一、 淬火(quenching)
將鋼從高溫奧氏體區快速冷卻﹐使過冷的奧氏體產生非擴散性轉變產物──馬氏體的金屬熱處理工藝。
淬火是使鋼強化的基本手段之一﹐將鋼淬火成馬氏體﹐隨後回火以提高韌性﹐是使鋼獲得高綜合機械性能的傳統方法。為了充分發掘鋼的強度﹐必須首先使鋼完全轉變成馬氏體﹐即必須以足夠快的速率冷卻﹐避免奧氏體在淬火過程中分解成鐵素體﹑珠光體或貝氏體一類組織﹐這一速率稱為臨界冷卻速率﹐一般也稱作臨界冷卻速度。有些高合金鋼如沉澱硬化型不鏽鋼(17-7PH鋼等)﹐或有色金屬如硬鋁合金(Al-Cu-Mg系合金)等﹐也都進行類似淬火的快冷處理﹐但它們的目的是為了把高溫相(分別為奧氏體和固溶體)保持到室溫﹐使其呈過飽和狀態﹐以後需另通過時效處理才能使材料硬化﹐這類淬火稱為固溶熱處理。
從工藝的角度出發﹐淬火溫度和淬火介質的選擇﹐是影響淬火效果的重要因素﹐而這些都取決於鋼和合金的性質。就鋼的性質而言﹐鋼在淬火中形成馬氏體的能力取決於鋼的臨界冷卻速度(鋼的淬透性)。鋼的淬透性則是由奧氏體的成分和其他一些因素﹐如奧氏體晶粒度﹑合金元素在奧氏體中分布的均勻程度等決定的。確定鋼的淬透性至關重要﹐它是選擇淬火工藝參數的重要依據。
淬火加熱溫度 簡稱淬火溫度﹐選擇標準應以能得到細而均勻的奧氏體晶粒為原則﹐以便於冷卻後獲得細小的馬氏體。一般亞共析鋼的淬火溫度為以上30～50﹐淬火後獲得馬氏體組織。在淬火後的組織中﹐除馬氏體外﹐將混有低硬度的鐵素體﹐降低力學性能。如加熱至以上的過高溫度﹐奧氏體晶粒粗化﹐淬火後獲得的馬氏體組織也粗大﹐脆性增加﹔且淬火變形大﹐易造成淬火開裂。過共析鋼的淬火溫度為以上30～50﹔淬火後獲得馬氏體和未溶的粒狀滲碳體組織﹐殘留奧氏體也少。如加熱至以上﹐先共析滲碳體將全部溶入奧氏體﹐使奧氏體的碳量增加﹐奧氏體晶粒長大﹐馬氏體轉變起始點和終了點降低﹔淬火後不僅馬氏體粗大﹐而且有大量殘留奧氏體。對於低合金鋼的淬火溫度﹐可根據其臨界溫度和及所含合金元素的性質﹐參照上述原則確定。
若鋼中含有強碳化物形成元素﹐淬火溫度一般應偏高些﹐以加速碳化物的溶解﹐增大奧氏體中碳和合金元素含量﹐從而提高過冷奧氏體的穩定性﹔對於含碳﹑錳較高的鋼﹐應採用較低的淬火溫度﹐以避免奧氏體晶粒粗化。淬火加熱過程中的氧化﹑脫碳直接影響淬火後工件的使用壽命﹐為此採用鹽浴加熱﹑可控氣氛加熱或真空加熱等方法。
淬火冷卻介質 淬火時鋼製件中需要得到 100％馬氏體的部位﹐其冷卻速度(冷卻速率)必須大於臨界冷卻速度﹐否則不能充分淬硬和達到要求的淬硬深度。但是冷卻速度過大在奧氏體向馬氏體轉變過程中將產生巨大的組織應力和熱應力﹐使工件變形並有開裂的危險。為了解決上述矛盾﹐鋼的合理的淬火冷卻過程通常要求在珠光體轉變區或貝氏體轉變區等奧氏體最不穩定區域要快速冷卻﹐以防止其分解﹐通過馬氏體轉變區域要較緩慢冷卻﹐以減小奧氏體轉變馬氏體時出現的應力。實際生產中可根據鋼種的特性選擇冷卻介質﹐如碳鋼的臨界冷卻速度大﹐應選用水﹑鹽水等冷卻能力較強的介質﹔合金鋼的臨界冷卻速度小﹐可採用比較緩和的介質如油等。
由表內 常用淬火介質的冷卻速度 可以看到﹐水在200～300區域的冷卻速度過大﹐易於使鋼淬裂﹔油在550～650區間的冷速過小﹐不易使淬透性小的鋼淬硬。近年來廣泛研究採用冷卻能力介於水和油之間的冷卻介質﹐使高溫區的冷卻能力接近於水﹐低溫區的冷卻能力接近於油﹐如水玻璃﹑過飽和硝酸水溶液﹑聚乙烯醇溶液等。
鋼的淬透性 淬透性是鋼的基本性質之一。它不同於淬硬性﹐後者指馬氏體的硬度值﹐主要決定於鋼中含碳量。淬透性的大小是用理想臨界直徑作為指標來衡量的﹐它是鋼棒在冷卻烈度(見後文)為∞的介質中冷卻時﹐心部形成50％馬氏體時的直徑。在其他淬火介質(如水﹑油等)中冷卻時﹐所得到的臨界直徑均較為小。其中50％馬氏體轉變量是為了便於測量而人為選定的﹐可通過金相檢驗和硬度測量確定。 馬氏體含量不同時碳含量對淬火硬度的影響 中的曲線表示硬化層中含有不同百分數的馬氏體時的硬度值和含碳量的關係。一定尺寸的圓棒淬火時﹐表面和心部的冷卻速度不同。很明顯﹐淬透層的深度取決於臨界冷卻速度的大小﹐因而可通過加入合金元素來降低鋼的臨界冷卻速度﹐使鋼的淬透層深度增加。最常用的確定鋼的淬透性方法是頂端淬火試驗。
頂端淬火試驗 或稱Jominy試驗﹐是一種測定淬透性的簡便方法﹐在許多國家已標準化。利用頂端淬火法測定淬透性曲線 是用標準試樣經適當奧氏體化後進行頂端淬火的示意圖。頂端淬火時冷卻速度由淬火端沿試棒逐漸減小﹐組織和硬度隨之相應地變化﹐由此得到的硬度變化曲線, 稱為淬透性曲線或Jominy曲線。嚴格地說﹐這種曲線只對某一爐次的鋼有效﹔對於某一定鋼種來說﹐由於化學成分的差異(成分波動及偏析)﹑預先熱處理工藝的差異(顯微組織上的差異)﹐其淬透性曲線可在相當大的範圍內波動﹐形成一個淬透性帶(Jominy帶)。工業用鋼的淬透性曲線幾乎都已測定﹐並彙集成冊供查閱參考。根據Jominy試驗結果﹐鋼的淬透性大小可通過以下途徑確定﹕
直接用試棒頂端至半馬氏體區的距離。
用臨界直徑表示 臨界直徑指鋼在一定冷卻介質(如油或水)中淬火時能淬透(中心形成50％馬氏體)的最大直徑﹐生產中常用以表示淬透性的大小﹐不同冷卻介質下的臨界直徑(中心形成50％馬氏體) 為其示意圖。可以從不同直徑的鋼棒由試驗得到﹐稱格羅斯曼(Grossmann)法﹐也可在用頂端淬火試驗得出後﹐利用由淬透性曲線換算為鋼棒截面上淬透層深度的曲線 查出的某種介質中淬火時的臨界直徑。
用理想臨界直徑表示 臨界直徑雖然可以在規定介質條件下對鋼的淬透性進行定量比較﹐但仍缺乏普遍意義﹐因為當淬火介質改變時﹐雖然鋼的淬透性並不改變﹐但工件的淬透直徑卻發生變化。為了定量地表示冷卻介質的冷卻能力而引入了冷卻烈度﹐靜止水的烈度規定為1﹐以作為和其他淬火介質比較的標準﹔理想淬火介質(淬火時使熱的試棒表面立即冷到介質溫度)的值為無窮大﹔一些常用實際淬火介質的值分別為0.02～5不等。這樣﹐鋼的淬透性可以簡便地用理想臨界直徑加以表示和進行比較。對於某一定成分的鋼﹐表示一個圓柱形棒在理想淬火條件下﹐中心形成50％馬氏體時的直徑。
奧氏體晶粒度和化學成分對淬透性的影響 奧氏體晶粒度和化學成分是影響淬透性最重要的兩個因素。鋼的淬透性隨奧氏體晶粒度增大和晶粒界面積減小而提高﹐這是因為可供鐵素體和珠光體形核的位置減少﹐延緩了這些轉變的速度。鋼中合金元素一般延緩奧氏體分解﹐使轉變曲線(TTT曲線或CCT曲線)右移﹐從而提高淬透性。為了定量估算它們的影響曾經提出一些計算方法﹐如格羅斯曼(M.A.Grossmann)和霍洛曼 (J.H.Holloman)所提出的公式﹐經莫澤爾(A.Moser)和萊格特(A.Legat)改進後得到的計算理想臨界直徑的經驗公式為﹕
=×2.21％Mn×1.40％Si×2.13％Cr×3.275％Mo×1.47％Ni
其中為基本臨界直徑﹐主要決定於奧氏體的含碳量和晶粒度﹐可由圖10 含碳量和晶粒度對基本臨界直徑的影響 查出﹔列於各元素前面的數字是該元素含量(重量)為1％時的淬透性係數﹐數值越大﹐表示對淬透性的貢獻越大。這樣的計算只能用作對淬透性的粗略估算。
