热处理的4种方法

钢铁热处理的四种基本工艺
什么是退火
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火是将金属或合金加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。

退火的目的：
退火所能达到的目的主在是：消除锻件及焊接结构的应力，消除冷加工后的加工应力，避免零件在加热和使用过程中产生变形及开裂；消除铸件和锻件的不均匀组织和粗大晶粒，消除合金钢硬而脆的特性，改善其切削加工的性能，胀管时的管头，胀接前也要进行退火。

(1) 降低硬度，改善切削加工性；
(2)消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；
(3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。

在生产中，退火工艺应用很广泛。

根据工件要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种，常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火等。

正火与退火的区别，处理温度
正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细，工件的强度和硬度比退火高。

对于高碳钢的工件，正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺。

从经济方面考虑，正火比退火的生产周期短，设备利用率高，生产效率高，节约能源、降低成本以及操作简便，所以在满足工作性能及加工要求的条件下，应尽量以正火代替退火。

退火和正火可在电阻炉或煤、油、煤气炉中进行，最常用的是电阻炉。

电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热工件，同时用热电偶等电热仪表控制温度，操作简单、温度准确。

在加热过程中，由于工件与外界介质在高温下发生化学反应，当加热温度和加热速度控制不当或装炉不合适时，会造成工件氧化、脱碳、过热、过烧及变形等缺陷。

因此要严格控制加热温度和加热速度等。

图2-2为退火和正火的加热温度范围。

什么样叫金属冷加工硬化现象？
在工程中，有时需用对钢件进行冷加工，如锻打、压延、弯曲、冲压等。

当冷加工产生塑性变形时，不但其外形发生了变化，其内部的晶粒形状也会发生变化，晶粒沿受力方向被拉长。

冷加工塑性变形较大时，还会产生较大内应力。

这种现象称为冷加工硬化。

利用冷加工硬化对钢材使用强度的提高是有限的，而冷加工硬化引起的塑性降低及残存的内应力则是有害的。

故一般在冷加工以后，还在进行回火处理予以消除。

冷加工后变形的晶是不稳定的，加热后晶粒有恢复原状的趋势，这就是再结晶，出现再结晶时的温
度称再晶温度。

再结晶会使钢材强度和韧性降低，球化、石墨化进程加速。

工程上对冷、热加工划分，不是以加工时是否加热来区别，而是以加工时的温度是否高于再结晶温度来划分。

高于再结晶温度属热加工，低于再结晶温度即为冷加工。

在低于再结晶温度下加工，冷加工硬化的一些缺陷就会出现。

主蒸汽管道和再热蒸汽管道和工作温度均在再结晶温度的下限，冷加工硬化造成的危害作用时间长，因此，制订合金钢的弯制、锻打等热加工工艺时，对加工温度的下限作了严格规定，即热加工低于某一温度时应立即停止加工。

否则，就等于进行冷加工，会出现冷加工硬化所造成的缺陷。

冷加工硬化现象有害处，但有时利用这一原理还可得到一定益处。

如转轴弯曲后的直
轴方法中，有一种捻打法，就是在弯轴的凹面进行冷加工，使轴的这部分金属表面延伸、硬化，并在内应力作用下达到直轴的目的。

什么是正火
钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

正火是将钢加热到临界点以上的一定温度，保温一定时间、取出炉外，在空气中冷却，将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（共析、过共析钢）以上30~50°C，保温一定时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺方法。

