钢的退火和正火选择原则

常用的热处理工艺分为预备热处理和最终热处理两大类。

预备热处理目的：消除坯料、半成品中的某些缺陷，为后续冷加工，最终热处理作组织准备。

最终热处理目的：使工件获得所要求的性能。

退火与正火的目的：消除钢材经热加工所引起的某些缺陷，或为以后的切削加工及最终热处理做好组织准备。

3.1　钢的退火

3.1.1　概念

将钢件加热到适当温度（Ac1以上或以下），保持一定时间，然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火。

3.1.2　目的

（1）降低硬度，提高塑性；

（2）细化晶粒，消除组织缺陷；

（3）消除内应力；

（4）为淬火作好组织准备。

3.1.3　类型根据加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火，前者又称相变重结晶退火，包括完全退火、扩散退火均匀化退火、不完全退火、球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。

（1）完全退火

① 概念：将亚共析钢（Wc＝0.3%～0.6%）加热到Ac3+（30～50）℃，完全奥氏体化后，保温缓冷（随炉、埋入砂、石灰中），以获得接近平衡状态的组织的热处理工艺称为完全退火。

②目的：细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

③工艺：完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较主温度范围内转变为珠光体。工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而且要保证全部看到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

④适用范围：中碳钢和中碳合金钢的铸件、焊件、锻件、轧制件等。

需要特别特别指出的是：低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后其硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢当加热至Ac cm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，由此使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。

（2）球化退火

①概念：使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火。

②工艺：一般球化退火工艺Ac1+（10～20）℃随炉冷至 500～600℃空冷。

③目的：降低硬度、改善组织、提高塑性和切削加工性能。

④适用范围：主要用于共析钢和过共析钢的刃具、量具、模具等。

当过共析钢中有网状二次渗碳体时，不仅其硬度高，难以进行切削加工，而且钢的脆性增大，容易产生淬火变形及开裂。为此，钢热加工后必须加一道球化退火，使网状二次渗碳体和珠光体中的片状渗体发生球化，得到粒状珠光体。钢件的冷却速度和等温温度也会影响其碳化物获得球化的效果，若其冷却速度快或等温温度低，珠光体在较低温度下形成，碳化物颗粒太细，聚集作用小，容易形成片状碳化物，从而使钢的硬度偏高；而冷却速度过慢或等温温度过高，则形成的碳化物颗粒较粗大，聚集作用也很强烈，易形成粗细不等的粒状碳化物，使钢的硬度偏低。

（3）均匀化退火（扩散退火）

①工艺：把合金钢铸锭或铸件加热到Ac3以上150～200℃，保温10～15h后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。

②目的：消除结晶过程中的枝晶偏析，使成分均匀化。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此一般还需要进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

③适用范围：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。

④注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。

（4）去应力退火

①概念：为去除由于塑性变形加工，焊接等而造成的应力以及铸件内存在的残余应力而进行的退火称为去应力退火。（去应力退火不发生扭变）。

②工艺：将工件缓慢加热到Ac1以下100～200℃（500～600℃）保温一定时间（1～3h）后随炉缓冷至200℃，再出炉冷却。

钢一般在 500～600℃。

铸铁一般在500～550℃，超过550℃容易造成珠光体的石墨化。

焊接件一般为 500～600℃。

③适用范围：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。

3.2　钢的正火

（1）概念：将钢件加热到Ac3（或Accm）以上30～50℃，保温适当时间后；在静止空气中冷却的热处理工艺称为钢的正火。

（2）目的：细化晶粒，均匀组织，调整硬度等。

（3）组织：共析钢S、亚共析钢F+S、过共析钢Fe 3 CⅡ＋S。

（4）工艺：钢件正火保温时间和完全退火相同，应以工件透烧，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。正火冷却方式最常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，以达到要求钢件的组织和性能。

（5）应用范围

①改善钢的切削加工性能。碳的含量低于0.25%的碳素钢和低合金钢，退火后其硬度较低，在切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状珠光体，使其硬度提高，可以改善钢的切削加工性能能，提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度。

②消除热加工缺陷。中碳结构钢铸、锻、轧件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。

③消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火。过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重的网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。

④提高普通结构零件的机械性能。一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理，达到一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。

