退火、正火、淬火、調質...這些鋁合金熱處理你分的清楚嗎？

退火、正火、淬火、調質...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械性能、消除殘余應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：預備熱處理和最終熱處理。

一、預備熱處理

預備熱處理的目的是改善加工性能、消除內應力和為最終熱處理準備良好的金相組織。其熱處理工藝有退火、正火、時效、調質等。

1）退火和正火

退火和正火用于經過熱加工的毛坯。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，為避免其硬度過低切削時粘刀，而采用正火處理。退火和正火尚能細化晶粒、均勻組織，為以后的熱處理作準備。退火和正火常安排在毛坯制造之后、粗加工之前進行。

2）時效處理

時效處理主要用于消除毛坯制造和機械加工中產生的內應力。

為避免過多運輸工作量，對于一般精度的零件，在精加工前安排一次時效處理即可。但精度要求較高的零件（如座標鏜床的箱體等），應安排兩次或數次時效處理工序。簡單零件一般可不進行時效處理。

除鑄件外，對于一些剛性較差的精密零件（如精密絲杠），為消除加工中產生的內應力，穩定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之間安排多次時效處理。有些軸類零件加工，在校直工序后也要安排時效處理。

3）調質

調質即是在淬火后進行高溫回火處理，它能獲得均勻細致的回火索氏體組織，為以后的表面淬火和滲氮處理時減少變形作準備，因此調質也可作為預備熱處理。

由于調質后零件的綜合力學性能較好，對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、耐磨性和強度等力學性能。

1）淬火

淬火有表面淬火和整體淬火。其中表面淬火因為變形、氧化及脫碳較小而應用較廣，而且表面淬火還具有外部強度高、耐磨性好，而內部保持良好的韌性、抗沖擊力強的優點。為提高表面淬火零件的機械性能，常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理。其一般工藝路線為：下料--鍛造--正火（退火）--粗加工--調質--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，經淬火后使表層獲得高的硬度，而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時對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，切除多余滲碳層的工序應安排在滲碳后，淬火前進行。

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0.6~0.7mm），滲氮工序應盡量靠后安排，為減小滲氮時的變形，在切削后一般需進行消除應力的高溫回火。

三、熱處理相關問題

　　對于鋁的熱處理，報告最多的問題包括：

　　?部件擺放不當——這會導致部件變形，很大一部分原因是淬火劑無法以足夠快的速度傳走熱量以獲得期望的機械性能。擺放不當還可能引起熱變形(因為鋁的蠕變強度不夠大)。正確的擺放(圖1)能夠避免這些問題。

　　?加熱/升溫過快——這會引起熱變形，應當防止出現。正確地擺放部件有助于均勻地加熱。

　　?殘余應力水平高于預期——熱處理不僅改變機械性能，而且直接影響殘余應力水平。以下是一些可能的原因：淬火時(包括鑄件凝固后冷卻時)表面和內部的冷卻速度相差較大；升溫速度不合適；中間步驟發生溫度變化；等等。殘余應力同冷卻速度的(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度等因素有關。一定要記住，淬火引起的應力遠遠大于其他工藝(包括鑄造)引起的應力。

　　?時間/溫度/淬火參數出現波動——它們將導致不同部件之間和不同批次之間機械和/或物理性能的偏差。原因包括部件移送時間太長、淬火不當(過慢)、加熱過度、加熱不足或沉淀硬化過程中時間-溫度參數發生改變。比如，在時間過長和溫度過高的情況下會析出較大的顆粒物(沉淀物)。

　　?加熱過度——這時容易產生初熔或共晶熔化(圖2)。舉例來說，固溶熱處理的溫度接近許多鋁合金的熔點(尤其是2xxx系列，往往只比它們的熔點低幾度)。為了促進固態合金元素的溶解，需要適當的溫度。

　　?加熱不足——這會由于過飽和度不足而損失機械性能。如果時效溫度太低和/或時效時間太短，就不容易形成溶質原子聚集區(GP區)，從而造成時效后強度過低。

　　?淬火不充分引起變形——這方面的問題/難處在于部件進入淬火劑的動作，特別是在必須采用人工淬火時。部件一定要平穩地進入淬火劑。(用熱處理人員的行話說，要避免讓部件“拍打”淬火劑。)整個部件均勻傳熱，能夠防止出現冷卻差異和應變差異。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。使淬火劑保持適當的溫度，控制它的升溫，確保它的均勻流動，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，針對一項具體應用的需要，可以通過改變濃度、溫度和攪拌強度而調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。淬火劑的維護也很重要。對形狀復雜的部件，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月版的熱處理問題診斷專欄“高溫氧化–案例研究”詳細討論了這個問題。

　　?時效過度——這可能會引起機械性能損失。如果時效溫度太高和/或時效時間太長，過飽和固溶體中析出相的臨界晶核尺寸會增大，造成時效后強度指標降低。

　　?時效不足——這可能也會造成機械性能損失。

　　?自然時效不當——自然時效的時間長短不一，2xxx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定，機械性能的變化會持續很多年。有一些合金在經過-18°C(-1?F)或以下的低溫處理后，自然時效會被抑制或推遲幾天。通常的作法是，在通過時效改變材料性能之前，已經完成成形、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常采取的措施。

　　?人工時效不當——人工時效(也稱為沉淀熱處理)是一個時間較長、溫度較低的工藝過程。溫度控制至關重要，必須嚴格保證±6?C(±10?F)的溫度均勻性。溫度均勻性的最佳目標應為±4?C(±7?F)。

　　?保溫時間不夠——后果是達不到期望的機械性能。時間太短會導致過飽和度不足，而時間太長容易使部件產生變形。

　　?溫度均勻性不好——這會導致達不到甚至改變機械性能。工藝溫度均勻性的典型要求是±6?C(±10?F)，而大多數航空應用則希望達到±3?C(±5?F)。

　　?固溶處理后冷加工不當——這通常是因為對被處理合金的反應缺乏了解。舉例來說，淬火態2xxx系列合金的冷加工會明顯加大它對后續沉淀處理的反應程度。

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