金属热处理是将金属或合金工件放在一定的介质中，通过加热、保温和冷却的方法，使金属或合金的内部组织结构发生变化，从而获得所需性能的技术。
金属热处理的作用：
1、改善工艺性能。
例如，在机械加工之前常需进行退火处理，以调整硬度，改善冷加工性能；对于高碳钢工具来说，为了改善其机加工性能，往往要进行正火和球化退火处理；对于某些存在较严重成分偏析的铸锭，在热处理之前还需进行均化退火。
2、改善材料或工件的使用性能。
例如，对齿轮如果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几倍或几十倍地提高；低碳钢通过渗入某些合金元素可以得到“外强内韧”的性能；白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，塑性提高很多。
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。
金属热处理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又可分为若干种不同的热处理工艺。
整体热处理：
整体热处理是对工件的整体进行加热，在保温足够长时间后，以适当的速度进行冷却，通过组织的变化，以改变工件的整体力学性能的热处理方法。对钢铁材料来说，整体热处理又可以分为退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
表面热处理：
表面热处理是只对工件表层进行加热，以改变工件表层力学性能的热处理方法。表面热处理的主要方法有火焰加热表面淬火和感应加热表面淬火，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。
（表面淬火：利用高频感应电流，将钢件表面迅速加热，然后立即喷水使其快速冷却。表面淬火的目的是使零件表面得到高硬度和耐磨性，而心部保持高的韧性和疲劳极限。高频表面淬火一般不宜用与薄壁零件，以免淬透。）
化学热处理：
化学热处理是通过改变工件表层的化学成分，从而控制表面层组织结构和性能的热处理方法。化学热处理于表面热处理不同之处是前者改变了工件表层的化学成分。常用的化学热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗各种金属等。
退火（焖火）：
将钢件加热到临界温度（一般是710~750℃，有些合金钢达到800~900℃）以上20~30℃，保温一定时间后，缓慢冷却，通过相变以获得珠光体型组织，或不发生相变以消除应力、降低硬度的一种热处理。
作用和应用：
1、降低硬度，提高塑性，改善切削加工性能和压力加工性能（对于不存在珠光体型转变的某些高合金钢，不能采用退火来软化，而要用正火后高温回火来降低硬度，此时高温活活属于不发生相变的退火）
2、细化晶粒，调整组织（减少组织不均匀性）（限于有相变的退火），改善力学性能，为下一步工序作准备
3、消除铸、锻、焊、轧、冷加工等所产生的内应力。
正火又称常化：
将钢件加热到临界温度以上30~50℃，保温一定时间，然后以稍大于退火的冷却速度（冷却速度比退火快，加热和保温的时间一样），冷却下来，如空冷、风冷、喷雾等，得到片层间距很小的珠光体组织（有的叫正火索氏体）。
退火又分为：完全退火、不完全退火、等温退火、去应力退火和再结晶退火。
作用和应用：
正火的目的与退火相似。（正火目的：使组织细化，增加强度和韧性，减少内应力，改善切削性能和用来处理不重要的低碳钢及中碳钢构件和渗碳零件）具体应用如下：
1、用于含碳量低于0.25%的低碳钢工件，以代替退火，有利于钢的切削加工。（此时的正火通称高温正火）
2、用于消除过共析钢种的网状渗碳体，以利球化退火。对于截面尺寸较大的过共析钢，应避免采用正火处理。
3、对某些大型重型钢件以及形状复杂，截面有急剧变化的钢件应用正火处理来代替淬火处理，以免发生严重变形或开裂。
4、对于含碳量在0.25%~0.5%范围内的中碳钢，如35、45钢也适于用正火代替退火，但对同样含碳量的合金钢如5CrMnMo、38CrMoAl等合金钢在正火后还需进行去应力退火。
5、对于性能要求不高的普通结构零件，可以用正火作为最终热处理，来提高力学性能。
淬火又称硬化：
将钢件加热到相变温度以上（临界温度以上30~50℃），保温一定时间，然后快速冷（在水、盐水或油中（个别材料再空气中）冷却）下来的一种热处理方法。
作用和应用：
1、提高硬度和耐磨性。
2、淬火加中或高温回火以获得良好的综合力学性能。
应根据淬火零件的材料、形状、尺寸和所要求的力学性能的不同，采用不同的淬火方法。
如果工件只需局部提高硬度，则可进行局部淬火，以免工件其他部分产生变形和开裂。
注：中碳钢淬火时会引起内应力，使钢变脆，所以淬火后必须回火才能同时得到高强度和高韧性。
回火：
