表面淬火工艺

淬火.退火.正火工艺

◆表面淬火

? 钢的表面淬火

有些零件在工件时在受扭转和弯曲等交变负荷、冲击负荷的作用下，它的表面层承受着比心部更高的应力。在受摩擦的场合，表面层还不断地被磨损，因此对一些零件表面层提出高强度、高硬度、高耐磨性和高疲劳极限等要求，只有表面强化才能满足上述要求。由于表面淬火具有变形小、生产率高等优点，因此在生产中应用极为广泛。

根据供热方式不同，表面淬火主要有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火等。

? 感应加热表面淬火

感应加热就是利用电磁感应在工件内产生涡流而将工件进行加热。感应加热表面淬火与普通淬火比具有如下优点：

1.热源在工件表层，加热速度快，热效率高

2.工件因不是整体加热，变形小

3.工件加热时间短，表面氧化脱碳量少

4.工件表面硬度高，缺口敏感性小，冲击韧性、疲劳强度以及耐磨性等均有很大提高。有利于发挥材料地潜力，节约材料消耗，提高零件使用寿命

5.设备紧凑，使用方便，劳动条件好

6.便于机械化和自动化

7.不仅用在表面淬火还可用在穿透加热与化学热处理等。

? 感应加热的基本原理

将工件放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在工件的电阻的作用下，电能转化为热能，使工件表面温度达到淬火加热温度，可实现表面淬火。

? 感应表面淬火后的性能

1.表面硬度：经高、中频感应加热表面淬火的工件，其表面硬度往往比普通淬火高2～3 个单位（HRC）。

2.耐磨性：高频淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。这主要是由于淬硬层马氏体晶粒细小，碳化物弥散度高，以及硬度比较高，表面的高的压应力等综合的结果。

3.疲劳强度：高、中频表面淬火使疲劳强度大为提高，缺口敏感性下降。对同样材料的工件，硬化层深度在一定范围内，随硬化层深度增加而疲劳强度增加，但硬化层深度过深时表层是压应力，因而硬化层深度增打疲劳强度反而下降，并使工件脆性增加。一般硬化层深δ＝（10～20）％D。较为合适，其中D。为工件的有效直径。

◆退火工艺

退火是将金属和合金加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。退火后组织亚共析钢是铁素体加片状珠光体；共析钢或过共析钢则是粒状珠光体。总之退火组织是接近平衡状态的组织。

? 退火的目的

①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。

②细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织和成分，改善钢的性能或为以后的热处理作组织准备。

③消除钢中的内应力，以防止变形和开裂。

? 退火工艺的种类

①均匀化退火（扩散退火)

均匀化退火是为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保持，然后进行缓慢冷却，以化学成分和组织均匀化为目的的退火工艺。

均匀化退火的加热温度一般为Ac3+（150～200℃），即1050～1150℃，保温时间一般为10～15h，以保证扩散充分进行，大道消除或减少成分或组织不均匀的目的。由于扩散退火的加热温度高，时间长，晶粒粗大，为此，扩散退火后再进行完全退火或正火，使组织重新细化。

②完全退火

完全退火又称为重结晶退火，是将铁碳合金完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。

完全退火主要用于亚共析钢，一般是中碳钢及低、中碳合金结构钢锻件、铸件及热轧型材，有时也用于它们的焊接构件。完全退火不适用于过共析钢，因为过共析钢完全退火需加热到Acm以上，在缓慢冷却时，渗碳体会沿奥氏体晶界析出，呈网状分布，导致材料脆性增大，给最终热处理留下隐患。

完全退火的加热温度碳钢一般为Ac3+（30～50℃）；合金钢为Ac3+（500～70℃）；保温时间则要依据钢材的种类、工件的尺寸、装炉量、所选用的设备型号等多种因素确定。为了保证过冷奥氏体完全进行珠光体转变，完全退火的冷却必须是缓慢的，随炉冷却到500℃左右出炉空冷。

③不完全退火

不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1～Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是细化组织和降低硬度，加热温度为Ac1+(40～60)℃，保温后缓慢冷却。

④等温退火

等温退火是将钢件或毛坯件加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间地某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺。

