钢的整体热处理方法及适用范围

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：完全退火主要适用于亚共析钢，包括中碳钢及中碳合金钢的铸件、锻件、轧制件及焊接件，一般作为不重要件的最终热处理或重要件的预先热处理。等温退火主要适用于高碳钢、中碳合金钢、经过渗碳处理后的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸、锻件及冲压件等。球化退火的目的是降低硬度，提高塑性，改善切削加工性，并为最终热处理做组织准备。

1.退火

退火是将金属或合金加热到适当的温度，保持到一定时间，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺，主要用来处理钢制毛坯件，为以后切削加工和最终热处理做组织准备。

根据处理的目的和要求不同，钢的退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、扩散退火和再结晶退火等。

（1）完全退火

完全退火是将钢完全奥氏体化后随炉冷却，以获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火是将工件加热到Ac3 以上30～50 ℃，保温一定时间，随炉冷却至500 ℃以下再空冷。

完全退火主要适用于亚共析钢，包括中碳钢及中碳合金钢的铸件、锻件、轧制件及焊接件，一般作为不重要件的最终热处理或重要件的预先热处理。完全退火的目的是使钢件通过完全重结晶细化晶粒，均匀组织，以提高性能，同时能降低硬度、改善加工性能。

（2）等温退火

等温退火是将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并保持等温，使奥氏体转变为珠光体组织，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。

等温退火主要适用于高碳钢、中碳合金钢、经过渗碳处理后的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸、锻件及冲压件等。等温退火的目的与完全退火相同。

（3）球化退火

球化退火是使钢中的碳化物球状化的热处理工艺。球化退火是将工件加热到Ac1 以上10～20 ℃，经适当保温后随炉冷却后再空冷，使钢中未溶碳化物球状化的热处理工艺。球化退火主要用于过共析钢、工具钢和轴承钢等。球化退火的目的是降低硬度，提高塑性，改善切削加工性，并为最终热处理做组织准备。

（4）去应力退火

去应力退火又称低温退火，是指为消除铸造、锻造、焊接、冷变形等造成的残余内应力而进行的低温退火。去应力退火的加热温度在Ac1 以下100～200 ℃，对于钢铸件为600～650 ℃、铸件为500～550 ℃，保温后随炉冷却。由于加热温度低，故只用于消除内应力，没有结构和组织的变化。

（5）扩散退火

扩散退火又称均匀化退火，是为了减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到Ac3 以上150～200 ℃，保温10～15 h，使晶内偏析通过充分扩散达到均匀化，以提高性能。一般碳钢的加热温度为1 100～1 200 ℃，合金钢为1 200～1 300 ℃。扩散退火主要用于重要的合金钢铸锻件，以消除化学成分偏析和组织的不均匀性。扩散退火由于成本高，故一般很少采用。

（6）再结晶退火

再结晶退火是将经过冷变形的钢加热至再结晶温度以上150～250 ℃，一般为650～700 ℃，适当保温后缓慢冷却的一种操作工艺，主要用于冷拔、冷拉和冷冲压等冷变形，使冷变形被拉长、破碎的晶粒重新生核和长大成为均匀的等轴晶粒，从而消除形变强化状态和残余应力，为下道工序做准备，属于中间退火。再结晶退火过程中没有结构的变化，但有组织的变化。一般冷轧钢板、钢和冷拔钢丝、棒及冷轧和冷拔无缝钢管的软化处理，都采用再结晶退火，可增大铁素体晶粒尺寸，以改善其电磁性能。

2.正火

正火是将钢加热到Ac3 或Accm以上30～50 ℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。正火的冷却速度比退火快，得到的组织是较细小的珠光体，能细化晶粒、改善组织、消除应力，防止变形和开裂。正火后的强度、硬度、韧性都高于退火，且塑性基本不降低，为淬火、切削加工等后续工序做组织准备。正火主要有以下几种应用：