正火的目的：（1）对于力学性能要求不高的碳钢、低合金钢结构件，可作最终热处理。

（2）对于低碳钢可用来调整硬度，避免切削加工中的“粘刀”现象，改善切削加工性。

（3）对于共析、过共析钢，正火可消除网状二次渗碳体，为球化退火作准备。

碳钢的可淬性较小，正火是最终热处理。

对于合金钢，由于淬硬倾向强，正火后还需补以回火处理。

正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细，工件的强度和硬度比退火高。

对于高碳钢的工件，正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺。

从经济方面考虑，正火比退火的生产周期短，设备利用率高，生产效率高，节约能源、降低成本以及操作简便，所以在满足工作性能及加工要求的条件下，应尽量以正火代替退火。

正火与退火的区别，处理温度
正火的冷却速度比退火快，得到的组织较细，工件的强度和硬度比退火高。

对于高碳钢的工件，正火后硬度偏高，切削加工性能变差，故宜采用退火工艺。

从经济方面考虑，正火比退火的生产周期短，设备利用率高，生产效率高，节约能源、降低成本以及操作简便，所以在满足工作性能及加工要求的条件下，应尽量以正火代替退火。

退火和正火可在电阻炉或煤、油、煤气炉中进行，最常用的是电阻炉。

电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热工件，同时用热电偶等电热仪表控制温度，操作简单、温度准确。

在加热过程中，由于工件与外界介质在高温下发生化学反应，当加热温度和加热速度控制不当或装炉不合适时，会造成工件氧化、脱碳、过热、过烧及变形等缺陷。

因此要严格控制加热温度和加热速度等。

图2-2为退火和正火的加热温度范围。

什么是淬火
淬火是将工件加热到Ac1或Ac3以上某一温度，保温一定时间使其奥氏体化，然后以一定的冷却速度冷却，从而获得马氏体（或贝氏体）的热处理工艺方法。

（马氏体：C在a-Fe中的过饱和固容体）
淬火的目的是提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。

钢的淬火是热处理工艺中最重要、也是用途最广泛的工序，如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、钻探机械、农机具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零件都在使用淬火工艺。

1. 淬火加热温度
淬火加热温度根据钢的成分、组织和不同的性能要求来确定。

亚共析钢是AC3+（30～50℃）；共析钢和过共析钢是AC1+（30～50℃）。

亚共析钢淬火加热温度若选用低于AC3的温度，则此时钢尚未完全奥氏体化，存在有部分未转变的铁素体，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。

铁素体的硬度较低，从而使淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。

若将亚共析钢加热到远高于AC3温度淬火，则奥氏体晶粒会显著粗大，从而破坏淬火后的材料性能。

所以亚共析钢淬火加热温度选用AC3+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。

过共析钢的淬火加热温度一般推荐为AC1+（30～50℃）。

在实际生产中还根据情况适当提高20℃左右。

在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物。

淬火后除极
少数残余奥氏体外，其组织为片状马氏体基体上均匀分布的细小的碳化物质点。

这样的组织硬度高、耐磨性好，并且脆性相对较少。

过共析钢的淬火加热温度不能低于AC1，因为此时钢材尚未奥氏体化。

若加热到略高于AC1温度时，珠光体完全转变成奥氏体，并有少量的渗碳体溶入奥氏体。

此时奥氏体晶粒细小，且其碳的质量分数已稍高于共析成分。

如果继续升高温度，则二次渗碳体不断溶入奥氏体，致使奥氏体晶粒不断长大，其碳浓度不断升高，会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。

同时由于奥氏体含碳量过高，使淬火后残余奥氏体数量增多，降低工件的硬度和耐磨性。

因此过共析钢的淬火加热温度高于AC1过多是不合适的。

在生产实践中选择工件的淬火加热温度时，除了遵守上述一般原则外，还要考虑工件的化学成分、技术要求、尺寸形状、原始组织以及加热设备、冷却介质等诸多因素的影响，对加热温度予以适当调整。

如合金钢零件，通常取上限，对于形状复杂零件取下限。

强韧化新工艺选用的淬火加热温度与常用淬火温度有所区别。

如亚温淬火是亚共析钢在略低于AC3
的温度奥氏体化后淬火，这样可提高韧性，降低脆性转折温度，并可消除回火脆性。

如45、40Cr、60Si2等材料制成的工件亚温淬火加热温度为AC3－（5～10℃）。

采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或使全部板条马氏体提高强度和韧性。

如16Mn钢在940℃淬火，5CrMnMo钢在890℃淬火，20CrMnMo钢在920℃淬火，效果较好。

高碳钢低温、快速、短时加热淬火，适当降低高碳钢的淬火加热温度，或采用快速加热及缩短保温时间的办法，可减少奥氏体的碳含量，提高钢的韧性。

2. 保温时
间
为了使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物溶解及奥氏体的成分均匀化，就必须在淬火加热温度保温一定时间，即保温时间。

