[科普中国]-热处理

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。1

国家标准热处理方面的现行国家标准

1 GB/T7232-2012金属热处理工艺术语 2013-03-01实施,代替GB/T 7232-1999

2 GB/T8121-2002热处理工艺材料术语 2002-12-01实施,代替GB/T 8121-1987

3 GB/T9452-2003热处理炉有效加热区测定方法 2004-06-01实施,代替GB/T 9452-1988

4 GB/T17031.1-1997纺织品织物在低压下的干热效应第1部分:织物的干热处理程序 1998-05-01实施

5 GB/T7631.14-1998润滑剂和有关产品(L类)的分类第14部分:U组(热处理) 1999-02-01实施

6 GB/Z18718-2002热处理节能技术导则 2002-12-01实施

7 GB15735-2004金属热处理生产过程安全卫生要求2004-11-01实施,代替GB 15735-1995

8 GB/T12603-2005金属热处理工艺分类及代号 2006-01-01实施,代替GB/T 12603-1990

9 GB/T19944-2005热处理生产燃料消耗定额及其计算和测定方法 2006-04-01实施

10 GB/T13324-2006热处理设备术语 2007-04-01实施,代替GB/T 13324-1991

11 GB/T21736-2008节能热处理燃烧加热设备技术条件 2008-11-01实施

12 GB/T10201-2008热处理合理用电导则 2009-01-01实施,代替GB/T 10201-1988

13 GB/T22561-2008真空热处理 2009-06-01实施

14 GB/T22894-2008纸和纸板加速老化在80℃和65%相对湿度条件下的湿热处理 2009-09-01实施

15 GB/T17358-2009热处理生产电耗计算和测定方法 2009-11-01实施

16 GB/T5953.2-2009冷镦钢丝第2部分：非热处理型冷镦钢丝 2010-04-01实施,代替GB/T 5953-1999

17 GB/T5953.1-2009冷镦钢丝第1部分：热处理型冷镦钢丝 2010-04-01实施,代替GB/T 5953-1999

18 GB/T24562-2009燃料热处理炉节能监测 2010-05-01实施

19 GB/T24743-2009技术产品文件钢铁零件热处理表示法 2010-09-01实施

20 GB/T15318-2010热处理电炉节能监测 2011-02-01实施,代替GB/T

21 GB/T25745-2010铸造铝合金热处理 2011-06-01实施

22 GB/T27946-2011热处理工作场所空气中有害物质的限值

23 GB/T27945.1-2011热处理盐浴有害固体废物的管理第1部分：一般管理

24 GB/T27945.2-2011热处理盐浴有害固体废物的管理第2部分：浸出液检测方法

25 GB/T27945.3-2011热处理盐浴有害固体废物的管理第3部分：无害化处理方法

26 GB/T7232-2012金属热处理工艺术语 2012年第24号公告

27 GB/T8121-2012热处理工艺材料术语 2012年第24号公告

28 GB/T9452-2012热处理炉有效加热区测定方法 2012年第24号公告

29 GB/T28909-2012超高强度结构用热处理钢板 2012年第28号公告

30 GB15735-2012金属热处理生产过程安全、卫生要求 2012年第28号公告

31 GB/T28838-2012木质包装热处理作业规范 2012年第28号公告

32 GB/T28992-2012热处理实木地板 2012年第41号公告

33 GB13014-1991钢筋混凝土用余热处理钢筋 1992-03-01实施,代替GB 1499-19841

名词解释热处理

1． 正火：将钢材或钢件加热到临界点AC3或ACM以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。2． 退火annealing：将亚共析钢工件加热至AC3以上20—40度，保温一段时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰中冷却）至500度以下在空气中冷却的热处理工艺。3． 固溶热处理：将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。4． 时效：合金经固溶热处理或冷塑性形变后，在室温放置或稍高于室温保持时，其性能随时间而变化的现象。5．固溶处理：使合金中各种相充分溶解，强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工成型。6． 时效处理：在强化相析出的温度加热并保温，使强化相沉淀析出，得以硬化，提高强度。7． 淬火：将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。1

8． 回火：将经过淬火的工件加热到临界点AC1以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺。9． 钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化，以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗（即气体软氮化）应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度，耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。10． 调质处理（quenching and tempering）：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织更优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。1

工艺特点金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，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。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。1

热工艺工艺过程热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，近而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金，以至浮动粒子进行间接加热。金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。1

