退火、正火、淬火、回火工艺-第5章
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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，淬火时铸件内部会形成温度梯度，同时由于时间的差异，随著马氏体的形成所引起的体积变化率亦不相同，同时铸件内部的内应力随之增加，很容易形成热裂或者在铸件内形成很高的内应力，在这种情形下，应将油浴的温度提高至50~100℃之间，藉此可以避免应力的形成，对於壁厚差较大的铸件而言，特别要小心地将较厚的部分，首先伸向淬火液，如此可减少较薄部分所受的热应力，同时油液内的油，必须加以搅拌，或令其流动，或将铸件在淬火液内不停的晃动。
铸铁的淬火温度应在820~920℃之间，一般工厂最常使用的温度是在850~900℃之间。当淬火温度太低时，会造成含碳量较低之奥氏体，经过淬火后较软，同时所形成马氏体的强度亦较低，相反如果淬火温度太高，奥氏体内含碳量过高，淬火时发生热裂的危险性增高，形成残留奥氏体的机会亦变大。
淬火后之铸铁实际上脆性甚高，同时含过高之内应力，為了改进其硬性及韧性必须在经过回火处理，其处理程序与钢相似，加热速率应低於100℃/小时，回火温地应在450~600℃之间，回火时间大约是4小时，回火时间太长或温度过高，会是强度及硬度下降很多，但可提高弹性，在较低之温度经较长的时间进行回火，可造成相当均匀之回火效果，同时整个铸件之特性分布亦甚均匀，为了防止内应力的再发生，尤其对於复杂的铸件，回火后应缓慢冷却至200℃以下。
十一、热处理资料
（1） 钢的热处理
钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、保温和冷却，以获得所需组织结构与性能的一种工艺。
热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织，而不改变其形状和尺寸。
能进行热处理强化的材料必须满足：⑴有固态相变；⑵经冷加工使组织结构处于热力学不稳定状态；⑶表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分
钢在加热时的组织转变
钢能进行热处理强化，是由于钢在固态下具有相变，在固态下不发生相变的纯金属或合金则不能用热处理方法强化。
在Ｆe…Fｅ3C相图中，A1、A3和Acm是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的相变温度，是平衡临界点。在实际生产中，加热和冷却不可能极缓慢，因此不可能在平衡临界点进行组织转变。由图１…48所示，实际加热时各临界点的位置分别为图中的Ac1、Ac3 、Accm线，而实际冷却时各临界点的位置分别为Ar1、Ar2和Arcm。
（2） 真空热处理
1、真空热处理的优越性 真空热处理是和可控气氛并驾齐驱的应用面很广的无氧化热处理技术，也是当前热处理生产技术先进程度的主要标志之一。真空热处理不仅可实现钢件的无氧化、无脱碳，而且还可以实现生产的无污染和工件的少畸变，因而它还属于清洁和精密生产技术范畴。目前它已成为工模具生产中不可替代的先进技术。
2、真空热处理工艺 工件畸变小是真空热处理的一个非常重要的优点。据国内外经验，工件真空热处理的畸变量仅为盐浴加热淬火的三分之一。研究各种材料、不同复杂程度零件的真空加热方式和各种冷却条件下的畸变规律，并用计算机加以模拟，对于推广真空热处理技术具有重要意义。真空加热、常压或高压气冷淬火时气流均匀性对零件淬硬效果和质量分散度有很大影响。采用计算机模拟手段研究炉中气流循环规律，对于改进炉子结构变具有重要意义。真空渗碳是实现高温渗碳的最可能的方式。但在高温下长时间加热会使大多数钢种的奥氏体晶粒度长得很大，对于具体钢材高温渗碳，重新加热淬火对材料和工件性能的影响规律加以研究，对优化真空渗碳、冷却、加热淬火工艺和设备是很有必要的。近几年，国际上有研究开发使用气体燃料的燃烧式真空炉的动向。在真空炉中采用气体燃料加热的困难太多，虽然有节约能源的说法，但不一定是一个重要的发展方向。
（3）化学热处理
化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温，使介质中一种或几种元素（如Ｃ、Ｎ、Ｓi、Ｂ、Ａl、Ｃr、Ｗ等）渗入工件表面，以改变表层的化学成分和组织，达到工件使用性能要求的热处理工艺。其特点是既改变工件表面层的组织，又改变化学成分。它可比表面淬火获得更高的硬度、耐磨性和疲劳强度，并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗氧化性。
各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。
1）分解 由介质中分解出渗入元素的活性原子。
2）吸收 工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种，即活性原子由钢的表面进入铁的晶格形成溶体，或与钢中的某种元素形成化合物。
3）扩散 已被工件表面吸收的原子，在一定温度下，由表面往里迁移，形成一定厚度的扩散层。
1、渗碳：
渗层组织：淬火后为碳化物、马氏体、残余奥氏体。渗层厚度（mm），0。3～1。6，表面硬度，57～63HRC，作用与特点，提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度，渗碳温度（930℃）较高，工件畸变较大；应用，常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、销、链条。
渗碳件渗碳后，都要进行淬火、低温回火，回火温度一般为150～200℃。
经淬火和低温回火后，渗碳件表面为细小片状回火马氏体及少量渗碳体，硬度可达58～64HRC，耐磨性能很好。心部组织决定于钢的淬透性。普通低碳钢如15、20钢，心部组织为铁素体和珠光体，硬度为10～15HRC。低碳合金钢如20CrMnTi心部组织为回火低碳马氏体、铁素体及托氏体，硬度为35～45HRC，具有较高的强度、韧性及一定的塑性。
2。液体氮化 也称软氮化，低温氰化，或者氮碳共渗，在渗氮过程中，碳原子也参与，因而比一般的单一气体渗氮具有更高的渗速，在渗层表面硬度相当的情况下，氮化层的脆性也比气体氮化小，软氮化因此得名。 氮化主要是往炉中加入纯氨，在200℃以上氨分解为活性氮原子，在500～580℃时，活性氮原子往钢件表面渗氮和扩散，得到0。3～0。5mm厚的高硬度、耐腐蚀、抗疲劳的氮化层。
把含碳物质和氨同时通入炉内就是碳氮共渗，又叫氰化。它兼有渗碳和氮化的性能，氰化温度低于渗碳，使工件变形小，而氰化速度比渗碳和氮化快，生产周期短。老的液体氮化法主要原料是氰化钠，所以也有叫低温氰化的，硬化层中的氮比碳的浓度高，因而氮碳共渗的称法又被广泛采用在氮化的过程中，当活性较大时，表面生成很薄的化合物层（10～30μm的ε相），随后便是γ‘和扩散层。当活性较小时，表面化合物相可以不出现，从而获得得以弥散硬化为主的组织
3。离子氮化 是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法。在低压的氮气或氨气等气氛中，炉体和被处理工件之间加以直流电�
