什么是回火? | 过程, 温度 & 对钢铁的影响

回火是金属制造中最基本但被广泛误解的热处理工艺之一.

几乎所有淬火钢部件都经过回火作为淬火后强制二次操作, 但很多工程师和制作团队却将其视为微不足道的事情, 标准化步骤而不是定义最终强度的精确控制过程, 韧性, 内应力状态, 和服务寿命.

实践, 淬火锁在坚硬的, 脆, 充满应力的马氏体结构在功能上无法用于大多数工程应用.

回火——仔细控制低于临界转变温度的加热——调整淬火后的微观结构，以提供精确的硬度平衡, 韧性, 维稳定性, 和服务所需的抗疲劳性.

因此，回火常用于工具钢的制造, 模具钢, 弹簧钢, 轴承组件, 齿轮, 轴, 汽车零件, 模具, 和机械结构部件.

1. 什么是回火?

在冶金领域, 回火 是一种热处理工艺，其中将先前硬化的铁合金重新加热到一定温度 低于较低的临界温度 (A₁), 持有指定期限, 然后在受控条件下冷却.

对于普通的-碳钢, 与 A₁ 线相关的共析温度大约为 727°C (1341°f), 尽管实际的临界温度随化学成分的不同而变化.

回火主要是在淬火后进行，以改变淬火后的马氏体组织.

主要目标是降低脆性和残余应力，同时保持适当的硬度和强度水平.

通过选择回火温度和保温时间, 制造商可以调整硬度之间的平衡, 韧性, 延性, 戴阻力, 和维稳定性.

回火的主要影响包括:

根据钢种和所需的最终性能选择回火温度.

一个 低温脾气 当必须保留高硬度时可以使用, 而较高的回火温度通常会产生更大的韧性和延展性，同时硬度也会相应降低.

回火不应与退火混淆. 退火通常是为了软化钢并促进相对稳定的, 延性微观结构, 通常涉及加热至临界转变温度以上，然后缓慢冷却.

回火, 相比之下, 应用于硬化钢，并在临界转变范围以下进行，以改变而不是完全消除硬化条件.

在实际钢铁制造中, 因此，回火最好理解为对淬火产生的微观结构的控制调整.

目的不仅仅是使硬化钢变得更软, 而是将过于脆弱的淬火结构转变为能够提供更有用的工程性能组合的结构.

2. 为什么需要回火: 淬火钢背后的科学

了解回火, 首先必须了解淬火的作用.

当钢被加热到奥氏体相场（通常高于 800–900°C，具体取决于成分）时，其晶体结构变为面心立方 (FCC).

奥氏体可以溶解大量的碳. 如果钢随后快速冷却, 通常在水中, 油, 或聚合物, 碳原子没有时间扩散出去.

晶体结构试图转变为体心立方 (BCC) 铁矿, 但捕获的碳使晶格扭曲成体心四方晶系 (BCT) 结构称为 马氏体.

马氏体的特点是:

• 硬度非常高.
• 高屈服强度.
• 低延展性和韧性.
• 高残余应力.
• 延迟开裂倾向.
• 许多合金中存在残余奥氏体.

在这种淬火状态下, 钢通常太脆而无法实际使用. 切削工具可能会碎裂. 装配过程中轴可能会破裂. 齿轮在冲击载荷下可能会断裂.

回火通过允许受控扩散和微观结构重排来降低这些风险.

因此淬火的必要性既科学又实用.

科学地, 它通过释放晶格应变和沉淀碳化物使钢接近平衡. 几乎, 它使钢材能够承受现实世界的使用条件.

3. 主要的回火温度范围是多少?

回火温度是钢热处理中最重要的变量之一，因为它直接控制淬火后组织变化的程度.

随着回火温度升高, 碳扩散, 碳化物沉淀, 恢复, 并且残余奥氏体的转变通常变得更加明显.

没有适用于每种钢材的单一温度范围.

低温回火

当部件必须保持高水平的硬度和耐磨性，同时降低与新鲜马氏体相关的脆性时，通常使用低温回火.