淬透性和淬火工藝 為了保證工件淬火時得到完全馬氏體組織﹐一般來說要求選用的鋼有足夠的淬透性。如淬透性不同的鋼棒淬火並高溫回火處理後的力學性能 所示﹐完全淬透的鋼高溫回火後﹐其力學性能沿截面是均勻的﹔如因鋼的淬透性低而使心部未能淬透﹐則心部的力學性能特別是衝擊韌性較低。對於給定成分的鋼﹐選用烈度高的淬火介質可以更快地降低鋼件表面溫度﹐增大臨界直徑。但這將增大溫度梯度﹐引起工件翹曲變形﹐甚至開裂。因此在實際淬火操作中往往需要採用較緩和的冷卻介質﹐如油或空氣流等。這就要求鋼有高的淬透性。能在空氣中冷卻形成馬氏體的鋼稱為空硬鋼﹐如一些高合金模具鋼。對中等淬透性的鋼已發展出各種間斷淬火方法。某些情況下並不要求工件完全淬透﹐如工具和有些機器部件往往希望高疲勞強度或耐磨的硬表面。表面層淬成馬氏體而心部不淬透使表面層中產生壓應力﹐有利於防止疲勞裂紋的形成和阻止在表面所形成的疲勞源的擴展。
二、回火( tempering)
將經過淬火的工件重新加熱到低於下臨界溫度的適當溫度﹐保溫一段時間後在空氣或水﹑油等介質中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火後具有以下特點﹕得到了馬氏體﹑貝氏體﹑殘餘奧氏體(見鋼鐵顯微組織)等不平衡(即不穩定)組織﹔存在較大內應力﹔力學性能不能滿足要求。因此﹐鋼鐵工件淬火後一般都要經過回火。
作用 回火的作用在於﹕提高組織穩定性﹐使工件在使用過程中不再發生組織轉變﹐從而使工件幾何尺寸和性能保持穩定﹔消除內應力﹐以便改善工件的使用性能並穩定工件幾何尺寸﹔調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。
回火之所以具有這些作用﹐是因為溫度昇高時﹐原子活動能力增強﹐鋼鐵中的鐵﹑碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散﹐實現原子的重新排列組合﹐從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度昇高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時﹐硬度和強度下降﹐塑性提高。回火溫度越高﹐這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼﹐在某一溫度範圍回火時﹐會析出一些顆粒細小的金屬化合物﹐使強度和硬度上昇。這種現象稱為二次硬化。
要求 用途不同的工件應在不同溫度下回火﹐以滿足使用中的要求。刀具﹑軸承﹑滲碳淬火零件﹑表面淬火零件通常在 250℃以下進行低溫回火。低溫回火後硬度變化不大﹐內應力減小﹐韌性稍有提高。彈簧在350～500℃下中溫回火﹐可獲得較高的彈性和必要的韌性。中碳結構鋼製作的零件通常在500～600℃進行高溫回火﹐以獲得適宜的強度與韌性的良好配合﹐淬火加高溫回火的熱處理工藝總稱為調質。
鋼在300℃左右回火時﹐常使其脆性增大﹐這種現象稱為第一類回火脆性。一般不應在這個溫度區間回火。某些中碳合金結構鋼在高溫回火後﹐如果緩慢冷至室溫﹐也易於變脆。這種現象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬﹐或回火時在油或水中冷卻﹐都可以防止第二類回火脆性。將第二類回火脆性的鋼重新加熱至原來的回火溫度﹐便可以消除這種脆性。
三、退火( annealing)
將金屬緩慢加熱到一定溫度﹐保持足夠時間﹐然後以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻﹐有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的是使經過鑄造﹑鍛軋﹑焊接或切削加工的材料或工件軟化﹐改善塑性和韌性﹐使化學成分均勻化﹐去除殘餘應力﹐或得到預期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種﹐如重結晶退火﹑等溫退火﹑均勻化退火﹑球化退火﹑去除應力退火﹑再結晶退火﹐以及穩定化退火﹑磁場退火等等。
