二、鋼的熱處理

金屬材料在固體范圍內(nèi)進行加熱、保溫和冷卻，以改變其內(nèi)部組織，獲得所需性能的一種方法稱熱處

理。

熱處理的種類很多，根據(jù)其目的、加熱和冷卻方法的不同，可以分為：普通熱處理、表面熱處理及其

他熱處理方法。普通熱處理有退火、正火、淬火、回火；表面熱處理有表面淬火（感應加熱、火焰加熱等）、

化學熱處理（滲碳、滲氮等）；其他熱處理有真空熱處理、變形熱處理和激光熱處理等。

圖1?34熱處理工藝曲線示意圖

一、鋼的普通熱處理

根據(jù)加熱及冷卻的方法不同，獲得金屬材料的組織及性能也不同。普通熱處理可分為退火、正火、淬

火和回火四利1普通熱處理是鋼制零件制造過程中非常重要的工序。

退火

1.退火工藝及其目的

退火是將工件加熱到適當溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝，實際生產(chǎn)中常采取隨爐

冷卻的方式。

退火的主要目的：①降低硬度，改善鋼的成形和切削加工性能；②均勻鋼的化學成分和組織：③消除

內(nèi)應力。

2.常用退火工藝方法

根據(jù)處理的目的和要求的不同，鋼的退火可分為完全退火、球化退火和去應力退火等。表1-4為主要退

火工藝方法及其應用。

表1-4常用退火方法的工藝、目的與應用

名稱工藝目的應用

將鋼加熱至Act以上30Toe，保細化晶粒，消除過熱組織，生要用于亞共析鋼

完全退火溫?定時間，爐冷至室溫降低硬度和改善切削加工性的鑄、鍛件，有時也

（或爐冷至6C0C以下,出爐空冷）能用于焊接結(jié)構(gòu)

使鋼中的滲碳體球狀化，以降低

將鋼加熱至Aci以上20?40'C,

鋼的硬度，改善切削加工性，并

保溫一定時間，爐冷至室溫，或

為以后的熱處理做好組織準備。主要用于共析鋼和

球化退火快速冷至略低于A口溫度，保溫

若鋼的原始組織"J.嚴重的滲碳過共析鋼

后出爐空冷，使鋼中碳化物球狀

體網(wǎng)，則在球化退火前應進行正

化的退火工藝

火消除，以保證球化退火效果

將鋼加熱到略低于同相線溫度主要用于質(zhì)量要求

均勻化退火使鋼的化學成分和組織均勻

（AC3或Aeon以上I5O~3（X）€C）,高的合金鑄錠、鑄件

（擴散退火）化

長時間保溫（E）~15h）,隨爐冷卻。或假胚

將鋼加熱至Aci以下某一溫度主要用于消除鑄、毀、

去應力退火

（一般約為500~600C）,保溫一為了消除殘余應力焊接件、冷沖壓件以及

（低溫退火）

段時間，然后爐冷至室溫加U川工件中的殘余國力

將鋼加熱至再結(jié)晶溫度以上

為了消除冷變形強化，改善主要用于經(jīng)冷變形

再結(jié)晶退火100-200保溫一定時間，然

塑性的鋼

后隨爐冷卻

正火

1.正火工藝及其目的

正火是將鋼加熱到AC3（或Acm）以上30?50C,保溫一定時間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝。

對于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，可采用更高的加熱溫度（AC3+IOO~15O℃）,為了消除過

共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，亦可酌情提高加熱溫度，讓碳化物充分溶解。其主要目的是：

<1）對力學性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件，可用正火作為最終熱處理，以提高其強度、硬度和韌性。

