力，因此必须及时进行回火处理，以消除内应力，防止工件变形开裂。

淬火时常用的冷却介质为水和矿物油。水是最便宜而且冷却能力很强的一种冷却介质，主要用于一般碳钢零件的淬火。如果在水中加盐，则其冷却能力可以进一步提高，这对于一些大尺寸碳钢件的淬火冷却有益。油的冷却能力比水低，工件在油中淬火时的冷却速度较慢，因此可避免出现淬火开裂缺陷，适宜于合金钢零件淬火使用。

2．回火(www.xing528.com)

将淬火后的工件再次加热，在一定温度下保温一段时间（2~4 h），然后缓慢冷却到室温，称为回火。钢材淬火后必须尽快回火，回火的目的，在于减小和消除淬火工件的残余应力，防止工件开裂和变形，调整工件的力学性能，使零件达到图纸规定的技术要求。

根据回火时的加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。

1）低温回火　淬火后的工件在150℃~250℃温度条件下回火，称为低温回火。低温回火可以部分消除淬火应力与脆性，使工件保持淬火后的高硬度与高耐磨性，适用于硬度要求较高、耐磨性较好的刀具、量具、模具等零件。淬火钢低温回火后的硬度可达58~62 HRC。

2）中温回火　淬火后的工件在350℃~500℃温度条件下回火，称为中温回火。中温回火可以基本上消除淬火之后的残余应力与脆性，使零件获得较高的强度与较好的韧性，而且弹性良好，主要用于弹簧和各种弹性零件的热处理。淬火钢中温回火后的硬度一般为35~45 HRC。

3）高温回火　淬火后的工件在500℃~650℃温度条件下回火，称为高温回火。高温回火可以完全消除淬火应力与脆性，使零件获得良好的综合力学性能。在生产中，习惯把“淬火＋高温回火”的热处理工艺称为“调质”，调质广泛应用于齿轮、主轴、连杆等重要机械零件切削加工之前的预备热处理。中碳钢调质后的硬度约为25~35 HRC。

3．回火脆性

淬火钢回火时，随着回火温度的提高，通常其强度、硬度降低，塑性、韧性提高。但淬火钢在250℃~350℃范围内回火时，钢的冲击韧度反而显著降低，这种现象称为第一类回火脆性，它是不可逆的，故钢件应尽量避免在250℃~350℃温度范围内回火。

有些机器零件（如齿轮、链轮、主轴等）要求整体强度和韧性较好、表面硬度与耐磨性较高，这时可采用表面热处理的方法来达到。机械制造中广泛应用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。

1．表面淬火

表面淬火是采用氧气—乙炔高温火焰加热，或采用感应加热的方法，将工件表面迅速加热到淬火温度，然后快速冷却的热处理工艺方法。由于只对工件表面进行快速加热和快速冷却，故工件的心部组织和性能并不发生变化。中碳钢和合金调质钢的零件，常采用表面淬火方法获取所需的表面高硬度与高耐磨性，其中，火焰加热表面淬火用于单件小批生产，感应加热表面淬火用于批量生产。

2．化学热处理

化学热处理是将工件置于高温活性介质中保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变表层的化学成分，从而改变表层的组织和性能的热处理工艺。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、氰化（碳—氮共渗）、渗硼、渗钒等。