热处理工艺

3.3.1 钢的退火与正火

机械零件经过铸造、锻压、焊接等工艺后，会存在内应力、组织粗大、不均匀、偏析等缺陷。但经过适当的退火或正火处理，上述缺陷可以得到改善。因此，退火和正火常被用做预先热处理，以便为后面的加工或热处理做好准备。若对工件性能没有其他要求，例如一些箱体、焊接容器等，退火或正火就可作为最终热处理工艺。

1.退火

退火是将工件加热到一定温度并保温，然后再缓慢冷却的一种热处理工艺。根据不同的目的，应采用不同的退火方法。常用的退火方法有普通退火、球化退火、再结晶退火、低温退火和扩散退火等。

（1）普通退火（完全退火）。普通退火主要用于亚共析钢，目的是细化晶粒、均匀组织、降低硬度、消除内应力，方法是先将钢加热到Ac3以上30℃～50℃，保温一定时间，得到成分均匀晶粒细小的奥氏体，然后随炉或在石灰、沙子中缓慢冷却到室温，也可以在退火温度缓冷到500℃～600℃时，将钢取出空冷。退火后得到接近平衡的组织，即铁素体+珠光体。普通退火不能用于过共析钢，因缓冷时会沿晶界析出网状渗碳体，显著降低钢的塑性和韧度。

（2）球化退火（不完全退火）。球化退火主要用于共析钢与过共析钢，目的是消除内应力、降低硬度、提高韧度，使珠光体中的渗碳体球化，以便于切削加工，也使以后热处理加热时易于奥氏体化。方法是将钢加热到Ac1以上20℃～30℃，保温一定时间后，缓慢冷却到室温。

亚共析钢不能采用这种退火方法。因为这种方法退火温度略高于Ac1，钢中只有珠光体组织通过重结晶得到改善，而铁素体得不到改善。不完全退火用于过共析钢，当加热到稍高于Ac1的温度时，其组织为细晶粒奥氏体+未溶渗碳体。在保温过程中，未溶渗碳体聚集成小颗粒状，在随后缓冷或等温过程中，这些小颗粒状渗碳体成为结晶核心，通过碳原子的扩散，得到颗粒状渗碳体+铁素体，称为球化珠光体。它的硬度低，可切削性好，淬火时不易变形和开裂，是制造刃具、模具、量具过程中不可缺少的预先热处理工序。

（3）再结晶退火。再结晶退火的目的是消除加工硬化，恢复塑性，主要用于经冷塑性加工如冷轧、冷冲、冷拔而发生加工硬化的钢件，其工艺是将冷塑性加工后的钢件加热到再结晶温度以上（一般为650℃～700℃），保温后缓慢冷却。

（4）低温退火（去应力退火）。低温退火主要用于消除铸件、焊件中的内应力，稳定零件尺寸。其工艺是将零件毛坯缓慢加热到500℃～650℃，经一定时间保温，然后缓慢冷却至室温或缓冷到300℃～200℃后取出空冷。

由于加热温度不超过Ac1，所以，钢中组织不发生相变，而内应力却在加热和冷却过程中消除。

（5）均匀化退火（扩散退火）。均匀化退火的目的是消除钢的偏析，提高钢的质量，主要用于合金钢铸件，其工艺是将钢加热到1 050℃～1 150℃，保温10h～20h，然后缓慢冷却。

2.正火

正火是将钢件加热到Ac3或Accm以上30℃～50℃，保温一定时间后，从炉中取出在空气中冷却，从而得到索氏体组织。

正火和普通退火属于同一类型的热处理工艺，都是将钢加热到奥氏体状态。所不同的是正火在空气中冷却，而退火是随炉冷却。由于在空气中冷却速度比随炉冷却快，冷却曲线将穿过C曲线的索氏体转变区域。亚共析钢正火后得到索氏体+铁素体组织，其中，铁素体量较少；过共析钢可得到索氏体组织，并且消除了网状渗碳体。根据转变的组织可知，正火钢的强度和硬度比退火钢的高。