将淬火后的工件重新加热到一定温度（临界温度以下），保温一段时间，然后取出以一定方式冷却（空气或水、油中冷却）下来。
回火有分为：低温回火（一般加热温度在150~250℃）、中温回火（在250~450℃）和高温回火（450~720℃）。
作用和应用：
1、降低（消除）淬火后的脆性，消除内应力，减少工件的变形和开裂。
2、调整硬度（适当降低硬度和强度），提高塑性和韧性，获得工件所要求的力学性能。
3、稳定工件尺寸。
注：调质
将钢件加热到比淬火时稍高一些的温度，保温后进行淬火，然后进行高温回火。
（淬火后高温回火称为调质），可得强度高、塑性、韧性都较好得综合力学性能，并可使某些具有二次硬化作用得高合金钢（如高速钢）二次硬化，其缺点是工艺较复杂，在提高塑性、韧性同时，强度、硬度有所降低。
时效处理：
高温时效：加热到略低于高温回火得温度，保温后缓冷到300℃以下出炉。
低温时效：将工件加热到100~150℃，长时间（约5~20h）保温后冷却。
作用和应用：
时效的目的是使淬火后的工件进一步消除内应力，稳定工件尺寸。
时效常用来处理要求形状不再发生变形的精密工件，如精密轴承，精密丝杠、床身、箱体等。
低温时效实际就是低温补充回火。
渗碳：
将低碳钢件（一般含碳量为0.15%~0.25%）放在大量含碳的固体（木炭、碳酸钡等）、液体（碳酸钠等）或气体（甲烷等）介质中，加热到850~950℃，保温一定时间，使碳扩散到钢件的表面层内，则表面的含碳量可达0.8~1.2%，经淬火后钢件的表面硬度可以提高，并能提高疲劳极限及耐磨性，而使心部保持一定的韧性和塑性。
渗碳深度随零件的具体尺寸及工作条件的要求而定，太薄易引起表面疲劳剥落，太厚则受不起冲击，一般常采用0.5~0.25mm。可按载荷情况近似参考下列数值（要求耐磨性大）：
载荷低：渗碳层深度＜0.5mm；
载荷较大：渗碳层深度0.5~1.0mm；
载荷重：渗碳层深度1.0~1.5mm；
载荷超重：渗碳层深度＞1.5mm。
渗碳层表面硬度应不低于56HRC，对于用合金钢制造的重要零件应不低于60HRC。
为了保证渗碳后零件的性能，渗碳层的含碳量最好在0.85%~1.05%。
模数大于4mm，齿宽大于直径的重负荷圆柱齿轮和圆弧齿轮，或模数5~8mm的重负荷直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮等，因为表面淬火不能获得均匀分布的淬透层，而采用渗碳淬火。
氮化：
将钢件放在含有氮的介质或利用氨气加热分解的氨气中，加热到500~620℃，持续保温相当长的时间（一般需要20~50h），氨扩散渗入到钢的表层内。使钢的表面硬度大大提高，并能提高钢件表层的耐磨性和疲劳极限及抗蚀能力。
渗氮层厚度根据渗氮工艺性和使用性能，一般不超过0.6~0.7mm。
氰化（碳氮共渗）：
将钢件放在含有氰盐或氰根的活性介质中，加热到500~600℃（低温氰化）、800~870℃（中温氰化）或900~950℃（高温氰化），保温一定时间使碳与氮同时扩散渗入到钢件表层内。可以大大提高钢的表面硬度，提高表层的耐磨性和疲劳极限，并保持钢件心部的塑性和韧性。
注：
低温氰化以渗氮为主，主要是为了提高合金工具钢、高速钢制工具、刀具的热硬性、耐磨性，这种碳氮共渗的结果与渗氮相似，共渗层深度可达0.02~0.06mm。
中温氰化主要适用于一般承受压力不很大而受磨损的中碳结构钢零件，共渗层深度，一般为0.3~0.8mm。
高温氰化主要以渗碳为主，主要用于承受压力很大的中碳钢及合金钢的小型结构零件，也可用于低碳钢件代替渗碳，能获得1~2mm的共渗层，中温和高温碳氮共渗用于提高表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能。
气体碳氮共渗已广泛应用于汽车、拖拉机齿轮及各种标准件的表面强化处理。汽车调质钢齿轮共渗深度：轻型汽车0.15~0.25mm；载重汽车0.25~0.35mm。
液体碳氮共渗有剧毒；共渗后，还需淬火和低温回火。
附：
热处理工艺在金属加工工序中的安排原则：
退火与正火：
属于毛坯预备性热处理，应安排在机械加工之前。
时效：
为了消除残余应力，对于尺寸大、结构复杂的铸件，需在粗加工前、后各安排一次时效处理；对于一般铸件在铸造后或粗加工后安排一次时效处理；对于精度要求高的铸件，在半精加工前、后各安排一次时效处理；对于精度高、刚度差的零件，在粗车、粗磨、半精磨后各安排一次时效处理。
淬火：
淬火后工件硬度提高且易变形，应安排在精加工阶段的磨削加工前进行。
渗碳：
渗碳易产生变形，应安排在精加工前进行，为控制渗碳层厚度，渗碳前需安排精加工。
氮化：
一般安排在工艺过程的后部、该表面的最终加工之前。氮化处理前应调质。
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