熱處理

公元前六世紀，鋼鐵兵器逐漸被採用，為了提高鋼的硬度，淬火工藝遂得到迅速發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟，其顯微組織中都有馬氏體存在，說明是經過淬火的。隨著淬火技術的發展，人們逐漸發現淬冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陝西斜谷為諸葛亮打制3000把刀，相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了，同時也注意了油和水的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206～公元24)中山靖王墓中的寶劍，心部含碳量為0.15～0.4%，而表面含碳量卻達0.6%以上，說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密，不肯外傳，因而發展很慢。1863年，英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼在加熱和冷卻時，內部會發生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時，人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法，以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。1850～1880年，對於應用各種氣體（諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等）進行保護加熱曾有一系列專利。1889～1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。二十世紀以來，金屬物理的發展和其他新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發展。一個顯著的進展是1901～1925年，在工業生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳；30年代出現露點電位差計，使爐內氣氛的碳勢達到可控，以後又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法；60年代，熱處理技術運用了等離子場的作用，發展了離子滲氮、滲碳工藝；激光、電子束技術的應用，又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。

熱處理方面的現行國家標準

1GB/T7232-2012金屬熱處理工藝術語2013-03-01實施，代替GB/T7232-1999

2GB/T8121-2002熱處理工藝材料術語2002-12-01實施，代替GB/T8121-1987

3GB/T9452-2003熱處理爐有效加熱區測定方法2004-06-01實施，代替GB/T9452-1988

4GB/T17031.1-1997紡織品織物在低壓下的乾熱效應第1部分：織物的乾熱處理程序1998-05-01實施

5GB/T7631.14-1998潤滑劑和有關產品(L類)的分類第14部分:U組(熱處理)1999-02-01實施

6GB/Z18718-2002熱處理節能技術導則2002-12-01實施

7GB15735-2004金屬熱處理生產過程安全衛生要求2004-11-01實施，代替GB15735-1995

8GB/T12603-2005金屬熱處理工藝分類及代號2006-01-01實施，代替GB/T12603-1990

9GB/T19944-2005熱處理生產燃料消耗定額及其計算和測定方法2006-04-01實施

10GB/T13324-2006熱處理設備術語2007-04-01實施，代替GB/T13324-1991

11GB/T21736-2008節能熱處理燃燒加熱設備技術條件2008-11-01實施

12GB/T10201-2008熱處理合理用電導則2009-01-01實施，代替GB/T10201-1988

13GB/T22561-2008真空熱處理2009-06-01實施

14GB/T22894-2008紙和紙板加速老化在80℃和65%相對濕度條件下的濕熱處理2009-09-01實施

15GB/T17358-2009熱處理生產電耗計算和測定方法2009-11-01實施

16GB/T5953.2-2009冷鐓鋼絲第2部分：非熱處理型冷鐓鋼絲2010-04-01實施，代替GB/T5953-1999

17GB/T5953.1-2009冷鐓鋼絲第1部分：熱處理型冷鐓鋼絲2010-04-01實施，代替GB/T5953-1999

18GB/T24562-2009燃料熱處理爐節能監測2010-05-01實施

19GB/T24743-2009技術產品文件鋼鐵零件熱處理表示法2010-09-01實施

20GB/T15318-2010熱處理電爐節能監測2011-02-01實施，代替GB/T

21GB/T25745-2010鑄造鋁合金熱處理2011-06-01實施

22GB/T27946-2011熱處理工作場所空氣中有害物質的限值

23GB/T27945.1-2011熱處理鹽浴有害固體廢物的管理第1部分：一般管理

24GB/T27945.2-2011熱處理鹽浴有害固體廢物的管理第2部分：浸出液檢測方法

25GB/T27945.3-2011熱處理鹽浴有害固體廢物的管理第3部分：無害化處理方法

26GB/T7232-2012金屬熱處理工藝術語2012年第24號公告

27GB/T8121-2012熱處理工藝材料術語2012年第24號公告

28GB/T9452-2012熱處理爐有效加熱區測定方法2012年第24號公告

29GB/T28909-2012超高強度結構用熱處理鋼板2012年第28號公告

30GB15735-2012金屬熱處理生產過程安全、衛生要求2012年第28號公告

31GB/T28838-2012木質包裝熱處理作業規範2012年第28號公告

32GB/T28992-2012熱處理實木地板2012年第41號公告

33GB13014-1991鋼筋混凝土用餘熱處理鋼筋1992-03-01實施，代替GB1499-1984

熱處理

1．正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。2．退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。3．固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區恆溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然後快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。4．時效：合金經固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高於室溫保持時，其性能隨時間而變化的現象。5．固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強化固溶體並提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，以便繼續加工成型。6．時效處理：在強化相析出的溫度加熱並保溫，使強化相沉澱析出，得以硬化，提高強度。7．淬火：將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的範圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝。

