1.2　预备热处理的分类与特点

热处理工艺是指将钢通过加热、保温和冷却等过程来改变钢的内部组织结构，以满足工件加工和使用要求的加工方法。热处理工艺的制定应依据钢的相图和等温冷却曲线，因此钢在加热和冷却过程中的组织转变规律是制定热处理工艺参数的重要依据。

根据零件的热处理技术要求不同，其热处理的方法有很大的差异，但热处理的目的就是获得需要的组织结构和性能，下面介绍钢的预备热处理分类与特点。

预备热处理是指经过冶炼、铸造、锻造、轧制、冲压和挤压等工艺手段生产的钢材或毛坯及半成品等，为了改善其力学性能和后续加工工艺而实施的热处理技术。

预备热处理的作用包括消除上道工序的缺陷（如均匀化退火可以消除铸造偏析，去应力退火可以消除锻造后应力，去氢退火可以消除大件氢等）、为下道工序做准备（如完全退火可降低中碳钢硬度，正火可提高低碳钢硬度，便于机械加工）以及为最终热处理做组织准备（如调质处理）。

钢的正火与退火主要用于处理工件毛坯，为以后切削加工及最终热处理做准备，故正火与退火通常称为预备热处理。对一般铸件及性能要求不高的工件，正火与退火可作为最终热处理。可见预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。

1.2.1　钢的退火和正火

退火是指将钢加热到一定温度以上（A_c3或A_c1），保温一定时间，随后缓慢冷却（一般随炉冷却），以获得平衡状态组织的热处理工艺。而正火则是加热到更高温度（A_c3或A_ccm）以上，在空气中冷却或进行风冷、喷雾冷却等，可以看作退火的特例。退火和正火是目前应用最为广泛的预备热处理工艺，个别不重要的产品常把正火作为最终的热处理，图1-6为正火冷却方式类别。

1.2.1.1　退火和正火的目的

同样作为钢铁零件的预备热处理工艺，退火和正火的区别在于加热温度和冷却方法的不同，考虑到两者处理的目的存在差别，为了便于比较两者的差异，现将退火和正火的性能列于表1-1中供参考。

关于具体零件的退火或正火的工艺选择，应根据以下几个方面分析确定。

①从材料的切削加工性能上分析，应便于进行机械加工。零件硬度在170～230HBW范围内的零件，其车、铣、刨、磨等切削加工性最好，一般而言，作为预备热处理，通常低碳钢选择正火处理，而高碳钢则进行退火处理。

②从使用和受力情况等角度分析，对亚共析钢制造的零件，正火后的力学性能高，如零件要求性能不高，采用正火作为最终热处理；而对于复杂的零件，为防止开裂和出现性能不足，建议采用退火为宜。

③从经济性考虑，零件需要热处理时，通常考虑选择热处理成本低、周期性短、操作方便的工艺方法，在选择合适的热处理设备的同时，应优先采用正火处理工艺。

④从零件最终热处理方面考虑，为了减小热处理淬火后的变形和开裂倾向，可选择正火处理工艺，正火组织有助于加快奥氏体的形成和碳化物的溶解，常作为快速加热淬火的预备热处理。

钢退火与正火后均为珠光体型组织，但正火是十分经济的工艺，得到细片状的珠光体。通常作为预备热处理，为最终热处理做好金相组织准备，作为正火可看作特殊的退火方式。

1.2.1.2　退火的分类和作用

根据退火加热温度及退火过程中所发生组织转变的不同，可分为完全退火、不完全退火、低温退火、球化退火、扩散退火、等温退火等，各种退火的加热温度和区域见图1-7。

（1）完全退火（或称重结晶）

适用于亚共析钢（中碳钢和合金结构钢），其加热温度为A_c3+（30～50）℃，退火后组织为铁素体+珠光体，该工艺可明显改善亚共析钢热锻、热轧、焊接或铸件所出现的粗大组织，消除组织应力和组织缺陷，降低硬度，便于力学加工，提高钢的力学性能等。对其进行重新加热和缓冷，则可实现上述技术要求。常见结构钢的退火温度和硬度见表1-2。

（2）不完全退火

适用于亚、过共析钢（亚共析钢温度为A_c1～A_c3，过共析钢温度为A_c1～A_ccm）退火，使珠光体转变为奥氏体，但其组织未完全奥氏体化，可消除热加工后锻轧内应力，降低硬度和提高韧性，改善切削加工性，但无法改变二次渗碳体或过剩铁素体的形状与大小，因而仅用于改变珠光体组织，一般主要用于过共析钢。