3. 淬火介质
工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。

理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。

这就要求在C曲线的“鼻子”以上温度缓冷，以减小急冷所产生的热应力；在“鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度，以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变；在“鼻子”下方，特别使Ms点一下温度时，冷却速度应尽量小，以减小组织转变的应力。

生产中常用的冷却介质有：水、水溶液、油，另外还有熔盐、熔碱等。

①水：优点是在650~550℃范围内有很大的冷却能力，且安全、价廉、对环境污染较小且易控制，
易实现自动化；其缺点是在300~200℃范围内冷却仍很快，易引起钢的淬裂。

②食盐水溶液：常用5%~15%的NaCl溶液，优点是可增加650~550℃范围内的冷却，且基本上不改变300~200℃时的冷却能力，可避免淬火软点，使硬度均匀，是工厂中最常用之淬火介质。

③碱水溶液：常用5%~15%的NaOH水溶液，优点是可增加650~550℃范围内的冷速，基本不改变300~200℃的冷却能力，缺点是腐蚀性大，化学稳定性差，易变质。

④油：优点是无论在高温650~550℃，还是在低温300~200℃，冷却中都很缓慢，且工件一般不易开裂。

缺点是易燃，使用性质会逐渐改变，价格高。

一般而言，碳素钢淬火用水冷，合金钢淬火用油冷。

4. 冷却方法生产实践中应用最广泛的淬火分类是以冷却方式的不同划分的。

主要有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。

特殊工件也采用压缩空气淬火、喷雾淬火、喷流淬火。

（1）单液淬火法将加热的工件放入一种淬火介质中连续冷却至室温的操作方法。

优缺点：操作简单，易实现机械化与自动化，适用于形状简单的工件，但此法水冷变形大，油冷难淬硬，可将油、水双冷结合起来进行如下的双液淬火。

（2）双液淬火法将加热的碳钢先在水或盐水中冷却，冷到（300～400）℃时迅速移入油中冷却，这种水淬油冷的方法称为双液淬火法。

优缺点：既可使工件淬硬，又能减少淬火的内应力，有效地防止产生淬火裂纹，主要用于形状复杂的高碳工具钢，如丝锥、板牙等。

缺点是操作困难，技术要熟练。

（3）分级淬火法分级淬火法是把加热好的工件先投入温度稍高于Ms点的盐浴或碱浴中快速冷却停留一段时间，待其表面与心部达到介质温度后取出空冷，使之发生马氏体转变。

优缺点：比双液淬火进一步减少了应力和变形，操作较易。

但由于盐浴、碱浴的冷却能力较小，故只适用于形状较复杂、尺寸较小的工作。

（4）等温淬火法此法与分级淬火法相类似，只是在盐浴或碱浴中的保温时间要足够长，
使过冷奥氏体等温转变为有高强韧性的下贝氏体组织，然后取出空冷。

优缺点：由于淬火内应力小，能有效地防止变形和开裂，但此法缺点是生产周期较长又要一定设备，常用于薄、细而形状复杂的尺寸要求精确，并且要求强韧性高的工件，如成型刀具、模具和弹簧等。

