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鋼鐵熱處理的“四把火” 

鋼的熱處理工藝就是通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結構以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉變規律為制定正確的熱處理工藝提供了理論依據，其熱處理工藝參數的確定必須使具體工件滿足鋼的組織轉變規律，以獲得所需性能。

 根據加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）、表面熱處理（表面淬火和化學熱處理）及形變熱處理等。按照熱處理在零件整個生產工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又分為預備熱處理和最終熱處理。本文主要對普通熱處理進行知識整理。

一、鋼的加熱

1.   金屬加熱的物理過程

2.加熱方式與加熱介質

3.加熱的目的與要求

    熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點以上，目的是為了得到奧氏體組織。

二、鋼的退火與正火

 退火和正火是生產上應用很廣泛的預備熱處理工藝。大部門機器零件及工、膜具的毛坯經退火或正火后，不僅可以消除鑄件、鍛件及焊接件的內應力及成分和組織的不均勻性，而且也能改善和調整鋼的力學性能和工藝性能，為下道工序作好組織性能準備。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件，退火和正火亦可作為最終熱處理。對于鑄件，退火和正火通常就是最終熱處理。

2.1 鋼的退火

 退火是將鋼加熱至臨界點Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝。其主要目的是均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，調整硬度，消除內應力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火作好組織準備。

 退火的工藝種類很多，根據加熱溫度可分為在臨界溫度（AC1或AC3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均勻化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再結晶退火及去應力退火。各種退火方法的加熱溫度范圍如圖1所示。按照冷卻方式，退火可分為等溫退火和連續冷卻退火。

• 完全退火

 完全退火是將鋼件或鋼材加熱至AC3以上20～30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼（WC=0.3％～0.6％），其目的是細化晶粒，均勻組織，消除內應力，降低硬度和改善鋼的切削加工性。低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火、低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過共析鋼加熱至Accm以上奧氏體狀態緩冷退火時，有網狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌度顯著降低。

• 不完全退火

 不完全退火是將鋼加熱至AC1～AC3（亞共析鋼）或AC1～Accm（過共析鋼）之間，經保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。由于加熱至兩相區溫度，基本上不改變先共析鐵素體或滲碳體的形態及分布。如果亞共析鋼原始組織中的鐵素體已均勻細小，只是珠光體片間距小，硬度偏高，內應力較大，那么只要進行不完全退火即可達到降低硬度、消除內應力的目的。由于不完全退火的加熱溫度低，過程時間短，因此對于亞共析鋼的鍛件來說，若其鍛造工藝正常，鋼的原始組織分布合適，則可采用不完全退火代替完全退火。

 不完全退火用于過共析鋼主要為了獲得球狀珠光體組織，以消除內應力，降低強度，改善切削加工性能，故又稱球化退火。實際上球化退火是不完全退火的一種。

• 球化退火

 球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。主要用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度，均勻組織，改善切削加工性，并為淬火作組織準備。

 過共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當，還存在網狀滲碳體。不僅硬度高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時容易產生變形或開裂。因此，鍛后必須進行球化退火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質點，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火加熱溫度一般在AC1以上20～30℃不高的溫度下，保溫時間亦不能太長，一般以2～4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進行較長時間等溫。

• 均勻化退火

 均勻化退火又稱擴散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。為使各元素在奧氏體中充分擴散，均勻化退火加熱溫度很高，通常可按最大有效截面或裝爐量大小而定。一般均勻化退火時間為10～15h。

 由于均勻化退火需要在高溫下長時間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，需要再進行一次完全退火或正火，以細化晶粒、消除過熱缺陷。

• 去應力退火和再結晶退火

 為了消除鑄件、鍛件、焊接件及機械加工工件中的殘留內應力，以提高尺寸穩定性，防止工件變形和開裂，在精加工或淬火前將工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為去應力退火。

