热处理基本知识

一.铁碳合金的基本相

由于铁与碳之间相互作用不同，使铁碳合金固下态的相结构也有固溶体和金属化合物两类。属于固溶体相有铁素体与奥氏体，属于金属化合物相的有渗碳体。

1．铁素体纯铁在912℃以下为具有体心立方格的α-Fa。碳溶于α-Fa中的间隙固溶体称为铁素体，由于α-Fa是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727℃时溶碳量最大，可达0.0218%，随着温度的下降溶碳量逐渐减少，在600℃时溶碳量为0.0057%，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同。铁素体的强度和硬度不高，但具有良好可造性与韧性。铁素体在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。

2．奥氏体碳溶于γ-Fe中的间隙固溶体称为奥氏体，以符号A表示。由于γ-Fe是面心立方晶格结构，它的晶格致密度虽然高于体心立方晶格的α-Fa，但由于其晶格间的最大空隙要比α-Fa大，故溶碳能力也就大些。在1148℃时溶碳量最大，可达2.11%，随着温度的下降溶碳量逐渐减少，在727℃时溶碳量为0.77%。奥氏体的性能与其溶碳量及晶粒大小有关，一般奥氏体的硬度为HB170-220，延伸率δ为40-50%，因此奥氏体的硬度较低而可造性较高，易于锻压成型。奥氏体存在于727%以上的高温范围内。与γ-Fe一样，奥氏体为非磁性相。

3．渗碳体它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物，它的含碳量为6.69%；溶点为1227℃左右〔1600℃〕；不发生同素异晶转变；但

是磁性转变，它在230℃以下具有弱磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高〈相当于HB800〉，而可造性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。渗碳体不易受硝酸酒精溶液的腐浊，在显微镜下呈白亮色，但受碱性苦味酸钠的腐浊，在显微镜下呈黑色。

二.钢的热处理

提高钢材性能的主要途径有二：一是在钢中特意加入一些合金元素，即用合金化的措施来提高钢材的性能，另一措施就是对钢进行热处理。

钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得多需性能的一种工艺。根据加热和冷却方法不同，热处理方法大致分类如下：

1.退火

2.正火

1．普通热处理： 3.淬火

4.回火

热处理：

1.感应加热淬火

1.表面淬火：

2.火焰加热淬火

2.表面热处理：

2.化学热处理： 1.渗碳

2. 氮化

3.碳氮共渗及其他

热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。

在生产中常把热处理分为预先热处理和最终热处理两类。为了消除前道工序造成的某些缺陷，或为随后的切削加工和最终热处理做好准备的热处理，称为预先热处理。为使工件满足使用条件下的性能要求的热处理，称为最终热处理。一般较重要工件的制造工程大致是：铸造或锻造→退火或正火→机械〈粗〉加工→淬火+回火〈或表面热处理〉→机械〈精〉加工等工序。退火或正火的主要目的大致可归纳为如下几点：

1.降低钢件硬度，以利用随后的切削加工。经适当退火或正火处理后，一般钢件的硬度在HB160-230之间，这是最适于切削加工的硬度。

2.消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。

3.细化晶粒、改善组织，以提高钢的机械性能。

4.为最终热处理〈淬火、回火〉作好组织上的准备。

三.退火

根据钢的成分、退火的工艺与目的的不同，退火常分为：完全退火、等温退火、扩散退火、球化退火和去应力退火等几种〈不包括再结晶退火〉。

1.完全退火这种退火主要用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件及热轧型材，有时也用于焊接结构件。其目的是细化晶粒、消除内应力与组织缺陷、降低硬度、提高可造性，为随后的切削加工和淬火作好组织准备。完全退火工艺是将亚共析碳钢工件加热到Ac3以上约20-60℃，保温一定时间，随炉缓慢冷却到600℃以下，再出炉在空气中冷却。一般碳钢和合金钢加热时，其加热速度可不予限制，钢材入炉后可随炉升温，也可高温装炉。但对某些导热性差的高合金钢件和大截面工件，为了防止在加热过程中引起变形开裂，一般应在低温〈≤250℃〉装炉，并用较小的加热速度〈100-200℃/h〉升温。保温时间与钢的成分、原始组织、装炉量、装炉方式以及加热炉的形式等都有关系，故目前尚无统一的确切的计算方法，大多从生产时间出发，根据具体条件和积累的经验而加以确定。完全退火经加热、保温后，获得晶粒细小的单相奥氏体组织。随后必需以缓慢的冷却速度进行冷却，以保证奥氏体在珠光体转变区的上部发生转变。因此，碳钢工件的冷却速度应为100-200℃/h；一般合金钢应为50-100℃/h；高合金钢应为10-50℃/h。退火工件的随炉冷却速度一般约为30-120℃/h，故是比较容易实现的退火冷却速度。

2.等温退火完全退火是为了保证奥氏体在珠光体转变区上部分发生转变，其冷却速度必须很缓慢，故所需时间很长，特别是对某些奥

氏体比较稳定的合金钢，其退火工艺往往需要数十小时，甚至数天的时间，因此生产中常用等温退火来代替完全退火。等温退火的加热工艺与完全退火相同。但钢经奥氏体化后，等温退火以较快速度冷却到A1以下，等温一定时间，使奥氏体在等温中发生珠光体转变，然后又以较快冷速〈一般为空冷〉冷至室温。因此，等温退火不仅可以有效地缩短整个退火过程的时间，提高生产率；而且由于工件内外都是处于同一温度下发生了组织转变，故能获得均匀的组织性能。

3.扩散退火扩散退火主要用于合金钢铸锭和铸件，目的是为了消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化。故扩散退火又称均匀化退火。扩散退火是把铸锭或铸件加热到Ac3以上150-250℃〈通常为1000-2000℃〉保温10-15小时，然后再随炉冷却。故其工艺特点是高温长时间的加热，使钢中成分能进行充分扩散而达到均匀化的目的。钢中合金元素含量越高，其加热温度也越高。由于温度高、时间长，使扩散退火后组织严重过热，因此，必须再进行一次完全退火或正火来消除热缺陷。扩散退火时间很长，工件烧损严重，耗费能量很大，是一种成本很高的工艺，所以它主要用于质量要求高的优质高合金钢的铸锭和铸件。

4.球化退火球化退火主要用于共析成分的碳钢和合金钢。目的的是球化渗碳体，以降低硬度，改善切削加工性，并为淬火作好组织准备。

5.去应力退火去应力退火又称低温退火,它主要用于消除铸件、锻件、焊接件、冷冲压件以及加工件中的残余应力。如果这些残余应力