1.3 最终热处理的特点
1.3.1 钢的淬火和回火的特点
1.3.1.1 钢的淬火
钢的淬火是指将钢加热到临界点Ac3或Ac1以上某一温度，经保温后急速冷却，以获得马氏体组织的工艺方法，淬火后的组织主要为马氏体，还有少量残余奥氏体。此时钢的硬度很高而塑性很低，需经回火后才能使用。加热温度是根据钢的化学成分来确定，一般亚共析钢的加热温度为Ac3+（30～70）℃，共析钢和过共析钢为Ac1+（30～70）℃。
（1）淬火目的
①提高零件的力学性能，如强韧性、耐磨性和弹性等，又如提高工具和轴承的硬度和耐磨性，弹簧钢板获得优良的弹性，轴类零件提高其综合力学性能等。
②改变钢的物理、化学性能，增加磁钢的永磁性，提高不锈钢的耐腐蚀性等。
（2）钢的淬火温度的选择
具体钢铁零件淬火温度的确定，除了考虑该钢的化学成分外，还要分析以下几个因素：①零件的尺寸和形状；②硬度、变形量的具体要求；③奥氏体晶粒长大的倾向；④采用的加热介质和淬火方式；⑤冷却介质的选择等。
（3）常用的加热设备和加热介质
零件的热处理离不开提供热源的热处理炉，一般分为井式电阻炉、箱式电阻炉、燃气炉、盐浴炉、流动粒子炉、可控气氛炉、真空炉等，其加热的传递方式为传导、对流和辐射。各种加热设备的介质为空气、燃料气、熔盐、流动粒子、保护气氛、真空等。
任何零件经热处理后，应符合零件变形小、表面基本无氧化脱碳的要求，其中熔盐是把中性盐如BaCl2、KCl、NaCl等单独或按一定比例混合熔化，依靠熔盐的温度来将零件加热到淬火温度，其特点为零件在盐浴中加热，不与空气接触，故减少了氧化脱碳的概率，由于氯化盐中含有结晶水和某些杂质，在高温下生成氧化物，因此盐浴要定期加入盐浴校正剂。常见盐浴加热的介质及使用范围见表1-5。
表1-5 常见盐浴加热的介质及使用范围
一般电阻炉的加热介质为空气，为防止氧化脱碳，采用木炭保护或涂料保护；燃气炉加热介质为煤气、天然气等，其主要成分为CO、CH4，燃烧的产物为CO2、O2。因此应控制燃料气与空气的比例，减少氧化脱碳现象的发生。
保护气氛是加热时通入的特定成分的气体，使炉内形成还原性气氛，保护零件表面无氧化脱碳，在生产中通过调整CO2/CO或H2O/H2的比值实现无氧化脱碳加热。目前的网带炉大多采取将甲醇、丙酮、煤油、苯等碳氢化合物滴入炉内，保护零件的表面。也有的采用向炉内通入高纯氮气的方法，均取得了令人满意的效果。
真空炉的出现从根本上解决了困扰零件表面氧化的难题，密封的真空室内的气体被机械泵和增压泵抽出，炉内压力低于大气压（称为负压），此时内部残余水分和氧气对零件不足以产生氧化脱碳，因此对于要求表面状态光亮、无氧化的重要和关键零件，建议首选真空炉处理。
（4）钢的淬火方法和冷却介质
根据零件的化学成分、形状、尺寸及要求的力学性能不同，可采用不同的淬火方法，每种钢有其固定的C曲线，冷却介质决定了淬火后的金相组织和力学性能。因此在获得马氏体的条件下，应使冷却速度尽可能低，理想的冷却曲线见图1-9。
图1-9 钢在理想淬火介质中的冷却速度示意图
选择合适的淬火介质显得尤为重要，它决定了零件淬火后的组织和性能。冷却能力是指淬火介质与零件表面热量的交换能力，其大小同介质的组成及物理和化学性能有关。
每一种钢都有其C曲线，为了控制非马氏体转变的产生，需要冷却介质在C曲线的“鼻子尖”附近（550～650℃）快冷，即过冷奥氏体在此区域分解最快，此处应具有最强的冷却能力，而在Ms点附近冷却性能尽量缓慢，以免产生过大的组织应力，防止出现工件的淬火变形和开裂。淬火临界区和危险区见图1-10。
图1-10 淬火临界区和危险区
