熱處理工藝分類

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

 

整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，獲得需要的金相組織，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝，即熱處理的“四把火”。

 

淬火

 

淬火工藝

 

鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3（亞共析鋼）或Ac1（過共析鋼）以上溫度，保溫一段時間，使之全部或部分奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度快冷到Ms以下（或Ms附近等溫）進行馬氏體（或貝氏體）轉變的熱處理工藝。

 

工藝過程：加熱、保溫、冷卻。

 

淬火的實質：是過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變，得到馬氏體或貝氏體組織。

 

淬火的目的：（1）大幅提高鋼的剛性、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等，從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求；（2）通過淬火滿足某些特種鋼材的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。

 

應用范圍：淬火工藝應用最為廣泛，如工具、量具、模具、軸承、彈簧和汽車、拖拉機、柴油機、切削加工機床、氣動工具、鉆探機械、農機具、石油機械、化工機械、紡織機械、飛機等零件都在使用淬火工藝。

 

淬火介質

 

工件進行淬火冷卻所使用的介質稱為淬火冷卻介質（或淬火介質）。理想的淬火介質應具備的條件是使工件既能淬成馬氏體，又不致引起太大的淬火應力。

 

常用的淬火介質有水、水溶液、礦物油、熔鹽、熔堿等。

 

● 水

 

水是冷卻能力較強的淬火介質。

 

優(yōu)點：來源廣、價格低、成分穩(wěn)定不易變質。

 

缺點： 冷卻能力不穩(wěn)定，易使工件變形或開裂。在C曲線的“鼻子”區(qū)（500～600℃左右），水處于蒸汽膜階段，冷卻不夠快，會形成“軟點”；而在馬氏體轉變溫度區(qū)（300～100℃），水處于沸騰階段，冷卻太快，易使馬氏體轉變速度過快而產生很大的內應力，致使工件變形甚至開裂。當水溫升高，水中含有較多氣體或水中混入不溶雜質（如油、肥皂、泥漿等），均會顯著降低其冷卻能力。

 

應用： 適用于截面尺寸不大、形狀簡單的碳素鋼工件的淬火冷卻。

 

● 鹽水和堿水

 

在水中加入適量的食鹽和堿，使高溫工件浸入該冷卻介質后，在蒸汽膜階段析出鹽和堿的晶體并立即爆裂，將蒸汽膜破壞，工件表面的氧化皮也被炸碎，這樣可以提高介質在高溫區(qū)的冷卻能力，其缺點是介質的腐蝕性大。

 

應用：一般情況下，鹽水的濃度為10％，苛性鈉水溶液的濃度為10％～15％。可用作碳鋼及低合金結構鋼工件的淬火介質，使用溫度不應超過60℃，淬火后應及時清洗并進行防銹處理。

 

● 油

 

冷卻介質一般采用礦物質油（礦物油）。如機油、變壓器油和柴油等。機油一般采用10號、20號、30號機油，油的號越大，黏度越大，閃點越高，冷卻能力越低，使用溫度相應提高。

 

淬火方式

 

● 單液淬火

 

是將奧氏體化工件浸入某一種淬火介質種，一直冷卻到室溫的淬火操作方法。單液淬火介質有水、鹽水、堿水、油及專門配制的淬火劑等。

 

優(yōu)點：操作簡單，有利于實現機械化和自動化。

 

缺點：冷速受介質冷卻特性的限制而影響淬火質量。

 

應用：單液淬火對碳素鋼而言只適用于形狀較簡單的工件。

 

● 雙液淬火

 

是將奧氏體化工件先浸入一種冷卻能力強的介質，在鋼件還未達到該淬火介質溫度之間即取出，馬上浸入另一種冷卻能力弱的介質中冷卻，如先水后油、先水后空氣等。雙液淬火減少變形和開裂傾向，操作不好掌握，在應用方面有一定的局限性。

 

● 馬氏體分級淬火

 

