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鋼的退火和正火

      退火和正火都是將鋼件加熱到適當溫度，保持一定時間，然后以較慢速度冷卻的熱處理工藝方法。兩者的不同之處主要在于退火一般為隨爐冷卻，正火是在空氣中冷卻。

      退火是將鋼件加熱到一定溫度，并保溫一定時間，然后進行緩慢冷卻的熱處理工藝。

（1）退火的目的

     退火的主要目的是：

① 降低硬度，改善工件的切削加工性能；  

② 消除殘余應力，防止工件的變形與開裂；  

③ 細化晶粒，改善組織，以提高鋼的力學性能，并為最終熱處理做好組織上的準備。

（2）退火的分類與應用

     根據鋼的化學成分和退火目的不同，退火常分為完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、再結晶退火和去應力退火等。

① 完全退火

     完全退火是將鋼件加熱到完全奧氏體化溫度（A_c3以上30~50℃）后，保溫一段時間，然后隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得接近平衡組織的熱處理工藝。   

      完全退火主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛件、熱軋型材和焊接結構件的熱處理，過共析鋼不宜采用，因為將過共析鋼件加熱到A_ccm以上溫度進行完全奧氏體化后，在隨后的緩冷過程中，會沿奧氏體晶界析出網狀的二次滲碳體，使鋼的強度和韌性降低。

② 等溫退火

    等溫退火是將鋼件加熱到A_c3（或A_c1）以上溫度，保溫一定時間后，以較快的速度冷卻到Ar1以下某一溫度并進行等溫，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w型組織，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。   

     等溫退火與完全退火的目的相同，但等溫退火可以通過控制等溫溫度，獲得所需組織和性能。等溫退火一般應用于奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼退火，與完全退火相比，等溫退火可以大大縮短退火時間，而且退火效果也比完全退火好得多。下圖為高速鋼完全退火與等溫退火工藝的比較，可以看出等溫退火時間明顯縮短。

③ 球化退火

     球化退火是將共析鋼或過共析鋼加熱到A_c1以上20～30℃，保溫一定時間后，隨爐緩冷至550℃以下出爐空冷，以獲得顆粒狀碳化物的熱處理工藝。   

      球化退火主要用于共析或過共析成分的碳鋼及合金鋼。因為這些鋼經熱軋、鍛造后，組織中常出現粗片狀的珠光體和二次滲碳體，使鋼的切削加工性能變差，且淬火時易發(fā)生變形和開裂。采用球化退火可使珠光體中的片狀滲碳體和網狀的二次滲碳體球化，變成顆粒狀的滲碳體。這種在鐵素體基體上均勻分布著顆粒狀滲碳體的組織，稱為球狀珠光體，如下圖所示。

     對于存在嚴重網狀二次滲碳體的鋼，可先進行一次正火處理，將滲碳體網顆粒化，再進行球化退火處理。

④ 均勻化退火

     均勻化退火又稱擴散退火，它是將鑄錠、鑄件或鍛坯加熱到固相線溫度以下100~200℃，保溫10~15h，然后緩慢冷卻，以獲得成分均勻組織的熱處理工藝。均勻化退火耗能多，成本高，主要用于優(yōu)質合金鋼的鑄錠、鑄件或鍛坯的熱處理，目的是使鋼中元素能進行充分擴散而達到均勻化。但均勻化退火后，鋼件的晶粒粗大，所以還要通過一次完全退火或正火來細化晶粒。

⑤ 去應力退火

     又稱低溫退火，它是將工件加熱到Ac1以下100～200℃ （一般為500～600℃），保溫一定時間，然后隨爐緩冷的熱處理工藝。由于加熱溫度低于A₁點，因此鋼在去應力退火過程中不發(fā)生相變。   

      去應力退火主要用于消除鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力，穩(wěn)定工件尺寸，減小變形，避免在隨后的機械加工或使用過程中因應力而引起工件的變形及開裂。

