热处理工艺及水冷炉冷空冷的比较

以共析鋼為例：共析鋼從高溫爐冷變成粗波來鐵空冷變成中波來鐵油冷變成細波來鐵+麻田散鐵+殘留沃斯田鐵水冷變成麻田散鐵+殘留沃斯田鐵產生殘留沃斯田鐵主要是因為冷卻速度不夠快，及冷卻液的冷卻能力。钢在冷却时的组织转变[连续冷却转变]：过冷奥氏体在一个温度范围内，随温度下降发生组织转变，同样可用“连续冷却转变曲线”“CCT曲线，C—continuous；C—cooling；T—transformation”分析组织转变过程和产物。共析钢的“CCT曲线”测量过程示意图如下图。图中V1（炉冷）、V2（空冷）、V3（油冷）、V4（水冷）代表热处理中四种常用的连续冷却方式。共析钢的连续转变图建立过程示意图（CCT曲线）炉冷V1：随炉冷却（相当于退火），比较缓慢，它分别与C曲线的转变开始和转变终了线相交于1、2点，这两点位于C曲线上部珠光体转变区域，估计它的转变产物为珠光体，硬度170~220HBS。（珠光体是奥氏体(奥氏体是碳溶解在γ－Fe中的间隙固溶体)发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。得名自其珍珠般（pearl-like）的光泽。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。）空冷V2：在空气中冷却（相当于正火），它分别与C曲线的转变开始线和转变终了线相交于3、4点，位于C曲线珠光体转变区域中下部分，故可判断其转变产物为索氏体，硬度25~35HRC。在中等硬度情況下，洛氏硬度HRC與布氏硬度HBS之間關系約為1：10。（索氏体:钢经正火或等温转变所得到的铁素体与渗碳体的机械混合物。属于珠光体类型的组织，但其组织比珠光体组织细。将淬火钢在450-600℃进行回火，所得到的索氏体称为回火索氏体（temperedsorbite）。回火索氏体中的碳化物分散度很大，呈球状。故比索氏体具有更好的机械性能。这就是为什么多数结构零件要进行调质处理（淬火+高温回火）的原因。索氏体，是在光学金相显微镜下放大600倍以上才能分辨片层的细珠光体,其实质是一种珠光体，是钢的高温转变产物，是片层的铁素体与渗碳体的双相混合组织，其层片间距较小（250～350nm），碳在铁素体中已无过饱和度，是一种平衡组织。)油冷V3：在油中的冷却（相当于在油中淬火），与C曲线的转变开始线交于5、6点，没有与转变终了线相交，所以仅有一部分过冷奥氏体转变为托氏体，其余部分在冷却至Ms线以下转变为马氏体组织。因此，转变产物应是托氏体和马氏体的混合组织，硬度45~55HRC。(托氏体/屈氏体:troostite，奥氏体等温转变所得到的由铁素体与渗碳体组成的极弥散的混合物。是一种最细的珠光体类型组织，其组织比索氏体组织还细。钢经淬火后在300~450℃回火所得到的屈氏体称为回火屈氏体，是过冷奥氏体冷却到350~500℃左右形成的片间距约为300~800nm的珠光体。)（马氏体/麻田散铁，是纯金属或合金从某一固相转变成另一固相时的产物；马氏体最先在淬火钢中发现，是由奥氏体转变成的，是碳在α铁中的过饱和固溶体。马氏体的开始和终止温度，分别称为M始点和M终点；钢中的马氏体在显微镜下常呈针状，并伴有未经转变的奥氏体(残留奥氏体)；钢中的马氏体的硬度随碳量增加而增高；高碳钢的马氏体的硬度高而脆，而低碳钢的马氏体具有较高的韧性。）水冷V4：在水中冷却（相当于在水中淬火的），它不与C曲线相交，过冷奥氏体将直接冷却至Ms以下进行马氏体转变。最后得到马氏体和残余奥氏体组织，硬度55~65HRC。等温转变“TTT曲线”在连续冷却转变中的应用：由于连续冷却“CCT转变曲线”的测定较为困难，而连续冷却转变可以看作由许多温度相差很小的等温转变过程所组成的，所以连续冷却转变得到的组织可认为是不同温度下等温转变产物的混合物。故生产中常用TTT曲线（C曲线）近似地分析连续冷却过程。“TTT曲线”在连续冷却过程中的应用[马氏体]：碳在α-Fe中的过饱和固溶体称为马氏体，用符号“M”表示。在MS线以下过冷奥氏体发生的转变称马氏体转变，马氏体转变通常在连续冷却时进行，是一种低温转变。马氏体组织形貌：低碳马氏体组织通常呈板条状M；高碳马氏体组织通常呈针叶状M。