从图1-10可知，有两个需控制的温度区域，一个是快冷后得到马氏体的临界区域，另一个为产生淬火裂纹危险的低温区。在Ms点以下A转变为M，比体积变大、体积膨胀，该过程中组织应力及宏观的热应力共同作用，使工件产生了变形，个别甚至开裂而成为废品。
①常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等，常见淬火介质的冷却能力见表1-6。
表1-6 常见淬火介质的冷却能力
②水及其溶液、油等冷却介质的性能和特点。
a.水。在零件的热处理过程中，水作为一种常用的淬火介质具有安全环保、无污染，成本低廉、更换方便、易于获得以及物理和化学性能稳定等优点。水存在以下不足：马氏体转变区（低温区即300℃左右）冷却速度太快，极易造成零件的变形和开裂；水温升高后，则冷却能力逐渐降低；水中有杂质、油等则明显影响冷却性能，由于碳钢的淬透性差，故常用作碳钢的淬火介质，对于既要求有高的硬度，又确保零件不开裂的碳钢或低合金结构钢，应采用水淬油冷的工艺方法。
b.盐水。将一定量的氯化钠溶解于水中，即配制成了盐水溶液。热处理生产过程中盐水浓度为5％～15％，在650～550℃具有最大的冷却速度，而在低温区相当于自来水的冷速。但盐水在200～300℃之间的冷却速度仍然太大，会产生较大的相变应力，造成零件的变形。根据零件要求的硬度，一般盐水的温度通常控制在20～40℃范围内，当超过60℃时，冷却能力急剧下降，无法实现零件的冷却。
c.碱水溶液。5％～15％的苛性钠用于对淬透性低的碳钢和易变形及开裂工件的淬火。其特点为：在低温区域与盐水冷却速度相当，氧化皮易于脱落，工件表面清洁。其不足为：若使用温度提高，其冷却能力降低。通常推荐的工作温度为20～60℃，多用于淬透性较差的碳素钢，一般经处理后，工件的变形小，开裂倾向低。
d.油。油是十分重要的热处理冷却介质，为满足零件热处理工艺的要求，常选用矿物油作淬火介质，但其必须具有下列特点：闪点和燃点高，安全可靠；黏度较低，可减少热损失；性能稳定，不易老化；在珠光体或贝氏体的转变区有足够的冷却速度。
在实际过程中，为了改善油的冷却性能，通常采用对淬火介质在工作时搅拌或加入部分添加剂的方法，添加物粘在工件的表面，成为蒸汽泡的质点，改变了膜破裂的温度，提高了冷却能力，使油在较高的温度区仍有高的冷却性能。下面介绍零件在热处理过程中常用冷却用油。
·机械油。机械油流动快，传热效果好，随着温度的提高则冷却能力增强，但当油温超过80℃后，冷却能力将明显下降，因此，应在热处理过程中严格控制淬火后的油温。
·普通淬火油。为了克服机械油冷却能力低、易氧化和老化的缺点，将石蜡基润滑油馏分精制后，加入催冷剂、抗氧化剂和表面活性剂等配成的淬火油，用作轴承钢和工模具钢、要求冷却速度的大型调质件和渗碳件的淬火介质。
·光亮淬火油。工件在油中淬火后表面发黑，为了保证可控气氛加热后的工件无氧化脱碳，真正实现光亮淬火，采用净化处理方法，加入去掉灰分的物质、抗氧化剂和光亮剂，多用于中小截面的轴承钢、工模具钢及工具钢的淬火介质。
·真空淬火油。为保持真空处理后工件的光亮，所用的淬火油应在1×104～5×104Pa真空度下正常工作，无蒸发现象，因此其必须具有如下特性：饱和蒸汽压低；无污染；冷却能力强；工件光亮、热稳定性好；使用寿命长。采用该介质可使淬火后的零件表面光亮、变形小、硬度均匀、耐磨性好，因此用于要求变形小的轴承、工模具及结构钢等零件的淬火，缺点为成本高，目前国产真空油有ZZ-1、ZZ-2等几种型号。
