?鋼的熱處理工藝就是通過加熱、保溫和冷卻的方法改變鋼的組織結(jié)構(gòu)以獲得工件所要求性能的一種熱加工工藝。鋼在加熱和冷卻過程中的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律為制定正確的熱處理工藝提供了理論依據(jù)，其熱處理工藝參數(shù)的確定必須使具體工件滿足鋼的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，以獲得所需性能。??

根據(jù)加熱、冷卻方式及獲得的組織和性能的不同，鋼的熱處理工藝可分為普通熱處理（退火、正火、淬火、回火）、表面熱處理（表面淬火和化學(xué)熱處理）及形變熱處理等。按照熱處理在零件整個生產(chǎn)工藝過程中位置和作用的不同，熱處理工藝又分為預(yù)備熱處理和最終熱處理。本文主要對普通熱處理進行知識整理。??

鋼的退火與正火??

退火和正火是生產(chǎn)上應(yīng)用很廣泛的預(yù)備熱處理工藝。大部門機器零件及工、膜具的毛坯經(jīng)退火或正火后，不僅可以消除鑄件、鍛件及焊接件的內(nèi)應(yīng)力及成分和組織的不均勻性，而且也能改善和調(diào)整鋼的力學(xué)性能和工藝性能，為下道工序作好組織性能準(zhǔn)備。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件，退火和正火亦可作為最終熱處理。對于鑄件，退火和正火通常就是最終熱處理。??

退火是將鋼加熱至臨界點Ac1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。其主要目的是均勻鋼的化學(xué)成分及組織，細(xì)化晶粒，調(diào)整硬度，消除內(nèi)應(yīng)力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。??

退火的工藝種類很多，根據(jù)加熱溫度可分為在臨界溫度（AC1或AC3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均勻化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。各種退火方法的加熱溫度范圍如圖1所示。按照冷卻方式，退火可分為等溫退火和連續(xù)冷卻退火。??

完全退火??

完全退火是將鋼件或鋼材加熱至AC3以上20～30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼（WC=0.3％～0.6％），其目的是細(xì)化晶粒，均勻組織，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度和改善鋼的切削加工性。低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火、低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過共析鋼加熱至Accm以上奧氏體狀態(tài)緩冷退火時，有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌度顯著降低。??

不完全退火??

不完全退火是將鋼加熱至AC1～AC3（亞共析鋼）或AC1～Accm（過共析鋼）之間，經(jīng)保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。由于加熱至兩相區(qū)溫度，基本上不改變先共析鐵素體或滲碳體的形態(tài)及分布。如果亞共析鋼原始組織中的鐵素體已均勻細(xì)小，只是珠光體片間距小，硬度偏高，內(nèi)應(yīng)力較大，那么只要進行不完全退火即可達到降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。由于不完全退火的加熱溫度低，過程時間短，因此對于亞共析鋼的鍛件來說，若其鍛造工藝正常，鋼的原始組織分布合適，則可采用不完全退火代替完全退火。??

不完全退火用于過共析鋼主要為了獲得球狀珠光體組織，以消除內(nèi)應(yīng)力，降低強度，改善切削加工性能，故又稱球化退火。實際上球化退火是不完全退火的一種。??

球化退火??

球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。主要用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度，均勻組織，改善切削加工性，并為淬火作組織準(zhǔn)備。??

過共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當(dāng)，還存在網(wǎng)狀滲碳體。不僅硬度高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時容易產(chǎn)生變形或開裂。因此，鍛后必須進行球化退火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關(guān)鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質(zhì)點，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火加熱溫度一般在AC1以上20～30℃不高的溫度下，保溫時間亦不能太長，一般以2～4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar1以下20℃左右進行較長時間等溫。??

均勻化退火??

均勻化退火又稱擴散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。為使各元素在奧氏體中充分?jǐn)U散，均勻化退火加熱溫度很高，通常可按最大有效截面或裝爐量大小而定。一般均勻化退火時間為10～15h。??

由于均勻化退火需要在高溫下長時間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，需要再進行一次完全退火或正火，以細(xì)化晶粒、消除過熱缺陷。??

去應(yīng)力退火和再結(jié)晶退火??

