金属材料热处理过程及工艺浅述

张 龙

（山东省新泰市楼德镇农业综合服务中心，山东 新泰 271212）

近代以来，热处理工艺技术发展迅速，先后经历了转筒炉气体渗碳、应用露点电位差计、二氧化碳红外仪、氧探头实现炉内可控碳势等热处理工艺技术；等离子场在热处理技术中的应用，进一步完善了渗氮、渗碳等化学热处理工艺的深度和密度；科学技术的飞速发展，推动了激光、电子束等现代科技手段在热处理工艺中得以普遍应用，为表面热处理、化学热处理等新的热处理工艺提供了强有力的技术支撑。

1 热处理的三个必备过程

根据温度控制的变化，热处理工艺总结为加热、保温、冷却三个过程。

加热是热处理工艺的第一个步骤，早期的热处理工艺加热工序大部分利用木炭和煤炭作为热源，随着能源产业的发，又出现了液体和气体燃料；电力技术的普及，为热处理加热工序带来了新的变革，普遍使用电力完成加热过程，电加热方式快捷并且易于控制，减少了对外部环境的污染。利用木炭、煤炭、液体气体燃料以及电力等作为热源，不借助加热介质加热统称为直接加热；间接加热则是利用熔融的盐或者浮动粒子达到金属工件升温的效果。在加热过程中，为保护金属工件不受大气中氧气、一氧化碳等气体影响而发生氧化、脱碳等现象，加热环境要确保可控，加热装置要具备气氛保护功能，比如利用熔融盐或者真空环境进行加热，也可通过涂层或包装来完成。

保温工序是在一定的技术规范指导下，在确保加热温度和精准控制下，让加热之后的金属工件保持一定的温度，通常会在相变温度以上进行加热以获得所需的结构。将金属工件表面加热到符合要求的温度并保持在一定的时间间隔之内，以确保工件内部与外部温度能够保持一致，从而使金属结构能够实现完全转变，这段时间间隔在热处理工艺规范中称为保温时间；有些热处理工艺保温过程要求极短，甚至不需要保温时间，例如，为了增加金属材料表面的耐磨性，需要进行高能密度加热，其特点是短时或者瞬间致热，这个过程就不需要保温时间。

热处理的另一个重要工序是冷却过程，不同的热处理工艺，冷却方式不同，冷却速度各不相同，冷却速度的控制是冷却环节的关键，其中，退火最慢，正火较快，淬火最快，但是由于金属材质的不同，其要求也不同，例如，空气硬化钢可以通过冷却速率的标准化来硬化。

2 热处理的四种基本工艺

热处理的四种基本工艺分别是退火、正火、淬火和回火。退火就是将金属工件加热到符合要求的温度值，缓慢冷却，使金属内部组织结构达到或接近于平衡状态，主要用于降低金属工件硬度，增强塑性，降低或消除内应力，防止在机加工期间机件的扭曲变形和开裂，便于切削和冷变形加工，通过细化和均匀金属组织晶粒，避免因铸造、锻压、焊接等加工工序引起的构造缺陷，进一步改善工件机械性能，以利于其他后续热处理工艺的顺利进行。受金属材质和加工等因素的影响，退火工艺细分为多个种类，包括均匀化、重结晶、不完全、等温、球化、再结晶、去应力等多种退火方式。

正火工艺是将金属工件加热至一定的温度，控制在符合要求的时间之内进行冷却的热处理工艺。高温正火要求加热温度最高，要把金属工件加热至Ac3以上100至150摄氏度。

在铸造、锻压加工实践中，通过正火工艺，可以实现中、低碳钢的组织细化。经正火处理后的珠光体片层和铁素体晶粒更细密、体积更小，珠光体的强度和硬度更高，部分要求较低的金属工件往往把正火环节作为最终的热处理工序，可以使金属工件具有更好的切削性能，以便于加工各种形状的零部件，而不至于开裂断裂。

淬火工艺是要将金属工件加热保温，然后浸泡在相应的淬火介质中以最快的速度进行冷却，大幅增强增加工件硬度和脆度，金属材质和机加工等因素千差万别，淬火介质也有所不同，可以采用水、油或其他无机盐，也可以利用有机水溶液等等。在机械制造加工实践中，有些金属零件受外力作用，承受的应力内外差别巨大，有些还要经受长期的表层摩擦，这就对工件性能提出了更高的要求，因此变形小、生产效率高的表面淬火工艺得到了广泛的应用。鉴于材质差异和热源不同，又衍生出感应、火焰、电接触加热等多种不同的表面淬火工艺，在具体操作中，科学合理选择，以达到最佳的淬火效果。回火是将淬火工件长期保持在室温至710℃之间的某一适当温度，然后经过冷却工艺，从而降低工件的脆性。

3 热处理的六种深度工艺

根据生产实践经验，现总结常用的六种深度热处理工艺。把淬火工艺和高温回火有机结合起来，科学调配运用，增强金属工件的强度和韧性，以获得更好的处理效果，这种热处理工艺称为调质。时效处理是将经过淬火形成过饱和固溶体之后的某些合金材料，放置在室温或者稍高的温度下保持较长的时间，增强金属工件的硬度、强度、电性、磁性等性能。按照机制加工工艺需求，配合热处理运用压力对工件进行形变加工，称之为形变热处理。在负压或真空中进行的热处理称之为真空热处理，其意义在于防止金属工件氧化、脱碳，保持工件处理后表面光洁。

通过化学元素渗入改善金属工件性能的热处理方式叫z作化学热处理，将工件放置在含有氮、碳或其他合金元素的介质中长期加热，使氮、碳、铬、硼等元素能够渗入到工件表面，以改善金属工件的耐磨性、亮度和光洁度，在这一过程中，有时还需要经过回火、淬火等其他热处理工艺对金属工件进行深度加工处理，主要的深度处理方式有渗氮法、渗碳法、复合渗碳法、金属化法等等。

表面热处理的重点在于利用能量高度密集热源使工件表层瞬间升温，改善工件表层力学性能；电力、激光、化学燃料等行业门类的快速发展，为表面热处理提供了更多的热源选择，传统的表面热处理向现代工艺快速转化，更多的使用了感应电流、激光和电子束、有氧乙炔或氧丙烷火焰等加热热源，相对应的也出现了激光、电子束、火焰淬火和感应加热等多种表面热处理方式。