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除了热处理的4把火外，机械零件常用的热处理方式还有这些 -热处理展-工业炉展-2024第二十四届广州国际热处理、工业炉展览会-巨浪展览—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2023年12月18日 热处理展-工业炉展-heat treatment expo-furnace expo |
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热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。根据加热、冷却方式的不同及组织、性能变化特点的不同，热处理可以分为下列几类：普通热处理、表面热处理及其它热处理。
热处理的发展历史
公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制３０００把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。
中国出土的西汉（公元前２０６——公元２４）中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为０。１５——０。４％，而表面含碳量却达０。６％以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。１８６３年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。
与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。１８５０——１８８０年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。１８８９——１８９０年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是１９０１——１９２５年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；３０年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；６０年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺 ；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
热处理的4把火
回火：
高温回火所得组织为回火索氏体。回火一般不单独使用，在零件淬火处理后进行回火，主要目的是消除淬火应力，得到要求的组织，回火根据回火温度的不同分为低温、中温和高温回火。分别得到回火马氏体、屈氏体和索氏体。
其中淬火后进行高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200－330。
退火：
退火过程中发生的是珠光体转变，退火的主要目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，为后续加工和最终热处理做准备。去应力退火是为了消除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火工艺。锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件内部存在内应力，如不及时消除，将使工件在加工和使用过程中发生变形，影响工件精度。
采用去应力退火消除加工过程中产生的内应力十分重要。去应力退火的加热温度低于相变温度，因此，在整个热处理过程中不发生组织转变。内应力主要是通过工件在保温和缓冷过程中自然消除的。
淬火：
淬火是把金属成材或零件加热到相变温度以上，保温后，以大于临界冷却速度的急剧冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是为了得到马氏体组织，再经回火后，使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。其主要目的是：
1）提高金属成材或零件的机械性能。例如：提高工具、轴承等的硬度和耐磨性，提高弹簧的弹性极限，提高轴类零件的综合机械性能等。
2）改善某些特殊钢的材料性能或化学性能。如提高不锈钢的耐蚀性，增加磁钢的永磁性等。
淬火冷却时，除需合理选用淬火介质外，还要有正确的淬火方法，常用的淬火方法，主要有单液淬火，双液淬火，分级淬火、等温淬火，局部淬火等。
正火：
正火的特点是空气冷却，因而环境气温、堆放方式、气流及工件尺寸对正火后的组织和性能均有影响。正火组织还可作为合金钢的一种分类方法。通常根据直径为25毫米的试样加热到900℃后,空冷得到的组织，将合金钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。
① 对亚共析钢，正火用以消除铸、锻、焊件的过热粗晶组织和魏氏组织，轧材中的带状组织；细化晶粒；并可作为淬火前的预先热处理。
② 对过共析钢，正火可以消除网状二次渗碳体，并使珠光体细化，不但改善机械性能，而且有利于以后的球化退火。
③ 对低碳深冲薄钢板，正火可以消除晶界的游离渗碳体，以改善其深冲性能。
④ 对低碳钢和低碳低合金钢，采用正火，可得到较多的细片状珠光体组织，使硬度增高到HB140-190，避免切削时的“粘刀”现象，改善切削加工性。对中碳钢，在既可用正火又可用退火的场合下，用正火更为经济和方便。
⑤ 对普通中碳结构钢，在力学性能要求不高的场合下，可用正火代替淬火加高温回火，不仅操作简便，而且使钢材的组织和尺寸稳定。
⑥ 高温正火(Ac3以上150～200℃)由于高温下扩散速度较高,可以减少铸件和锻件的成分偏析。高温正火后的粗大晶粒可通过随后第二次较低温度的正火予以细化。
