热处理工艺及水冷炉冷空冷的比较

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1、以共析钢为例：共析钢从高温炉冷变成粗波来铁空冷变成中波来铁油冷变成细波来铁+麻田散铁+残留沃斯田铁水冷变成麻田散铁+残留沃斯田铁产生残留沃斯田铁主要是因为冷却速度不够快，及冷却液的冷却 能力。钢在冷却时的组织转变连续冷却转变:过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下 降发生组织转变，同样可用“连续冷却转变曲线”“CCT曲线，C continuous； Ccooling； Ttransformation” 分析组织转变 过程和产物。共析钢的“CCT曲线”测量过程示意图如下图。图中 V1 （炉冷）、V2 （空冷）、V3 （油冷）、V4 （水冷）代表热处理中 四种常用的连续冷却方式。1炉冷V1：随炉冷却

2、（相当于退火），比较缓慢，它分别与C 曲线的转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线 上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度 170220HBS。（珠光体是奥氏体（奥氏体是碳溶解在 厂Fe中的间 隙固溶体）发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名 自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体 薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。）空冷V2：在空气中冷却（相当于正火），它分别与C曲线的转变 开始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域 中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度2535HRC。在中 等硬度情况下，洛氏硬度

3、HRC与布氏硬度HBS之间关系约为1： 10O （索氏体:钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的 机械混合物。属于珠光体类型的组织，但其 组织比珠光体组织 细。将淬火钢在450-600 C进行回火，所得到的索氏体称为回 火索氏体（temperedsorbite ）。回火索氏体中的碳化物分散度 很大，呈球状。故比索氏体具有更好的机械性能。这就是为什 么多数结构零件要进行调质处理（淬火+高温回火）的原因。索 氏体，是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的 细珠光体，其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是片层 的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（250 350nm ），

4、碳在铁素体中已无过饱和度，是一种 平衡组织。）油冷V3:在油中的冷却（相当于在油中淬火），与C曲线的转变 开始线交于5、6点，没有与转变终了线相交，所以仅有一部分过 冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至M线以下转变为马氏 s体组织。因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度 4555HRC。（托氏体/屈氏体:troostite，奥氏体等温转变所得 到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。是一种最细的 珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。钢经淬火后在 300450 C回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体，是过冷奥氏体 冷却到350500C左右形成的片间距约为300800nm的珠光体。）

5、（马氏体/麻田散铁，是纯金属或合金从某一固相转变成另一固相 时的产物；马氏体最先在淬火钢中发现，是由奥氏体转变成的， 是碳在a铁中的过饱和固溶体。马氏体的开始和终止温度，分别 称为M始点和M终点；钢中的马氏体在显微镜下常呈针状，并伴有 未经转变的奥氏体（残留奥氏体）；钢中的马氏体的硬度随碳量增 加而增高；高碳钢的马氏体的硬度高而脆，而低碳钢的马氏体具 有较高的韧性。）水冷匕在水中冷却（相当于在水中淬火的），它不与C曲 线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。最后 得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度5565HRC等温转变“TTT曲线”在连续冷却转变中的应用：由于连续 冷却“CCT转变

6、曲线”的测定较为困难，而连续冷却转变可以看作 由许多温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。故生 产中常用TTT曲线（C曲线）近似地分析连续冷却过程。马氏体:碳在a-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符 号“M”表示。在Ms线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变， 马氏体转变通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。马氏体组 织形貌：低碳马氏体组织通常呈板条状M；高碳马氏体组织通常呈 针叶状M。马氏体转变特点:马氏体转变具有不完全性。奥氏体过冷到室温不能得到全部 马氏体，而保留一定量的奥氏体，这种在冷却过程中发生相变后 仍在环境温度下存

