退火、正火、淬火、回火工艺-第3章
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件表面直接接触的热转递散热、介质变成蒸汽的吸热，也包括所有情况下的表面热辐射散热和对流传热散热。当表面温度降低到稍高于介质的沸点温度时，沸腾冷却阶段就结束了。继续冷却就主要靠介质接触工件的热转递和介质的对流散热来完成，直至工件表面温度与介质温度相同为止。
综上所述，在液体介质中做淬火冷却，当介质的平均温度低于介质的沸点温度时，可能出现的冷却阶段为：①如果淬入工件的表面温度高于所用介质的特性温度，冷却过程将出现蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。② 当淬入工件的表面温度处于介质的特性温度和介质的沸点温度之间时，出现沸腾阶段和对流阶段。③当淬入工件的表面温度等于低于介质的沸点温度时，就只有对流冷却阶段了。图3概括了上述3种情况的冷却速度曲线的形状特点。
3 发生超差畸变的3要素
在热处理生产现场，说工件发生了变形指的是工件的畸变量超过了技术指标规定的程度，也就是发生了超差畸变。产生热处理超差畸变的3要素为：足够大的应力，足够好的塑性以及足够长的作用时间。任何热处理超差变形都需要这三个要素，只是3者的大小关系是可以互补的。如果应力很大，材料的塑性好，作用时间虽短，也会引起大的畸变。比如红热工件在转移中受到冲撞引起的畸变。塑性好，作用时间很长，即便应力不大，也可能引起大的畸变。比如淬火加热时，工件堆放不当，叠压或者自重引起的应力虽然不大，但因加热时间长，也容易造成超差畸变。又如，在淬火冷却初期，因工件的塑性好，介质搅动过于强烈，液流冲击到细长工件，也会引起超差的弯曲变形。这些都是外力引起的变形。一般说，因外力引起的畸变问题，其解决办法相对比较简单。高温时，过冷奥氏体的塑性较好，而冷到能发生马氏体转变时，奥氏体的塑性就相当差了。同时，马氏体转变经历的时间也相当的短。虽然如此，马氏体转变前后的比容差引起的应力非常之大，仍有可能造成超差的畸变。这是内应力引起的畸变。
因内应力引起的畸变，情况要复杂得多。内应力的来源比较多，但通常可以归为热应力和组织转变应力两类。冷却过程中，组织转变应力又常常和热应力共同存在，相互叠加或对消。内应力都是在变化着大小和分布中起作用。加上工件的形状因素，它们的作用情况就更加复杂。其中，值得注意的有3点：①在液体介质中淬火冷却时，形状较复杂的工件不同部位表面温度差别会很大。冷得快的部分一旦冷到所用液体介质的特性温度以下，表面附近就立即从蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段。这部分表面获得的冷却速度会突然大增，与附近仍然处于蒸汽膜阶段部分的温度差异就会急剧增大。温差大，热应力也就大。如果该介质的特性温度偏低，冷得慢的部分将长期处于蒸汽膜阶段，使上述热应力长期起作用。在介质特性温度附近，过冷奥氏体的塑性一般较好。应力大，材料塑性好，加上作用时间长，就容易引起超差畸变。②冷却速度过快时，工件不同部位的温差较大，过冷奥氏体转变成马氏体时的体积膨胀，可能引起很大的内应力，使还未发生马氏体转变的过冷奥氏体产生一定量的塑性变形。③淬火冷却的速度不足时，在相当于端淬曲线上马氏体组织的百分比急剧变化的区域，不大的冷却速度差异，常常也引起较大的内应力，最终引起大的畸变，且淬火硬度不足。
材料的塑性与材料的温度密切相关。高温下，材料的塑性好，容易发生变形。此外，在材料发生相变过程中，因出现相变超塑性，使塑性变形更容易。因为装放不当，在淬火加热过程中由外力引起的热处理畸变，就有一部分是珠光体转变成奥氏体过程中增加的超塑性引起的。工件加热中由珠光体转变成奥氏体时有超塑性。过冷奥氏体发生马氏体转变时有超塑性。就连马氏体发生回火转变时也有超塑性。大薄片工件的淬火冷却畸变，用加压回火来加以校正，靠的主要是回火转变时的相变超塑性。这种办法只在第一次回火时有效，原因就在这里。
在热处理中，为了减小畸变量，凡需要比较长的时间才能完成的过程，比如，工件加热过程，应当设法把可能出现的内外应力减至最小。为了缩短热应力引起的畸变，使用液体冷却介质时，要设法缩短介质的蒸汽膜阶段，以便缩短工件冷却过程中不同部位的表面温度跨在介质特性温度上下的时间。
在制定工艺时，应同时从上述3要素上采取措施来减小热处理变形。其原则是：减小内外因素引起的应力，缩短应力的作用时间，尤其是在工件处于塑性好的时期。在分析已发生的热处理畸变时，注意应力大、塑性好和作用时间长等诸因素，会比较容易找到引起畸变的主要原因。
