钢之回火处理淬火处理.doc

钢之回火处理 所谓回火处理是指将经过淬火硬化或正常化处理之钢材在浸置於一低於临界温度一段时间后，以一定的速率冷却下来，以增加材料之韧性的一种处理。从冶金原理，我们知道将经过淬火及正常化处理在放回中温浸置(时效)一段时间，可促使一部分之碳化物析出，同时有可消除一部分因急速冷却所造成之残留应力，因此可提高材料之韧性与柔性。显然回火处理之效果决定於回火温度、时间即在冷却速率等因素。随著回火温度的提高材料之强度与硬度跟著降低，然而材料之延展性却跟著提高。材料之耐衝性在300回火附近会有一显著降低现象，此现象称之為回火脆性。由於碳原子或合金元素之析出与时间有正比的关係，随著回火时间的延长，材料之硬度会随著降低。由於回火的温度是低於相变化之临界点，材料之强度不会与冷却速率有关。然而由於回火脆化的原因，若材料在经过375575间之冷却速率太慢，容易有脆化的现象。这一点是在做回火处理时必须注意的。一般填加合金元素於钢中，主要之目的是增加钢之硬化能力，亦即增大形成麻田散铁之能力。由於合金元素(原子)之扩散能力较差，因此填加合金元素也就减慢了回火软化速率。由於合金元素一般可分成两种功用。第一种功用為非碳化物形成用，此类合金元素以镍、硅及锰等。由於此类元素与碳化物之形成无关，因此对回火软化无关。此类元素所造成之硬化效果，主要是靠固溶体硬化机构所达成的。另一类合金元素，例如铬、鉬、钨、钒等，由於其為碳化物形成之一份子，因此他们的扩散速率也就影响了回火软化的速率。前面提到过一般碳钢及低合金钢若从高温回火缓慢冷却下来经过375575温度区，会造成脆化的现象。另外我们也提到过若在300附近回火，亦有脆化的现象，这是由於不利之板状碳化物析出所造成的。 钢的回火将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却称为回火。其目的是消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，以取得预期的力学性能。回火分高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火、正火配合使用。调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。时效处理：为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250）精加工前，把工件重新加热到100-150，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。 钢回火的目的1 降低脆性，消除或减少内应力，钢件淬火后存在很大内应力和脆性，如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。2 获得工件所要求的机械性能，工件经淬火后硬度高而脆性大，为了满足各种工件的不同性能的要求，可以通过适当回火的配合来调整硬度，减小脆性，得到所需要的韧性，塑性。 3 稳定工件尺寸 4 对于退火难以软化的某些合金钢，在淬火（或正火）后常采用高温回火，使钢中碳化物适当聚集，将硬度降低，以利切削加工。 回火的种类及应用根据工件性能要求的不同，按其回火温度的不同，可将回火分为以下几种：（一）低温回火（150250度） 低温回火所得组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火内应力和脆性，以免使用时崩裂或过早损坏。它主要用于各种高碳的切削刃具，量具，冷冲模具，滚动轴承以及渗碳件等，回火后硬度一般为HRC5864。（二）中温回火（350500度） 中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度，弹性极限和较高的韧性。因此，它主要用于各种弹簧和热作模具的处理，回火后硬度一般为HRC3550。（三）高温回火（500650度） 高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理，其目的是获得强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。因此，广泛用于汽车，拖拉机，机床等的重要结构零件，如连杆，螺栓，齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200330。 回火脆性淬火钢回火时,随着回火温度的升高,通常其强度,硬度降低，而塑性，韧性提高。但在某些温度范围内回火时，钢的冲击韧性不仅没有提高，反而显著降低，这种脆化现象称为回火脆性。 因此，一般不在 250350度进行回火，这就是因为淬火钢在这个温度范围内回火时要发生回火脆性。这种回火脆性称为低温回火脆性或第一类回火脆性。 产生低温回火脆性的原因，目前还不十分清楚。一般认为是由于碳化物以断续的薄片状沿马氏体片或马氏体条的界面析出所造成的。这种硬而脆的薄片碳化物与马氏体间的结合较弱，降低了马氏体晶界处的强度，因而使冲击韧性反而下降。 