热处理的主要工艺及其特点一、退火（Annealing）工艺特点：加热温度：高于材料相变点（如钢的退火温度通常在Ac3或Ac1以上）。冷却方式：随炉缓慢冷却（冷却速率≤50℃/h）。核心作用：消除材料内部应力（如锻造、焊接后的残余应力）；细化晶粒，改善组织均匀性；降低硬度，提高切削加工性能（如高碳钢球化退火）。典型应用：冷轧钢板去应力、铸铁件消除铸造应力、轴承钢毛坯软化处理。二、正火（Normalizing）工艺特点：加热温度：高于退火温度（通常比退火高20~50℃）。冷却方式：空冷（在空气中自然冷却）。核心作用：细化晶粒（比退火更明显），改善低碳钢的切削性能；消除网状碳化物（如过共析钢正火），为后续热处理做准备；调整硬度（比退火高，比淬火低），使零件性能均匀。典型应用：齿轮毛坯预处理、低碳钢（20钢）正火提高硬度、焊接件消除应力。三、淬火（Quenching）工艺特点：加热温度：奥氏体化温度（如中碳钢需加热至Ac3以上）。冷却方式：快速冷却（介质包括水、油、聚合物溶液等）。核心作用：使材料内部形成高硬度的马氏体组织，显著提高耐磨性（如刀具淬火后硬度可达HRC60+）；但会大幅增加脆性，需配合回火消除应力。典型应用：高速钢刀具、轴承滚子、汽车半轴淬火强化。四、回火（Tempering）工艺特点：加热温度：低于相变点（通常150~650℃，根据需求调整）。冷却方式：空冷或炉冷。核心作用：消除淬火产生的内应力，降低脆性；通过控制回火温度，调整硬度与韧性的平衡：低温回火（150~250℃）：保持高硬度（如刀具、量具）；中温回火（350~500℃）：提高弹性（如弹簧）；高温回火（500~650℃）：获得综合力学性能（如轴类零件调质处理）。典型应用：淬火后的模具、齿轮回火优化性能。五、表面淬火（SurfaceHardening）工艺特点：加热方式：仅对零件表面局部加热（如感应加热、火焰加热）。冷却方式：表面喷水或喷雾快速冷却。核心作用：表面形成高硬度硬化层（深度0.5~5mm），内部保持韧性；提高零件表面耐磨性，同时避免整体淬火导致的变形。典型应用：齿轮齿面、机床导轨、汽车半轴表面硬化。

热处理加工是指将金属材料（如钢、铸铁、铝合金、钛合金等）在固态下，通过**“加热、保温、冷却”的工艺循环**，改变其内部显微组织，从而实现优化材料性能（如硬度、强度、韧性等）或赋予特殊功能（如耐磨性、耐腐蚀性）的加工方法。二、热处理的核心原理：固态相变与组织调控金属材料的性能本质上由其内部显微组织决定，而热处理通过精确控制温度和冷却速率，促使材料发生以下变化：1.晶体结构转变：例如钢加热到奥氏体化温度时，晶体结构从铁素体+珠光体转变为均匀的奥氏体，快速冷却（淬火）后形成高硬度的马氏体。2.晶粒细化：通过控制加热温度和保温时间，避免晶粒粗大，从而提高材料韧性（如正火工艺）。3.应力释放与扩散：缓慢冷却（退火）或低温保温（回火）可消除加工或相变产生的内应力，同时促进原子扩散（如化学热处理中碳、氮元素渗入表面）。三、热处理的主要目的1.性能优化1.提高硬度与耐磨性：如刀具淬火后硬度可达HRC60以上；2.改善韧性与抗疲劳性：高速钢刀具经“淬火+高温回火”（调质处理）后，可同时具备高硬度和抗冲击能力。2.工艺预处理1.消除毛坯（如铸件、锻件）的内部应力，减少后续加工变形（如退火）；2.降低材料硬度，改善切削加工性（如低碳钢正火、高碳钢球化退火）。3.功能赋予1.表面渗碳、渗氮后，零件表面形成硬化层，适用于齿轮、轴承等耐磨部件；2.铝合金时效处理后，强度和尺寸稳定性显著提高，适用于航空航天构件。四、典型案例：以钢的淬火为例说明热处理过程1.加热阶段：将钢件加热至奥氏体化温度（如中碳钢需加热到800~850℃），使内部组织转变为均匀的奥氏体。2.保温阶段：确保温度均匀分布，使奥氏体化充分完成。3.冷却阶段：快速浸入水或油中冷却，奥氏体迅速转变为马氏体，硬度急剧上升（如45钢淬火后硬度可达HRC50~55），但脆性增加，需后续回火处理消除应力。五、与其他加工工艺的区别与机械加工（如车削、铣削）：不改变零件外形，而是通过微观组织调控改变性能；与表面处理（如电镀、喷涂）：作用深度不同，热处理可影响材料表层乃至整体性能，而表面处理多为涂层覆盖。

氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质热处理，获得回火索氏体，提高心部机械性能和氮化层质量。钢在氮化后，不再需要进行淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。氮化处理温度低，变形很小，它与渗碳、感应表面淬火相比，变形小得多钢的碳氮共渗：碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程，习惯上碳氮共渗又称作氰化。耐磨性和疲劳强度，低温气体碳氮共渗以渗氮为主，其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。调质处理：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200—350之间。钎焊：用钎料将两种工件粘合在一起的热处理工艺。

表面热处理一般固溶处理的加热温度在780-820℃之间，对用作弹性组件的材料，采用760~780℃，主要是防止晶粒粗大影响强度。固溶处理炉温均匀度应严格控制在±5℃。保温时间一般可按1小时/25mm计算，铍青铜在空气或氧化性气氛中进行固溶加热处理时，表面会形成氧化膜。虽然对时效强化后的力学性能影响不大，但会影响其冷加工时工模具的使用寿命。为避免氧化应在真空炉或氨分解、惰性气体、还原性气氛中加热，从而获得光亮的表面热处理效果。此外，还要注意尽量缩短转移时间，否则会影响时效后的热处理效果。对高精度零件进行光亮热处理有两种方法，即真空热处理和保护热处理。最先进的方法是真空热处理。真空热处理设备投资大，维护困难，操作技术比较复杂，在国内应用尚在‘不断扩大中。保护热处理分为涂层保护和气氛保护。气氛保护热处理的工艺多种多样。有的设备投资大，气体消耗多，成本高，因此常采用保护气体箱。涂层保护热处理具有投资少，操作简便，虽然目前国内研制的涂层的自剥性和保护效果还不能令人满意，价格也较贵，但涂料品种多，工艺成熟，应用广泛。表面光亮热处理在各种钢等材料的淬火、固溶、时效、中间退火、锻造加热或热成型时均可应用。所谓光亮热处理有：光亮退火，光亮正火，光亮淬火，光亮回火。为防止钢材表面的氧化和脱碳，使其不失去金属光泽，要在如前所述的保护气氛中或真空中进行热处理。光亮退火一般应用在银亮钢棒材（经过拉拔、切削和研磨过的）、薄板或经过精加工等产品的退火上。另外，冷锻造用的棒材和线材的球化退火等也采用这种方法。光亮正火、淬火和回火等主要适用于产品化了的零件，不适于一般作坯料的钢材。