正火操作简单，生产周期短，可提高钢的力学性能，在生产中得到广泛应用，主要用于以下几方面。

（1）作为对力学性能要求不高零件的最终热处理。

（2）改善低碳钢的可切削性。低碳钢硬度低、韧度高，切削时不易断屑，容易产生“黏刀”，表面粗糙。正火后硬度增加，韧度下降，切削时易于断屑，工件表面粗糙度值降低。

（3）作为中碳钢的预备热处理。中碳钢正火后，组织均匀，晶粒细小，可改善切削性能，减小淬火时的变形、开裂倾向。用普通退火虽然也能达到这种目的，但效率低。

退火和正火工艺的加热温度范围与工艺曲线如图3－8所示。

图3－8 各种退火和正火的工艺示意图

3.3.2 钢的淬火与回火

1.淬火

（1）淬火工艺。淬火工艺是将工件加热到相变温度以上，保温后进行迅速冷却。冷却速度应不低于钢的临界冷却速度，以使奥氏体在冷却过程中不发生分解，而到MS以下转变为马氏体。其主要目的是获得均匀细小的马氏体组织，再经过随后的回火处理，提高钢的力学性能。它是最常用的一种热处理，是决定产品质量的关键。操作时必须正确地确定加热温度、保温时间，选择加热和冷却介质。

①淬火的加热。为了在淬火后能获得细而均匀的马氏体，必须在加热时得到细而均匀的奥氏体。如加热温度过高，就会形成粗大的奥氏体晶粒。这样，在淬火后就会得到脆性很大的粗针状马氏体组织，而且，在淬火时由于工件内外温差较大，还会产生很大的内应力，引起工件变形或开裂。如加热温度不够，工件就不能淬硬。碳钢的淬火加热温度主要根据钢的临界点来确定，如图3－9所示。

图3－9 碳钢淬火的加热温度范围

亚共析钢的加热温度一般为Ac3+（30～50）℃，淬火后获得均匀的马氏体。如加热温度低于Ac3，则淬火后获得的组织中将出现铁素体，使硬度不足。过共析钢的加热温度一般为Ac1+（30～50）℃，淬火后获得马氏体和颗粒状的二次渗碳体。这种渗碳体会增加钢的耐磨性。若加热到Accm以上温度不仅会得粗大马氏体，脆性极大，而且，二次渗碳体会全部溶解，使奥氏体含碳量过高而增加了钢中的残余奥氏体量，使钢的硬度降低。

②加热介质和保温时间。淬火加热通常在电炉、燃料炉、盐浴炉和铅浴炉中进行。工件在浴炉中加热，与工件接触的介质是溶盐或溶铅，表面氧化、脱碳较少，淬火后质量较高。工件在电炉或燃料炉中加热，与工件接触的介质是空气或燃气，表面氧化、脱碳较严重，但操作方便，电炉的温度易于控制，适于大件热处理。

保温时间也是影响淬火质量的因素，如保温时间太短，则奥氏体成分不均匀，甚至工件心部未热透，淬火后出现软点或淬不硬。如保温时间太长，则将助长氧化、脱碳和晶粒粗化。

保温时间的长短与加热介质、钢的成分、工件尺寸和形状、装炉量等有关。常用的计算工件装炉后达到淬火温度所需时间的方法是用每毫米厚度的加热时间乘上工件的有效厚度。有效厚度的加热时间如下。

在箱式炉中，碳钢：1min／mm～1.3min／mm；合金钢：1.5min／mm～2min／mm。

在盐浴炉中，碳钢：0.4min／mm～0.5min／mm；合金钢：0.5min／mm～1min／mm。

③常用的淬火冷却介质。常用的淬火介质是水和油，水在高温区冷却能力强，在300℃～200℃区间冷却能力仍很强，因而造成较大的内应力，引起工件变形和开裂。目前，广泛采用盐水作为淬火介质，即在水中加入10％的NaCl。油的冷却能力比水弱，主要用于形状复杂的中小型合金钢零件的淬火。

（2）淬火方法

①单液淬火法。将加热到奥氏体化的钢，直接浸入水或油中，一直冷却到室温后取出，称为单液淬火法，如图3－10（a）所示。这种淬火方法操作简单，易于掌握。其缺点是对形状复杂的零件容易造成变形和开裂，只适用于形状简单的零件。