等温退火工艺应用于中碳合金钢和低合金钢，其目的是细化组织和降低硬度。亚共析钢加热温度为Ac3+(30～50)℃，过共析钢加热温度为Ac3+(20～40)℃，保持一定时间，随炉冷至稍低于Ar3温度进行等温转变，然后出炉空冷。等温退火组织与硬度比完全退火更为均匀。

⑤球化退火

球化退火是使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温一段时间，然后缓慢冷却，得到在铁素体基体上均匀分布的球状或颗粒状碳化物的组织。

球化退火主要适用于共析钢和过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢经轧制、锻造后空冷，所得组织是片层状珠光体与网状渗碳体，这种组织硬而脆，不仅难以切削加工，且在以后淬火过程中也容易变形和开裂。而经球化退火得到的是球状珠光体组织，其中的渗碳体呈球状颗粒，弥散分布在铁素体基体上，和片状珠光体相比，不但硬度低，便于切削加工，而且在淬火加热时，奥氏体晶粒不易长大，冷却时工件变形和开裂倾向小。另外对于一些需要改善冷塑性变形（如冲压、冷镦等）的亚共析钢有时也可采用球化退火。

球化退火加热温度为Ac1+(20～40)℃或Acm-(20～30)℃，保温后等温冷却或直接缓慢冷却。在球化退火时奥氏化是“不完全”的，只是片状珠光体转变成奥氏体，及少量过剩碳化物溶解。因此，它不可能消除网状碳化物，如过共析钢有网状碳化物存在，则在球化退火前须先进行正火，将其消除，才能保证球化退火正常进行。

球化退火工艺方法很多，最常用的两种工艺是普通球化退火和等温球化退火。普通球化退火是将钢加热到Ac1以上20～30℃，保温适当时间，然后随炉缓慢冷却，冷到500℃左右出炉空冷。等温球化退火是与普通球化退火工艺同样的加热保温后，随炉冷却到略低于Ar1的温度进行等温，等温时间为其加热保温时间的1.5倍。等温后随炉冷至500℃左右出炉空冷。和普通球化退火相比，球化退火不仅可缩短周期，而且可使球化组织均匀，并能严格地控制退火后的硬度。

⑥再结晶退火（中间退火）

再结晶退火是经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶成均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。

⑦去应力退火

去应力退火是为了消除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火工艺。锻造、铸造、焊接以及切削加工后的工件内部存在内应力，如不及时消除，将使工件在加工和使用过程中发生变形，影响工件精度。采用去应力退火消除加工过程中产生的内应力十分重要。

去应力退火的加热温度低于相变温度A1，因此，在整个热处理过程中不发生组织转变。内应力主要是通过工件在保温和缓冷过程中消除的。为了使工件内应力消除得更彻底，在加热时应控制加热温度。一般是低温进炉，然后以100℃/h左右得加热速度加热到规定温度。焊接件得加热温度应略高于600℃。保温时间视情况而定，通常为2～4h。铸件去应力退火的保温时间取上限，冷却速度控制在（20～50）℃/h，冷至300℃以下才能出炉空冷。

◆正火工艺

正火工艺是将钢件加热到Ac3（或Acm）以上30～50℃，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。把钢件加热到Ac3以上100～150℃的正火则称为高温正火。

对于中、低碳钢的铸、锻件正火的主要目的是细化组织。与退火相比，正火后珠光体片层较细、铁素体晶粒也比较细小，因而强度和硬度较高。

低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，通过正火提高硬度，可改善切削性能，某些中碳结构钢零件可用正火代替调质，简化热处理工艺。

过共析钢正火加热刀Acm以上，使原先呈网状的渗碳体全部溶入到奥氏体，然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，从而能消除网状碳化物，改善过共析钢的组织。

焊接件要求焊缝强度的零件用正火来改善焊缝组织，保证焊缝强度。

在热处理过程中返修零件必须正火处理，要求力学性能指标的结构零件必须正火后进行调质才能满足力学性能要求。中、高合金钢和大型锻件正火后必须加高温回火来消除正火时产生的内应力。

