浅谈高职钢及铸铁热处理工艺的学习

2022-01-12内江职业技术学院智能制造与汽车学院

内江科技 2021年12期

◇内江职业技术学院智能制造与汽车学院赵云

通常将热处理分为普通热处理、表面热处理和形变热处理，其基本过程都是加热、保温和冷却三个阶段。铁碳合金相图是钢与铸铁及其加工热处理的主要理论基础，学好热处理，必须先学好铁碳合金相图。钢的热处理工艺主要有淬火、回火、退火、正火；铸铁热处理工艺主要有灰口铸铁的去内应力退火和去白口退火，球墨铸铁的获得铁素体组织的退火和获得珠光体组织的正火。

时下某些高职学院，因课时原因，机械工程方面有的专业没有开设讲授钢铁金属材料热处理方面知识的专门课程，就是有，也是少课时。学生在学习专业课程时，会碰到热处理知识方面的内容。

由于学生没有系统或者是少课时的学习这方面的知识，教师在教学时，这些知识也没有时间深入展开，学生没有学明白，只知其然不知其所以然。下面就针对这种情况对钢及铸铁热处理工艺方面的知识进行简要的归纳和总结，以期对学生学习和理解相关知识内容有所帮助。

1 热处理

热处理是通过加热、保温（实质上是加热的继续）和冷却来改变钢的内部组织（整体的、表层的或局部的），以获得预期性能的一种热工工艺。

热处理工艺方法的种类很多。通常，根据加热、冷却方式的不同和钢组织、性能变化特点的不同，将它们分为普通热处理、表面热处理和形变热处理，见图1。另外，按照热处理在零件整个生产过程中位置和作用的不同，又可将它们分为获得所要求使用性能的最终热处理和为后续加工处理作准备的预备热处理。

图1 热处理分类

普通热处理又称为整体热处理，是对工件整体进行穿透加热的热处理工艺；表面热处理是对工件表面进行热处理以改变表层组织和性能；形变热处理是压力加工与热处理相结合的热处理工艺。

尽管热处理工艺方法多种多样，但其基本过程都是加热、保温和冷却三个阶段组成。在这个基本过程中，温度、时间以及温度随时间变化的速度是影响热处理效果的主要因素。图2所示为以温度为纵坐标，时间为横坐标绘出的热处理工艺曲线图。

图2 热处理工艺曲线示意图

2 铁碳合金相图

钢和铸铁是铁与碳的合金。铁碳合金相图是钢与铸铁及其加工热处理的主要理论基础，它反映了平衡条件下铁碳合金在各种温度时成分与组织的关系，并且显示了某些性能变化的规律性。学好热处理，必须先学好铁碳合金相图。铁碳合金相图，如图3所示。

图3 铁碳合金相图

图中有八条重要的线：⑴ABCD线称为液相线，⑵AHJECF线称为固相线，⑶ES线为渗碳体从奥氏体中析出的开始线，称为Acm线，⑷PQ线为渗碳体在铁素体中的溶解度线，⑸GS线为奥氏体转变为铁素体的开始线，称为A3线，⑹HJB线为包晶反应线，⑺ECF线为共晶反应线，⑻PSK线为共析反应线，称为A1。

图中有六个主要特性点：①A点为纯铁的熔点；②C点为共晶点；③E点为在1148℃时碳在γ-Fe中的最大溶解度；④G点为纯铁同素异构转变点；⑤S点为共析点；⑥J点为包晶点。

图中由各线围成的区域中有四个单相区：①液相L；②高温铁素体δ；③奥氏体γ；④铁素体α，还有一个单相Fe3C是相图的端线。其余都是双相区，其中γ+Fe3C的共晶混合物叫做莱氏体，α+Fe3C的共析混合物叫做珠光体。

3 钢的热处理工艺

钢是含碳量为0.0218%～2.11%之间的铁与碳的合金。在室温下具有很好的机械性能，用途极广。钢的热处理主要有：淬火、回火、退火、正火、化学热处理等。

3.1 淬火

淬火是将钢奥氏体化后快速冷却获得高硬度的马氏体组织的热处理工艺。淬火的目的是提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等。淬火温度一般规定在临界点以上30～50℃。亚共析钢（含碳量为0.0218%～0.77%）的淬火温度为Ac3以上30～50℃。共析钢（含碳量为0.77%）和过共析钢（含碳量为0.77%～2.11%）的淬火温度为Ac1以上30～50℃。

冷却是淬火工艺的另一个重要因素。选择合适的淬火冷却介质，对于达到淬火的目的具有十分重要的意义。目前，淬火最常用的冷却介质是水、矿物油和熔融状态的盐。

3.2 回火

回火与淬火是紧密相联的。先进行淬火工艺，然后进行回火工艺。对钢来讲，淬了火便要回火，反之，便不用回火。淬火-回火处理是热处理工艺中最重要的复合处理方法。

钢淬火回火后的性能决定于回火温度。在150～350℃进行回火时，有利于降低淬火带来的脆性和应力，得到较高的硬度和耐磨性，多用于处理各种模具工件；在350～500℃进行回火时，具有较高的弹性极限和屈服极限，并有一定的塑性和韧性，多用于处理各种弹簧；在500～650℃进行回火时（这种方法又称为调质），得到高强度的同时，又具有较好的塑性和韧性。

