回火工藝試驗：原理、實施與質量控制

引言
回火是淬火后不可或缺的熱處理工序，其目的在于調整淬火鋼的組織與性能，消除或降低內應力，提高材料的韌性、塑性和尺寸穩定性，獲得期望的綜合力學性能組合。科學、規范的回火試驗是確保工件最終滿足使用要求的關鍵步驟。

一、工藝原理與目的

1. 組織轉變： 淬火鋼（主要為馬氏體）在加熱過程中，過飽和的碳原子析出，形成彌散分布的碳化物（如ε碳化物、滲碳體）。隨著溫度升高和時間延長，馬氏體晶格畸變減輕，最終轉變為回火馬氏體、回火托氏體或回火索氏體等更穩定的組織。
2. 應力消除： 高溫下原子活動能力增強，有助于淬火產生的巨大內應力重新分布和松弛。
3. 性能調整：
   • 降低硬度與強度： 隨回火溫度升高，硬度和強度逐漸降低。
   • 提升塑性與韌性： 塑性和韌性顯著提高，材料的脆性降低。
   • 穩定尺寸： 減少組織不穩定性和內應力，使工件在使用中尺寸變化最小化。
   • 獲得特定性能： 通過選擇不同的回火溫度和時間，可以在硬度、強度、塑性、韌性之間取得最佳平衡，滿足不同工況需求（如高硬度耐磨件、高韌性結構件）。某些合金鋼在特定溫度回火會出現“二次硬化”現象。

二、試驗關鍵參數設定

1. 回火溫度（Core Parameter）：
   • 這是影響回火后組織與性能的最關鍵因素。
   • 低溫回火 (150-250℃)： 主要用于工具鋼、量具、軸承、滲碳及表面淬火件。目的是降低淬火應力和脆性，保持高硬度和耐磨性，組織為回火馬氏體。
   • 中溫回火 (350-500℃)： 主要用于彈簧、熱鍛模等。獲得較高的彈性極限、屈服強度和良好的韌性（回火托氏體組織）。需注意避開某些鋼種的“回火脆性區”。
   • 高溫回火 (500-650℃)： 習慣上將淬火加高溫回火稱為“調質處理”。廣泛應用于重要結構零件（軸、連桿、齒輪等）。獲得強度、塑性、韌性良好配合的綜合力學性能（回火索氏體組織）。
2. 保溫時間：
   • 需保證工件各部分溫度均勻并完成預期的組織轉變。
   • 取決于工件的有效截面尺寸、裝爐量、加熱設備類型（空氣爐、鹽浴爐、真空爐等）及裝爐方式。
   • 通常經驗公式為：鹽浴爐 ≥ 1.0 min/mm（有效厚度），空氣爐 ≥ 1.5~2.0 min/mm。具體時間需通過試驗驗證。
   • 時間過短導致轉變不充分，性能不均；時間過長易導致過度回火（硬度、強度下降過多）或表面氧化脫碳加劇（非保護氣氛下）。
3. 冷卻方式：
   • 一般結構鋼回火后采用空冷。
   • 對某些具有高溫回火脆性傾向的合金鋼（如含Cr、Mn、Ni等的鋼種），回火后需快速冷卻（油冷或水冷）以抑制脆性。但快冷可能產生新的熱應力，必要時需補充一次低溫回火消除。
4. 加熱速率與均勻性：
   • 復雜或大型工件宜緩慢加熱或分段預熱，防止因熱應力導致開裂或變形。
   • 爐內溫度均勻性至關重要，溫差應控制在工藝要求的范圍內（如±10℃或更嚴）。

三、試驗設備與環境控制

1. 加熱設備： 箱式電阻爐、井式回火爐、鹽浴爐、真空回火爐、可控氣氛回火爐等。設備應具備精確的溫控系統（滿足±5℃精度）和良好的溫度均勻性。
2. 溫度測量與記錄： 使用經過校準的熱電偶和溫度記錄儀，確保溫度監控準確可靠。建議使用多點測溫監控爐膛均勻性。
3. 氣氛保護（可選）： 真空、惰性氣體（氮氣、氬氣）或還原性氣氛（如吸熱式氣氛）可有效防止工件在回火過程中的氧化和脫碳，對表面質量要求高的零件尤為重要。

