钢铁热处理讲座钢之回火.docx
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钢铁热处理讲座钢之回火
钢铁热处理讲座
－钢之回火－
一、钢之回火
將淬火的鋼，在A1溫度以下之適當溫度加熱後冷卻，以提高鋼之性的操作稱為回火（tempering）。
钢在任何情形下都不能单在淬火的状态下使用。
因为淬过火的钢会有残留应力产生，放置一段时后会龟裂，或使用中常会发生剥裂或变形。
必须施以回火后再使用，回火应在淬火后尽快进行处理。
要求高硬度的钢起码也须要在100℃以上回火。
180~200℃的回火幾乎不影響硬度且可增加性。
加热至回火温度后的冷却一般以急冷为佳，以水冷或油冷冷却之。
回火時不得不注意的是回火脆性，回火是為了使淬火鋼提高性而作的，若是變脆便違反了回火的目的。
二、回火时伴生之组织变化
淬火钢之组织为麻田散体及少量残留沃斯田体，在常温是不安定组织，高硬度的麻田散体及残留沃斯田体会随着回火温度的上升逐渐分解而析出碳化物而渐渐趋于安定的平衡状态。
图1所示为将共析碳钢淬火后，回火时随着温度的上升，钢在升温过程中膨胀收缩的情形以长度的变化予以表示者，即退火或正常化状态的共析钢为波来体组织（A点），升温后经B→C的Ac1变态点而达淬火温度之D点（沃斯田体）。
将此沃斯田体淬火于水中时会以过冷沃斯田体的状态冷却至250℃附近的Ms点，然后拉上来再予以油冷时便会变态成麻田散体同时体积膨胀而达到H点，H点就是淬火的状态。
将这个状态置于回火炉加热，使温度连续上升，则固溶有过饱和碳之麻田散体便逐渐分解，而顺次产生析出而趋于平衡组织。
其间由于组织的变化体积改变而产生收缩、膨胀、收缩等现象。
由图1所示，回火过程中根据其相的变化可分为3个阶段，即一般所谓的三阶段。
回火第1阶段为80~160℃之收缩，麻田散体由正方晶逐渐变化成为接近立方晶的状态，其间析出与雪明碳体不同结晶构造之中间阶段的Fe2-2.5C的碳化物（六方晶），一般称为ε碳化物（opsiloncarbide）。
这阶段的麻田散体仍固溶有0.2~0.3%之碳。
图1 共析碳钢回火过程中之长度变化
回火第2階段是200~280℃的膨脹，乃殘留沃斯田體變態成下變體之故，這階段電阻降低，磁性增加，同時硬度也應該會略為增加，但因同時麻田散體也繼續受到回火軟化，整體而言軟化程度略為減緩，最後，下變體也會成為肥粒體與碳化物的混合組織。
这时的碳化物也不是Fe3C，应该还是六方晶的ε碳化物。
回火第3阶段为300℃以上出现的收缩，电阻不会有太大的变化，但磁性略减，组织全部会成为安定的肥粒体与雪明碳体。
开始时雪明碳体以非常微细的粒状分散在肥粒体的基地内。
而隨著溫度的上昇雪明碳體逐漸凝集成長成較大的顆粒，粒間距離增大，整體而言，鋼的硬度、強度減低，但相反的性會增加，與由正常化，退火所得到的層狀波來體組織相比較時具有非常好的性，此乃淬火、回火的主要目的。
经过淬火、回火的组织一般称为回火麻田散体（tempermartensite）。
而在约400℃附近回火所得的肥粒体和较微细Fe3C的混合组织有时称其为二次吐粒散体（secondarytroostite）。
500~600℃左右回火的较粗Fe3C的混合组织则称为二次糙斑体（secordarysorbite），一般将此处理称为调质处理。
雪明碳体是非常硬且脆的化合物，HV约为1100，而肥粒体的硬度则为HV100以下的柔软相，因此雪明碳体在肥粒体基地中之分散状态将对钢之硬度、强度造成很大的影响，回火过程中随着雪明碳体颗粒的成长，数量会减少同时粒间距离增大，软相肥粒体的连续性也会增大当然硬度便会减低。
图2所示为雪明碳体粒子的平均距离（称为平均肥粒体距离meanferritepath）愈大降伏点降低的实测值，图中可以看出不但回火所形成之粒状雪明碳体，就连由沃斯田体直接正常化或退火所生成之层状波来体亦是如此。
由此可见不管是波来体组织或回火后之粒状碳化物组织，表面上看起来完全不同的组织，但是碳化物的平均肥粒体距离（m.f.p.）与机械强度之间却有一定的关系存在，这是值得注意的事情。