     正火是將鋼件加熱到A_c3（或A_ccm）點以上30～50℃，完全奧氏體化后，再在空氣中冷卻以獲得較細珠光體組織的熱處理工藝。當鋼的含碳量小于0.6%時，正火后的組織為鐵素體+索氏體；當鋼的含碳量大于0.6%時，正火后的組織為索氏體。

     正火與退火的主要區(qū)別是正火的冷卻速度稍快，得到的組織較細小，強度和硬度有所提高，操作簡便，生產周期較短。正火主要應用于以下幾個方面。

（1）改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性能

      正火后的組織為細珠光體，其硬度有所提高，從而減少切削加工中的“粘刀”現象，降低工件的表面粗糙度。

（2）消除網狀滲碳體

      對于過共析鋼或滲碳件表層中嚴重的網狀滲碳體，可以通過正火方法消除。

（3）作為中碳鋼零件的預先熱處理

      通過正火可以消除鋼中粗大的晶粒組織，消除內應力，為最終熱處理做好組織上的準備。

（4）作為普通結構件的最終熱處理

      對某些大型或較復雜的普通零件，當淬火有可能產生裂紋時，往往用正火代替淬火、回火作為這類零件的最終熱處理。  

     鋼的退火、正火加熱溫度范圍如下圖所示：

     熱處理工藝曲線如下圖所示：

鋼的淬火

      將鋼件加熱到A_c3或A_c1以上30～50℃，保溫一定的時間，然后以大于馬氏體臨界冷卻速度的冷速快速冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝，稱為淬火。

      淬火的主要目的是為了獲得馬氏體，并配合適當的回火工藝，以獲得零件所需力學性能，充分發(fā)揮鋼的潛力。淬火是目前強化鋼鐵材料最重要的熱處理工藝方法。

（1）淬火加熱溫度  

     鋼的化學成分是決定淬火加熱溫度的最主要因素，選擇淬火加熱溫度的原則是要獲得均勻細小的奧氏體組織。碳鋼的淬火加熱溫度可根據Fe-Fe3C相圖來選擇，如下圖所示。

      一般淬火加熱溫度選擇的范圍是：

亞共析鋼：T=A_c3+（30～50）℃

共析鋼、過共析鋼：T=A_c1+（30～50）℃   

     亞共析鋼一般加熱到Ac3以上進行完全奧氏體化，淬火后可得到均勻細小的馬氏體組織。如果亞共析鋼在A_c1～A_c3之間加熱，此時組織為鐵素體+奧氏體，淬火后的組織為鐵素體+馬氏體，由于鐵素體的存在，不僅降低了淬火后工件的硬度，而且回火后鋼的強度也較低，故一般不宜采用。如果淬火加熱溫度過高，將會出現粗大的奧氏體晶粒，淬火后會出現粗大的馬氏體組織，降低鋼的韌性，同時鋼的氧化脫碳現象嚴重，影響零件的表面質量。

      過共析鋼必須在A_c1～A_ccm之間進行加熱，進行不完全奧氏體化，使淬火后的組織中保留一定數量的細小彌散的碳化物顆粒，從而提高零件的硬度與耐磨性。如果加熱溫度高于Accm，淬火后會得到粗大的馬氏體組織和較多的殘余奧氏體，反而降低了零件的硬度和耐磨性，同時氧化脫碳嚴重，淬火應力增大，容易使零件產生變形和開裂。