四、試驗實施步驟

1. 試樣/工件準備: 淬火后的試樣或工件，表面清潔無油污、氧化皮等。
2. 裝爐： 合理擺放工件，留有適當間隙，確保加熱介質（空氣、氣氛）良好循環，保證溫度均勻性。必要時使用專用工裝夾具控制變形。
3. 設定工藝參數： 依據試驗方案設定目標溫度、升溫速率（如有要求）、保溫時間。
4. 加熱與保溫： 啟動設備，按設定程序升溫、保溫。實時監控并記錄溫度。
5. 冷卻： 保溫結束后，按規定的冷卻方式（空冷、油冷、水冷）出爐冷卻。
6. 后處理（如需要）： 對于快冷后存在應力的工件，可進行低溫去應力回火。
7. 記錄： 詳細記錄試驗全過程的關鍵參數：升溫曲線（記錄儀）、實際保溫溫度與時間、冷卻方式、設備型號、裝爐情況、操作人員等。

五、試驗后檢測與分析

1. 硬度測試： 最常用、最快捷的性能指標。使用洛氏硬度計（HRC）或布氏硬度計（HBW）測量工件關鍵部位硬度，驗證是否達到目標值。需注意測試點的代表性及表面狀態影響。
2. 力學性能測試： 對重要試樣進行拉伸、沖擊（夏比V型缺口）、彎曲等試驗，全面評估強度（抗拉強度、屈服強度）、塑性和韌性指標。
3. 金相組織分析：
   • 制備金相試樣，觀察回火后的顯微組織（回火馬氏體、回火托氏體、回火索氏體等）。
   • 判斷碳化物析出、分布狀態及基體組織特征。
   • 檢查是否存在異常組織（如過熱、脫碳層深度、未溶鐵素體等）。
4. 變形測量： 對精密工件，使用量具（卡尺、千分尺、高度規）或三坐標測量儀檢測關鍵尺寸變化，評估回火對尺寸穩定性的影響。
5. 殘余應力測試（可選）： 使用X射線衍射法等方法測量殘余應力水平。

六、質量控制與注意事項

1. 溫度準確性： 定期校驗爐溫均勻性和儀表精度。
2. 工藝紀律： 嚴格執行工藝規程，確保參數（溫度、時間）達標。
3. 過程監控： 實時監控關鍵參數并記錄。
4. 首件檢驗： 批量生產時，首件或首批必須進行嚴格的硬度、金相甚至力學性能檢驗。
5. 抽檢制度： 生產過程中按比例進行抽檢（主要是硬度）。
6. 防止回火脆性： 對敏感鋼種，嚴格遵守回火后快冷的要求。
7. 安全生產：
   • 防止高溫燙傷、灼傷。
   • 油冷時防火防爆，注意通風。
   • 鹽浴爐操作需佩戴防護用具，防止鹽液飛濺。
   • 吊裝大型工件注意安全。
8. 回火色判斷（經驗輔助）： 在空氣爐中回火時，工件表面氧化膜顏色（回火色）可粗略指示溫度范圍（如淡黃色~220℃，棕紅色~265℃，紫色~285℃，藍色~300℃），但不可作為精確控制依據。

七、

回火試驗是熱處理工藝開發和質量控制的核心環節。通過精心設計試驗方案，嚴格控制回火溫度、時間和冷卻方式等關鍵參數，并配合嚴謹的后續檢測分析（硬度、力學性能、金相組織等），能夠有效地將淬火鋼調整至所需的最佳性能狀態，消除有害應力，保證工件的服役可靠性、安全性和使用壽命。深刻理解回火過程中的組織演變規律，熟練掌握試驗方法和操作要點，是獲得穩定、優質熱處理產品的堅實基礎。