3.3　退火和正火的选择

退火与正火的主要区别在于正火的冷却速度比退火稍快，过冷度较大。

而正火后所得到的组织比较细，强度和硬度比退火高一些。

退火与正火的选择原则如下所述。

（1）含碳量＜0.25%的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能；用正火可以提高钢的硬度，低碳钢的切削加工性能；在没有其他热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。

（2）含碳量在0.25%～0.5%之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。

（3）含碳量在0.5%～0.75%之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，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%的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除。

退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。缓冷是退火的主要特点，退火件一般随炉冷却至550℃以下时出炉空冷。

退火是应用非常广泛的热处理，在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。

退火目的：

①降低材料硬度，以利于切削加工；

②消除各类应力，防止零件变形；

③细化粗大晶粒，改善内部组织，为最终热处理做好准备。

3.3　钢的淬火

钢的淬火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序。淬火可以显著提高钢的强度和硬度。

3.3.1　钢的淬火的定义

定义：将钢件加热到Ac3或Ac1以上某一温度，保持一定时间。然后以适当速度冷却获得M或B下组织的热处理工艺。

3.3.2　淬火温度的选择

（1）碳钢的淬火温度

加热温度由Fe-Fe3C相图来确定，其目的是为了淬火后希望得到全部细小的马氏体；淬火后希望硬度高。

①亚共析钢 Ac3+（30～50）℃，可获得细小的均匀的马氏体，如温度过高则有晶粒粗化现象，淬火后获得粗大的M，使钢的脆性增大；如温度过低则淬火后M+F，有铁素体出现，淬火硬度不足。

②共析钢与过共析钢 Ac1+（30～50）℃，由于有高硬度的渗碳体和马氏体存在，能保证得到高的硬度和耐磨性。如果加热温度超过Accm将会使碳化物全部溶入奥氏体中，使奥氏体中的含碳量增加，淬火后残余奥氏体量增多，降低钢的硬度和耐磨性；淬火温度过高，奥氏体晶粒粗化、含碳量又高，淬火后易得到含有显微裂纹的粗片状马氏体，使钢的脆性增大。

例如：原始组织为球状珠光体的T8钢，如淬火加热温度为600℃（＜Ac3），则淬火后的硬度与淬火前的退火状态基本相同；如淬火加热温度为780℃（Ac3+30～50℃），则淬火后的硬度能达到63HRC；如淬火温度提高至1 000℃（≥Ac3），虽然淬火后硬度能达到63HRC，但是冲击韧性却显著降低。

（2）合金钢的淬火温度

①对含有阻碍奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素（如钛、铌等），淬火温度可以高一些，以加速其碳化物的溶解，获得较好的淬火效果。

②对含有促进奥氏体晶粒长大的元素（如锰等），淬火加热温度应低一些，以防止晶粒粗大。

理想的冷却速度：650℃以上应当慢冷，以尽量降低淬火热应力；650～400℃之间应当快速冷却，以通过过冷奥氏体最不稳定的区域，避免发生珠光体或贝氏体转变；400℃以下至Ms点附近应当缓以尽量减小马氏体转变时产生的组织应力。具有这种冷却特性的冷却介质，可以保证在获得马氏体组织条件下减少淬火应力，避免工件产生变形或开裂。

3.3.3　淬火介质

淬火介质：钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质，常用的有水、油、新型淬火介质三种。

（1）水

水在650～400℃范围内，其冷却速度较小，不超过200℃/s，但在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又太大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s，很容易引起工件变形和开裂。

此外，水温对水的冷却特性影响很大，水温升高，高温区的冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高。因此淬火时水温不应超过30℃，加强水循环和工件的搅动可以加速工件在高温区的冷却速度。

水虽不是理想淬火介质，但却适用于尺寸不大、形状简单的碳钢工件淬火。

（2）油

油在 650～550℃内冷却速度较慢，不适用于碳钢；300～200℃范围内冷却很慢，有利于淬火工件的组织应力，减少工件变形和开裂倾向。与水相反，提高油温可以降低黏度，增加流动性，故可以提高高温区的冷却能力。但是油温过高，易着火，一般应控制在 60～80℃。适用于对过冷奥氏体比较稳定的合金钢。