退火的一個最主要工藝參數是最高加熱溫度(退火溫度)﹐大多數合金的退火加熱溫度的選擇是以該合金系的相圖為基礎的﹐如碳素鋼以鐵碳平衡圖為基礎。各種鋼(包括碳素鋼及合金鋼)的退火溫度﹐視具體退火目的的不同而在各該鋼種的以上﹑以上或以下的某一溫度。各種非鐵合金的退火溫度則在各該合金的固相線溫度以下﹑固溶度線溫度以上或以下的某一溫度。
重結晶退火 應用於平衡加熱和冷卻時有固態相變(重結晶)發生的合金。其退火溫度為各該合金的相變溫度區間以上或以內的某一溫度。加熱和冷卻都是緩慢的。合金於加熱和冷卻過程中各發生一次相變重結晶﹐故稱為重結晶退火﹐常被簡稱為退火。
這種退火方法﹐相當普遍地應用於鋼。鋼的重結晶退火工藝是﹕緩慢加熱到(亞共析鋼)或(共析鋼或過共析鋼)以上30～50﹐保持適當時間﹐然後緩慢冷卻下來。通過加熱過程中發生的珠光體(或者還有先共析的鐵素體或滲碳體)轉變為奧氏體(第一回相變重結晶)以及冷卻過程中發生的與此相反的第二回相變重結晶﹐形成晶粒較細﹑片層較厚﹑組織均勻的珠光體(或者還有先共析鐵素體或滲碳體)﹐退火溫度在以上(亞共析鋼)使鋼發生完全的重結晶者﹐稱為完全退火﹐退火溫度在與之間 (亞共析鋼)或與之間(過共析鋼)﹐使鋼發生部分的重結晶者﹐稱為不完全退火。前者主要用於亞共析鋼的鑄件﹑鍛軋件﹑焊件﹐以消除組織缺陷(如魏氏組織﹑帶狀組織等)﹐使組織變細和變均勻﹐以提高鋼件的塑性和韌性。後者主要用於中碳和高碳鋼及低合金結構鋼的鍛軋件。此種鍛﹑軋件若鍛﹑軋後的冷卻速度較大時﹐形成的珠光體較細﹑硬度較高﹔若停鍛﹑停軋溫度過低﹐鋼件中還有大的內應力。此時可用不完全退火代替完全退火﹐使珠光體發生重結晶﹐晶粒變細﹐同時也降低硬度﹐消除內應力﹐改善被切削性。此外﹐退火溫度在與之間的過共析鋼球化退火﹐也是不完全退火。
重結晶退火也用於非鐵合金﹐例如鈦合金於加熱和冷卻時發生同素異構轉變﹐低溫為 相(密排六方結構)﹐高溫為 相(體心立方結構)﹐其中間是“＋”兩相區﹐即相變溫度區間。為了得到接近平衡的室溫穩定組織和細化晶粒﹐也進行重結晶退火﹐即緩慢加熱到高於相變溫度區間不多的溫度﹐保溫適當時間﹐使合金轉變為相的細小晶粒﹔然後緩慢冷卻下來﹐使相再轉變為相或＋兩相的細小晶粒。
等溫退火 應用於鋼和某些非鐵合金如鈦合金的一種控制冷卻的退火方法。對鋼來說﹐是緩慢加熱到 (亞共析鋼)或 (共析鋼和過共析鋼)以上不多的溫度﹐保溫一段時間﹐使鋼奧氏體化﹐然後迅速移入溫度在以下不多的另一爐內﹐等溫保持直到奧氏體全部轉變為片層狀珠光體(亞共析鋼還有先共析鐵素體﹔過共析鋼還有先共析滲碳體)為止﹐最後以任意速度冷卻下來(通常是出爐在空氣中冷卻)。等溫保持的大致溫度範圍在所處理鋼種的等溫轉變圖上至珠光體轉變鼻尖溫度這一區間之內﹔具體溫度和時間﹐主要根據退火後所要求的硬度來確定。等溫溫度不可過低或過高﹐過低則退火後硬度偏高﹔過高則等溫保持時間需要延長。鋼的等溫退火的目的﹐與重結晶退火基本相同﹐但工藝操作和所需設備都比較複雜﹐所以通常主要是應用於過冷奧氏體在珠光體型相變溫度區間轉變相當緩慢的合金鋼。後者若採用重結晶退火方法﹐往往需要數十小時﹐很不經濟﹔採用等溫退火則能大大縮短生產週期﹐並能使整個工件獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火也可在鋼的熱加工的不同階段來用﹐例如﹐若讓空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫時﹐當心部轉變為馬氏體之時﹐在已發生了馬氏體相變的外層就會出現裂紋﹔若將該類鋼的熱鋼錠或鋼坯在冷卻過程中放入700左右的等溫爐內﹐保持等溫直到珠光體相變完成後﹐再出爐空冷﹐則可免生裂紋。
