调质,淬火,正火,回火,退火,除应力的概念和区别

来源:热处理工艺问答作者:薄鑫涛

退火
annealing
     将金属缓慢加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却,有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化,改善塑性和韧性,使化学成分均匀化,去除残余应力,或得到预期的物理性能。退火工艺随目的之不同而有多种,如重结晶退火、等温退火、均匀化退火、球化退火、去除应力退火、再结晶退火,以及稳定化退火、磁场退火等等。
    退火的一个最主要工艺参数是最高加热温度(退火温度),大多数合金的退火加热温度的选择是以该合金系的相图为基础的,如碳素钢以铁碳平衡图为基础(图1)。各种钢(包括碳素钢及合金钢)的退火温度,视具体退火目的的不同而在各该钢种的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一温度。各种非铁合金的退火温度则在各该合金的固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下的某一温度。
    重结晶退火 应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)发生的合金。其退火温度为各该合金的相变温度区间以上或以内的某一温度。加热和冷却都是缓慢的。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶,故称为重结晶退火,常被简称为退火。
    这种退火方法,相当普遍地应用于钢。钢的重结晶退火工艺是:缓慢加热到Ac3(亚共析钢)或Ac1(共析钢或过共析钢)以上30~50℃,保持适当时间,然后缓慢冷却下来。通过加热过程中发生的珠光体(或者还有先共析的铁素体或渗碳体)转变为奥氏体(第一回相变重结晶)以及冷却过程中发生的与此相反的第二回相变重结晶,形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体(或者还有先共析铁素体或渗碳体)。退火温度在Ac3以上(亚共析钢)使钢发生完全的重结晶者,称为完全退火,退火温度在Ac1与Ac3之间 (亚共析钢)或Ac1与Acm之间(过共析钢),使钢发生部分的重结晶者,称为不完全退火。前者主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊件,以消除组织缺陷(如魏氏组织、带状组织等),使组织变细和变均匀,以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用于中碳和高碳钢及低合金结构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后的冷却速度较大时,形成的珠光体较细、硬度较高;若停锻、停轧温度过低,钢件中还有大的内应力。此时可用不完全退火代替完全退火,使珠光体发生重结晶,晶粒变细,同时也降低硬度,消除内应力,改善被切削性。此外,退火温度在Ac1与Acm之间的过共析钢球化退火,也是不完全退火。
      重结晶退火也用于非铁合金,例如钛合金于加热和冷却时发生同素异构转变,低温为 α相(密排六方结构),高温为 β相(体心立方结构),其中间是“α+β”两相区,即相变温度区间。为了得到接近平衡的室温稳定组织和细化晶粒,也进行重结晶退火,即缓慢加热到高于相变温度区间不多的温度,保温适当时间,使合金转变为β相的细小晶粒;然后缓慢冷却下来,使β相再转变为α相或α+β两相的细小晶粒。
      等温退火 应用于钢和某些非铁合金如钛合金的一种控制冷却的退火方法。对钢来说,是缓慢加热到 Ac3(亚共析钢)或 Ac1(共析钢和过共析钢)以上不多的温度,保温一段时间,使钢奥氏体化,然后迅速移入温度在A1以下不多的另一炉内,等温保持直到奥氏体全部转变为片层状珠光体(亚共析钢还有先共析铁素体;过共析钢还有先共析渗碳体)为止,最后以任意速度冷却下来(通常是出炉在空气中冷却)。等温保持的大致温度范围在所处理钢种的等温转变图上A1至珠光体转变鼻尖温度这一区间之内(见过冷奥氏体转变图);具体温度和时间,主要根据退火后所要求的硬度来确定(图2)。等温温度不可过低或过高,过低则退火后硬度偏高;过高则等温保持时间需要延长。钢的等温退火的目的,与重结晶退火基本相同,但工艺操作和所需设备都比较复杂,所以通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢的合金钢。后者若采用重结晶退火方法,往往需要数十小时,很不经济;采用等温退火则能大大缩短生产周期,并能使整个工件获得更为均匀的组织和性能。等温退火也可在钢的热加工的不同阶段来用。例如,若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室温时,当心部转变为马氏体之时,在已发生了马氏体相变的外层就会出现裂纹;若将该类钢的热钢锭或钢坯在冷却过程中放入700℃左右的等温炉内,保持等温直到珠光体相变完成后,再出炉空冷,则可免生裂纹。
      含β相稳定化元素较高的钛合金,其β相相当稳定,容易被过冷。过冷的β相,其等温转变动力学曲线(图3)与钢的过冷奥氏体等温转变图相似。为了缩短重结晶退火的生产周期并获得更细、更均匀的组织,亦可采用等温退火。
      均匀化退火 亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金(如锡青铜、硅青铜、白铜、镁合金等)的铸锭或铸件的一种退火方法。将铸锭或铸件加热到各该合金的固相线温度以下的某一较高温度,长时间保温,然后缓慢冷却下来。均匀化退火是使合金中的元素发生固态扩散,来减轻化学成分不均匀性(偏析),主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性(晶内偏析或称枝晶偏析)。均匀化退火温度所以如此之高,是为了加快合金元素扩散,尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度远高于Ac3,通常是1050~1200℃。非铁合金锭进行均匀化退火的温度一般是“0.95×固相线温度(K)”,均匀化退火因加热温度高,保温时间长,所以热能消耗量大。
     球化退火 只应用于钢的一种退火方法。将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化,然后缓冷下来。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状,均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。对工具钢来说,这种组织是淬火前最好的原始组织。
  球化退火的具体工艺(图4)有:①普通(缓冷)球化退火(图4a),缓冷适用于多数钢种,尤其是装炉量大时,操作比较方便,但生产周期长;②等温球化退火(图4b),适用于多数钢种,特别是难于球化的钢以及球化质量要求高的钢(如滚动轴承钢);其生产周期比普通球化退火短,不过需要有能够控制共析转变前冷却速率的炉子;③周期球化退火(图4c),适用于原始组织为片层状珠光体组织的钢,其生产周期也比普通球化退火短,不过在设备装炉量大的条件下,很难按控制要求改变温度,故在生产中未广泛采用;④低温球化退火(图4d),适用于经过冷形变加工的钢以及淬火硬化过的钢(后者通常称为高温软化回火);⑤形变球化退火,形变加工对球化有加速作用,将形变加工与球化结合起来,可缩短球化时间。它适用于冷、热形变成形的钢件和钢材(如带材)(图4e是在Acm或Ac3与Ac1之间进行短时间、大形变量的热形变加工者;图4f是在常温先予以形变加工者;图4g是利用锻造余热进行球化者)。