（3）新型淬火介质

水与油作为淬火介质各有其优缺点，也都不是属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却特性较好，但其冷却能力又低。因此，寻找冷却能力介于油水之间，冷却特性近于理想淬火介质的新型淬火介质是人们努力的目标。由于水是价廉、容易获得、性能稳定的淬火介质，因此目前世界各国都在发展有机水溶液作为淬火介质。美国应用浓度为15%聚乙烯醇、0.4%抗黏附剂、0.1%防泡剂的淬火介质，以及国内使用比较广泛的新型淬火介质有过饱和硝盐水溶液等。它们的共同特点是冷却能力介于水、油之间，接近于理想淬火介质。例如在398℃时最大冷速为418℃/S，300～200℃时的平均冷速为190℃/S。主要用于贝氏体等温淬火，马氏体分级淬火，常用于处理形状复杂、尺寸较小和变形要求严格的工件。

3.3.4　淬火方法

常用的淬火方法：单介质淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温淬火。

（1）单介质淬火

优点：操作简单、易实现机械化、应用广泛。

缺点：水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。

（2）双介质淬火

优点：减少热应力与相变应力，从而减少变形、防止开裂。

缺点：工艺不易掌握，要求操作熟练。

适用于中等形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。

（3）局部淬火

为了避免工件其他部分产生变形或开裂，即可用局部淬火。

（4）马氏分级淬火

优点：使过冷奥氏体在缓冷条件下转变成马氏体，从而头减少变形。

缺点：只适用于尺寸较小的零件，否则淬火介质冷却能力不足，温度也难于控制。

（5）马氏体等温度淬火优点

下贝氏体的硬度略低于马氏体，但综合力学性能较好，应用广泛。

3.3.5　钢的淬透性与淬硬性

（1）淬透性

定义：决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，即应该是全淬成马氏体的深度。

①影响淬透性的因素

a.钢的化学成分。除钴以外的合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体稳定性，降低马氏体临界冷却速度，从而提高钢的淬透性。

b.奥氏体化条件。提高奥氏体代温度，延长保温时间，使奥氏体晶粒粗大，成分均匀，残余渗碳体和碳化物的溶解彻底，使过冷奥氏体起稳定，使C曲线越向右移，马氏全临界冷却速度就越小，则钢的淬透性越好。

②淬透性表示方法

常用临界直径大小来定理的比较不同钢种的淬透性大小。临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后，心部得到全部马氏体（或50%马氏体）组织的最大直径。用D c表示。在同一冷却介质中，钢的临界直径越大，其淬透性越好；但同一钢种在冷却能力大的介质中，比在冷却能力小的介质中所获得的临界直径要大些，参见表6-3。

表6-3　钢的常用临界直径

③淬透性的实用意义

a.淬透——性能均匀一致。

b.未淬透——韧性降低。

（2）钢的淬硬性

定义：钢在理想条件下进行淬火硬化所能达到的最高硬度的能力。

值得注意的：钢的淬透性与淬硬性是两个不同的概念。淬透性好的钢其淬硬性不一定高，而淬火后硬度低的钢也可能是具有高的淬透性。如低合金钢淬透性相当好，但其淬硬性却不高；高碳钢的淬硬性高，但其淬透性却很差。

（3）钢的淬火缺陷及其预防

①淬火工件的过热和过烧

工件在淬火加热时，由于温度过高或者时间过长造成奥氏体晶粒粗大的缺陷称为过热。

工件由于过热不仅在淬火后得到粗大马氏体组织，而且易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度和韧性降低，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间补救。严重的过热则需进行一次细化晶粒退火，然后再重新淬火。淬火加热温度太高，使奥氏体晶界出局部熔化或者发生氧化的现象称为过烧。过烧是严重的工件加热缺陷，工件一旦过烧无法补救，只能报废。工件过烧的原因主要是设备失灵或操作不当造成的。高速钢淬火温度高容易过烧，火焰炉加热局部温度过高也容易造成过烧。

②淬火加热时的氧化和脱碳

工件在淬火加热时，钢件与周围加热介质相互作用往往会产生氧化和脱碳等缺陷。氧化使工件尺寸减小，表面光洁程度降低，并严重影响淬火冷却速度，进而使淬火工件出现软点或硬度不足等新的缺陷。工件表面脱碳会降低淬火后钢的表面硬度、耐磨性，并显著降低其疲劳强度。因此，工件淬火加热，在获得均匀化奥氏体时，必须注意防止钢的氧化和脱碳现象。工件在空气介质炉中加热时，防止其氧化和脱碳最简单的方法，是在加热炉升温加热时向炉内加入无水分的木炭，以改变炉内气氛，减少工件氧化和脱碳。此外，采用盐炉加热、用铸铁屑覆盖工件表面，或是在工件表面热涂硼酸等方法都可以有效地防止或减少工件的氧化和脱碳。

