淺談鋼鐵熱處理工藝
2016-08-19陳劍雄
摘 要：隨著我國綜合實力的不斷提高，我國工業水平比以前有了更大的進步，工業水平的提升必然帶動了鋼鐵事業的發展。在器械加工和建筑工程中都少不了鋼鐵的運用，如何對鋼鐵進行有效熱處理，成為我們首要的問題。
關鍵詞：熱處理；退火；正火；淬火；回火
引言
21世紀是一個科技化信息化的時代，鋼鐵熱處理的手段也有了很多方面的進步。鋼鐵處理方式對于工業發展有重要意義，我們需要不斷學習研究鋼鐵熱處理的方式，這樣更能促進我國工業水平的提升，加快我國經濟的發展。
1.鋼鐵熱處理工藝的簡介
熱處理就是將固態金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構的工藝。不管是哪種熱處理，都是分這三個階段，不同的是加熱溫度、保溫時間和冷卻速度不同。熱處理工藝的特點是不改變金屬零件的外形尺寸，只改變材料內部的組織與零件的性能，所以熱處理的目的是消除材料的組織結構上的某些缺陷，更重要的是改善和提高鋼的性能，充分發揮鋼的性能潛力，這對提高產品質量和延長使用壽命有重要的意義。鋼的熱處理種類分為整體熱處理和表面熱處理兩大類，常用的整體熱處理有退火，正火、淬火和回火。
2.鋼鐵整體熱處理工藝的具體步驟
2.1退火
退火就是將金屬或合金的工件加熱到適當溫度（高于或低于使材料發生組織轉變的臨界溫度），保持一定的時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火工藝的特點是保溫時間長，冷卻緩慢，可獲得平衡狀態的組織。退火是為了細化組織，提高性能，降低硬度，以便于切削加工；消除內應力；提高韌性，穩定尺寸；使鋼的組織與成分均勻化，也可為以后的熱處理工藝作組織準備。退火操作方法：將鋼件加熱到Ac3+30～50度或Ac1+30～50度后，一般隨爐溫緩慢冷卻。目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。應用要點：1.適用于合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼的鍛件、焊接件以及供應狀態不合格的原材料；2.一般在毛坯狀態進行退火。退火常在零件制造過程中對鑄件、鍛件、焊件接進行，以便于以后的切削加工或為淬火作組織準備。
2.2正火
將鋼件加熱到臨界溫度以上30-50℃，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火能細化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態的組織。正火與退火工藝相比，主要區別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產周期短。退火與正火同樣能達到零件性能要求時，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一般都采用正火熱處理；而一般合金鋼坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于切削加工。正火目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。應用要點：正火通常作為鍛件、焊接件以及滲碳零件的預先熱處理工序。對于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素結構鋼及低合金鋼件，也可作為Z后熱處理。對于一般中、高合金鋼，空冷可導致完全或局部淬火，因此不能作為Z后熱處理工序。
2.3淬火
將鋼件加熱到臨界點以上某一溫度，保持一定時間后以適當速度冷卻以獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。要獲得馬氏體組織，鋼的冷卻速度必須大于臨界速度（所謂臨界速度是獲得馬氏體組織的Z小冷卻速度），所以淬火與退火、正火在工藝上的主要區別是冷卻速度更快。鋼的種類不同，臨界冷卻速度不同，一般碳鋼的臨界冷卻速度比合金鋼大。所以碳鋼加熱后要在水中冷卻，合金鋼在油中冷卻。冷卻速度小于臨界速度得不到馬氏體組織，但冷卻速度過快，會增大鋼中內應力，引起鋼件的變形，甚至開裂。馬氏體組織是鋼經淬火后獲得的不平衡組織，硬度高，塑性、韌性差。馬氏體的硬度隨鋼的含碳量提高而增高，所以高碳鋼、碳素工具鋼淬火后的硬度要比低、中碳鋼淬火后的硬度高。相反，含碳量低，馬氏體的塑性，韌性就較好。淬火目的：淬火一般是為了得到高硬度的馬氏體組織；有時對某些高合金鋼（如不銹鋼、耐磨鋼）淬火時，則是為了得到單一均勻的奧氏體組織，以提高耐磨性和耐蝕性。應用要點：1.一般用于含碳量大于百分之零點三的碳鋼和合金鋼；2.淬火能充分發揮鋼的強度和耐磨性，但會造成很大的內應力，降低鋼的塑性和沖擊韌度，故要進行回火以得到較好的綜合力學性能。