马氏体转变马氏体的碳含量与性能的关系马氏体转变特点：奥氏体含碳量对马氏体转变温度的影响马氏体转变具有不完全性。奥氏体过冷到室温不能得到全部马氏体，而保留一定量的奥氏体，这种在冷却过程中发生相变后仍在环境温度下存在的奥氏体称残余奥氏体。残余奥氏体不仅降低钢件的硬度和耐磨性，而且影响钢件的尺寸稳定性，要使残余奥氏体继续向马氏体转变，就要将淬火钢继续冷却至室温以下（如冰柜冷却至0℃以下；干冰+洒精可冷却至–78℃；液氮可冷却至–183℃），即冷处理。。马氏体转变的速度极快，属非扩散型相变，一般不需要孕育期。马氏体转变会引起钢的体积膨胀。由于马氏体的比容比奥氏体大，通常又是在较大的冷却速度下发生转变，钢件内外温差大，所以会产生很大的内应力，这是导致淬火钢出现变形和开裂的主要原因。贝氏体，也称变韧铁，是由奥氏体在珠光体温度范围以下和马氏体点（马氏体转变开始的温度）以上的温度范围内分解而成的铁素体和渗碳体的混合体。贝氏体分为两种，在较高温度（350～550℃）形成的称“上贝氏体”，其组织在光学显微镜下呈羽毛状；在较低温度形成的称“下贝氏体”，其组织在光学显微镜下呈针状或竹叶状。贝氏体由于碳化物颗粒周围受腐蚀而变得比较粗糙，故在显微镜下呈黑色。1）退火：等温退火将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温，使过冷奥氏体转变为珠光体，空冷至室温。球化退火将过共析碳钢加热到Ac1以上20～30℃，保温2～4h，使片状渗碳体发生不完全溶解断开成细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上，随后的缓冷过程中，或以原有的细小的渗碳体质点为核心，或在奥氏体中富碳区域产生新的核心，形成均匀的颗粒状渗碳体。均匀化退火（扩散退火）将工件加热到1100℃左右，保温10～15h，随炉缓冷到350℃，再出炉空冷。工件经均匀化退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷.去应力退火将工件随炉缓慢加热到500～650℃，保温，随炉缓慢冷却至200℃出炉空冷。主要用于消除加工应力。再结晶退火将材料加热至再结晶温度以上，保温后缓慢冷却的工艺方法。完全退火用于亚共析碳钢和合金钢的铸、锻件；等温退火用于奥氏体比较稳定的合金钢；球化退火用于共析钢、过共析钢和合金工具钢；均匀化退火用于高质量要求的优质高合金钢的铸锭和成分偏析严重的合金钢铸件；去应力退火用于铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机加工件；再结晶退火主要用于去除加工硬化。残留应力退火处理有残留应力的存在，若未经适当应力退火处理，在不当的暴露於热源下，会產生变形的现象，另外残餘应力经常时高度集中在某一局部区域，因此会局部降低製品的机械强度。為避免这些问题，我们必须採用残餘应力退火处理。此处理是将製品缓慢而均匀的加热至一低於向变化点之温度，然后置於此温度一段时间，再缓慢而均匀的逐步冷却下来，在此过程中最重要的是必须保持製品各区域之冷却速度相同，否则冷却后，由於各区冷却速率的差异，会再度造成残餘应力的出现。应力退火是利用原子在高温有微小潜变的现象，来重组原子位置以消除应力的存在。因此材料应力退火温度随著材料之高温潜变能力不同而有所变化。去应力退火处理主要的目的，在於清除因锻造、铸造、机械加工或焊接所產生的残留应力，这种残存应力常导致工件强度降低、经久变形，并对材料韧性、延展性有不良影响，因此弛力退火热处理对於尺寸经度要求严格的工件、有安全顾虑的机械构件非常重要。弛力退火的热处理程序係将工件加热到A1点以下的适当温度，保持一段时间（不需像软化退火热处理那麼久）后，徐缓冷至室温。特别需要注意的是，加热时的速度要缓慢，尤其是大型物件或形状复杂的工件更要特别注意，否则弛力退火的成效会大打折扣。正火保温后的冷却，一般可在空气中冷却，但一些大型工件或在气温较高的夏天，有时也采用吹风或喷雾冷却。正火后组织与性能正火实质上是退火的一个特例。两者不同之处，主要在于正火冷却速度较快，过冷度较快，因而发生了伪共析转变，使组织中珠光体增多，且珠光体的片层间距变小。正火后的强度、硬度、韧性都比退火后的高，且塑性也并不降低。