- 12月 2, 2023
热处理工艺的发展无疑促进了技术进步，由于采用了热处理工艺，一些机械加工和冶金工艺可以利用尖端技术生产出更精确、更高质量的零件。
你会发现，如今许多行业都在使用各种热处理方法，这些热处理工艺有助于改变金属的物理特性，甚至化学特性，从而达到不同的使用目的。
本文我们将为您介绍有关金属的热处理工艺、其优点以及典型热处理金属-钢材的热处理类型。
什么是热处理？
在很大程度上，热处理是金属制造过程中相当重要的组成部分之一，它包括一系列改变金属特性的热处理和金属加工技术。
准确地说，热处理是通过加热和冷却来改变金属的物理、机械性能，有时还包括化学性能。这些特性包括延展性、硬度、耐温性、可成形性、可加工性、强度等。
热处理方法因金属材料的类型和所需的特定性能而异。对于制造商来说，选择满足其特定需求的合适热处理方法非常重要。
哪些金属可用于热处理？
值得注意的是，制造商必须检查每种金属材料，选择正确的热处理方法，以获得所需的性能，这是因为并非所有金属材料都适合所有热处理类型。
你会发现黑色金属占热处理材料的大多数，因此，不同钢种约占热处理金属的80%，不过铜、铝、镍、黄铜、镁和钛等金属合金也可以进行热处理。以下是一些可进行热处理的金属以及适合的热处理类型。
1. 铸铁、碳钢、马氏体不锈钢和工具钢
热处理方法 – 淬火、退火、正火、去应力、表面硬化、渗氮和回火。
2. 铜及铜合金
热处理方法 – 退火和淬火。
3. 铝
热处理方法 – 退火、固溶热处理、沉淀硬化。
金属热处理的阶段
一般来说，金属有五种基本的热处理方法。这些工艺是淬火、表面硬化、正火、退火和回火，你会发现每种工艺都会带来不同的特性。
无论哪种热处理方法，主要分为三个阶段，分别是加热、浸泡和冷却。：
1. 加热阶段
这是金属热处理过程的第一步。许多合金在加热到最高1200°C 的特定温度时会发生结构变化，这取决于金属的等级。此外，合金在室温下的结构要么是机械混合物，要么是固溶体，要么是两种形式的组合。
因此，如果在这一阶段格外小心，将会有所帮助。这是因为加热过程中的一个错误动作都可能导致金属破裂或变形。因此，您的首要目标是确保金属在加热阶段受热均匀。那么，如何确定合适的加热速度？这里有几个因素可以参考：
- 金属的尺寸和横截面
- 金属的状况
- 金属材料的导热性
2. 浸泡阶段
该阶段使加热后的金属部件保持在金属结构发生预期变化的温度下。此外，金属必须保持在该温度下，直到整个部件被均匀加热。
浸泡期也称为保温时间，是指金属在适当温度下保持的时间。您可以通过化学分析、金属的质量和厚度来确定保温时间。一般来说，金属的质量越大，浸泡的时间就越长。然而，浸泡时间因金属材料而异，但通常需要 2 小时。
3. 冷却阶段
浸泡金属后，下一步就是冷却。冷却阶段的主要目的是将金属的温度降至室温。但是，冷却阶段决定了经过处理的金属的最终特性。
同样，在这一阶段，金属可能会从一种成分变为另一种成分，或保持不变，或恢复到原来的形态。请注意，这取决于金属类型、冷却速度和冷却介质。因此，冷却阶段对于使金属符合特定结构和性能仍至关重要。
影响金属热处理过程的因素
影响金属热处理过程的因素多种多样, 以下是一些主要因素。
1. 时间和温度的影响
时间和温度是影响金属热处理的重要因素。更重要的是，它们在金属热处理的加热、浸泡和冷却阶段发挥作用。
此外，时间和温度对热处理过程中机械性能和微观结构的变化起着至关重要的作用。例如，以每分钟1000°C的速度提高钢的冷却速度（淬火）会产生一种新的微观结构-马氏体。
2. 变形量
在大多数情况下，不同的热处理工艺会导致不同的零件变形和尺寸变化。除此之外，变形量还与以下因素有关：
- 热处理前金属材料的结构
- 热处理方法，在炉中的位置
- 应力分布
因此，变形量会影响金属的热处理过程。
3. 成分的影响