4 水的第二大缺点引起畸变的原因
在测量的冷却曲线上，从蒸汽膜阶段到沸腾阶段的过渡期，是冷却速度由慢到快的突变期。通常把这种突变对应的探棒温度，称为所测冷却介质的特性温度。如图1a所示。需要说明的是，我们见的冷却特性曲线，是用热电偶热端位于探棒的中心的仪器测量出来的。事实上，工件表面的温度一降低到介质的特性温度，表面附近的介质就立刻进入沸腾阶段。在液体介质的沸腾冷却阶段，工件的表面温度越高，沸腾就越激烈，表面获得的冷却速度就越快。图4a中进入沸腾阶段后的冷却速度是逐渐加大的，最高冷却速度出现在特性温度以下，这是热电偶热端位于探棒中心，加上探棒形状为圆柱形的缘故。如果均匀圆球在完全均匀条件下冷却，热电偶又位于其表面，则有另一种图形形式，如图4b所示。由蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段，表面冷却速度总是沸腾阶段的最高值，而不是通过一段时间才增加至最高值。在实际工件冷却中，不同部位按降温的快慢，先后进入沸腾阶段。同一工件的不同部位，有的在特性温度之上，有的已经冷到了特性温度之下，它们之间的冷却速度差异，往往会引起大的内应力。当从介质的特性温度以上冷却下来时，所有液体介质都存在这一缺点。我们把这个缺点简单称为液体介质的特性温度麻烦，或者特性温度问题。
与气体冷却介质相比，液体冷却介质的冷却速度的可调节范围不太宽，这使确定的任何一种液体介质都只能适用一定范围的工件。用于要求更高冷却速度的工件，将淬不硬，用于要求更低冷却速度的工件，又要淬裂。我们把这一特点称为液体冷却介质的第一缺点。在此又把上面讨论的，“可能在工件局部区域发生冷却速度突变，从而引起大的内应力”，也就是特性温度问题称为液体冷却介质的第二个缺点。相比之下，单纯的气体冷却介质，既可以改变流速来调节冷却速度，又可以利用气体的可压缩性实现不同气压的高压气淬，从而能在很宽的范围改变冷却速度。表2为不同介质的有关特性。由表2可见，改变流速可以在一定范围调节冷却速度，改变介质的压力，也能在一定程度内调节介质的冷却速度。液体介质具有流动性，因此可以在一定范围内调节其冷却速度。气体介质同时具有好的流动性和可压缩性，能在更宽的范围调节其冷却速度。加上没有特性温度麻烦，使气体没有上述液体介质的两个缺点。固体介质由于没有流动性，也没有可压缩性，作为淬火冷却介质的用途就很少。
表2 固、液、气介质的基本特性
Table 2 The basic properties of solid； liquid and gas quenchant 介质类型 固体 液体 气体 流动性 无 好 很好 可压缩性 无 无 很好 冷却速度的可调节范围 极小 不宽 宽 特性温度麻烦 无 有 无
本文开头提到的自来水的第二大缺点，实际上包含了液体介质的第二个缺点，以及自来水的特性温度对水温特别敏感两个特性。因为都是有关其特性温度的缺点，为简单起见，我们把它们统称为自来水的第二大缺点。自来水不仅有液体介质的第二缺点，而且因为水温升高，冷却的蒸汽膜阶段会迅速延长，使这种因素引起的内应力长期存在，为产生变形提供了塑性好，应力大和作用时间长的条件，因此不仅引起严重的硬度不均，更会加大工件的淬火畸变。说它是大缺点，“大”就大在自来水的冷却特性对水温特别敏感上。
5 克服第二类缺点的技术方法
综合上述讨论，推广开来，我们建议用以下七类办法，来克服液体介质的上述第二类缺点。
⑴ 在单一的冷却阶段内冷却。选用那些特性温度高于工件的淬火加热温度的介质，使整个冷却过程都在沸腾阶段进行。比如，通常使用硝盐浴冷却属于这类。或者完全在介质的特性温度以上冷却，使整个冷却过程都在蒸汽膜阶段进行。比如，在慢速的浆状介质中冷却高合金钢工件，属于此类。我们认为，这是上等的解决办法。
图5为160℃硝盐浴与40℃的快速淬火油今禹Y15…II的冷却速度曲线对比。由图5可见，今禹Y15…II是冷却速度很快的淬火油。而在整个冷却过程中，硝盐浴的冷却速度都比今禹15…II要快。按现在还流行的一种观点“在冷却速度快的介质中淬火，工件的淬火畸变会更大”，油中的淬火畸变应当更小。但生产证明，硝盐浴中淬火变形更小。有人用200℃的硝盐浴与100℃热油作了畸变大小试验对比，结果见图6＇2＇。油中淬火的工件，变形更大而且更分散。究其原因，是硝盐浴的特性温度高于工件的入液温度，从而实现了在单一的冷却阶段（沸腾冷却阶段）冷却的缘故。图7是高合金钢的剔齿刀的分级盐浴冷却工艺。图8为高合金钢的3次分级冷却工艺曲线与只有蒸汽膜阶段的慢速浆状介质的冷却过程曲线＇3＇的对比。与浆状介质相比，在分级冷却过程中，每次放入盐浴时，都会因冷却速度快而引起较大的内应力。可以推知，代之以慢速浆状介质冷却，将会进一步减小工件的淬火畸变。
