金屬表面熱處理（淬火、退火、正火）工藝介紹

金屬表面熱處理中常見的工藝包括淬火工藝、退火工藝和正火工藝等。

金屬表面淬火工藝

1. 鋼的表面淬火

有些零件在工件時在受扭轉和彎曲等交變負荷、沖擊負荷的作用下，它的表面層承受著比心部更高的應力。在受摩擦的場合，表面層還不斷地被磨損，因此對一些零件表面層提出高強度、高硬度、高耐磨性和高疲勞極限等要求，只有表面強化才能滿足上述要求。由于表面淬火具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點，因此在生產(chǎn)中應用極為廣泛。

根據(jù)供熱方式不同，表面淬火主要有感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等。

2. 感應加熱表面淬火工藝

感應加熱就是利用電磁感應在工件內產(chǎn)生渦流而將工件進行加熱。

感應加熱表面淬火與普通淬火比具有如下優(yōu)點：

1.熱源在工件表層，加熱速度快，熱效率高 

2.工件因不是整體加熱，變形小

3.工件加熱時間短，表面氧化脫碳量少

4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性等均有很大提高。有利于發(fā)揮材料地潛力，節(jié)約材料消耗，提高零件使用壽命

5.設備緊湊，使用方便，勞動條件好  

6.便于機械化和自動化

 7.不僅用在表面淬火還可用在穿透加熱與化學熱處理等。  

感應加熱的基本原理 ：將工件放在感應器中，當感應器中通過交變電流時，在感應器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在工件中相應地產(chǎn)生了感應電動勢，在工件表面形成感應電流，即渦流。這種渦流在工件的電阻的作用下，電能轉化為熱能，使工件表面溫度達到淬火加熱溫度，可實現(xiàn)表面淬火。

感應表面淬火后的性能：

1.表面硬度：經(jīng)高、中頻感應加熱表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高 2～3 個單位（HRC）。 

2.耐磨性：高頻淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。這主要是由于淬硬層馬氏體晶粒細小，碳化物彌散度高，以及硬度比較高，表面的高的壓應力等綜合的結果。

3.疲勞強度：高、中頻表面淬火使疲勞強度大為提高，缺口敏感性下降。對同樣材料的工件，硬化層深度在一定范圍內，隨硬化層深度增加而疲勞強度增加，但硬化層深度過深時表層是壓應力，因而硬化層深度增打疲勞強度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化層深δ＝（10～20）％D。較為合適，其中D。為工件的有效直徑。  

2.退火工藝

退火是將金屬和合金加熱到適當溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火后組織亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體；共析鋼或過共析鋼則是粒狀珠光體?？傊嘶鸾M織是接近平衡狀態(tài)的組織。

 退火的目的  

①降低鋼的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷變形加工。  

②細化晶粒，消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷，均勻鋼的組織和成分，改善鋼的性能或為以后的熱處理作組織準備。 

③消除鋼中的內應力，以防止變形和開裂。 

退火工藝的種類 

①均勻化退火（擴散退火) 

均勻化退火是為了減少金屬鑄錠、鑄件或鍛坯的化學成分的偏析和組織的不均勻性，將其加熱到高溫，長時間保持，然后進行緩慢冷卻，以化學成分和組織均勻化為目的的退火工藝。 

均勻化退火的加熱溫度一般為Ac3+（150～200℃），即1050～1150℃，保溫時間一般為10～15h，以保證擴散充分進行，大道消除或減少成分或組織不均勻的目的。由于擴散退火的加熱溫度高，時間長，晶粒粗大，為此，擴散退火后再進行完全退火或正火，使組織重新細化。

②完全退火 

完全退火又稱為重結晶退火，是將鐵碳合金完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。

完全退火主要用于亞共析鋼，一般是中碳鋼及低、中碳合金結構鋼鍛件、鑄件及熱軋型材，有時也用于它們的焊接構件。完全退火不適用于過共析鋼，因為過共析鋼完全退火需加熱到Acm以上，在緩慢冷卻時，滲碳體會沿奧氏體晶界析出，呈網(wǎng)狀分布，導致材料脆性增大，給最終熱處理留下隱患。 

完全退火的加熱溫度碳鋼一般為Ac3+（30～50℃）；合金鋼為Ac3+（500～70℃）；保溫時間則要依據(jù)鋼材的種類、工件的尺寸、裝爐量、所選用的設備型號等多種因素確定。為了保證過冷奧氏體完全進行珠光體轉變，完全退火的冷卻必須是緩慢的，隨爐冷卻到500℃左右出爐空冷。 

③不完全退火  

不完全退火是將鐵碳合金加熱到Ac1～Ac3之間溫度，達到不完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻的退火工藝。

不完全退火主要適用于中、高碳鋼和低合金鋼鍛軋件等，其目的是細化組織和降低硬度，加熱溫度為Ac1+(40～60)℃，保溫后緩慢冷卻。 

 ④等溫退火

等溫退火是將鋼件或毛坯件加熱到高于Ac3（或Ac1）溫度，保持適當時間后，較快地冷卻到珠光體溫度區(qū)間地某一溫度并等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w型組織，然后在空氣中冷卻的退火工藝。

