退火、正火、淬火、回火工艺

图1 CrWMn钢预处理工艺 (a) 常规退火(b) 等温球化退火

(c) 循环球化退火(d) 高温固溶＋循环球化退火

CrWMn钢经不同工艺预处理后，选择组织形态、分布较好的试样，在不同温度条件下进行淬火＋低温回火的最终热处理，观察其组织形态与分布，测定硬度变化。最终热处理工艺见图2。

图2 CrWMn钢淬火＋回火工艺

3 试验结果及分析

图3为CrWMn钢经不同预处理工艺处理后的显微组织照片，CrWMn钢经常规退火后的硬度为180～190HB，经图1所示热处理工艺处理后为180～200HB。

图3 CrWMn钢预处理后组织

(a) 常规退火(b)等温球化退火(c) 循环球化退火(d) 固溶＋循环球化退火 由图3可看出，经常规退火处理后的CrWMn钢组织中碳化物呈片状分布；经810℃等温球化退火处理后，碳化物呈不规则的颗粒状分布在铁素体基体上，分布不均匀；经790℃/680℃3次循环球化退火处理后，颗粒状碳化物尺寸变小，分布较为均匀；经1050℃固溶加790℃/680℃3次循环球化退火处理后，碳化物呈细小颗粒状析出且弥散程度高。

从工艺上看，在获得相同硬度情况下，用790℃/680℃3次循环球化退火，不仅可代替830℃等温球化退火，而且能改善组织中碳化物的形态和分布、缩短球化退火时间，节约能源。这是因为循环球化退火在Ac1(750℃)以上加热保温过程中，片状珠光体中的碳化物从尖角处溶解破断，而在Ar1(710℃)以下保温过程中，在原片状碳化物的平面处析出颗粒状碳化物，从而加速了CrWMn钢球化过程的进行，改善了碳化物的形态和分布。在1050℃高温条件下，CrWMn钢中大量难溶的W、Cr等合金元素的碳化物溶入奥氏体中，经油淬后得到马氏体或下贝氏体组织，在随后进行的790℃/680℃循环球化退火过程中，则会弥散地析出点状的W、Cr的碳化物。

因此，对于一般要求的CrWMn钢，采用790℃/680℃3次循环球化退火工艺，既可满足组织和硬度的要求，又能提高生产率，降低能耗；而对要求较高的可选用1050℃高温固溶加790℃/680℃3次循环球化退火的预处理工艺。

图4为经1050℃固溶加790℃/680℃3次循环球化退火处理后，经不同温度油淬低温回火后的CrWMn钢的显微组织。

图4 CrWMn钢不同温度淬火＋低温回火后组织

(a) 790℃淬火＋200℃回火(b) 830℃淬火＋200℃回火(c) 870℃淬火＋200℃回火(d)

900℃淬火＋200℃回火 4 结论

(1) 对CrWMn钢采用790℃/680℃ 3次循环球化替代常规退火、等温球化退火，不仅可以改善其组织状态和性能，而且还可以提高热处理生产率，降低能耗。

(2) 1050℃固溶加790℃/680℃ 3次循环球化退火，可进一步改善CrWMn钢的组织状态分布，提高其性能。

(3) 经1050℃固溶加790℃/680℃ 3次循环球化退火处理后，再经830℃油淬200℃回火处理，CrWMn钢组织均匀而细小，碳化物弥散程度高，其耐磨性和综合性能好。■

作者简介：陈文华(1963—)，男，硕士，讲师。主要研究方向为金属表面改性及金属材料焊接。联系电话：025-4892912(O)

作者单位：陈文华(南京航空航天大学，南京210016)

参考文献：

［1］蒋修治译.模具钢热处理［J］．模具技术，1994(1)．

［2］蔡 繤等．低温快速球化处理［J］．金属热处理，1992(4)：8～11．

［3］满 波．高碳钢和轴承钢的周期球化退火工艺［J］．金属热处理，1993(6)：43～44．

八、淬火介绍

（1）钢的淬火

淬火时将钢加热到Ac3或Ac1以上，保温一定时间使其奥氏体化，再以大于临界冷却速度快速冷却，从而发生马氏体转变的热处理工艺。淬火钢得到的组织主要是马氏体（或下贝氏体），此外，还有少量残余奥氏体及未溶的第二相。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。 1、 淬火加热温度