三、回火的种类与目的
钢之回火系将钢淬火后，再在变态点以下的温度加热的操作，其主要的用意按照钢的使用目的主要可分为二大类，一为低温回火，二为高温回火。
其它尚有对高速钢、工具钢等之回火二次硬化处理，因与钢线钢缆的关系较少在此不予详述。
（一）低温回火
低温回火适用于碳工具钢，合金工具钢（不含热加工模具钢），或渗碳用钢等，要求高硬度及高耐磨性之钢种。
加热温度为150~200℃通常使用油槽，冷却以空冷即可。
回火时间原则上以30min/25mm为标准。
低温回火的主要目的是要将因淬火所生之内部应力消除。
将钢淬火使其硬化，必然的钢内部会伴生很大的内部应力，这内部应力若在钢表面形成张力作用时，就会因麻田散体的脆性而造成容易破损的原因，应予尽量消除。
在较低温的回火硬度的降低非常有限，但可除去大部份的内部应力。
低温回火中会有麻田散体部份分解而析出碳化物，以及残留沃斯田体发生变化而防止尺寸的变化等，因此低温回火中之变化并不单纯。
低温回火必须注意低温回火脆性。
層狀波來體
粒狀碳化物
0.80%C
0.74%Mn
降伏強度（kgf/mm2）
平均肥粒體距離（m.f.p）
（Å）之對數
图2 点之关系
（二）高温回火
高温回火的阶段是由麻田散体分解析出的碳化物，逐渐凝集增大的阶段。
回火第3阶段以上已经析出的Fe3C逐渐凝集，颗粒一个一个增大，同时个个Fe3C粒的间隔也会增大。
这个阶段可以说是几乎不含碳的基地肥粒体中分散着Fe3C粒子的一种分散强化的状态。
因此分散相（Fe3C粒）相互間的距離愈短性就低，分散相相互間的距離愈大則強度減低而性增大。
鋼之高溫回火的目的，係為了獲得適當的強性而將淬火鋼在適當的溫度加熱回火，按照希望的機械性質決定適當溫度與時間以獲得適當的Fe3C分散狀態。
因此回火前的淬火组织便非常重要，若淬火不完全而有部份肥粒体存在的状态施以回火，就无法获得均匀的Fe3C的分散状态。
由此可知就是要回火使其柔的鋼，也要將鋼施以完全淬火使碳能完全固溶的狀態。
也就是须要将钢完全淬火成均匀的麻田散体组织的状态再予以回火。
将充分淬火的钢回火时，与不充分淬火的钢回火时相比较，就是抗拉强度相同，充分淬火的钢回火后的伸长率、断面缩率及冲击值等都比淬火不充分的钢大，且较不容易发生低温脆性。
因此完全淬火是非常重要。
構造用鋼應具備適當的強度與性。
如图3所示，即使含碳量低的钢在200~400℃的回火状态冲击值也低，在此温度范围回火，就是抗拉强度大，但冲击值低而脆使用上会有危险。
近年来开发的工具都非常优良，相当硬的钢也可以切削。
但太硬就会影响切削的经济性，由以上三点的说明可知构造用钢的高温回火通常都在500℃以上的温度处理。
W.Q
O.Q
0.40%C
硬度
60
50
40
30
20
10
0
硬度（HRC）charpy值（ft-1b,Vnotch）
0
衝
擊
值
0100200300400500600
回火溫度（℃）（1hr保持空冷）
图3 碳钢回火后之机械性质的变化
图4所示为0.45%C淬火钢经高温回火时之机械性质的变化情形，随着回火温度之上升，抗拉强度、降伏点、硬度等逐渐降低，而伸长率、冲击值、断面缩率则逐渐上升。
图5所示为各种含碳量之钢淬火后在650℃回火后之机械性质。
由圖中可知含碳量愈高回火後的抗拉強度愈高，但降伏點低性較差。
由此可知，以淬火回火的状态使用的构造用钢，以使用亚共析钢尤其以0.6%C以下之钢为宜。
图4 0.45%C钢回火后之机械性质的变化
淬火钢之回火自古以来有很多的研究与资料的发表，大部份以回火温度与硬度或机械性质的关系，很少提到回火时间的问题。
回火对机械性质的影响主系由于回火过程中因扩散造成之碳化物的凝集所造成之结果，因此与回火温度一样回火时间也同样重要。
图5 各种碳钢在650℃的回火状态之机械性质的变化
图6所示为1.13%C，0.3%Mn之钢，由760℃水淬而得到的硬度为HRC69将此钢回火时之硬度变化，以回火温度及回火时间为两轴所取的等硬度曲线。
