熱處理工藝及水冷爐冷空冷的比較

1、以共析鋼為例: 共析鋼從高溫爐冷變成粗波來鐵空冷變成中波來鐵油冷變成細(xì)波來鐵+麻田散鐵+殘留沃斯田鐵水冷變成麻田散鐵+殘留沃斯田鐵產(chǎn)生殘留沃斯田鐵主要是因?yàn)槔鋮s速度不夠快，及冷卻液的冷卻 能力。鋼在冷卻時的組織轉(zhuǎn)變連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變:過冷奧氏體在一個溫度范圍內(nèi)，隨溫度下 降發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，同樣可用“連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線” “ CCT曲線，C 一continuous ; 5cooling ; T- transformation ” 分析組織轉(zhuǎn)變 過程和產(chǎn)物。共析鋼的“ CCT線”測量過程示意圖如下圖。圖中 Vi （爐冷）、V2 （空冷）、V3 （油冷）、V4 （水冷）代表熱處理中 四種常用的連續(xù)冷卻方式。爐

2、冷Vi：隨爐冷卻（相當(dāng)于退火），比較緩慢，它分別與C 曲線的轉(zhuǎn)變開始和轉(zhuǎn)變終了線相交于 1、2點(diǎn)，這兩點(diǎn)位于C曲線 上部珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域，估計(jì)它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為 珠光體，硬度 170220HBs （珠光體是奧氏體（奧氏體是碳溶解在 y-Fe中的間 隙固溶體）發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。得名 自其珍珠般（pearl-like）的光澤。其形態(tài)為鐵素體薄層和滲碳體 薄層交替重疊的層狀復(fù)相物，也稱片狀珠光體。）空冷上：在空氣中冷卻（相當(dāng)于正火），它分別與C曲線的轉(zhuǎn)變 開始線和轉(zhuǎn)變終了線相交于3、4點(diǎn)，位于C曲線珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域 中下部分，故可判斷其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為 索氏體，硬度2535HRC在中 等

3、硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關(guān)系約為1: 10。（索氏體：鋼經(jīng)正火或等溫轉(zhuǎn)變 所得到的鐵素體與滲碳體的 機(jī)械混合物。屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體組織細(xì)。將淬火鋼在450-600 C進(jìn)行回火，所得到的索氏體稱為回 火索氏體（temperedsorbite ）?；鼗鹚魇象w中的碳化物分散度 很大，呈球狀。故比索氏體具有更好的機(jī)械性能。這就是為什 么多數(shù)結(jié)構(gòu)零件要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）的原因。索氏體，是在光學(xué)金相顯微鏡下放大600倍以上才能分辨片層的細(xì)珠光體，其實(shí)質(zhì)是一種珠光體，是鋼的高溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物， 是片層的鐵素體與滲碳體的雙相混合組織，其層片間距較?。?50350

4、nm）,碳在鐵素體中已無過飽和度，是一種 平衡組織。）油冷U:在油中的冷卻（相當(dāng)于 在油中淬火），與C曲線的轉(zhuǎn)變 開始線交于5、6點(diǎn)，沒有與轉(zhuǎn)變終了線相交，所以僅有一部分過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w，其余部分在冷卻至MS線以下轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏 體組織。因此，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物應(yīng)是 托氏體和馬氏體的混合組織，硬度 4555HRC （托氏體/屈氏體：troostite,奧氏體等溫轉(zhuǎn)變所得到的由鐵素體與滲碳體組成的極彌散的混合物。是一種最細(xì)的珠光體類型組織，其組織比索氏體組織還細(xì)。鋼經(jīng)淬火后在300450 c回火所得到的屈氏體稱為回火屈氏體，是過冷奧氏體 冷卻到350500c左右形成的片間距約為 300800nm勺珠光體

5、。）（馬氏體/麻田散鐵，是純金屬或合金從某一固相轉(zhuǎn)變成另一固相 時的產(chǎn)物；馬氏體最先在淬火鋼中發(fā)現(xiàn)，是由奧氏體轉(zhuǎn)變成的， 是碳在a鐵中的過飽和固溶體。 馬氏體的開始和終止溫度，分別 稱為M始點(diǎn)和M終點(diǎn)；鋼中的馬氏體在顯微鏡下常呈 針狀，并伴有 未經(jīng)轉(zhuǎn)變的奧氏體（殘留奧氏體）；鋼中的馬氏體的硬度隨碳量增 加而增高；高碳鋼的馬氏體的硬度高而脆，而低碳鋼的馬氏體具 有較高的韌性。）水冷V4：在水中冷卻（相當(dāng)于在 水中淬火的），它不與C曲 線相交，過冷奧氏體將直接冷卻至M以下進(jìn)行馬氏體轉(zhuǎn)變。最后 得到馬氏體和殘余奧氏體組織，硬度5565HRC等溫轉(zhuǎn)變“ TTT曲線”在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中的應(yīng)用：由于連續(xù) 冷