·等温、分级淬火油。在较高的状态下使用此类淬火油，其工作温度在100～250℃，具有闪点高、挥发性小、安全可靠等特点。在高温下具有强的冷却性能，而在低温下具有缓慢的冷却效果。在60℃以上有很好的流动性。通常等温和分级淬火使用硝盐和碱浴，存在清洗困难、污染环境等缺陷。
③盐浴和碱浴、硝盐浴等冷却介质的特点及应用。
为了保证钢中的奥氏体淬火后转变为马氏体，碳钢的淬透性差，常采用水或水溶液作为冷却介质，而合金钢使用油，为减少变形和开裂倾向，碱浴和硝盐浴多用于碳钢及低合金钢的分级及等温淬火；氯化盐则适合于高速钢等材料的分级淬火。
a.盐浴、等温分级淬火硝盐浴。氯化盐低温盐浴用于高速工具钢的分级冷却，其成分多为氯化钡、氯化钠和氯化钾等混合物。硝酸盐（NaNO3和KNO3）和亚硝酸盐（NaNO2和KNO2）以不同比例混合，可得到不同熔点和不同冷却能力的硝盐浴，用于合金工具钢和模具钢的淬火，具有工件变形小、硬度高、不易开裂的特点。表1-7为低温氯化盐浴淬火介质的成分及使用温度，表1-8为硝酸盐浴的组成及工作温度。
表1-7 低温氯化盐淬火介质的成分和使用温度
表1-8 硝酸盐浴的组成及工作温度
b.碱浴。其具有较大的冷却能力，淬火后的工件表面呈银灰色，洁净，如加入水则可显著降低其熔点，提高了冷却速度。该碱浴的缺点为有较强的腐蚀性，对皮肤有损坏，因而现场要加通风装置，赤热的工件浸入后，碱液会剧烈沸腾、飞溅，主要用于碳钢的淬火。表1-9为常见的几种碱浴配方与特性。
表1-9 常见碱浴的配方与特性
c.盐与碱、硝盐的混合液。其用于工件的淬火发蓝处理，处理后具有变形小、光洁度好和一定的抗锈蚀能力。多用于形状复杂、要求变形小的碳素工具钢、渗碳钢、工具钢和合金钢等淬火。对于该类介质，如果对溶液加以循环，具有提高冷却能力的作用，产品质量得到保障。同时流动性好，使用温度范围宽，高温下冷却速度快，用作分级、等温淬火，低温下冷却缓慢，要求变形小、形状复杂的工模、模具钢的淬火介质。盐浴中盐和碱的含量比例可适当调整，亚硝酸钠对氧化膜的生成和外观质量影响较大，如含量高则氧化膜薄、抗锈蚀能力减弱；含量降低则因氧化膜增厚、氧化层疏松而易剥落。表1-10为实际生产中几种常见碱浴和硝盐浴配比及特点。
表1-10 常见碱浴和硝盐浴配比及特点
④常用的淬火方法。
为了使零件得到要求的硬度和性能，满足实际需要，工件加热后要选择合适的淬火方法，即实现零件的淬火硬化而又不开裂，将零件以大于其临界冷却速度在临界区急冷，同时又在危险区（低温区域）应慢冷，这种先快后慢的冷却方法可确保工件的技术要求和零件变形小、无开裂现象。在淬火过程中，为了减少零件的变形和避免开裂，要正确进行加热温度、保温时间、淬火方法和淬火介质的选择，同时应充分考虑到零件的化学成分、结构尺寸和形状、具体的技术要求等，另外，零件浸入淬火介质的方法也显得尤为重要，常见工件的淬火方式见图1-11，一般常用的淬火方法的冷却曲线见图1-12。
图1-11 常见工件淬火方式示意图
图1-12 各种淬火方法的冷却曲线
a—单液淬火；b—双液淬火；c—分级淬火；d—等温淬火
a.单液淬火法。也称为普通淬火法，是指将钢加热到淬火温度，保温后在单一淬火介质中一直冷却到室温的热处理方法，见图1-12中曲线a，淬火介质一般为水或水溶液、油、空气等。其优点是操作简单，适用于形状不复杂、无尖锐棱角、截面无突变的简单形状工件。该工艺既适于用淬透性差的低碳钢、中碳钢等零件的淬火，也可用于淬透性好的合金钢和高合金钢等零件的热处理。
