淺談高職鋼及鑄鐵熱處理工藝的學(xué)習(xí)

◇內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與汽車(chē)學(xué)院 趙 云

通常將熱處理分為普通熱處理、表面熱處理和形變熱處理，其基本過(guò)程都是加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。鐵碳合金相圖是鋼與鑄鐵及其加工熱處理的主要理論基礎(chǔ)，學(xué)好熱處理，必須先學(xué)好鐵碳合金相圖。鋼的熱處理工藝主要有淬火、回火、退火、正火；鑄鐵熱處理工藝主要有灰口鑄鐵的去內(nèi)應(yīng)力退火和去白口退火，球墨鑄鐵的獲得鐵素體組織的退火和獲得珠光體組織的正火。

時(shí)下某些高職學(xué)院，因課時(shí)原因，機(jī)械工程方面有的專業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)講授鋼鐵金屬材料熱處理方面知識(shí)的專門(mén)課程，就是有，也是少課時(shí)。學(xué)生在學(xué)習(xí)專業(yè)課程時(shí)，會(huì)碰到熱處理知識(shí)方面的內(nèi)容。

由于學(xué)生沒(méi)有系統(tǒng)或者是少課時(shí)的學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，教師在教學(xué)時(shí)，這些知識(shí)也沒(méi)有時(shí)間深入展開(kāi)，學(xué)生沒(méi)有學(xué)明白，只知其然不知其所以然。下面就針對(duì)這種情況對(duì)鋼及鑄鐵熱處理工藝方面的知識(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)要的歸納和總結(jié)，以期對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解相關(guān)知識(shí)內(nèi)容有所幫助。

1 熱處理

熱處理是通過(guò)加熱、保溫（實(shí)質(zhì)上是加熱的繼續(xù)）和冷卻來(lái)改變鋼的內(nèi)部組織（整體的、表層的或局部的），以獲得預(yù)期性能的一種熱工工藝。

熱處理工藝方法的種類(lèi)很多。通常，根據(jù)加熱、冷卻方式的不同和鋼組織、性能變化特點(diǎn)的不同，將它們分為普通熱處理、表面熱處理和形變熱處理，見(jiàn)圖1。另外，按照熱處理在零件整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中位置和作用的不同，又可將它們分為獲得所要求使用性能的最終熱處理和為后續(xù)加工處理作準(zhǔn)備的預(yù)備熱處理。

圖1 熱處理分類(lèi)

普通熱處理又稱為整體熱處理，是對(duì)工件整體進(jìn)行穿透加熱的熱處理工藝；表面熱處理是對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理以改變表層組織和性能；形變熱處理是壓力加工與熱處理相結(jié)合的熱處理工藝。

盡管熱處理工藝方法多種多樣，但其基本過(guò)程都是加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段組成。在這個(gè)基本過(guò)程中，溫度、時(shí)間以及溫度隨時(shí)間變化的速度是影響熱處理效果的主要因素。圖2所示為以溫度為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)繪出的熱處理工藝曲線圖。

圖2 熱處理工藝曲線示意圖

2 鐵碳合金相圖

鋼和鑄鐵是鐵與碳的合金。鐵碳合金相圖是鋼與鑄鐵及其加工熱處理的主要理論基礎(chǔ)，它反映了平衡條件下鐵碳合金在各種溫度時(shí)成分與組織的關(guān)系，并且顯示了某些性能變化的規(guī)律性。學(xué)好熱處理，必須先學(xué)好鐵碳合金相圖。鐵碳合金相圖，如圖3所示。

圖3 鐵碳合金相圖

圖中有八條重要的線：⑴ABCD線稱為液相線，⑵AHJECF線稱為固相線，⑶ES線為滲碳體從奧氏體中析出的開(kāi)始線，稱為Acm線，⑷PQ線為滲碳體在鐵素體中的溶解度線，⑸GS線為奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的開(kāi)始線，稱為A3線，⑹HJB線為包晶反應(yīng)線，⑺ECF線為共晶反應(yīng)線，⑻PSK線為共析反應(yīng)線，稱為A1。

圖中有六個(gè)主要特性點(diǎn)：①A點(diǎn)為純鐵的熔點(diǎn)；②C點(diǎn)為共晶點(diǎn)；③E點(diǎn)為在1148℃時(shí)碳在γ-Fe中的最大溶解度；④G點(diǎn)為純鐵同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)；⑤S點(diǎn)為共析點(diǎn)；⑥J點(diǎn)為包晶點(diǎn)。

圖中由各線圍成的區(qū)域中有四個(gè)單相區(qū)：①液相L；②高溫鐵素體δ；③奧氏體γ；④鐵素體α，還有一個(gè)單相Fe3C是相圖的端線。其余都是雙相區(qū)，其中γ+Fe3C的共晶混合物叫做萊氏體，α+Fe3C的共析混合物叫做珠光體。