合金元素也会影响金属的热处理。这是因为它们往往会延迟原子在铁晶格中的扩散，从而延迟同素异形转变。
此外，锰、钼、镍和硼等合金元素还能提高硬度。同样，这些元素还能在较高温度下进行回火，以产生更好的延展性。
典型金属 – 钢的热处理类型
钢在工业加工过程中会经历四种基本的热处理类型。
1. 淬火
这种热处理方式通过增加晶格结构的电阻来提高钢的硬度和强度。淬火包括将金属加热到所需的800 – 900°C之间的温度，然后迅速冷却。钢种通常通过将热金属投入油、水或盐水等淬火介质中进行冷却。
但对于合金元素含量较高的钢种，所需的加热温度在 980 至 1110°C 之间。大多数钢材都需要快速冷却，因为冷却阶段会影响硬度水平。
2. 回火
我们经常会发现，钢材在淬火后比必要的硬度更高，对于制造工艺来说太脆，这是由于钢材在热处理过程中快速冷却时形成了严重的内应力。因此，回火可以消除内应力，降低淬火后钢材的脆性。
这种热处理方法是将钢加热到所需温度（125-700°C），然后让金属在静止空气中冷却。因此，钢材热处理中使用的回火温度总是低于淬火温度。此外，在回火过程中，冷却速度通常不会对金属结构产生影响。因此，回火温度越高，钢材越软。即便如此，高速钢仍然是一个例外，因为它在回火后会变得更硬而不是更软。
3. 退火
退火最适合低碳钢，因为低碳钢的强度和软度都较低。这种热处理方法可提供与淬火相反的金属特性。因此，金属退火有助于缓解内应力、增加柔韧性、软化金属并细化晶粒结构。
此外，钢材退火包括三个主要步骤，分别是：
- 将钢材加热到所需的温度，根据钢种的不同，温度范围在260-760°C之间；
- 在所需时间内保持钢材的温度；
- 然后缓慢冷却至室温。
即使如此，退火温度的冷却速度也因金属而异。因此，与淬火相比，退火涉及缓慢冷却钢材以产生柔软度。
通过将炽热的钢件埋入灰烬、沙子或其他不易导热的材料中，使金属件缓慢冷却，这一过程被称为”填料”。同样，从退火温度开始冷却时，关闭熔炉，让熔炉和钢件一起冷却，这就是所谓的熔炉冷却。
4. 正火
正火可以消除通过各种方法生产的黑色金属的内应力，这些方法包括热处理、机械加工、焊接、锻造、铸造或成型。尽管如此，正火钢仍比退火钢更硬更强。因此，正火通常用于受冲击的钢铁部件。此外，这种热处理方法还用于需要最大韧性和抗外力的零件。
钢材正火包括以下步骤：
- 将钢材加热到 810 – 930°C 的特定温度，具体取决于钢材的等级；
- 浸泡金属，使其均匀加热；
- 然后在静止空气中冷却。
请记住，钢材热处理中的正火温度要高于淬火和退火工艺。
金属热处理的好处
金属材料的热处理有助于改变其特性，使其适用于各种金属制造工艺。以下是金属热处理的一些好处：
- 可提高部件表面或内部的硬度；
- 热处理使金属更具柔韧性和可加工性；
- 有助于提高金属的耐磨性和脆性；
- 对金属进行热处理可以改善金属的电性和磁性，这可以提高它们与其他材料的兼容性。
结论
热处理工艺已成为多种制造工艺的主要组成部分。在对金属进行热处理之前，制造商必须确定一种合适的金属。这就需要根据项目需求对各种特性进行评估，在考虑了所有因素后，优质的金属热处理服务就变得至关重要。
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常见问题
哪些金属适合热处理？
一般来说，黑色金属和有色金属都适合热处理。但是，不同钢种占热处理金属的大多数。
退火和正火有什么区别？
首先，正火一般适用于钢铁等黑色金属。此外，正火使用较高的温度，并在金属从炉中取出后进行空气冷却。退火使用较低的温度，并通过填料冷却或炉子冷却。
可以对不锈钢进行热处理吗？
奥氏体不锈钢由于镍含量高，很难进行热处理。
然而，马氏体不锈钢可以通过淬火和奥氏体化来硬化。奥氏体化温度范围为980 至1110°C。
