熱處理的熱工藝
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。
加熱是熱處理的重要工序之一。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，近而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進(jìn)行間接加熱。
金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，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(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。
加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)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(zhuǎn)變需要一定的時間，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，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，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學(xué)熱處理的保溫時間往往較長。
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。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進(jìn)行淬硬。 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(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，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，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)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，然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學(xué)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。 退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。
正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。
淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬火介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆，為了及時消除脆性，一般需要及時回火。
為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當(dāng)溫度進(jìn)行長時間的保溫，再進(jìn)行冷卻，這種工藝稱為回火。
退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關(guān)系密切，常常配合使用，缺一不可。
“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強(qiáng)度和韌性，把淬火和高溫回火結(jié)合起來的工藝，稱為調(diào)質(zhì)。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(dāng)溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。
把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來進(jìn)行，使工件獲得很好的強(qiáng)度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負(fù)壓氣氛或真空中進(jìn)行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進(jìn)行化學(xué)熱處理。
表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學(xué)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，使用的熱源須具有高的能量密度，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(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。
化學(xué)熱處理是通過改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學(xué)熱處理與表面熱處理不同之處是前者改變了工件表層的化學(xué)成分?；瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、鹽類介質(zhì)或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進(jìn)行其它熱處理工藝如淬火及回火?；瘜W(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。
熱處理是機(jī)械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。大體來說，它可以保證和提高工件的各種性能 ，如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應(yīng)力狀態(tài)，以利于進(jìn)行各種冷、熱加工。
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 ；齒輪采用正確的熱處理工藝，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，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，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼；工模具則幾乎全部需要經(jīng)過熱處理方可使用。 一、退火的種類
退火是將工件加熱到適當(dāng)溫度，保持一定時間，然后慢慢冷卻的熱處理工藝。
鋼的退火工藝種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為兩大類：一類是在臨界溫度(Ac1或Ac3)以上的退火，又稱為相變重結(jié)晶退火，包括完全退火、不完全退火、球化退火和擴(kuò)散退火（均勻化退火）等；另一類是在臨界溫度以下的退火，包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火等。按照冷卻方式，退火可分為等溫退火和連續(xù)冷卻退火。
1． 完全退火和等溫退火
完全退火又稱重結(jié)晶退火，一般簡稱為退火，它是將鋼件或鋼材加熱至Ac3以上20~30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄，鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結(jié)構(gòu)。一般常作為一些不重工件的最終熱處理，或作為某些工件的預(yù)先熱處理。
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、模具所用的鋼種）。其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并為以后淬火作好準(zhǔn)備。
3． 去應(yīng)力退火
去應(yīng)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，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應(yīng)力。如果這些應(yīng)力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產(chǎn)生變形或裂紋。
4.不完全退火是將鋼加熱至Ac1~Ac3(亞共析鋼)或Ac1~ACcm(過共析鋼)之間，經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。
二、淬火時，最常用的冷卻介質(zhì)是鹽水，水和油。鹽水淬火的工件，容易得到高的硬度和光潔的表面，不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)，但卻易使工件變形嚴(yán)重，甚至發(fā)生開裂。而用油作淬火介質(zhì)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。
三、鋼回火的目的
1．降低脆性，消除或減少內(nèi)應(yīng)力，鋼件淬火后存在很大內(nèi)應(yīng)力和脆性，如不及時回火往往會使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。