奥氏体不锈钢通过固溶处理来软化，一般将不锈钢锻件加热到950～1150℃左右，保温一段时间，使碳化物和各种合金元素充分均匀地溶解于奥氏体中，然后快速淬水冷却，碳及其它合金元素来不及析出，获得纯奥氏体组织，称之为固溶处理。固溶处理的作用：1、使钢管组织和成分均匀一致，这对原料尤其重要，因为热轧线材各段的轧制温度和冷却速度不一样，造成组织结构不一致。在高温下原子活动加剧，相溶解，化学成分趋于均匀，快速冷却后就获得均匀的单相组织。 2、消除加工硬化，以利于继续冷加工。通过固溶处理，歪扭的晶格恢复，伸长和破碎的晶粒重新结晶，内应力消除，不锈钢锻件抗拉强度下降，伸长率上升。3、恢复不锈钢固有的耐蚀性能。由于冷加工造成碳化物析出，晶格缺陷，使不锈钢耐蚀性能下降。固溶处理后锻件耐蚀性能恢复到原始状态。对于不锈钢锻件而言，固溶处理的3个要素是温度、保温时间和冷却速度。固溶温度主要根据化学成分确定。一般说来，合金元素种类多、含量高的牌号，固溶温度要相应提高。特别是锰、钼、镍、硅含量高的钢，只有提高固溶温度，使其充分溶解，才能达到软化效果。但稳定化钢，如1Cr18Ni9Ti，固溶温度高时稳定化元素的碳化物充分溶解于奥氏体中，在随后的冷却中会以Cr23C6的形态在晶界析出，造成晶间腐蚀。为使稳定化元素的碳化物（TiC和Nbc）不分解、不固溶，一般采用下限固溶温度。不锈钢俗话说就是不容易生锈的钢，实际上有一部分的不锈钢锻件，既含有不锈性，又含有耐酸性（耐蚀性）。不锈钢的不锈性和耐蚀性是因为它表面上富铬氧化膜（钝化膜）的形成，其中不锈性和耐蚀性是相对的。 实验证明，钢在大气、水等弱介质中和硝酸等氧化性介质中，其耐蚀性就会随钢中铬含水量的增加而提高，则是成正比例的.当铬含量达到一定的百分比时，钢的耐蚀性就发生突变，即从易生锈到不易生锈，从不耐蚀到耐腐蚀。不锈钢的时效处理：指金属或合金工件（如低碳钢等）经固溶处理，从高温淬火或经过一定程度的冷加工变形后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。一般地讲，经过时效，硬度和强度有所增加，塑性韧性和内应力则有所降低。含碳较高的钢，淬火后立即获得很高的硬度，但其塑性变得很低。但铝合金淬火后，强度或硬度并不立即达到峰值，其塑性非但未下降，反而有所上升。经相当长时间（例如4~6昼夜）的室温放置后，这种淬火合金的强度与硬度显著提高，而塑性则有所下降。这种淬火合金的强度和硬度随时间而发生显著变化的现象，叫做时效。室温下进行的时效叫自然时效，在一定温度下进行的时效叫人工时效。时效处理是把材料有意识地在室温或较高温度存放较长时间，使之产生时效作用的工艺。

表面淬火回火热处理通常用感应加热或火焰加热的方式进行。主要技术参数是表面硬度、局部硬度和有效硬化层深度。硬度检测可采用维氏硬度计，也可采用洛氏或表面洛氏硬度计。试验力(标尺)的选择与有效硬化层深度和工件表面硬度有关。这里涉及到三种硬度计。一、维氏硬度计是测试热处理工件表面硬度的重要手段，它可选用0.5～100kg的试验力，测试薄至0.05mm厚的表面硬化层，它的精度是的，可分辨出热处理工件表面硬度的微小差别。另外，有效硬化层深度也要由维氏硬度计来检测，所以，对于进行表面热处理加工或大量使用表面热处理工件的单位，配备一台维氏硬度计是有必要的。二、表面洛氏硬度计也是十分适于测试表面淬火工件硬度的，表面洛氏硬度计有三种标尺可以选择。可以测试有效硬化深度超过0.1mm的各种表面硬化工件。尽管表面洛氏硬度计的精度没有维氏硬度计高，但是作为热处理工厂质量管理和合格检查的检测手段，已经能够满足要求。况且它还具有操作简单、使用方便、价格较低，测量迅速、可直接读取硬度值等特点，利用表面洛氏硬度计可对成批的表面热处理工件进行快速无损的逐件检测。这一点对于金属加工和机械制造工厂具有重要意义。三、当表面热处理硬化层较厚时，也可采用洛氏硬度计。当热处理硬化层厚度在0.4～0.8mm时，可采用HRA标尺，当硬化层厚度超过0.8mm时，可采用HRC标尺。维氏、洛氏和表面洛氏三种硬度值可以方便地进行相互换算，转换成标准、图纸或用户需要的硬度值。相应的换算表在国际标准ISO、美国标准ASTM和中国标准GB/T中都已给出。

退火是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。淬火是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆，为了及时消除脆性，一般需要及时回火。为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”，其中的淬火与回火关系密切，常常配合使用，缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同，又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后，将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间，以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行，使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理；在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理，它不仅能使工件不氧化，不脱碳，保持处理后工件表面光洁，提高工件的性能，还可以通入渗剂进行化学热处理。表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，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。化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是前者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、盐类介质或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热，保温较长时间，从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后，有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁，提高塑性；齿轮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倍或几十倍地提高；另外，价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能，可以代替某些耐热钢、不锈钢；工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。

热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，钢铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。公元前六世纪，钢铁兵器逐渐被采用，为了提高钢的硬度，淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。随着淬火技术的发展，人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人浦沅曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀，相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了，同时也注意了油和水的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑，心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。1850～1880年，对于应用各种气体（诸如氢气、煤气、一氧化碳等）进行保护加热曾有一系列专利。1889～1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。