退火、正火、淬火、回火工艺-第5部分
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俑郑惺毙枰�1000~1050℃作第三段预热。
退火的种类和淬火
一、退火的种类
1． 完全退火和等温退火
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
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
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。
退火与正火
1。钢的退火将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。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。所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。
2。钢的正火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，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。
完全退火处理
完全退火处理係将亚共析钢加热至Ac3温度以上30~50℃、过共析钢加热至Ac1温度以上50℃左右的温度范围，在该温度保持足够时间，使成為沃斯田体单相组织（亚共析钢）或沃斯田体加上雪明碳体混合组织后，在进行炉冷使钢材软化，以得到钢材最佳之延展性及微细晶粒组织。
铸铁之弛力退火处理
几乎所有的铸件在冷却过程中都会產生热应力，在热处理过程中，特别正常化处理和退火处理之后均会成内应力，内应力发生的主要原因在於铸件的内部肉厚不同，在急速冷却过程中由於热降的差异发生，肉厚不同会使每一个不分的收缩各异，因而引起了所谓内应力，冷的部分具有较高的潜变长度，而热的部分其长度较低，故热的部分就会在冷的部分收缩后形成热点造成部份的变形，变形部分之强度，随著变形度的增加而提高，最后再不能进一步变形时，铸件内部形成某种程的弹性应力，甚至塑性应变，即為内应力，此应力几乎可高达与抗拉强度等值，一且由於任何外在的原因使局部应力超过抗拉强度的时候，此类铸件很容易因而造成破裂，热处理是消除内应力最重要的一种方法，主要程序是升高温度，令所有铸建在非常均匀而缓慢的情况下，加热及冷却。
退火温度的高低，主要视铸件的组成部分，以及必须消的强度量而定，甚至必须考虑组织的可能变化，最适合的退火温度可大致归纳如下：对非合金性的铸铁而言，约在500~575℃之间，对於低筋性的铸铁而言，大约在550~600℃之间，对高合金铸铁而言则在600~650℃之间，炉内的温度分布，必须儘可能的均匀以避免存在温度梯度，不论任何情况下，用於退火的火焰或热气体，不能直接喷向铸件，以避免在加热的时候，薄壁的部分在次引起热应力，而增加残留应力的存在量，进而引起破裂，在到达退火温度后的第一小时内大部分的内应力均会消除，则视铸件的厚薄而定，一般而言铸件厚度每增加25mm必须增加一小时的退火时间。
铸铁之软化退火处理
灰铸铁与球状石墨铸铁软化退火，事实上是一种针对碳化物分解的热处理，对非合金性及低合金铸铁而言，铁碳所形成的碳化物并非是一种稳定相，在高温中经过一段足够长的时间，碳化物分解成為石墨、肥力铁或沃斯田铁，此类分解过程就是一般所谓的软化热处理，同时也是製造展性铸铁的主要程序，灰铸铁裡的碳化物主要分两类，第一类是在凝固过程中形成的共晶碳化物（Eutectic Carbide），一般称之為自由碳化物（Free Carbide）。软化处理主要分成两个步骤，及第一段石墨化及第二段石墨化，共晶碳化物之分解為第一段石墨化，波来铁分解為肥力铁与石墨之步骤為第二段石墨化。图2…2所示為软化处理时间…温度曲线，如果波来铁分解时予以非常缓慢的冷却，则同时可达到弛力退火的效果。