1）作为普通结构件的最终热处理，对一些受力不大、性能要求不高的普通结构零件可将正火作为最终热处理，正火可使组织细化、均匀化。例如，45 钢经过正火后可得到细小而均匀的铁素体和珠光体晶粒，使钢的性能得到改善和提高。

2）作为重要零件的预先热处理，例如，半轴、凸轮轴等零件，为改善切削加工性能要进行正火处理。

3）对于过共析钢、轴承钢和工具钢等，常用正火消除网状碳化物，以利于球化退火，提高球化退火质量。

3.淬火

淬火是把工件加热到Ac3 或Accm以上某一温度，保持一定时间后快速冷却以获得马氏体或下贝氏体组织的一种热处理工艺。淬火后可使钢获得马氏体组织，并得到了强化，它是钢的最重要的一种强化手段。淬火时的临界冷却速度是指钢材获得马氏体的最低冷却速度。

（1）碳钢淬火的加热温度

如图1－12 所示，亚共析钢的淬火加热温度为Ac3 以上30～50 ℃，淬火后的组织是马氏体。共析钢和过共析钢的淬火加热温度为Ac1 以上30～50 ℃，淬火后的组织为马氏体、颗粒状的二次渗碳体，这时可使钢的强度、硬度和耐磨性达到较好的效果。如果将过共析钢加热到Acm 以上，二次渗碳体溶入奥氏体中，使其碳含量增加，降低了钢的Ms 和Mf 点，结果使钢的晶粒粗大，同时又使残余奥氏体量增加。在一般情况下，它们都会使钢的性能变差，有软点和脆性增加的现象，也会增加钢件变形和开裂的倾向。

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图1-12　碳钢淬火的加热温度范围

（2）淬火的冷却介质

在生产上，淬火时常用的冷却介质有水、盐水、碱水、油和熔融盐碱等。水的冷却能力比较强，但要注意温度，水温不能超过30～40 ℃，主要用于尺寸较小的碳钢工件。5%～10%NaCl 的盐水溶液冷却能力比水强，主要用于形状简单、硬度要求较高、表面要求光洁、变形要求不严的碳钢零件，如螺钉、销、垫圈等。油是一种应用比较广泛的冷却介质，主要是各种矿物油，如机油、锭子油、变压器油和柴油等。油在300～200 ℃范围内冷却能力比较弱，但有利于降低零件的变形与开裂，在650～500 ℃范围内不利于碳钢的淬火。

为了减少零件淬火时的变形和开裂，常用盐浴和碱浴作为冷却介质（熔融盐碱），其冷却能力介于油和水之间，特点是在高温区有较强的冷却能力。它们的冷却特性能可大大降低工件变形和开裂倾向，主要用于截面不大、形状复杂、变形要求严格的碳钢和合金钢工件等。

（3）常用的淬火方法

1）单液淬火。把奥氏体化的工件投入一种淬火冷却介质中一直冷却至室温，称为单液淬火法。例如，一般碳钢在水或水溶液中淬火、合金钢在油中淬火等均属单液淬火法。

单液淬火操作简便，易实现机械化与自动化。但由于水和油对钢的冷却性能都不理想，所以它常用于形状简单的工件淬火。

2）双液淬火。先把奥氏体化的工件投入冷却能力较强的介质中，冷却到稍高于Ms 温度，再立即转入另一冷却能力较弱的介质中，使之发生马氏体转变，称为双液淬火。碳钢通常采用先水淬后油冷，合金钢通常采用先油淬后空冷。

3）分级淬火。把奥氏体化的工件先投入温度在Ms 附近的盐浴或碱浴中，停留适当时间，待钢件的内外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火，称为分级淬火。分级淬火能够减小工件中的热应力，并能缓和相变时产生的组织应力，减少淬火变形。分级淬火适用于尺寸较小、形状复杂的工件。