（2）淬火加熱保溫時間

     淬火加熱保溫時間是指從爐溫指示儀表達到規(guī)定溫度至工件出爐之間的時間。保溫時間與工件形狀、尺寸、裝爐方式、裝爐量、加熱爐類型、爐溫和加熱介質等因素有關，一般用經驗公式確定。

t=αD

式中：t——加熱時間，min；

α——加熱系數，min/mm；

D——工件的有效厚度，mm。

      加熱系數的數據與工件有效厚度的計算可查閱有關資料。

（3）淬火介質

      工件進行快速冷卻時所用的介質稱為淬火介質。為保證工件淬火后得到馬氏體組織，避免淬火過程中零件的變形和開裂，必須正確選擇淬火冷卻介質。由C曲線可知，過冷奧氏體在不同溫度下的孕育期是不同的，淬火后要得到馬氏體組織，并不需要在整個冷卻過程都進行快速冷卻，只是需要在“鼻尖”附近快冷，在馬氏體轉變區(qū)域盡量緩慢冷卻。理想的淬火冷卻曲線應如下圖所示，由于過冷奧氏體在650℃以上比較穩(wěn)定，冷卻速度可慢些，以減小工件內外溫差引起的熱應力，防止零件變形；在650～500℃內（C曲線鼻尖附近），過冷奧氏體最不穩(wěn)定，應快速冷卻，淬火冷卻速度應大于V_K，使過冷奧氏體不發(fā)生分解；在300～200℃內，過冷奧氏體已進入馬氏體轉變區(qū)，應緩慢冷卻，以防止相變應力過大而使零件產生變形和開裂。

      但是到目前為止，符合這一特性要求的理想淬火冷卻介質還沒有找到。目前生產中常用的淬火冷卻介質有水及水溶液、油、堿浴、鹽浴等。

① 水及水溶液  

     水在650～500℃內需要快冷時，冷卻速度相對較??；而在300～200℃內需要慢冷時，其冷卻速度又相對較大，容易引起零件的變形和開裂。但因水價廉安全，故常用于形狀簡單、截面較小的碳鋼工件的淬火。水溫對冷卻能力影響較大，隨著水溫的升高，水的冷卻能力降低，故使用時應避免水溫過高。為提高水在650～500℃內的冷卻能力，常在水中加入5%～10%的鹽（或堿）制成鹽（或堿）的水溶液。鹽水淬火件容易出現銹蝕現象，淬火后必須清洗干凈，鹽水主要用于形狀簡單、截面尺寸較大的碳鋼工件的淬火；堿水溶液對工件、設備及操作者腐蝕性大，主要用于易產生淬火裂紋工件的淬火。

② 油   

     常用的淬火油有機械油、變壓器油、柴油、植物油等。油在300～200℃內的冷卻速度比水小，有利于減小工件的變形和開裂，但油在650～500℃內冷卻速度也比水小，因此一般用于合金鋼工件的淬火，使用時的油溫應低于閃點60℃以上，以避免淬火過程中油槽著火。   

      為了減小零件淬火時的變形，也可采用硝鹽浴或堿浴作為淬火冷卻介質，它們的冷卻能力介于水和油之間。

      由于沒有理想的淬火介質，在生產中為了保證淬火質量，須根據淬火件的具體情況采用不同的淬火方法，以獲得理想的淬火效果。生產中常用的淬火方法如下。

（1）單介質淬火

     將奧氏體化的工件投入一種淬火冷卻介質中，一直冷卻到室溫的淬火方法，稱為單介質淬火，如上圖中曲線1所示。例如，一般碳鋼在水或水溶液中淬火、合金鋼在油中淬火等均屬單介質淬火。

（2）雙介質淬火

     先把奧氏體化的工件投入冷卻能力較強的介質中，待零件冷卻到稍高于Ms 的溫度時，再立即投入到另一冷卻能力較弱的介質中，使之發(fā)生馬氏體轉變的淬火工藝，稱為雙介質淬火，如曲線2所示。如生產中高碳鋼淬火時用的水-油淬火、合金鋼淬火時用的油-空氣淬火等。雙介質淬火能有效防止淬火變形和裂紋，但要求操作工人具有較高的技術水平。