3.3 退火

在生产上，退火和正火常用作为预备热处理。

退火的种类很多，常用的有完全退火，球化退火，去应力退火等。不同退火方法的加热温度相差较大，如图4所示。它们有的加热至临界点以上，有的加热到临界点以下，这与淬火和正火工艺不同。

图4 各种退火工艺的加热温度范围

（1）完全退火。完全退火是将钢加热到比Ac3高20～30℃，保温一定时间，然后随炉缓慢冷却。在实际生产中，为了提高生产率，在冷却至600℃左右时，可以将工件出炉空冷。主要用于亚共析钢，广泛用于铸造，锻造等热加工毛坯的处理。钢的完全退火是一种费时的工艺，特别是对某些合金钢。过共析钢不宜采用完全退火。

（2）球化退火。球化退火一般是将工件加热至稍高于Ac1温度，充分保温，然后随炉缓慢冷却，见图5（a），或者在略低于Ar1的温度下保温，之后再出炉空冷，见图5（b）。球化退火是为了降低含碳量较高的共析钢和过共析钢的硬度，便于切削加工。

图5 球化退火工艺图

（3）去应力退火。去应力退火就是将钢加热至Ac1以下的某一温度（大约为500～650℃），保温一定时间，然后随炉缓慢冷却。可以有效地消除工件在锻造、焊接、铸造、冷加工和冷变形等过程中产生的内应力。

3.4 正火

正火就是将亚共析钢加热至Ac3以上30～50℃，或者是将过共析钢加热至Accm以上30～50℃，保温一定时间，然后出炉在空气中冷却。正火与退火的主要区别在于冷却速度不同。正火的冷却速度较大，获得的珠光体组织较细，因此强度和硬度也高些。正火处理可以看作是退火工艺的一种特殊形式。它们的目的相似，但正火获得的机械性能较高，同时生产效率高，成本低，因此应尽量用正火来代替退火。

从提高切削加工性的角度，低碳钢（含碳量为0.25%以下）一般宜用正火，中碳钢（含碳量为0.25%～0.6%）一般宜用退火，但也可用正火；高碳钢（含碳量为0.6%～2.11%）先采用正火，再进行球化退火。

4 铸铁热处理工艺

铸铁是含碳量大于2.11%的铁与碳的合金。它与钢的化学成分的主要区别在于含碳、硅较高，含杂质元素硫、磷较多，因而与钢的组织和性能都有较大的差别。铸铁具有一定的强度和韧性，有良好的消震性、耐磨性、耐蚀性以及良好的工艺性能，而且价格低廉，制作也方便。常用铸铁是灰口铸铁和球墨铸铁。

4.1 灰口铸铁热处理

灰口铸铁是含碳量为2.5%～4.0%之间的铁与碳的合金。灰口铸铁比其它铸铁价格便宜，切削加工性能好，是应用最广泛的一种铸铁。在灰口铸铁生产中，热处理一般用于去铸件内应力和白口组织。

（1）去内应力退火。内应力会引起铸件裂纹和变形。去内应力退火就是将灰口铸铁加热到500～550℃，保温一定时间（一般2h以上），然后随炉冷却。对于精密的、或者大型的、或者形状复杂的重要灰口铸件，在切削加工前或者半精加工前都要进行去内应力退火，这种去内应力退火方法又称为人工时效。此外，还可将铸件长期放置于露天，任其风吹雨晒，使其内应力自然消失，这种去内应力退火方法称为自然时效。

（2）去白口退火。灰口铸铁在冷却时，由于表层及薄断面处冷却速度较快，往往产生有一定硬度的白口组织，切削加工起来困难。去除白口退火就是将灰口铸铁加热到850～900℃，保温一定时间（一般2～5h），然后随炉冷却，缓慢冷至250～400℃出炉空冷。

4.2 球墨铸铁热处理

球墨铸铁是含碳量为3.6%～3.9%之间的铁与碳的合金。球墨铸铁具有很高的强度，又有良好的塑性和韧性，又具有铸件的铸造性能好，成本低廉，生产方便的特点。更是在汽车工业得到了广泛的应用，常用于制造曲轴、驱动桥壳体等。

与钢比较起来，球墨铸铁的抗拉强度可以与钢媲美；它的屈服比σ0.2/σb比钢高；还具有较好的扭转疲劳强度；通过热处理还可以改善提高机械性能，所以有球代钢之说。

球墨铸铁主要热处理方式有退火、正火等。

（1）球墨铸铁退火。退火目的是为了获得铁素体组织。使铸件一是有较高的塑性；二是去除内应力，有较好的切削加工性。球墨铸铁退火就是将铸件加热至Ac1附近某一温度（720～760℃），保温一定时间（3～6h），然后随炉冷却，在600℃左右出炉空冷，此种方法称为低温退火；此外，还可将铸铁加热至Ac1以上某一温度（900～950℃），保温一定时间（2～5 h），然后随炉冷却，在600℃左右出炉空冷，此种方法称为高温退火。

（2）球墨铸铁正火。正火目的是为了获得珠光体组织。使其有较高的强度和耐磨性。正火工艺根据加热温度，可分为完全奥氏体化正火和不完全奥氏体化正火。完全奥氏体化正火是将工件加热到Ac1以上某一温度（880～920℃），保温一定时间（1～3h），然后空冷、或者风冷，喷雾冷，见图6；不完全奥氏体化正火是将工件加热到稍低于完全奥氏体化正火温度，保温，然后空冷，见图7。