 鋼的去應力退火加熱溫度較寬，但不超過Ac1點，一般在500～650℃之間。鑄鐵件去應力退火溫度一般為500～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接鋼件的退火溫度一般為500～600℃。一些大的焊件構件，難以在加熱爐內進行去應力退火，常常采用火焰或工頻感應加熱局部退火，其退火加熱溫度一般高于爐內加熱。去應力退火保溫時間也要根據工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時間為3min/mm，鑄鐵的保溫時間為6min/mm。去應力退火后的冷卻應盡量緩慢，以免產生新的應力。

 再結晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當的時間，使變形晶粒重新轉變為均勻等軸晶粒，同時消除加工硬化和殘留內應力的熱處理工藝。經過再結晶退火，鋼的組織和性能恢復到冷變形前的狀態。

 再結晶退火既可作為鋼材或其他合金多道冷變形之間的中間退火，也可作為冷變形鋼材或其他合金成品的最終熱處理。再結晶退火溫度與金屬的化學成分和冷變形量有關。當鋼處于臨界冷變形度（6%～10%）時，應采用正火或完全退火來代替再結晶退火。一般鋼材再結晶退火溫度為650～700℃，保溫時間為1～3h，通常在空氣中冷卻。

2.2 鋼的正火

 正火是將鋼加熱或到Ac3（或ACcm）以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。對于亞共析鋼來說，正火與完全退火的加熱溫度相近，但正火的冷卻速度較快，轉變溫度較低，正火組織中鐵素體數量較少，珠光體組織較細，鋼的強度、硬度較高。

 正火過程的實質是完全奧氏體化加偽共析轉變。當鋼中碳含量Wc為0.6%～1.4%時，正火組織中不出現先共析相，只有偽共析體系或索氏體。碳含量Wc小于0.6%的鋼，正火后除了偽共析體外，還有少量鐵素體。

 正火處理的加熱溫度通常在Ac3或ACcm以上30～50℃，高于一般退火的溫度。對于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，可采用更高的加熱溫度，讓碳化物充分溶解。正火保溫時間和完全退火相同，應以工件燒透，即心部達到要求的加熱溫度為準，還應考慮鋼材成分、原始組織、裝爐量和加熱設備等因素。通常根據具體工件尺寸和經驗數據加以確定。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風、噴霧和調節鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達到要求的組織和性能。

正火工藝是較簡單、經濟的熱處理方法，主要應用于以下幾方面：

• 改善低碳鋼的切削加工性能

碳含量Wc＜0.25%的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時易于“粘刀”，通過正火處理，可以減少自由碳素體，獲得細片狀珠光體，使硬度提高至140～190HBW，可以改善鋼的切削加工性能。

• 消除中碳鋼的熱加工缺陷

中碳結構鋼鑄件、鍛、軋件以及焊接在熱加工后易出現魏氏組織、粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細化晶粒、均勻組織、消除內應力的目的。

• 消除過共析鋼的網狀碳化物，便于球化退火

過共析鋼在淬火之前要進行球化退火，以便于機械加工，并為淬火作好組織準備。但當過共析鋼中存在嚴重網狀碳化物時，將達不到良好的球化效果。通過正火處理可以消除網狀碳化物。為此，正火加熱時要保證碳化物全部溶入奧氏體中，要采用較快的冷卻速度抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析組織。

• 提高普通結構件的力學性能

一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼結構件采用正火處理，可獲得一定的綜合力學性能，可以代替調質處理，作為零件的最終熱處理。

2.3退火與正火的選擇

① 含碳量＜0.25％的低碳鋼，常采用正火代替退火

正火的冷卻速度比退火稍快，較快的冷卻速度可以防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，從而提高沖壓件的冷變形性能；用正火可以提高鋼的硬度，改善低碳鋼的切削加工性能；在沒有其它熱處理工序時，用正火可以細化晶粒，提高低碳鋼強度。 