第一段石墨化处理的目的在於消除共晶雪明碳铁，因此当灰铸铁或者球状石墨铸铁，再凝固过程中，石墨形成不完全，大部分都会形成共晶雪明碳铁，在铸件的角落和锐边处，由於冷却速率较快，或以金属模铸造时激冷效果均会產生共晶雪明碳铁，另当硅的含量不够，或接种的处理不良都会產生硬点，或形成碳化物，如果铸铁内具碳化物的稳定元素，儒Cr、V或太高之锰含量时，也会形成相同的结果，如果是由於成分的配合不恰当，晶界形成。
十、回火介绍
（1）钢的回火
回火是将淬火钢重新加热到A1以下某一温度，保温，然后冷却的热处理工艺。回火决定了钢在使用状态的组织和性能。回火的目的是为了稳定组织，消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，满足各种工件不同的性能要求。
根据回火温度可将钢的回火分为三类。
1、低温回火（150～250℃）
低温回火后的组织为回火马氏体，它是由过饱和的α相和与其共格的ε…Fe2。4C组成。其形态仍保留淬火马氏体的片状或板条状。
低温回火的主要目的是保持淬火马氏体的高硬度（58～62HRC）和高耐磨性，降低淬火应力和脆性。它主要用于各种高碳钢的刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承和渗碳工件。
2、中温回火（350～500℃）
中温回火后的组织为回火托氏体，它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极细小的片状或粒状渗碳体组成，其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。
中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比，高的弹性极限，高的韧性，回火托氏体的硬度为35～45HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。
3、高温回火（500～650℃）
高温回火后的组织为回火索氏体，它是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体组成。由于铁素体发生了再结晶失去了原来淬火马氏体的片状或板条状形态，呈现为多边形颗粒状，同时渗碳体聚集长大。
（2）回火常见问题和解决技巧
100℃热水回火之优点
低温回火常使用180℃至200℃左右来回火，使用油煮回火。其实若使用100℃的热水来进行回火，会有许多优点，包括：100℃的回火可以减少磨裂的发生；100℃回火可使工件硬度稍增，改善耐磨性；100℃的热水回火可降低急速加热所產生裂痕的机会；进行深冷处理时，降低工件发生深冷裂痕的机率，对残留沃斯田体有缓衝作用，增加材料强韧性；工件表面不会產生油焦，表面硬度稍低，适合磨床研磨加工，亦不会產生油煮过热乾烧之现象。
二次硬化之高温回火处理
对於工具钢而言，残留应力与残留沃斯田体均对钢材有著不良的影响，浴消除之就要进行高温回火处理或低温回火。高温回火处理会有二次硬化现象，以SKD11而言，530℃回火所得钢材硬度较200℃低温回火稍低，但耐热性佳，不会產生时效变形，且能改善钢材耐热性，更可防止放电加工之加工变形，益处甚多。
在300℃左右进行回火处理，為何会產生脆化现象？
部分钢材在约270℃至300℃左右进行回火处理时，会因残留沃斯田体的分解，而在结晶粒边界上析出碳化物，导致回火脆性。二次硬化工具钢当加热至500℃~600℃之间时才会引起分解，在300℃并不会引起残留沃斯田体的分解，故无300℃脆化的现象產生。
回火產生之回火裂痕
以淬火之钢铁材料经回火处理时，因急冷、急热或组织变化之故而產生之裂痕，称之為回火裂痕。常见之高速钢、SKD11模具钢等回火硬化钢在高温回火后急冷也会產生。此类钢材在第一次淬火时產生第一次麻田散体变态，回火时因淬火產生第二次麻田散体变态（残留沃斯田体变态成麻田散体），而產生裂痕。因此要防止回火裂痕，最好是自回火温度作徐徐冷却，同时淬火再回火的作业中，亦应避免提早提出回火再急冷的热处理方式。
回火產生之回火脆性
可分為300℃脆性及回火徐冷脆性两种。所谓300℃脆性係指部分钢材在约270℃至300℃左右进行回火处理时，会因残留沃斯田体的分解，而在结晶粒边界上析出碳化物，导致回火脆性。所谓回火徐冷脆性係指自回火温度（500℃~600℃）徐冷时出现之脆性，Ni…Cr钢颇為显著。回火徐冷脆性，可自回火温度急冷加以防止，根据多种实验结果显示，机械构造用合金钢材，自回火温度施行空冷，以10℃/min以上的冷却速率，就不会產生回火徐冷脆性。
