高碳钢不同热处理相结构和尺寸变化+文献综述(4)
在获得高碳钢所需的性能的过程中，热处理技术发挥着重要的作用。通过加热、保温和冷却的方法使高碳钢内部组织结构发生变化，以获得工件使用性能所要求的组织结构，这种技术就是叫做热处理。热处理工艺可以很大程度上提高材料的使用性能，充分发挥材料的潜力。在实际使用过程中，高碳钢工件一般有特定的力学、物理以及化学等性能要求，除了选用适当材料以及合理的成型工艺外，热处理工艺的选择也是很重要的一个方面。
高碳钢的热处理方式一般有以下几种：奥氏体化、退火、正火、淬火、回火。
1.3.1 奥氏体化
根据铁碳相图，在不同温度下，钢的组织形态都不同。通常把钢加热到奥氏体的转变过程称为奥氏体化[2]。奥氏体化实质就是钢由珠光体（或贝氏体等）向奥氏体转变的过程，加热温度在A1点以上，当超过A3或Acm以上便发生全部转变。奥氏体化的过程是伴随着晶格的重组，通过扩散来完成。由含碳0.0218%的铁素体和含碳6.67%的渗碳体形成含碳0.77%的单相固溶体-奥氏体。奥氏体化要经历奥氏体的形核、奥氏体的长大、剩余渗碳体的溶解和奥氏体成分均匀化四个过程[3]。奥氏体的形成是以形核与长大的方式逐渐形成的。转变开始时，首先在铁素体和渗碳体的晶界上形成新相的晶核，随之不断长大而成为稳定的晶核。这是由于铁素体和渗碳体相界面上碳浓度相差极大，原子排列不规则，极易产生浓度起伏和结构起伏区，为奥氏体形核创造了有利条件。奥氏体晶核形成以后便开始长大。奥氏体晶粒长大是通过渗碳体的溶解、碳在奥氏体和铁素体中的扩散和铁素体向奥氏体转变而进行的。转变中，由于铁素体与奥氏体界面上的浓度差要远远小于渗碳体与奥氏体相界面的浓度差，使得铁素体向奥氏体转变的速度要比渗碳体溶解的速度快的很多。所以，在加热过程中，珠光体中总是铁素体先消失。当铁素体消失后，继续加热或保温时，碳在奥氏体中进一步扩散，使得剩余的渗碳体也不断溶解到奥氏体中。如果加热或保温时间足够长，碳原子可以充分扩散，才能获得成分均匀的奥氏体。对于合金工具钢，其奥氏体化进程不仅受到含碳量的影响，合金元素对合金工具钢的奥氏体化也产生重要影响。非碳化物形成元素Ni、Co，可以提高碳在奥氏体中的扩散速度，加快了奥氏体形成速度。而W、Cr、V、Mo等碳化物形成元素显著降低碳在奥氏体中的扩散速度，大大减慢了奥氏体的形成速度。而且在合金钢中除了碳的均匀化之外，还有一个合金元素均匀化的过程，所以在相同条件下，在制定合金工具钢的加热工艺时，与碳钢相比，加热温度要高，加热时间要长。钢在加热后形成的奥氏体组织，特别是奥氏体晶粒的大小对冷却转变后钢的组织和性能有重要的影响。一般来讲，奥氏体晶粒越细小，高碳钢热处理后的强度越高，韧性越好。所以生产中一般采用快速加热短时保温的工艺来取得超细化晶粒。
1.3.2 退火和正火
退火和正火是生产中常用的预备热处理工艺。退火是将钢加热至Ac1以上或以下温度，保温以后随炉冷却以获得近乎平衡态组织的热处理工艺。其主要母的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削性能，并为下一步热处理做好组织上的准备。退火工艺有很多种，根据加热温度的不同，可分为完全退火、均匀化退火、不完全退火、球化退火、再结晶退火和去应力退火[4-5]。
工具钢的退火温度一般在A1温度范围内，在某些情况也可低于A1温度10℃～50℃。低合金钢的加热保温时间相对较低为2～3小时，高合金钢因其合金元素的减慢奥氏体速度，其保温时间约为4～5小时。这种普通退火由于加热温度没有达到奥氏体区，所以在冷却过程中不发生相变。钢的晶粒尺寸没有发生变化，仅仅是渗碳体变成粒状的，形成球化渗碳体。对于那些难形成球化渗碳体的工具钢（如T11、T13），一般会采用循环退火。工具加热2个小时到略高于A1温度，然后冷却20℃～30℃，之后再升到Ac1温度以上，然后过冷到略低于Ar1的温度，这样反复几次，可以使难于球化的网状碳化物球化。过共析钢中碳和合金元素的含量越高，循环退火的温度就越高。完全退火是将钢加热到相当于奥氏体区的温度，使组织完全奥氏体化，然后缓慢冷却下来。完全退火的温度一般为Ac3+（30℃～50℃）。完全退火后根据原始组织的不同可以形成纯珠光体、铁素体-珠光体、渗碳体-珠光体组织。高速钢或含钨量高的工具钢在二次淬火之间必须经过充分的完全退火，以避免粗大晶粒出现。