為了使金屬零件性能良好，熱處理過程通常必不可少。熱處理通常包括三個階段：加熱、保溫和冷卻。根據冷卻速度、保溫時間和重新加熱方式，熱處理可分為淬火、回火、正火和退火。了解每個工藝的作用以及何時應用它們至關重要。
在許多製造裝置中，包括精密 CNC 加工，正確的熱處理可確保零件符合硬度、韌性和尺寸穩定性標準。 Richconn例如，利用對這些流程的深入了解來提供可加工的高性能零件。
淬火：含義及用途
淬火是指將金屬（尤其是鋼）加熱至臨界溫度（亞共析鋼為 Ac3，過共析鋼為 Ac1）以上，保溫至奧氏體化，然後快速冷卻至臨界冷卻速度以上（Ms 溫度以下，即馬氏體開始溫度），形成馬氏體或貝氏體組織。對於有色金屬（鋁、鈦、銅），從固溶溫度快速冷卻也稱為淬火。
淬火的目的：
(1)提高機械性質的金屬製成材料或零件。例如：提高工具、軸承等的硬度和耐磨性，提高彈簧的彈性極限，並提高軸類零件的整體機械性能。
(2)改善某些特殊鋼的材料特性或化學性質。如提高不銹鋼的耐腐蝕性，增加磁鋼的永磁力。
淬火冷卻，除了需要合理選擇淬火介質外，還需要正確的淬火方法，常用的淬火方法，主要有單液淬火、雙液淬火、分級淬火、等溫淬火、局部淬火等。
鋼質工件淬火後具有下列特性：
①獲得馬氏體、貝氏體、殘餘奧氏體等不平衡（即不穩定）組織。
②存在較大的內應力。
③力學性能不能滿足要求。因此，鋼製工件淬火一般都要經過回火
回火：控制硬度和應力
回火是指將先前淬火的金屬重新加熱到較低溫度（低於臨界溫度），並在冷卻前保持該溫度。這一步驟可以調整金屬的性能並消除應力。
調質的主要目的是：
(1)降低內應力，降低脆性，淬火零件存在很大的應力和脆性，如不及時回火往往會產生變形甚至開裂。
(2)調整工件的機械性質，工件淬火後硬度高、脆性大，為滿足各種工件的不同性能要求，可透過回火調整硬度、強度、塑性和韌性。
(3)穩定工件尺寸。透過回火可以使金相組織趨於穩定，以確保在以後的使用過程中不再變形。
(4)改善某些合金鋼的切削性能。
回火的作用是：
(1)提高組織的穩定性，使工件在使用過程中不再發生組織的轉變，使工件的幾何形狀和性能保持穩定。
②消除內應力，以改善工件的性能，穩定工件的幾何形狀。
③調整鋼材的機械性質，以滿足使用要求。
在生產中，常根據工件性能的要求。依加熱溫度的不同，回火分為低溫回火、中溫回火、高溫回火。淬火和隨後的高溫回火相結合的熱處理過程稱為回火，即在獲得高強度的同時，具有良好的塑化韌性。
(1)低溫回火：150-250℃，M回火，降低內應力和脆性，提高塑性韌性、高硬度和耐磨性。用於生產量規、切削工具和滾動軸承。
(2)中溫回火：350-500℃，T回火，具有高彈性，有一定的塑性和硬度。用於製作彈簧、鍛造模具等。
(3)高溫回火：500-650℃，S回火，具有良好的綜合機械性質。用於製造齒輪、曲軸等。
規範化：一種中間立場的處理方式
正火介於淬火和退火之間。將鋼加熱至臨界溫度（Ac3 + 30–50 °C）以上，保溫，然後空冷。正火的冷卻速度比退火快，但比淬火慢。
正火化有以下目的和用途：
①對亞共晶鋼，正火消除鑄造、鍛造、焊接部位的過熱粗晶組織及偉氏組織，軋材中的帶狀組織；晶粒細化；並可作為淬火前的預熱處理。
②共晶鋼，正火可消除網狀二次滲碳，並使珠光體細化，不僅提高力學性能，而且有利於隨後的球化退火。
③低碳深沖薄鋼板，正火可消除晶界自由滲碳，提升其深沖性能。
④低碳鋼和低碳低合金鋼，採用正火，可以獲得較細的片狀珠光體組織，使硬度提高到HB140-190，避免切削時的「黏刀」現象，提高切削加工性能。對於中碳鋼，在既可用正火又可用退火的場合，用正火更為經濟、方便。
⑤對於普通中碳結構鋼，在機械性能要求不高的場合，可採用淬火和高溫回火代替淬火，不僅操作方便，還能使鋼的組織和尺寸提高穩定。
⑥高溫正火（Ac3以上150～200℃）由於高溫擴散速率較高，可減少鑄、鍛件的成分偏析。高溫正火後的粗大晶粒可以透過隨後的第二次較低溫度正火而細化。
⑦對於一些汽輪機和鍋爐用的低、中碳合金鋼，常採用正火獲得貝氏體組織，然後經高溫回火，進行400～550℃具有良好的抗蠕變性能。
⑧除鋼件和鋼材外，正火也廣泛應用於球墨鑄鐵熱處理，使其獲得珠光體基體，提高球墨鑄鐵的強度。
由於正火空氣冷卻的特點，因此環境空氣溫度、堆疊方式、氣流及工件尺寸對正火後的組織和性能都有影響。正火組織也可作為合金鋼的分類方法。通常依直徑25毫米的試體加熱至900℃，空冷組織，將合金鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼及奧氏體鋼。
