钢的热处理及其作用

1.钢的退火和正火

退火和正火一般用于毛坯的热处理，以改善可加工性或消除在毛坯制造过程中所产生的某些缺陷或应力，为后续加工和热处理作组织与性能准备。因此，退火与正火又称为预备热处理。但是，当工件性能要求不高时，退火与正火也可作为最终热处理，如铸件的退火与正火就是最终热处理。

（1）退火 退火是将钢加热、保温，然后使其缓慢冷却（随炉冷却或埋入灰中冷却）的热处理工艺方法，其冷却速度约为100℃/h。根据退火的目的不同又可分为：

1）完全退火，它是将亚共析钢加热到Ac₃以上30～50℃，保温后缓慢冷却的热处理工艺方法。其目的是首先降低硬度改善可加工性，其次细化晶粒，改善力学性能。

完全退火的原理是将钢加热到Ac₃以上，通过保温让原来的组织完全转化为奥氏体，由于初始形成的奥氏体非常细小，通过缓慢冷却让其重结晶，以获得细小的晶粒，提高强度和塑性、韧性，同时消除了内应力。要注意严格控制加热温度和保温时间，否则会引起晶粒长大，导致强度和塑性、韧性降低。

2）球化退火，主要用于过共析钢，是将过共析钢加热到Ac₁以上20～30℃，保温后，随炉冷却的热处理工艺方法。其目的是为了使片状珠光体球化，并分布在铁素体基体上，达到降低硬度、提高塑性、韧性的目的，以便于切削加工。要注意的是，球化退火前必须进行正火处理，以打碎呈网状的二次渗碳体。

3）去应力退火，它是将钢加热到500～650℃，保温后，缓慢冷却的热处理工艺方法。其目的主要是消除锻件、铸件和焊接件的应力，保证其不至于由于应力引起变形或开裂。要指出的是，由于温度低，并未发生组织转变，它还用于精密切削加工中的中间热处理，以消除切削应力，保证工件不变形。

（2）正火 所谓正火是将亚共析钢加热到Ac₃以上30～50℃或将过共析钢加热到Ac_cm以上30～50℃，保温后在空气介质中冷却的热处理工艺方法。

正火的主要目的：①细化晶粒，提高钢的强度，它和退火有些相似，将钢加热到奥氏体区，使钢重结晶（解决铸钢与锻件中的粗大晶粒，打碎二次渗碳体）；②对于低碳钢，通过正火可细化晶粒，提高其强度，但韧性有所降低，可改善可加工性，对于一些不太主要的机械零件，正火可作为最终的热处理；③为淬火作组织准备。正火与退火相比，正火生产率高，不占用设备，用电量低，成本低。

图1-36所示为几种退火和正火的加热温度范围。

2.钢的淬火与回火

淬火与回火是强化钢最常用的热处理工艺方法。先淬火再根据需要配以不同温度回火，获得所需的力学性能。

（1）淬火 淬火是将亚共析钢加热到Ac₃以上30～50℃或将过共析钢加热到Ac₁以上30～50℃，保温后在淬火冷却介质中快速冷却，以获得马氏体或（和贝氏体）为目的的热处理工艺方法。碳钢淬火加热的温度范围如图1-37所示。

图1-36 各种退火与正火的加热范围

图1-37 碳钢的淬火温度范围

为什么要加热到Ac₁或Ac₃以上呢？其实是因为加热和冷却都有滞后现象，冷却时叫过冷，加热时叫过热。加热必须超过临界温度，才能使原有的组织全部转化成奥氏体。淬火后获得的马氏体又脆又硬，内应力很大，极易变形或开裂。为防止淬火后的缺陷，除正确选用钢材和正确的结构外，还应采用正确的工艺方法及措施。

1）严格控制淬火加热温度。对于亚共析钢而言，如果加热温度不足，由于尚未完全形成组织转变，淬火后钢的组织除马氏体外，还有少量残留的铁素体，致使钢的硬度不足。若加热温度过高，奥氏体晶粒急剧长大，淬火后的马氏体也很粗大，增加钢的脆性，导致淬火后的工件变形开裂倾向加大。对于过共析钢，若加热温度超过图1-37中所示的温度，不仅钢的硬度不会增加，而且变形开裂的倾向大大加大。这是因为随着钢中奥氏体的碳含量增加，而奥氏体并不增加，反而等温转变曲线向左移使临界速度增加，钢的淬透性降低。淬火后残留奥氏体增加，所以硬度并不增加，而变形开裂倾向增大。

