钢的普通热处理及常见缺陷与补救措施

钢的普通热处理实例解析与缺陷分析班级：冶金2班

姓名：张海骄

学号：0945562231

2012.5.31

钢的普通热处理及常见缺陷与不救措施

摘要：简单介绍钢的普通热处理工艺，以及常见缺陷的不救措施，最后举例说明热处理的简单应用（用T12钢制作剪板机刀片）

关键字：热处理退火正火淬火回火缺陷补救 T12钢引言

通过阅读了解热处理相关的知识，热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变金属材料的性能，其中包括使用性能及工艺性能。热处理是金属零件加工工艺中的一个重要环节。原材料质量和工件结构以及焊接、电镀处理，校直和装配时产生的应力对热处理过程及工件质量有重要的影响，因此防止热处理缺陷必须对其生产工艺过程进行分析。列举实例说明钢的热处理的简单应用。

1.钢的普通热处理

1.1 退火将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(通常为随炉冷却)至500℃以下空冷，从而获得接近平衡状态组织的热处理工艺称做退火。

1.1.1退火目的：

1.调整硬度以便进行切削加工。工件经铸造或锻造等热加工后，硬度偏高或偏低，且不均匀，严重影响切削加工。适当退火或正火后可使工件的硬度调整到HB170~250且比较均匀，从而改善了切削加工性

能。

2．消除残余内应力，以防止钢件在淬火时产生变形或开裂。

3．细化晶粒，改善组织，提高力学性能。

4．为最终热处理(淬火+回火)作好组织上的准备。

1.1.2退货常见类型

A.完全退火:完全退火是将钢件或钢材加热到Ac3以上20℃～30℃，经完全奥氏体化后进行随炉缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。应用：用于亚共析钢的铸锻件、也用于焊接结构。过共析钢不用该方法

B.球化退火: 钢随炉升温加热到Ac1以上Accm以下的双相区，较长时间保温，并缓慢冷却的工艺。这种工艺主要适用于共析或过共析的工模具钢，目的是让其中的碳化物球化（粒化）和消除网状的二次渗碳体，因此叫做球化退火。应用：用于过共析钢，使FeC3球化。若在退火前组织有严重的二次渗碳体网则用正火消除，保证退火效果。

C.去应力退火:一些铸铁件、焊接件和变形加工件会残存很大的内应力，为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。应用：消除铸、锻件、焊件和冷冲压件的残余应力。

D.再结晶退火:一些经过冷变形的材料在加热到再结晶温度以上时，由于冷变形产生的缺陷基本消失，重新生成等轴均匀的晶粒，消除乐形变强化引起效应和残余应力的热处理工艺。应用：

用于经过冷变形的钢件。

E.扩散退火(均匀化退火)扩散退火是将工件加热到略低于固相线的温度（亚共析钢通常为1050℃～1150℃），长时间（一般10～20小时）保温，然后随炉缓慢冷却到室温。扩散退火的主要目的是均匀钢内部的化学成分。应用：主要适用于铸造后的高合金钢。

1.2正火将钢加热到Ac3或Accm上30～50℃，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺。亚共析钢的正火加热温度为Ac3＋30℃～50℃；而过共析钢的正火加热温度则为Accm＋30℃～50℃。

1.2.1正火的应用:

1.消除或减少过共析钢的网状先共析渗碳体组织，为球化退火作组织准备。

2.改善亚共析钢的切削性能。亚共析钢退火后，先共析铁素体数量多，珠光体分散度小，硬度偏低，切削时易产生“粘刀”现象。正火可以增加珠光体的数量和分散度，提高硬度，从而改善切削加工性能。

3.正火可作为一般结构件的最终热处理。由于正火组织较细，所以比退火状态有较好的综合力学性能，而且工艺过程较为简单，所以，对于某些要求不很高的结构件和大型件可用之。

4.对某些大型或形状复杂的零件，当淬火有开裂危险时，可用正火代替淬火、回火处理。

1.2.2退火与正火的适应性：从改善切削加工性能的角度出发，低碳钢宜采用正火；中碳钢即可采用退火，也可采用正火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。