b.双液淬火法。又称断续淬火法，指将钢加热到奥氏体状态后首先淬入冷却能力较强的介质中，快速冷却到Ms以上温度（300℃左右），使其不发生组织转变，然后转入冷却能力较弱的淬火介质中继续冷却，使过冷奥氏体在缓慢冷却速度下转变为马氏体，见图1-12中曲线b。即将加热后的零件在两种介质中进行冷却处理，以获得需要的组织和性能。通常双液介质有水-油、水-空气、油-空气、油-盐浴、盐浴-空气等，该类淬火工艺可明显减少零件的变形和开裂。如在水淬油冷的过程中，一定要控制好零件在水中的冷却时间，它对零件的淬火质量至关重要，尤其适用于高碳工具钢、大型低合金钢等零件的淬火处理。
c.分级淬火法。也称分段淬火法，是指将加热到奥氏体的零件淬入稍高或稍低于Ms点的熔盐浴槽内，使工件快速冷却到Ms点左右冷却，停留一段时间，使零件的表面和心部达到介质的温度，但不发生相变，随后取出，在空气中或油中缓慢冷却，使过冷奥氏体逐渐转变为马氏体，见图1-12中曲线c。一般在150～260℃的硝盐浴、碱浴或盐浴中进行，此时马氏体的转变完全在空气中进行，200℃左右零件产生的热应力比双液淬火的小，恒温几分钟可使一部分奥氏体空冷形成马氏体。产生的组织应力小，防止了工件的开裂。需要注意：稍高于Ms点的分级淬火适用于尺寸较小的合金钢、碳钢和工模具钢等零件；稍低于Ms点的分级淬火用于尺寸较大和淬透性较差的钢种。
d.等温淬火法。将零件加热到奥氏体状态，然后零件以大于临界冷却速度淬入贝氏体转变区温度介质中，保温一段时间完成贝氏体转变；也可淬入Ms点稍上温度的热浴（盐浴或金属浴）中停留一段较长时间，使过冷奥氏体保温转变为马氏体组织，发生相变后在空气中冷却的淬火方法见1-12中曲线d。前者称为贝氏体等温淬火，后者为马氏体等温淬火。通常该工艺用于形状复杂、要求变形小、具有较高硬度和冲击韧性的工具和模具，以及含碳量大于0.6％的碳钢制造的零件等。
1.3.1.2 钢的回火
回火指将淬火钢加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温，使不稳定组织转变为较稳定组织的热处理工艺。钢淬火后的组织为淬火马氏体，硬度高、脆性大、尺寸不稳定，有很大的内应力，易于开裂，故无法正常使用，因此必须经过回火处理，以获得要求的硬度、组织和性能等。
（1）回火的目的
回火的目的为：①减少或消除零件的淬火内应力；②适当降低硬度，提高钢的塑性和韧性，获得良好的综合力学性能；③稳定组织，使零件尺寸在长期使用过程中不发生组织变化和保持精度；④改善加工性能，避免磨削加工时开裂现象的发生。
（2）回火的种类
按加热的温度高低将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种，回火后的冷却方式通常为空冷。
①低温回火 回火温度在150～250℃，回火后使淬火马氏体转变为回火马氏体，既保证了工件的高硬度，又提高了塑性和韧性，同时降低了淬火应力。保持高硬度的刃具、量具、冷变形模具、滚动轴承、渗碳件、表面淬火件、碳氮共渗件和高强度钢等多采用该回火工艺。
②中温回火 回火温度在350～500℃，回火后的组织为回火托氏体，硬度在35～45HRC，其目的是获得高弹性和足够的硬度，同时保持一定的韧性。多用于机械零件、各种标准件、弹簧以及某些热锻模具的回火。为了消除铬钢、铬锰钢、硅锰钢和铬镍钢的回火脆性，如40Cr、45Mn2等，在回火后应在油中或水中快冷。
③高温回火 回火温度在500～650℃，该工艺也称调质处理，回火后的组织为细致、均匀的回火索氏体，具有较低的硬度、强度和较高的塑性和韧性，即获得综合的力学性能，达到较高强度和韧度的良好配合。多用于在受冲击、交变载荷下工作的零件，用于制作各种重要的结构件。广泛应用于汽车、拖拉机、机床等零件，如半轴、连杆、螺栓、曲轴、主轴和凸轮轴等轴类零件和各种齿轮等。另外，也可为零件表面淬火、渗氮、碳氮共渗等预备热处理做组织上的准备。