為了消除鑄件、鍛件、焊接件及機械加工工件中的殘留內(nèi)應(yīng)力，以提高尺寸穩(wěn)定性，防止工件變形和開裂，在精加工或淬火前將工件加熱到Ac1以下某一溫度，保溫一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為去應(yīng)力退火。??

鋼的去應(yīng)力退火加熱溫度較寬，但不超過Ac1點，一般在500～650℃之間。鑄鐵件去應(yīng)力退火溫度一般為500～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接鋼件的退火溫度一般為500～600℃。一些大的焊件構(gòu)件，難以在加熱爐內(nèi)進行去應(yīng)力退火，常常采用火焰或工頻感應(yīng)加熱局部退火，其退火加熱溫度一般高于爐內(nèi)加熱。去應(yīng)力退火保溫時間也要根據(jù)工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時間為3min/mm，鑄鐵的保溫時間為6min/mm。去應(yīng)力退火后的冷卻應(yīng)盡量緩慢，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。??

再結(jié)晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上保持適當(dāng)?shù)臅r間，使變形晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻容S晶粒，同時消除加工硬化和殘留內(nèi)應(yīng)力的熱處理工藝。經(jīng)過再結(jié)晶退火，鋼的組織和性能恢復(fù)到冷變形前的狀態(tài)。??

再結(jié)晶退火既可作為鋼材或其他合金多道冷變形之間的中間退火，也可作為冷變形鋼材或其他合金成品的最終熱處理。再結(jié)晶退火溫度與金屬的化學(xué)成分和冷變形量有關(guān)。當(dāng)鋼處于臨界冷變形度（6%～10%）時，應(yīng)采用正火或完全退火來代替再結(jié)晶退火。一般鋼材再結(jié)晶退火溫度為650～700℃，保溫時間為1～3h，通常在空氣中冷卻。??

正火是將鋼加熱或到Ac3（或ACcm）以上適當(dāng)溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。對于亞共析鋼來說，正火與完全退火的加熱溫度相近，但正火的冷卻速度較快，轉(zhuǎn)變溫度較低，正火組織中鐵素體數(shù)量較少，珠光體組織較細(xì)，鋼的強度、硬度較高。??

正火過程的實質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變。當(dāng)鋼中碳含量Wc為0.6%～1.4%時，正火組織中不出現(xiàn)先共析相，只有偽共析體系或索氏體。碳含量Wc小于0.6%的鋼，正火后除了偽共析體外，還有少量鐵素體。??

正火處理的加熱溫度通常在Ac3或ACcm以上30～50℃，高于一般退火的溫度。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，讓碳化物充分溶解。正火保溫時間和完全退火相同，應(yīng)以工件燒透，即心部達到要求的加熱溫度為準(zhǔn)，還應(yīng)考慮鋼材成分、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。通常根據(jù)具體工件尺寸和經(jīng)驗數(shù)據(jù)加以確定。正火冷卻方式最常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風(fēng)、噴霧和調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達到要求的組織和性能。??

正火工藝是較簡單、經(jīng)濟的熱處理方法，主要應(yīng)用于以下幾方面：??

改善低碳鋼的切削加工性能??

碳含量Wc＜0.25%的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時易于“粘刀”，通過正火處理，可以減少自由碳素體，獲得細(xì)片狀珠光體，使硬度提高至140～190HBW，可以改善鋼的切削加工性能。??

消除中碳鋼的熱加工缺陷??

中碳結(jié)構(gòu)鋼鑄件、鍛、軋件以及焊接在熱加工后易出現(xiàn)魏氏組織、粗大晶粒等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細(xì)化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應(yīng)力的目的。??

消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火??

過共析鋼在淬火之前要進行球化退火，以便于機械加工，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。但當(dāng)過共析鋼中存在嚴(yán)重網(wǎng)狀碳化物時，將達不到良好的球化效果。通過正火處理可以消除網(wǎng)狀碳化物。為此，正火加熱時要保證碳化物全部溶入奧氏體中，要采用較快的冷卻速度抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析組織。??

提高普通結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能??

一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼結(jié)構(gòu)件采用正火處理，可獲得一定的綜合力學(xué)性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。??

3退火與正火的選擇??

①含碳量＜0.25％的低碳鋼，常采用正火代替退火??