回火脆性处理回火处理要避开几个会產生回火脆性的温度范围，这些脆化温度范围视钢材种类而有所不同，包括：（1）270至350脆化（又称低温回火脆性或A脆性），大多数的碳钢及低合金钢，都在此温度范围内发生脆化现象；（2）400至550脆化，通常构造用合金钢在此温度范围内会產生脆化现象；（3）475脆化（特别指Cr含量超过13%的肥粒体系不銹钢）；（4）500至570脆化，针对工具钢或高速钢在此温度范围加热，会析出分佈均匀的碳化物，產生二次硬化效果，但也易导致脆性。 回火常见问题与解决技巧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：（1）100的回火可以减少磨裂的发生；（2）100回火可使工件硬度稍增，改善耐磨性；（3）100的热水回火可降低急速加热所產生裂痕的机会；（4）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；（5）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500600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（500600）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。 回火脆性的种类 （1）270350化：又称為低温回火淬性，大多发生在碳钢及低合金钢。 （2）400550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）500570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。淬火处理淬火处理的主要目的是将钢材急速冷却以便获得硬度极大的麻田散体组织。钢的淬火处理有三个要件，缺一不可，分别是：（1）在沃斯田体区域内加热一段时间（即沃斯田体化）；（2）冷却时要能避开Ar（波来体）变态；及（3）使钢材產生麻田散体或变韧体而硬化。淬火处理可分為两个程序来实施，一是加热；一是冷却。通常加热温度又称為淬火温度或沃斯田体化温度，依热处理钢材的不同而有所差异。亚共析钢的淬火温度在Ac3温度以上30至60范围内，共析钢及过共析钢的淬火温度则是加热至Ac1温度以上30至60温度范围内。冷却时要分两个阶段来冷却，钢从加热炉取出的钢件，一直冷却到Ar变态前的临界区域，要尽量迅速冷却；在Ar以下的温度区域则需採缓慢冷却的方式，否则易造成钢材的淬裂或淬火变形，此温度区域又称為危险区域。 钢的淬火 淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，但要减少其塑性。淬火中常用的淬火剂有：水、油、碱水和盐类溶液等。 表面淬火将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而心部没有发生相变，这就实现了表面淬硬而心部不变的目的。适用于中碳钢。 钢之淬火处理此处理，主要是指将钢材从高温奥斯田铁区急速冷却下来已获得某一特定低温组织，例如麻田散铁、变韧铁等。一般多利用水、油或低温盐浴来做此冷却，但有时亦可利用风扇加速空气冷却来达到相同目的。从铁碳相平衡图，我们知道一般碳钢经过正常化或退火处理，其低温组织為肥粒铁及Fe C碳化物共存组织。然而此类相变化為一原子扩散控制机构diffysion-control mechanism，其形成与冷却时间有很大的关係。若冷却时间很短之过饱和碳原子没有足够的时间扩散来西出碳化物，有两种介稳状态metasable state的组织可能產生。例如若急速冷却至低温状态，则為一越过饱和碳原子之变形体心结构组织，又称之為麻田散铁组织。由於此二结构具有非常特殊之机械性质前者强度高具韧性，后者强度及硬度最高，因此有甚高之利用价值。由於麻田散铁或变韧铁组织与其中之过饱和碳含量很有关係，而探量有与碳化物之析出速率有关，因此对不同碳含量之钢材，必须採用不同之冷却速率已获的上述之二种组织。同样对合金钢，不同的合金元素与含量议会影响所需之冷却速率。一般而言，填加合金元素，例如铬、锰、鉬、镍等，会延迟波来铁之形成，因此我们可以利用较慢之冷却速率来或的高硬度之麻田散铁组织。换言之，亦即此类钢材较易硬化，固有较佳之硬化能力。最佳之淬火条件為在高温时能很快地冷却下来，避开波来铁之形成，亦即避开鼻状TTT曲线温度时间相变化曲线之鼻端，然后再中温时慢慢冷却下来。如此一方面可获得硬化效果，又可降低热应力所造成之不力结果。对纯水或盐水，前者任务可以达到，可是后者却无法达到，因此对形复杂之成品便不适用。而油淬火，虽然高温之冷却速率较水或盐水為慢，然而其中温冷却速率也较慢，因此成品之散热比较均匀，热应力问题也较少。 铸铁之淬火与回火所谓淬火是将材料自沃斯田铁区域之温度非常快的速率将温度降低以防止波来铁或肥粒铁的形成，自沃斯田铁区冷却到Ms温度由於时间太短碳元素不会发生扩散，基地直接变态為麻田散铁，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。