  再结晶退火 应用于经过冷变形加工的金属及合金的一种退火方法。目的为使金属内部组织变为细小的等轴晶粒,消除形变硬化,恢复金属或合金的塑性和形变能力(回复和再结晶)。若欲保持金属或合金表面光亮,则可在可控气氛的炉中或真空炉中进行再结晶退火。

  去除应力退火 铸、锻、焊件在冷却时由于各部位冷却速度不同而产生内应力,金属及合金在冷变形加工中以及工件在切削加工过程中也产生内应力。若内应力较大而未及时予以去除,常导致工件变形甚至形成裂纹。去除应力退火是将工件缓慢加热到较低温度(例如,灰口铸铁是500~550℃,钢是500~650℃),保温一段时间,使金属内部发生弛豫,然后缓冷下来。应该指出,去除应力退火并不能将内应力完全去除,而只是部分去除,从而消除它的有害作用。


  还有一些专用退火方法,如不锈耐酸钢稳定化退火;软磁合金磁场退火;硅钢片氢气退火;可锻铸铁可锻化退火等。

回火
tempering;temper
      又称配火。金属热处理工艺的一种。将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理。或将淬火后的合金工件加热到适当温度,保温若干时间,然后缓慢或快速冷却。一般用以减低或消除淬火钢件中的内应力,或降低其硬度和强度,以提高其延性或韧性。根据不同的要求可采用低温回火、中温回火或高温回火。通常随着回火温度的升高,硬度和强度降低,延性或韧性逐渐增高。

钢铁工件在淬火后具有以下特点:①得到了马氏体、贝氏体、残余奥氏体等不平衡(即不稳定)组织。②存在较大内应力。③力学性能不能满足要求。因此,钢铁工件淬火后一般都要经过回火。

作用   回火的作用在于:①提高组织稳定性,使工件在使用过程中不再发生组织转变,从而使工件几何尺寸和性能保持稳定。②消除内应力,以便改善工件的使用性能并稳定工件几何尺寸。③调整钢铁的力学性能以满足使用要求。

