同其他产品一样，根据产品标准的技术条件要求，精密管材常用的热处理工艺主要有淬火、回火、正火及退火等。冷拔管材的正火：指将钢材或钢件加热到Ac3或Acm以上30～50℃，保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。冷拔管材的固溶处理：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。......
2023-06-23
热处理管材的理论基础和工艺方法
【摘要】：管材热处理的目的是改变钢的内部组织结构，而改善钢的性能。管材通过适当的热处理可以显著提高其机械性能，延长机器零件其使用寿命。管材热处理工艺根据管材热处理的目的、要求和工艺方法的不同，分为整体、表面和化学热处理三类。管材热处理的三阶段包括加热、保温、冷却。通常，管材在930～950℃以下加热，其晶粒长大的倾向小，便于热处理。
管材热处理的目的是改变钢的内部组织结构，而改善钢的性能。管材通过适当的热处理可以显著提高其机械性能，延长机器零件其使用寿命。热处理工艺不但可以强化金属材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构重量、节省和能源，而且能够提高机械产品的质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。
管材热处理工艺根据管材热处理的目的、要求和工艺方法的不同，分为整体、表面和化学热处理三类。
（1）整体热处理：包括退火、正火、淬火、回火和调质；
（2）表面热处理：包括表面淬火、物理和化学气相沉积等；
（3）化学热处理：渗碳、渗氮、碳氮共渗等。
管材热处理的三阶段包括加热、保温、冷却。钢的热处理如图6-1、图6-2所示。
图6-1 钢的热处理工艺曲线
图6-2 铁碳合金的加热和冷却时的临界点变化示意
2.1 钢在加热时的转变
管材加热的目的是使钢奥氏体化。
（1）奥氏体（A）的形成
奥氏体晶核的形成，以共析钢为例，A1点则Wc＝0.0218%（体心立方晶格F）Wc＝6.69%（复杂斜方渗碳体），当T上升到Ac1后，Wc＝0.77%（面心立方的A）。由此可见转变过程中必须经过C和Fe原子的扩散，必须进行铁原子的晶格改组，即发生相变，A的形成过程。在铁素体和渗碳体的相界面上形成。，有两个有利条件：①此相界面上成分介于铁素体和渗碳体之间，②原子排列不规则，空位和位错密度高。如图6-3所示。
①奥氏体长大
由于铁素体的晶格改组和渗碳体的不断溶解，A晶核一方面不断向铁素体和渗碳体方向长大，同时自身也不断形成长大。
②残余Fe3C的溶解
A长大同时由于有部分渗碳体没有完全溶解，还需一段时间才能全溶（F比Fe3C先消失）。
图6-3 珠光体向奥氏体转变过程示意
③奥氏体成分的均匀化
残余Fe3C全溶后，经一段时间保温，通过碳原子的扩散，使A成分逐步均匀化。
（2）奥氏体晶粒的长大
奥氏体大小用奥氏体晶粒度来表示，分为00，0，1，2…10等十二个等级，其中常用的是1～10级，4级以下为粗晶粒，5-8级为细晶粒，8级以上为超细晶粒。
影响A晶粒粗大的因素：
①管材加热温度越高，保温时间愈长，其奥氏体晶粒越粗大。因此，应合理选择管材加热和保温的时间，以保证获得细小均匀的奥氏体组织。通常，管材在930～950℃以下加热，其晶粒长大的倾向小，便于热处理。
②A中C含量上升则晶粒长大的倾向大。
2.2 钢在冷却时的转变
管材生产中采用的冷却方式有：等温冷却和连续冷却。
（1）过冷奥氏体的等温转变
A在相变点A1以上是稳定相，冷却至A1以下就成了不稳定相，必然要发生转变。
①奥氏体等温转变图：表示奥氏体过冷在不同温度下的等温过程中，转变温度、转变时间与转变产物量的关系曲线图。曲线形状与“C”字相似，所以又称C曲线。
铁碳相图中的PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过热和过冷现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用AC1、AC3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示。
②共析碳钢奥氏体等温转变产物的组织和性能
图6-4、图6-5、图6-6分别示出了共析碳钢奥氏体等温转变曲线的建立、钢的组织。
图6-4 共析碳钢奥氏体等温转变曲线
图6-5 钢中的贝氏体
图6-6 T8钢等温淬火组织（化染）420×
a.高温珠光体型转变：A1～550℃
●珠光体（P）A1～650℃ 粗层状 约0.3μm＜25HRC；
●索氏体（S）650～600℃ 细层状 0.1～0.3μm 25～35HRC；
●托氏体（T）600～550℃ 极细层状 约0.1μm 35～40HRC。
b.中温贝氏体型转变：550～Ms
●上贝氏体（B上）550～350℃羽毛状40～45HRC脆性大，无使用价值
●下贝氏体（B下）350～MS黑色针状45～55HRC韧性好，综合力学性能好
c.低温马氏体型转变：Ms～Mf
当A被迅速过冷至MS以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。（当WC＜0.2%时，呈板条状，当WC＞1.0%呈针片状，当 WC＝0.2%～1.0%时，呈针片状和板条状的混合物）。
（2）过冷奥氏体的连续冷却转变
①奥氏体连续冷却转变图
共析钢的连续冷却转变如图6-7、图6-8所示。
图6-7 共析碳钢连续冷却转变曲线
图6-8 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
连冷却转变图是表示钢经A后，在不同冷却速度的连冷却条件下，过冷A转变开始及转变终了时间与转变温度之间的关系曲线图。
②共析碳钢过冷奥氏体连续冷却转变产物的组织和性能
●随炉冷 P 170～220HBS（700～650℃）；
●空冷 S25～35HRC（650～600℃）；
●油冷 T＋M45～55HRC 550℃；
●水冷 M+A′55～65HRC。
（3）马氏体转变
当冷速＞VK时，奥氏体发生M转变，即碳溶于α-Fe中的过饱和固溶体，称为M（马氏体）。（VK-马氏体临界冷却速度）。
①转变特点：M转变是在一定温度范围内进行的（Ms～Mf），M转变是在一个非扩散型转变（碳、铁原子不能扩散）进行的，M转变速度极快（大于VK），M转变具有不完全性（少量的残A），M转变只有α-Fe、γ-Fe的晶格转变。
②M的组织形态
表6-2 弧体M的组织形态
（3）M的力学性能
①M的强度与硬度C的上升M的硬度、强度上升；
②M的塑性与韧性低碳板条状M良好板条状M具有较高的强度、硬度和较好塑性和韧性相配合的综合力学性能。针片状M比板条M具有更高硬度，但脆性较大，塑、韧性较差。
共析碳钢过冷奥氏体连续冷却中的转变如图6-9、图6-10所示。
图6-9 应用等温转变曲线分析奥氏体在连续冷却中的转变
图6-10 片状马氏体的电镜组织
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