而有所谓的恆温脆火或热溶淬火，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，但具有更高的降伏强度，结果获得较大延性，特别是的得到较高韧性，因為经淬火、回火后，基地上含有较高碳，同时在这种情况下要比含有波来铁组织时容易进行表面硬化处理。若在空气中冷却，非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，為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，同时由於时间的差异，随著麻田散铁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50100之间，藉此可以避免应力的形成，对於肉厚差甚大的铸件而言，特别要小心地将肉厚的部分，首先伸向淬火液，如此可减少肉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820920之间，一般工厂最常使用的温度是在850900之间。当淬火温度太低时，会造成含碳量较低之沃斯田铁，经过淬火后较软，同时所形成麻田散铁的强度亦较低，相反如果淬火温度太高，沃斯田铁内含碳量过高，淬火时发生热裂的危险性增高，形成残留沃斯田铁的机会亦变大。淬火后之铸铁实际上脆性甚高，同时含过高之内应力，為了改进其延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 K/小时，回火温地应在450600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，但可提高延性，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，為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。 淬火常见问题与解决技巧Ms点随C%的增加而降低 淬火时，过冷沃斯田体开始变态為麻田散体的温度称之為Ms点，变态完成之温度称之為Mf点。%C含量愈高，Ms点温度愈降低。0.4%C碳钢的Ms温度约為350左右，而0.8%C碳钢就降低至约200左右。 淬火液可添加适当的添加剂 （1）水中加入食盐可使冷却速率加倍：盐水淬火之冷却速率快，且不会有淬裂及淬火不均匀之现象，可称是最理想之淬硬用冷却剂。食盐的添加比例以重量百分比10%為宜。 （2）水中有杂质比纯水更适合当淬火液：水中加入固体微粒，有助於工件表面之洗净作用，破坏蒸气膜作用，使得冷却速度增加，可防止淬火斑点的发生。因此淬火处理，不用纯水而用混合水之淬火技术是很重要的观念。 （3）聚合物可与水调配成水溶性淬火液：聚合物淬火液可依加水程度调配出由水到油之冷却速率之淬火液，甚為方便，且又无火灾、污染及其他公害之虞，颇具前瞻性。 （4）乾冰加乙醇可用於深冷处理容液：将乾冰加入乙醇中可產生-76之均匀温度，是很实用的低温冷却液。 硬度与淬火速度之关联性 只要改变钢材淬火冷却速率，就会获得不同的硬度值，主要原因是钢材内部生成的组织不同。当冷却速度较慢时而经过钢材的Ps曲线，此时沃斯田体变态温度较高，沃斯田体会生成波来体，变态开始点為Ps点，变态终结点為Pf点，波来体的硬度较小。若冷却速度加快，冷却曲线不会切过Ps曲线时，则沃斯田体会变态成硬度较高的麻田散体。麻田散体的硬度与固溶的碳含量有关，因此麻田散体的硬度会随著%C含量之增加而变大，但超过0.77%C后，麻田散体内的碳固溶量已无明显增加，其硬度变化亦趋於缓和。 淬火与回火冷却方法之区别 淬火常见的冷却方式有三种，分别是：（1）连续冷却；（2）恆温冷却及（3）阶段冷却。為求淬火过程降低淬裂的发生，临界区域温度以上，可使用高於临界冷却速率的急速冷却為宜；进入危险区域时，使用缓慢冷却是极為重要的关键技术。因此，此类冷却方式施行时，使用阶段冷却或恆温冷却（麻回火）是最适宜的。 回火处理常见的冷却方式包括急冷和徐冷两种冷却方法，其中合金钢一般使用急冷；工具钢则以徐冷方式為宜。工具钢自回火温度急冷时，因残留沃斯田体变态的缘故而易產生裂痕，称之為回火裂痕；相同的，合金钢若採用徐冷的冷却方式，易导致回火脆性。 淬火后，残留沃斯田体的所扮演的角色 淬火后的工件内常存在麻田散体与残留沃斯田体，在常温放置一段长久时间易引起裂痕的发生，此乃因残留沃斯田体產生变态、引起膨胀所导致，此现象尤其再冬天寒冷的气候下最容易產生。此外，残留沃斯田体另一个大缺点為硬度太低，使得工具的切削性劣化。可使用深冷处理促使麻田散体变态生成，让残留沃斯田体即使进一步冷却也无法再產生变态；或以外力加工的方式，使不安定的残留沃斯田体变态成麻田散体，降低残留沃斯田体对钢材特性之影响。 淬火处理后硬度不足的原因 淬火的目的在使钢材表面获得满意的硬度，若硬度值不理想，则可能是下列因素所造成：（1）淬火温度或沃斯田体化温度不够；（2）可能是冷却速率不足所致；（3）工件表面若热处理前就发生脱碳现象，则工件表面硬化的效果就会大打折扣；（4）工件表面有銹皮或黑皮时，该处的硬度