典型温度约为 150–250°C (300–480°F), 尽管合适的范围取决于钢材.

在这个阶段, 碳开始从过饱和马氏体重新分布, 可能会形成细小的碳化物相, 淬火产生的残余应力减少.

与高温回火相比，硬度的降低通常是有限的.

这种处理对于以下应用很常见:

• 切割工具
• 死亡
• 耐磨部件
• 某些轴承部件
• 高硬度工具钢零件

缺点是与中等强度相比，韧性仍然相对有限- 或高温回火条件.

中温的回火

中温回火, 大约 250–450°C (480–840°F), 对淬火微观结构产生更大的改变.

碳化物析出更加发达, 马氏体的过饱和程度降低, 并且内应力持续减小.

当组件需要更平衡的组合时，该区域会很有用 力量, 硬度, 韧性, 并戴阻力.

确切的响应因钢材而异. 有些钢在特定温度范围内还会表现出回火脆化现象, 这意味着回火温度和随后的冷却实践可能需要注意.

高温回火

高温回火一般在大约 450–700°C (840–1290°F), 前提是温度保持适合特定钢并且低于相关的临界转变范围.

在这些温度下, 微观结构经历更广泛的恢复和碳化物演变.

残余应力大幅降低, 与淬火或低温回火状态相比，材料通常具有显着更高的韧性和延展性.

高温回火与调质结构钢有着广泛的联系, 合金钢, 轴, 齿轮, 承压元件, 和重载机器零件.

一个特别重要的区别是，高温回火并不一定意味着强度差.

适当合金化和热处理的钢可以保留大量的屈服强度和抗拉强度，同时获得更好的抗断裂性.

回火期间的二次硬化

某些高合金工具钢的行为不同. 而不是随着回火温度的升高硬度不断降低, 他们可能会表现出 二次硬化峰, 通常在较高的回火范围内.

当铬等合金元素出现时，就会发生这种情况, 钼, 钨, 或钒沉淀一样细, 稳定的合金碳化物.

这些颗粒阻碍位错运动并可以增加或保持硬度.

二次硬化对于高速钢和用于高温应用的选定工具钢尤其重要.

4. 什么是回火工艺?

回火过程是在硬化或其他产生充分硬化的微观结构的处理之后进行的受控热循环.

虽然程序看似简单, 获得一致的结果需要控制温度, 时间, 炉膛均匀性, 加载中, 冷却, 和淬火钢的状况.

典型的工业回火顺序可以表示为:

淬火→转回火→加热→均热→控制冷却→检验

步 1: 淬火钢

回火通常从适当淬火的部件开始.

首先将钢奥氏体化，然后以足以产生预期硬化结构的速度快速冷却.

淬火介质可以包括:

• 油
• 水
• 聚合物溶液
• 加压气体
• 熔盐

正确的介质取决于合金和部件的几何形状.

目标是实现所需的淬透性和微观结构，同时最大限度地减少裂纹和变形.

步 2: 将组件转移至回火炉

淬火后, 部件应按照规定的生产程序进行回火.

对于许多年级, 需要立即回火，因为新淬火的条件含有高残余应力.

转移过程还必须避免不必要的热冲击或不受控制的冷却，这些可能会影响最终的热处理条件.

对于关键部件, 熔炉记录应记录实际的温度循环，而不是仅依赖熔炉设定点.

步 3: 加热至规定的回火温度

将部件加热至选定的回火温度, 其范围可能大致为 150°C 至 700°C 取决于钢材.

应充分控制加热以防止温度梯度过大, 尤其是大型或复杂的组件.

炉子应提供合适的:

• 温度均匀性
• 需要时进行气氛控制
• 负载循环
• 仪器校准
• 温度记录

用于精密热处理, 这 工件实际温度 比设定的炉温更重要.

步 4: 浸泡温度

一旦组件达到所需温度, 它被持有一段指定的时间.

