黑色金属铸造厂的热处理

淬火、回火、正火、退火钢

热处理是保证铸钢件机械性能的重要一步。通过成型、浇注、落砂和清洁，铸件形成最终形状——但可能不够坚固或不够弹性，无法最终使用。通过以不同的速率加热和冷却金属，铸造厂可以改变其机械性能。

但是热量的应用如何改变金属的强度或柔韧性呢？

结晶和金属特性

当熔融金属冷却时，它会冻结成晶体结构。在显微镜下，这些结构看起来就像冬天在玻璃上形成的霜晶。每个结构都从一个中心点生长，直到它遇到另一个晶体结构。这些结构构成了金属的“颗粒”。

正如不同的冬季条件会产生多种类型的霜冻模式一样，不同的温度也会改变制造金属的晶体。它们产生的颗粒通常是看不见的，但在金属被酸蚀后就会显露出来。

合金中晶粒的形状和关系决定了它的机械性能。当金属被撞击时，圆形颗粒可以相互滑过，凹陷而不是保持坚固或破裂。扁平的颗粒可以像墙中的砖块一样堆叠在一起并相互支撑；比圆形颗粒强，但仍然有些移动。锯齿状，互锁的谷物可能根本没有任何让步。金属的热处理可以重塑其结晶，从而改变其晶粒，从而改变金属的性能。

加工硬化金属

一个铁匠在他的锻造厂敲打发光的金属板的形象，即使不再常见，也能立即辨认出来。然而，在人类历史的大部分时间里，铁匠都会机械地加工金属以使其更坚固。如今，钢通常不是由铁匠手工制作，而是通过轧制来机械硬化。

描绘晶粒结构解释了加工硬化的作用。金属内的圆形颗粒变形，它们的新形状赋予金属强度。例如，在冷轧中，圆形晶粒被挤压和拉伸，变得更像棒状。这些杆相互支撑，就像一捆棍子一样。铁匠或金属工可以锤击、扭曲、加热、冷却和拉伸物体以改变颗粒的形状。如果颗粒在撞击时无处可去，它们会形成一个不可移动的无弹性基体，从而增加金属硬度。

然而，这种硬度可能会带来成本：强度可能会使材料变脆。不规则形状的颗粒不容易相互滑过：它们被楔在一起。任何足够大的冲击——大于颗粒间结合强度的冲击——都会将它们分开。

热处理金属

铸造厂开始通过选择一种已知能产生这些特性的合金来创造钢的所需机械性能。然而，随着铸件的冷却，这种金属的结晶几乎无法控制。由于结晶会产生金属的机械性能，因此除非进一步处理，否则合金可能不会表现最佳。铸造厂可以通过以受控、有规律的方式加热和冷却金属来做到这一点。

热处理是一种改变材料性能的非破坏性方法。它有时是加工硬化金属的二次加工——但它是铸造厂的首选，因为铸件已经是正确的形状，无法加工。

结晶几乎总是从外表面开始并向内移动，并且——尤其是在大型铸件中——铸件的外壳和中心之间存在很大的温差。晶体不规则地生长，通常在表面附近更锋利且延展性较差。它们通常更圆，因此越往里越软。金属中的铸件形状和缺陷或夹杂物会影响冷却速度，导致金属中的区域具有不同的机械性能。这些差异会导致内部金属应变，从而导致金属疲劳或失效。热处理可以让铸造厂回到金属内部，重新排列构成金属的晶体。

浸泡

均热是构成所有热处理方法基础的过程。热处理依赖于低于其熔点的金属“再结晶”温度。在重结晶过程中，碳被解锁以扩散通过金属，根据热量、碳百分比和时间从一种分子形式移动到另一种分子形式。碳的这种运动改变了金属的结晶模式，因此具有不同的材料特性。铁碳相图显示了奥氏体、铁素体、珠光体和渗碳体晶粒在不同时间和温度下的加热过程。马氏体是淬火钢中的另一种晶粒组织，是由冷冲击奥氏体形成的。

因此，浸泡是将铸件带到再结晶点以上的过程。为热处理指定的浸泡“温度时间”允许金属中的晶体熔化和重整。查看铁碳相循环可以帮助铸造厂了解将铸件在一定温度下保持多长时间以允许碳的特定扩散。