（3）分級淬火

      把奧氏體化后的工件投入溫度稍高于或稍低于Ms 的鹽浴或堿浴中，保持適當時間，待工件內外層都達到介質溫度后取出空冷，以獲得馬氏體組織的淬火方法稱為分級淬火，如曲線3所示。分級淬火比雙介質淬火容易控制，能有效減小工件的熱應力和相變應力，減少淬火件的變形和開裂。分級淬火主要適用于截面尺寸較小、形狀較復雜工件的淬火處理。

（4）等溫淬火

     把奧氏體化后的工件投入溫度稍高于Ms的鹽浴或堿浴中，保溫一定時間，使其發(fā)生下貝氏體轉變的熱處理工藝，稱為等溫淬火，如曲線4所示。等溫淬火時淬火應力及變形較小，工件具有較高的綜合力學性能，但生產周期長，效率低。因此等溫淬火主要用于要求變形小、韌性高的小型復雜零件的熱處理。

（1）淬透性的概念

      鋼的淬透性是指鋼在淬火時獲得淬硬層深度的能力。它是鋼本身固有的屬性。其大小通常用規(guī)定條件下淬硬層的深度來表示。淬硬層越深，表明其淬透性越好，一般規(guī)定由工件表面到半馬氏體區(qū)（即馬氏體和珠光體型組織各占50%的區(qū)域）的深度作為淬硬層深度。淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。所謂淬硬性是指鋼在淬火后所能達到最高硬度的能力。淬硬性主要取決于馬氏體的含碳量，合金元素對淬硬性沒有顯著影響，但對鋼的淬透性卻有很大影響，因此，淬透性好的鋼，其淬硬性不一定高。

（2）淬透性的應用

     鋼的淬透性是產品設計人員和熱處理工藝人員合理選材及制訂熱處理工藝時的主要依據。如果鋼的淬透性較高，工件能被淬透，回火后在工件的整個截面上的力學性能均勻一致；如果鋼的淬透性較低，則工件不容易被淬透，回火后工件表層和心部的組織及性能存在較大差異，特別是心部的屈服點和韌性顯著降低。在機械制造中許多大截面工件和在變動載荷下工作的重要零件，常要求零件表面和心部的力學性能一致，故應選用淬透性好的鋼制作；對于承受彎曲、扭轉應力的零件（如軸類）以及表面要求耐磨并承受一定沖擊載荷的模具（如冷鍛模），因應力主要集中在工件表層，心部應力較小，可選用淬透性較低的鋼；焊接件一般選用淬透性較低的鋼，否則容易在焊縫及熱影響區(qū)出現淬火組織，導致焊接件的變形和開裂。

（3）影響淬透性的因素

     鋼的淬透性與馬氏體臨界冷卻速度有關，過冷奧氏體的穩(wěn)定性越高，臨界冷卻速度越小，鋼的淬透性越好，因此，凡是影響過冷奧氏體穩(wěn)定性的因素都會影響到鋼的淬透性。

      在熱處理生產中，常用臨界淬透直徑（Dc）來衡量鋼的淬透性。臨界淬透直徑是指工件在某種介質中淬火后，心部得到全部馬氏體或半馬氏體組織時的**直徑（Dc）。直徑越大，鋼的淬透性越好。下表為幾種常用鋼的臨界淬透直徑。

      鋼的淬透性與具體淬火條件下實際工件的淬硬層深度是有區(qū)別的。淬透性是鋼本身固有的屬性，在相同的奧氏體化條件下，同一種鋼的淬透性是相同的，但它的淬硬層深度會由于工件的形狀、尺寸和冷卻介質的變化而不同。例如同一種鋼在相同的奧氏體化條件下，水淬要比油淬的淬硬層深度大；小件要比大件的淬硬層深度大。但不能認為，同一種鋼水淬要比油淬的淬透性好，小件要比大件的淬透性好。所以，只有在其他條件都相同的情況下，才可按淬硬深度來判定鋼的淬透性高低。