7、在的奥氏体称残余奥氏体。残余奥氏体不仅降 低钢件的硬度和耐磨性，而且影响钢件的尺寸稳定性，要使残余 奥氏体继续向马氏体转变，就要将淬火钢继续冷却至室温以下（如 冰柜冷却至0C以下；干冰+洒精可冷却至-78C ；液氮可冷却至 -183C），即冷处理。马氏体转变的速度极快，属非扩散型相变，一般不需要孕育 期。马氏体转变会引起钢的体积膨胀。由于马氏体的比容比奥氏 体大，通常又是在较大的冷却速度下发生转变，钢件内外温差大 所以会产生很大的内应力，这是导致淬火钢出现变形和开裂的主 要原因。贝氏体，也称变韧铁，是由奥氏体在珠光体温度范围以下和 马氏体点（马氏体转变开始的温度）以上的温度范围内分解而成 的铁

8、素体和渗碳体的混合体。贝氏体分为两种，在较高温度（350 550C）形成的称“上贝氏体”，其组织在光学显微镜下呈羽毛状;在较低温度形成的称“下贝氏体”，其组织在光学显微镜下呈针 状或竹叶状。贝氏体由于碳化物颗粒周围受腐蚀而变得比较粗糙， 故在显微镜下呈黑色1）退火：等温退火将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温，使 过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至室温球化退火将过共析碳钢加热到Ac1以上2030C，保温24h， 使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分 布在奥氏体基体上，随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳 体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀 的颗粒

9、状渗碳体。均匀化退火（扩散退火）将工件加热到1100C左右，保温10 15h，随炉缓冷到350C，再出炉空冷。工件经均匀化退火后， 奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒 消除过热缺陷去应力退火将工件随炉缓慢加热到500650C，保温，随炉缓 慢冷却至200C出炉空冷。主要用于消除加工应力。再结晶退火将材料加热至再结晶温度以上，保温后缓慢冷却的工 艺方法。完全退火用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻件；等温退火用于奥 氏体比较稳定的合金钢；球化退火用于共析钢、过共析钢和合金工具钢；均匀化退火用于高质量要求的优质高合金钢的铸锭和成 分偏析严重的合金钢铸件；去应力退火用于铸件、锻件、焊

10、接件、 冷冲压件及机加工件；再结晶退火主要用于去除加工硬化 残留应力退火处理有残留应力的存在，若未经适当应力退火处理，在不当的暴露於 热源下，会产生变形的现象，另外残余应力经常时高度集中在某 一局部区域，因此会局部降低制品的机械强度。为避免这些问题， 我们必须采用残余应力退火处理。此处理是将制品缓慢而均匀的 加热至一低於向变化点之温度，然后置於此温度一段时间，再缓 慢而均匀的逐步冷却下来，在此过程中最重要的是必须保持制品 各区域之冷却速度相同，否则冷却后，由於各区冷却速率的差异， 会再度造成残余应力的出现。应力退火是利用原子在高温有微小潜变的现象，来重组原子位置 以消除应力的存在。因此材料应力

11、退火温度随着材料之高温潜变 能力不同而有所变化。去应力退火处理主要的目的，在於清除因锻造、铸造、机械加工 或焊接所产生的残留应力，这种残存应力常导致工件强度降低、 经久变形，并对材料韧性、延展性有不良影响，因此弛力退火热 处理对於尺寸经度要求严格的工件、有安全顾虑的机械构件非常 重要。弛力退火的热处理程序系将工件加热到A1点以下的适当温度， 保持一段时间（不需像软化退火热处理那麽久）后，徐缓冷至室 温。特别需要注意的是，加热时的速度要缓慢，尤其是大型物件 仅供个人学习参考或形状复杂的工件更要特别注意，否则弛力退火的成效会大打折 扣正火保温后的冷却，一般可在空气中冷却，但一些大型工件或在 气温较

12、高的夏天，有时也采用吹风或喷雾冷却。正火后组织与性能正火实质上是退火的一个特例。两者不同之处，主要在于正火冷 却速度较快，过冷度较快，因而发生了伪共析转变，使组织中珠 光体增多，且珠光体的片层间距变小。正火后的强度、硬度、韧 性都比退火后的高，且塑性也并不降低。正火的应用正火与退火相比，钢的机械性能高，提价简便，生产周期短，能 耗少，故在可能条件下，应优先考虑采用正火处理。目前的应用 如下：1. 作为普通结构零件的最终热处理2. 改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性3. 作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理4. 消除过共析钢中风状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备5. 一些大型的或形状较复

