第七章 钢的普通热处理
知识要点:退火、正火、淬火、回火的目的；退火、正火、淬火、回火的工艺过程及其对零件加工和使用的影响。
第一节 钢的退火和正火
生产中，常用零件的预备热处理工艺，安排在锻造之后机加工之前。
一、钢的退火工艺
1．定义
将钢件加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。又称“焖火”。
2．工艺
加热温度：临界点（Ac1、 Ac3 或Accm）以上或以下。
冷却方式：一般采用炉冷。生产中为了提高生产率，通常冷却到 500℃左右出炉空冷或等温冷却方式，等温的温度和时间根据钢的“C曲线”确定。
保温时间：保证透烧，一般以1.0～1.5mm/min计算，并钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式有关。
3．常用退火工艺、目的及应用
（1）完全退火
应 用：适用于亚共析成分的碳钢和合金钢的铸件、锻件、焊接件及热轧型材。不适用于过共析钢。
目 的：①细化晶粒，均匀组织；②调整硬度，改善切削加工性能；③消除内应力。
加热温度：Ac3＋20-30℃，单相奥氏体区，完全奥氏体化。
室温组织：P+F，可认为是平衡组织。
2．球化退火（不完全退火）
定义：使钢中碳化物球化而进行的退火工艺称为球化退火。
应用：主要用于共析钢、过共析钢和高碳合金钢的刃具、量具、模具等的预备热处理。
目的：使钢中碳化物球化，降低硬度，提高塑性和切削加工性能；为淬火作组织准备。 加热温度：Ac1＋20～30℃，A和二次渗碳体两相区，不完全奥氏体化。原因：过共析钢加热至 Accm 以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。
组 织：球状珠光体（F基体上分布颗粒状Fe3C）
3．扩散退火（均匀化退火）
应 用：主要用于质量要求高的合金钢铸锭、铸件、锻件。
目 的：消除偏析，使成分均匀化。
加热温度：Ac 3 或以上150～200℃（1050-1150℃），保温10～20h。
组 织：亚共析钢为P+F。
后 果：晶粒粗大。由于加热温度高、时间长，会引起奥氏体晶粒严重粗化，因此，一般还需要进行一次完全退火或正火，细化晶粒、消除过热缺陷。
注意：高温扩散退火生产周期长，消耗能量大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。
4．去应力退火
工 艺：将工件缓慢加热到 Ac1 以下适当温度，保温1～3h后随炉缓冷。一般地，钢件在 500～650℃；铸铁件在 500～550℃；焊接件为 500～600℃。
目的、应用：消除铸、锻、焊件，冷冲压件以及机加工工件中的残余应力，以稳定钢件的尺寸，减少变形，防止开裂。如机床床身（铸件），内燃机汽缸体，冷卷弹簧。
5．再结晶退火
工 艺：加热到Ac1以下50-150℃，或T再+30-50℃，保温，缓冷。
目 的：消除加工硬化，恢复钢材的塑韧性。
应 用：冷加工后的工件消除加工硬化。如在钢丝拉拔过程中，中间进行的退火。
二、钢的正火
定 义：把钢件加热到完全奥氏体化，保温，然后在空气中冷却的热处理工艺。 加热温度：亚共析钢AC3+30-50℃ ；共析钢AC1+30-50℃ ；过共析钢 Accm+30-50℃
保温时间：以工件透烧为准，同时考虑钢材、原始组织、装炉量和加热设备等因素。
冷却方式：空气中自然冷却；对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度。
组 织：共析钢S 、亚共析钢（F+S）、过共析钢（Fe3CⅡ＋S ）
目的、应用：
1．对力学性能要求不高的普通结构钢零件作为最终热处理。 目的：细化晶粒，均匀组织；同时，使亚共析钢组织中F%↓、P%↑，从而提高钢的强度硬度和塑韧性。
2．消除过共析钢中的网状Fe3CII，细化晶粒，为球化退火作准备。
3．改善低碳钢或低碳合金钢（Wc<0.25％）的切削加工性能。
4．消除中碳结构钢经过铸、锻、轧制以及焊接等热加工后出现的粗大晶粒和带状组织等缺陷。
5．对某些大型 或形状复杂的工件，在保证使用性能的前提下可用正火代替淬火，以避免可能发生的严重变形和开裂现象。
三、退火、正火的选择
1．退火与正火的主要区别
主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较大，得到的珠光体组织比较细。因而，同一种钢，正火后经强度硬度比退火的高。
2．退火与正火的选择
图6-16 钢的热处理与硬度（阴影部分为合适的切削加工硬度范围）
根据具体情况，一般以下三个方面考虑：
（1）改善切削加工性 低碳钢宜采用正火；
含碳量在 0.25～0.45％之间的中碳钢既可采用退火，也可采用正火；
含碳量在 0.45～0.77％之间的高碳钢则必须采用完全退火；
过共析钢则宜采用球化退火。
低、中碳结构钢→正火；中高碳结构钢→完全退火，合金工具钢→球化退火。
（2）热处理工艺性
形状复杂、尺寸大或重要零件采用退火。退火冷却慢，内应力小，工件不易变形开裂。
一般零件，可采用正火。
（3）加工成本。正火成本低，退火成本高。在保证质量前提下尽量采用正火，降低成本，提高生产效率。
第二节 钢的淬火
淬火是热处理中应用最广的工艺之一。
一、淬火的目的
定义：将钢件加热到 AC3或AC1 临界温度以上，保温一定时间，然后以适当速度冷却获得马氏体和（或）贝氏体组织的热处理工艺。