在这个浸泡阶段, 微观结构经历适合钢的回火反应:

• 碳再分配
• 碳化物沉淀
• 马氏体分解
• 压力放松
• 基质恢复
• 残余奥氏体转变
• 二次硬化钢中的合金碳化物析出

所需的浸泡时间取决于部件尺寸, 几何学, 合金, 炉型, 及适用规格.

步 5: 受控冷却

经过所需的保持时间后, 根据工艺规范对部件进行冷却.

许多钢材回火后可以在空气中冷却, 而某些合金系统或关键部件可能需要特定的冷却实践.

冷却条件会影响尺寸稳定性和, 在某些钢材中, 易感性 回火脆化. 所以, “冷却”不应被视为无关紧要的最后一步.

步 6: 需要时重复回火

有些钢材需要 两次或三次回火 而不是单个循环.

反复回火可用于:

• 进一步稳定残余奥氏体
• 残余奥氏体转变后回火新形成的马氏体
• 提高尺寸稳定性
• 开发更稳定的碳化物结构
• 在整个组件中实现一致的属性

这种做法对于高合金工具钢尤其常见.

5. 为什么有些钢需要两次或三次回火?

对于许多淬火钢来说，一次回火周期就足够了, 但高合金 工具钢 某些高碳钢通常需要两次甚至三次回火周期.

主要原因是第一次回火处理可以改变残余奥氏体的稳定性，并在随后的冷却过程中产生新鲜马氏体.

然后，第二次或第三次回火对新形成的马氏体进行回火，并提高最终微观结构的稳定性.

残余奥氏体是主要原因

淬火后, 有些钢保留了一部分原始奥氏体，因为马氏体转变没有完成.

这对于碳和合金元素含量相对较高的钢尤其重要.

在第一个回火周期期间, 残余奥氏体的稳定性会发生变化. 回火后冷却时, 一些残余奥氏体可能转变为 新鲜的, 未回火马氏体.

这产生了一个新问题: 虽然原始马氏体已经回火, 新形成的马氏体没有.

因此，使用第二次回火循环来回火该新鲜马氏体.

为什么新鲜马氏体是一个问题?

新鲜马氏体与原始淬火组织具有相同的基本缺点:

• 高硬度
• 高残余应力
• 低延展性
• 韧性比较差
• 增加开裂的可能性

如果不处理该结构，可能会产生硬度和韧性的局部变化. 在精密工具钢中, 它还会导致尺寸不稳定.

因此，两次回火有助于确保原始马氏体和第一次回火周期后形成的马氏体得到适当的回火.

何时使用三次回火?

当需要更高程度的微观结构稳定性时，可使用三次回火.

在某些高速钢中尤其常见, 热作工具钢, 和高合金模具钢, 取决于制造商的热处理规范.

可选择第三周期:

• 进一步稳定残余奥氏体
• 回火任何新形成的马氏体
• 完善硬度与韧性之间的平衡
• 提高尺寸稳定性
• 建立所需的二次硬化条件

不应自动应用三次回火. 仅当钢种和所需性能需要时才合理.

需要反复回火的典型钢材

重复回火对于钢尤其重要，例如:

• H13热作工具钢
• 高速钢
• 高合金冷作工具钢
• 精选热作钢和模具钢
• 某些沉淀或二次硬化工具钢

实际回火循环次数应始终遵循具体钢种和合格的热处理程序. 更多周期并不自动意味着更好的性能.

6. 什么是回火过程中的二次硬化?

二次硬化 是某些高合金钢在相对较高温度回火期间硬度增加的现象, 尽管碳钢的普通回火通常会导致硬度下降.

这种行为是含有大量碳化物形成合金元素的钢的特征, 特别 钼, 钨, 钒, 和铬.

为什么会发生二次硬化?

常规回火时, 随着碳离开过饱和基体并且碳化物变得更加稳定，淬火马氏体的硬度通常会降低.

高合金工具钢, 然而, 在更高的回火温度下可能会发生不同的过程. 合金元素扩散并形成非常细小的形状 合金碳化物.

这些沉淀物对于抵抗位错运动非常有效.

由此产生的强化可以补偿, 有时甚至超过, 回火早期阶段硬度损失.