正火的冷卻速度比退火稍快，較快的冷卻速度可以防止低碳鋼沿晶界析出游離三次滲碳體，從而提高沖壓件的冷變形性能；用正火可以提高鋼的硬度，改善低碳鋼的切削加工性能；在沒有其它熱處理工序時，用正火可以細(xì)化晶粒，提高低碳鋼強度。??

②含碳量在0.25～0.5％之間的中碳鋼也可用正火代替退火??

雖然接近上限碳量的中碳鋼正火后硬度偏高，但尚能進行切削加工，而且正火成本低、生產(chǎn)率高??

③含碳量在0.5～0.75％之間的鋼一般采用完全退火??

因含碳量較高，正火后的硬度顯著高于退火的情況，難以進行切削加工，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％的高碳鋼或工具鋼，一般均采用球化退火作為預(yù)備熱處理，如有網(wǎng)狀二次滲碳體存在，則應(yīng)先進行正火消除。??

⑤正火只適用于碳素鋼及低、中合金鋼，而不適應(yīng)于高合金鋼??

⑥對于某些不太重要的工件，可在正火狀態(tài)使用，因為正火得到的索氏體組織具有較好的機械性能。??

⑦在滿足性能的前提下，盡可能用正火代替退火（經(jīng)濟性角度考慮）。??

鋼的淬火與回火??

鋼的淬火與回火是熱處理工藝中最重要、也是用途最廣泛的工序。淬火可以顯著提高鋼的強度和硬度。為了消除淬火鋼的殘留內(nèi)應(yīng)力，得到不同強度、硬度和韌性配合的性能，需要配以不同溫度的回火。所以淬火和回火又是不可分割的、緊密銜接在一起的兩種熱處理工藝。淬、回火作為各種機器零件及工、模具的最終熱處理是賦于鋼件最終性能的關(guān)鍵性工序，也是鋼件熱處理強化的重要手段之一。??

是指將鋼加熱到臨界溫度(Ac1或Ac3)以上，保溫一定時間使之奧氏體化后，以大于臨界冷卻速度的冷速冷卻，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的熱處理工藝，然后配以不同溫度回火獲得各種需要的性能。??

對淬火工藝而言，首先必須將鋼加熱到臨界點（Ac3或Ac1）以上獲得奧氏體組織，其后的冷卻速度必須大于臨界淬火速度（Vc）,以得到全部馬氏體（含殘留奧氏體）組織。為此，必須注意選擇適當(dāng)?shù)拇慊饻囟群屠鋮s速度。由于不同鋼件過冷奧氏體穩(wěn)定性不同，鋼淬火獲得馬氏體的能力各異。實際淬火時，工件截面各部分冷卻速度不同，只有冷卻速度大于臨界淬火速度的部位才能得到馬氏體，而工件心部則可能得到珠光體、貝氏體等非馬氏體組織。??

（一）淬火的方法??

①單介質(zhì)淬火??

其特點是工件經(jīng)加熱后，置于一種介質(zhì)中冷卻，如水淬、油淬，也就是直接淬火。??

②雙介質(zhì)淬火??

加熱好的工件先在較強冷卻能力的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。??

③分級淬火??

加熱好的工件先在較強冷卻能力的介質(zhì)中冷卻到300℃左右，再在另一種冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻，如：先水淬后油淬。??

④等溫淬火??

工件在等溫鹽浴中淬火，鹽浴溫度在稍高于Ms溫度的貝氏體區(qū)下部，工件等溫停留較長時間，直到B轉(zhuǎn)變結(jié)束，取出空冷。??

⑤預(yù)冷淬火法??

將加熱好的工件，自爐中取出后在空氣中預(yù)冷一定時間，使工件溫度降低一些，再置于淬火介質(zhì)中進行冷卻的一種淬火方法。??

①淬火加熱溫度??

亞共析碳鋼在Ac3以上30℃～50℃加熱，是為了獲得晶粒細(xì)小的奧氏體，淬火后可獲得細(xì)小的M組織。??

共析和過共析鋼在淬火加熱前已經(jīng)球化退火，在Ac1以上30℃～50℃不完全奧氏體化后，組織為（奧氏體和部分未溶的細(xì)粒狀滲碳體），淬火后組織為(馬氏體、部分未溶的細(xì)粒狀滲碳體、殘留的奧氏體)。由于滲碳體硬度高，因此它不但不會降低淬火鋼的硬度，而且還可以提高它的耐磨性；??