（2）對低、中碳素鋼，可用正火作為預備熱處理，以調(diào)整硬度，改善切削加工性

（3）對「過共析鋼，止火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成，為球化退火作好組織準備

2.退火與正火的選用

正火與退火的主要差別是，前者冷卻速度較快，得到的組織比較細小，強度和硬度也稍高一些。

（1）從改善鋼的切削加工性能方面考慮。一般認為，鋼的硬度在170?230HBs時具有良好的切削加工

性能。

（2）從使用性能方面考慮。一些受力不大的工件，力學性能要求不高，可用正火作為最后熱處理，對

某些大型或形狀復雜的零件，當淬火有開裂的危險時，可用正火代替淬火、回火處理。

（3）從經(jīng)濟性方面考慮。由于正火比退火生產(chǎn)周期短，操作簡便，工藝成本低。因此。在滿足鋼的使

用性能和工藝性能的前提下，應盡可能用正火代替退火。

淬火

淬火是將鋼件加熱到奧氏體化后以適當方式冷卻，獲得馬氏體或（和）貝氏體組織的熱處理工藝。淬火

可以顯著提高鋼的強度和硬度，是賦予鋼件最終性能的關(guān)鍵性工序。

1.淬火工藝

（I）淬火加熱溫度：鋼的淬火加熱溫度可按Fe-Fe3c相圖1圖1-20）來選定。

①亞共析鋼：亞共析鋼淬火加熱溫度一般在AC3以上30?50℃,得到單一細晶粒的奧氏體，淬火后為

均勻細小的馬氏體和少量殘留奧氏體。若加熱溫度在As?AC3之間，淬火后組織為鐵素體、馬氏體和少量

殘留奧氏體，由于鐵素體的存在，鋼的硬度降低。若加熱溫度超過AC3+30?5（）℃,奧氏體晶粒粗化，淬火

后得到粗大的馬氏體，鋼性能變差，且淬火應力增大，易導致變形和開裂。

②共析鋼和過共析鋼：共析鋼和過共析鋼的淬火溫度為Ac1以上30?50℃,淬火后得到細小的馬氏體和

少量殘留奧氏體，或細小的馬氏體、少量滲碳體和殘留奧氏體。由F滲碳體的存在，鋼的硬度和耐磨性提

高。若加熱溫度在ACcm以上，由于滲碳體完全溶于奧氏體，奧氏體含碳量提高，淬火后殘留奧氏體量增多，

鋼的硬度和耐磨性降低。此外，因溫度高，奧氏體晶粒粗化，淬火后得到粗大的馬氏體，脆性增大。若加

熱溫度低于Aci點，組織沒發(fā)生相變，達不到淬火目的。

實際生產(chǎn)中，淬火加熱溫度的確定，尚需要考慮工件形狀尺寸、淬火冷卻介質(zhì)和技術(shù)要求等因素。

（2）淬火冷卻介質(zhì)

工件進行淬火冷卻所用的介質(zhì)稱為冷卻介質(zhì)。為保證工件淬火后得到馬氏體，又要減小變形和防止開裂,

必須正確選用冷卻介質(zhì)。

表1-5常用的幾種冷卻介質(zhì)生對比

名稱水油食鹽水溶液堿水溶液

水價廉易得，且具在300?200'C冷卻能力提高到約在650?400C溫度

有較強的冷卻能力。溫度范圍內(nèi)，冷卻為水的十倍，而且最范圍內(nèi)冷卻速度比食

使用安全，無燃燒、速度遠小于水，這大冷卻速度所在溫度鹽水溶液還大，而在

優(yōu)點

腐蝕等危險對減少淬火工件的正好處于650?4009300?200t溫度范圍

變形與開裂的是很溫度范圍內(nèi)內(nèi)，冷卻速度比食鹽水

有利的溶液稍低

缺點在650?400c范在650?400c在300—200C溫度腐獨性大

圍內(nèi)需要快冷時，水溫度范圍內(nèi)，冷卻范圍內(nèi)的冷卻速度過

的冷卻速度相對比速度比水小得多大，使淬火工件中相

較?。?00?200c范變應力增大，而且食

圍內(nèi)需要慢冷時，其鹽水溶液對工件有一

冷卻速度又相對較定的銹蝕作用，淬火

大后工件必須清洗干凈

主要用于形狀簡單主要用于易產(chǎn)生淬

應用主要用于碳素鋼主要用于合金鋼而尺寸較大的低、中火裂紋的零件

碳素鋼零件

目前，一些冷卻特性接近于理想淬火介質(zhì)的新型淬火介質(zhì)，如水玻璃-堿水溶液、過飽和硝鹽水溶液、

氧化鋅?堿水溶液、合成淬火劑等已被廣泛使用。

回火

1.回火工藝

回火是將鋼件淬硬后，再加熱到AC1以下某一溫度，保溫后冷卻到室溫的熱處理”回火一般在淬火后

隨即進行。淬火與回火常作為零件的最終熱處理。

2.回火目的

（1）減小和消除淬火時產(chǎn)生的應力和脆性，防止和減小工件變形和開裂；

（2）獲得穩(wěn)定組織，保證工件在使用中形狀和尺寸不發(fā)生改變；

（3）獲得工件所要求的使用性能。

3.淬火鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火后鋼的組織是不穩(wěn)定的，具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向?；鼗鸺铀倭俗园l(fā)轉(zhuǎn)變的過程。淬火鋼