3 鋼的熱處理工藝

鋼是含碳量為0.0218%～2.11%之間的鐵與碳的合金。在室溫下具有很好的機(jī)械性能，用途極廣。鋼的熱處理主要有：淬火、回火、退火、正火、化學(xué)熱處理等。

3.1 淬火

淬火是將鋼奧氏體化后快速冷卻獲得高硬度的馬氏體組織的熱處理工藝。淬火的目的是提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等。淬火溫度一般規(guī)定在臨界點(diǎn)以上30～50℃。亞共析鋼（含碳量為0.0218%～0.77%）的淬火溫度為Ac3以上30～50℃。共析鋼（含碳量為0.77%）和過(guò)共析鋼（含碳量為0.77%～2.11%）的淬火溫度為Ac1以上30～50℃。

冷卻是淬火工藝的另一個(gè)重要因素。選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)，對(duì)于達(dá)到淬火的目的具有十分重要的意義。目前，淬火最常用的冷卻介質(zhì)是水、礦物油和熔融狀態(tài)的鹽。

3.2 回火

回火與淬火是緊密相聯(lián)的。先進(jìn)行淬火工藝，然后進(jìn)行回火工藝。對(duì)鋼來(lái)講，淬了火便要回火，反之，便不用回火。淬火-回火處理是熱處理工藝中最重要的復(fù)合處理方法。

鋼淬火回火后的性能決定于回火溫度。在150～350℃進(jìn)行回火時(shí)，有利于降低淬火帶來(lái)的脆性和應(yīng)力，得到較高的硬度和耐磨性，多用于處理各種模具工件；在350～500℃進(jìn)行回火時(shí)，具有較高的彈性極限和屈服極限，并有一定的塑性和韌性，多用于處理各種彈簧；在500～650℃進(jìn)行回火時(shí)（這種方法又稱為調(diào)質(zhì)），得到高強(qiáng)度的同時(shí)，又具有較好的塑性和韌性。

3.3 退火

在生產(chǎn)上，退火和正火常用作為預(yù)備熱處理。

退火的種類(lèi)很多，常用的有完全退火，球化退火，去應(yīng)力退火等。不同退火方法的加熱溫度相差較大，如圖4所示。它們有的加熱至臨界點(diǎn)以上，有的加熱到臨界點(diǎn)以下，這與淬火和正火工藝不同。

圖4 各種退火工藝的加熱溫度范圍

（1）完全退火。完全退火是將鋼加熱到比Ac3高20～30℃，保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，在冷卻至600℃左右時(shí)，可以將工件出爐空冷。主要用于亞共析鋼，廣泛用于鑄造，鍛造等熱加工毛坯的處理。鋼的完全退火是一種費(fèi)時(shí)的工藝，特別是對(duì)某些合金鋼。過(guò)共析鋼不宜采用完全退火。

（2）球化退火。球化退火一般是將工件加熱至稍高于Ac1溫度，充分保溫，然后隨爐緩慢冷卻，見(jiàn)圖5（a），或者在略低于Ar1的溫度下保溫，之后再出爐空冷，見(jiàn)圖5（b）。球化退火是為了降低含碳量較高的共析鋼和過(guò)共析鋼的硬度，便于切削加工。

圖5 球化退火工藝圖

（3）去應(yīng)力退火。去應(yīng)力退火就是將鋼加熱至Ac1以下的某一溫度（大約為500～650℃），保溫一定時(shí)間，然后隨爐緩慢冷卻?？梢杂行У叵ぜ阱懺?、焊接、鑄造、冷加工和冷變形等過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

3.4 正火

正火就是將亞共析鋼加熱至Ac3以上30～50℃，或者是將過(guò)共析鋼加熱至Accm以上30～50℃，保溫一定時(shí)間，然后出爐在空氣中冷卻。正火與退火的主要區(qū)別在于冷卻速度不同。正火的冷卻速度較大，獲得的珠光體組織較細(xì)，因此強(qiáng)度和硬度也高些。正火處理可以看作是退火工藝的一種特殊形式。它們的目的相似，但正火獲得的機(jī)械性能較高，同時(shí)生產(chǎn)效率高，成本低，因此應(yīng)盡量用正火來(lái)代替退火。

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

4 鑄鐵熱處理工藝

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵與碳的合金。它與鋼的化學(xué)成分的主要區(qū)別在于含碳、硅較高，含雜質(zhì)元素硫、磷較多，因而與鋼的組織和性能都有較大的差別。鑄鐵具有一定的強(qiáng)度和韌性，有良好的消震性、耐磨性、耐蝕性以及良好的工藝性能，而且價(jià)格低廉，制作也方便。常用鑄鐵是灰口鑄鐵和球墨鑄鐵。

