金属材料热处理：照亮钢铁的“四把火”

钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律，以获得所需性能。

 根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火、回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理。本文主要对普通热处理进行知识整理。

一、钢的加热

1.   金属加热的物理过程

2.加热方式与加热介质

3.加热的目的与要求

    热处理的第一道工序一般都是把钢加热到临界点以上，目的是为了得到奥氏体组织。

二、钢的退火与正火

 退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。大部门机器零件及工、膜具的毛坯经退火或正火后，不仅可以消除铸件、锻件及焊接件的内应力及成分和组织的不均匀性，而且也能改善和调整钢的力学性能和工艺性能，为下道工序作好组织性能准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，退火和正火亦可作为最终热处理。对于铸件，退火和正火通常就是最终热处理。

2.1 钢的退火

 退火是将钢加热至临界点A_c1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火作好组织准备。

 退火的工艺种类很多，根据加热温度可分为在临界温度（A_C1或A_C3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均匀化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。各种退火方法的加热温度范围如图1所示。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续冷却退火。

• 完全退火

 完全退火是将钢件或钢材加热至A_C3以上20～30℃，保温足够长时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢（W_C=0.3％～0.6％），其目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火、低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至Ac_cm以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧度显著降低。

• 不完全退火

 不完全退火是将钢加热至A_C1～A_C3（亚共析钢）或A_C1～Ac_cm（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。由于加热至两相区温度，基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。如果亚共析钢原始组织中的铁素体已均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，过程时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火。

 不完全退火用于过共析钢主要为了获得球状珠光体组织，以消除内应力，降低强度，改善切削加工性能，故又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。

• 球化退火

 球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为淬火作组织准备。

 过共析钢锻件锻后组织一般为片状珠光体，如果锻后冷却不当，还存在网状渗碳体。不仅硬度高、难于切削加工，而且增大钢的脆性，淬火时容易产生变形或开裂。因此，锻后必须进行球化退火，获得粒状珠光体。球化退火的关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火加热温度一般在A_C1以上20～30℃不高的温度下，保温时间亦不能太长，一般以2～4h为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在Ar₁以下20℃左右进行较长时间等温。

• 均匀化退火

 均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中充分扩散，均匀化退火加热温度很高，通常可按最大有效截面或装炉量大小而定。一般均匀化退火时间为10～15h。

 由于均匀化退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

• 去应力退火和再结晶退火

 为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件中的残留内应力，以提高尺寸稳定性，防止工件变形和开裂，在精加工或淬火前将工件加热到Ac₁以下某一温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为去应力退火。

 钢的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac₁点，一般在500～650℃之间。铸铁件去应力退火温度一般为500～550℃，超过550℃容易造成珠光体的石墨化。焊接钢件的退火温度一般为500～600℃。一些大的焊件构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用火焰或工频感应加热局部退火，其退火加热温度一般高于炉内加热。去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为3min/mm，铸铁的保温时间为6min/mm。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

 再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力的热处理工艺。经过再结晶退火，钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。

 再结晶退火既可作为钢材或其他合金多道冷变形之间的中间退火，也可作为冷变形钢材或其他合金成品的最终热处理。再结晶退火温度与金属的化学成分和冷变形量有关。当钢处于临界冷变形度（6%～10%）时，应采用正火或完全退火来代替再结晶退火。一般钢材再结晶退火温度为650～700℃，保温时间为1～3h，通常在空气中冷却。

2.2钢的正火

 正火是将钢加热或到Ac₃（或A_Ccm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。对于亚共析钢来说，正火与完全退火的加热温度相近，但正火的冷却速度较快，转变温度较低，正火组织中铁素体数量较少，珠光体组织较细，钢的强度、硬度较高。

 正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。当钢中碳含量Wc为0.6%～1.4%时，正火组织中不出现先共析相，只有伪共析体系或索氏体。碳含量Wc小于0.6%的钢，正火后除了伪共析体外，还有少量铁素体。

