热处理工艺及水冷炉冷空冷的比较

1、以共析鋼爲例：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Vi （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。水冷 

2、5;k 汕冷 Vki时间（山工）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170220HBS （珠光体是 奥氏体（奥氏体是碳溶解在y- 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。）空冷匕：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

3、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 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

4、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M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 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

5、到的屈氏体称为回火屈氏体，是过冷奥氏体冷却到350 500C左右形成的片间距约为300800nm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。）水冷乂: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M以下 进行马氏体转变。最

6、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。温度TTT曲线”在连续冷却过程中的应用马氏体:碳在a -Fe中的过饱和固溶体 称为 马氏体，用符号“ M表示。在M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

7、通常呈 板条状M ;高碳马氏体组织通常呈 针叶状M。100 OJ 0.2 03 0.4 0.5 0.6 05 0.8 0.9 LO马氏体的碳浓度Wcx 100OO207060铀40祀20(OHH 1 翌«ds)百鏗懑£馆 o o Q0 008 4 0 01 1 U 6200氏体转马氏体的碳含量与性能的关系马氏体转变特点: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

8、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 C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 铁素体和渗碳体的混合 体。贝氏体分为两种，在较高温

9、度（350550C ）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。淬火：将钢加热至临界点AC3或ACq以 定温度，保温以后以大于临界冷却速度的速 度冷却得到马氏体（或下贝氏体）的热处理11艺。以水为冷却介质的叫水淬，以油为冷却介质 的叫油淬。水的冷却能力大于油的冷却能力。介质冷去卩能力越大，钢的冷却速度越快茫越 容易超过钢的临界淬火速度，则丁件越容易 淬硬，淬硬层的深度越深； h退火：是将钢加热至临界点AC“以上或以下温 度，保温以后随炉缓

10、慢冷却以获得近于平衡态 组织的热处理工艺。其主要冃的是均匀钢的化 学成分及组织.细化晶粒，调增硬度，消除内 应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性 能，并为淬火做好组织准备。完全退火：AC3以上2030度°*不完全退火二ACi-ACat亚共析钢）或AC十AC©m（过共析钢）。”扩散追火：加热略低于固相线的温度正火=是将钢加热到ACs（或ACcm）以上适当 温度，保温以后A：空气叩冷却得到珠光体类 组织的热处理工艺。与完全追火相比，二者的加热温度相同，但 正火冷却速度较快，转变温虞较低。因此， 正火后获得的珠光体纽织较细，钢的强度、 硬度也较高。亠irtfBJ/kyqt -

11、200200冷却速度条件下.由于冷却速度缓慢.当缓冷至州点时，过冷奥氏体开始转变为 AP组织.绅续缓冷苓A4点以下时.即会得到单一的珠光体组织。冷却速度，表面上观察该冷却速度曲线似乎已经切割了 C曲线，但仔细分析，在 临界点以上的一段缓慢冷却实属保温一定时间，此时该合金的组织仍为稳定的奥氏 体，它如同仍在左上角的O点一样，此时奥氏体并不会发生分解。只有继续快速冷 却.当其实际冷却速度大于上临界冷却速度时，就一定会获得马氏体组织。我们可 从O点作冷却速度的平行线，并判斷其冷却速度是否大于上临界冷却速度。在 此处.很显然是大于上临界冷却速度的，故冷却速度下最终的组织为M +ARz-在 冷却速度曲线

12、的中下方有一水平台阶，它相当于等温冷却，此等温冷却线斡:冷 > 奥氏体等温冷却转变开始线的下半部分相交，说明会产生部分下贝氏心亦当又" 继续快速冷却时.剩余的过冷奥氏体将转变为M+g.登录注V160015001400I MW1200160UI5(X»I4(M)1300120011001000900800700600500液怕沃断田扯沃斯IH1S1102%M «? 冬+窝IEFQMIl4«a ；C茨呼j:mm哲砂1琰嵐 :I727°曲之210°11001000900MX>700«X>500200U(XW%04