2．獲得工件所要求的機(jī)械性能，工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大，為了滿足各種工件的不同性能的要求，可以通過適當(dāng)回火的配合來調(diào)整硬度，減小脆性，得到所需要的韌性、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，在淬火（或正火）后常采用高溫回火，使鋼中碳化物適當(dāng)聚集，將硬度降低，以利切削加工。 1．退火：指金屬材料加熱到適當(dāng)?shù)臏囟?，保持一定的時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。常見的退火工藝有：再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的：主要是降低金屬材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或壓力加工，減少殘余應(yīng)力，提高組 織和成分的均勻化，或?yàn)楹蟮罒崽幚碜骱媒M織準(zhǔn)備等。
2．正火：指將鋼材或鋼件加熱到或 （鋼的上臨界點(diǎn)溫度）以上，30～50℃保持適當(dāng)時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理的工藝。正火的目的：主要是提高低碳鋼的 力學(xué)性能，改善切削加工性，細(xì)化晶粒，消除組織缺陷，為后道熱處理作好組織準(zhǔn)備等。
3．淬火：指將鋼件加熱到 Ac3 或 Ac1（鋼的下臨界點(diǎn)溫度）以上某一溫度，保持一 定的時間，然后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度，獲得馬氏體（或貝氏體）組織的熱處理工藝。常見的淬 火工藝有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火，貝氏體等溫淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目 的：使鋼件獲得所需的馬氏體組織，提高工件的硬度，強(qiáng)度和耐磨性，為后道熱處理作好組 織準(zhǔn)備等。
4．回火：指鋼件經(jīng)淬硬后，再加熱到 Ac1 以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷 卻到室溫的熱處理工藝。常見的回火工藝有：低溫回火，中溫回火，高溫回火和多次回火等。
回火的目的：主要是消除鋼件在淬火時所產(chǎn)生的應(yīng)力，使鋼件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韌性等。
5．調(diào)質(zhì)：指將鋼材或鋼件進(jìn)行淬火及高溫回火的復(fù)合熱處理工藝。使用于調(diào)質(zhì)處理的鋼稱調(diào)質(zhì)鋼。它一般是指中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。
6．滲碳：滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層，再經(jīng)過淬火和低溫回火，使工件的表面層具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。 因?yàn)榻饘俟ぜ募訜?、冷卻等操作，需要十幾個甚至幾十個動作來完成。這些動作內(nèi)在真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行，操作人員無法接近，因此對真空熱處理電爐的自動化程度的要求較高。同時，有些動作,如加熱保溫結(jié)束后，金屬工件進(jìn)行淬火工序須六、七個動作并且要在15秒鐘以內(nèi)完成。這樣敏捷的條件來完成許多動作，很容易造成操作人員的緊張而構(gòu)成誤操作。因此，只有較高的自動化才能準(zhǔn)確、及時按程序協(xié)調(diào)。
金屬零件進(jìn)行真空熱處理均在密閉的真空爐內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)格的真空密封眾所周知。因此，獲得和堅持爐子原定的漏氣率，保證真空爐的工作真空度，對確保零件真空熱處理的質(zhì)量有著非常主要的意義。所以真空熱處理爐的一個關(guān)鍵問題，就是要有可靠的真空密封構(gòu)造。為了保證真空爐的真空性能，真空熱處理爐結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須道循一個基本原則，就是爐體要采用氣密焊接，同時在爐體上盡量少開或者不開孔，少采用或者避免采用動密封結(jié)構(gòu)，以盡量減少真空泄露的機(jī)遇。安裝在真空爐體上的部件、附件等如水冷電極、熱電偶導(dǎo)出裝置也都必須設(shè)計密封構(gòu)造。
大部分加熱與隔熱材料只能在真空狀態(tài)下使用。真空熱處理爐的加熱與隔熱襯料是在真空與高溫下工作的，因而對這些材料提出了耐高溫，輻射成果好，導(dǎo)熱系數(shù)小等要求。對抗氧化性能要求不高。所以，真空熱處理爐廣泛采用了鉭、鎢、鉬和石墨等作加熱與隔熱構(gòu)料。這些材料在大氣狀態(tài)下極易氧化，因此，普通熱處理爐不能采用這些加熱與隔熱材料。
水冷裝置：真空熱處理爐的爐殼、爐蓋、電熱元件、水冷電極、中間真空隔熱門等部件，均在真空、受熱狀態(tài)下工作。在這種極為不利的條件下工作，必須保證各部件的結(jié)構(gòu)不變形、不損壞，真空密封圈不過熱、不燒毀。因此，各部件應(yīng)該根據(jù)不同的情況設(shè)置水冷裝置，以保證真空熱處理爐能夠正常運(yùn)行并有足夠的利用壽命。
采用低電壓大電流：真空容器內(nèi)，當(dāng)真空空度為幾托一lxlo-1托的范圍內(nèi)時，真空容器內(nèi)的通電導(dǎo)體在較高的電壓下，會產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象。在真空熱處理爐內(nèi)，嚴(yán)重的弧光放電 會燒毀電熱元件、隔熱層等，造成重大事故和損失。因此，真空熱處理爐的電熱元件的工作電壓一般都不超過80一100伏。同時在電熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計時要采取有效辦法，如盡量避免有尖端的部件，電極間的間距不能太小，以防止輝光放電或者弧光放電的產(chǎn)生。 根據(jù)工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種：
（一）低溫回火（150－250度）
低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58－64。
（二）中溫回火（250－500度）
中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強(qiáng)度，彈性極限和較高的韌性。因此，它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35－50。
（三）高溫回火（500－650度）
高溫回火所得組織為回火索氏體。習(xí)慣上將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強(qiáng)度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機(jī)械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機(jī)，機(jī)床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200－330。 精密復(fù)雜模具的變形原因往往是復(fù)雜的，但是我們只要掌握其變形規(guī)律，分析其產(chǎn)生的原因，采用不同的方法進(jìn)行預(yù)防模具的變形是能夠減少的，也是能夠控制的。一般來說，對精密復(fù)雜模具的熱處理變形可采取以下方法預(yù)防。
(1)合理選材。對精密復(fù)雜模具應(yīng)選擇材質(zhì)好的微變形模具鋼(如空淬鋼)，對碳化物偏析嚴(yán)重的模具鋼應(yīng)進(jìn)行合理鍛造并進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，對較大和無法鍛造模具鋼可進(jìn)行固溶雙細(xì)化熱處理。
(2)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，厚薄不要太懸殊，形狀要對稱，對于變形較大模具要掌握變形規(guī)律，預(yù)留加工余量，對于大型、精密復(fù)雜模具可采用組合結(jié)構(gòu)。
(3)精密復(fù)雜模具要進(jìn)行預(yù)先熱處理，消除機(jī)械加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
(4)合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對于精密復(fù)雜模具可采取緩慢加熱、預(yù)熱和其他均衡加熱的方法來減少模具熱處理變形。
(5)在保證模具硬度的前提下，盡量采用預(yù)冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。
(6)對精密復(fù)雜模具，在條件許可的情況下，盡量采用真空加熱淬火和淬火后的深冷處理。
(7)對一些精密復(fù)雜的模具可采用預(yù)先熱處理、時效熱處理、調(diào)質(zhì)氮化熱處理來控制模具的精度。
(8)在修補(bǔ)模具砂眼、氣孔、磨損等缺陷時，選用冷焊機(jī)等熱影響小的修復(fù)設(shè)備以避免修補(bǔ)過程中變形的產(chǎn)生。
另外，正確的熱處理工藝操作（如堵孔、綁孔、機(jī)械固定、適宜的加熱方法、正確選擇模具的冷卻方向和在冷卻介質(zhì)中的運(yùn)動方向等）和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復(fù)雜模具變形的有效措施。