② 含碳量在 0.25～0.5％之間的中碳鋼也可用正火代替退火

雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進行切削加工，而且正火成本低、生產率高

③ 含碳量在 0.5～0.75％之間的鋼一般采用完全退火

因含碳量較高，正火后的硬度顯著高于退火的情況，難以進行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。

④ 含碳量＞0.75％的高碳鋼或工具鋼，一般均采用球化退火作為預備熱處理，如有網狀二次滲碳體存在，則應先進行正火消除。

⑤ 正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適應于高合金鋼

⑥ 對于某些不太重要的工件，可在正火狀態使用，因為正火得到的索氏體組織具有較好的機械性能。

⑦ 在滿足性能的前提下，盡可能用正火代替退火（經濟性角度考慮）。

三、鋼的淬火與回火

 鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要、也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強度和硬度。為了消除淬火鋼的殘留內應力，得到不同強度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。淬、回火作為各種機器零件及工、模具的最終熱處理是賦于鋼件最終性能的關鍵性工序，也是鋼件熱處理強化的重要手段之一。

3.1 鋼的淬火

 是指將鋼加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上，保溫一定時間使之奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，使奧氏體轉變為馬氏體的熱處理工藝，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。

 對淬火工藝而言，首先必須將鋼加熱到臨界點（Ac3或Ac1）以上獲得奧氏體組織，其后的冷卻速度必須大于臨界淬火速度（Vc）,以得到全部馬氏體（含殘留奧氏體）組織。為此，必須注意選擇適當的淬火溫度和冷卻速度。由于不同鋼件過冷奧氏體穩定性不同，鋼淬火獲得馬氏體的能力各異。實際淬火時，工件截面各部分冷卻速度不同，只有冷卻速度大于臨界淬火速度的部位才能得到馬氏體，而工件心部則可能得到珠光體、貝氏體等非馬氏體組織。

（一） 淬火的方法

① 單介質淬火

其特點是工件經加熱后，置于一種介質中冷卻，如水淬、油淬，也就是直接淬火。

② 雙介質淬火

加熱好的工件先在較強冷卻能力的介質中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質中冷卻，如：先水淬后油淬。

③ 分級淬火

加熱好的工件先在較強冷卻能力的介質中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質中冷卻，如：先水淬后油淬。

④ 等溫淬火

工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在稍高于Ms溫度的貝氏體區下部，工件等溫停留較長時間，直到B轉變結束，取出空冷。

⑤ 預冷淬火法

將加熱好的工件，自爐中取出后在空氣中預冷一定時間，使工件溫度降低一些，再置于淬火介質中進行冷卻的一種淬火方法。

（二） 淬火工藝參數的確定

① 淬火加熱溫度

亞共析碳鋼在Ac3以上30℃～50℃加熱，是為了獲得晶粒細小的奧氏體，淬火后可獲得細小的M組織。

共析和過共析鋼在淬火加熱前已經球化退火，在Ac1 以上30℃～50℃不完全奧氏體化后，組織為（奧氏體和部分未溶的細粒狀滲碳體），淬火后組織為(馬氏體、部分未溶的細粒狀滲碳體、殘留的奧氏體)。由于滲碳體硬度高，因此它不但不會降低淬火鋼的硬度，而且還可以提高它的耐磨性；

② 淬火加熱保溫時間

淬火加熱保溫時間指的是工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度算起，直到出爐為止所需要的時間。它包括工件透熱時間和組織轉變所需要的時間。

