钢材的常用热处理工艺技术或钢材热处理技术与工艺方法

1.退火与正火

退火和正火是生产中应用较广泛的预备热处理工艺，安排在铸造、锻造之后，切削加工之前，用以消除前一工序所带来的某些缺陷，为随后的工序做准备。例如，经铸造、锻造等热加工以后，工件中往往存在残余应力、硬度偏高或偏低、组织粗大、成分偏析等缺陷，这样的工件其力学性能低劣，不利于切削加工成型，淬火时也容易造成变形和开裂。经过适当的退火或正火处理可以消除工件的内应力，调整硬度，以改善切削加工性能，使组织细化、成分均匀，从而改善工件的力学性能并为随后的淬火做准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可做最终热处理。

（1）退火

退火是将钢件加热、保温，然后随炉或埋入灰中使其缓慢冷却的热处理工艺。由于退火的具体目的不同，故其工艺方法有多种，常用的有以下几种。

1）完全退火：它是将亚共析钢加热到铁素体向奥氏体转变的实际临界温度Ac3以上30℃～50℃，保温后缓慢冷却，以获得接近平衡状态的组织。完全退火主要用于铸钢件和重要锻件。铸钢件在铸态下晶粒粗大，塑性、韧性较差；锻件因锻造时变形不均匀，致使晶粒和组织不均，且存在内应力。完全退火还可降低硬度，改善切削加工性。

完全退火的原理是钢件被加热到Ac3以上时，呈完全奥氏体化状态，初始形成的奥氏体晶粒非常细小，缓慢冷却时，通过“重结晶”使钢件获得细小晶粒，并消除了内应力。必须指出，应严格控制加热温度，防止温度过高，否则奥氏体晶粒将急剧增大。

2）球化退火：它主要用于过共析钢件。过共析钢经过锻造以后，其珠光体晶粒粗大，且存在少量二次渗碳体，致使钢的硬度高、脆性大，进行切削加工时易磨损刀具，且淬火时容易产生裂纹和变形。

球化退火时，将钢加热到珠光体向奥氏体转变的实际临界温度Ac1以上20℃～30℃。此时，初始形成的奥氏体内及其晶界上尚有少量未完全溶解的渗碳体，在随后的冷却过程中，奥氏体经共析反应析出的渗碳体便以未溶渗碳体为核心，呈球状析出，分布在铁素体基体之上，这种组织称为“球化体”。它是对淬火前过共析钢最期望的组织。因为车削片状珠光体时容易磨损刀具，而球化体的硬度低，故可节省刀具。必须指出，对二次渗碳体呈严重网状的过共析钢，在球化退火前应先进行正火，以打碎渗碳体网状结构。

3）去应力退火：它是指将钢加热到500℃～650℃，保温后缓慢冷却的热处理工艺。由于加热温度低于临界温度，因而钢未发生组织转变。去应力退火主要用于部分铸件、锻件及焊接件，有时也用于精密零件的切削加工，使其通过原子扩散及塑性变形消除内应力，防止钢件产生变形。

（2）正火

正火是将钢加热到铁素体向奥氏体转变的实际临界温度Ac3以上30℃～50℃（亚共析钢）或渗碳体向奥氏体转变的实际临界温度Acm以上30℃～50℃（过共析钢），保温后在空气中冷却的热处理工艺。

正火和完全退火的作用相似，也是将钢加热到奥氏体区，使钢进行重结晶，从而解决铸钢件、锻件晶粒粗大和组织不均匀的问题。但正火比退火的冷却速度稍快，形成了索氏体组织。索氏体比珠光体的强度、硬度稍高，而韧性并未下降。正火主要用于以下几种情况。

1）取代部分完全退火。正火是在炉外冷却，占用设备时间短、生产率高，故应尽量用正火取代退火（如低碳钢和含碳量较低的中碳钢）。必须看到，含碳量较高的钢，正火后硬度过高，使切削加工性变差，且正火难以消除内应力。因此，中碳合金钢、高碳钢及复杂件仍以退火为宜。

2）用于普通结构件的最终热处理。

3）用于过共析钢的热处理，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出。

图1-8所示为几种退火和正火的加热温度范围示意图。

2.淬火与回火

淬火和回火是强化钢最常用的工艺。通过淬火，再配以不同温度的回火，可使钢获得所需的力学性能。

（1）淬火

淬火是指将钢加热到Ac3或Ac1以上30℃～50℃（见图1-9），保温后在淬火介质中快速冷却，以获得马氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的强度、硬度和耐磨性。淬火是钢件强化最经济有效的方法之一。