一般顺序是:

淬火→初始回火/软化→合金碳化物析出→二次硬化

涉及的合金元素

最重要的元素包括:

确切的碳化物类型取决于钢的成分和热处理历史.

为什么二次硬化很重要?

二次硬化使得某些工具钢在比传统低温回火温度高得多的温度下回火后能够获得高硬度.

这是很有价值的，因为高温回火也可以改善:

• 抗回火性
• 维稳定性
• 结构稳定性
• 热硬度
• 使用期间的抗软化性

适用于在高温下工作的工具, 在使用过程中保持硬度可能比实现最大可能的室温硬度更重要.

二次硬化和 H13 工具钢

H13 是一种代表性的热作工具钢，其中合金碳化物析出有助于其在高温回火过程中的响应.

其热处理旨在建立适当的硬度平衡, 韧性, 耐热疲劳性, 和抗软化性.

确切的二次硬化反应取决于钢的化学成分, 奥氏体化温度, 淬火方法, 回火温度, 和保持时间.

因此，将二次硬化简单地视为“再加热硬化”是不正确的。

这种现象是先前硬化的微观结构中富合金碳化物受控沉淀的结果.

7. 回火如何影响机械性能?

回火通过改变淬火产生的高度过饱和和应力马氏体结构来改变钢的机械性能.

这些变化的幅度和方向取决于钢种和回火条件, 所以这种关系应该被理解为一个总体趋势而不是一个固定的规则.

回火整体效果

*传统淬火钢的总体趋势; 高合金钢可能表现出不同的行为, 特别是在发生二次硬化的地方.

因此，回火的实际目标是选择正确的性能平衡，而不是最大化任何单一的机械性能.

切削刀具可能需要最大的实用硬度和耐磨性, 而齿轮或轴可能需要相当大的韧性和抗疲劳性.

通过控制特定钢材的回火温度和时间, 制造商可以根据实际使用要求定制最终的微观结构.

8. 什么是回火、退火、正火、消除应力?

回火, 退火, 标准化, 和消除应力都是热处理工艺, 但他们是 不可互换.

它们的温度范围, 起始微观结构, 冷却方式, 冶金机制, 和预期的结果不同.

9. 不同钢种的回火

不同钢种对回火的反应不同. 了解这些差异对于选择正确的回火方案至关重要.

普通碳钢:

脾气简单. 低碳钢 (<0.3% c) 很少淬火和回火，因为它们不会明显硬化.

中碳钢 (0.3–0.6% C) 通常对轴进行淬火和回火, 齿轮, 和车轴. 高碳钢 (>0.6% c) 用于工具, 弹簧, 和刀.

合金钢:

含有铬等元素, 镍, 钼, 和钒.

它们具有更好的淬透性并且对回火反应良好. 二次硬化在具有强碳化物形成物的合金中很常见.

工具钢:

包括水硬化, 油硬化, 空气硬化, 高速, 和热作钢.

回火时间表差异很大. 高速钢在 540–560°C 下进行三次回火. H13 等热作钢在 500–550°C 下进行双重回火.

不锈钢:

马氏体不锈钢 (例如。, 410, 420, 440c) 可以淬火和回火. 奥氏体不锈钢 (例如。, 304, 316) 不能通过淬火硬化，也不能回火.

铁素体不锈钢一般不经过硬化处理. 沉淀硬化不锈钢经过时效处理, 没有脾气.

马力钢:

这些都是低碳的, 通过时效强化的高镍合金, 不是通过马氏体回火.

然而, 它们可能会经历概念上类似于回火的固溶处理和时效过程.

10. 回火H13工具钢: 一个实际的例子

H13工具钢 是广泛用于压铸模具的铬钼钒热作工具钢, 锻造死亡, 挤压模具, 和其他暴露于反复加热和冷却的工具.

Its combination of hot strength, 韧性, 耐回火性, 和抗热疲劳性使其成为为什么必须仔细控制合金工具钢回火的代表性例子.

奥氏体化和淬火后, H13 形成硬质马氏体结构，具有残余应力和一些残余奥氏体.