碳钢的淬火加热温度可利用Fe-Fe3C相图来选择。

对于亚共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac3+30～50℃，使碳钢完全奥氏体化，淬火后获得均匀细小的马氏体组织。对于过共析碳钢，适宜的淬火温度为Ac1+30～50℃。淬火前先进行球化退火，使之得到粒状珠光体组织，淬火加热时组织为细小奥氏体晶粒和未溶的细粒状渗碳体，淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布在马氏体基体上的细小粒状渗碳体组织。对于低合金钢，淬火加热温度也根据临界点Ac1或Ac3来确定，一般为Ac1或Ac3以上50～100℃。高合金工具钢中含有较多的强碳化物形成元素，奥氏体晶粒粗化温度高，故淬火温度亦高。 2、淬火加热时间

为了使工件各部分完成组织转变，需要在淬火加热时保温一定的时间，通常将工件升温和保温所需的时间计算在一起，统称为加热时间。

影响淬火加热时间的因素较多，如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、炉温、装炉方式及装炉量等。

钢在淬火加热过程中，如果操作不当，会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。 过热是指工件在淬火加热时，由于温度过高或时间过长，造成奥氏体晶粒粗大的现象。过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大，使工件的强度和韧性降低，易于产生脆断，而且容易引起淬火裂纹。对于过热工件，进行一次细化晶粒的退火或正火，然后再按工艺规程进行淬火，便可以纠正过热组织。

过烧是指工件在淬火加热时，温度过高，使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象，过烧的工件无法补救，只得报废。 （2）钢的表面淬火

表面淬火是对工件表层进行淬火的工艺。它是将工件表面进行快速加热，使其奥氏体化并快速冷却获得马氏体组织，而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬火后需进行低温回火，以减少淬火应力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面层的硬度和耐磨性，达到外硬内韧的效果，并可造成表面层压应力状态，提高疲劳强度，延长工件的使用寿命。

1.感应加热表面淬火

感应加热表面淬火法的原理如图1-66（a）所示。把工件放入由空心铜管绕成的感应线

圈中，当感应线圈通以交流电时，便会在工件内部感应产生频率相同、方向相反的感应电流。感应电流在工件内自成回路，故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的，如图1-66（b）所示，表面电流密度最大，心部电流密度几乎为零，这种现象称为集肤效应。由于钢本身具有电阻，因而集中于工件表面的涡流，几秒种可使工件表面温度升至800～1000℃，而心部温度仍接近室温，在随即喷水（合金钢浸油）快速冷却后，就达到了表面淬火的目的。

感应加热时，工件截面上感应电流密度的分布与通入感应线圈中的电流频率有关。电流频率愈高，感应电流集中的表面层愈薄，淬硬层深度愈小。因此可通过调节通入感应线圈中的电流频率来获得工件不同的淬硬层深度，一般零件淬硬层深度为半径的1／10左右。对于小直径（10～20mm）的零件，适宜用较深的淬硬层深度，可达半径的1／5，对于大截面零件可取较浅的淬硬层深度，即小于半径1／10以下。 2.火焰加热表面淬火

火焰加热表面淬火法是用乙炔一氧火焰（最高温度3200℃）或煤气一氧火焰（最高温度2000℃），对工件表面进行快速加热，并随即喷水冷却。淬硬层深度一般为2～6mm。适用于单件小批量生产以及大型零件（如大型轴类、模数齿轮等）的表面淬火。火焰加热表面淬火的优点是设备简单，成本低，灵活性大。缺点是加热温度不易控制，工件表面易过热，淬火质量不够稳定。 3.激光加热表面淬火

激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面，使工件表面快速加热到钢的临界点以上，利用工件基体的热传导实现自冷淬火，实现表面相变硬化。

激光加热表面淬火加热速度极度快（105～106℃／s），因此过热度大，相变驱动力大，奥氏体形核数目剧增，扩散均匀化来不及进行，奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大，奥氏体中碳含量相似的微观区域变小，随后的快冷（104℃／s）中不同微观区域内马氏体形成温度有很大差异，产生细小马氏体组织。由于快速加热，珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体组织；由于快速冷却，奥氏体组织通过无扩散转化为马氏体组织，同时残余奥氏体量增加，碳来不及扩散，使过冷奥氏体碳含量增加，马氏体中碳含量增加，硬度提高。

激光加热表面淬火后，工件表层获得极细小的板条马氏体和孪晶马氏体的混合组织，且位错密度极高，表层硬度比淬火＋低温回火提高20％，即使是低碳钢也能提高一定的硬度。 激光淬火硬化层深度一般为0.3～1mm，硬化层硬度值一致。随零件正常相对接触摩擦运动，表面虽然被磨去，但新的相对运动接触面的硬度值并未下降，耐磨性仍然很好，因而