6、卻“CCT專變曲線”的測定較為困難，而連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變可以看作 由許多溫度相差很小的等溫轉(zhuǎn)變過程所組成的，所以連續(xù)冷卻轉(zhuǎn) 變得到的組織可認(rèn)為是不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的混合物。故生 產(chǎn)中常用TTT曲線（C曲線）近似地分析連續(xù)冷卻過程。馬氏體:碳在a -Fe中的過飽和固溶體 稱為馬氏體，用符 號M表示。在MS線以下過冷奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱馬氏體轉(zhuǎn)變， 馬氏體轉(zhuǎn)變通常在連續(xù)冷卻時進(jìn)行，是一種低溫轉(zhuǎn)變。 馬氏體組 織形貌：低碳馬氏體組織通常呈 板條狀M高碳馬氏體組織通常呈 針葉狀M馬氏體轉(zhuǎn)變特點(diǎn):馬氏體轉(zhuǎn)變具有不完全性。奧氏體過冷到室溫不能得到全部 馬氏體，而保留一定量的奧氏體，這種在冷卻過程中 發(fā)生相變后

7、 仍在環(huán)境溫度下存在 的奧氏體稱殘余奧氏體。殘余奧氏體不僅 降 低鋼件的硬度和耐磨性，而且影響鋼件的尺寸穩(wěn)定性，要 使殘余 奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，就要將淬火鋼 繼續(xù)冷卻至室溫以下（如 冰柜冷卻至0c以下；干冰+灑精可冷卻至-78C；液氮可冷卻至 -183C）,即冷處理。馬氏體轉(zhuǎn)變的速度極快，屬非擴(kuò)散型相變，,般不需要孕育期。馬氏體轉(zhuǎn)變會引起鋼的體積膨脹。由于馬氏體的比容比奧氏 體大，通常又是在較大的冷卻速度下發(fā)生轉(zhuǎn)變，鋼件內(nèi)外溫差大， 所以會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，這是導(dǎo)致淬火鋼出現(xiàn) 變形和開裂的主 要原因。貝氏體，也稱變韌鐵，是由奧氏體在珠光體溫度范圍以下和馬氏體點(diǎn)（馬氏體轉(zhuǎn)變開始的溫度）以上的

8、溫度范圍內(nèi)分解而成的鐵素體和滲碳體的混合體。貝氏體分為兩種，在較高溫度（350 550C）形成的稱“上貝氏體”，其組織在光學(xué)顯微鏡下呈 羽毛狀; 在較低溫度形成的稱“下貝氏體”，其組織在光學(xué)顯微鏡下呈 針狀或竹葉狀。貝氏體由于碳化物顆粒周圍受腐蝕而變得比較粗糙, 故在顯微鏡下呈黑色。1）退火：等溫退火將奧氏體化后的鋼快冷至珠光體形成溫度等溫保溫，使 過冷奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，空冷至室溫。球化退火將過共析碳鋼加熱到Ac1以上2030 C/呆溫24h , 使片狀滲碳體發(fā)生不完全溶解斷開成細(xì)小的鏈狀或點(diǎn)狀，彌散分 布在奧氏體基體 上，隨后的緩冷過程中，或以原有的細(xì)小的滲碳 體質(zhì)點(diǎn)為核心，或在奧氏體中富

9、碳區(qū)域產(chǎn)生新的核心，形成 均勻 的顆粒狀滲碳體。均勻化退火（擴(kuò)散退火） 將工件加熱到1100 C左右，保溫10 15h ,隨爐緩冷到350 C,再出爐空冷。工件經(jīng)均勻化退火后， 奧氏體晶粒十分粗大，必須進(jìn)行一次完全退火或正火來細(xì)化晶粒， 消除過熱缺陷.去應(yīng)力退火將工件隨爐緩慢加熱到500650 C,保溫，隨爐緩 慢冷卻至200 C出爐空冷。主要用于消除加工應(yīng)力。再結(jié)晶退火將材料加熱至再結(jié)晶溫度以上，保溫后 緩慢冷卻的工 藝方法。完全退火用于亞共析碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件； 等溫退火用于奧 氏體比較穩(wěn)定的合金鋼；球化退火用于共析鋼、過共析鋼和合金 工具鋼；均勻化退火用于高質(zhì)量要求的優(yōu)質(zhì)高合金鋼的鑄