5. 淬透性
淬透性是指材料获得淬硬层深度的能力。

一般规定从工件表层深入到半马氏体区(马氏体与非马氏体组织各占一半的地方易测定硬度)的深度为淬硬层深度。

淬硬层越深，就表明钢的淬透性越好，如果淬硬层深度达到心部，则表明该钢全部淬
透。

钢的淬透性好坏对机械性能影响很大，但并非所有的机械零件都必须完全淬透。

例如，承受弯、扭应力的轴类零件，表面热处理的零件等，只需要一定深度的淬硬层就已满足使用要求。

钢的淬透性主要决定于临界冷却速度，临界冷却速度越小，钢的淬透性就越好，反之，则降低钢的淬透性。

除Co以外，大多数合金元素都能显著提高钢的淬透性。

应当注意的是，淬透性和淬硬性是两个不同的概念，不可混淆。

淬硬性是指淬火后获得的最高硬度，主要取决于马氏体中的含碳量。

淬透性好的钢，它的淬硬性不一定高。

如高碳工具钢与低碳合金钢相比，前者淬硬性高但淬透性低，后者淬硬性低但淬透性高。

淬火操作的注意事项
淬火操作时，应注意淬火工件浸入淬火剂的方式。

如果浸入方式不正确，则可能因工件各部分的冷却速度不一致而造成极大的内应力，使工件发生变形、裂纹或产生局部淬不硬等缺陷。

浸入方式的根本原则是保证工件最均匀地冷却，具体操作如图2—3所示
厚薄不匀的工件，厚的部分应先浸入淬火剂中；细长的工件，如钻头、挫刀、轴等，应垂直地浸入
淬火剂中；薄而平的工件，如圆盘铣刀等，不能平着放入而必须立着放入淬火剂中；薄壁环状工件，必须沿其轴线垂直于液面方向浸入；截面不均匀的工件，应斜着浸入淬火剂中，使工件各部分的冷却速度接近。

淬火效果的重要因素，淬火工件硬度要求和检测方法：
淬火工件的硬度影响了淬火的效果。

淬火工件一般采用洛氏硬度计，测试HRC硬度。

淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA的硬度。

厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒，可改用表面洛氏硬度计，测试HRN硬度。

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什么是回火
回火是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度，保温一段时间后在空气或水、油
等介质中冷却的金属热处理。

钢铁工件在淬火后具有以下特点：①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等
不平衡（即不稳定）组织。

②存在较大内应力。

③力学性能不能满足要求。

因此，钢铁工件淬火后一般都
要经过回火。

回火的作用在于：①提高组织稳定性，使工件在使用过程中不再发生组织转变，从而使工件几何尺
寸和性能保持稳定。

②消除内应力，以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。

③调整钢铁的力
学性能以满足使用要求。

回火的目的是减小或消除工件在淬火时产生的内应力，降低淬火钢的脆性，使工件获得较好的强度、韧性、塑性、弹性等综合力学性能。

回火之所以具有这些作用，是因为温度升高时，原子活动能力增强，钢铁中的铁、碳和其他合金元
素的原子可以较快地进行扩散，实现原子的重新排列组合，从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的
平衡组织。

内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。

一般钢铁回火时，硬度和强度下降，塑性提高。

回火温度越高，这些力学性能的变化越大。

有些合金元素含量较高的合金钢，在某一温度范围回火时，会析出一些颗粒细小的金属化合物，使强度和硬度上升。

这种现象称为二次硬化。

根据回火温度的不同，回火分为低温回火、中温回火和高温回火。

1．低温回火回火温度为150~250°C。

低温回火可以部分消除淬火造成的内应力，降低钢的脆性，提高韧性，同时保持较高的硬度。

故广泛应用于要求硬度高、耐磨性好的零件，如量具、刃具、冷变形模具
及表面淬火件等。

2．中温回火回火温度为300~450°C。

中温回火可以消除大部分内应力，硬度有显著的下降，但仍有一定的韧性和弹性。

中温回火主要应用于各类弹簧、高强度的轴、轴套及热锻模具等工件。

3．高温回火回火温度为500~650°C。

高温回火可以消除内应力，使工件既具有良好的塑性和韧性，又具有较高的强度。

淬火后再经高温回火的工艺称为调质处理。

对于大部分要求较高综合力学性能的重
要零件，都要经过调质处理，如轴、齿轮等。

要求
用途不同的工件应在不同温度下回火，以满足使用中的要求。

①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面
淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。

低温回火后硬度变化不大，内应力减小，韧性稍有提高。

②弹
簧在350～500℃下中温回火，可获得较高的弹性和必要的韧性。

③中碳结构钢制作的零件通常在500～600℃进行高温回火，以获得适宜的强度与韧性的良好配合。

淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。

钢在300℃左右回火时，常使其脆性增大，这种现象称为第一类回火脆性。

一般不应在这个温度区间回火。

某些中碳合金结构钢在高温回火后，如果缓慢冷至室温，也易于变脆。

这种现象称为第二类回火脆
性。

在钢中加入钼，或回火时在油或水中冷却，都可以防止第二类回火脆性。

将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度，便可以消除这种脆性。