⑦ 对某些用于汽轮机和锅炉的低、中碳合金钢，常采用正火以获得贝氏体组织，再经高温回火，用于400～550℃时具有良好的抗蠕变能力。
⑧ 除钢件和钢材以外，正火还广泛用于球墨铸铁热处理，使其获得珠光体基体，提高球墨铸铁的强度。
机械零件为什么要进行热处理？
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。热处理的作用就是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。
常见零件的热处理方式
化学热处理
化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法，改变钢件表层化学成分及组织结构的金属热处理工艺。经化学热处理后的钢件，实质上可以认为是一种特殊复合材料，主要目的是提高零件耐磨性、疲劳强度、抗腐蚀性与抗高温氧化性。化学热处理主要有渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铝、渗铬、渗硅、碳氮共渗、氧氮化、硫氰共渗和碳、氮、硫、氧、硼五元共渗，及碳（氮）化钛覆盖等。
接触电阻加热淬火
接触电阻加热淬火的原理是将低压电流通过电极与工件间的接触电阻，使工件表面快速加热，并借助其自身热传导实现快速冷却而淬火。这一方法的优点是设备简单，操作方便，易于自动化，工件畸变极小，不需要回火，能显著提高工件的耐磨性和抗擦伤能力，但淬硬层较薄（0.15——0.35mm）。显微组织和硬度均匀性较差。这种方法多用于铸铁做的机床导轨的表面淬火，应用范围不广。
电子束热处理
电子束技术已经存在20多年了，广泛应用于金属焊接和切割等加工工业中。电子束热处理是利用高能量密度的电子束加热，进行表面淬火的新技术。电子束是由电子枪呢热阴极（灯丝）发出的电子，通过高压环形阳极加速，并聚焦成束使电子束流打击金属表面，达到加热的效果。被处理零件的加热深度，是加热加速电压和金属密度的函数，当功率为150kw时，在铁中的理论加热深度为0.076mm，而在铝中的则为0.178。电子束热处理加热速度快，奥氏体化的时间仅零点几秒甚至更短，因而工件表面晶粒很细，硬度比一般热处理高，并具有良好的力学性能。
电解加热淬火
电解加热淬火通过对钢件表面的加热、冷却而改变表层力学性能的金属热处理工艺。表面淬火是表面热处理的主要内容，其目的是获得高硬度的表面层和有利的内应力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲劳性能。电解液加热表面淬火是向电解液通入较高电压（150——300V）的直流电，因电离作用而发生导电现象，于负极放出氢，正极放出氧。氢气围绕负极周围形成气膜，电阻较大，电流通过时产生大量的热使负极加热。淬火时，将没入电解液的工件接负极，液槽接正极，工件的没入部分当接通电源时便被加热（5——10s 可达到淬火温度）。断电后在电解液中冷却，也可取出放入另设的淬火槽中冷却。适用于进行表面淬火用的电解液很多，其中以w （碳酸钠） 5%——18%水溶液使用最广，使用温度不得超过60℃，否则氢气膜不稳定，影响加热效果。
激光热处理
激光淬火是利用激光将材料表面加热到相变点以上，随着材料自身冷却，奥氏体转变为马氏体，从而使材料表面硬化的淬火技术。采用激光淬火齿面，其加热冷却速度很高，工艺周期短，不需要外部淬火介质。具有工件变形小，工作环境洁净，处理后不需要磨齿等精加工，且被处理齿轮尺寸不受热处理设备尺寸的限制等独特优点。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，因此在很多工业领域中正逐步取代感应淬火和化学热处理等传统工艺，特别适合高精度要求的零件表面处理。
真空热处理
盐浴淬火受环境的限制，已呈夕阳之势。真空热处理是真空技术与热处理技术相结合的新型热处理技术，真空热处理所处的真空环境指的是低于一个大气压的气氛环境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空热处理实际也属于气氛控制热处理。真空热处理技术应用和发展得到进一步的完善和推广，它具有无氧化、无脱碳、淬火后工件表面清洁光亮、耐磨性高、无污染、自动化程度高等特点。工业生产中广泛采用了真空退火、真空除气、真空油淬、真空水淬、真空气淬、真空回火及真空渗碳等热处理技术，成为热处理车间最普及的最主要的技术之一。
感应热处理和离子氮化热处理技术
感应热处理以高效、节能、清洁、灵活性等优势广泛应用于汽车工业,工程机械,石油化工等行业，近40%的汽车零部件可采用感应热处理，如曲轴、齿轮、万向节、半轴等。采用感应加热,许多产品加工可建成全自动或半自动生产线，提高产品质量的稳定性，减轻劳动强度,美化工作环境。国内发展最快的是感应加热电源，老式的电子震荡管已完成了其历史使命，取而代之的是全晶体管。采用微机控制晶体管调节电源，调节稳定方便，精度高，对电网谐波的干扰大大减少。国内发展最快的是感应加热电源，老式的电子振荡管已完成了其历史使命，取而代之的是全晶体管。采用微机控制晶体管调节电源，调节稳定方便、精度高，对电网谐波的干扰大大减少。
采用新的表面强化技术和推广氮基气氛的热处理
原有的工具表面处理方法仅限于蒸汽处理、氧氮化等陈旧方法，一般只能提高工具寿命30%——50%。自80年代以来，我国先后独立开发和从国外引进了QPQ盐浴复合处理技术和PVD氧化钛物理涂层技术。前者可以稳定提高工具寿命2——3倍，设备简单，成本低廉，特别适合于普通刀具；后者可以提高刀具寿命3——5倍，适合于各种精密贵重的齿轮刀具。氮基气氛用于保护热处理和化学热处理，可以实现无氧化脱碳热处理，并可以避免热处理氮脆，氮基气氛的化学热处理，可以减少内氧化等缺陷，提高化学热处理质量。
来源：Easy建造师，科技智能制造，冲压行业联盟，数控研究生
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