13、杂的零件，淬火可能有开裂的危险，正 火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。为了增加低碳钢的硬度，可适当提高正火温度制程退火：由於材料经过相等程度冷加工后，会有加工硬化的现 象，以至无法做进一步的加工。因此我们必须於制程中加入一退火步骤来消除此种不利的加工硬化现象。此类退火处理统称为制 程退火球化处理在退火处理后能获得球状之碳化物之一种处理。一般可 米用以下几种方法得到。a.长时间热浸置於略低於Ae之温度b轮番加热及冷却於Ae温度上下最好刚刚高於Ac及低於Ar。 c加热至高於Ac,然后慢慢在炉中冷却，或停留Ar 一长时间 均匀化处理（Homogenization）利用在高温进行

14、长时间加热， 使内部的化学成分充分扩散，因此又称为扩散退火。加热温 度会因钢材种类有所差异，大钢锭通常在1200C至1300C之间 进行均匀化处理，高碳钢在1100C至1200C之间，而一般锻造 或轧延之钢材则在1000C至1200C间进行热处理。球化退火主要的目的，希望藉由热处理使钢铁材料内部的层状或 网状碳化物凝聚成为球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性 特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。常见的球化退火处 理包括：（1）在钢材A1温度的上方、下方反覆加热、冷却数次 使A1变态所析出的雪明碳铁，继续附着成长在上述球化的碳化物 上；（2）加热至钢材A3或Acm温度上方，使碳化物完全固溶

15、於沃斯田体后急冷，再依上述方法进行球化处理。使碳化物球化， 尚可增加钢材的淬火后韧性、防止淬裂，亦可改善钢材的淬火回 火后机械性质、提高钢材的使用寿命。软化退火热处理将工件加热到600C至650C范围内（A1温度 下方），维持一段时间之后空冷，其主要目的在於使以加工硬化 仅供个人学习参考的工件再度软化、回复原先之韧性，以便能再进一步加工。此种 热处理方法常在冷加工过程反覆实施，故又称之为制程退火。大 部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随着加工量渐增而变大 也因此导致材料延性降低、材质变脆，若需要再进一步加工时， 须先经软化退火热处理才能继续加工。工件如何获得性能优异之微细波来体结构？退火处理

16、会使钢材变软，淬火处理会使钢材变硬，正常化处 理，则可获得层状波来铁组织，可有效改善钢材的切削性及耐磨 性，同时又兼具不会产生裂痕、变形量少与操作方便等优点。然 而正常化处理是比较难的一种热处理技术，因为它采用空冷的方 式冷却，会受到许多因素而影响空冷效果，例如夏天和冬天之冷 却效果不同、工件大小对空冷速率有别、甚至风吹也会影响冷却 速率。因此正常化处理要使用各种方法来维持均一性，可利用遮 阳、围幕、坑洞、风扇等。正常化处理与退火处理之差异正常化处理加热至A3点或Acm点以上4060C保持一段时间， 使钢材组织变成均匀的沃斯田铁结构后，在静止的空气中冷却至 室温的热处理程序。对亚共析钢而言，可

17、获得晶粒细化的目的而 拥有好的强度与韧性；对过共析钢而言，则可防止雪明碳铁在沃 斯田铁晶粒边界上形成网状析出，以降低材料的韧性完全退火处理主要目的是要软化钢材、改善钢材之切削性，其热 处理程序为加热至A3点以上2030C（亚共析钢）或A1点以 上3050C持温一段时间，使形成完全沃斯田铁组织后（或沃斯 仅供个人学习参考田体加雪明碳体组织），在A1点下方50C使充分发生波来体变 态，获至软化的钢材。如何消除工件之残留应力？应力消除退火在变态点以下450650C加热一段时间后徐徐冷却至室温，可消除钢材内部在切削、冲压、铸造、熔接过程所产生的残留应力。对碳钢而言，参考的加热温度为62525C；对 合