（3）低温退火（去应力退火或高温回火）

适用于经冷加工变形后的钢材，退火温度在A_c1以下，通常为500～650℃。其特点为：没有组织的转变，通过再结晶后消除内应力，稳定尺寸，防止变形和开裂，降低钢的硬度、强度和脆性，提高韧性和塑性。对铸件采用520～550℃；对焊接件采用620～650℃；对切削加工件采用650～680℃。需要指出的是：作为需进行氮碳共渗处理的进、排气门，在粗加工后必须采取氮化前退火，以消除车削和磨削等机械加工应力，减小氮化过程中的变形，这是十分关键的工序。由于可消除焊接件和铸件的内应力，故又称去应力退火。

（4）球化退火

适用于使高碳工具钢（碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢）获得球状（颗粒）珠光体的热处理工艺，球化退火温度一般为A_c1+（20～30）℃。主要用于共析钢和过共析钢零件的退火处理，具有降低零件硬度，改善切削加工性能，获得细化的球状珠光体晶粒的特点，但不宜出现长大和过热现象，组织可均匀变形。球化退火按照加热温度和长短分为四种：①一次球化退火，可看作不完全退火；②一次等温球化退火，实质上是共析钢和过共析钢的等温退火；③循环球化退火，适用于粗片状碳化物的球化，但很少采用；④低温球化退火。当存在网状碳化物时，要先正火消除网状碳化物，然后进行球化退火。图1-8为球化退火工艺的冷却方式。

（5）扩散退火

指加热到A_c3+（150～250）℃，其目的在于改善或消除合金铸锭、铸件、高合金钢锭和铸件中存在的严重的“偏析”化学成分、组织和性能的不均匀性，属于均匀化退火，即在高温下通过扩散而得到均匀化。

（6）等温退火

指加热到A_c3+（30～50）℃，保温后快冷到A_r1以下某一温度，在此温度等温到奥氏体全部分解，然后随炉冷却得到珠光体组织。适合于亚共析、过共析等中、高合金钢大型铸件和锻件的批量退火处理。等温退火具有时间短、生产效率高、组织和性能比较均匀一致、硬度较低等特点，几种常见工具钢的等温退火工艺见表1-3。

可看作特殊退火的正火是：将工件加热到A_c3或A_c3+（30～50）℃，保温一定时间后快速冷却，如空冷、鼓风冷却、喷雾冷却、油中或水中冷至相变点以下，得到细片状珠光体组织（索氏体），获得较高的硬度和强度等。对于低碳钢而言，通常采用正火来代替退火，其组织比退火好。中碳钢获得细的珠光体组织可保证在淬火过程中较其他组织产生裂纹和变形的倾向小，因此多用于预备热处理，对高碳钢主要用来消除网状碳化物。常见结构钢的正火温度及硬度见表1-4。

对于合金钢的退火加热温度，考虑到合金元素在钢中的作用，结合化学成分的影响，通常使钢的奥氏体化温度升高，因此常采用比较高的加热温度；加热时间的影响同样如此，加热时间包括升温时间和保温时间两部分，如升温太快，势必造成晶粒的不均匀长大，一般要求工件的保温时间占总加热时间的1/3～1/2或1/5～1/4，确保工件的透烧，即奥氏体的形成、碳化物溶解和成分的均匀化。

1.2.2　钢的调质处理

调质处理是指将钢材或钢件进行淬火+高温回火的复合热处理工艺，用于调质处理的钢称为调质钢，它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。为了获得一定的强度和韧性，把淬火和高温回火结合起来的工艺，称为调质处理。

调质处理（Quenching and Tempering）广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后可获得均匀细致的回火索氏体组织，它的力学性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度，并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在200～350HBW之间。

应当注意到调质处理可为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形做准备，故调质也可作为预备热处理。由于调质后零件的综合力学性能较好，对某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作为最终热处理工序。

对于需要进行渗氮、氮碳共渗的工件，选用的材质为中、高合金超高强度钢、渗氮钢等，为确保其要求的性能与尺寸稳定性，其在机械加工前进行调质处理，以获得良好的组织与性能，同时要注意高温回火的温度应不低于渗氮、氮碳共渗的温度，否则会造成工件基体硬度的降低，影响其使用要求与工作条件。