熱處理

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熱處理是將金屬材料加熱到一定的溫度，保溫一定的時間後，以一定的速率降溫到常溫或更低，從而達到改善材料組織結構獲得性能優異的材料，一般是指對金屬材料特別是鋼材的處理。常用的分類方法有正火、退火、淬火、回火和表面硬化等幾種。

概念

工業生產中，熱處理可以視為一系列的用來改變材料的物理性質，偶爾也用來改變材料的化學性質冶金工程步驟。熱處理在冶金學方面有非常普及的應用，但是是陶瓷、玻璃材料的生產過程中也常有熱處理程序的出現。熱處理用升高或冷卻的方式進行，通常涉及極端的溫度，以其改變材料的硬度、韌性等一系列性質。

隨著熱處理技術的進步，熱處理的定義可以改寫成透過溫度的控制與冷卻速率的調整，來改變材料的特性。比如說目前的深冷技術（或稱深冷處理），便是將鋼材在淬火後冷卻到零下七八十度到一百多度的熱處理技術。

正處於980℃的熱處理爐

被推進淬火（Quenching）車床的焦炭（Coke）。攝於1942年11月，位於美國密西根州底特律的大湖區鋼鐵公司（Great Lakes Steel Corporation）。

金屬熱處理

整體熱處理 退火 臨界溫度（Ac1或Ac3）以上   完全退火：將鋼加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一段時間後緩慢冷卻（隨爐）以獲得接近平衡組織的熱處理工藝（完全奧氏體化）。     擴散退火（均勻化退火）     不完全退火     球化退火     臨界溫度（Ac1或Ac3）以下   再結晶退火（中間退火）     去應力退火：將鋼件加熱至低於Ac1的某一溫度（一般為500~650℃），保溫，然後隨爐冷卻。       石墨化退火     磁場退火       正火：將鋼構件加熱到Ac3溫度以上30〜50℃後，保溫一段時間出爐空冷。冷卻速度快於退火而低於淬火。   淬火 普通淬火   一般淬火     雙液淬火     等溫淬火       固溶處理   其他淬火   形變淬火     磁場淬火       回火及時效 普通回火及時效   低溫回火     中溫回火     高溫回火     時效處理     其他回火及時效   磁場回火     形變時效回火         循環熱處理     表面熱處理 表面淬火   火焰加熱表面淬火   感應加熱表面淬火   高頻加熱表面淬火（20-10000kHz）     中頻加熱表面淬火（<10kHz）       雷射加熱表面淬火     電子束加熱表面淬火     電解液加熱表面淬火     表層熔化   雷射上光     雷射共晶化     表面氣相沉積   化學氣相沉積     物理氣相沉積     電漿體化學氣相沉積       化學熱處理 氣體化學熱處理   滲碳     碳氮共滲     滲氮（氮化）     固體化學熱處理   滲金屬     滲非金屬     多元共滲       離子化學熱處理     電解化學熱處理     真空化學熱處理

• 退火（英語: Annealing）是為了軟化鋼材、調整結晶組織、去除內部應力、改善冷軋加工及切削性。根據使用目的，退火細分為完全退火，球化退火、去應力退火、中間退火等。

• 正火（英語: Normalising；在臺灣稱為「正常化」）是為了細化鋼材晶粒，均勻內部組織，消除內應力。在如德國的西方國家，正火（德文：Normalglühen）只是退火（德文：Glühen）的一個子類。

• 淬火（英語: Quenching）是將鋼材經過高溫加熱後快速冷卻處理，提高硬度和強度。根據冷卻條件分為水淬、油淬、真空淬火等。淬火後的材料必須經過回火處理。

• 回火（英語: Tempering）是鋼件淬硬後再度加熱到某一溫度，然後以適當的速度冷卻。目的是調整材料硬度、提高韌性及消除內部應力。回火可分為低溫回火和高溫回火。回火溫度越高，材料的硬度降低越多，韌性越強。調質處理加工採用高溫回火。高頻淬火、滲碳淬火等表面硬化處理後的回火處理為低溫回火。
• 形變熱處理是將塑性變形和熱處理結合。如高溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體狀態，進行塑性變形，然後立即淬火和回火。

化學熱處理

鋼的化學熱處理是將工件置於一定溫度的活性介質中保溫，使一種或幾種元素滲入其表層，以改變表層化學成分、組織和性能的熱處理工藝。根據滲入元素的不同有滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鉻、滲鋁及多元共滲等。