是將奧氏體化工件先浸入溫度稍高或稍低于鋼的馬氏體點的液態(tài)介質（鹽浴或堿浴）中，保持適當的時間，待鋼件的內、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工藝，也稱分級淬火。

 

優(yōu)點：分級淬火由于在分級溫度停留到工件內外溫度一致后空冷，所以能有效地減少相變應力和熱應力，減少淬火變形和開裂傾向。

 

 

應用：適用于對于變形要求高的合金鋼和高合金鋼工件，也可用于截面尺寸不大、形狀復雜地碳素鋼工件。

 

● 貝氏體等溫淬火

 

是將鋼件奧氏體化，使之快冷到貝氏體轉變溫度區(qū)間（260～400℃）等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)樨愂象w的淬火工藝，有時也叫等溫淬火，一般保溫時間為30～60min。

 

● 復合淬火

 

將工件急冷至Ms以下獲得10％～20％馬氏體，然后在下貝氏體溫度區(qū)等溫。這種冷卻方法可使較大截面地工件獲得M+B組織。預淬時形成的馬氏體可促進貝氏體轉變，在等溫時又使馬氏體回火。復合淬火用于合金工具鋼工件，可避免第一類回火脆性，減少殘余奧氏體量即變形開裂傾向。

 

回火

 

回火工藝

 

回火是將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度，保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻到室溫的熱處理工藝。

 

回火的目的：（1）消除工件淬火時產生的殘留應力，防止變形和開裂；（2）調整工件的硬度、強度、塑性和韌性，達到使用性能要求；（3）穩(wěn)定組織與尺寸，保證精度；（4）改善和提高加工性能。

 

回火分類

 

●低溫回火

 

指工件在150~250℃進行的回火。

 

目的：保持淬火工件高的硬度和耐磨性，降低淬火殘留應力和脆性。

 

回火后得到回火馬氏體，指淬火馬氏體低溫回火時得到的組織。

 

應用范圍：刃具、量具、模具、滾動軸承、滲碳及表面淬火的零件等。

 

●中溫回火

 

指工件在350～500℃之間進行的回火。

 

目的：得到較高的彈性和屈服點，適當的韌性。回火后得到回火屈氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著極其細小球狀碳化物（或滲碳體）的復相組織。

 

應用范圍：彈簧、鍛模、沖擊工具等。

 

●高溫回火

 

指工件在500℃以上進行的回火。

 

目的：得到強度、塑性和韌性都較好的綜合力學性能。

 

回火后得到回火索氏體，指馬氏體回火時形成的鐵素體基體內分布著細小球狀碳化物（包括滲碳體）的復相組織。

 

應用范圍：廣泛用于各種較重要的受力結構件，如連桿、螺栓、齒輪及軸類零件等。

 

正火

 

正火工藝

 

正火是將鋼件加熱到臨界溫度（完全奧氏體化的溫度）以上30-50℃，保溫適當時間后，從爐中取出在空氣中或噴水、噴霧或吹風冷卻的金屬熱處理工藝。

 

目的：（1）使晶粒細化和碳化物分布均勻化；（2）去除材料的內應力；（3）增加材料的硬度。

 

優(yōu)點：（1）正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快，因而所獲得的珠光體片層間距較小，正火組織要比退火組織更細一些，因而其硬度和強度也較高；（2）正火爐外冷卻不占用設備，生產率較高。

 

應用：只適用于碳素鋼和低、中合金鋼，而不適用于高合金鋼。因為高合金鋼的奧氏體非常穩(wěn)定，在空氣中冷卻也將得到馬氏體組織。

 

具體用途

 

（1）對于低碳鋼和低合金鋼，正火可以提高其硬度，以改善切削性；

 

（2）對于中碳鋼，正火可代替調質處理，為高頻淬火做組織準備，并可減少鋼件的變形和降低加工成本；

 