 正火处理的加热温度通常在Ac₃或A_Ccm以上30～50℃，高于一般退火的温度。对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度，让碳化物充分溶解。正火保温时间和完全退火相同，应以工件烧透，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材成分、原始组织、装炉量和加热设备等因素。通常根据具体工件尺寸和经验数据加以确定。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，达到要求的组织和性能。

正火工艺是较简单、经济的热处理方法，主要应用于以下几方面：

碳含量Wc＜0.25%的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由碳素体，获得细片状珠光体，使硬度提高至140～190HBW，可以改善钢的切削加工性能。

中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接在热加工后易出现魏氏组织、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。

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。为此，正火加热时要保证碳化物全部溶入奥氏体中，要采用较快的冷却速度抑制二次碳化物的析出，获得伪共析组织。

一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢结构件采用正火处理，可获得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。

2.3退火与正火的选择

① 含碳量＜0.25％的低碳钢，常采用正火代替退火

正火的冷却速度比退火稍快，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，改善低碳钢的切削加工性能；在没有其它热处理工序时，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％之间的钢一般采用完全退火

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。

⑤ 正火只适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适应于高合金钢

⑥ 对于某些不太重要的工件，可在正火状态使用，因为正火得到的索氏体组织具有较好的机械性能。

⑦ 在满足性能的前提下，尽可能用正火代替退火（经济性角度考虑）。

三、钢的淬火与回火

 钢的淬火与回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。为了消除淬火钢的残留内应力，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。所以淬火和回火又是不可分割的、紧密衔接在一起的两种热处理工艺。淬、回火作为各种机器零件及工、模具的最终热处理是赋于钢件最终性能的关键性工序，也是钢件热处理强化的重要手段之一。

3.1 钢的淬火

 是指将钢加热到临界温度(Ac1或Ac3)以上，保温一定时间使之奥氏体化后，以大于临界冷却速度的冷速冷却，使奥氏体转变为马氏体的热处理工艺，然后配以不同温度回火获得各种需要的性能。

 对淬火工艺而言，首先必须将钢加热到临界点（Ac3或Ac1）以上获得奥氏体组织，其后的冷却速度必须大于临界淬火速度（Vc）,以得到全部马氏体（含残留奥氏体）组织。为此，必须注意选择适当的淬火温度和冷却速度。由于不同钢件过冷奥氏体稳定性不同，钢淬火获得马氏体的能力各异。实际淬火时，工件截面各部分冷却速度不同，只有冷却速度大于临界淬火速度的部位才能得到马氏体，而工件心部则可能得到珠光体、贝氏体等非马氏体组织。

（一） 淬火的方法

① 单介质淬火

其特点是工件经加热后，置于一种介质中冷却，如水淬、油淬，也就是直接淬火。

② 双介质淬火

加热好的工件先在较强冷却能力的介质中冷却到300℃左右，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却，如：先水淬后油淬。

③ 分级淬火

加热好的工件先在较强冷却能力的介质中冷却到300℃左右，再在另一种冷却能力较弱的介质中冷却，如：先水淬后油淬。

④ 等温淬火

工件在等温盐浴中淬火，盐浴温度在稍高于Ms温度的贝氏体区下部，工件等温停留较长时间，直到B转变结束，取出空冷。

⑤ 预冷淬火法

将加热好的工件，自炉中取出后在空气中预冷一定时间，使工件温度降低一些，再置于淬火介质中进行冷却的一种淬火方法。

（二） 淬火工艺参数的确定

① 淬火加热温度

亚共析碳钢在A_c3以上30℃～50℃加热，是为了获得晶粒细小的奥氏体，淬火后可获得细小的M组织。

共析和过共析钢在淬火加热前已经球化退火，在Ac₁ 以上30℃～50℃不完全奥氏体化后，组织为（奥氏体和部分未溶的细粒状渗碳体），淬火后组织为(马氏体、部分未溶的细粒状渗碳体、残留的奥氏体)。由于渗碳体硬度高，因此它不但不会降低淬火钢的硬度，而且还可以提高它的耐磨性；