保溫時間：按照工件的最大厚度或者條件厚度（二者統稱為計算厚度）來確定。

③ 淬火冷卻方式

冷卻是淬火的關鍵，冷卻的好壞直接決定了鋼淬火后的組織和性能。

冷卻介質應保證：工件得到馬氏體，同時變形小，不開裂。

工件進入淬火介質應采用的操作方法：

• 厚薄不均的工件，厚的部分應該先淬入；

• 細長工件一般應垂直淬入；

• 薄而平的工件應該側放立著淬入；

• 薄壁環狀零件應沿其軸線方向淬入；

• 有閉腔或盲孔的工件應該使腔口或孔向上淬入；

• 截面不對稱工件應以一定角度斜著淬入，以使其冷卻均勻。

（三） 鋼的冷處理

 鋼的冷處理可以看成是淬火的繼續，亦即將淬火后已經冷到室溫的工件繼續深冷至0℃以下，使淬火保留下來的殘余奧氏體繼續向馬氏體轉變，以達到減少或消除殘余奧氏體的目的。冷處理主要是針對一些高碳合金工具鋼和經滲碳或碳氮共滲的結構零件，為提高其硬度和耐磨性，或為保證尺寸穩定性才采用這一道工序。冷處理應在淬火后及時進行，否則會降低冷處理的效果。

 實踐表明，一般情況下，冷處理穩定達到－60℃～－80℃即可滿足要求。生產中常用的冷處理介質及達到的溫度見下表：

（四） 淬火介質

 鋼從奧氏體狀態冷至Ms點以下所用的冷卻介質叫做淬火介質。介質冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越容易超過鋼的臨界淬火速度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。但是冷卻速度過大將產生巨大的淬火應力，易于使工件產生變形或開裂。因此，理想的淬火曲線為：

650℃以上緩冷，以降低熱應力；

650～400℃快速冷卻，保證全部A不分解；

400℃以下緩冷，減少M轉變時的相變應力。

對淬火介質的要求：在500～600℃的中溫區具有冷卻快，而在低溫時具有冷卻慢。

常用淬火介質有水、鹽水或堿水溶液及各種礦物油等。各種介質的冷卻特性如表所示：

 上述幾種淬火介質各有優缺點，均不屬于理想的冷卻介質。水的冷卻能力很大，但冷卻特性不好；油冷卻性能較好，但其冷卻能力又低。因此，尋找冷卻能力介于油水之間，冷卻特性近于理想淬火介質的新型淬火介質是人們努力的目標。由于水是價廉、性能穩定的淬火介質，因此目前世界各國都在發展有機水溶液作為淬火介質。

（五） 鋼的淬透性

①  淬透性的基本概念

 淬透性是指鋼在淬火時獲得馬氏體的能力。其大小用鋼在一定條件下淬火所獲得的淬透層深度來表示。

淬透層的深度：規定為由工件表面至半馬氏體區的深度.同樣形狀和尺寸的工件，用不同的鋼材制造，在相同條件下淬火，淬透層較深的鋼，其淬透性較好。

 半馬氏體區的組織是由50%馬氏體和50%分解產物組成的。這樣規定是因為半馬氏體區的硬度變化顯著，同時組織變化明顯，并且在酸蝕的斷面上有明顯的分界線，很容易測試。

淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，鋼的臨界冷卻速度又取決于過冷奧氏體的穩定性。

淬透性：鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，主要取決于過冷奧氏體的穩定性

淬硬性：鋼淬火后形成的馬氏體組織所能達到的硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量

②  淬透性的實際意義

 鋼的淬透性是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據之一。工件在整體淬火條件下，從表面至中心是否淬透，對其機械性能有重要影響。對于不同用途的工件，由于其受力情況不同，對工件表面和心部的機械性能要求不同，因而要求選用不同淬透性的鋼種制造。

③  影響淬透性的因素

a. 含碳量

在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好；非共析鋼中，碳含量偏離共析成分越遠，淬透性越低。

b. 合金元素

除Co和大于2.5％Al以外，其余合金元素溶于奧氏體后，都使過冷奧氏體的轉變曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼的淬透性往往比碳鋼要好。

c. 奧氏體成分均勻性及晶粒度

奧氏體成分越均勻、晶粒度越大，過冷奧氏體的穩定性越好，因而降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。

d. 鋼中未溶第二相

鋼中未溶第二相會成為奧氏體分解的非自發形核核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。

e. 奧氏體化溫度

提高鋼材的奧氏體化溫度，將使奧氏體成分均勻、晶粒長大，因而可增大過冷奧氏體的穩定性，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。但奧氏體晶粒長大，生成的馬氏體也會比較粗大，會降低鋼材常溫下的力學性能。