②双液淬火法。为了防止形状复杂的零件在低温范围内马氏体转变时发生裂纹，可先在水中将钢件冷却到400℃～300℃，然后，再浸入油中继续冷却，如图3－10（b）所示，这种方法是利用水在C曲线鼻尖附近冷却能力大和油在300℃以下冷却能力小的特点。它既可保证奥氏体不会分解为珠光体，又可使在马氏体转变期间应力减小，从而防止了零件的开裂，但这种方法要求操作人员有较高的操作技能。

③分级淬火法。将加热到奥氏体化的钢，浸入温度在MS点附近的硝盐浴或碱浴中，保持一段时间，使工件的内外温度达到均匀状态，然后取出放在空气中冷却，使之发生马氏体转变，如图3－10（c）所示。这种方法可大大减小组织应力、变形和开裂。但由于热浴的冷却能力比水和油都小，故只适用于截面较小且形状复杂的零件。

④等温淬火法。等温淬火法与分级淬火法类似，只是在MS点以上等温的时间更长一点，使过冷奥氏体等温转变为下贝氏体组织，然后取出空冷，如图3－10（d）所示。这种方法获得的下贝氏体组织除具有较高的硬度外，还具有较高的韧度，通常不再进行回火。其缺点是等温时间长，生产率低，适用于截面较小、形状复杂的零件。

图3－10 淬火冷却方法示意图

⑤冷处理。把淬火后冷却到室温的钢继续冷却到零下温度，如－70℃～－80℃，称为冷处理工艺。冷处理可使过冷奥氏体向马氏体的转变更加完全，减少残余奥氏体的数量，从而更加提高钢的硬度和耐磨性，并使尺寸稳定。冷处理的实质是淬火钢在零下温度的淬火，适用于Mf温度位于0℃以下的高碳钢和合金钢。

（3）钢的淬透性。钢的淬透性就是指钢在淬火后得到淬硬层深度的能力。所谓淬硬层深度，一般指由钢的表面到有50％马氏体组织处的深度。

淬火时，同一工件表面和心部的冷却速度是不相同的。表面冷却速度最大，愈到中心冷却速度愈小。表面的冷却速度大于vK获得马氏体组织，而心部则为非马氏体组织，这时工件未淬透。如工件截面较小，则它的表面和中心均获得马氏体组织，这时工件已淬透。

钢的淬透性，主要取决于其化学成分。除钴以外，所有溶入奥氏体中的合金元素都能提高钢的淬透性，如锰、铬、镍、钛、硅等，而硼的作用最大。绝大多数合金元素都能使C曲线向右移动，因而，使临界冷却速度vK减小。在截面尺寸和冷却速度相同的条件下，合金钢零件的淬硬层较深，淬透性较好。

如果钢的化学成分和截面尺寸相同，而在不同介质中冷却，则由于不同介质的冷却能力不同，导致零件的冷却速度不同，所以，其淬硬层深度也就不同。

如果钢的化学成分和冷却介质相同，则零件的截面尺寸愈大，其内部的热容量愈大，淬火时实际冷却速度就愈小，所得到的淬硬层深度也就愈小，甚至得不到淬硬层。

在机械设计中，钢材的淬透性极为重要。如用两种淬透性不同的钢材制成直径相同的轴类零件，经淬火和高温回火处理，则淬透性高的零件，其力学性能沿截面是均匀分布的。而淬透性低的零件，其心部的力学性能则较低。这种现象对大截面的零件更为突出。

在各种机器中，许多大截面并在动载荷下工作的零件，如锻模、连杆、拉力螺栓等，其整个截面上都要求具有高的力学性能，所以，应选用淬透性高的钢材。对于要求表面耐磨，工作时能承受冲击的零件，如冷冲模具，应选用淬透性较低的钢材，否则，会因整个截面淬透而太脆，以致不能使用。