由图中可知将同一硬度的淬火钢回火，若欲获得同一回火硬度时，回火温度低时，回火时间要长，同样地回火温度高时回火时间就必须缩短。
换言之由于回火造成之软化程度系由温度与时间来决定。
如图6中，欲获得同一HRC50的硬度，则有600℃×5sec，500℃×30sec，450℃×200sec，400℃×20000sec的可能组合。
而若在500℃回火，4sec时硬度为HRC55，而约30sec时HRC为50，约300sec则可得HRC45。
这些等硬度曲线，在时间短的范围变化相当大，但随着时间的经过，曲线趋于水平，因此一般的回火，时间都在1~2hr之间，这时间范围的硬度变化并不很大。
图7所示为0.82%C，0.75%Mn组成之钢，淬火硬度为HRC67在250~535℃之间的各温度回火时之回火时间与硬度之关系。
除了回火时间极短的部份之外，回火硬度大约与回火时间的对数成直线的关系。
这关系以直线显示并不代表特别的意义，但可利用此一事实，来推测改变回火时间时的硬度值。
图6 高碳钢的回火硬度曲线
图7 碳钢之回火时间与硬的关系
四、回火脆性
一般而言，随着回火温度之上升硬度、抗拉强度降低，而伸长率、断面缩率等增大。
同時性也應該隨之而增大，但其實也並不盡然，因為按照鋼種，在某特定的溫度範圍回火時有時會發生嚴重的脆性破壞，又由回火溫度徐冷時也會有同樣現象發生。
如此将淬火钢在某一温度回火时比该温度低的温度回火时来得脆，这种现象称为回火脆性（temperbrittleness）。
因此，实用钢热处理时必须充分注意，而应该选择不会发生脆化的适当回火条件，如果无论如何无法避免时，就应该改用没有危险性的钢种。
回火脆性主要有二种，在300℃左右的温度回火时发生的脆性称为低温回火脆性，而在500℃或以上的温度回火时发生者称为高温回火脆性。
（一）低温回火脆性
低温回火钢的性质变化不能单以静态试验的结果加以判断。
图8所示为4种不同含碳量的钢回火时之硬度与冲击值的变化。
硬度值随着回火温度的上升，硬度逐渐下降，而冲击值在200℃以前略会增加，但200~400℃的范围却反而大幅度下降。
这种异常脆化的现象由静态的抗拉试验结果或硬度测定的变化，完全无法预测的特异现象，这种脆化现象称之为低温回火脆性，或300℃脆性（500℉脆性），也称为A－脆性。
低温回火脆性是无法避免的现象，只有避免在此温度范围回火。
含有P、N之钢脆化较为显着，而含有Al、Ti、B之钢则脆化程度较小。
因此工具钢、轴承钢等之回火都选在150~200℃之间的温度回火。
（二）高温回火脆性
淬火钢的回火随着回火温度的上升逐渐软化，抗拉强度降低而伸长率、断面缩率等则逐渐增大，钢的性质变化可由碳化物的凝集及其分散度加以说明。
但是回火钢的有沟冲击值，则即使沃斯田体粒度调整的很细且淬火的很好的状态，也不一定能按照正常的情形变化。
图9所示为Ni-Cr钢的油淬火试片在400~600℃间之各温度回火1/2，3，10hr后，作Izod冲击试验的结果。
图中实线所示者为回火后水中急冷之试片的结果，而虚线所示者为回火后以1℃/min的速度炉中冷却之试片的结果。
由以上结果可发现以下的事实。
图8 4种碳钢回火时之硬度、冲击值的变化
图9 Ni-Cr钢之回火脆性
（1）450~550℃间的回火比更低温度的回火反而冲击值低。
而急冷试片与徐冷的试片之差并不大，惟徐冷者脆化稍大。
（2）550℃以上的回火，則急冷試片的衝擊值高而徐冷試片則非常低，即回火後的冷卻速度之不同就發生、脆之差。
（3）回火时间对脆性的影响，则以550℃为境，以下的温度回火时回火时间长者脆性大，而550℃以上回火时，回火时间长者冲击值的恢复较大。
如上所述淬火钢之回火虽会软化但冲击值却也跟着降低，可以说是非常奇怪的现象。
此种现象称为高温回火脆性或单称回火脆性。
而相当于第
（1）项的脆性称为第一回火脆性，相当于第
（2）项的脆性称为第二回火脆性，以兹区别。
回火脆性非常顯著衝擊值很低的鋼，以普通的抗拉試驗時，抗拉強度、降伏點都與性材料相差不大，反而脆性材料其值稍高。