1.3淬火将钢件加热到Ac1（或Ac3）以上30℃~50℃，保温一定的

时间，然后以大于临界冷却速度Vc冷却，以获得马氏体或贝氏体组织的热处理工艺。其主要目的是为了提高钢的硬度和耐磨性。

1.3.1影响材料淬火后组织和性能的因素主要表现为：

材料的淬火加热温度

淬火的保温时间

淬火的冷却方法和冷却速度

1.3.2淬火常见方法：

单液淬火：它是将奥氏体状态的工件放入一种淬火介质中一直冷却到室温的淬火方法。

等温淬火：它是将奥氏体化后的工件在稍高于Ms温度的盐浴或碱浴中冷却并保温足够时间，从而获得下贝氏体组织的淬火方法。

分级淬火：它是将奥氏体状态的工件首先淬入略高于钢的Ms点的盐浴或碱浴炉中保温，当工件内外温度均匀后，再从浴炉中取出空冷至室温，完成马氏体转变。

双液淬火：它是先将奥氏体状态的工件在冷却能力强的淬火介质中冷却至接近Ms点温度时，再立即转入冷却能力较弱的淬火介质中冷却，直至完成马氏体转变。

1.4 回火回火一般是紧接淬火以后的热处理工艺，回火是淬火后再将工件加热到Ac1温度以下某一温度，保温后再冷却到室温的一种热处理工艺。

1.4.1回火目的：淬火后的钢铁工件处于高的内应力状态，不能直接使用，必须即时回火，否则会有工件断裂的危险。淬火后回火目的在

于降低或消除内应力，以防止工件开裂和变形；减少或消除残余奥氏体，以稳定工件尺寸；调整工件的内部组织和性能，以满足工件的使用要求。

1.4.2钢在回火时的转变:共析钢在淬火后，得到的马氏体和残余奥氏体组织是不稳定的，存在稳定组织转变的自发倾向。回火加热可加速这种自发转变过程。根据转变发生的过程和形成的组织，回火可分为五个阶段：

第一阶段（20~100℃）：碳原子的偏聚。

第二阶段（100~200℃）：马氏体分解。

第三阶段（200℃～300℃）：残余奥氏体分解。

第四阶段（200℃～350℃）：碳化物的转变。

第五阶段（350℃以上）：渗碳体的聚集长大与α相的再结晶。

1.4.3回火工艺:按照回火后性能要求，淬火以后的回火有低温回火，中温回火、高温回火。

低温回火

中温回火

高温回火

2.热处理的常见缺陷及补救措施

2.1氧化和脱碳：工件在加热过程中，由于周围的加热介质与钢表面

所起的化学作用，会使钢发生氧化与脱碳，严重影响淬火工件的质量。氧化：是指钢的表面与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂

质相互作用形成氧化铁的过程。由于氧化铁皮的形成，使工件的尺寸减小，表面光洁度降低，还会严重地影响到淬火时的冷却速度，致使工件表面产生软点和硬度不足。钢的氧化虽然是化学反应，但是一旦在钢的表面出现一层氧化膜之后，氧化的速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度，如图2-53所示。由图可见，随着加热温度的升高，原子扩散速度增大，钢的氧化速度便急剧地增大，特别是在570度以上，所形成的氧化膜是以是FeO为主，它是不致密的，结构疏松的。因此，氧原子很容易透过已形成的表面氧化膜，继续与铁发生氧化反应，所以，当氧化膜中出现FeO时，钢的氧化速度大大增加，氧化层逐渐增厚。在570度以下氧化膜则由比较致密的Fe3O4所构成，由于处于工件表面的这种氧化膜结构致密，与基体结合牢固，氧原子难以继续渗入，故氧化的速度比较缓慢。

脱碳：是指钢表层中的碳被氧化，使钢的表层含碳量降低，钢的加热温度越高，且钢的含碳量越多（特别具有高含量的硅、钼、铝等元素时），钢越容易脱碳。由于碳的扩散速度较快，所以钢的脱碳速度总是大于其氧化速度。在钢的氧化层下面，通常总是存在着一定厚度的脱碳层，由于脱碳使钢的表层碳含量下降，从而导致钢件淬火后表层硬度不足，疲劳强度下降，而且使钢在淬火时，容易形成表面裂纹。为了防止氧化、脱碳，根据工件的技术要求和实际情况，可以采用保护气氛加热、真空加热，以及用工件表面涂料包装加热等方法。在盐

