早在今天的許多技術(shù)進步之前，人們就已經(jīng)對金屬進行了熱處理，以改善特定應(yīng)用的物理和化學(xué)性能。在中世紀(jì)，鐵匠鍛造和回火金屬（盡管以相對粗糙的方式）來制造刀片、工具和日常生活用品?，F(xiàn)在，冶金學(xué)家和材料工程師擁有更廣泛的專業(yè)技術(shù)和設(shè)備，可以根據(jù)特定應(yīng)用定制材料。但是有許多不同的感應(yīng)加熱處理，例如淬火、回火、時效、應(yīng)力消除和表面硬化。
為了消除混淆，下面是最常見的感應(yīng)加熱處理，以及它們的目的和優(yōu)缺點。
退火
退火涉及升高金屬的溫度，直到它處于由其相圖定義的平衡狀態(tài)。它用于改變金屬的物理特性，例如硬度，但也可能發(fā)生局部化學(xué)變化，具體取決于相變。退火處理通常在機械加工之后進行，例如機加工和磨削，甚至其他熱處理，例如淬火。
淬火和回火
淬火涉及將鋼加熱到其臨界溫度以上并在那里保持足夠長的時間，以使微觀結(jié)構(gòu)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相。然后對鋼進行淬火，該過程通過將鋼放入水、油或聚合物溶液中來快速冷卻鋼。這“凍結(jié)”了它的微觀結(jié)構(gòu)。鋼的淬火冷卻控制了冷卻速度，冷卻速度決定了淬火后的微觀結(jié)構(gòu)。冶金學(xué)家使用金屬的時間-溫度-轉(zhuǎn)變圖（TTT 圖）來預(yù)測由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)，無論是馬氏體、貝氏體還是珠光體。通過這些結(jié)構(gòu)，碳成分大于 0.3wt% 的鐵合金。可能非常堅硬 (>60 HRC)，尤其是馬氏體結(jié)構(gòu)。但是硬度的增加伴隨著韌性的降低。
回火，一個退火過程，淬火后。鋼在淬火后變得非常硬和脆，因此它經(jīng)歷了另一個步驟以降低其硬度并增加其延展性，同時保持其微觀結(jié)構(gòu)。
在臨界溫度以下回火鋼可以使其保持馬氏體結(jié)構(gòu)，但如果回火時間足夠長，它會轉(zhuǎn)化為鐵素體和小碳化物的混合物，其確切尺寸取決于回火溫度。這使鋼更柔軟，更具延展性。關(guān)鍵的回火參數(shù)是溫度和時間，必須精確控制它們以產(chǎn)生所需的最終硬度。較低的溫度在消除內(nèi)應(yīng)力的同時保持較高的硬度，而較高的溫度會降低硬度。
在初始鑄造或機械加工后，淬火和回火賦予鋼以制造具有材料特性的零件的硬度和強度。然后可以將零件加工成最終狀態(tài)。淬火和回火會使金屬變形，因此零件在最終加工之前總是要經(jīng)過這兩個過程。對于具有用于修改表面特性的附加熱處理工藝的零件，淬火和回火決定了零件的核心特性，例如硬度、強度和延展性。（其他表面硬化處理將在后面介紹。）
應(yīng)力消除，即退火步驟，在研磨、冷加工、焊接或最終加工之后，在金屬淬火和回火至所需的微觀結(jié)構(gòu)和強度后進行。這意味著必須特別考慮以確保工件的退火溫度不會太接近其回火溫度。這可以防止改變先前獲得的硬度和微觀結(jié)構(gòu)。
應(yīng)力消除可去除內(nèi)部位錯或缺陷，使金屬在最終加工（如氣體或離子滲氮）后尺寸更加穩(wěn)定。應(yīng)力消除不是為了顯著改變金屬的物理特性；事實上，硬度和強度的變化是不需要的。
沉淀硬化