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。1

工艺分类金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属，而且钢铁显微组织也最为复杂，因此钢铁热处理工艺种类繁多。整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，获得需要的金相组织，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。1

工艺手段退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆，为了及时消除脆性，一般需要及时回火。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。1

退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是前者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、盐类介质或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性 ；齿轮采用正确的热处理工艺，使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。1

真空方法因为金属工件的加热、冷却等操作，需要十几个甚至几十个动作来完成。这些动作内在真空热处理炉内进行，操作人员无法接近，因此对真空热处理电炉的自动化程度的要求较高。同时，有些动作,如加热保温结束后，金属工件进行淬火工序须六、七个动作并且要在15秒钟以内完成。这样敏捷的条件来完成许多动作，很容易造成操作人员的紧张而构成误操作。因此，只有较高的自动化才能准确、及时按程序协调。金属零件进行真空热处理均在密闭的真空炉内进行，严格的真空密封众所周知。因此，获得和坚持炉子原定的漏气率，保证真空炉的工作真空度，对确保零件真空热处理的质量有着非常主要的意义。所以真空热处理炉的一个关键问题，就是要有可靠的真空密封构造。为了保证真空炉的真空性能，真空热处理炉结构设计中必须道循一个基本原则，就是炉体要采用气密焊接，同时在炉体上尽量少开或者不开孔，少采用或者避免采用动密封结构，以尽量减少真空泄露的机遇。安装在真空炉体上的部件、附件等如水冷电极、热电偶导出装置也都必须设计密封构造。大部分加热与隔热材料只能在真空状态下使用。真空热处理炉的加热与隔热衬料是在真空与高温下工作的，因而对这些材料提出了耐高温，辐射成果好，导热系数小等要求。对抗氧化性能要求不高。所以，真空热处理炉广泛采用了钽、钨、钼和石墨等作加热与隔热构料。这些材料在大气状态下极易氧化，因此，普通热处理炉不能采用这些加热与隔热材料。水冷装置：真空热处理炉的炉壳、炉盖、电热元件、水冷电极、中间真空隔热门等部件，均在真空、受热状态下工作。在这种极为不利的条件下工作，必须保证各部件的结构不变形、不损坏，真空密封圈不过热、不烧毁。因此，各部件应该根据不同的情况设置水冷装置，以保证真空热处理炉能够正常运行并有足够的利用寿命。采用低电压大电流：真空容器内，当真空空度为几托一lxlo-1托的范围内时，真空容器内的通电导体在较高的电压下，会产生辉光放电现象。在真空热处理炉内，严重的弧光放电 会烧毁电热元件、隔热层等，造成重大事故和损失。因此，真空热处理炉的电热元件的工作电压一般都不超过80一100伏。同时在电热元件结构设计时要采取有效办法，如尽量避免有尖端的部件，电极间的间距不能太小，以防止辉光放电或者弧光放电的产生。1

子工艺退火 热处理硫化 热处理硬化 热处理消除应力 热处理1

表面淬火表面淬火回火热处理通常用感应加热或火焰加热的方式进行。主要技术参数是表面硬度、局部硬度和有效硬化层深度。硬度检测可采用维氏硬度计，也可采用洛氏或表面洛氏硬度计。试验力(标尺)的选择与有效硬化层深度和工件表面硬度有关。这里涉及到三种硬度计。一、维氏硬度计是测试热处理工件表面硬度的重要手段，它可选用0.5～100kg的试验力，测试薄至0.05mm厚的表面硬化层，它的精度是的，可分辨出热处理工件表面硬度的微小差别。另外，有效硬化层深度也要由维氏硬度计来检测，所以，对于进行表面热处理加工或大量使用表面热处理工件的单位，配备一台维氏硬度计是有必要的。二、表面洛氏硬度计也是十分适于测试表面淬火工件硬度的，表面洛氏硬度计有三种标尺可以选择。可以测试有效硬化深度超过0.1mm的各种表面硬化工件。尽管表面洛氏硬度计的精度没有维氏硬度计高，但是作为热处理工厂质量管理和合格检查的检测手段，已经能够满足要求。况且它还具有操作简单、使用方便、价格较低，测量迅速、可直接读取硬度值等特点，利用表面洛氏硬度计可对成批的表面热处理工件进行快速无损的逐件检测。这一点对于金属加工和机械制造工厂具有重要意义。三、当表面热处理硬化层较厚时，也可采用洛氏硬度计。当热处理硬化层厚度在0.4～0.8mm时，可采用HRA标尺，当硬化层厚度超过0.8mm时，可采用HRC标尺。维氏、洛氏和表面洛氏三种硬度值可以方便地进行相互换算，转换成标准、图纸或用户需要的硬度值。相应的换算表在国际标准ISO、美国标准ASTM和中国标准GB/T中都已给出。1