③淬火时形成的内应力

有两种情况：a.工件在加热或冷却时，由于同部位存在着温度差别而导致热胀或冷缩不一致所引起的应力称为热应力；b.由于热处理过程中各部位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力称为相变应力。当两力相复合超过钢的屈服强度时，工件就会变形；当复合力超过钢的抗拉强度时，工件就会开裂。

解决办法：a.工件在加热炉中安放时，要尽量保证受热均匀，防止加热时变形；b.对形状复杂或导热性差的高合金钢，应缓慢加热或多次预热，以减少工件在加热中所产生的热应力；c.选择合适的淬火冷却介质和淬火方法，以减少工件在冷却中热应力和相变应力。

但淬火不是最终热处理，为了消除淬火钢的残余内应力，得到不同强度、硬度和韧性配合的性能，需要配以不同温度的回火。钢淬火后再经回火，是为了使工件获得良好的使用性能，以充分发挥材料的潜力。如：轴承通过淬火加低温回火可以提高硬度和耐磨性；弹簧钢通过淬火加中温回火可以显著提高弹性极限。所以淬火和回火是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。

3.4　钢的回火

钢件淬火后，再加热到A1以下某一温度，保持一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺称为回火。

3.4.1　回火目的

（1）稳定组织，消除淬火应力；

（2）调整硬度、强度、塑性、韧性；

3.4.2　淬火钢在回火时组织的转变

（1）马氏体的分解（＞100℃）；

（2）残余奥氏体的转变（200～300℃）；

（3）碳化物的转变（250～450℃）；

（4）渗碳体的聚集长大和铁素体再结晶（＞450℃）。

3.4.3　钢在回火时性能变化

（1）回火方法

①低温回火（150～250℃），组织是回火马氏体。和淬火马氏体相比，回火马氏体既保持了钢的高硬度、高强度和良好耐磨性，又适当提高了韧性。硬度为58～64HRC，主要用于高碳钢，合金工具钢制造的刃具、量具、模具及滚动轴承，渗碳、碳氮共渗和表面淬火件等。

②中温回火（350～500℃），组织为回火托氏体。对于一般碳钢和低合金钢，中温回火相当于回火的第三阶段，此时碳化物开始聚集，基体开始回复，淬火应力基本消失。硬度为35～50HRC，具有高的弹性极限，有良好的塑性和韧性，主用于弹性件及模具处理。

③高温回火（500～650℃），组织为回火索氏体。硬度为220～330HBS，广泛用于各种重要结构件。淬火和随后的高温回火称为调质处理，经调质处理后，钢具有优良的综合机械性能。因此，高温回火主要适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作汽车、拖拉机、机床等承受较大载荷的结构零件，如曲轴、连杆、螺栓、机床主轴及齿轮等重要的机器零件。通常在工业上将钢件经淬火＋高温回火的复合热处理工艺称为调质。钢经正火后和调质后的硬度很相近，但重要的结构件一般都要进行调质而不采用正火。在抗拉强度大致相同情况下，经调质后的屈服点、塑性和韧性指标均显著超过正火，尤其塑性和韧性更为突出。

（2）回火时间：一般为1～3h。

（3）回火冷却：一般空冷。一些重要的机器和工模具，为了防止重新产生内应力和变形、开裂，通常都采用缓慢的冷却方式。对于有高温回火脆性的钢件，回火后应进行油冷或水冷，以抑制回火脆性。

3.4.4　回火脆性

第一类回火脆性：300℃左右，无法消除，低温回火脆性。产生这类回火脆性的原因，一般认为在此回火温度范围内碳化物以断续的薄片沿马氏体片或马氏体条的界面析出，这样硬而脆的薄片与马氏体间结合较弱，降低了马氏体晶界处强度，因而使冲击韧性降低。

第二类回火脆性：400～500℃，高温回火脆性。产生这类原因是由于经高温回火后缓冷通过脆化温度区所产生的脆性。办法：快冷；提高钢的纯洁度，减少有害元素的含量等。