2）合理选择淬火冷却介质。淬火冷却介质是根据钢的种类及零件所要求的性能来选择的。但是，冷却速度必须略大于图1-34所示的临界冷却速度v_k。碳钢的淬火冷却介质常选用水，因为碳钢的淬透性较差，需要冷却速度大，水能满足这一要求。合金钢的淬透性较好，应选用油，油的冷却速度比水低，用它来淬合金钢工件，变形小，裂纹倾向小。所谓钢的淬透性是指钢在淬火时所获得马氏体的能力，是钢的一种属性，其大小用钢在一定条件下淬火所获得的淬透层的深度来表示。用不同材料制造出同样大小的形状和尺寸大小相同的零件，在相同的淬火条件下，淬透层较深的钢件其淬透性较好，如图1-38所示。淬透性和淬硬性是两个不同的概念，淬硬性是表示钢淬火时的硬化能力，用马氏体可能获得的硬度表示，它主要取决于钢中马氏体的碳含量，碳含量越高，钢的淬硬性就越高，显然淬硬性和淬透性没有必然联系。例如，高碳工具钢淬硬性很高，但淬透性很差；而低碳合金钢淬硬性不高，淬透性却很好。钢中马氏体硬度与碳含量的关系如图1-39所示。

3）正确选择淬火方法。在生产中淬火常用单介质淬火法，在一种介质中连续冷却到室温。这种淬火方法操作简单，便于实现机械化和自动化，故应用广泛。对于易产生裂纹、变形的钢件，可采用先水淬后油淬的双介质淬火或分级淬火方法。

（2）回火 回火是将淬火后的钢重新加热到低于Ac₁以下某一温度，经保温后，使淬火组织转变成为稳定的回火组织，再冷却到室温的热处理工艺方法。

淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残留奥氏体组成，它是不稳定的组织。内应力大、脆、易变形或开裂。回火的目的是为了消除应力，稳定组织，提高钢件的塑性、韧性，获得塑性、韧性、硬度、强度适当配合的力学性能，满足工件的力学性能要求。

图1-38 钢的淬透性

图1-39 钢中马氏体硬度与碳含量的关系(www.xing528.com)

图1-40 40Cr钢经不同温度回火后的力学性能

注：直径D=12mm，油淬。

根据所需工件的力学性能要求，把回火温度分为如下三种：

1）低温回火（150～200℃），回火目的是消除应力，降低脆性，获得回火马氏体组织，保持高的硬度（56～64HRC）和耐磨性。低温回火广泛用于刀具、刃具、冲模、滚动轴承和耐磨件等。

2）中温回火（250～500℃），组织是回火托氏体，它还保持着马氏体的形态，内应力基本消除。其目的是保持较高的硬度，获得高弹性的钢件。中温回火主要用于弹簧（如火车转向架的螺旋弹簧、枪机上的弹簧等）、发条、热锻模。

3）高温回火（500～650℃），淬火并高温回火的复合热处理工艺方法，称为调质。其目的是获得优良的综合性能，调质后的硬度为25～35HRC。调质处理后的组织是回火索氏体，即细粒渗碳体和铁素体，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，使钢的韧性得到极大提高。高温回火主要用于重要的机械零件，如连杆、主轴、齿轮及重要的螺钉（汽车发动机盖上的螺钉）。

钢在回火时会产生回火脆性，在300℃左右产生的脆性称为不可逆回火脆性；在400～550℃产生的脆性称为可逆回火脆性。产生的原因是由于回火马氏体中分解出稳定的细片状化合物引起的。钢的回火脆性使其冲击韧性显著下降，如图1-40所示。某些合金钢（如含Cr、Ni、Mn的钢），回火后缓慢冷却会产生回火脆性，但如果回火后快速冷却（空冷），则不产生脆性。