图1-8　几种退火和正火的加热温度范围

图1-9　碳钢的淬火加热温度范围

由于马氏体形成过程伴随着体积膨胀，导致淬火件产生了内应力，而马氏体组织通常脆性又较大，这些都使钢件淬火时容易产生裂纹或变形。为防止上述淬火缺陷的产生，除应选用适合的钢材和正确的结构外，在工艺上还应采取以下措施。

1）严格控制淬火加热温度。对于亚共析钢，若淬火加热温度不足，会因未能完全形成奥氏体致使淬火后的组织中除马氏体外，还残存少量铁素体，使钢的硬度不足；若加热温度过高，会因奥氏体晶粒长大，淬火后的马氏体组织也粗大，增加钢的脆性，致使钢件裂纹和变形的倾向加大。对于过共析钢，若超过图1-9所示的温度，不仅不会使钢的硬度增加，而且会导致裂纹和变形的倾向加大。

2）合理选择淬火介质，使其冷却速度略大于临界冷却速度vk。淬火时钢的快速冷却是依靠淬火介质来实现的。水和油是最常用的淬火介质。水的冷却速度快，使钢件易于获得马氏体，主要用于碳素钢；油的冷却速度较水慢，用它淬火时，钢件产生裂纹和变形的倾向小。合金钢淬透性较好，以在油中淬火为宜。

3）正确选择淬火方法。生产中最常用的是单介质淬火法，它是在一种淬火介质中连续冷却到室温的方法，由于操作简单，便于实现机械化和自动化生产，故应用最广。对于容易产生裂纹、变形的钢件，有时采用先水后油双介质淬火法或分级淬火等其他淬火法。

（2）回火

将淬火的钢重新加热到Ac1以下某温度，保温后冷却到室温的热处理工艺，称为回火。回火的主要目的是消除淬火内应力，以降低钢的脆性，防止产生裂纹，同时也使钢获得所需的力学性能。

淬火所形成的马氏体是在快速冷却条件下被强制形成的不稳定组织，因而具有重新转变成稳定组织的自发趋势。回火时，由于被重新加热，原子活动能力加强，所以随着温度的升高，马氏体中过饱和碳将以碳化物的形式析出。总的趋势是回火温度越高，析出的碳化物越多，钢的强度、硬度下降，而塑性、韧性升高。

根据回火温度的不同，可将钢的回火分为以下三种。

1）低温回火（250℃以下）。其目的是降低淬火钢的内应力和脆性，但基本保持淬火所获得的高硬度（56～64 HRC）和高耐磨性。淬火后低温回火用途最广，主要用于各种刀具、模具、滚动轴承和耐磨件等。

2）中温回火（250℃～500℃）。其目的是使钢获得高弹性，保持较高的硬度（35～50 HRC）和一定的韧性。中温回火主要用于弹簧、发条和锻模等。

3）高温回火（500℃以上）。淬火并高温回火的复合热处理工艺称为调质处理。它广泛用于承受循环应力的中碳钢重要件，如连杆、曲轴、主轴、齿轮、重要螺钉等。调质后的硬度为20～35 HRC，这是由于调质处理后其渗碳体呈细粒状，与正火后的片状渗碳体组织相比，在载荷作用下不易产生应力集中，从而使钢的韧性显著提高，因此经调质处理的中碳钢可获得强度及韧性都较好的综合力学性能。

3.表面热处理

机械中的许多零件都是在弯曲和扭转等交变载荷、冲击载荷的作用或强烈摩擦的条件下工作的，如齿轮、凸轮轴、机床导轨等，要求金属表层具有较高的硬度，以确保其耐磨性和抗疲劳强度，而芯部具有良好的塑性和韧性，以承受较大的冲击载荷。为满足零件的上述要求，生产中常采用表面热处理方法。表面热处理可分为表面淬火和化学热处理两大类。

（1）表面淬火

表面淬火是指通过快速加热，使钢的表层很快达到淬火温度，在热量来不及传到钢件芯部时就立即淬火，从而使表层获得马氏体组织，而芯部仍保持原始组织。表面淬火的目的是使钢件表层获得高硬度和高耐磨性，而芯部仍保持原有的良好韧性，常用于机床主轴、发动机曲轴、齿轮等。