含相穩定化元素較高的鈦合金﹐其相相當穩定﹐容易被過冷。過冷的相﹐其等溫轉變動力學曲線與鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖相似。為了縮短重結晶退火的生產週期並獲得更細﹑更均勻的組織﹐亦可採用等溫退火。
均勻化退火 亦稱擴散退火。應用於鋼及非鐵合金(如錫青銅﹑硅青銅﹑白銅﹑鎂合金等)的鑄錠或鑄件的一種退火方法。將鑄錠或鑄件加熱到各該合金的固相線溫度以下的某一較高溫度﹐長時間保溫﹐然後緩慢冷卻下來。均勻化退火是使合金中的元素發生固態擴散﹐來減輕化學成分不均勻性(偏析)﹐主要是減輕晶粒尺度內的化學成分不均勻性(晶內偏析或稱枝晶偏析)。均勻化退火溫度所以如此之高﹐是為了加快合金元素擴散﹐儘可能縮短保溫時間。合金鋼的均勻化退火溫度遠高於﹐通常是1050～1200。非鐵合金錠進行均勻化退火的溫度一般是“0.95×固相線溫度(K)”﹐均勻化退火因加熱溫度高﹐保溫時間長﹐所以熱能消耗量大。
球化退火 只應用於鋼的一種退火方法。將鋼加熱到稍低於或稍高於的溫度或者使溫度在上下週期變化﹐然後緩冷下來。目的在於使珠光體內的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變為球粒狀﹐均勻分布於鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低﹑被切削性好﹑冷形變能力大。對工具鋼來說﹐這種組織是淬火前最好的原始組織。
球化退火的具體工藝有﹕普通(緩冷)球化退火﹐緩冷適用於多數鋼種﹐尤其是裝爐量大時﹐操作比較方便﹐但生產週期長﹔等溫球化退火﹐適用於多數鋼種﹐特別是難於球化的鋼以及球化質量要求高的鋼(如滾動軸承鋼)﹔其生產週期比普通球化退火短﹐不過需要有能夠控制共析轉變前冷卻速率的爐子﹔週期球化退火﹐適用於原始組織為片層狀珠光體組織的鋼﹐其生產週期也比普通球化退火短﹐不過在設備裝爐量大的條件下﹐很難按控制要求改變溫度﹐故在生產中未廣泛採用﹔低溫球化退火﹐適用於經過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼(後者通常稱為高溫軟化回火)﹔形變球化退火﹐形變加工對球化有加速作用﹐將形變加工與球化結合起來﹐可縮短球化時間。它適用於冷﹑熱形變成形的鋼件和鋼材(如帶材
再結晶退火 應用於經過冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法。目的為使金屬內部組織變為細小的等軸晶粒﹐消除形變硬化﹐恢復金屬或合金的塑性和形變能力(回復和再結晶)。若欲保持金屬或合金表面光亮﹐則可在可控氣氛的爐中或真空爐中進行再結晶退火。
去除應力退火 鑄﹑鍛﹑焊件在冷卻時由於各部位冷卻速度不同而產生內應力﹐金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過程中也產生內應力。若內應力較大而未及時予以去除﹐常導致工件變形甚至形成裂紋。去除應力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度(例如﹐灰口鑄鐵是500～550﹐鋼是500～650)﹐保溫一段時間﹐使金屬內部發生弛豫﹐然後緩冷下來。應該指出﹐去除應力退火並不能將內應力完全去除﹐而只是部分去除﹐從而消除它的有害作用。
還有一些專用退火方法﹐如不鏽耐酸鋼穩定化退火﹔軟磁合金磁場退火﹔硅鋼片氫氣退火﹔可鍛鑄鐵可鍛化退火等。