退火、正火、淬火、調(diào)質(zhì)...這些熱處理你分的清楚嗎？熱處理的作用就是提高材料的機(jī)械性能、消除殘余應(yīng)力和改善金屬的切削加工性。按照熱處理不同的目的，熱處理工藝可分為兩大類(lèi)：預(yù)備熱處理和最終熱處理。

一、預(yù)備熱處理

預(yù)備熱處理的目的是改善加工性能、消除內(nèi)應(yīng)力和為最終熱處理準(zhǔn)備良好的金相組織。其熱處理工藝有退火、正火、時(shí)效、調(diào)質(zhì)等。

1）退火和正火

退火和正火用于經(jīng)過(guò)熱加工的毛坯。含碳量大于0.5%的碳鋼和合金鋼，為降低其硬度易于切削，常采用退火處理；含碳量低于0.5%的碳鋼和合金鋼，為避免其硬度過(guò)低切削時(shí)粘刀，而采用正火處理。退火和正火尚能細(xì)化晶粒、均勻組織，為以后的熱處理作準(zhǔn)備。退火和正火常安排在毛坯制造之后、粗加工之前進(jìn)行。

2）時(shí)效處理

時(shí)效處理主要用于消除毛坯制造和機(jī)械加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

為避免過(guò)多運(yùn)輸工作量，對(duì)于一般精度的零件，在精加工前安排一次時(shí)效處理即可。但精度要求較高的零件（如座標(biāo)鏜床的箱體等），應(yīng)安排兩次或數(shù)次時(shí)效處理工序。簡(jiǎn)單零件一般可不進(jìn)行時(shí)效處理。

除鑄件外，對(duì)于一些剛性較差的精密零件（如精密絲杠），為消除加工中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之間安排多次時(shí)效處理。有些軸類(lèi)零件加工，在校直工序后也要安排時(shí)效處理。

3）調(diào)質(zhì)

調(diào)質(zhì)即是在淬火后進(jìn)行高溫回火處理，它能獲得均勻細(xì)致的回火索氏體組織，為以后的表面淬火和滲氮處理時(shí)減少變形作準(zhǔn)備，因此調(diào)質(zhì)也可作為預(yù)備熱處理。

由于調(diào)質(zhì)后零件的綜合力學(xué)性能較好，對(duì)某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作為最終熱處理工序。

二、最終熱處理

最終熱處理的目的是提高硬度、耐磨性和強(qiáng)度等力學(xué)性能。

1）淬火

淬火有表面淬火和整體淬火。其中表面淬火因?yàn)樽冃巍⒀趸懊撎驾^小而應(yīng)用較廣，而且表面淬火還具有外部強(qiáng)度高、耐磨性好，而內(nèi)部保持良好的韌性、抗沖擊力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。為提高表面淬火零件的機(jī)械性能，常需進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火等熱處理作為預(yù)備熱處理。其一般工藝路線為：下料--鍛造--正火（退火）--粗加工--調(diào)質(zhì)--半精加工--表面淬火--精加工。

2）滲碳淬火

滲碳淬火適用于低碳鋼和低合金鋼，先提高零件表層的含碳量，經(jīng)淬火后使表層獲得高的硬度，而心部仍保持一定的強(qiáng)度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時(shí)對(duì)不滲碳部分要采取防滲措施（鍍銅或鍍防滲材料）。由于滲碳淬火變形大，且滲碳深度一般在0.5~2mm之間，所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間。

其工藝路線一般為：下料-鍛造-正火-粗、半精加工-滲碳淬火-精加工。當(dāng)局部滲碳零件的不滲碳部分采用加大余量后，切除多余的滲碳層的工藝方案時(shí)，切除多余滲碳層的工序應(yīng)安排在滲碳后，淬火前進(jìn)行。

3）滲氮處理

滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。滲氮層可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度和抗蝕性。由于滲氮處理溫度較低、變形小、且滲氮層較薄（一般不超過(guò)0.6~0.7mm），滲氮工序應(yīng)盡量靠后安排，為減小滲氮時(shí)的變形，在切削后一般需進(jìn)行消除應(yīng)力的高溫回火。

三、熱處理相關(guān)問(wèn)題

　　對(duì)于鋁的熱處理，報(bào)告最多的問(wèn)題包括：

　　?部件擺放不當(dāng)——這會(huì)導(dǎo)致部件變形，很大一部分原因是淬火劑無(wú)法以足夠快的速度傳走熱量以獲得期望的機(jī)械性能。擺放不當(dāng)還可能引起熱變形(因?yàn)殇X的蠕變強(qiáng)度不夠大)。正確的擺放(圖1)能夠避免這些問(wèn)題。

　　?加熱/升溫過(guò)快——這會(huì)引起熱變形，應(yīng)當(dāng)防止出現(xiàn)。正確地?cái)[放部件有助于均勻地加熱。

　　?殘余應(yīng)力水平高于預(yù)期——熱處理不僅改變機(jī)械性能，而且直接影響殘余應(yīng)力水平。以下是一些可能的原因：淬火時(shí)(包括鑄件凝固后冷卻時(shí))表面和內(nèi)部的冷卻速度相差較大；升溫速度不合適；中間步驟發(fā)生溫度變化；等等。殘余應(yīng)力同冷卻速度的(較大)差異、部件的截面厚度、截面尺寸的突然變化和材料的強(qiáng)度等因素有關(guān)。一定要記住，淬火引起的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他工藝(包括鑄造)引起的應(yīng)力。

