热处理：改变材料内部组织，提升零件性能的关键工艺

第二节 材料的热处理

热处理的作用

机床、汽车、摩托车、火车、矿山、石油、化工、航空、航天等行业使用的大量零件，都需要经过热处理，以提高其使用性能。据初步统计，在机床制造中，约有60%～70%的零件需要进行热处理，在汽车、拖拉机制造中，需热处理的零件高达70%～80%，工具、模具、滚动轴承等则100%需要热处理。总之，凡是重要的零件，在使用前都必须经过适当的热处理。

热处理的定义

将钢在固态下加热到一定温度，根据需要保温，并以适当的速度冷却到室温，使钢的内部组织发生改变，获得所需性能的工艺过程。通过这种相变和再相变，材料的内部组织发生变化，从而性能发生变化。

（就如人运动一样，运动可以改变体质，强化肌肉。）另外有些材料购买后强度、硬度都很高，不利于切削加工，所以必须先进行热处理，降低其强度、硬度，才容易加工。加工完成后再利用热处理，增加其强度、硬度。

在了解以下热处理方法之前，我们先来了解一些概念。

1.共析钢

所有固体金属都是晶体。

碳溶解在铁晶格中形成固溶体。碳溶解在α-铁中的固溶体称为铁素体，溶解在γ-铁中的固溶体称为奥氏体。铁素体和奥氏体都具有良好的塑性。当铁碳合金中的碳不能完全溶解在铁素体或奥氏体中时，剩余的碳将与铁形成化合物——碳化铁（Fe3C）。这种化合物的晶体结构称为渗碳体，它具有极高的硬度和几乎为零的塑性。

从反映钢的组织结构、钢的碳含量与钢的温度之间关系的铁碳平衡状态图可以看出，当碳含量恰好等于0.77%时，也就是合金中的渗碳体（铁的碳化物）约占12%，铁素体约占88%时，在一定温度下实现合金的相变。也就是说，在这个特定的比例下，渗碳体和铁素体如果同时消失（加热时），如果出现，则是同时出现。从这个方面来说，这种组织与纯金属的相变相似。为此，人们把这种由特定比例构成的两相组织看作是一种组织，并把它命名为珠光体。这种钢叫做共析钢。也就是说，含碳量恰好等于0.77%的钢叫做共析钢，它的组织就是珠光体。

2.亚共析钢

常用结构钢含碳量大多在0.5%以下，由于含碳量低于0.77%，组织中渗碳体量也低于12%，因此除去一部分铁素体后与渗碳体形成珠光体，会有过剩，所以这种钢的组织为铁素体+珠光体。含碳量越低，钢组织中珠光体所占比例越小，钢的强度越低，但塑性较好。这类钢统称为亚共析钢。

3.过共析钢

工具钢的含碳量往往超过0.77%，这种钢的组织中渗碳体的比例超过12%，因此，除了与铁素体形成珠光体外，还有过剩的渗碳体，所以这类钢的组织为珠光体+渗碳体。这类钢统称为过共析钢。渗碳体含量越高，材料的硬度越高，但会降低其韧性，使材料变硬变脆。

临界温度：在铁碳相图中，亚共析钢、共析钢、过共析钢加热到一定温度时，其组织都会转变为单相奥氏体。共析钢只要加热到A1温度就可以完全转变。但亚共析钢和过共析钢必须加热到A3和Acm才能完全转变。（A3和Acm温度高于A1）这三个温度是指这三种钢组织转变的临界温度。

正火：将钢加热到临界温度30°～50°，保温一段时间，然后在空气中冷却，获得珠光体转变产物的工艺过程。前面说过，珠光体是铁素体和渗碳体的总称，它兼具了两种组织的优点。既有铁素体带来的良好塑性，利于切削加工，又有渗碳体的高硬度和强度，所以加工时不会出现“粘刀”现象。

作用：可消除过共析钢的网状渗碳体，从而降低其硬度，增加塑性。对于亚共析钢，正火可细化晶格（除组织类型对材料性能的影响外，组织是由一个个晶粒组成的，晶粒越小，材料的综合力学性能越好），提高综合力学性能。因此正火可提高硬度，中、低碳钢一般采用正火热处理。

退火：将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却称为退火。钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，保温后在炉中缓慢冷却的热处理方法。退火的目的是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀并细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可以降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削性能。所以退火不仅是为了消除和改善上道工序遗留的组织缺陷和内应力，而且也是为后续工序做准备。所以退火与正火同属半成品热处理，又称预先热处理。