表面淬火所采用的快速加热方法有多种，如电感应加热、火焰加热、电接触加热和激光加热等。目前应用最广泛的是电感应加热法。

电感应加热表面淬火法就是在一个感应线圈中通以一定频率的交流电（有高频、中频、工频三种），使感应线圈周围产生频率相同、方向相反的感应电流，这个电流称为涡流。由于集肤效应，涡流主要集中在钢件表层。由涡流所产生的电阻热使钢件表层被迅速加热到淬火温度，随即向钢件喷水，将钢件表层淬硬。

感应电流的频率越高，集肤效应越强烈，故高频感应加热用途最广。高频感应加热常用的频率为200～300 kHz，此频率加热速度极快，通常只需几秒钟，淬硬层深度一般为0.5～2 mm，主要用于要求淬硬层较薄的中、小型零件。

电感应加热表面淬火质量好，加热温度和淬硬层深度较易控制，易于实现机械化和自动化生产；其缺点是设备昂贵，且需要专门的感应线圈。因此，其主要用于成批或大量生产的轴、齿轮等零件。

（2）化学热处理

化学热处理是将钢件置于适合的化学介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入钢件表层，以改变钢件表层的化学成分和组织，从而获得所需的力学性能或理化性能的热处理工艺。化学热处理的种类很多，依照渗入元素的不同，有渗碳、渗氮、碳氮共渗等，以适应不同的场合，其中以渗碳应用最广。

渗碳是将钢件置于渗碳介质中加热、保温，使分解出来的活性碳原子渗入钢的表层，即采用密闭的渗碳炉，并向炉内通以气体渗碳剂（如煤油），加热到900℃～950℃，经较长时间的保温，使钢件表层增碳。井式气体渗碳过程由排气、渗碳、扩散、降温和保温五个阶段组成，如图1-10所示。

图1-10　井式气体渗碳工艺曲线

渗碳件通常采用低碳钢或低碳合金钢，渗碳后渗层深一般为0.5～2 mm，表层含碳量w（C）将增至1%左右，经淬火和低温回火后，表层硬度达56～64 HRC，因而耐磨；而芯部因仍是低碳钢，故保持其良好的塑性和韧性。渗碳主要用于既承受强烈摩擦，又承受冲击或循环应力的钢件，如汽车变速箱齿轮、活塞销、凸轮、自行车和缝纫机的零件等。

渗氮又称氮化，它是将钢件置于氮化炉内加热，并通入氨气，使氨气分解出活性氮原子渗入钢件表层，形成氮化物（如AlN、CrN、MoN等），从而使钢件表层具有高硬度（相当于72 HRC）、高耐磨性、高抗疲劳性和高耐腐蚀性。渗氮时加热温度仅为550℃～570℃，钢件变形很小。常用的渗氮工艺有三种，即等温渗氮法（又称一段渗氮法）、二段渗氮法和三段渗氮法。图1-11所示为38CrMoAlA钢的等温渗氮工艺曲线。

图1-11　38CrMoAlA钢的等温渗氮工艺曲线

由图1-11可知，渗氮生产周期长（需几十个小时）、生产效率低，需采用专用的中碳合金钢，成本高。工件渗氮层厚度较薄且脆性大，不能承受过大的接触应力和冲击载荷，故而使渗氮的应用受到一定限制。因此，渗氮主要用于制造耐磨性和尺寸精度要求均较高的零件，如排气阀、精密机床丝杠、齿轮等。

4.热处理常见缺陷及预防

（1）过热与过烧

1）过热。

过热是指因工件加热温度过高或在高温下保温时间过长，而使晶粒粗大化的现象。过热使奥氏体晶粒变得粗大，容易造成淬火变形和开裂，并显著降低工件的塑性和韧性。

2）过烧。

过烧是指因加热温度过高而使奥氏体晶界出现严重氧化甚至熔化的现象。过烧后的工件晶粒极为粗大，晶粒间的联系被破坏，强度降低，脆性很大。

过热后的工件可以重新进行一次正火或退火，以细化晶粒，再按常规工艺重新进行淬火；而过烧的工件则无法挽救，只能报废。

为避免过烧或过热，生产中常采用下列措施进行预防。

①合理选择与确定加热温度和保温时间。(www.xing528.com)

②装炉时，工件与炉丝或电极的距离不能太近。

③对截面厚薄相差较大的工件，应采取一定的工艺措施使之加热均匀。

（2）氧化与脱碳

1）氧化。

氧化是指钢件加热时与炉内具有氧化性的炉气发生化学反应生成一层氧化皮的现象。氧化皮不仅会使工件表面粗糙、尺寸不准确、钢材烧损，还会影响工件的力学性能、切削加工性及耐腐蚀性等。