②淬火加熱保溫時間??

淬火加熱保溫時間指的是工件裝爐后，從爐溫回升到淬火溫度算起，直到出爐為止所需要的時間。它包括工件透熱時間和組織轉(zhuǎn)變所需要的時間。??

保溫時間：按照工件的最大厚度或者條件厚度（二者統(tǒng)稱為計算厚度）來確定。??

③淬火冷卻方式??

冷卻是淬火的關(guān)鍵，冷卻的好壞直接決定了鋼淬火后的組織和性能。??

冷卻介質(zhì)應(yīng)保證：工件得到馬氏體，同時變形小，不開裂。??

工件進入淬火介質(zhì)應(yīng)采用的操作方法：??

厚薄不均的工件，厚的部分應(yīng)該先淬入；??

細(xì)長工件一般應(yīng)垂直淬入；??

薄而平的工件應(yīng)該側(cè)放立著淬入；??

薄壁環(huán)狀零件應(yīng)沿其軸線方向淬入；??

有閉腔或盲孔的工件應(yīng)該使腔口或孔向上淬入；??

截面不對稱工件應(yīng)以一定角度斜著淬入，以使其冷卻均勻。??

（三）鋼的冷處理??

鋼的冷處理可以看成是淬火的繼續(xù)，亦即將淬火后已經(jīng)冷到室溫的工件繼續(xù)深冷至0℃以下，使淬火保留下來的殘余奧氏體繼續(xù)向馬氏體轉(zhuǎn)變，以達到減少或消除殘余奧氏體的目的。冷處理主要是針對一些高碳合金工具鋼和經(jīng)滲碳或碳氮共滲的結(jié)構(gòu)零件，為提高其硬度和耐磨性，或為保證尺寸穩(wěn)定性才采用這一道工序。冷處理應(yīng)在淬火后及時進行，否則會降低冷處理的效果。??

（四）淬火介質(zhì)??

鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點以下所用的冷卻介質(zhì)叫做淬火介質(zhì)。介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越容易超過鋼的臨界淬火速度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。但是冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易于使工件產(chǎn)生變形或開裂。因此，理想的淬火曲線為：??

650℃以上緩冷，以降低熱應(yīng)力；??

650～400℃快速冷卻，保證全部A不分解；??

400℃以下緩冷，減少M轉(zhuǎn)變時的相變應(yīng)力。??

對淬火介質(zhì)的要求：在500～600℃的中溫區(qū)具有冷卻快，而在低溫時具有冷卻慢。??

（四）淬火介質(zhì)??

鋼從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點以下所用的冷卻介質(zhì)叫做淬火介質(zhì)。介質(zhì)冷卻能力越大，鋼的冷卻速度越快，越容易超過鋼的臨界淬火速度，則工件越容易淬硬，淬硬層的深度越深。但是冷卻速度過大將產(chǎn)生巨大的淬火應(yīng)力，易于使工件產(chǎn)生變形或開裂。因此，理想的淬火曲線為：??

650℃以上緩冷，以降低熱應(yīng)力；??

650～400℃快速冷卻，保證全部A不分解；??

400℃以下緩冷，減少M轉(zhuǎn)變時的相變應(yīng)力。??

對淬火介質(zhì)的要求：在500～600℃的中溫區(qū)具有冷卻快，而在低溫時具有冷卻慢。??

淬透性主要取決于鋼的臨界冷卻速度，鋼的臨界冷卻速度又取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性。??

淬透性：鋼在淬火時獲得馬氏體的能力，主要取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性??

淬硬性：鋼淬火后形成的馬氏體組織所能達到的硬度，主要取決于馬氏體中的含碳量??

②淬透性的實際意義??

鋼的淬透性是正確選用鋼材和制訂熱處理工藝的重要依據(jù)之一。工件在整體淬火條件下，從表面至中心是否淬透，對其機械性能有重要影響。對于不同用途的工件，由于其受力情況不同，對工件表面和心部的機械性能要求不同，因而要求選用不同淬透性的鋼種制造。??

③影響淬透性的因素??

a.含碳量??