等溫退火工藝應用于中碳合金鋼和低合金鋼，其目的是細化組織和降低硬度。亞共析鋼加熱溫度為Ac3+(30～50)℃，過共析鋼加熱溫度為Ac3+(20～40)℃，保持一定時間，隨爐冷至稍低于Ar3溫度進行等溫轉變，然后出爐空冷。等溫退火組織與硬度比完全退火更為均勻。 

⑤球化退火 

球化退火是使鋼中碳化物球化而進行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫一段時間，然后緩慢冷卻，得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。 

球化退火主要適用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。這些鋼經(jīng)軋制、鍛造后空冷，所得組織是片層狀珠光體與網(wǎng)狀滲碳體，這種組織硬而脆，不僅難以切削加工，且在以后淬火過程中也容易變形和開裂。而經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織，其中的滲碳體呈球狀顆粒，彌散分布在鐵素體基體上，和片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易長大，冷卻時工件變形和開裂傾向小。另外對于一些需要改善冷塑性變形（如沖壓、冷鐓等）的亞共析鋼有時也可采用球化退火。 

球化退火加熱溫度為Ac1+(20～40)℃或Acm-(20～30)℃，保溫后等溫冷卻或直接緩慢冷卻。在球化退火時奧氏化是“不完全”的，只是片狀珠光體轉變成奧氏體，及少量過剩碳化物溶解。因此，它不可能消除網(wǎng)狀碳化物，如過共析鋼有網(wǎng)狀碳化物存在，則在球化退火前須先進行正火，將其消除，才能保證球化退火正常進行。 

球化退火工藝方法很多，最常用的兩種工藝是普通球化退火和等溫球化退火。普通球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20～30℃，保溫適當時間，然后隨爐緩慢冷卻，冷到500℃左右出爐空冷。等溫球化退火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后，隨爐冷卻到略低于Ar1的溫度進行等溫，等溫時間為其加熱保溫時間的1.5倍。等溫后隨爐冷至500℃左右出爐空冷。和普通球化退火相比，球化退火不僅可縮短周期，而且可使球化組織均勻，并能嚴格地控制退火后的硬度。  

⑥再結晶退火（中間退火）  

再結晶退火是經(jīng)冷形變后的金屬加熱到再結晶溫度以上，保持適當時間，使形變晶粒重新結晶成均勻的等軸晶粒，以消除形變強化和殘余應力的熱處理工藝。  

⑦去應力退火

去應力退火是為了消除由于塑性形變加工、焊接等而造成的以及鑄件內存在的殘余應力而進行的退火工藝。

鍛造、鑄造、焊接以及切削加工后的工件內部存在內應力，如不及時消除，將使工件在加工和使用過程中發(fā)生變形，影響工件精度。采用去應力退火消除加工過程中產(chǎn)生的內應力十分重要。

去應力退火的加熱溫度低于相變溫度A1，因此，在整個熱處理過程中不發(fā)生組織轉變。內應力主要是通過工件在保溫和緩冷過程中消除的。為了使工件內應力消除得更徹底，在加熱時應控制加熱溫度。一般是低溫進爐，然后以100℃/h左右得加熱速度加熱到規(guī)定溫度。焊接件得加熱溫度應略高于600℃。保溫時間視情況而定，通常為2～4h。鑄件去應力退火的保溫時間取上限，冷卻速度控制在（20～50）℃/h，冷至300℃以下才能出爐空冷。

3.正火工藝

正火工藝是將鋼件加熱到Ac3（或Acm）以上30～50℃，保溫適當?shù)臅r間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。把鋼件加熱到Ac3以上100～150℃的正火則稱為高溫正火。 

對于中、低碳鋼的鑄、鍛件正火的主要目的是細化組織。與退火相比，正火后珠光體片層較細、鐵素體晶粒也比較細小，因而強度和硬度較高。

低碳鋼由于退火后硬度太低，切削加工時產(chǎn)生粘刀的現(xiàn)象，切削性能差，通過正火提高硬度，可改善切削性能，某些中碳結構鋼零件可用正火代替調質，簡化熱處理工藝。

過共析鋼正火加熱刀Acm以上，使原先呈網(wǎng)狀的滲碳體全部溶入到奧氏體，然后用較快的速度冷卻，抑制滲碳體在奧氏體晶界的析出，從而能消除網(wǎng)狀碳化物，改善過共析鋼的組織。

焊接件要求焊縫強度的零件用正火來改善焊縫組織，保證焊縫強度。 

在熱處理過程中返修零件必須正火處理，要求力學性能指標的結構零件必須正火后進行調質才能滿足力學性能要求。中、高合金鋼和大型鍛件正火后必須加高溫回火來消除正火時產(chǎn)生的內應力。 

有些合金鋼在鍛造時產(chǎn)生部分馬氏體轉變，形成硬組織。為了消除這種不良組織采取正火時，比正常正火溫度高20℃左右加熱保溫進行正火。

正火工藝比較簡便，有利于采用鍛造余熱正火，可節(jié)省能源和縮短生產(chǎn)周期。

正火工藝與操作不當也產(chǎn)生組織缺陷，與退火相似，補救方法基本相同。