回火之所以具有这些作用,是因为温度升高时,原子活动能力增强,钢铁中的铁、碳和其他合金元素的原子可以较快地进行扩散,实现原子的重新排列组合,从而使不稳定的不平衡组织逐步转变为稳定的平衡组织。内应力的消除还与温度升高时金属强度降低有关。一般钢铁回火时,硬度和强度下降,塑性提高。回火温度越高,这些力学性能的变化越大。有些合金元素含量较高的合金钢,在某一温度范围回火时,会析出一些颗粒细小的金属化合物,使强度和硬度上升。这种现象称为二次硬化。

要求 用途不同的工件应在不同温度下回火,以满足使用中的要求。①刀具、轴承、渗碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下进行低温回火。低温回火后硬度变化不大,内应力减小,韧性稍有提高。②弹簧在350~500℃下中温回火,可获得较高的弹性和必要的韧性。③中碳结构钢制作的零件通常在500~600℃进行高温回火,以获得适宜的强度与韧性的良好配合。淬火加高温回火的热处理工艺总称为调质。

钢在300℃左右回火时,常使其脆性增大,这种现象称为第一类回火脆性。一般不应在这个温度区间回火。某些中碳合金结构钢在高温回火后,如果缓慢冷至室温,也易于变脆。这种现象称为第二类回火脆性。在钢中加入钼,或回火时在油或水中冷却,都可以防止第二类回火脆性。将第二类回火脆性的钢重新加热至原来的回火温度,便可以消除这种脆性。

淬火
cuì huǒ
淬读"翠"音.
钢的淬火是将钢加热到临界温度Ac3(亚共析钢)或Ac1(过共析钢)以上某一温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺
通常也将铝合金、铜合金、钛合金、钢化玻璃等材料的固溶处理或带有快速冷却过程的热处理工艺称为淬火。

淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织,然后配合以不同温度的回火,以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。也可以通过淬火满足某些特种钢材的的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

淬火能使钢强化的根本原因是相变,即奥氏体组织通过相变而成为马氏体组织(或贝氏体组织)。

钢淬火工艺最早的应用见于河北易县燕下都遗址出土的战国时代的钢制兵器。

淬火工艺最早的史料记载见于《汉书.王褒传》中的“清水焠其峰”。

“淬火”在专业文献上,人们写的是“淬火”,而读起来又称“蘸火”。“蘸火”已成为专业口头交流的习用词,但文献中又看不到它的存在。也就是说,淬火是标准词,人们不读它,“蘸火”是常用词,人们却不写它,这是我国文字中不多见的现象。

淬火是“蘸火”的正词,淬火的古词为蔯火,本义是灭火,引申义是“将高温的物体急速冷却的工艺”。“蘸火”是冷僻词,属于现代词,是文字改革后出现的产物,“蘸”字本义与淬火无关。“蘸火”本词为“湛火”,“湛”字读音同“蘸”,而其字形又与水、火有关,符合“水与火合为蔯”之意,字义与“淬火”相通。“湛火”为本词,“蘸火”则为假借词。

淬火
quenching
将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。淬火可以提高金属工件的硬度及耐磨性,因而广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。通过淬火与不同温度的回火配合,可以大幅度提高金属的强度、韧性及疲劳强度,并可获得这些性能之间的配合(综合机械性能)以满足不同的使用要求。另外淬火还可使一些特殊性能的钢获得一定的物理化学性能,如淬火使永磁钢增强其铁磁性、不锈钢提高其耐蚀性等。淬火工艺主要用于钢件。常用的钢在加热到临界温度以上时,原有在室温下的组织将全部或大部转变为奥氏体。随后将钢浸入水或油中快速冷却,奥氏体即转变为马氏体。与钢中其他组织相比,马氏体硬度最高。钢淬火的目的就是为了使它的组织全部或大部转变为马氏体,获得高硬度,然后在适当温度下回火,使工件具有预期的性能。淬火时的快速冷却会使工件内部产生内应力,当其大到一定程度时工件便会发生扭曲变形甚至开裂。为此必须选择合适的冷却方法。根据冷却方法,淬火工艺分为单液淬火、双介质淬火、马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类。

淬火效果的重要因素,淬火工件硬度要求和检测方法:
淬火工件的硬度影响了淬火的效果。淬火工件一般采用洛氏硬度计,测试HRC硬度。淬火的薄硬钢板和表面淬火工件可测试HRA的硬度。厚度小于0.8mm的淬火钢板、浅层表面淬火工件和直径小于5mm的淬火钢棒,可改用表面洛氏硬度计,测试HRN硬度。

