热处理工艺及水冷炉冷空冷的比较 - 图文

以共析鋼為例：

共析鋼從高溫爐冷變成 粗波來鐵 空冷變成 中波來鐵

油冷變成 細波來鐵 +麻田散鐵+殘留沃斯田鐵 水冷變成 麻田散鐵 +殘留沃斯田鐵

產生殘留沃斯田鐵主要是因為冷卻速度不夠快，及冷卻液的冷卻能力。 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；C — cooling；T — transformation”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。

共析钢的连续转变图建立过程示意图（CCT曲线） 炉冷V1：随炉冷却（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170~220HBS。（珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－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25~35HRC。在中等硬度情況下，洛

氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關系約為1：10。（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℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（tempered sorbite）。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），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Ms线以下转变为马氏体组织。因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度45~55HRC。(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300~450℃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350~ 500℃左右形成的片间距约为300~800nm的珠光体。)（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α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V4：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55~65HRC。

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。

“TTT曲线”在连续冷却过程中的应用 [马氏体]：碳在α-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 马氏体转变特点：

马氏体的碳含量与性能的关系 奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响 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0℃以下；干冰+洒精可冷却至–78℃；液氮可冷却至–183℃），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素体和渗碳体的混合体。贝氏体分为两种，在较高温度（350～550℃）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。

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為球状，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，继续附著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600℃至650℃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的工件再度软化、回復原先之韧性，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，故又称之為製程退火。大部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随著加工量渐增而变大，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，同时又兼具不会產生裂痕、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，因為它採用空冷的方式冷却，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40~60℃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，其热处理程序為加热至A3点以上20~30℃（亚共析钢）或A1点以上30~50℃持温一段时间，使形成完全沃斯田铁组织后（或沃斯田体加雪明碳体组织），在A1点下方50℃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450~650℃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、熔接过程所產生的残留应力。对碳钢而言，参考的加热温度為625±25℃；对合金钢而言，参考的加热温度為700±25℃。持温时间亦会有所差异，对碳钢而言，保持时间為每25mm厚度持温1小时；对合金钢而言，保持时间為每25mm厚度持温2小时，以25mm以275℃/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，可依下列準则来选定预热温度：（1）以变态点以下作為预热温度，例如普通钢约在650~700℃，高速钢则

800~850℃左右。（2）以500℃左右作為预热温度。（3）二段式预热，先在500℃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，针对含有高含量合金之大型钢材，例如高速钢，有时需要在1000~1050℃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，随著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，即為内应力，此应力几乎可高达与抗拉强度等值，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500~575℃之间，对於低筋性的铸铁而言，大约在550~600℃之间，对高合金铸铁而言则

600~650℃之间，炉内的温度分布，必须儘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

灰铸铁裡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(Eutectic Carbide)，一般称之為自由碳化物(Free Carbide)。软化处理主要分成两个步骤，第一段石墨化及第二段石墨化，共晶碳化物之分解為第一段石墨化，波来铁分解為肥力铁与石墨之步骤為第二段石墨化。

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，其分解速度随著温度的降低而急速的减小，且随著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850℃至950℃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920℃，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4~24小时之间，温度则在680~740℃之间。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/a066.html