2.4回火
鋼件淬硬后，再加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。淬火后的鋼件硬度高、脆性大，直接使用常發生脆斷，一般不能直接使用，必須進行回火。根據回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。低溫回火：淬火鋼件在250℃以下的回火為低溫回火。低溫回火主要是消除內應力，降低鋼的脆性，一般可保持鋼件的高硬度，如鉗工用的鋸條、銼刀等。中溫回火：淬火鋼件在250℃～500℃之間的回火為中溫回火。淬火鋼件經中溫回火后可獲得良好的彈性，如彈簧、壓簧、汽車中的板彈簧等。高溫回火：淬火鋼件在高于500℃的回火為高溫回火。淬火鋼件經高溫淬火后，具有良好綜合力學性能。一般中碳鋼和中碳合金鋼常采用淬火后高溫回火處理。回火目的：1.降低或消除淬火后的內應力，減少工件的變形和開裂；2.調整硬度，提高塑性和韌性，獲得所要求的力學性能；3.穩定工件尺寸。應用要點：1.保持鋼在淬火后的高硬度和耐磨性時用低溫回火；在保持一定韌度的條件下提高鋼的彈性和屈服強度時用中溫回火；以保持高的沖擊韌度和塑性為主，又有足夠的強度時用高溫回火；2.一般鋼盡量避免在230～280度、不銹鋼在400～450度之間回火，因為會產生回火脆性。
3.鋼鐵表面熱處理方式
火焰加熱表面淬火
操作方法：用氧-乙炔混合氣體燃燒的火焰，噴射到鋼件表面上，快速加熱，當達到淬火溫度后立即噴水冷卻。應用要點：（1）多用于中碳鋼制件，一般淬透層深度為2～6mm；（2）適用于單件或小批量生產的大型工件和需要局部淬火的工件。
感應加熱表面淬火
操作方法：將鋼件放入感應器中，使鋼件表層產生感應電流，在極短的時間內加熱到淬火溫度，然后噴水冷卻。應用要點：（1）多用于中碳鋼和中碳合金結構鋼制件；（2）由于肌膚效應，高頻感應淬火淬透層一般為1～2mm，中頻淬火一般為3～5mm，高頻淬火一般大于10mm。
表面淬火目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，心部保持韌性狀態。
4.結束語：
本文通過對鋼鐵熱處理工藝的簡單介紹和熱處理的具體步驟分析，使我們能夠了解到鋼鐵熱處理的精華，希望能夠能夠促進鋼鐵的處理方式的進步，加速工藝的發展。
參考文獻
[1]馮廣財.熱處理行業中綠色制造技術淺談[J].中國科技信息.2011（07）.
[2]陳詠華，鄧凱，李麗榮.圓柱齒輪熱處理畸變控制與機理分析[J].青海大學學報（自然科學版）.2006（03）.
[3]劉明生.壓鑄模零件的熱處理工藝設計[J].內江科技.2008（08）.
引言
21世紀是一個科技化信息化的時代，鋼鐵熱處理的手段也有了很多方面的進步。鋼鐵處理方式對于工業發展有重要意義，我們需要不斷學習研究鋼鐵熱處理的方式，這樣更能促進我國工業水平的提升，加快我國經濟的發展。
1.鋼鐵熱處理工藝的簡介
熱處理就是將固態金屬或合金采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻以獲得所需組織結構的工藝。不管是哪種熱處理，都是分這三個階段，不同的是加熱溫度、保溫時間和冷卻速度不同。熱處理工藝的特點是不改變金屬零件的外形尺寸，只改變材料內部的組織與零件的性能，所以熱處理的目的是消除材料的組織結構上的某些缺陷，更重要的是改善和提高鋼的性能，充分發揮鋼的性能潛力，這對提高產品質量和延長使用壽命有重要的意義。鋼的熱處理種類分為整體熱處理和表面熱處理兩大類，常用的整體熱處理有退火，正火、淬火和回火。
2.鋼鐵整體熱處理工藝的具體步驟
2.1退火
退火就是將金屬或合金的工件加熱到適當溫度（高于或低于使材料發生組織轉變的臨界溫度），保持一定的時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火工藝的特點是保溫時間長，冷卻緩慢，可獲得平衡狀態的組織。退火是為了細化組織，提高性能，降低硬度，以便于切削加工；消除內應力；提高韌性，穩定尺寸；使鋼的組織與成分均勻化，也可為以后的熱處理工藝作組織準備。退火操作方法：將鋼件加熱到Ac3+30～50度或Ac1+30～50度后，一般隨爐溫緩慢冷卻。目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。應用要點：1.適用于合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼的鍛件、焊接件以及供應狀態不合格的原材料；2.一般在毛坯狀態進行退火。退火常在零件制造過程中對鑄件、鍛件、焊件接進行，以便于以后的切削加工或為淬火作組織準備。
2.2正火