⑵ 选用蒸汽膜阶段长短对液温变化不敏感的介质，比如各种淬火油。采用油淬火时，工件堆放得稍微密集一点，使不同部位的工件接触的油有一定的温度差异时，各部位接触的油的特性温度基本上没有差别，如图1b所示。这就可以减小不同部位的冷却差异，从而减小工件的淬火畸变。
⑶ 加入能减小介质液温敏感性的添加剂，如自来水中溶入一定量的无机盐或碱。
⑷ 选用蒸汽膜阶段短的介质。形状复杂的工件，尤其是带较深内孔的工件，为减小淬火畸变，选用淬火油时，必须考虑到这一点。
⑸ 降低水性介质的使用温度，来提高水的特性温度，并降低水的最高温升程度。如果能将水的特性温度提高到工件的加热温度以上，还可以免除特性温度麻烦。
⑹ 降低工件的加热（或入液）温度，以缩短工件处于蒸汽膜阶段的时间。
⑺ 通过增大工件之间的距离和加大介质的搅拌烈度等措施，减小工件周围的液温升高程度，以减小上述内应力。
一般说，选取几种以上办法，同时用上去，可以取得更好的效果。工厂现场要根据实际情况，避免某些有利于变形的因素相互叠加。比如，在油中做淬火冷却时，入油之初，工件温度高，塑性好，如果在油的特性温度问题引起的内应力的基础之上，加上强烈搅动引起的外来应力，就有可能在工件某些部位叠加成很大的应力，引起超差的塑性变形。东北某工厂遇到这样的麻烦时，有人出了一个好主意：在工件入油之初不搅拌，经过1min…2min再开始搅拌，畸变问题马上就解决了。究其道理，一是前期的冷却使过冷奥氏体抵抗塑性能力提高，二是可能避开特性温度麻烦引起的内应力与搅拌引起的同方向应力的叠加。按照这种思路，在某些场合，当不能完全避开特性温度麻烦时，单纯追求缩短油的蒸汽膜阶段，就不如保留适当长度的蒸汽膜阶段，等钢材抵抗塑性变形的能力有所提高后，再遭遇特性温度麻烦，更能减小工件的淬火畸变。又比如，降低水溶液的使用温度，可以提高水的特性温度，直至特性温度高于工件的入水温度。在水中溶解一定量的无机盐，可以降低水的凝固点，从而把水的使用温度降低到零下一、二十度，甚至更低的程度。此时，需要注意防止水溶液的低温冷却速度过高，以免引起工件淬裂。
九、退火介绍
（1）钢的退火与正火
1、退火：
退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺，主要用于改善材料的切削加工性能。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，也可以做为最终热处理。
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，在随后的缓冷过程中，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。
2、正火：
将亚共析碳钢加热到Ac3以上30～50℃，过共析碳钢加热到Accm以上30～50℃，保温，空气中冷却的方法称为正火。适用于碳素钢及中、低合金钢，因为高合金钢的奥氏体非常稳定，即使在空气中冷却也会获得马氏体组织。对于低碳钢、低碳低合金钢，细化晶粒，提高硬度（140～190HBS），改善切削加工性能；对于过共析钢，消除二次网状渗碳体，有利于球化退火的进行。
（2）残留应力退火
一般机械製品於加工面总是免不了会有残留应力的存在，若製品未经适当应力退火处理，在不当的暴露於热源〈例如阳光、热引擎等〉下，会產生变形的现象，另外由残餘应力经常识高度集中在某一局部区域，例如表面，焊接区等，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，然后至於此温度一段时间，在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个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。此点对复杂形状之製品尤其严重。
由於一应力退火乃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。因此材料支应力退火温度随著材料之高温潜变能力不同而有所变化。一般对耐潜变之材料。例如�
