肉眼看不到的機械「內科」工藝，一搞就是一輩子

法律顧問：趙建英律師

金屬熱處理是機械製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件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。正如有些人說，機械加工是外科，熱處理就是內科，代表一個國家製造業的核心競爭力。

圖片來自奧地利aichelin

工藝過程

熱處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）

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)，這對於熱處理後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，也可用塗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。

（保溫）

採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。

（冷卻）

冷卻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。

工藝分類

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。同一種金屬採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複雜，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，然後以適當的速度冷卻，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。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，即熱處理的「四把火」。

淬火

淬火工藝

鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然後以大於臨界冷卻速度快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。

工藝過程：加熱、保溫、冷卻。

淬火的實質：是過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織。

淬火的目的：（1）大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求；（2）通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。

應用範圍：淬火工藝應用最為廣泛，如工具、量具、模具、軸承、彈簧和汽車、拖拉機、柴油機、切削加工機床、氣動工具、鑽探機械、農機具、石油機械、化工機械、紡織機械、飛機等零件都在使用淬火工藝。

淬火：圖片來自中信重工

淬火介質

工件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火冷卻介質（或淬火介質）。理想的淬火介質應具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應力。

常用的淬火介質有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔鹼等。

水

水是冷卻能力較強的淬火介質。

優點： 來源廣、價格低、成分穩定不易變質。

缺點：冷卻能力不穩定，易使工件變形或開裂。在C曲線的「鼻子」區（500～600℃左右），水處於蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會形成「軟點」；而在馬氏體轉變溫度區（300～100℃），水處於沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉變速度過快而產生很大的內應力，致使工件變形甚至開裂。當水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質（如油、肥皂、泥漿等），均會顯著降低其冷卻能力。

應用：適用於截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼工件的淬火冷卻。

鹽水和鹼水

在水中加入適量的食鹽和鹼，使高溫工件浸入該冷卻介質後，在蒸汽膜階段析出鹽和鹼的晶體並立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質在高溫區的冷卻能力，其缺點是介質的腐蝕性大。

應用：一般情況下，鹽水的濃度為10％，苛性鈉水溶液的濃度為10％～15％。可用作碳鋼及低合金結構鋼工件的淬火介質，使用溫度不應超過60℃，淬火後應及時清洗並進行防鏽處理。

油

冷卻介質一般採用礦物質油（礦物油）。如機油、變壓器油和柴油等。機油一般採用10號、20號、30號機油，油的號越大，黏度越大，閃點越高，冷卻能力越低，使用溫度相應提高。

淬火方式

單液淬火

是將奧氏體化工件浸入某一種淬火介質種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質有水、鹽水、鹼水、油及專門配製的淬火劑等。

優點：操作簡單，有利於實現機械化和自動化。

缺點：冷速受介質冷卻特性的限制而影響淬火質量。

應用：單液淬火對碳素鋼而言只適用於形狀較簡單的工件。

雙液淬火

是將奧氏體化工件先浸入一種冷卻能力強的介質，在鋼件還未達到該淬火介質溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻，如先水後油、先水後空氣等。雙液淬火減少變形和開裂傾向，操作不好掌握，在應用方面有一定的局限性。

馬氏體分級淬火

是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低於鋼的馬氏體點的液態介質（鹽浴或鹼浴）中，保持適當的時間，待鋼件的內、外層都達到介質溫度後取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火工藝，也稱分級淬火。

優點：分級淬火由於在分級溫度停留到工件內外溫度一致後空冷，所以能有效地減少相變應力和熱應力，減少淬火變形和開裂傾向。

應用：適用於對於變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用於截面尺寸不大、形狀複雜地碳素鋼工件。

貝氏體等溫淬火

是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉變為貝氏體的淬火工藝，有時也叫等溫淬火，一般保溫時間為30～60min。

複合淬火

將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然後在下貝氏體溫度區等溫。這種冷卻方法可使較大截面地工件獲得M+B組織。預淬時形成的馬氏體可促進貝氏體轉變，在等溫時又使馬氏體回火。複合淬火用於合金工具鋼工件，可避免第一類回火脆性，減少殘餘奧氏體量即變形開裂傾向。

回火

回火工藝

回火是將經過淬火的工件重新加熱到低於下臨界溫度的適當溫度，保溫一段時間後在空氣或水、油等介質中冷卻到室溫的熱處理工藝。

回火的目的：（1）消除工件淬火時產生的殘留應力，防止變形和開裂；（2）調整工件的硬度、強度、塑性和韌性，達到使用性能要求；（3）穩定組織與尺寸，保證精度；（4）改善和提高加工性能。

回火分類

低溫回火

指工件在150~250℃進行的回火。

目的：保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性。

回火後得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時得到的組織。

（針狀馬氏體）

應用範圍：刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火的零件等。

中溫回火

指工件在350～500℃之間進行的回火。

目的：得到較高的彈性和屈服點，適當的韌性。回火後得到回火屈氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物（或滲碳體）的復相組織。

（屈氏體）

應用範圍：彈簧、鍛模、衝擊工具等。

高溫回火

指工件在500℃以上進行的回火。

目的：得到強度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。

回火後得到回火索氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著細小球狀碳化物（包括滲碳體）的復相組織。

（索氏體）

應用範圍：廣泛用於各種較重要的受力結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。

正火

正火工藝

正火是將鋼件加熱到臨界溫度（完全奧氏體化的溫度）以上30-50℃，保溫適當時間後，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風冷卻的金屬熱處理工藝。

目的：（1）使晶粒細化和碳化物分布均勻化；（2）去除材料的內應力；（3）增加材料的硬度。

材料：亞共晶馬口鐵

狀態：正火

組織：石墨棕色、馬氏體淺黃色，珠光體綠色及深黃色，滲碳體素褐色

材料：A-299

狀態：正火

組織：棕色 鐵素體黃、藍、白 珠光體棕色

材料：13MnNiMoNb

狀態：正火

組織：淺棕色珠光體灰褐色、鐵素體紅、黃、藍色

材料：45鋼

狀態：正火

組織：淺藍色鐵素體、珠光體多種顏色

優點：（1）正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而所獲得的珠光體片層間距較小，正火組織要比退火組織更細一些，因而其硬度和強度也較高；（2）正火爐外冷卻不佔用設備，生產率較高。

應用：只適用於碳素鋼和低、中合金鋼，而不適用於高合金鋼。因為高合金鋼的奧氏體非常穩定，在空氣中冷卻也將得到馬氏體組織。

具體用途

（1）對於低碳鋼和低合金鋼，正火可以提高其硬度，以改善切削性；

（2）對於中碳鋼，正火可代替調質處理，為高頻淬火做組織準備，並可減少鋼件的變形和降低加工成本；

（3）對於高碳鋼，正火可消除網狀滲碳體組織，便於球化退火；

（4）對於大型鋼鍛件或截面有急劇變化的鋼鑄件，可用正火代替淬火，以減少變形開裂傾向，或為淬火做好組織準備；

（5）對於鋼的淬火反修件，可通過正火消除過熱影響，以便能重新淬火；

（6）用於鑄鐵件以增加基體的珠光體量，提高鑄件的強度和耐磨性。

退火

退火工藝

將金屬或合金加熱到適當溫度，保溫一定時間，然後緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），的熱處理工藝叫做退火。

退火的實質是將鋼加熱到奧氏體化後進行珠光體轉變，退火後的組織是接近平衡後的組織。

退火的目的：

（1）降低鋼的硬度，提高塑性，便於機加工和冷變形加工；

（2）均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，改善鋼的性能或為淬火作組織準備；

（3）消除內應力和加工硬化，以防變形和開裂。

退火方法

1、完全退火

工藝：將鋼加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一段時間後緩慢冷卻（隨爐）以獲得接近平衡組織的熱處理工藝（完全奧氏體化），實際生產中，為提高生產率，退火冷卻至500℃左右即出爐空冷。

目的：細化晶粒、均勻組織、消除內應力、降低硬度和改善鋼的切削加工性。 亞共析鋼完全退火後的組織為F+P。

應用：完全退火主要用於亞共析鋼（wc=0.3~0.6%），一般是中碳鋼及低、中碳合金鋼鑄件、鍛件及熱軋型材，有時也用於它們的焊接件。

2、不完全退火

工藝：將鋼加熱到Ac1~Ac3(亞共析鋼)或Ac1~Accm(過共析鋼)經保溫後緩慢冷卻以獲得近於平衡組織的熱處理工藝。

應用：主要用於過共析鋼獲得球狀珠光體組織，以消除內應力，降低硬度，改善切削加工性。

3、等溫退火

工藝：將鋼加熱到高於Ac3(或Ac1)的溫度，保溫適當時間後，較快冷卻到珠光體區的某一溫度，並等溫保持，使奧氏體轉變為珠光體，然後空冷至室溫的熱處理工藝。

目的：與完全退火相同，轉變較易控制。

應用：適用於較穩定的鋼：高碳鋼（wc>0.6％）、合金工具鋼、高合金鋼(合金元素的總量>10％)。等溫退火還有利於獲得均勻的組織和性能。但不適用於大截面鋼件和大批量爐料，因為等溫退火不易使工件內部或批量工件都達到等溫溫度。

4、球化退火

工藝：使鋼中碳化物球狀化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。加熱至Ac1以上20~30℃溫度，保溫時間不宜太長，一般以2~4h為宜，冷卻方式通常採用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進行較長時間等溫。

目的：降低硬度、均勻組織、改善切削加工性為淬火作組織準備。

應用：主要用於共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。球化退火得到球狀珠光體，在球狀珠光體中，滲碳體呈球狀的細小顆粒，彌散分布在鐵素體基體上。球狀珠光體與片狀珠光體相比，不但硬度低，便於切削加工，而且在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時變形和開裂傾向小。

5、擴散退火（均勻化退火）

工藝：將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低於固相線的溫度下長時間保溫，然後緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。

目的：消除鑄錠在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。

應用：應用於一些優質合金鋼及偏析較嚴重的合金鋼鑄件及鋼錠。擴散退火的加熱溫度很高，通常為Ac3或Accm以上100~200℃，具體溫度視偏析程度及鋼種而定，保溫時間一般為10~15小時。擴散退火後需完全退火及正火處理，以細化組織。

6、去應力退火

工藝：將鋼件加熱至低於Ac1的某一溫度（一般為500~650℃），保溫，然後隨爐冷卻。

去應力退火溫度低於A1，因此去應力退火不引起組織變化。

目的：消除殘餘內應力。

應用：主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘餘應力。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以後，或在隨後的切削加工過程中產生變形或裂紋。

End

來源：焊潮網

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