鋼的回火

      將淬火后的工件重新加熱到A₁以下某一溫度，保溫一定時間，然后冷卻到室溫的熱處理工藝，稱為回火。淬火后的鋼件不宜直接使用，必須進行回火處理，回火決定了鋼的組織和性能，是重要的熱處理工序。

（1）獲得工件所需力學性能

     工件經淬火后，硬度高，塑性和韌性較低。為了滿足各種零件不同的性能要求，可通過適當回火來改變淬火組織，調整零件硬度，降低脆性，以獲得工件所需要的力學性能。

（2）穩(wěn)定工件尺寸

     工件淬火后獲得的馬氏體和殘余奧氏體都是不穩(wěn)定的組織，在使用過程中會自發(fā)分解，從而引起工件尺寸和形狀的改變。通過回火可以使淬火組織轉變?yōu)榉€(wěn)定組織，從而保證工件在以后的使用過程中不再發(fā)生尺寸和形狀的改變。

（3）減小或消除淬火內應力

     工件淬火后存在著很大的內應力，如不及時進行回火消除，往往會使工件發(fā)生變形甚至開裂。

       淬火馬氏體與殘余奧氏體都是亞穩(wěn)相，從室溫到A₁進行回火時將分解成鐵素體和碳化物。根據回火溫度的不同，淬火組織將發(fā)生以下轉變。

（1）馬氏體的分解（≤200℃）

     在80℃以下回火時，淬火鋼中沒有明顯的組織轉變，只發(fā)生馬氏體中碳原子的偏聚。在80～200℃內回火時馬氏體開始分解，馬氏體中的碳原子以ε碳化物（化學式為Fe_2.4C）的形式析出，從而降低了馬氏體中碳的過飽和度，其正方度也隨之減小。由于回火溫度較低，從馬氏體中僅析出了一部分過飽和的碳原子，故這一階段的馬氏體仍是碳在α-Fe中的過飽和固溶體。析出的ε碳化物極為細小并彌散分布在過飽和α固溶體的相界面上，與α固溶體保持著共格（即兩相界面上的原子，恰好是兩相晶格的共用結點原子）關系。   

       這一階段的回火組織是由過飽和度較低的α固溶體和ε碳化物組成的，這種組織稱為回火馬氏體，高碳鋼的回火馬氏體組織如下圖所示。由于該組織中ε碳化物極為細小彌散度極高，所以在小于200℃回火時，鋼的硬度并不降低，但由于ε碳化物的析出，晶格畸變程度降低，使淬火應力有所減小，故鋼的塑性、韌性有所提高。

（2）殘余奧氏體的分解（200～300℃）   

     殘余奧氏體本質上與過冷奧氏體相同，因此在相同的溫度條件下，殘余奧氏體的回火轉變產物與過冷奧氏體的轉變產物相同，即在不同溫度下可轉變?yōu)轳R氏體、貝氏體和珠光體組織。   

     當鋼的回火溫度在200～300℃時，馬氏體繼續(xù)分解，殘余奧氏體開始轉變?yōu)橄仑愂象w組織（200～300℃屬下貝氏體相變區(qū)）。在此溫度范圍內回火時，淬火應力進一步減小，硬度沒有明顯下降。

（3）碳化物的轉變（250~450℃）  

        250℃以上回火時，因碳原子擴散能力的增加，ε碳化物將逐漸轉變?yōu)榉€(wěn)定的滲碳體組織，到450℃時全部轉變?yōu)楦叨葟浬⒎植嫉臐B碳體。由于碳原子的不斷析出，α固溶體中的含碳量已降到平衡含量而成為鐵素體，但其形態(tài)仍為針狀。這種由針狀鐵素體和高度彌散分布的滲碳體組成的組織，稱為回火托氏體，45鋼的回火托氏體組織如下圖所示。這時鋼的硬度降低，韌性、塑性進一步提高，淬火應力基本消除。

（4）滲碳體的聚集長大和鐵素體的再結晶（450～700℃）   

     450℃以上，高度彌散分布的滲碳體逐漸球化成細粒狀的滲碳體，并隨著溫度的升高，滲碳體顆粒逐漸長大。在滲碳體球化、長大的同時，鐵素體在500～600℃開始再結晶，由板條狀或針狀轉變?yōu)槎噙呅尉Я！?