有些合金钢在锻造时产生部分马氏体转变，形成硬组织。为了消除这种不良组织采取正火时，比正常正火温度高20℃左右加热保温进行正火。

正火工艺比较简便，有利于采用锻造余热正火，可节省能源和缩短生产周期。

正火工艺与操作不当也产生组织缺陷，与退火相似，补救方法基本相同。

淬火工艺与淬火介质

淬火工艺是将钢加热到AC3或AC1点以上某一温度，保持一定时间，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。

淬火的目的是提高硬度、强度、耐磨性以满足零件的使用性能。淬火工艺应用最为广泛，如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、钻探机械、农机具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零件都在使用淬火工艺。

（1）淬火加热温度

淬火加热温度根据钢的成分、组织和不同的性能要求来确定。亚共析钢是AC3+（30～50℃）；共析钢和过共析钢是AC1+（30～50℃）。

亚共析钢淬火加热温度若选用低于AC3的温度，则此时钢尚未完全奥氏体化，存在有部分未转变的铁素体，淬火后铁素体仍保留在淬火组织中。铁素体的硬度较低，从而使淬火后的硬度达不到要求，同时也会影响其他力学性能。若将亚共析钢加热到远高于AC3温度淬火，则奥氏体晶粒回显著粗大，而破坏淬火后的性能。所以亚共析钢淬火加热温度选用AC3+（30～50℃），这样既保证充分奥氏体化，又保持奥氏体晶粒的细小。

过共析钢的淬火加热温度一般推荐为AC1+（30～50℃）。在实际生产中还根据情况适当提高20℃左右。在此温度范围内加热，其组织为细小晶粒的奥氏体和部分细小均匀分布的未溶碳化物。淬火后除极少数残余奥氏体外，其组织为片状马氏体基体上均匀分布的细小的碳化物质点。这样的组织硬度高、耐磨性号，并且脆性相对较少。

过共析钢的淬火加热温度不能低于AC1，因为此时钢材尚未奥氏体化。若加热到略高于AC1温度时，珠光体完全转变承奥氏体，并又少量的渗碳体溶入奥氏体。此时奥氏体晶粒细小，且其碳的质量分数已稍高与共析成分。如果继续升高温度，则二次渗碳体不断溶入奥氏体，致使奥氏体晶粒不断长大，其碳浓度不断升高，会导致淬火变形倾向增大、淬火组织显微裂纹增多及脆性增大。同时由于奥氏体含碳量过高，使淬火后残余奥氏体数量增多，降低工件的硬度和耐磨性。因此过共析钢的淬火加热温度高于AC1太多是不合适的，加热到完全奥氏体化的ACm或以上温度就更不合适。

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。如合金钢零件，通常取上限，对于形状复杂零件取下限。

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℃）。

采用高温淬火可获得较多的板条状马氏体或使全部板条马氏体提高强度和韧性。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，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，可减少奥氏体的碳含量，提高钢的韧性。

（2）保温时间

为了使工件内外各部分均完成组织转变、碳化物溶解及奥氏体的成分均匀化，就必须在淬火加热温度保温一定时间，既保温时间。

（3）淬火介质

工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质（或淬火介质）。理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体，又不致引起太大的淬火应力。这就要求在C曲线的“鼻子”以上温度缓冷，以减小急冷

所产生的热应力；在“鼻子”处冷却速度要大于临界冷却速度，以保证过冷奥氏体不发生非马氏体转变；在“鼻子”下方，特别使Ms点一下温度时，冷却速度应尽量小，以减小组织转变的应力。

常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。

●水

水是冷却能力较强的淬火介质。来源广、价格低、成分稳定不易变质。缺点是在C曲线的“鼻子”区（500～600℃左右），水处于蒸汽膜阶段，冷却不够快，会形成“软点”；而在马氏体转变温度区（300～100℃），水处于沸腾阶段，冷却太快，易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力，致使工件变形甚至开裂。当水温升高，水中含有较多气体或水中混入不溶杂质（如油、肥皂、泥浆等），均会显著降低其冷却能力。因此水适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。

●盐水和碱水

在水中加入适量的食盐和碱，使高温工件浸入该冷却介质后，在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂，将蒸汽膜破坏，工件表面的氧化皮也被炸碎，这样可以提高介质在高温区的冷却能力。其缺点是介质的腐蚀性大。一般情况下，盐水的浓度为10％，苛性钠水溶液的浓度为10％～15％。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质，使用温度不应超过60℃，淬火后应及时清洗并进行防锈处理。