沉淀硬化是一種特殊的退火步驟，也稱為時效硬化，因為某些金屬會在亞臨界溫度下隨時間硬化。如上所述，這種強化金屬的方法僅限于那些經(jīng)過淬火處理并且是過飽和溶液的金屬，這意味著材料相對于存在的相而言處于非平衡狀態(tài)。
在這些合金中，過飽和馬氏體溶液被加熱（500°至 550°C）并保持 1 至 4 小時，讓沉淀均勻地成核和生長。這導(dǎo)致非變形、高拉伸和屈服強度鋼具有比未時效狀態(tài)更好的耐磨性能。析出相、成分和尺寸取決于時效合金，但都具有相同的強化材料的一般效果。
并非所有鐵合金都符合這種硬化機制，但馬氏體不銹鋼（如 17-4、15-5 和 13-8）以及馬氏體時效鋼都是很好的候選材料。（“馬氏體時效”一詞結(jié)合了“馬氏體”和“時效”這兩個詞。這些鋼具有優(yōu)異的強度和韌性而不失去延展性，但不能保持良好的切削刃。時效是指延長的熱處理過程。）對于這些合金，過飽和馬氏體溶液被加熱（500°至 550°C）并保持 1 至 4 小時，讓沉淀均勻地成核和生長。這導(dǎo)致非變形、高拉伸和屈服強度鋼具有比未時效狀態(tài)更好的耐磨性能。
感應(yīng)淬火
感應(yīng)淬火很像淬火，但有一個明顯區(qū)別：感應(yīng)淬火中的加熱是有選擇性的。這是因為在感應(yīng)淬火中，加熱是通過設(shè)計用于匹配零件幾何形狀的磁性線圈進行的。這意味著可以強化關(guān)鍵零件特征，而不會強化零件的核心。相反，核心保留了金屬的強度和延展性。就像傳統(tǒng)的淬火一樣，它是使用水、油或聚合物溶液完成的。
可以在碳含量大于 0.3wt% 的鋼上進行感應(yīng)淬火，并且可以對具有專為它們設(shè)計的感應(yīng)線圈的尺寸和幾何形狀的零件進行感應(yīng)淬火。感應(yīng)淬火還顯著減少了淬火零件所需的加工時間，并降低了脫碳的風(fēng)險。與傳統(tǒng)的加熱和淬火不同，感應(yīng)是一種表面受限的熱處理，硬化深度范圍為 0.5 至 10 毫米。
表面硬化
表面硬化熱處理，包括滲氮、氮碳共滲、滲碳和碳氮共滲，會改變零件的化學(xué)成分——與前面提到的退火技術(shù)不同——并專注于其表面特性。根據(jù)加工時間和溫度，這些工藝會產(chǎn)生深度為 0.01 到 0.25 英寸的硬化表面層。由于額外的加工時間，使硬化層更厚會導(dǎo)致更高的成本，但零件的延長磨損壽命可以很快證明額外的加工成本是合理的。材料專家可以應(yīng)用這些工藝為特定應(yīng)用提供最具成本效益的零件。
滲碳和碳氮共滲
滲碳非常適用于需要在表面進行額外硬化以提高耐磨性但需要更軟的核心以獲得卓越強度的零件。滲碳是一種高溫工藝（900 至 950°C），涉及碳向鋼中的添加和擴散。這些溫度高于鋼的臨界溫度，因此隨后的淬火讓富含碳的表面形成馬氏體，而核心保持較軟的鐵素體和/或珠光體結(jié)構(gòu)。硬化深度可以厚達(dá) 0.25 英寸，具體取決于零件在滲碳溫度下浸泡的時間。
如前所述，滲碳的優(yōu)點是具有高硬度的深層耐磨層。這是齒輪、刀片和切割工具的理想選擇。滲碳用低成本合金鋼和低碳鋼（例如 1008、1018 和 8620）制造堅硬耐用的零件。原始合金可能導(dǎo)致完全硬化或塊狀馬氏體結(jié)構(gòu)。還應(yīng)注意，滲碳溫度會導(dǎo)致某些零件變形。
對于不含大量促進硬化的合金元素的低碳鋼，在工藝中添加氮可以提高表面硬度。添加氮稱為碳氮共滲。碳氮共滲通常在比滲碳 (850°C) 稍低的溫度下進行，因此變形較小，但它也減少了硬化深度（對于可比的處理時間）。碳氮共滲過程中產(chǎn)生的硬化表面雖然更薄，但確實具有更高的硬度和更高的加工溫度（如回火和應(yīng)力消除）。