因此，后续的回火处理不仅是为了降低脆性, 还要开发所需的二次硬化响应和微观结构稳定性.

典型的 H13 回火时间表

H13 常见 双回火, 有时为大型或特别关键的部件指定第三种回火.

确切的参数应遵循适用的材料规格和合格的热处理程序.

实际的奥氏体化和淬火条件也很重要.

H13 通常奥氏体化温度约为 1,020–1,050°C, 随后进行受控冷却，例如空气或气体淬火, 取决于截面尺寸, 设备, 以及所需的属性.

典型的最终硬度

经过适当热处理的 H13 部件通常会达到以下范围内的最终硬度： 约 48–52 HRC, 尽管实际硬度取决于奥氏体化条件, 淬火率, 回火温度, 保持时间, 和材料化学.

在规定的回火范围内, 总体趋势是:

• 约500℃: 更高的硬度, 与回火相关的软化较少.
• 约550℃: 硬度稍低, 通常具有更大的韧性和应力消除.

该关系不是严格线性的, H13可以展出 二次硬化 由于高温回火时析出细小的合金碳化物.

H13为什么是双重回火?

双重回火的主要原因是 保留奥斯丁岩 淬火后.

第一个回火周期后, 一些残余奥氏体可能在冷却过程中转变为新鲜马氏体.

这种新形成的马氏体尚未经过回火，因此可能含有相对较高的残余应力和脆性.

第二次回火循环处理这种新鲜马氏体，有助于产生更均匀的最终微观结构:

淬火→第一次回火→残余奥氏体转变→新鲜马氏体→第二次回火

双重回火还有助于完成所需的沉淀反应并提高硬度的一致性和尺寸稳定性.

适用于大型或高度关键的 H13 组件, 一个 第三次脾气 当热处理规范要求时可以使用, 特别是在额外的稳定性有益的情况下.

工程意义

H13回火的目的不仅仅是最大化硬度.

最终条件必须平衡硬度, 热强度, 韧性, 耐热疲劳性, 和维稳定性.

为此原因, 在大约 500–550°C 下回火的 H13 模具经过精心设计，可保持足够的硬度以实现耐磨性，同时发展使用中重复热循环和机械负载所需的韧性和抗回火性.

11. 回火钢的工业应用

回火钢广泛应用于工业制造，因为它提供了强度之间的可控平衡, 硬度, 韧性, 延性, 疲劳性抗性, 和维稳定性.

齿轮和传动部件

齿轮通常经过淬火和回火以获得高强度和足够的韧性.

回火处理降低了与硬化条件相关的脆性和残余应力，同时保持足够的硬度以实现牙齿接触和耐磨性.

典型组件包括:

• 传动齿轮
• 小齿轮
• 传动齿轮
• 链轮
• 轴和齿轮轴

适用于重载齿轮, 最终热处理条件通常围绕疲劳强度设计, 接触应力, 和抗牙齿断裂性而不仅仅是硬度.

轴, 车轴, 和别针

调质合金钢广泛用于轴, 车轴, 别针, 和类似的机器元件进行组合弯曲, 扭转, 影响, 和循环加载.

与淬火结构相比, 适当回火的马氏体结构可提供更好的韧性和抗裂纹扩展能力, 使其更适合动态加载的组件.

弹簧

弹簧钢要求高弹性强度和抗疲劳性能.

淬火后回火用于调整硬度并消除内应力，同时保持重复弹性载荷所需的强度.

申请包括:

• 螺旋弹簧
• 板簧
• 扭转弹簧
• 悬架组件
• 气门弹簧

必须仔细控制回火条件，因为过软和过脆都会降低弹簧寿命.

模具和工装

工具钢通常经过回火以实现受控的硬度组合, 戴阻力, 韧性, 和抗软化性.

H13等热作工具钢在相对较高的温度下回火以获得热稳定性和耐反复加热和冷却的能力.

冷作工具钢和高速工具钢根据其合金系统和所需的切削或成型性能使用不同的回火方案.

汽车组件

回火钢广泛用于汽车制造中必须承受重复机械载荷和冲击的部件.