4）等温淬火。把奥氏体化的工件投入温度稍高于Ms 的盐浴或碱浴中，保温足够时间，使其发生下贝氏体转变后取出空冷，这种方法称为等温淬火。钢在等温淬火后形成的组织是下贝氏体，故又称为贝氏体等温淬火。贝氏体等温淬火的特点是工件在淬火后，工件的淬火应力与淬火变形较小，工件具有较高的韧性、塑性、硬度和耐磨性。贝氏体等温淬火常用于处理各种中碳钢、高碳钢和合金钢制造的小型复杂工件。

5）局部淬火。有些工件其工作条件只是要求局部高硬度，故可对工件需要硬化的部位进行加热淬火，这种工艺称为局部淬火。

6）冷处理。冷处理是钢件淬火冷却到室温后，继续在0℃以下的介质中冷却的热处理工艺。冷处理应紧接淬火操作之后进行。

（4）钢的淬透性和淬硬性

钢的淬透性是指钢在淬火时能获得淬硬深度的能力，它是钢材本身固有的属性，主要取决于合金元素。钢的淬硬性是指钢在理想条件下经过淬火所能达到最高硬度的能力，它主要取决于马氏体的含碳量。淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。钢的淬透性和钢的淬硬性是两个完全不同的概念，如低碳合金钢的淬透性相当好，但它的淬硬性却不高；再如高碳工具钢的淬透性较差，但它的淬硬性很高。

4.回火

将淬火后的钢件重新加热到Ac1 以下某一温度，经适当保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火通常也是零件进行热处理的最后一道工序。回火的主要目的是：降低脆性，消除或降低残留应力；通过适当的回火配合，调整硬度；获得合理的稳定组织，使工件在使用过程中不再发生变形。

（1）回火的种类及应用

根据工件性能要求的不同，按其回火温度范围可将回火分为以下几种：

1）低温回火。低温回火的温度为150～250 ℃。低温回火获得的组织是回火马氏体（用M回表示），其目的是尽可能保持淬火后的高硬度和高耐磨性，同时降低淬火应力以提高韧性。经低温回火后钢的硬度一般为58～62HRC，主要用于高碳钢和合金钢制作的各种刀具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件。

2）中温回火。中温回火的温度为350～500 ℃。中温回火获得的组织为回火屈氏体（用T回表示），其目的是获得较高的弹性极限和屈服强度，同时改善塑性和韧性。经中温回火后钢的硬度一般为35～50 HRC，主要用于各种弹簧的热处理。

3）高温回火。高温回火的温度为450～650 ℃。高温回火获得的组织为回火索氏体（层片状珠光体，用S回表示），其目的是得到具有高强度、高塑性和高韧性的性能。经高温回火钢的硬度一般为200～330 HBW，适用于各种中碳钢结构的零件，如连杆、螺栓和轴类等。

淬火后高温回火的热处理方法称为调质，大多数承受冲击、疲劳等动载荷的零件采用调质处理，而不能用正火代替，例如轴类、连杆、螺栓、齿轮等。钢件经过调质处理后，不仅具有较高的强度和硬度，而且塑性和韧性也明显比经正火处理后高。进行调质处理的钢大多数是中碳结构钢。因为考虑淬透性，工件在进行调质处理时，首先要粗车成形，然后调质，即粗车加工—调质—精加工，以免较大直径的工件由于淬透性较浅，在粗车时可能把调质层车去，而没有真正起到调质作用。

调质处理一般作为最终热处理，由于调质处理后便于切削加工，并能得到较好的表面质量，故也作为表面淬火和化学热处理的预备热处理。

（2）回火脆性

淬火钢回火时，随着回火温度的升高，通常强度、硬度降低，而塑性、韧性提高。但在某些温度范围内回火时，钢的韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。从上述各种回火方法的温度范围中可以看出，一般不在250～350 ℃进行回火，这是因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性，这种回火脆性称为第一类回火脆性或低温回火脆性。产生第一类回火脆性的原因，一般认为是沿马氏体片或马氏体板条的界面析出硬脆的薄片碳化物所致。某些合金钢在450～650 ℃进行回火时，又会产生第二次回火脆性，称为第二类回火脆性或高温回火脆性。

钢的整体热处理方法及适用范围

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