退火：軟化、應力消除與晶粒細化
退火是一種較慢、較溫和的處理方法：加熱到特定溫度，保溫，然後緩慢冷卻（通常在爐中冷卻）。這有助於原子擴散、再結晶和缺陷的去除。
退火的目的是：
①改善或消除鋼材在鑄造、鍛造、軋製和焊接過程中造成的各種組織缺陷以及殘餘應力，防止工件變形、開裂。
②軟化工件進行切削。
③細化晶粒，改善組織，提升工件的機械性質。
④為最終熱處理（淬火、回火）組織做準備。
常用的退火工藝：
①完全退火。用於細化中、低碳鋼經鑄造、鍛造及焊接後機械性質較差的粗大過熱組織。將工件加熱至鐵素體全部轉變為奧氏體的溫度在30～50℃以上，保溫一段時間，然後隨爐緩慢冷卻，奧氏體在冷卻過程中再次出現，可以使鋼的組織細化。 。
②球化退火。用於降低工具鋼、軸承鋼鍛造後的高硬度。將工件加熱至鋼開始形成奧氏體的溫度以上20～40℃時，保溫並緩慢冷卻，在冷卻過程中珠光體中的片狀滲碳體轉變為球狀，降低硬度。
③等溫退火。用於降低某些鎳、鉻含量較高的合金結構鋼的高硬度，進行切削加工。一般先以較快的速度冷卻到奧氏體最不穩定的溫度，保溫適當的時間，使奧氏體轉變為托氏體或索氏體，硬度即可降低。
④再結晶退火。用於消除金屬線材、板材在冷拔、冷軋過程中的硬化現象（硬度增加，塑性降低）。加熱溫度一般比鋼開始形成奧氏體的溫度低50-150℃，是消除加工硬化效應使金屬軟化的唯一方法。
⑤ 石墨化退火。此方法用於將含有大量滲碳的鑄鐵轉化為具有良好塑性的可鍛鑄鐵。製程操作是將鑄件加熱至約950℃，適當冷卻後保溫一段時間，使滲碳體分解形成絮狀石墨。
⑥擴散退火。用於使合金鑄件化學成分均勻，並改善其性能。方法是在不熔化的前提下，將鑄件加熱到盡可能高的溫度，並長時間保溫，待合金中各種元素擴散趨於均勻分佈後緩慢冷卻。
(7)消除應力退火。用於消除鑄鋼件、銲接件的內應力。對於鋼鐵製品，加熱到100～200℃以下的溫度後就開始形成奧氏體，保溫並在空氣中冷卻，可以消除內應力。
熱處理製程對照表
| 過程 | 加熱/浸泡 | 冷卻方式 | 主要效果/用途 | 缺點/風險 |
|---|---|---|---|---|
| 淬火 | 加熱至 Ac3 / Ac1 以上，保溫奧氏體化 | 快速冷卻（油、水、聚合物） | 產生馬氏體/高硬度，提高強度、耐磨性 | 內應力大、變形、脆性大 |
| 回火 | 將淬火鋼重新加熱至較低溫度，並保持 | 緩慢冷卻 | 緩解應力、提高韌性、穩定尺寸、調整硬度 | 過度回火會降低硬度 |
| 正火 | 加熱至臨界溫度+裕度以上，浸泡 | 空氣冷卻 | 細化晶粒、消除應力、平衡強度+延展性 | 冷卻受環境條件影響 |
| 退火 | 加熱至退火溫度，浸泡 | 緩慢的爐冷 | 軟化、緩解壓力、增強延展性、改善結構 | 耗時且吞吐量較慢 |
這些過程如何關聯和排序
淬火、回火、正火和退火這四種主要熱處理製程可以組合應用於不同的製程。最常見的工業流程是：
- 奧氏體化及淬火 （硬化）
- 脾氣 降低脆性
- 可選 歸一化 or 退火 在中間步驟
始終根據合金、零件幾何形狀和所需的性能平衡來調整順序。
- 當不需要完全硬化時，正火可以作為預處理或最終處理。
- 退火通常在成型之前或重型冷加工之後使用。
- 淬火可產生最硬的狀態，但必須透過回火來平衡以避免脆性。
- 馬氏體等溫淬火/奧氏體等溫淬火是減少變形的特殊方法－部分冷卻，然後在受控條件下完成轉變。
實際考慮與挑戰
- 失真控制 在淬火厚或複雜的零件時至關重要。
- 冷卻介質選擇 物質——油、水、聚合物或氣體——各自產生不同的速率和壓力。
- 合金元素 （C、Mo、Cr、Ni、V）影響淬硬性、相穩定性和回火行為。
- 尺寸、質量和截面厚度 影響冷卻梯度，進而影響微觀結構。
- 氣氛控制 （惰性氣體、真空）可防止氧化或脫碳。
必須使用測試樣片和微觀結構分析來驗證熱處理計劃，以確保一致性。
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結語
熱處理並非可有可無的步驟，而是確保金屬零件達到所需性能的關鍵環節。淬火提高硬度，回火平衡韌性，正火細化組織，退火軟化並穩定組織。每種工藝都有其獨特的作用和限制。在實際應用中，這些工藝需要精心組合，以避免開裂或變形，同時實現強度、延展性和穩定性之間的最佳平衡。
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