浴中加热时，可以采用经常加入脱氧剂的方法，并要求建立严格的脱氧制度。此外，对普通箱式炉稍加改造后，采用滴入煤油的办法进行保护，可大大改善加热工件的表面质量。

2.2过热和过烧

钢件进行奥氏体化加热时，如加热温度过高或加热时间过长，会

引起奥氏体晶粒长大变粗，形成的马氏体也粗化，这种现象叫过热。过热的工件几乎不能防止淬火裂纹产生。因为在生成的马氏体中存在大量微裂纹，这种马氏体裂纹会发展为淬火裂纹。在加热温度更高的情况下，钢的奥氏体晶粒进一步粗化，并产生晶界氧化，严重时还会引起晶界熔化，这种现象叫过烧。产生过烧的

工件，其性能急剧降低。有过热缺陷的工件，可先进行一次细化组织的正火或退火，然后再按正常规范重新淬火。有过烧缺陷的工件因无法挽救而只能报废。

2.3 软点：工件或钢材淬火硬化后，表面硬度偏低的小区域被称之为软点。

当用水作冷却介质时，工件表面因被传热很差的蒸气膜包住而造成冷却缓慢，所以淬火后工件的软点比较严重，在存在氧化皮和脱碳的部位也会出现软点。软点可用锉刀检查，容易锉动的地方即是软点所在部位。

为了防止软点，应该使工件在无氧化、无脱碳条件下加热；其次

是加强淬火介质在淬火过程中的机械搅拌；也可采用清水中加入盐、碱，或采用聚乙烯醇等水溶性有机溶液做淬火介质，使钢件在淬火时形成蒸气膜迅速破坏，不至于出现淬火软点。

2.4 淬火裂纹

淬火裂纹是由于淬火内应力在工件表层的拉应力超过冷却时钢

的断裂强度而引起的，这种裂纹是工件在进入冷却介质中不久之后，温度降至Ms点（大约为250度）以下时产生的。这是因为工件从奥氏体化温度急冷至Ms点以下的过程中，因马氏体转变使塑性急剧降低，而组织应力急剧增大，所以容易形成裂纹。

最常见的淬火裂纹如图2-54所示，有纵向裂纹、横向裂纹、网

状裂纹和应力集中裂纹几种。对于淬火后未出现而在磨削后才出现的裂纹，要区别它究竟是淬火裂纹还是磨削裂纹。磨削裂纹的方向总是垂直于磨削方向并呈平行线形样式，淬火裂纹则与磨削方向无关并呈刀割状开裂。

形成淬火裂纹的原因：

1.导致淬火裂纹的原因很多，大体可归纳为三个方面。

热处理工艺：如过热、脱碳、冷速过快、冷却操作不当、淬火后

未及时回火等。

2.原材料原因：如有大块或连续分布的非金属夹杂物、碳化物

偏析、白点、气孔、锻造折叠等。

3.工件结构设计或选材不当：如工件壁厚相差悬殊，具有形成

应力集中的尖角、凹角等。在选材方面对形状复杂的零件选用淬透性较低的钢种，从而造成在激烈的冷却过程中开裂。

淬火裂纹的防止：

淬火裂纹一旦产生便无法挽救，因此必须设法防止。为了防止

淬火裂纹，首先应改善零件结构设计的工艺性，并正确选用钢材。在淬火技术方面，应特别注意在点以下Ms点以上快冷、在Ms

慢冷，即遵守“先快后慢”的原则，如双介质淬火和分级淬火能有效防止淬火裂纹。

工件淬火后要注意立即回火，因为淬火工件中或多或少地存在

一定量的残余奥氏体，这些奥氏体在室温下的放置过程中会转变成马氏体，从而因发生体积膨胀而导致开裂。同时，淬火残余应力的存在

会助长裂纹产生。这种裂纹是延迟发生的淬火裂纹，其形状与淬火裂纹相同。

2.5回火缺陷

回火缺陷主要指回火裂纹和回火硬度不合格。所谓回火裂纹，是

指淬火状态钢进行回火时，因急热、急冷或组织变化而形成的裂纹。有回火硬化（二次硬化）现象的高合金钢，比较容易产生回火裂纹。防止方法是在回火时缓慢加热，并使回火温度缓慢冷却。