（3）對于高碳鋼，正火可消除網狀滲碳體組織，便于球化退火；

 

（4）對于大型鋼鍛件或截面有急劇變化的鋼鑄件，可用正火代替淬火，以減少變形開裂傾向，或為淬火做好組織準備；

 

（5）對于鋼的淬火反修件，可通過正火消除過熱影響，以便能重新淬火；

 

（6）用于鑄鐵件以增加基體的珠光體量，提高鑄件的強度和耐磨性。

 

退火

 

退火工藝

 

將金屬或合金加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻（一般為隨爐冷卻），的熱處理工藝叫做退火。

 

退火的實質是將鋼加熱到奧氏體化后進行珠光體轉變，退火后的組織是接近平衡后的組織。

 

退火的目的：

 

（1）降低鋼的硬度，提高塑性，便于機加工和冷變形加工；

 

（2）均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，改善鋼的性能或為淬火作組織準備；

 

（3）消除內應力和加工硬化，以防變形和開裂。

 

退火方法

 

1、完全退火

 

工藝：將鋼加熱到Ac3以上20~30℃，保溫一段時間后緩慢冷卻（隨爐）以獲得接近平衡組織的熱處理工藝（完全奧氏體化），實際生產中，為提高生產率，退火冷卻至500℃左右即出爐空冷。

 

目的：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。 亞共析鋼完全退火后的組織為F+P。

 

應用：完全退火主要用于亞共析鋼（wc=0.3~0.6%），一般是中碳鋼及低、中碳合金鋼鑄件、鍛件及熱軋型材，有時也用于它們的焊接件。

 

2、不完全退火

 

工藝：將鋼加熱到Ac1~Ac3(亞共析鋼)或Ac1~Accm(過共析鋼)經保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。

 

應用：主要用于過共析鋼獲得球狀珠光體組織，以消除內應力，降低硬度，改善切削加工性。

 

3、等溫退火

 

工藝：將鋼加熱到高于Ac3(或Ac1)的溫度，保溫適當時間后，較快冷卻到珠光體區(qū)的某一溫度，并等溫保持，使奧氏體轉變?yōu)橹楣怏w，然后空冷至室溫的熱處理工藝。

 

 

目的：與完全退火相同，轉變較易控制。

 

應用：適用于較穩(wěn)定的鋼：高碳鋼（wc>0.6％）、合金工具鋼、高合金鋼(合金元素的總量>10％)。等溫退火還有利于獲得均勻的組織和性能。但不適用于大截面鋼件和大批量爐料，因為等溫退火不易使工件內部或批量工件都達到等溫溫度。

 

4、球化退火

 

工藝：使鋼中碳化物球狀化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。加熱至Ac1以上20~30℃溫度，保溫時間不宜太長，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。

 

目的：降低硬度、均勻組織、改善切削加工性為淬火作組織準備。

 

應用：主要用于共析鋼和過共析鋼，如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。球化退火得到球狀珠光體，在球狀珠光體中，滲碳體呈球狀的細小顆粒，彌散分布在鐵素體基體上。球狀珠光體與片狀珠光體相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時變形和開裂傾向小。

 

 

5、擴散退火（均勻化退火）

 

工藝：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。

 

目的：消除鑄錠在凝固過程中產生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。

 

應用： 應用于一些優(yōu)質合金鋼及偏析較嚴重的合金鋼鑄件及鋼錠。擴散退火的加熱溫度很高，通常為Ac3或Accm以上100~200℃，具體溫度視偏析程度及鋼種而定，保溫時間一般為10~15小時。擴散退火后需完全退火及正火處理，以細化組織。

 

6、去應力退火

 

工藝：將鋼件加熱至低于Ac1的某一溫度（一般為500~650℃），保溫，然后隨爐冷卻。

 

 

去應力退火溫度低于A1，因此去應力退火不引起組織變化。

 

目的：消除殘余內應力。

 

應用：主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產生變形或裂紋。