示例包括:

• 车轴
• 转向组件
• 传动轴
• 连接部件
• 悬架零件
• 传动部件

调质处理使这些部件能够实现高强度，而无需牺牲实际使用条件所需的韧性.

建筑和重型设备

重型机械部件经常承受高负载, 震惊, 磨损, 和循环应力. 因此调质合金钢广泛用于:

• 销钉和衬套
• 液压元件
• 挖掘机和装载机零件
• 起重机组件
• 农机零部件
• 矿山设备零部件

在这些应用中, 所需的回火条件通常根据抗冲击性的主要组合来选择, 疲劳强度, 并戴阻力.

压力和能源设备

某些承压和能源系统部件使用调质钢，因为这种处理可以提供高强度并提高韧性.

应用程序可能包括:

• 高强度承压元件
• 汽轮机相关机械零件
• 工业紧固件
• 动力传输组件
• 重型结构件

对于安全关键组件, 热处理过程通常由硬度测试支持, 机械测试, 维度检查, 和冶金验证.

12. 超越钢铁的淬炼: 玻璃, 巧克力, 和其他材料

“回火”一词也用于其他领域, 但机制不同.

玻璃钢化

玻璃钢化是将玻璃加热至 600–700°C 左右，然后用空气喷射快速冷却表面.

表面收缩速度快于内部, 在表面产生压应力，在核心产生拉应力.

这使得钢化玻璃更加坚固，并导致其破裂成小块, 钝的碎片而不是锋利的碎片. 它用于汽车窗户, 淋浴门, 和建筑玻璃.

巧克力调温

巧克力调温是一种受控的加热和冷却过程，可促进可可脂以稳定的形式结晶, 称为 V 型 (β晶体).

适当调温的巧克力具有光滑的表面, 清脆的响声, 和光滑的融化. 未经调温的巧克力可能会开花, 感觉有颗粒感, 或太容易软化.

其他材料

一些有色合金, 例如某些铝合金和铜合金, 进行沉淀硬化或时效处理，有时宽松地称为回火.

然而, 该术语在应用于黑色金属冶金时最为精确.

13. 结论

回火是淬火转变的基本热处理工艺, 压力很大, 将相对脆性的钢材转变为更稳定的工程材料.

它的重要性不仅仅在于降低硬度, 但控制马氏体的微观结构演变并建立硬度之间所需的平衡, 力量, 韧性, 延性, 和维稳定性.

回火温度是影响最大的工艺变量, 但必须与保持时间一起考虑, 钢成分, 先前的奥氏体化和淬火条件, 元件尺寸, 以及所需的最终属性.

因此正确的回火处理是 特定钢种而非通用钢种.

碳钢, 合金结构钢, 高碳钢, 工具钢, 高速钢, 热作钢, 和马氏体不锈钢都可以表现出不同的回火反应.

在工业生产中, 回火是否成功应根据部件的最终性能来判断，而不仅仅是温度.

适当控制的回火工艺可将淬火状态的极端硬度转化为适合齿轮的机械性能的可靠组合, 轴, 弹簧, 死亡, 汽车零件, 重型设备, 和其他要求较高的应用.

 

常见问题解答

什么是钢材的回火?

回火是一种热处理工艺，其中淬火钢被重新加热到低于其临界转变范围的温度, 举行指定时间, 然后冷却.

主要用于降低脆性和残余应力，同时获得所需的硬度平衡, 力量, 和韧性.

回火会降低硬度吗?

对于大多数传统淬火钢, 提高回火温度通常会降低硬度和强度，同时提高韧性和延展性.

高合金工具钢由于二次硬化而表现不同.

回火和退火有什么区别?

通常在低于临界转变范围的淬火钢上进行回火以改变马氏体.

退火通常是为了软化钢并建立更具延展性的结构, 稳定的微观结构, 通常使用缓慢控制的冷却.

调质钢如何检验?

典型的检查可能包括硬度测试, 维度检查, 金相检验, 和机械测试, 根据应用或规范的要求进行额外的表面或无损检测.