• 滲碳淬火是將低碳鋼表面滲入碳素後淬火再低溫回火。淬火硬度50~63HRC，硬化層深度0.3~1.2mm。
• 滲氮是將氮素擴散深入鋼材表面的熱處理方法。含有鋁、鉻、鉬的鋼材容易通過滲氮提高硬度。
  • 氣體氮化是將工件放入密閉的爐內加熱到500-600℃，通入氨氣，氮化層一般為0.1-0.6mm。氮化後隨爐降溫到200℃以下停止供氨，工件出爐。缺點是滲氮時間長，成本高；滲氮層很薄，脆性大。
  • 離子氮化是利用稀薄的含氮氣體，在高壓直流電場作用下產生輝光放電現象而進行的，又稱輝光離子氮化。
• 碳氮共滲是向零件表面同時滲入碳原子和氮原子。
  • 中溫氣體碳氮共滲常採用煤油和氨氣等作為共滲劑，溫度在700-880℃範圍，高溫以滲碳為主，低溫以滲氮為主。
  • 低溫氣體碳氮共滲（又稱氣體軟氮化）溫度為520-570℃，氮化層為0.1-0.4mm，不宜用於重載零件。
• 真空熱處理是在0.1-0.001Pa的環境中加熱的熱處理工藝，包括真空淬火、真空退火、真空回火等。真空熱處理的工件氧化和脫碳少，升溫慢，熱處理變形小，表面氧化物、油污在真空加熱時分解，被真空泵排出，使表面光潔美觀。
• 可控氣氛熱處理是為達到無氧化、無脫碳或按要求增碳，在成分可控的爐氣中進行的滲碳、碳氮共滲等化學熱處理。

高能束表面淬火

參見：表面硬化

高能束表面淬火是利用雷射、電子束、電漿弧、感應渦流或火焰等高功率密度能源快速加熱使鋼件表層迅速奧氏體化，而心部仍處於臨界點一下，隨之淬火，使表面硬化，而心部組織並不發生變化。

• 火焰淬火是用明火進行的表面熱處理，主要在鋼鐵的任意表面或某一部分需要淬火時使用。
• 感應加熱表面淬火是將含碳量在0.30%以上的鋼材通過感應加熱，使材料表面變硬的工藝。淬火硬度50~60HRC，硬化層深度1~2mm。頻率越高，電流透入深度越淺，淬透層越薄。

感應加熱表面淬火的電流頻率選擇

類別	頻率範圍	淬硬層深度	應用舉例
高頻感應加熱	200-300 kHz	0.5-2 mm	小齒輪、小軸
中頻感應加熱	1-10 kHz	2-8 mm	承受扭曲、壓力載荷的零件，如曲軸、大齒輪、主軸
工頻感應加熱	50 Hz	10-15 mm	承受扭曲、壓力載荷的大型零件，如冷軋輥、火車車輪

• 雷射加熱表面淬火是依靠工件本身的傳熱來冷卻淬火。表面硬度高於高頻淬火。

物理過程

金屬材料在微觀結構下有很多細小的晶體稱為晶粒。晶粒的大小、組成可謂影響金屬機械性質因素之一。熱處理提供一種有效的方式來控制金屬微觀結構下的擴散速率與冷卻速率，來達到需要的金屬性質。通常熱處理要改變的機械性質不外乎五種：1.硬度 2.應力-應變性質 3.韌性 4.延性 5.彈性

熱處理有兩種重要的機轉可以改變合金的性質：1.麻田散鐵轉變，用來產生形變 2.金屬擴散機轉，用來改變同質性（使材料呈現單一特徵的傾向）

組成的影響

合金系統的確切組成對於熱處理的結果有巨大的影響。若合金中各組成物的比例正確無誤，則冷卻後該合金將呈現單一且連續的微觀結構，此混合物稱之為共晶系統。然而，若是合金中組成物溶質的比例異於共晶系統，則兩種或兩種以上的微觀結構將同時形成。溶質的含量以過共析溶液高於共晶混合物，共晶混合物又高於亞共析溶液。

缺陷

過熱與過燒

• 過熱指加熱溫度過高或保溫時間過長，使奧氏體晶粒顯著粗大的現象，通過正火可消除。
• 火燒指加熱溫度接近開始熔化的溫度，使晶界處產生熔化或氧化的現象，無法挽救。

氧化與脫碳

• 氧化指工件表面形成氧化皮的現象。
• 脫碳指工件表層的碳被燒損，使表層含碳量下降的現象。

變形與開裂

零件的變形與開裂都是由淬火時的內應力引起的。