高週波淬火常见之问题
高週波淬火处理常见的缺陷有淬火裂痕、软点及剥离三项。高週波淬火最忌讳加热不均匀而產生局部区域的过热现象，诸如工件锐角部位、键槽部位、孔之周围等均十分容易引起过热，而导致淬火裂痕的发生，上述情形可藉由填充铜片加以降低淬火裂痕发生的可能性。另外高週波淬火工件在淬火过程不均匀，会引起工件表面硬度低的缺点，称之為软点，此现象係由於高週波淬火温度不均匀、喷水孔阻塞或孔的大小与数目不当所致。第三种会產生的缺失是表面剥离现象，主要原因為截面的硬度变化量大或硬化层太浅，因此常用预热的方式来加深硬化层，可有效防止剥离现象。
不銹钢為何不能在500℃至650℃间进行回火处理？
大部分的不銹钢在固溶化处理后，若在475℃至500℃之间长时间持温时，会產生硬度加大、脆性亦大增的现象，此称之為475℃脆化，主要原因有多种说法，包括相分解、晶界上有含铬碳化物的析出及Fe…Cr化合物形成等，使得常温韧性大减，且耐蚀性亦甚差，一般不銹钢的热处理应避免常时间持温在这个温度范围。另外在600℃至700℃之间长时间持温，会產生s相的析出，此s相是Fe…Cr金属间化合物，不但质地硬且脆，还会将钢材内部的铬元素大量耗尽，使不銹钢的耐蚀性与韧性均降低。
為何会產生回火变形？
会產生回火变形的主要原因為回火淬火之际產生的残留硬力或组织变化导致，亦即因回火使张应力消除而收缩、压应力的消除而膨胀，包括回火初期析出e碳化物会有若干收缩、雪明碳铁凝聚过程会大量收缩、残留沃斯田铁变态成麻田散铁会膨胀、残留沃斯田铁变态成变韧铁会膨胀等，导致回火后工件的变形。防止的方法包括：（1）实施加压回火处理；（2）利用热浴或空气淬火等减少残留应力；（3）用机械加工方式矫正及（4）预留变形量等方式。
回火淬性的种类
1、270℃~350℃脆化：又称為低温回火淬性，大多发生在碳钢及低合金钢。
2、400℃~550℃脆化：通常构造用合金钢再此温度范围易產生脆化现象。
3、475℃脆化：特别指Cr含量超过13％的肥粒铁系不銹钢，在400℃至550℃间施以回火处理时，產生硬度增加而脆化的现象，在475℃左右特别显著。
4、500℃~570℃脆化：常见於加工工具钢、高速钢等材料，在此温度会析出碳化物，造成二次硬化，但也会导致脆性的提高。
（3）合金元素对回火转变的影响
淬火合金钢进行回火时，其组织转变与碳钢相似。但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点：
1、提高淬火钢的回火稳定性 淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。
2、产生二次硬化 淬火合金钢在500～600℃温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。
3、产生回火脆性 淬火合金钢在某一温度范围内回火时，出现冲击韧度剧烈下降的现象，称为回火脆性。
（4）铸铁的回火与淬火
所谓淬火是将材料自奥氏体区域的温度非常快的速率将温度降低以防止珠光体或索氏体的形成，自奥氏体区冷却到Ms温度由於时间太短碳元素不会发生扩散，基本直接转变为马氏体，此组织非常坚硬但也相当脆，可以回火方式令其变软，以提高韧性，因此经过不同温度回后，可以获得不同硬度、强度及韧性的组合。而有所谓的恆温淬火或热溶淬火，即在盐浴和金属浴内进行淬火，造成中间相或变韧铁的组织，在铸铁中常进行淬火和回火处理的是球状石墨铸铁，对灰铸铁而言，较无特殊意义，最多在要提高灰铸铁的磨耗强度时才会考虑进行淬火处理，事实上此结果可藉表面处理达成。对球状石墨铸铁而言，经过淬火回火的处理后，可以获得与铸造或正常化处理相同的强度，但具有更高的屈服强度，结果获得较大弹性，特别是的得到较高韧性，因为经淬火、回火后，基地上含有较高碳，同时在这种情况下要比含有贝氏组织时容易进行表面硬化处理。
若在空气中冷却，非合金性及低合金性铸铁之硬化能力不够高，因此必须在某些液体中进行淬火，为了避免淬火时发生热裂，使用的淬火液最好是油或某种悬浮液而应避免使用水，淬火时