在铸、锻、焊等热加工过程中，钢材的淬透性也是必须考虑的。如高淬透性的钢铸件，在浇注时铸模需预热，否则，不仅易产生裂纹，而且，会因这种铸件的硬度过高，不易进行切削加工。对高淬透性的锻、焊件，必须控制其冷却速度，如埋入砂中冷却，否则，也易产生裂纹和硬度过高而使切削加工困难。

需要指出，不要把钢的淬透性和淬硬性混淆起来。淬硬性是指正常淬火后马氏体获得的硬度的高低，它与钢中的含碳量有关。钢中含碳量愈高，淬硬性就愈好。

2.回火

将淬火后获得马氏体组织的钢重新加热到Ac1以下的某一温度，经保温后缓慢冷到室温。这一热处理过程称为回火。

淬火钢不经过回火一般不能直接使用。因为淬火钢的组织是由淬火马氏体和残余奥氏体组成的，所以，它们是不稳定组织。马氏体又极脆，而且淬火工件中存在很大内应力，如不及时回火，就会使工件发生变形、开裂。此外，通过淬火和回火相配合，可以调整和改善钢的性能，以满足各种工件的不同性能要求。

（1）淬火钢的回火转变。以共析钢为例，淬火后钢的组织由马氏体和残余奥氏体组成，随回火温度的升高，淬火钢的组织发生以下几个阶段的变化。

①马氏体的分解。淬火马氏体是含碳量过饱和的α固溶体，其晶格处于强烈的扭曲状态，是极不稳定的结晶组织。在室温下保持较长时间，或加热到100℃～200℃范围内，淬火马氏体就分解出极细碳化物，使淬火马氏体中的含碳量降低，但仍为过饱和α固溶体。这个阶段形成的结晶组织是由粒状极细的碳化物与针叶状过饱和α固溶体组成的，这种组织称为回火马氏体。

②残余奥氏体的分解。加热温度继续升高到200℃～300℃，残余奥氏体转变的产物与过冷奥氏体转变的产物相同，均为下贝氏体。α固溶体中含碳量仍会有0.15％～0.2％。

③回火托氏体的形成。加热温度继续升高，碳从过饱和α固溶体内继续析出，极细碳化物逐渐转变为Fe3C。此过程直到400℃时才结束，钢的组织即由铁素体和细粒状渗碳体组成，称为回火托氏体。

④渗碳体的聚集长大和α相再结晶。温度超过400℃，铁素体晶体结构发生回复与再结晶。回火温度愈高，粒状渗碳体愈粗，钢的强度、硬度愈低，而韧度愈高。

（2）回火转变产物的组织与性能。淬火钢回火后的组织有如下几种。

①回火马氏体。在250℃以下低温回火，可获得保持原有马氏体形态的过饱和α固溶体和极细碳化物构成的组织，称为回火马氏体。它具有高的硬度和耐磨性，而塑性较差、韧度较低。

②回火托氏体。在350℃～500℃范围内回火，碳原子几乎完全从马氏体晶格中析出，使组织成为铁素体和细颗粒状渗碳体的机械混合物，称为回火托氏体。它具有高的屈服极限和弹性。

③回火索氏体。在500℃～650℃范围内回火，由于温度高，原子扩散能力增大，使渗碳体颗粒也增大，成为铁素体和较粗大粒状渗碳体的机械混合物，称为回火索氏体。它具有较高的综合力学性能。

40钢力学性能与回火温度的关系如图3－11所示。

图3－11 40钢力学性能与回火温度的关系

（3）回火的分类和应用。根据回火温度的不同，钢的回火可分为以下三类。

①低温回火（150℃～250℃）。低温回火的硬度可达56～65HRC，常用于要求高硬度及耐磨的各类高碳钢的工具、模具、滚动轴承及其他渗碳淬火和表面淬火的零件。

②中温回火（350℃～500℃）。中温回火的硬度为40～50HRC，常用于要求强度较高的零件，如轴套、刀杆以及各种弹簧等。

③高温回火（500℃～650℃）。高温回火的硬度为25～40HRC，具有适当的强度与高塑性、韧度的综合力学性能。所以，淬火后的高温回火亦称调质处理，常用于受力复杂的重要零件，如连杆、轴类、齿轮、螺栓等。