2）脱碳。

脱碳是指在高温下工件表层中的碳与炉内的氧化性气体发生化学反应形成气体逸出，使工件表面含碳量下降的现象。脱碳后，工件表面贫碳化，导致工件淬火后的硬度、耐磨性严重下降，并增加工件的开裂倾向。

防止氧化和脱碳的措施有以下几种。

①用保护气氛炉加热工件。

②淬火加热前，在工件表面涂以防氧化脱碳的涂料。

③将工件装入盛有硅砂、生铁屑或木炭粉的密封箱内加热。

④用盐浴炉加热，并定期加入脱氧剂进行脱氧和除渣。

⑤严格控制加热温度和保温时间。

（3）硬度不足或不均

1）淬火工件硬度不足。

硬度不足是指工件淬火后整个工件或工件的较大区域内硬度达不到工艺规定要求的现象。

硬度不足的原因有以下几种。

①加热温度过低或保温时间不足，使钢件的内部组织没有完全奥氏体化，有铁素体或残余的珠光体，从而使淬火硬度不足。

②对过共析钢，加热温度过高，奥氏体含碳量过高，淬火后残余奥氏体数量增多，也会造成硬度值偏低。

③冷却速度太慢，如冷却介质的冷却能力差等，使淬火工件发生高温转变，从而导致硬度不足。

④操作不当，如在冷却介质中停留时间过短、预冷时间过长，使奥氏体转变为非马氏体组织，从而使硬度不足。

⑤工件表面脱碳，使工件含碳量过低，导致淬火硬度值偏低。

⑥原材料本身存在大块铁素体等缺陷。

⑦材料的牌号、成分未达到技术要求值。

预防及弥补硬度不足的措施有以下几个。

①加强保护，防止工件氧化和脱碳。

②严格按工艺规程进行操作。

③硬度不足的工件经退火或高温回火后重新进行淬火。

2）硬度不均。

硬度不均俗称“软点”，是指工件淬火后出现小区域硬度不足的现象。

硬度不均的原因有以下几种。

①材料化学成分（特别是含碳量）不均匀。

②工件表面存在氧化皮、脱碳部位或附有污物。

③冷却介质老化、污染。

④加热温度不足或保温时间过短。

⑤操作不当，如工件间相互接触，在冷却介质中运动不充分。

预防及弥补硬度不均的措施有以下几个。

①截面相差悬殊的工、模具等工件选用淬透性好的钢材。

②通过锻造或球化退火等预备热处理改善工件原始组织。

③加热时加强保护，盐浴炉要定期脱氧捞渣。

④选用合适的冷却介质并保持清洁。

⑤工件在冷却介质中冷却时要进行适当的搅拌运动或分散冷却。

⑥淬火温度和保温时间要足够，保证相变均匀，防止因加热温度和保温时间不足而造成“软点”。

（4）变形与开裂

变形与开裂是由工件淬火时产生的内应力引起的。淬火时产生的内应力有两种：一种是工件在加热或冷却时，因工件表面与芯部的温差引起胀缩不同步而产生的，称为热应力；另一种是工件在淬火冷却时，因工件表面与芯部的温差使马氏体转变不同步而产生的，称为组织应力。

若淬火工件的内应力超过工件材料的屈服极限，则导致变形；若超过强度极限，则导致开裂。防止变形和开裂的根本措施就是减少内应力的产生。在生产中可采取下列几种措施。

1）合理设计工件结构。厚薄交界处平滑过渡，避免出现尖角；对于形状复杂、厚薄相差较大的工件，应尽量采用镶拼结构；防止出现太薄、太细件的结构。

2）合理选用材料。形状复杂、易变形和开裂或要求淬火变形极小的精密工件选用淬透性好的材料。

3）合理确定热处理技术条件。用局部淬火或表面淬火能满足要求的，尽量避免采用整体淬火。

4）合理安排冷、热加工工序。工件毛坯经粗加工后去除表面缺陷，可减少淬火处理产生的裂纹。

5）应用预备热处理。对机加工应力较大的工件，应先去应力退火后再进行淬火；对高碳钢工件，应预先进行球化退火等。

6）采用合理的热处理工艺。对形状复杂且易变形的工件用较慢速度加热；高合金钢采用多次预热；在满足硬度的前提下，应尽可能选用冷却速度较慢的介质进行淬火冷却。

7）淬火后及时进行回火。