4.1 灰口鑄鐵熱處理

灰口鑄鐵是含碳量為2.5%～4.0%之間的鐵與碳的合金?；铱阼T鐵比其它鑄鐵價(jià)格便宜，切削加工性能好，是應(yīng)用最廣泛的一種鑄鐵。在灰口鑄鐵生產(chǎn)中，熱處理一般用于去鑄件內(nèi)應(yīng)力和白口組織。

（1）去內(nèi)應(yīng)力退火。內(nèi)應(yīng)力會(huì)引起鑄件裂紋和變形。去內(nèi)應(yīng)力退火就是將灰口鑄鐵加熱到500～550℃，保溫一定時(shí)間（一般2h以上），然后隨爐冷卻。對(duì)于精密的、或者大型的、或者形狀復(fù)雜的重要灰口鑄件，在切削加工前或者半精加工前都要進(jìn)行去內(nèi)應(yīng)力退火，這種去內(nèi)應(yīng)力退火方法又稱為人工時(shí)效。此外，還可將鑄件長(zhǎng)期放置于露天，任其風(fēng)吹雨曬，使其內(nèi)應(yīng)力自然消失，這種去內(nèi)應(yīng)力退火方法稱為自然時(shí)效。

（2）去白口退火?；铱阼T鐵在冷卻時(shí)，由于表層及薄斷面處冷卻速度較快，往往產(chǎn)生有一定硬度的白口組織，切削加工起來(lái)困難。去除白口退火就是將灰口鑄鐵加熱到850～900℃，保溫一定時(shí)間（一般2～5h），然后隨爐冷卻，緩慢冷至250～400℃出爐空冷。

4.2 球墨鑄鐵熱處理

球墨鑄鐵是含碳量為3.6%～3.9%之間的鐵與碳的合金。球墨鑄鐵具有很高的強(qiáng)度，又有良好的塑性和韌性，又具有鑄件的鑄造性能好，成本低廉，生產(chǎn)方便的特點(diǎn)。更是在汽車(chē)工業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，常用于制造曲軸、驅(qū)動(dòng)橋殼體等。

與鋼比較起來(lái)，球墨鑄鐵的抗拉強(qiáng)度可以與鋼媲美；它的屈服比σ0.2/σb比鋼高；還具有較好的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度；通過(guò)熱處理還可以改善提高機(jī)械性能，所以有球代鋼之說(shuō)。

球墨鑄鐵主要熱處理方式有退火、正火等。

（1）球墨鑄鐵退火。退火目的是為了獲得鐵素體組織。使鑄件一是有較高的塑性；二是去除內(nèi)應(yīng)力，有較好的切削加工性。球墨鑄鐵退火就是將鑄件加熱至Ac1附近某一溫度（720～760℃），保溫一定時(shí)間（3～6h），然后隨爐冷卻，在600℃左右出爐空冷，此種方法稱為低溫退火；此外，還可將鑄鐵加熱至Ac1以上某一溫度（900～950℃），保溫一定時(shí)間（2～5 h），然后隨爐冷卻，在600℃左右出爐空冷，此種方法稱為高溫退火。

（2）球墨鑄鐵正火。正火目的是為了獲得珠光體組織。使其有較高的強(qiáng)度和耐磨性。正火工藝根據(jù)加熱溫度，可分為完全奧氏體化正火和不完全奧氏體化正火。完全奧氏體化正火是將工件加熱到Ac1以上某一溫度（880～920℃），保溫一定時(shí)間（1～3h），然后空冷、或者風(fēng)冷，噴霧冷，見(jiàn)圖6；不完全奧氏體化正火是將工件加熱到稍低于完全奧氏體化正火溫度，保溫，然后空冷，見(jiàn)圖7。

圖6 完全奧氏體化正火工藝曲線

圖7 不完全奧氏體化正火工藝曲線

5 結(jié)語(yǔ)

鋼鐵金屬材料熱處理是高職機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生必須要學(xué)習(xí)掌握好的知識(shí)內(nèi)容，它是學(xué)習(xí)許多專業(yè)課的基礎(chǔ)。鐵碳合金相圖是鋼與鑄鐵及其加工熱處理的主要理論基礎(chǔ)，所以要學(xué)好熱處理，首先要學(xué)習(xí)好鐵碳合金相圖，學(xué)習(xí)掌握其中八條重要線、六個(gè)主要特性點(diǎn)和四個(gè)單相區(qū)。

高職學(xué)生學(xué)習(xí)鋼的熱處理，主要是學(xué)習(xí)淬火、回火、退火和正火這四把火；鑄鐵主要掌握灰口鑄鐵的去內(nèi)應(yīng)力退火、去白口退火；球墨鑄鐵主要學(xué)習(xí)獲得鐵素體組織的退火和得到珠光體組織的正火。