在碳鋼中，共析鋼的臨界冷速最小，淬透性最好；非共析鋼中，碳含量偏離共析成分越遠(yuǎn)，淬透性越低。??

b.合金元素??

除Co和大于2.5％Al以外，其余合金元素溶于奧氏體后，都使過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變曲線右移，提高鋼的淬透性，因此合金鋼的淬透性往往比碳鋼要好。??

c.奧氏體成分均勻性及晶粒度??

奧氏體成分越均勻、晶粒度越大，過冷奧氏體的穩(wěn)定性越好，因而降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。??

d.鋼中未溶第二相??

鋼中未溶第二相會成為奧氏體分解的非自發(fā)形核核心，使臨界冷卻速度增大，降低淬透性。??

e.奧氏體化溫度??

提高鋼材的奧氏體化溫度，將使奧氏體成分均勻、晶粒長大，因而可增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低鋼的臨界冷卻速度，增加其淬透性。但奧氏體晶粒長大，生成的馬氏體也會比較粗大，會降低鋼材常溫下的力學(xué)性能。??

④淬火缺陷及其防止??

淬火時最容易產(chǎn)生的缺陷是變形和開裂，其次是氧化與脫碳、硬度不足和軟點等缺陷。??

a．淬火變形與開裂??

在淬火過程所發(fā)生的鋼件體積、形狀、尺寸的變化通稱為淬火變形。當(dāng)鋼件內(nèi)的淬火應(yīng)力超過材料的強度極限時便會導(dǎo)致開裂。引起這種現(xiàn)象的根本原因是淬火時在工件中引起的內(nèi)應(yīng)力。??

當(dāng)熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的合力超過鋼的屈服強度時，工件就發(fā)生變形；當(dāng)兩力的合力超過鋼的抗拉強度時，工件就發(fā)生開裂。??

b．氧化與脫碳??

工件在空氣等氧化性氣氛中加熱時，表面會發(fā)生氧化現(xiàn)象；鋼表面氧化的同時一般都伴隨表面脫碳。??

防止工件氧化脫碳的有效措施??

在保證組織轉(zhuǎn)變的前提下，加熱溫度應(yīng)盡可能低，保溫時間應(yīng)盡可能短；??

采用脫氧良好的鹽浴爐、保護氣氛爐或真空爐加熱；??

若采用空氣電爐或燃燒爐加熱時，必須采用適當(dāng)保護措施，如包套、裝箱、控制爐氣等。??

c．過熱和過燒??

工件在淬火加熱時，由于加熱溫度過高或時間過長造成A晶粒粗大的缺陷稱為過熱；若加熱溫度太高，使奧氏體晶界局部熔化或發(fā)生晶界氧化稱為過燒。過熱工件在淬火后得到粗大的馬氏體組織，易于引起淬火裂紋。因此，淬火過熱的工件強度降低，尤其是沖擊韌性、塑性顯著下降，易于產(chǎn)生脆性斷裂。輕微的過熱可用延長回火時間來補救，嚴(yán)重的過熱可采用完全退火或正火使晶粒細(xì)化。??

過燒使工件性能嚴(yán)重惡化，極易產(chǎn)生熱處理裂紋，所以過燒是不允許的熱處理缺陷，一旦出現(xiàn)過燒則無法補救，只好報廢。由于過熱和過燒都是加熱溫度過高引起的，因此預(yù)防的辦法是要制定正確的加熱溫度，并經(jīng)常檢查儀表以保證儀表正常工作。??

d．硬度不足與不均勻??

淬火鋼件硬度不均勻主要表現(xiàn)在鋼件表面硬度有明顯忽高忽低現(xiàn)象。這種缺陷可能是由了原始組織粗大且不均勻、冷卻不均勻等原因造成的。可以通過正火后重新淬火來消除。??

2鋼的回火??

回火是將淬火鋼在A1以下溫度加熱，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的回火組織，并以適當(dāng)方式冷卻到室溫的工藝過程。回火的主要目的是減少或消除淬火應(yīng)力，保證相應(yīng)的組織轉(zhuǎn)變，提高鋼的韌性和塑性，獲得硬度、強度、塑性和韌性的適當(dāng)配合，以滿足各種用途工件的性能要求。決定工件回火后的組織和性能的最重要因素是回火溫度。根據(jù)工件的組織和性能要求，回火可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火等幾種。