將鋼件加熱到臨界溫度以上30-50℃，保溫適當時間后，在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火能細化組織，改善鋼的性能，獲得接近平衡狀態的組織。正火與退火工藝相比，主要區別是正火的冷卻速度稍快，所以正火熱處理的生產周期短。退火與正火同樣能達到零件性能要求時，盡可能選用正火。大部分中、低碳鋼的坯料一般都采用正火熱處理；而一般合金鋼坯料常采用退火，若用正火，由于冷卻速度較快，使其正火后硬度較高，不利于切削加工。正火目的：1.降低硬度，提高塑性，改善切削加工與壓力加工性能；2.細化晶粒，改善力學性能，為下一步工序做準備；3.消除冷、熱加工所產生的內應力。應用要點：正火通常作為鍛件、焊接件以及滲碳零件的預先熱處理工序。對于性能要求不高的低碳的和中碳的碳素結構鋼及低合金鋼件，也可作為Z后熱處理。對于一般中、高合金鋼，空冷可導致完全或局部淬火，因此不能作為Z后熱處理工序。
2.3淬火
將鋼件加熱到臨界點以上某一溫度，保持一定時間后以適當速度冷卻以獲得馬氏體或貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。要獲得馬氏體組織，鋼的冷卻速度必須大于臨界速度（所謂臨界速度是獲得馬氏體組織的Z小冷卻速度），所以淬火與退火、正火在工藝上的主要區別是冷卻速度更快。鋼的種類不同，臨界冷卻速度不同，一般碳鋼的臨界冷卻速度比合金鋼大。所以碳鋼加熱后要在水中冷卻，合金鋼在油中冷卻。冷卻速度小于臨界速度得不到馬氏體組織，但冷卻速度過快，會增大鋼中內應力，引起鋼件的變形，甚至開裂。馬氏體組織是鋼經淬火后獲得的不平衡組織，硬度高，塑性、韌性差。馬氏體的硬度隨鋼的含碳量提高而增高，所以高碳鋼、碳素工具鋼淬火后的硬度要比低、中碳鋼淬火后的硬度高。相反，含碳量低，馬氏體的塑性，韌性就較好。淬火目的：淬火一般是為了得到高硬度的馬氏體組織；有時對某些高合金鋼（如不銹鋼、耐磨鋼）淬火時，則是為了得到單一均勻的奧氏體組織，以提高耐磨性和耐蝕性。應用要點：1.一般用于含碳量大于百分之零點三的碳鋼和合金鋼；2.淬火能充分發揮鋼的強度和耐磨性，但會造成很大的內應力，降低鋼的塑性和沖擊韌度，故要進行回火以得到較好的綜合力學性能。
2.4回火
鋼件淬硬后，再加熱到臨界溫度以下的某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝稱為回火。淬火后的鋼件硬度高、脆性大，直接使用常發生脆斷，一般不能直接使用，必須進行回火。根據回火溫度的不同，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種。低溫回火：淬火鋼件在250℃以下的回火為低溫回火。低溫回火主要是消除內應力，降低鋼的脆性，一般可保持鋼件的高硬度，如鉗工用的鋸條、銼刀等。中溫回火：淬火鋼件在250℃～500℃之間的回火為中溫回火。淬火鋼件經中溫回火后可獲得良好的彈性，如彈簧、壓簧、汽車中的板彈簧等。高溫回火：淬火鋼件在高于500℃的回火為高溫回火。淬火鋼件經高溫淬火后，具有良好綜合力學性能。一般中碳鋼和中碳合金鋼常采用淬火后高溫回火處理。回火目的：1.降低或消除淬火后的內應力，減少工件的變形和開裂；2.調整硬度，提高塑性和韌性，獲得所要求的力學性能；3.穩定工件尺寸。應用要點：1.保持鋼在淬火后的高硬度和耐磨性時用低溫回火；在保持一定韌度的條件下提高鋼的彈性和屈服強度時用中溫回火；以保持高的沖擊韌度和塑性為主，又有足夠的強度時用高溫回火；2.一般鋼盡量避免在230～280度、不銹鋼在400～450度之間回火，因為會產生回火脆性。
3.鋼鐵表面熱處理方式
火焰加熱表面淬火
操作方法：用氧-乙炔混合氣體燃燒的火焰，噴射到鋼件表面上，快速加熱，當達到淬火溫度后立即噴水冷卻。應用要點：（1）多用于中碳鋼制件，一般淬透層深度為2～6mm；（2）適用于單件或小批量生產的大型工件和需要局部淬火的工件。
感應加熱表面淬火
操作方法：將鋼件放入感應器中，使鋼件表層產生感應電流，在極短的時間內加熱到淬火溫度，然后噴水冷卻。應用要點：（1）多用于中碳鋼和中碳合金結構鋼制件；（2）由于肌膚效應，高頻感應淬火淬透層一般為1～2mm，中頻淬火一般為3～5mm，高頻淬火一般大于10mm。
表面淬火目的：提高鋼件表面硬度、耐磨性及疲勞強度，心部保持韌性狀態。
4.結束語：
本文通過對鋼鐵熱處理工藝的簡單介紹和熱處理的具體步驟分析，使我們能夠了解到鋼鐵熱處理的精華，希望能夠能夠促進鋼鐵的處理方式的進步，加速工藝的發展。
參考文獻
[1]馮廣財.熱處理行業中綠色制造技術淺談[J].中國科技信息.2011（07）.
[2]陳詠華，鄧凱，李麗榮.圓柱齒輪熱處理畸變控制與機理分析[J].青海大學學報（自然科學版）.2006（03）.
[3]劉明生.壓鑄模零件的熱處理工藝設計[J].內江科技.2008（08）.
來源：《中國科技博覽》2014年21期