在回火時，隨著溫度的升高，組織轉(zhuǎn)變可分四個階段。

第一階段（80?200C）：馬氏體分解

馬氏體內(nèi)過飽和的碳原子，以￡碳化物形式析出，使馬氏體的過飽和度降低?！晏蓟锸菑浬⒍葮O高

的薄片狀組織。這種馬氏體和￡碳化物的回火組織稱回火馬氏體。此階段鋼的淬火內(nèi)應力減小，韌性改善,

但硬度并未明顯降低。

第二階段（200?300℃）：殘余奧氏體分解

在馬氏體分解的同時，降低了對殘余奧氏體的壓力，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w。這個階段轉(zhuǎn)變后的組織是

卜?貝氏體和回火馬氏體。淬火內(nèi)應力進一步降低，但馬氏體分解造成硬度降低，被殘余奧氏體分解引起的

硬度升高所補償，故鋼的硬度降低并不明顯。

第三階段（300?400C）：馬氏體分解完成和滲碳體的形成

馬氏體繼續(xù)分解，直至過飽和的碳原子幾乎全部由固溶體內(nèi)析出。與此同時，￡碳化物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闃O

細的穩(wěn)定碳化物Fe3C,此階段到400C全部完成，形成尚未再結(jié)晶的針狀鐵素體和細球狀滲硬體的混合組

織，稱為回火托氏體。此時鋼的淬火內(nèi)應力基本消除，硬度有所降低。

第四階段（400C以上）：固溶體的再結(jié)晶與滲碳體的聚集長大

溫度高于400℃后，固溶體發(fā)生回復與再結(jié)晶，同時滲碳體顆粒不斷聚集長大。當溫度高于500℃時,

形成塊狀鐵素體與球狀滲碳體的混合組織，稱為回火索氏體。綱的硬度、強度不斷降低，但韌性卻明顯改

善。

必須指出：以上四個階段是在不同溫度范圍進行的，但四個溫度范圍有交叉，所以鋼在回火以后所表

現(xiàn)出的性能是這些變化的綜合結(jié)果。

4.回火種類及應用

按回火溫度不同，回火分為以下三種：

（I）低溫回火（150~250℃）

回火后組織為回火馬氏體。其目的是減小淬火應力和脆性，保持淬火后的高硬（58?64HRC）和耐磨性。

主要用于處理量具、刃具、模具、滾動軸承以及滲碳、表面淬火的零件。

（2）中溫回火（350?500℃）

回火后組織為回火托氏體。其目的是獲得高的彈性極限、屈服點和較好的韌性。硬度一般為35?50HRC。

主要用于處理各種彈簧、鍛摸等。

（3）高溫回火（500?650C）

鋼件淬火并高溫回火的復合熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì)。調(diào)質(zhì)后的組織為回火索氏體，硬度一般為200?

35CHBS。其目的是為獲得強度、烈性、韌性都較好的綜合力學性能。廣泛用于各種重要結(jié)構(gòu)件（如軸、齒

輪、連桿、螺栓等），也可作為某些精密零件的預先熱處理。

鋼的表面熱處理

象齒輪、軸等這類承受彎扭交變應力及沖擊載荷的零件，其表面的應力高于內(nèi)部應力，并且還要承受

磨損破壞，因此要求這類零件表面具有高的強度、硬度、耐磨性和抗疲勞性，而心部又要具有足夠的塑性

和韌性。這就需要進行表面熱處理。表面熱處理分為表面淬火處理和化學熱處理兩種。

鋼的表面淬火

表面淬火是通過快速加熱鋼件表層達到淬火溫度，不等熱量傳至內(nèi)部就立即淬火冷卻，從而使表面層

獲得高硬度、高耐磨性的馬氏體組織，而內(nèi)部仍保持為原始的紐織狀態(tài)及性能的熱處理方法。為保證表層

及內(nèi)部的組織與性能，表面淬火鋼一般取含碳量0.40%-0.50%鋼材為宜。

根據(jù)加熱方法不同，表面淬火方法有：感應加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火及激光加熱表面淬火等。

最常用的是感應加熱表面淬火。

1.感應加熱表面淬火的種類及應用范圍

感應加熱表面淬火的種類及應用范圍如表1-6所示：

表1-6感應加熱種類及應用

感應加熱類型常住頻率?般淬硬層深度/mm應用范圍

中小模數(shù)齒輪及中小尺寸的軸

高頻感應加熱200-1000KHZ0.5?2.5

類零件

中頻感應加熱2500-8000HZ2~10較大尺寸的軸和大中模數(shù)齒輪

較大直徑零件穿透加熱，大直徑

工頻感應加熱50HZ10?20

零件如軋根、火車車輪的表面淬火

超音頻感應加熱