正火的应用正火与退火相比，钢的机械性能高，提价简便，生产周期短，能耗少，故在可能条件下，应优先考虑采用正火处理。目前的应用如下：1.作为普通结构零件的最终热处理2.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性3.作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。4.消除过共析钢中风状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备5.一些大型的或形状较复杂的零件，淬火可能有开裂的危险，正火也往往代替淬火、回火处理，而作为这类零件的最终热处理。为了增加低碳钢的硬度，可适当提高正火温度。製程退火：由於材料经过相等程度冷加工后，会有加工硬化的现象，以至无法做进一步的加工。因此我们必须於製程中加入一退火步骤来消除此种不利的加工硬化现象。此类退火处理统称為製程退火。球化处理在退火处理后能获得球状之碳化物之一种处理。一般可採用以下几种方法得到。a.长时间热浸置於略低於Ae之温度。b.轮番加热及冷却於Ae温度上下〈最好刚刚高於Ac及低於Ar〉。c.加热至高於Ac，然后慢慢在炉中冷却，或停留Ar一长时间。均匀化处理（Homogenization）利用在高温进行长时间加热，使内部的化学成分充分扩散，因此又称為『扩散退火』。加热温度会因钢材种类有所差异，大钢锭通常在1200℃至1300℃之间进行均匀化处理，高碳钢在1100℃至1200℃之间，而一般锻造或轧延之钢材则在1000℃至1200℃间进行热处理。球化退火主要的目的，希望藉由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成為球状，使改善钢材之切削性能及加工塑性，特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。常见的球化退火处理包括：（1）在钢材A1温度的上方、下方反覆加热、冷却数次，使A1变态所析出的雪明碳铁，继续附著成长在上述球化的碳化物上；（2）加热至钢材A3或Acm温度上方，使碳化物完全固溶於沃斯田体后急冷，再依上述方法进行球化处理。使碳化物球化，尚可增加钢材的淬火后韧性、防止淬裂，亦可改善钢材的淬火回火后机械性质、提高钢材的使用寿命。软化退火热处理将工件加热到600℃至650℃范围内（A1温度下方），维持一段时间之后空冷，其主要目的在於使以加工硬化的工件再度软化、回復原先之韧性，以便能再进一步加工。此种热处理方法常在冷加工过程反覆实施，故又称之為製程退火。大部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随著加工量渐增而变大，也因此导致材料延性降低、材质变脆，若需要再进一步加工时，须先经软化退火热处理才能继续加工。工件如何获得性能优异之微细波来体结构？退火处理会使钢材变软，淬火处理会使钢材变硬，『正常化』处理，则可获得层状波来铁组织，可有效改善钢材的切削性及耐磨性，同时又兼具不会產生裂痕、变形量少与操作方便等优点。然而正常化处理是比较难的一种热处理技术，因為它採用空冷的方式冷却，会受到许多因素而影响空冷效果，例如夏天和冬天之冷却效果不同、工件大小对空冷速率有别、甚至风吹也会影响冷却速率。因此正常化处理要使用各种方法来维持均一性，可利用遮阳、围幕、坑洞、风扇等。正常化处理与退火处理之差异正常化处理加热至A3点或Acm点以上40~60℃保持一段时间，使钢材组织变成均匀的沃斯田铁结构后，在静止的空气中冷却至室温的热处理程序。对亚共析钢而言，可获得晶粒细化的目的而拥有好的强度与韧性；对过共析钢而言，则可防止雪明碳铁在沃斯田铁晶粒边界上形成网状析出，以降低材料的韧性。完全退火处理主要目的是要软化钢材、改善钢材之切削性，其热处理程序為加热至A3点以上20~30℃（亚共析钢）或A1点以上30~50℃持温一段时间，使形成完全沃斯田铁组织后（或沃斯田体加雪明碳体组织），在A1点下方50℃使充分发生波来体变态，获至软化的钢材。如何消除工件之残留应力？应力消除退火在变态点以下450~650℃加热一段时间后徐徐冷却至室温，可消除钢材内部在切削、