硬度过高一般是因回火温度不够造成的，补救方法是按正常回

火规范重新回火。回火后硬度不足主要是回火温度过高，补救办法是退火后重新淬火回火。出现硬度不合格时，首先要查找原因，检查是否发生混料，因为这也是引起淬火后硬度不合格的主要原因。

回火脆性，是钢的一种热处理特性，而不是热处理缺陷。但如果

不注意这种特性，有时就会成为回火缺陷的根源。回火脆性一般有两类，第一类是低温回火脆性，钢在250-400度范围内产生，生产过程中无法通过改变工艺操作来消除，只能尽量避免在此温度范围内回火，或改用等温淬火工艺来代替淬火加回火；第二类是高温回火脆性，某些合金钢在450-575度回火，或在稍高温度下回火后缓慢冷却，出现了冲击韧度下降的现象，这类已脆化的钢再次重新加热至预定的回火温度，然后快冷至室温，脆性消失，所以也叫可逆回火脆性。

2.6 减少变形及防止裂纹的措施

淬火的目的是为了获得马氏体，就要快速冷却，但这又会引起淬

火内应力，淬火工件发生变形和开裂的根本原因是由于淬火内应力造

成的。因此，除制定合理的淬火工艺外，同时还必须设法减小淬火内应力，防止变形和开裂。所以有必要对淬火过程中产生的内应力有所了解。内应力有热应力和组织应力两种，它们的成因和作用是不同的。

1.热应力与组织应力的分布规律：

（1）热应力：工件加热或冷却时，由于工件表层和心部温度变化不同时，造成热胀冷缩不均，这种由热胀冷缩不均而产生的应力叫热应力。工件加热时，表面温度比心部高，表面受热膨胀，心部温度低未膨胀，这时表层受压应力，心部则受拉应力。透热后，心部温度升高而膨胀，使表层产生塑性变形，此时，工件表现为体积膨胀。工件冷却时，表面冷速比心部快得多，表层要收缩，中心温度尚高不让收缩，对表层产生拉应力，心部则产生压应力。继续冷却时，心部要发生收缩，这时表层已冷硬不让收缩，于是对心部产生拉应力，表层则受压应力，这种应力在冷却结束后仍存在于工件内部，叫残余应力。3.热处理实例：（用T12钢制作剪板机刀片）

用T12钢制作剪板机刀片为了获得较好的性能，首先要进行锻打，对于锻打后出现的缺陷的解决办法：

1.正火

具体工艺：将锻打后的钢材加热到950度，保温后空冷（即正火）。性能特点：强度，塑性，韧性都提高了。

缺点：硬度仍过高，容易磨损。

2.退火

具体工艺：将空冷后的钢加热到760度，保温后炉冷。

性能特点：强度硬度降低，塑性韧性提高，硬度仅为200HBS，符合制造加工时的硬度要求。

缺点：使用性能不行，很快磨损。

3.淬火

具体工艺：将加工好的剪刀重新加热到780度，略加保温后放入水中快速冷却。

性能特点：强度很高，硬度极高,缺点：塑性，韧性极差，即使不受外力也可能自行开裂，不能直接使用。

4.回火

具体工艺：将淬火后的钢及时加热到150-250度，保温后空冷或油冷。性能特点：内应力大大降低，硬度降低不多，又具有一定的韧性和塑性。

总的工艺流程：

下料——锻造——正火——球化退火——粗加工——淬火、低温回火——磨削。

【参考文献】

【1】裴雄敛《热处理缺陷避免》2005.2

【2】网络资料《钢的普通热处理》

【3】张能武《热处理加工入门》2006.1

【4】江西技工学校教学研究室《金属材料与热处理》2007.7 【5】周小平《金属材料及热处理实验教程》 2006.1