滲氮和氮碳共滲
高溫滲碳/碳氮共滲的替代方法是滲氮/氮碳共滲. 它還產(chǎn)生硬化的表面層和類似的耐磨性，但它會將氮擴散到整個表面層（不是碳），并且它使用亞臨界加工溫度。滲氮的典型溫度范圍為 450° 至 575°C。這意味著零件可以在其最終加工狀態(tài)下進行加工，幾乎沒有變形，因此幾乎不需要氮化后加工（如果有的話）。較低的溫度還可以保持所需的核心微觀結(jié)構(gòu)和物理特性，同時針對給定應(yīng)用修改表面層。選擇滲氮時要考慮的一個注意事項：將任何應(yīng)力消除、時效或回火溫度告知熱處理人員，以防止改變核心特性。
與僅限于低碳含量鋼的滲碳不同，通過滲氮可以為多種合金提供 600 至 1,200 Hv 的表面硬度。但最適合滲氮的合金通常含有標(biāo)稱量的微合金元素：Cr、V、Ti、Al 和 Mo。滲氮對于含有大量鉻 (10+wt%) 的不銹鋼和工具鋼極為有益。這些氮化鋼的表面硬度可遠(yuǎn)高于 70 HRC，非常適合長期耐磨。
滲氮也不限于這些類型的鐵合金，因為低碳鋼也可以硬化。除了產(chǎn)生硬化、耐磨的表面外，滲氮還會形成復(fù)合區(qū)。復(fù)合區(qū)是滲氮過程中在表面形成的富氮層，堅硬、耐磨（>60 HRC 當(dāng)量）和耐腐蝕。這有利于低碳和低合金鋼，如果不存在復(fù)合區(qū)，這些鋼將不會被考慮用于惡劣的環(huán)境條件。
滲氮/氮碳共滲合金的硬化深度通常在 0.005 到 0.030 英寸之間，具體取決于工藝的時間和溫度。更深的硬化層需要更多的時間。復(fù)合區(qū)厚度可達(dá) 0.002 英寸。厚，這是哪種合金是氮化物、時間和溫度的函數(shù)。零件如何滲氮也會影響區(qū)域深度。氮化可以通過氣體或離子（等離子體）進行。
氣體滲氮使用裂解氨作為氮源，在正壓環(huán)境中進行。它是大批量批量加工的理想選擇，并且在溫度均勻性和具有深孔或通道的滲氮零件方面也非常出色。不建議對多孔零件進行氣體滲氮，因為氣體流過孔會導(dǎo)致嚴(yán)重的脆化。離子滲氮非常適合選擇性滲氮，因為零件可以從等離子體中屏蔽以防止?jié)B氮。
離子滲氮是通過在真空中在陽極和零件（陰極）之間施加電位差來進行的。這種電位差形成氮等離子體（一種獨特的紫色光），迫使氮原子進入零件的暴露表面。
等離子滲氮非常適合合金，例如不銹鋼，因為它可以快速分解鈍化氧化物表面。通常，由于等離子體的持續(xù)濺射，離子氮化鋼比氣體氮化鋼具有更薄的化合物區(qū)域。但這對于某些應(yīng)用來說可能是理想的，例如齒輪，在這些應(yīng)用中，接觸應(yīng)力可能會損害具有過多復(fù)合區(qū)域的表面。
在比較氮化和氮碳共滲時，后者通常在更高的溫度 (575°C) 下進行，并使用碳源。碳的加入形成了更硬、更耐磨、潤滑度更高的層。更厚的復(fù)合區(qū)也可以通過氮碳共滲形成。相比之下，純氮滲氮環(huán)境會形成堅硬耐磨的層，但不如氮碳共滲。那么為什么不總是引入使用氮碳共滲呢？引入碳會增加表面孔隙率，這對接觸應(yīng)力大的零件不利。所得層的延展性也較差。
材料選擇還決定了哪種加工技術(shù)最適合應(yīng)用。
本通用指南解釋了一系列熱處理。但工程師在考慮熱處理時牢記以下有關(guān)其零件設(shè)計的問題很重要：我的零件受到什么力？他們在什么環(huán)境下工作？應(yīng)用是否需要表面、核心或特定表面區(qū)域的不同屬性？
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