      這種在多邊形鐵素體基體上分布著顆粒狀滲碳體的組織稱為回火索氏體，45鋼的回火索氏體組織如下圖所示。

      如果將溫度進一步提高到650℃～A₁進行回火，粒狀滲碳體將進一步粗化，形成由多邊形鐵素體和較大顆粒狀滲碳體組成的組織，這種組織稱為回火珠光體。  

      由以上分析可知，淬火鋼在回火時的組織轉變是在不同溫度范圍內進行的，即使在同一回火溫度，也有可能進行幾種不同形式的轉變。淬火鋼回火后的性能取決于組織的變化，隨著組織的不同，鋼的力學性能也發(fā)生相應的變化。其一般規(guī)律是：隨著回火溫度的升高，強度、硬度下降，塑性、韌性上升，溫度越高，其變化越明顯。中碳鋼回火溫度與力學性能的關系如下圖表示。

      決定鋼組織和性能的主要因素是回火溫度。根據回火溫度和組織的不同，可將回火分為以下三種。

（1）低溫回火（150～250℃）

       低溫回火得到的組織為回火馬氏體。低溫回火的目的是在保持淬火鋼高硬度和高耐磨性的前提下，降低淬火內應力和脆性，提高塑性和韌性。低溫回火主要用于高碳鋼和合金鋼制作的切削刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承、滲碳件以及表面淬火零件等的處理，回火后的硬度一般為58～64HRC。

（2）中溫回火（350～500℃）

      中溫回火得到的組織為回火托氏體。中溫回火的目的是獲得高的屈服強度、彈性極限和較高的韌性。中溫回火主要用于各種彈性元件和熱作模具的處理，回火后硬度一般為35～50HRC。

（3）高溫回火（500～650℃）

     高溫回火得到的組織為回火索氏體。高溫回火的目的是要獲得強度、硬度、塑性和韌性具有良好配合的綜合力學性能。習慣上，將淬火與高溫回火相結合的熱處理工藝稱為“調質處理”。它廣泛應用于汽車、拖拉機、機床制造中的重要結構件（如連桿、螺柱、齒輪及傳動軸等）的熱處理?；鼗鸷蟮挠捕纫话銥?00～330HBW。

      實際上，鋼經正火和調質處理后的硬度值很相近，但生產中的重要結構件 一般都采用調質處理而不采用正火處理，這是因為調質處理后的組織為回火索氏體，其中滲碳體呈粒狀分布，而正火處理后得到的索氏體中滲碳體呈層片狀。因此，鋼經調質處理后不僅強度較高，而且塑性與韌性也明顯超過了正火狀態(tài)。   

     調質處理在生產中可以作為最終熱處理工序，也可以作為表面淬火和化學熱處理的預先熱處理工序。調質后鋼的硬度不高，因此便于切削加工并能獲得較低的表面粗糙度值。   

      除了以上三種常用的回火方法外，某些高合金鋼還在A₁以下20～40℃進行高溫軟化回火處理，其目的是獲得回火珠光體，以代替球化退火。  

      為了保證回火時組織轉變的充分進行，在回火溫度下要保持一定的時間，確保工件能夠穿透加熱?；鼗鸨貢r間與工件材料、回火溫度、工件的有效厚度、裝爐量及加熱方式有關，一般為1～3h。回火后的冷卻方式對碳鋼件的性能影響不大，但為防止在冷卻過程中產生新的應力，一般回火后在空氣中緩慢冷卻。