在焊接中碳钢和某些合金钢时,热影响区中可能发生淬火现象而变硬,易形成冷裂纹,这是在焊接过程中要设法防止的。

由于淬火后金属硬而脆,产生的表面残余应力会造成冷裂纹,回火可作为在不影响硬度的基础上,消除冷裂纹的手段之一。
淬火对厚度、直径较小的零件使用比较合适,对于过大的零件,淬火深度不够,渗碳也存在同样问题,此时应考虑在钢材中加入铬等合金来增加强度。

淬火是钢铁材料强化的基本手段之一。钢中马氏体是铁基固溶体组织中最硬的相(表1),故钢件淬火可以获得高硬度、高强度。但是,马氏体的脆性很大,加之淬火后钢件内部有较大的淬火内应力,因而不宜直接应用,必须进行回火
表1钢中铁基固溶体的显微硬度值

淬火工艺在现代机械制造工业得到广泛的应用。机械中重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。为满足各种零件干差万别的技术要求,发展了各种淬火工艺。如,按接受处理的部位,有整体、局部淬火和表面淬火;按加热时相变是否完全,有完全淬火和不完全淬火(对于亚共析钢,该法又称亚临界淬火);按冷却时相变的内容,有分级淬火,等温淬火和欠速淬火等。
工艺过程  包括加热、保温、冷却3个阶段。下面以钢的淬火为例,介绍上述三个阶段工艺参数选择的原则。

      加热温度  以钢的相变临界点为依据,加热时要形成细小、均匀奥氏体晶粒,淬火后获得细小马氏体组织。碳素钢的淬火加热温度范围如图1所示。由本图示出的淬火温度选择原则也适用于大多数合金钢,尤其低合金钢。亚共析钢加热温度为Ac3温度以上30~50℃。从图上看,高温下钢的状态处在单相奥氏体(A)区内,故称为完全淬火。如亚共析钢加热温度高于Ac1、低于Ac3温度,则高温下部分先共析铁素体未完全转变成奥氏体,即为不完全(或亚临界)淬火。过共析钢淬火温度为Ac1温度以上30~50℃,这温度范围处于奥氏体与渗碳体(A+C)双相区。因而过共析钢的正常的淬火仍属不完全淬火,淬火后得到马氏体基体上分布渗碳体的组织。这-组织状态具有高硬度和高耐磨性。对于过共析钢,若加热温度过高,先共析渗碳体溶解过多,甚至完全溶解,则奥氏体晶粒将发生长大,奥氏体碳含量也增加。淬火后,粗大马氏体组织使钢件淬火态微区内应力增加,微裂纹增多,零件的变形和开裂倾向增加;由于奥氏体碳浓度高,马氏体点下降,残留奥氏体量增加,使工件的硬度和耐磨性降低。常用钢种淬火的温度参见表2。
表2常用钢种淬火的加热温度

实际生产中,加热温度的选择要根据具体情况加以调整。如亚共析钢中碳含量为下限,当装炉量较多,欲增加零件淬硬层深度等时可选用温度上限;若工件形状复杂,变形要求严格等要采用温度下限。
保温时间  由设备加热方式、零件尺寸、钢的成分、装炉量和设备功率等多种因素确定。对整体淬火而言,保温的目的是使工件内部温度均匀趋于一致。对各类淬火,其保温时间最终取决于在要求淬火的区域获得良好的淬火加热组织。
加热与保温是影响淬火质量的重要环节,奥氏体化获得的组织状态直接影响淬火后的性能。-般钢件奥氏体晶粒控制在5~8级。
冷却方法  要使钢中高温相——奥氏体在冷却过程中转变成低温亚稳相——马氏体,冷却速度必须大于钢的临界冷却速度。工件在冷却过程中,表面与心部的冷却速度有-定差异,如果这种差异足够大,则可能造成大于临界冷却速度部分转变成马氏体,而小于临界冷却速度的心部不能转变成马氏体的情况。为保证整个截面上都转变为马氏体需要选用冷却能力足够强的淬火介质,以保证工件心部有足够高的冷却速度。但是冷却速度大,工件内部由于热胀冷缩不均匀造成内应力,可能使工件变形或开裂。因而要考虑上述两种矛盾因素,合理选择淬火介质和冷却方式。
冷却阶段不仅零件获得合理的组织,达到所需要的性能,而且要保持零件的尺寸和形状精度,是淬火工艺过程的关键环节。
分类  可按冷却方式分为单液淬火、双液淬火、分级淬火和等温淬火等。冷却方式的选择要根据钢种、零件形状和技术要求诸因素。
单液淬火  将工件加热后使用单一介质冷却,最常使用的有水和油两种,其变、温曲线如图2中的曲线1。为防止工件过大的变形和开裂,工件不宜在介质中冷至室温,可在200~300℃出水或油,在空气中冷却。单液淬火操作简单易行,广泛用于形状简单的工件。有时将工件加热后,先在空气中停留-段时间,再淬入淬火介质中,以减少淬冷过程中工件内部的温差,降低工件变形与开裂的倾向,称为预冷淬火。
图2  各种淬火冷却的变温曲线示意图  曲线1-单液淬火;曲线2-双液淬火;  曲线3-分级淬火;曲线