10、錠和成 分偏析嚴(yán)重的合金鋼鑄件；去應(yīng)力退火用于鑄件、鍛件、焊接件、 冷沖壓件及機(jī)加工件；再結(jié)晶退火主要用于去除加工硬化 殘留應(yīng)力退火處理有殘留應(yīng)力的存在，若未經(jīng)適當(dāng)應(yīng)力退火處理，在不當(dāng)?shù)谋┞鹅?熱源下，會產(chǎn)生變形的現(xiàn)象，另外殘余應(yīng)力經(jīng)常時高度集中在某 一局部區(qū)域，因此會 局部降低制品的機(jī)械強(qiáng)度。為避免這些問題, 我們必須采用殘余應(yīng)力退火處理。此處理是將制品緩慢而均勻的 加熱至一低於向變化點(diǎn)之溫度，然后置於此溫度一段時間，再緩 慢而均勻的逐步冷卻下來，在此過程中最重要的是必須保持制品 各區(qū)域之冷卻速度相同，否則冷卻后，由於各區(qū)冷卻速率的差異， 會再度造成殘余應(yīng)力的出現(xiàn)。應(yīng)力退火是利用原子在高溫有

11、微小潛變的現(xiàn)象，來重組原子位置 以消除應(yīng)力的存在。因此材料應(yīng)力退火溫度隨著材料之高溫潛變 能力不同而有所變化。去應(yīng)力退火處理 主要的目的，在於 清除因鍛造、鑄造、機(jī)械加工 或焊接所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，這種殘存應(yīng)力常導(dǎo)致工件強(qiáng)度降低、 經(jīng)久變形，并對材料韌性、延展性有不良影響，因此弛力退火熱 處理對於尺寸經(jīng)度要求嚴(yán)格的工件、有安全顧慮的機(jī)械構(gòu)件非常 重要。弛力退火的熱處理程序系將工件加熱到A1點(diǎn)以下的適當(dāng)溫度， 保持一段時間（不需像軟化退火熱處理那麼久）后，徐 緩冷至室 溫。特別需要注意的是，加熱時的速度要緩慢，尤其是大型物件 或形狀復(fù)雜的工件更要特別注意，否則弛力退火的成效會大打折 扣。正火保溫后

12、的冷卻，一般可在空氣中冷卻，但一些大型工件或在 氣溫較高的夏天，有時也采用 吹風(fēng)或噴霧冷卻正火后組織與性能正火實(shí)質(zhì)上是退火的一個特例 。兩者不同之處，主要在于正火 冷卻速度較快 ，過冷度較快，因而發(fā)生了 偽共析 轉(zhuǎn)變，使組織中 珠光體增多 ，且 珠光體的片層間距變小 。 正火 后的 強(qiáng)度、硬度、韌性 都比退火后的 高 ，且塑性也并不降低。正火的應(yīng)用正火與退火相比，鋼的 機(jī)械性能高，提價簡便，生產(chǎn)周期短，能耗少 ，故在可能條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用正火處理。目前的應(yīng)用如下：1. 作為普通結(jié)構(gòu)零件的 最終熱處理2. 改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性3. 作為 中碳 結(jié)構(gòu)鋼制作的較重要零件的 預(yù)先熱處

13、理。4. 消除過共析鋼中風(fēng)狀二次滲碳體，為 球化退火作好組織準(zhǔn)備5. 一些大型的或形狀較復(fù)雜的零件， 淬火可能有開裂的危險， 正火也往往代替淬火、回火處理 ，而作為這類零件的最終熱處理。為了 增加低碳鋼的硬度 ，可 適當(dāng)提高正火溫度。制程退火 ：由於材料經(jīng)過相等程度冷加工 后，會有 加工硬化 的現(xiàn)象，以至無法做進(jìn)一步的加工。因此我們必須於制程中加入一退火步驟來消除此種不利的加工硬化現(xiàn)象。此類退火處理統(tǒng)稱為制程退火。球化處理在退火處理后能獲得球狀之碳化物之一種處理。一般可采用以下幾種方法得到。a. 長時間熱浸置於略低於Ae 之溫度 。b. 輪番加熱及冷卻於Ae 溫度上下 最好 剛剛高於 Ac 及