退火同正火一样，是将钢加热到临界温度以上，使钢组织完全转变为组织均匀、晶粒细小的奥氏体，然后冷却到室温，获得珠光体的过程。通过组织的改变和减小，使原来粗大、不均匀的晶相组织转变为均匀、细小的晶粒。同时在处理过程中，原有的组织也发生不同程度的改变，使珠光体的比例增加。从而获得良好的切削性能。

正火与退火主要有四个区别：

（1）正火温度较高，退火温度较低。

（2）正火的冷却速度比退火的冷却速度快。

（3）使用效果不同。渗碳后正火能消除网状渗碳体，退火不能消除网状渗碳体。含碳量在0.25X以下的钢，正火能提高硬度，改善切削性能，退火不能。

（4）正火周期短，操作方便；退火周期长，操作较复杂（即需控制一定的冷却速度）。

对于要求不高的零件，用正火代替退火工艺比较经济，但由于正火速度较快，如果降低太硬的材料的硬度，效果就不明显，所以一般都采用退火来降低材料的硬度，以便进行后续加工。

淬火：淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后迅速放入淬火剂中使其温度突然降低，并以大于临界冷却速度的速度快速冷却，以获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火可以提高钢的强度和硬度，但会降低其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐溶液。

淬硬性：淬火后获得淬硬马氏体组织的能力。

淬火后，钢内部会残留残余奥氏体。残余奥氏体很不稳定，在材料制造和使用过程中其体积会发生变化，引起零件尺寸和形状精度的变化。因此，高精度模具制造通常采用深冷处理，使残余奥氏体转变为淬火马氏体。（讲解深冷处理的相关知识。）

一副模具（不管是冷冲压模具还是塑料模具）中几乎99%的零件都需要淬火，以我公司的塑料模具为例，只有动、定模座和推杆固定板、动模板、定模板不需要淬火，其余零件均需淬火。

淬火时工件容易因应力集中而产生开裂，因此在设计模具结构时应尽量避免出现尖角。

回火：将淬火后的钢重新加热到一定温度，再按一定方式冷却称为回火。其目的是消除淬火引起的内应力，降低硬度和脆性，获得预期的力学性能。回火分为高温回火、中温回火和低温回火三类。回火常与淬火、正火配合使用。

淬火回火：淬火后进行高温回火的热处理方法称为淬火回火。高温回火是指在500-650℃之间回火。淬火回火可以大大调整钢的性能和材质，其强度、塑性和韧性均好，具有良好的综合力学性能。

补充：

时效处理：为了消除精密量具、模具、零件在长期使用过程中尺寸、形状的变化，工件在精加工前常需重新加热到100-150℃，经低温回火（低温回火温度150-250℃）后保温5-20小时。这种稳定精密零件质量的处理叫时效。对处于低温或动载荷条件下的钢构件进行时效处理，消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸尤为重要。

时效分为：人工时效和自然时效。

渗碳：渗碳是指碳原子渗入钢的表面层的过程。它也使低碳钢工件具有高碳钢表面层。经淬火和低温回火后，工件表面层具有较高的硬度和耐磨性，而工件心部仍保持低碳钢的韧性和塑性。

除了渗碳外，还有渗氮（氮化）

渗氮：又称氮化，是将氮原子渗入钢的表面层的过程。其目的是提高表面层的硬度和耐磨性以及疲劳强度和抗腐蚀性能。目前生产中多采用气体渗氮法。

上述热处理中，淬火、正火、回火和退火都是常见的热处理。

渗碳、渗氮属于表面热处理。

表面技术简单介绍。

热处理方法有盐浴、真空等。

盐浴热处理是采用熔融的盐液作为盐浴炉中的加热介质，使工件与空气隔绝，可以防止工件氧化、脱碳。缺点：热处理过程中仍有较大的变形，容易污染环境。

真空热处理是将工件放入真空热处理炉中，在接近绝对真空的环境下，无空气参与，对工件进行加热。

真空热处理的优点。真空热处理是当今热处理生产技术先进水平的主要标志之一。真空热处理不但能达到钢件不氧化、不脱碳，而且生产中无污染，工件畸变少，所以也属于清洁、精密生产技术的范畴。目前已成为工模具生产中不可替代的先进技术。真空热处理工艺。工件畸变小是真空热处理的一个很重要的优点。根据国内外经验，真空热处理工件的畸变仅为盐浴加热淬火的三分之一。

剩下两节很简单，在理解范围之内，大家可以自行理解，这里就不详细介绍了。