●油

冷却介质一般采用矿物质油（矿物油）。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油，油的号越大，黏度越大，闪点越高，冷却能力越低，使用温度相应提高。

目前使用的新型淬火油主要有高速淬火油、光亮淬火油和真空淬火油三种。

高速淬火油是在高温区冷却速度得到提高的淬火油。获得高速淬火油的基本途径有两种，一种是选取不同类型和不同黏度的矿物油，以适当的配比相互混合，通过提高特性温度来提高高温区冷却能力；另一种是在普通淬火油中加入添加剂，在油中形成粉灰状浮游物。添加剂游磺酸的钡盐、钠盐、钙盐以及磷酸盐、硬脂酸盐等。生产实践表明，高速淬火油在过冷奥氏体不稳定区冷却速度明显高于普通淬火油，而在低温马氏体转变区冷速与普通淬火油相接近。这样既可得到较高的淬透性和淬硬性，又大大减少了变形，适用于形状复杂的合金钢工件的淬火。

光亮淬火油能使工件在淬火后保持光亮表面。在矿物油中加入不同性质的高分子添加物，可获得不同冷却速度的光亮淬火油。这些添加物的主要成分是光亮剂，其作用是将不溶解于油的老化产物悬浮起来，防止在工件上积聚和沉淀。另外，光亮淬火油添加剂中还含有抗氧化剂、表面活性剂和催冷剂等。

真空淬火油是用于真空热处理淬火的冷却介质。真空淬火油必须具备低的饱和蒸汽压，较高而稳定的冷却能力以及良好的光亮性和热稳定性，否则会影响真空热处理的效果。

盐浴和碱浴淬火介质一般用在分级淬火和等温淬火中。

●新型淬火剂

有聚乙烯醇水溶液和三硝水溶液等。

聚乙烯醇常用质量分数为0.1％～0.3％之间的水溶液，共冷却能力介于水和油之间。当工件淬入该溶液时，工件表面形成一层蒸汽膜和一层凝胶薄膜，两层膜使加热工件冷却。进入沸腾阶段后，薄膜破裂，工件冷却加快，当达到低温时，聚乙烯醇凝胶膜复又形成，工件冷却速度又下降，所以这种溶液在高、低温区冷却能力低，在中温区冷却能力高，有良好的冷却特性。

三硝水溶液由25％硝酸钠+20％亚硝酸钠+20％硝酸钾+35％水组成。在高温（650～500℃）时由于盐晶体析出，破还蒸汽膜形成，冷却能力接近于水。在低温（300～200℃）时由于浓度极高，流动性差，冷却能力接近于油，故其可代替水－油双介质淬火。

（4）冷却方法

生产实践中应用最广泛的淬火分类是以冷却方式的不同划分的。主要有单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。

●单液淬火

是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种，一直冷却到室温的淬火操作方法。单液淬火介质有水、盐水、碱水、油及专门配制的淬火剂等。一般情况下碳素钢淬火，合金钢淬油。

单液淬火操作简单，有利于实现机械化和自动化。其缺点是冷速受介质冷却特性的限制而影响淬火质量。单液淬火对碳素钢而言只适用于形状较简单的工件。

●双液淬火

是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质，在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出，马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却，如先水后油、先水后空气等。双液淬火减少变形和开裂倾向，操作不好掌握，在应用方面有一定的局限性。

●马氏体分级淬火

是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质（盐浴或碱浴）中，保持适当的时间，待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷，以获得马氏体组织的淬火工艺，也称分级淬火。

分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷，所以能有效地减少相变应力和热应力，减少淬火变形和开裂倾向。分级淬火适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件，也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。

●贝氏体等温淬火

是将钢件奥氏体化，使之快冷到贝氏体转变温度区间（260～400℃）等温保持，使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺，有时也叫等温淬火。一般保温时间为30～60min。

●复合淬火

将工件急冷至Ms以下获得10％～20％马氏体，然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使较大截面地工件获得组织M+B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。

特殊工件也采用压缩空气淬火、喷雾淬火、喷流淬火。