④   淬火缺陷及其防止

 淬火時最容易產生的缺陷是變形和開裂，其次是氧化與脫碳、硬度不足和軟點等缺陷。

a．  淬火變形與開裂

在淬火過程所發生的鋼件體積、形狀、尺寸的變化通稱為淬火變形。當鋼件內的淬火應力超過材料的強度極限時便會導致開裂。引起這種現象的根本原因是淬火時在工件中引起的內應力。

當熱應力和組織應力的合力超過鋼的屈服強度時，工件就發生變形；當兩力的合力超過鋼的抗拉強度時，工件就發生開裂。

b．  氧化與脫碳

工件在空氣等氧化性氣氛中加熱時，表面會發生氧化現象；鋼表面氧化的同時一般都伴隨表面脫碳。 

防止工件氧化脫碳的有效措施

• 在保證組織轉變的前提下，加熱溫度應盡可能低，保溫時間應盡可能短；

• 采用脫氧良好的鹽浴爐、保護氣氛爐或真空爐加熱；

• 若采用空氣電爐或燃燒爐加熱時，必須采用適當保護措施，如包套、裝箱、控制爐氣等。

c．  過熱和過燒

工件在淬火加熱時，由于加熱溫度過高或時間過長造成A晶粒粗大的缺陷稱為過熱；若加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或發生晶界氧化稱為過燒。 過熱工件在淬火后得到粗大的馬氏體組織，易于引起淬火裂紋。因此，淬火過熱的工件強度降低，尤其是沖擊韌性、塑性顯著下降，易于產生脆性斷裂。輕微的過熱可用延長回火時間來補救，嚴重的過熱可采用完全退火或正火使晶粒細化。

 過燒使工件性能嚴重惡化，極易產生熱處理裂紋，所以過燒是不允許的熱處理缺陷，一旦出現過燒則無法補救，只好報廢。由于過熱和過燒都是加熱溫度過高引起的，因此預防的辦法是要制定正確的加熱溫度，并經常檢查儀表以保證儀表正常工作。 

d．  硬度不足與不均勻

 淬火鋼件硬度不均勻主要表現在鋼件表面硬度有明顯忽高忽低現象。這種缺陷可能是由了原始組織粗大且不均勻、冷卻不均勻等原因造成的。可以通過正火后重新淬火來消除。

3.2鋼的回火

 回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉變為穩定的回火組織，并以適當方式冷卻到室溫的工藝過程。回火的主要目的是減少或消除淬火應力，保證相應的組織轉變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當配合，以滿足各種用途工件的性能要求。決定工件回火后的組織和性能的最重要因素是回火溫度。根據工件的組織和性能要求，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火等幾種。

（一）   回火的種類

（二）  常用回火方式

（三）  回火時鋼的強度和塑性

·在回火溫度較低時，由于淬火應力的逐漸消除，鋼的強度有所升高，但當回火溫度高于250℃后，由于滲碳體的析出，鋼的強度逐漸降低。在整個回火過程中，鋼的塑性都是隨著回火溫度的升高而逐漸升高的。

·由于低溫回火時高碳鋼的脆性很大，拉伸試驗時發生早期脆斷，因此測不出強度值。總的規律一樣：鋼的強度隨著回火溫度升高而逐漸降低，鋼的塑性隨著回火溫度的升高而逐漸升高。

·彈性極限值在300～400℃之間出現峰值。高溫回火后的彈性極限值低是因為高溫回火后鋼的強度太低；而低溫回火后的彈性極限值低是由于內應力未得到充分消除。

因此，彈簧鋼一般在300～400℃回火。

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