14、低於 Ar c. 加熱至高於Ac ，然后慢慢在 爐中冷卻 ，或 停留 Ar 一長時間 。均勻化處理（ Homogenization ）利用在高溫進(jìn)行長時間加熱，使內(nèi)部的化學(xué)成分充分?jǐn)U散，因此又稱為 擴(kuò)散退火 。加熱溫度會因鋼材種類有所差異， 大鋼錠 通常在 1200 至 1300 之間進(jìn)行均勻化處理， 高碳鋼 在 1100 至 1200 之間， 而 一般鍛造或軋延之鋼材則在1000 至 1200 間進(jìn)行熱處理。球化退火 主要的目的，希望藉由熱處理使鋼鐵材料內(nèi)部的 層狀或網(wǎng)狀碳化物凝聚成為球狀 ，使 改善 鋼材之 切削性能及加工塑性，特別是高碳的工具鋼更是需要此種退火處理。常見的球化退火處理包括

15、： （ 1 ）在鋼材 A1 溫度的上方、 下方反覆加熱、 冷卻數(shù)次 ，使 A1 變態(tài)所析出的雪明碳鐵， 繼續(xù)附著成長在上述球化的碳化物上；（ 2 ）加熱至鋼材A3 或 Acm 溫度上方， 使碳化物完全固溶於沃斯田體后急冷 ，再依上述方法進(jìn)行球化處理。使碳化物球化，尚可增加鋼材的淬火后韌性、防止淬裂，亦可改善鋼材的淬火回火后機(jī)械性質(zhì)、提高鋼材的使用壽命。軟化退火熱處理將工件加熱到 600 至 650 范圍內(nèi)（ A1 溫度下方） ，維持一段時間之后 空冷 ，其主要目的在於使以 加工硬化的工件再度軟化、回復(fù)原先之韌性 ，以便能再進(jìn)一步加工。此種熱處理方法常在冷加工過程反覆實(shí)施，故 又稱之為制程退火

16、。大部分金屬在冷加工 后，材料 強(qiáng)度、硬度會隨著加工量漸增而變大，也因此導(dǎo)致材料延性降低、材質(zhì)變脆 ，若需要再進(jìn)一步加工時，須先經(jīng)軟化退火熱處理才能繼續(xù)加工。工件如何獲得性能優(yōu)異之微細(xì)波來體結(jié)構(gòu)？退火處理會使鋼材 變軟，淬火處理會使鋼材變硬，正?；?理，則可獲得層狀波來鐵組織，可有效改善鋼材的切削性及耐磨 性，同時又兼具不會產(chǎn)生裂痕、變形量少與操作方便 等優(yōu)點(diǎn)。然 而正?；幚硎潜容^難的一種熱處理技術(shù)，因?yàn)樗捎每绽涞姆?式冷卻，會受到 許多因素而影響空冷效果，例如夏天和冬天之冷 卻效果不同、工件大小對空冷速率有別、甚至風(fēng)吹也會影響冷卻 速率。因此正?；幚硪褂酶鞣N方法來維持均一性，可利用

17、遮 陽、圍幕、坑洞、風(fēng)扇等。正?；幚砼c退火處理之差異正?；幚砑訜嶂罙3點(diǎn)或Acm點(diǎn)以上4060 C保持一段時間， 使鋼材組織變成均勻的沃斯田鐵結(jié)構(gòu)后，在靜止的空氣中冷卻至 室溫的熱處理程序。對 亞共析鋼而言，可獲得晶粒細(xì)化的目的而 擁有好的強(qiáng)度與韌性；對過共析鋼而言，則可防止雪明碳鐵在沃 斯田鐵晶粒邊界上形成網(wǎng)狀析出，以 降低材料的韌性。完全退火處理主要目的是要軟化鋼材、改善鋼材之切削性，其熱 處理程序?yàn)榧訜嶂罙3點(diǎn)以上2030 C （亞共析鋼）或A1點(diǎn)以 上3050 C持溫一段時間，使形成完全沃斯田鐵組織后（或沃斯 田體加雪明碳體組織），在 A1點(diǎn)下方50 c使充分發(fā)生波來體變 態(tài)，獲至