　　?時(shí)間/溫度/淬火參數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)——它們將導(dǎo)致不同部件之間和不同批次之間機(jī)械和/或物理性能的偏差。原因包括部件移送時(shí)間太長(zhǎng)、淬火不當(dāng)(過(guò)慢)、加熱過(guò)度、加熱不足或沉淀硬化過(guò)程中時(shí)間-溫度參數(shù)發(fā)生改變。比如，在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)和溫度過(guò)高的情況下會(huì)析出較大的顆粒物(沉淀物)。

　　?加熱過(guò)度——這時(shí)容易產(chǎn)生初熔或共晶熔化(圖2)。舉例來(lái)說(shuō)，固溶熱處理的溫度接近許多鋁合金的熔點(diǎn)(尤其是2xxx系列，往往只比它們的熔點(diǎn)低幾度)。為了促進(jìn)固態(tài)合金元素的溶解，需要適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

　　?加熱不足——這會(huì)由于過(guò)飽和度不足而損失機(jī)械性能。如果時(shí)效溫度太低和/或時(shí)效時(shí)間太短，就不容易形成溶質(zhì)原子聚集區(qū)(GP區(qū))，從而造成時(shí)效后強(qiáng)度過(guò)低。

　　?淬火不充分引起變形——這方面的問(wèn)題/難處在于部件進(jìn)入淬火劑的動(dòng)作，特別是在必須采用人工淬火時(shí)。部件一定要平穩(wěn)地進(jìn)入淬火劑。(用熱處理人員的行話說(shuō)，要避免讓部件“拍打”淬火劑。)整個(gè)部件均勻傳熱，能夠防止出現(xiàn)冷卻差異和應(yīng)變差異。水平方向上的傳熱變化通常比垂直方向上的變化更為不利。使淬火劑保持適當(dāng)?shù)臏囟龋刂扑纳郎兀_保它的均勻流動(dòng)，選擇最合適的淬火劑(比如空氣、水或聚合物)，等等，都非常重要。比如，針對(duì)一項(xiàng)具體應(yīng)用的需要，可以通過(guò)改變濃度、溫度和攪拌強(qiáng)度而調(diào)整聚合物的冷卻速度，從而保證泡核沸騰階段的均勻傳熱和淬火速度。淬火劑的維護(hù)也很重要。對(duì)形狀復(fù)雜的部件，比如鍛件、鑄件、沖擊擠壓件和使用薄板制成的部件，可以采用較低的淬火速度以改善變形行為。

　　?表面起皮/高溫氧化——《Industrial Heating》2016年2月版的熱處理問(wèn)題診斷專(zhuān)欄“高溫氧化–案例研究”詳細(xì)討論了這個(gè)問(wèn)題。

　　?時(shí)效過(guò)度——這可能會(huì)引起機(jī)械性能損失。如果時(shí)效溫度太高和/或時(shí)效時(shí)間太長(zhǎng)，過(guò)飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸會(huì)增大，造成時(shí)效后強(qiáng)度指標(biāo)降低。

　　?時(shí)效不足——這可能也會(huì)造成機(jī)械性能損失。

　　?自然時(shí)效不當(dāng)——自然時(shí)效的時(shí)間長(zhǎng)短不一，2xxx系列合金約為5天，其他合金約為30天。6xxx和7xxx系列在室溫下較不穩(wěn)定，機(jī)械性能的變化會(huì)持續(xù)很多年。有一些合金在經(jīng)過(guò)-18°C(-1?F)或以下的低溫處理后，自然時(shí)效會(huì)被抑制或推遲幾天。通常的作法是，在通過(guò)時(shí)效改變材料性能之前，已經(jīng)完成成形、矯直和沖壓。比如，低溫處理就是2014-T4鉚釘為保持良好的鉚接性能而經(jīng)常采取的措施。

　　?人工時(shí)效不當(dāng)——人工時(shí)效(也稱(chēng)為沉淀熱處理)是一個(gè)時(shí)間較長(zhǎng)、溫度較低的工藝過(guò)程。溫度控制至關(guān)重要，必須嚴(yán)格保證±6?C(±10?F)的溫度均勻性。溫度均勻性的最佳目標(biāo)應(yīng)為±4?C(±7?F)。

　　?保溫時(shí)間不夠——后果是達(dá)不到期望的機(jī)械性能。時(shí)間太短會(huì)導(dǎo)致過(guò)飽和度不足，而時(shí)間太長(zhǎng)容易使部件產(chǎn)生變形。

　　?溫度均勻性不好——這會(huì)導(dǎo)致達(dá)不到甚至改變機(jī)械性能。工藝溫度均勻性的典型要求是±6?C(±10?F)，而大多數(shù)航空應(yīng)用則希望達(dá)到±3?C(±5?F)。

　　?固溶處理后冷加工不當(dāng)——這通常是因?yàn)閷?duì)被處理合金的反應(yīng)缺乏了解。舉例來(lái)說(shuō)，淬火態(tài)2xxx系列合金的冷加工會(huì)明顯加大它對(duì)后續(xù)沉淀處理的反應(yīng)程度。

　　?固溶熱處理產(chǎn)品退火時(shí)冷卻速度不夠——最大冷卻速度必須保持在每小時(shí)20?C(40?F)，直至溫度降低到290?C(555?F)。在這個(gè)溫度以下的冷卻速度不太重要。