金属热处理的概念与发展史

HEATS · 发表于 2010-9-12 14:16:51

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　　金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定的时间后，又以不同速度冷的一种工艺。

　　金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。

　　为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

　　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认识。早在公元前770~前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形影响而变化。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。三国蜀人蒲元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，同时也注意了油和尿的冷却能力。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了铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理上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)进行保护加热增有一系列专利。1880~1890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的发展。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热势的方法；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。

　　金属热处理的工艺

　　热处理的工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

　　加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

　　金属加热进，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热得理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应要可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或装方法进行保护加热。

　　加热温度是热得理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的问题。加热温度随着随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

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