目的：获得马氏体和（或）贝氏体组织，提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。淬火是发挥材料性能潜力的重要手段之一。
从工艺的角度出发，淬火温度和淬火介质的选择是影响淬火效果的重要因素，而这些都取决于钢和合金的性质。
二、淬火加热温度的确定
1．碳钢加热温度的确定
碳钢的淬火加热温度由Fe－Fe 3 C相图确定，其目的是淬火后得到高硬度的细小马氏体。（图示）
亚共析钢：Ac3+30～50℃；完全A化，获得细小A晶粒，淬火后可得细小M组织，无F相，强度硬度较高。
共 析 钢：Ac1+30～50℃。得到细小M。 过共析钢：Ac1+30～50℃。原因：保留一定量的 Fe3C，HRC↑，耐磨性↑；同时，A中C%↓，获得的M中C%↓M过饱和度↓，从而使M脆性↓，Ar％↓；若淬火温度过高→A粗大→M粗大→力学性能↓，同时，淬火应力↑→变形，开裂↑。
所以，过共析钢在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒A和细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后组织为片状M基体上均匀分布着细小的碳化物和极少量Ar，这种组织具有高的强度硬度，耐磨性好，脆性相对较小。
2．合金钢加热温度的确定
对于合金钢的淬火温度，可根据其临界温度及所含合金元素的性质，参照上述原则确定。一般是：Ac1 或Ac3＋50～100℃。
知识扩展：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。
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℃）。
低、中碳钢采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或全部板条马氏体组织，提高钢的强度和韧性。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、短时加热淬火工艺。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，可减少奥氏体中的碳含量，提高钢的韧性。
三、淬火介质 理想淬火介质：6500C以上，慢，减小热应力；650-4000C，快，避免与C曲线相交；4000C以下，慢，减小淬火应力，防止变形和开裂。
常用淬火介质有：水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。
新型淬火剂： 有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。
水 盐水或碱水 机油 盐浴或碱浴
冷却能力 强 更强 较弱 介于水油之间
变形开裂倾向 大 更大 较小 小
适用范围 小而简单 碳钢及低 合金钢淬火 小而复杂、变形要
的碳钢件 合金结构钢 求小的重要零件
四、淬火方法
淬火方法的分类是以冷却方式的不同划分的，常用的淬火工艺方法有：单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。（每种方法要有举例）
1．单介质淬火
将加热奥氏体化后的钢件放入单一淬火介质中，连续冷却到室温的操作方法。碳钢的水中淬火，合金钢的油中淬火都是单介质淬火法。特点：操作简单，易于实现自动控制，但水中淬火变形与开裂倾向大；油中淬火冷却速度小，淬透直径小，大件无法淬透。只适用于形状简单、尺寸较小碳钢和合金钢工件。
2．双介质淬火 用两种冷却介质。先浸入一种冷却能力强的介质中，待冷却到接近Ms点时立即转入下一种冷却能力弱的介质中的操作方法。如先水后油、先水后空气等。特点：在马氏体转变区冷速减慢，可减小应力，减少变形、开裂倾向，但不好掌握。适用于中等尺寸、形状复杂的高碳钢和尺寸较大的合金钢工件。
3．马氏体分级淬火
将加热奥氏体化的钢件，先浸入温度稍高或稍低于钢的Ms点的液态介质中，等温保持适当时间，然后取出空冷到室温，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。
淬火介质：燃点较高的油、盐浴和碱浴。
等温目的：使工件表面和心部温度均匀。等温过程中不发生组织转变，马氏体中空冷条件下进行。
淬火后组织：马氏体。
特点：工件温度均匀，组织转变缓慢，减小应力，变形开裂倾向显著降低。
应用：适用于变形要求严格且尺寸不大的工件。
4．下贝氏体等温淬火
将奥氏体化后的钢件放入稍高于Ms温度的盐浴中，等温保持一定时间，使奥氏体转变为下贝氏体的淬火工艺，也叫等温淬火。
淬火介质：盐浴或碱浴。
等温目的：得到综合性能良好的下贝氏体组织。等温时间由钢的TTT曲线确定，一般为30～60min，较分级淬火时间要长，等温过程中过冷A向下贝氏体组织转变。
淬火后组织：下贝氏体。
特点：减小淬火应力，防止变形和开裂，零件综合力学性能好。
应用：主要适于形状复杂、截面不大、要求精度高并具有良好强韧性的零件。
另外，还有采用复合淬火工艺的。工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使截面较大的工件获得（M+B下）组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变，在等温时又使马氏体回火。复合淬火多用于合金工具钢工件，可避免第一类回火脆性，减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。
5．冷处理