13、 0.50.77 1.0過共析IM2.03.04 4.356 6.67100%_；_:啊0丁一 a» 口爲ASM 200大分類小分類種類F河（全鬼热處理）連備冷卻热髀送火、焊火、回火、正常化庆斯回火 '斛灯麻回火）耒而狀电注热處理）表而硬化热處理懑、餌匕'鳥恢淬火' 火焰济火、雷斛火表佛化賊理軟鮎匕僵浴临體）理尅匕表而滑化狀理渗硫（向溫 ' 攸溫）CVI） 51）、卜1）法（三礁钥含礦呈对淬火后便度的彫响在正常淬火条件下他的含瑛甲越鬲.淬火石的枝度也越商。但含碳呈大丁 0肌的 钢岸火启换度增加不明显。一般低碳钢淬火后.硬度在HRC40左呑中碳钢淬火后.

14、駛度可达HRC50伽 M 钢淳火垢.咬度离达HRC62飞5。木实於所用45钢金iE常热处理坊的细织与性能如农3-4所示衣3一415钢正常热处理后的组织与机械性能特点热处理方法冷却速度组织机械性能特点退火炉冷冷 速 递 増狭索体及珠光体强度、婭度除 却速度增人而递正火空冷铁素体及细珠光休淬火油冷屈氏（本、吗氏体及残余奥氏体淬火水冷马氏体及残余奥氏体回火低沮冋火马氏体及残余奥氏体保持高强度,脆 性比淬火时稳定中温回火屈氏体具有高弹性及较好的韧性高沮回火索氏体H有较好的机械 性能可能还冇少用先共析伙索体及VIK体.冋火前的细织为淬火马氏休及少量残余奥氏体©81熱處理之定義(1) 退火：爐冷

15、(2) 正常化：空冷(3 )淬火：油冷或水冷(4)回火(30) 1O 70 o o o o o OO 20 o o o o o O8 77 6 5 4 3 2 1沃斯田鐵,波來鐵變態開始曲線“90麻田散鐵II溥來鐵氏才細II波來食I粗一T0.1 110 102 103 104 105 106 時間(sec)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2030 C, 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

16、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 粒状渗碳体。均匀化退火（扩散退火）将工件加热到1100 C左右， 保温1015h，随炉缓冷到350 C，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500650 C, 保温，随炉缓慢冷却至200 C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

17、 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，会產生 变形的现象，另外残餘应 力经常时高度集中在某一局部区域，因此会 局部降低 製品的机械强度。為避免这些问题，我们必须採用残 餘应力退火处理。此处理是将製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 是必须保持製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，会再度造成残餘应力

18、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。因此材料应力退 火温度随著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、 机械加工或焊接所產生的残留应力，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係将工件加热到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 麼久）后，徐缓冷至室温。特别需要注意的是，加热 时的速度要缓慢，尤其是大型物件或形状复杂的工件 更要特别注意，否

19、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

20、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 。製程退火 ： 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 於製程中加入一退火步骤 来消除此种不利的加 工硬化现象。此类退火处理统称為 製程退火 。 球化处理 在退火处理后能获得球状之碳化物之一种 处理。一般可採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

21、 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 长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称 為扩散退火 。加热温度会因钢材种类有所差异， 大钢锭通常在1200 C至1300 C之间进行均匀化处 理，高碳钢在1100 C至1200 C之间，而一般锻造 或轧延之钢材则在1000 C至1200 C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

22、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 C至650 C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

23、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

24、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4060 C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 2030 C （亚共析钢）或A1点以上3050 C持温 一段时间，使形成 完全沃斯田铁组织 后（或沃斯

25、田体 加雪明碳体组织），在A1点下方50 C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450650 C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，参考的加热温度爲625± 25 C ;对合金钢 而言，参考的加热温度爲700± 25 C。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 C/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

26、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650700 C,高速钢则 800850 C左右。（2 ）以500 C左右作爲预热温 度。（3）二段式预热，先在500 C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10001050 C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

27、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

28、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