② 淬火加热保温时间

淬火加热保温时间指的是工件装炉后，从炉温回升到淬火温度算起，直到出炉为止所需要的时间。它包括工件透热时间和组织转变所需要的时间。

保温时间：按照工件的最大厚度或者条件厚度（二者统称为计算厚度）来确定。

③ 淬火冷却方式

冷却是淬火的关键，冷却的好坏直接决定了钢淬火后的组织和性能。

冷却介质应保证：工件得到马氏体，同时变形小，不开裂。

工件进入淬火介质应采用的操作方法：

（三） 钢的冷处理

 钢的冷处理可以看成是淬火的继续，亦即将淬火后已经冷到室温的工件继续深冷至0℃以下，使淬火保留下来的残余奥氏体继续向马氏体转变，以达到减少或消除残余奥氏体的目的。冷处理主要是针对一些高碳合金工具钢和经渗碳或碳氮共渗的结构零件，为提高其硬度和耐磨性，或为保证尺寸稳定性才采用这一道工序。冷处理应在淬火后及时进行，否则会降低冷处理的效果。

 实践表明，一般情况下，冷处理稳定达到－60℃～－80℃即可满足要求。生产中常用的冷处理介质及达到的温度见下表：

（四） 淬火介质

 钢从奥氏体状态冷至Ms点以下所用的冷却介质叫做淬火介质。介质冷却能力越大，钢的冷却速度越快，越容易超过钢的临界淬火速度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深。但是冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。因此，理想的淬火曲线为：

650℃以上缓冷，以降低热应力；

650～400℃快速冷却，保证全部A不分解；

400℃以下缓冷，减少M转变时的相变应力。

对淬火介质的要求：在500～600℃的中温区具有冷却快，而在低温时具有冷却慢。

常用淬火介质有水、盐水或碱水溶液及各种矿物油等。各种介质的冷却特性如表所示：

 上述几种淬火介质各有优缺点，均不属于理想的冷却介质。水的冷却能力很大，但冷却特性不好；油冷却性能较好，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、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。

（五） 钢的淬透性

①  淬透性的基本概念

 淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层深度来表示。

淬透层的深度：规定为由工件表面至半马氏体区的深度.同样形状和尺寸的工件，用不同的钢材制造，在相同条件下淬火，淬透层较深的钢，其淬透性较好。

 半马氏体区的组织是由50%马氏体和50%分解产物组成的。这样规定是因为半马氏体区的硬度变化显著，同时组织变化明显，并且在酸蚀的断面上有明显的分界线，很容易测试。

淬透性主要取决于钢的临界冷却速度，钢的临界冷却速度又取决于过冷奥氏体的稳定性。

淬透性：钢在淬火时获得马氏体的能力，主要取决于过冷奥氏体的稳定性

淬硬性：钢淬火后形成的马氏体组织所能达到的硬度，主要取决于马氏体中的含碳量

②  淬透性的实际意义

 钢的淬透性是正确选用钢材和制订热处理工艺的重要依据之一。工件在整体淬火条件下，从表面至中心是否淬透，对其机械性能有重要影响。对于不同用途的工件，由于其受力情况不同，对工件表面和心部的机械性能要求不同，因而要求选用不同淬透性的钢种制造。