局部淬火零件如果局部硬度要求较高，可用感应加热等方式进行局部淬火热处理，这样的零件通常要在图纸上标出局部淬火热处理的位置和局部硬度值。零件的硬度检测要在指定区域内进行。硬度检测仪器可采用洛氏硬度计，测试HRC硬度值，如热处理硬化层较浅，可采用表面洛氏硬度计，测试HRN硬度值。1

化学热处理

化学热处理是使工件表面渗入一种或几种化学元素的原子，从而改变工件表面的化学成分、组织和性能。经淬火和低温回火后，工件表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，而工件的芯部又具有高的强韧性。1

温度压力根据以上所说的内容，在热处理过程中对温度的检测和记录非常重要，温度控制得不好对产品的影响十分大。所以，温度的检测十分重要，在整个过程的温度变化趋势也显得十分重要，导致在热处理的过程中必须对温度的变化进行记录，可以方便以后进行数据分析，也可以查看到底是哪段时间温度没有达到要求。这样对以后的热处理进行改进起到非常大的作用。1

操作规程1、清理好操作场地，检查电源、测量仪表和各种开关是否正常，水源是否通畅。2、操作人员应穿戴好劳保防护用品，否则会有危险。3、开启控制电源万能转换开关，根据设备技术要求分级段升、降温，延长设备寿命和设备完好。4、要注意热处理炉的炉温和网带调速，能掌握对不同材料所需的温度标准，确保工件硬度及表面平直度和氧化层，并认真做好安全工作。5、要注意回火炉的炉温和网带调速，开启排风，使工件经回火后达到质量要求。6、在工作中应坚守岗位。7、要配置必要的消防器具，并熟识使用及保养方法。8、停机时，要检查各控制开关均处于关闭状态后，关闭万能转换开关。1

常见问题过热从轴承零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过热。但要确切判断其过热的程度必须观察显微组织。若在GCr15钢的淬火组织中出现粗针状马氏体，则为淬火过热组织。形成原因可能是淬火加热温度过高或加热保温时间太长造成的全面过热；也可能是因原始组织带状碳化物严重，在两带之间的低碳区形成局部马氏体针状粗大，造成的局部过热。过热组织中残留奥氏体增多，尺寸稳定性下降。由于淬火组织过热，钢的晶体粗大，会导致零件的韧性下降，抗冲击性能降低，轴承的寿命也降低。过热严重甚至会造成淬火裂纹。欠热淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超过标准规定的托氏体组织，称为欠热组织，它使硬度下降，耐磨性急剧降低，影响托辊配件轴承寿命。淬火裂纹高或冷却太急，热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度；工作表面的原有缺陷（如表面微细裂纹或划痕）或是钢材内部缺陷（如夹渣、严重的非金属夹杂物、白点、缩孔残余等）在淬火时形成应力集中；严重的表面脱碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及时回火；前面工序造成的冷冲应力过大、锻造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之，造成淬火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种，内应力的存在是形成淬火裂纹的主要原因。淬火裂纹深而细长，断口平直，破断面无氧化色。它在轴承套圈上往往是纵向的平直裂纹或环形开裂；在轴承钢球上的形状有S形、T形或环型。淬火裂纹的组织特征是裂纹两侧无脱碳现象，明显区别与锻造裂纹和材料裂纹。热处理变形NACHI轴承零件在热处理时，存在有热应力和组织应力，这种内应力能相互叠加或部分抵消，是复杂多变的，因为它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状和大小的变化而变化，所以热处理变形是难免的。认识和掌握它的变化规律可以使轴承零件的变形（如套圈的椭圆、尺寸涨大等）置于可控的范围，有利于生产的进行。当然在热处理过程中的机械碰撞也会使零件产生变形，但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的。表面脱碳轴承零件在热处理过程中，如果是在氧化性介质中加热，表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减，造成表面脱碳。表面脱碳层的深度超过最后加工的留量就会使零件报废。表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。以表面层显微硬度分布曲线测量法为准，可做仲裁判据。软点加热不足，冷却不良，淬火操作不当等原因造成的托辊轴承零件表面局部硬度不够的现象称为淬火软点。它象表面脱碳一样可以造成表面耐磨性和疲劳强度的严重下降。1