8．回火：將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨後用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝。9．鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化，以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲（即氣體軟氮化）應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。10．調質處理（quenchingandtempering）：一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。調質處理廣泛應用於各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調質處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織更優。它的硬度取決於高溫回火溫度並與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200—350之間。

金屬熱處理是機械製造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，或改變工件表面的化學成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量，而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料，鋼鐵顯微組織複雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。

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，最早是採用木炭和煤作為熱源，近而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易於控制，且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金，以至浮動粒子進行間接加熱。金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對於熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用塗料或包裝方法進行保護加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質量的主要問題。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。另外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。採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、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬採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。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為複雜，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，然後以適當的速度冷卻，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學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溫度，根據材料和工件尺寸採用不同的保溫時間，然後進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。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，常用於改善材料的切削性能，也有時用於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、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬火介質中快速冷卻。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於室溫而低於650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，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係密切，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。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置於室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。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合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進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，還可以通入滲劑進行化學熱處理。表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學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到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學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成分。化學熱處理是將工件放在含碳、鹽類介質或其它合金元素的介質(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，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。熱處理是機械零件和工模具製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力狀態，以利於進行各種冷、熱加工。例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性；齒輪採用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經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、不鏽鋼；工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。

因為金屬工件的加熱、冷卻等操作，需要十幾個甚至幾十個動作來完成。這些動作內在真空熱處理爐內進行，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，如加熱保溫結束后，金屬工件進行淬火工序須六、七個動作並且要在15秒鐘以內完成。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成誤操作。因此，只有較高的自動化才能準確、及時按程序協調。金屬零件進行真空熱處理均在密閉的真空爐內進行，嚴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量有著非常主要的意義。所以真空熱處理爐的一個關鍵問題，就是要有可靠的真空密封構造。為了保證真空爐的真空性能，真空熱處理爐結構設計中必須遵循一個基本原則，就是爐體要採用氣密焊接，同時在爐體上盡量少開或者不開孔，少採用或者避免採用動密封結構，以盡量減少真空泄露的機遇。安裝在真空爐體上的部件、附件等如水冷電極、熱電偶導出裝置也都必須設計密封構造。大部分加熱與隔熱材料只能在真空狀態下使用。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，導熱係數小等要求。對抗氧化性能要求不高。所以，真空熱處理爐廣泛採用了鉭、鎢、鉬和石墨等作加熱與隔熱構料。這些材料在大氣狀態下極易氧化，因此，普通熱處理爐不能採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構不變形、不損壞，真空密封圈不過熱、不燒毀。因此，各部件應該根據不同的情況設置水冷裝置，以保證真空熱處理爐能夠正常運行並有足夠的利用壽命。採用低電壓大電流：真空容器內，當真空空度為幾托一lxlo-1托的範圍內時，真空容器內的通電導體在較高的電壓下，會產生輝光放電現象。在真空熱處理爐內，嚴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。同時在電熱元件結構設計時要採取有效辦法，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生。

退火熱處理硫化熱處理硬化熱處理消除應力熱處理

表面淬火回火熱處理通常用感應加熱或火焰加熱的方式進行。主要技術參數是表面硬度、局部硬度和有效硬化層深度。硬度檢測可採用維氏硬度計，也可採用洛氏或表面洛氏硬度計。試驗力(標尺)的選擇與有效硬化層深度和工件表面硬度有關。這裡涉及到三種硬度計。一、維氏硬度計是測試熱處理工件表面硬度的重要手段，它可選用0.5～100kg的試驗力，測試薄至0.05mm厚的表面硬化層，它的精度是的，可分辨出熱處理工件表面硬度的微小差別。另外，有效硬化層深度也要由維氏硬度計來檢測，所以，對於進行表面熱處理加工或大量使用表面熱處理工件的單位，配備一台維氏硬度計是有必要的。二、表面洛氏硬度計也是十分適於測試表面淬火工件硬度的，表面洛氏硬度計有三種標尺可以選擇。可以測試有效硬化深度超過0.1mm的各種表面硬化工件。儘管表面洛氏硬度計的精度沒有維氏硬度計高，但是作為熱處理工廠質量管理和合格檢查的檢測手段，已經能夠滿足要求。況且它還具有操作簡單、使用方便、價格較低，測量迅速、可直接讀取硬度值等特點，利用表面洛氏硬度計可對成批的表面熱處理工件進行快速無損的逐件檢測。這一點對於金屬加工和機械製造工廠具有重要意義。三、當表面熱處理硬化層較厚時，也可採用洛氏硬度計。當熱處理硬化層厚度在0.4～0.8mm時，可採用HRA標尺，當硬化層厚度超過0.8mm時，可採用HRC標尺。維氏、洛氏和表面洛氏三種硬度值可以方便地進行相互換算，轉換成標準、圖紙或用戶需要的硬度值。相應的換算表在國際標準ISO、美國標準ASTM和中國標準GB/T中都已給出。