③  影响淬透性的因素

a. 含碳量

在碳钢中，共析钢的临界冷速最小，淬透性最好；非共析钢中，碳含量偏离共析成分越远，淬透性越低。

b. 合金元素

除Co和大于2.5％Al以外，其余合金元素溶于奥氏体后，都使过冷奥氏体的转变曲线右移，提高钢的淬透性，因此合金钢的淬透性往往比碳钢要好。

c. 奥氏体成分均匀性及晶粒度

奥氏体成分越均匀、晶粒度越大，过冷奥氏体的稳定性越好，因而降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。

d. 钢中未溶第二相

钢中未溶第二相会成为奥氏体分解的非自发形核核心，使临界冷却速度增大，降低淬透性。

e. 奥氏体化温度

提高钢材的奥氏体化温度，将使奥氏体成分均匀、晶粒长大，因而可增大过冷奥氏体的稳定性，降低钢的临界冷却速度，增加其淬透性。但奥氏体晶粒长大，生成的马氏体也会比较粗大，会降低钢材常温下的力学性能。

④   淬火缺陷及其防止

 淬火时最容易产生的缺陷是变形和开裂，其次是氧化与脱碳、硬度不足和软点等缺陷。

a．  淬火变形与开裂

在淬火过程所发生的钢件体积、形状、尺寸的变化通称为淬火变形。当钢件内的淬火应力超过材料的强度极限时便会导致开裂。引起这种现象的根本原因是淬火时在工件中引起的内应力。

当热应力和组织应力的合力超过钢的屈服强度时，工件就发生变形；当两力的合力超过钢的抗拉强度时，工件就发生开裂。

b．  氧化与脱碳

工件在空气等氧化性气氛中加热时，表面会发生氧化现象；钢表面氧化的同时一般都伴随表面脱碳。 

防止工件氧化脱碳的有效措施

• 在保证组织转变的前提下，加热温度应尽可能低，保温时间应尽可能短；

• 采用脱氧良好的盐浴炉、保护气氛炉或真空炉加热；

• 若采用空气电炉或燃烧炉加热时，必须采用适当保护措施，如包套、装箱、控制炉气等。

c．  过热和过烧

工件在淬火加热时，由于加热温度过高或时间过长造成A晶粒粗大的缺陷称为过热；若加热温度太高，使奥氏体晶界局部熔化或发生晶界氧化称为过烧。 过热工件在淬火后得到粗大的马氏体组织，易于引起淬火裂纹。因此，淬火过热的工件强度降低，尤其是冲击韧性、塑性显著下降，易于产生脆性断裂。轻微的过热可用延长回火时间来补救，严重的过热可采用完全退火或正火使晶粒细化。

 过烧使工件性能严重恶化，极易产生热处理裂纹，所以过烧是不允许的热处理缺陷，一旦出现过烧则无法补救，只好报废。由于过热和过烧都是加热温度过高引起的，因此预防的办法是要制定正确的加热温度，并经常检查仪表以保证仪表正常工作。 

d．  硬度不足与不均匀

 淬火钢件硬度不均匀主要表现在钢件表面硬度有明显忽高忽低现象。这种缺陷可能是由了原始组织粗大且不均匀、冷却不均匀等原因造成的。可以通过正火后重新淬火来消除。

3.2钢的回火

 回火是将淬火钢在A₁以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的工艺过程。回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。决定工件回火后的组织和性能的最重要因素是回火温度。根据工件的组织和性能要求，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火等几种。

（一）   回火的种类

（二）  常用回火方式

（三）  回火时钢的强度和塑性

·在回火温度较低时，由于淬火应力的逐渐消除，钢的强度有所升高，但当回火温度高于250℃后，由于渗碳体的析出，钢的强度逐渐降低。在整个回火过程中，钢的塑性都是随着回火温度的升高而逐渐升高的。

·由于低温回火时高碳钢的脆性很大，拉伸试验时发生早期脆断，因此测不出强度值。总的规律一样：钢的强度随着回火温度升高而逐渐降低，钢的塑性随着回火温度的升高而逐渐升高。

·弹性极限值在300～400℃之间出现峰值。高温回火后的弹性极限值低是因为高温回火后钢的强度太低；而低温回火后的弹性极限值低是由于内应力未得到充分消除。

因此，弹簧钢一般在300～400℃回火。