在铁碳相循环的大部分（但不是全部）部分，浸泡铸造或加工过的金属会降低其硬度和脆性。随着金属中的颗粒更规律地生长，它们变得更圆，并且可以通过相互滑过而在撞击时重新排列。此外，由于物品始终达到相同的温度，因此晶体通常比新浇铸的铸件更均匀。

退火

退火从浸泡开始，然后通过非常缓慢地让钢在炉中冷却来继续。铸造工人关掉熔炉，让温度温和、可控地下降。在加热和冷却时，整个物体都具有热一致性，这意味着内部应力很少：不会出现具有不同结晶特性的金属“区域”。已经退火的金属通常具有很强的延展性，具有增加的延展性、抗拉强度和伸长率。由于冷却曲线非常缓慢，退火金属的晶粒尺寸通常很大。

标准化

对金属进行正火化意味着通过浸泡使其达到再结晶温度，然后将其从熔炉中拉出并在大气中冷却。退火金属的许多特性在正火金属中都很明显，但由于冷却的均匀性不完全相同，晶粒往往不太规则。尽管如此，与冷冻金属相比，温差要小得多，这意味着标准化的产品不易碎。

正火中发现的冷却速度在金属中产生比退火更小的晶粒，这意味着通常它会比退火金属更强或更硬。

淬火

如果需要非常高的硬度怎么办？在制造工具和机器零件时，软化金属可能会达不到目的。

热处理可以允许指定和一致的硬度。为了使钢具有硬度，铸造厂将钢浸泡到奥氏体成为主要分子，然后在较冷的油或强制空气中对其进行淬火。当奥氏体受到冷冲击时，它会产生一种略微不规则的晶体结构，称为马氏体。由于每个马氏体分子中的碳变形，这种材料更硬。

由于淬火是由外向内发生的，大型物体会受到快速结晶的压力，从而导致金属内部产生压力。如果淬火过于极端，这些力有时会导致开裂。出于这个原因，水淬对于大型钢铁物体来说并不常见，因为它会导致温度迅速下降，从而导致裂纹的形成。油和空气的冷却都稍微不那么剧烈。

然而，淬火硬化的不仅仅是钢。水淬用于铸造厂。非钢金属可能不会承受相同的内部压力，因为它们的相和分子结构会不同。锰在比钢高得多的温度下进行水淬，不会开裂。然而，温度差异如此之大，以至于任何淬火都会处理大量可能出错的能量！下面是锰钢铸件淬火过程中因残留砂芯引起的爆炸。 Reliance Foundry 的 Len Cranmore，现在是我们的销售经理，在这次爆炸中没有受伤，但不得不扑灭由过热的沙弹片引发的小火。

回火

找到合适的硬度和延展性混合物也可以通过称为回火的过程来实现。回火通常使用淬火钢进行，以使其不那么脆，同时保留一些硬度。在回火中，金属再次被重新加热，但现在温度低于退火、正火或淬火的温度。

马氏体在热中不是一种稳定的分子——它是在冲击下形成的——所以回火钢意味着使马氏体不稳定，使其开始转化为渗碳体和铁素体。回火炉中的温度范围和时间长度将影响马氏体转化的程度，从而影响金属的柔软程度。例如，与在较低温度下回火以保持硬度的工具相比，金属弹簧可以在较高温度下回火以增加弹性。

回火通常用于减轻淬火材料的内应力。经历过焊接或锻造等其他热应力的金属可以进行回火，以使内部的分子稍微放松一下。

热处理的变化

在铸造厂中，铸件通常进行均匀热处理。然而，有时物品可能会被不规则地热处理。回火钢剑通常经过不同程度的回火处理，使刀刃坚硬而剑芯保持弹性。弹簧有时会经过不同的热处理，以匹配其功能。

与大多数铸造厂一样，了解合金的化学成分意味着可以科学地指定时间、温度和公差。然而，随着时间的推移，铸造工人开始了解他们正在使用的金属。就像专业的厨师非常了解他们的原料，不需要食谱一样，专业的铸造工人会知道什么时候出了问题。一种需要很长时间才能发光或冷却过快的金属，可以在没有实验室设备帮助的情况下向有经验的人讲述分子故事。