3.表面淬火及化学处理

所谓表面淬火及化学处理是指只为改变钢件表面的组织和性能，不改变其内部组织和性能的热处理工艺方法。

（1）表面淬火 表面淬火是将钢件快速加热，使其表面快速达到淬火温度，在热量还没有传到钢件的内部就立即淬火（喷水），仅在表面获得淬火组织（马氏体）的热处理工艺方法。有些零件要求表面耐磨、高硬度、高强度，承受更高、更大的应力，而内部要求有一定强度和高的塑性、韧性，如齿轮凸轮、曲轴主轴颈，常用表面淬火。

加热方法常有火焰加热、感应加热、接触电阻加热、激光加热等方法。目前应用最广泛的是感应加热。如图1-41所示，高频感应加热的频率为200～300kHz，加热快，几秒钟完成加热，易控制深度，易实现机械化和自动化，主要用于淬硬层深度为0.5～2mm的中小型零件。

（2）钢的化学热处理 化学热处理是将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使介质中一种或几种活性原子渗入工件表面一定的深度，改变表层化学成分和组织，从而获得需要的力学性能。化学热处理提高表面层的硬度、耐磨性和疲劳强度，内部仍具有良好的塑性、韧性的同时，还可获得较高的强度。常用化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗与氮碳共渗等。

1）钢的渗碳。渗碳是将钢件置于渗碳炉（见图1-42）中加热到900～950℃保温，并通入渗碳介质，让分解出的活性碳原子渗入钢的表层。

图1-41 感应加热表面淬火

图1-42 渗碳炉

渗碳介质一般分为两大类：一是液体，如煤油、苯、醇和丙酮等；二是气体介质，如天然气、丙烷及煤气等。渗碳适用于齿轮、凸轮、轴类等零件。经过渗碳及随后的淬火并低温回火，可获得很高的强度、耐磨性及接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

渗碳后的组织，渗碳层的碳含量w（C）约为1%，至心部逐渐降低；组织自表面至心部为过共析组织、共析组织、亚共析组织，直至心部原始组织，如图1-43所示。汽车变速器齿轮用20CrMnTi钢制造，制造工艺如下：下料→锻造→正火→粗车→粗铣齿形→精铣齿形→渗碳淬火+低温回火→研磨齿形→入库。

图1-43 钢的渗碳组织

2）钢的渗氮。向钢件表面渗入氮元素，形成富氮硬化层的化学热处理称为渗氮。渗氮后表层硬度可达65～72HRC，这种渗氮后的零件的硬度可在560～600℃保持而不降低，故具有很好的稳定性。渗氮不仅硬度比渗碳高，而且有更高的疲劳强度、抗缺口咬合性和低的缺口敏感性。其缺点是渗氮周期长，渗氮层深度为0.3～0.5mm，一般需20～50h。而得到同样的渗碳层只需要3h。一般零件的渗氮工艺为：下料→锻造→退火→粗加工→半精加工→调质→精加工→去应力处理→粗磨→氮化→精磨或研磨。

3）钢的碳氮共渗。碳氮共渗是在一定的温度下同时将碳、氮渗入钢件表层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。常用渗剂为煤油和氮气，加热温度为820～860℃。碳氮共渗后还要进行淬火和低温回火，其表面组织为含氮马氏体。与渗碳相比，碳氮共渗加热温度低，零件变形小，生产周期短，渗层具有较高的硬度、耐磨性和疲劳强度。碳氮共渗常用于汽车变速器齿轮和轴类零件。

4）钢的氮碳共渗。氮碳共渗是在一定的温度下同时将氮、碳渗入钢件表层，并以渗氮为主的化学热处理工艺。常用渗剂为尿素、甲酰胺或三乙醇胺，加热温度为560～570℃。与一般渗氮相比，氮碳共渗的渗层硬度低，脆性小。氮碳共渗常用于模具、高速工具钢刀具及轴类零件等。

除上述化学热处理外，工业上还采用渗硼等化学热处理，渗硼层的硬度很高，可达1300～2000HV，不仅有好的耐磨性，还有良好的耐蚀性等。