18、金钢而言，参考的加热温度为70025C。持温时间亦会有所 差异，对碳钢而言，保持时间为每25mm厚度持温1小时；对 合金钢而言，保持时间为每25mm厚度持温2小时，以25mm 以275C/小时以下的冷却速率冷却之。如何预防加热变形？预防加热变形的发生，最好是缓慢加热，并实施预热处理。一般 钢材在选择预热温度时，可依下列准则来选定预热温度：（1） 以变态点以下作为预热温度，例如普通钢约在650-700C，高 速钢则800-850C左右。（2）以500C左右作为预热温度。（3）二段式预热，先在500C左右作第一段预热，保持一段时 间充分预热后，在将预热温度调高至A1变态点以下。（4）三 段式预热，

19、针对含有高含量合金之大型钢材，例如高速钢，有时 需要在1000-1050C作第三段预热。1. 完全退火又称重结晶退火，一般简称为退火，这种退火主要用 于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸，锻件及热轧型材，有时 也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理，或作 为某些工件的预先热处理。2. 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢（如制造刃具， 量具，模具所用的钢种）。其主要目的在于降低硬度，改善切削 加工性，并为以后淬火作好准备。3. 去应力退火又称低温退火（或高温回火），这种退火主要用来 消除铸件，锻件，焊接件，热轧件，冷拉件等的残余应力。如果 这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间

20、以后，或在随后的 切削加工过程中产生变形或裂纹。二淬火时，最常用的冷却介质是盐水，水和油。盐水淬火的工 件，容易得到高的硬度和光洁的表面，不容易产生淬不硬的软点， 但却易使工件变形严重，甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适 用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢 工件的淬火。1. 钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温 后缓慢冷却的热处理方法。退火的目的，是为了消除组织缺陷 改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少 残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性 能。故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理2. 钢的正火是将钢加热到临界温

21、度以上，使钢全部转变为均匀的 奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学 性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。铸铁之弛力退火处理内应力发生的主要原因在於铸件的内部肉厚不同，在急速冷 却过程中由於热降的差异发生，肉厚不同会使每一个不分的收缩 各异，因而引起了所谓内应力，冷的部分具有较高的潜变长度 而热的部分其长度较低，故热的部分就会在冷的部分收缩后形成 热点造成部份的变形，变形部分之强度，随着变形度的增加而提 高，最后再不能进一步变形时，铸件内部形成某种程的弹性应力， 甚至塑性应变，即为内应力，此应力几乎可高

22、达与抗拉强度等值， 使局部应力超过抗拉强度的时候，此类铸件很容易因而造成破 裂，热处理是消除内应力最重要的一种方法。适合的退火温度：对非合金性的铸铁而言，约在500575C 之间，对於低筋性的铸铁而言，大约在550600C之间，对高 合金铸铁而言则600650C之间，炉内的温度分布，必须尽可 能的均匀以避免存在温度梯度。一般而言铸件厚度每增加 25mm必须增加一小时的退火时间。铸铁之软化退火处理灰铸铁里的碳化物主要分两类，第一类是在凝固过程中形成 的共晶碳化物(EutecticCarbide)，一般称之为自由碳化物 (FreeCarbide)。软化处理主要分成两个步骤，第一段石墨化及 第二段石

23、墨化，共晶碳化物之分解为第一段石墨化，波来铁分解 为肥力铁与石墨之步骤为第二段石墨化。仅供个人学习参考第一段石墨化处理的目的在於消除共晶雪明碳铁，晶界形成 共晶碳化物，此类碳化物在某一个温度范围内相当的不稳定，其 分解速度随着温度的降低而急速的减小，且随着温度的升高而急 速的增加。第一段石墨化的温度不宜太低，其温度范围大约在 850C至950C之间，对球状石墨铸铁而言，由於需要较高的韧 性，因此温度不宜超过920C，以免发生沃斯田铁初晶第二段石墨化处理的目的是消除或减少波来铁，其主要作用 在於分解波来铁，或者经过第一段石墨化处理后，在冷却过程中， 防止波来铁的再形成，主要的执行步骤，是在变态温度以下非常 缓慢的冷却，或者在变态温度以下保持一段时间。完全肥粒铁化 所需要的退火时间在424小时之间，温度则在680740C之 间。