18、軟化的鋼材。如何消除工件之殘留應(yīng)力？應(yīng)力消除退火在變態(tài)點(diǎn)以下450650 C加熱一段時間后徐徐冷 卻至室溫，可消除鋼材內(nèi)部在切削、沖壓、鑄造、熔接過程所產(chǎn) 生的殘留應(yīng)力。對碳鋼而言，參考的加熱溫度為625 25 C ;對 合金鋼而言，參考的加熱溫度為700 25 C。持溫時間亦會有所差異，對 碳鋼 而言，保持時間為 每 25mm 厚度持溫 1 小時 ；對 合金鋼 而言， 保持時間為每 25mm 厚度持溫 2 小時 ， 以 25mm 以 275 / 小時以下的冷卻速率冷卻之。如何預(yù)防加熱變形？預(yù)防加熱變形的發(fā)生，最好是緩慢加熱 ，并 實(shí)施預(yù)熱 處理。一般鋼材在選擇預(yù)熱溫度時，可依下列準(zhǔn)則來選定預(yù)

19、熱溫度：（ 1 ）以 變態(tài)點(diǎn)以下作為預(yù)熱溫度，例如普通鋼約在650700 ，高速鋼則 800850 左右。（ 2 ）以 500 左右 作為預(yù)熱溫度。（ 3 ） 二段式預(yù)熱 ，先在 500 左右作第一段預(yù)熱 ，保持一段時間充分預(yù)熱后，在將預(yù)熱溫度調(diào)高至 A1 變態(tài)點(diǎn)以下 。（ 4 ） 三段式 預(yù)熱，針對含有高含量合金之大型鋼材，例如高速鋼，有時需要在10001050作第三段預(yù)熱。1 完全退火 又稱 重結(jié)晶退火 ，一般簡稱為退火，這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄，鍛件及熱軋型材，有時也用于焊接結(jié)構(gòu)。一般常作為一些 不重工件的最終熱處理 ，或作為某些工件的預(yù)先熱處理。2 球化退火 主

20、要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼（如制造刃具，量具，模具所用的鋼種）。其主要目的在于 降低硬度，改善切削加工性 ，并為以后 淬火作好準(zhǔn)備。3 去應(yīng)力退火 又稱 低溫退火 （或 高溫回火 ），這種退火主要用來消除鑄件，鍛件，焊接件，熱軋件，冷拉件等的 殘余應(yīng)力 。如果這些應(yīng)力不予消除，將會引起鋼件在一定時間以后，或在隨后的切削加工過程中產(chǎn)生變形或裂紋。二淬火時，最常用的 冷卻介質(zhì)是鹽水，水和油 。 鹽水淬火 的工件， 容易得到 高的硬度和光潔的表面， 不容易產(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn)，但卻 易使工件變形嚴(yán)重 ，甚至發(fā)生 開裂 。而用 油 作淬火介質(zhì)只適用于過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較大的一些合金鋼或 小尺寸的碳鋼

21、工件的淬火。1. 鋼的退火是將鋼加熱到 發(fā)生相變或部分相變的溫度 ，經(jīng)過 保溫后緩慢冷卻 的熱處理方法。退火的目的，是為了 消除組織缺陷 ，改善組織 使成分均勻化 以及 細(xì)化晶粒 ，提高鋼的力學(xué)性能， 減少殘余應(yīng)力 ；同時可 降低硬度，提高塑性和韌性 ，改善切削加工性能。故退火是屬于 半成品熱處理 ，又稱 預(yù)先熱處理。2. 鋼的正火是將鋼加熱到 臨界溫度以上 ，使鋼全部轉(zhuǎn)變?yōu)?均勻的奧氏體 ，然后在 空氣中自然冷卻 的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網(wǎng)狀滲碳體，對于亞共析鋼正火可細(xì)化晶格，提高綜合力學(xué)性能，對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經(jīng)濟(jì)的。鑄鐵之弛力退火處理內(nèi)應(yīng)力發(fā)生的主要原因 在於鑄件的 內(nèi)部肉厚不同 ，在急速冷卻過程中由於熱降的差異發(fā)生， 肉厚不同會使每一個不分的收縮各異 ，因而引起了所謂內(nèi)應(yīng)力， 冷的部分具有較高的潛變長度，而熱的部分其長度較低， 故熱的部分就會在冷的部分收縮后形成熱點(diǎn)造成部份的變形， 變形部分之強(qiáng)度， 隨著 變形度的增加而提高， 最后再不能