1.3.2 钢的冷处理与时效处理的特点
（1）钢的冷处理
冷处理是指工件淬火后或回火后继续深冷到0℃以下某一温度，使在室温尚未转变的残留奥氏体继续转变为马氏体，待整个工件冷透后，于空气中缓慢回升到室温的热处理工艺，处理时间一般保温1～3h。其适用高碳碳素钢和高碳合金钢制作零件，可提高尺寸稳定性与耐磨性，防止磨削裂纹，减少变形，以及提高工件的磁性等。一般而言，冷处理后金相组织中残留奥氏体的体积分数不大于1％～2％。
根据处理温度的不同，冷处理分为冰冷处理（-80～0℃）、中冷处理（-150～-80℃）和深冷处理（-200～-150℃）三种。生产中经常采用的制冷方法有：干冰（固体二氧化碳）；干冰+酒精（或丙酮、汽油等）；氨或甲醇、压缩的液体空气等。按照冷处理目的、零件类别以及结构复杂程度、技术要求等不同，冷处理在工序安排也有不同，通常冷处理包括三种类型。
①淬火→冷处理→低温回火。
②淬火→低温回火→冷处理→低温回火。
③淬火→冷处理→低温回火→冷处理→时效。
对于精度与尺寸稳定性要求高的量具、标准硬度试块、刀具、轴承、精密滚轴丝杠、套圈、柴油机针阀体等，都需要进行冷处理，其目的是降低残余奥氏体量，避免残余奥氏体的稳定化。
（2）钢的时效处理
由于工件经过多工序加工，其内部存在残留应力与不稳定组织，经过长时间存放或使用而自然改变其性能与尺寸形状的现象，称为时效。故为保持性能与尺寸稳定，通常在精加工前进行快速的人工时效处理。可见时效处理的主要目的是消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力与热应力，减少变形开裂和稳定组织的工艺方法。
时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力与热应力，为避免过多运输工作量，对于一般精度的零件，在精加工前安排一次时效处理即可。但对精度要求较高的零件（如坐标镗床的箱体等），应安排两次或数次时效处理工序。简单零件一般可不进行时效处理。除铸件外，对于一些刚性较差的精密零件（如精密丝杠、精密滚动轴承、精密量检具和非铁金属及其合金的精密零件等），为消除加工中产生的内应力，稳定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之间安排多次时效处理。有些轴类零件加工，在校直工序后也要安排时效处理。对于模具钢而言，为防止模具冷却过程中因应力过大而开裂，在油中冷却一定时间后，需要立即放入一定温度的时效炉内保温加热。
零件时效处理分人工时效与自然时效，其工艺方法包括以下几种。
①精密零件的人工时效工艺，是在110～150℃温度下，经过长时间的保温后在空气中冷却。如对于精度和尺寸稳定性要求高的量具等，在淬火、回火及精磨后，要在110～150℃保温6～36h进行时效处理，其目的是使马氏体继续析出碳化物，降低其正方度，使残余奥氏体稳定化，并消除残余应力；在精磨后研磨前进行时效处理，可消除精磨时产生的磨削应力，进一步提高尺寸与组织的稳定性。
②铸件的人工时效在530～570℃温度下进行长时间的保温，其目的是稳定铸造组织和消除内应力，比较常见的铸铁件为机床床身、压力机等。
铸造件的人工时效分为三种。
a.铸造→机械粗加工→人工时效→机械精加工。
b.铸造→机械粗加工→人工时效→机械半精加工→人工时效→机械精加工。
c.铸造→机械粗加工→自然时效。