金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時(shí)間后,又以不同速度冷卻的一種工藝。工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程,有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程互相支持,聯(lián)系緊密。
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,進(jìn)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(wú)環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱,也可以通過(guò)熔融的鹽或金屬,以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。
金屬加熱時(shí),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(duì)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(wèn)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(shí)間,因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí),還須在此溫度保持一定時(shí)間,使內(nèi)外溫度一致,使顯微組織轉(zhuǎn)變完全,這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí),加熱速度極快,一般就沒(méi)有保溫時(shí)間,而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長(zhǎng)。
冷卻也是熱處理工藝過(guò)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(duì)工件整體加熱,然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s,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。
“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(lái)的工藝,稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過(guò)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(zhǎng)時(shí)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(shí)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(lái)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(guò)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(shí)或瞬時(shí)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(guò)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后者改變了工件表層的化學(xué)成分。化學(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱,保溫較長(zhǎng)時(shí)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(shí)還要進(jìn)行其他熱處理工藝如淬火及回火。化學(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(guò)程中的重要工序之一。大體來(lái)說(shuō),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。