零件如果局部硬度要求較高，可用感應加熱等方式進行局部淬火熱處理，這樣的零件通常要在圖紙上標出局部淬火熱處理的位置和局部硬度值。零件的硬度檢測要在指定區域內進行。硬度檢測儀器可採用洛氏硬度計，測試HRC硬度值，如熱處理硬化層較淺，可採用表面洛氏硬度計，測試HRN硬度值。

化學熱處理

化學熱處理是使工件表面滲入一種或幾種化學元素的原子，從而改變工件表面的化學成分、組織和性能。經淬火和低溫回火后，工件表面具有高的硬度、耐磨性和接觸疲勞強度，而工件的芯部又具有高的強韌性。

根據以上所說的內容，在熱處理過程中對溫度的檢測和記錄非常重要，溫度控制得不好對產品的影響十分大。所以，溫度的檢測十分重要，在整個過程的溫度變化趨勢也顯得十分重要，導致在熱處理的過程中必須對溫度的變化進行記錄，可以方便以後進行數據分析，也可以查看到底是哪段時間溫度沒有達到要求。這樣對以後的熱處理進行改進起到非常大的作用。

1、清理好操作場地，檢查電源、測量儀錶和各種開關是否正常，水源是否通暢。2、操作人員應穿戴好勞保防護用品，否則會有危險。3、開啟控制電源萬能轉換開關，根據設備技術要求分級段升、降溫，延長設備壽命和設備完好。4、要注意熱處理爐的爐溫和網帶調速，能掌握對不同材料所需的溫度標準，確保工件硬度及表面平直度和氧化層，並認真做好安全工作。5、要注意回火爐的爐溫和網帶調速，開啟排風，使工件經回火后達到質量要求。6、在工作中應堅守崗位。7、要配置必要的消防器具，並熟識使用及保養方法。8、停機時，要檢查各控制開關均處於關閉狀態后，關閉萬能轉換開關。

過熱從軸承零件粗糙口上可觀察到淬火后的顯微組織過熱。但要確切判斷其過熱的程度必須觀察顯微組織。若在GCr15鋼的淬火組織中出現粗針狀馬氏體，則為淬火過熱組織。形成原因可能是淬火加熱溫度過高或加熱保溫時間太長造成的全面過熱；也可能是因原始組織帶狀碳化物嚴重，在兩帶之間的低碳區形成局部馬氏體針狀粗大，造成的局部過熱。過熱組織中殘留奧氏體增多，尺寸穩定性下降。由於淬火組織過熱，鋼的晶體粗大，會導致零件的韌性下降，抗衝擊性能降低，軸承的壽命也降低。過熱嚴重甚至會造成淬火裂紋。欠熱淬火溫度偏低或冷卻不良則會在顯微組織中產生超過標準規定的托氏體組織，稱為欠熱組織，它使硬度下降，耐磨性急劇降低，影響托輥配件軸承壽命。淬火裂紋高或冷卻太急，熱應力和金屬質量體積變化時的組織應力大於鋼材的抗斷裂強度；工作表面的原有缺陷（如表面微細裂紋或划痕）或是鋼材內部缺陷（如夾渣、嚴重的非金屬夾雜物、白點、縮孔殘餘等）在淬火時形成應力集中；嚴重的表面脫碳和碳化物偏析；零件淬火后回火不足或未及時回火；前面工序造成的冷沖應力過大、鍛造摺疊、深的車削刀痕、油溝尖銳稜角等。總之，造成淬火裂紋的原因可能是上述因素的一種或多種，內應力的存在是形成淬火裂紋的主要原因。淬火裂紋深而細長，斷口平直，破斷面無氧化色。它在軸承套圈上往往是縱向的平直裂紋或環形開裂；在軸承鋼球上的形狀有S形、T形或環型。淬火裂紋的組織特徵是裂紋兩側無脫碳現象，明顯區別於鍛造裂紋和材料裂紋。熱處理變形NACHI軸承零件在熱處理時，存在有熱應力和組織應力，這種內應力能相互疊加或部分抵消，是複雜多變的，因為它能隨著加熱溫度、加熱速度、冷卻方式、冷卻速度、零件形狀和大小的變化而變化，所以熱處理變形是難免的。認識和掌握它的變化規律可以使軸承零件的變形（如套圈的橢圓、尺寸漲大等）置於可控的範圍，有利於生產的進行。當然在熱處理過程中的機械碰撞也會使零件產生變形，但這種變形是可以用改進操作加以減少和避免的。表面脫碳軸承零件在熱處理過程中，如果是在氧化性介質中加熱，表面會發生氧化作用使零件表面碳的質量分數減，造成表面脫碳。表面脫碳層的深度超過最後加工的留量就會使零件報廢。表面脫碳層深度的測定在金相檢驗中可用金相法和顯微硬度法。以表面層顯微硬度分佈曲線測量法為準，可做仲裁判據。軟點加熱不足，冷卻不良，淬火操作不當等原因造成的托輥軸承零件表面局部硬度不夠的現象稱為淬火軟點。它像表面脫碳一樣可以造成表面耐磨性和疲勞強度的嚴重下降。