而伸长率、断面缩率则脆性材料稍低。
回火脆性並非將淬火鋼回火時才會發生，一旦在600~650℃回火急冷的性材料若再予加熱也會發生。
圖10所示者為使用與圖9相同的試片，淬火後在650℃作10hr的回火後急冷之性狀態，在各溫度作1/2，3，10hr的再加熱後的再加熱溫度－衝擊值曲線。
与图9同样虚线为再加热后以1℃/mm的速度冷却者。
由图中可知，再加热温度超过450℃时急冷、徐冷试片皆显示脆化现象。
而超過500℃以上急冷試片回復性，達650℃時性已回復至再加熱前的狀態。
而徐冷試片則超過550℃其性的回復也非常小。
由此可见，500℃以上的再加热急冷与徐冷的试片其冲击值相差很大。
图11所示为Ni-Cr钢之回火脆性说明图，将淬过火的Ni-Cr钢在600~650℃附近的温度回火1hr后，油中急冷时，冲击值有11.5kgm/cm2（a），而由回火温度徐冷时则冲击值只有5.0kgm/cm2（b）。
如此同样的在650℃回火1hr后冷却速度的快慢影响冲击非常大。
一旦脆化的材料若再加热至600~650℃附近后急冷时脆性又会消失（d）。
但是回火後急冷而得之強性若再加熱至500℃附近還是會再發生脆化（c）的危險。
图10 回火之Ni-Cr钢再加热后之脆性
图11 0.43%，1.48%Cr，3.1%Ni之Ni-Cr钢的回火脆性说明图
其实第一回火脆性与第二回火脆性两者本质上是完全相同的现象，虽然回火脆性的本性目前尚未十分了解，由于回火加热（500~550℃）而导至某种化合物在粒界析出而脆化，而化合物可能为碳化物、氮化物或磷化物等，但并没有详细确认。
這些析出物若再把它加熱至更高溫便會溶入基地而消失，急冷時便成為高性狀態，徐冷時又會在550~500℃之間再生析出物而脆化。
以钢种而言，碳钢、Ni钢回火脆性较小，Cr钢、Mn钢、Ni-Mn钢有相当程度的回火脆性，而Ni-Cr钢则最为严重。
另外，P对于回火脆性有很不良的影响，其含量应予特别注意。
另外，回火脆性并非单是常温冲击值的减少，实际上回火脆性的材料其冲击值的转脆温度也会上升。
图12所示为Cr钢在620℃回火2小时后，急冷与炉冷时之转脆曲线的比较。
由图中明显可看出由回火温度的冷却速度慢时转脆温度就会上升70~80℃。
由此也可以了解回火脆性的严重情形。
衝擊試驗之溫度（℃）
急冷
炉冷
Charpy衝擊值（kg-m）
图12 Cr钢回火后之冷却速度对转脆温度之影响
虽然回火脆性的原因尚不明确，但防止对策却已有相当暸解。
（1）回火温度以600℃以上为宜。
但已如前述回火温度应由要求之抗拉强度等机械性质来决定，若非在600℃以下回火无法获得所需机械性质时，也可以选择另一个温度、时间的组合，为了避免回火脆性尽量选择高的温度回火而缩短回火时间。
（2）回火后无法急冷或氮化处理等须要在600℃以下长时间加热时就必须选择含有0.15~0.5%MO之钢使用就可防止回火脆性。
五、机械构造用碳钢及合金钢之淬火、回火条件
为了淬火、回火作业上的参考，将机构造用碳钢及合金钢的淬火、回火条件及处理后的机械性质，分别表示于表1及表2。
表1 机械构造用碳钢的正常化，退火，淬火，回火条件及此等处理后的机械性质（摘录自CNSG3088，JISG4051）
表2 构造用合金钢的正常化，退火，淬火，回火条件及此等处理后的机械性质（摘录自CNSG3107，3065，3063，3064，3068）
表中最右欄的有效直徑，是以表中所示的條件實施淬火。
回火時，大約能得到表中所示的機械性質之棒鋼之最大直徑。
例如就SCM432來講，把直徑60mm的棒鋼淬火（加熱於830～880℃後，油淬火）、回火（加熱於530～630℃後，急冷）時還能達到降低點＞75kgf/mm2，抗拉強度＞90kgf/mm2，伸長率＞16%，斷面縮率＞50%，衝擊值＞9kgf/mm2），硬度HB225～321的數值。
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