4-等温淬火

双液淬火  工件加热后,先淬入水或其他冷却能力强的介质中冷却至400℃左右,迅速转入油或其他冷却能力较弱的介质中冷却。变温曲线如图2中曲线2。所谓“水淬油冷”法使用得相当普遍。先淬入冷却能力强的介质,工件快速冷却可避免钢中奥氏体分解。低温段转入冷却能力较弱的介质可有效减少工件的内应力,降低工件变形和开裂倾向。本工艺的关键是如何控制在水中停留的时间。根据经验,按工件厚度计算在水中停留的时间,系数为O.2~O.3s/mm,碳素钢取上限,合金钢取下限。这种工艺适用于碳素钢制造的中型零件(直径10~40mm)和低合金钢制造的较大型零件。
分级淬火  工件加热后,淬入温度处于马氏体点(ms)附近的介质(可用熔融硝盐、碱或热油)中,停留一段时间,然后取出空冷。变温曲线如图2中曲线3。分级温度应选择在该钢种过冷奥氏体的稳定区域,以保证分级停留过程中不发生相变。对于具有中间稳定区(“两个鼻子”)型TTT曲线的某些高合金钢,分级温度也可选在中温(400~600℃)区。分级的目的是使工件内部温度趋于一致,减少在后续冷却过程中的内应力及变形和开裂倾向。此工艺适用于形状复杂,变形要求严格的合金钢件。高速钢制造的工具淬火多用此工艺。
等温淬火  工件加热后,淬入温度处于该钢种下贝氏体(B下)转变范围的介质中,保温使之完成下贝氏体转变,然后取出空冷,变温曲线如图2中的曲线4。等温温度对下贝氏体性能影响较大,温度控制要求严格。常用钢种的等温温度和时间列于表3。等温淬火工艺特别适用于要求变形小、形状复杂,尤其同时还要求较高强韧性的零件。
表3  中国常用钢种的等温温度和等温时间

调质
开放分类: 热处理

       调质(quenching and high temperature tempering)
    调质即淬火和高温回火的综合热处理工艺。调质件大都在比较大的动载荷作用下工作,它们承受着拉伸、压缩、弯曲、扭转或剪切的作用,有的表面还具有摩擦,要求有一定的耐磨性等等。总之,零件处在各种复合应力下工作。这类零件主要为各种机器和机构的结构件,如轴类、连杆、螺栓、齿轮等,在机床、汽车和拖拉机等制造工业中用得很普遍。尤其是对于重型机器制造中的大型部件,调质处理用得更多.因此,调质处理在热处理中占有很重要的位置。

在机械产品中的调质件,因其受力条件不同,对其所要求的性能也就不完全一样。一般说来,各种调质件都应具有优良的综合力学性能,即高强度和高韧性的适当配合,以保证零件长期顺利工作
正火
开放分类: 热处理工艺

       正火是将工件加热至Ac3或Accm以上30~50℃,保温一段时间后从炉中取出在空气中冷却的金属热处理工艺。正火与退火的不同点是正火冷却速度比退火冷却速度稍快,因而正火组织要比退火组织更细一些,其机械性能也有所提高。另外,正火炉外冷却不占用设备,生产率较高,因此生产中尽可能采用正火来代替退火。

       正火的主要应用范围有:①用于低碳钢,正火后硬度略高于退火,韧性也较好,可作为切削加工的预处理。②用于中碳钢,可代替调质处理作为最后热处理,也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理。③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等,可以消降或抑制网状碳化物的形成,从而得到球化退火所需的良好组织。④用于铸钢件,可以细化铸态组织,改善切削加工性能。⑤用于大型锻件,可作为最后热处理,从而避免淬火时较大的开裂倾向。⑥用于球墨铸铁,使硬度、强度、耐磨性得到提高,如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。 ⑦过共析钢球化退火前进行一次正火,可消除网状二次渗碳体,以保证球化退火时渗碳体全部球粒化