第二章 退火和正火

第二章退火和正火主要内容退火、正火的定义、目的和分类常用退火工艺方法钢的正火退火、正火后钢的组织和性能退火、正火缺陷基本要求掌握退火、正火的定义、目的和分类；常用退火工艺方法；钢的正火；退火、正火后钢的组织和性能以及退火、正火缺陷。本章重点退火、正火的定义、目的和分类；退火、正火后钢的组织和性能。本章难点常用退火工艺方法中的再结晶退火和消除应力退火热处理工艺种类根据加热和冷却方法不同普通热处理：退火、正火、淬火和回火表面热处理：表面淬火、化学热处理特殊热处理：真空热处理、变形热处理、控制气氛热处理临界温度2.1退火和正火的定义、目的和分类将组织偏离平衡状态的金属或合金加热到适当的温度，保持一定时间，然后缓慢冷却以达到接近平衡状态组织的热处理工艺。均匀化学成分、改善力学性能及工艺性能、消除或减少内应力、为零件最终热处理准备合适的内部组织。一退火2目的1定义完全退火不完全退火扩散退火球化退火3工艺种类1）钢件临界温度以上临界温度以下软化退火再结晶退火去应力退火取决于加热温度、保温时间、冷却速度及等温温度等。取决于加热温度的均匀性。软化退火热处理是将工件加热到600℃至650℃范围内（A1温度下方），维持一段时间之后空冷，其主要目的在于使以加工硬化的工件再度软化、回复原先之韧性，以便能再进一步加工。此种热处理方法常在冷加工过程反覆实施，故又称之为制程退火。大部分金属在冷加工后，材料强度、硬度会随着加工量渐增而变大，也因此导致材料延性降低、材质变脆，若需要再进一步加工时，须先经软化退火热处理才能继续加工。2）铸铁铸态合金3）有色金属变形合金再结晶退火去应力退火扩散退火石墨化退火去应力退火二正火将钢材或钢件加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温适当时间后在空气中冷却，得到珠光体组织的热处理工艺。获得一定的硬度、细化晶粒、并获得比较均匀的组织和性能。2目的1定义2.2常用退火工艺方法将金属铸锭或锻坯，在稍低于固相线的温度下长期加热，消除或减少化学成分偏析及显微组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。2.2.1扩散退火（均匀化退火）1定义2应用优质合金钢及偏析现象较为严重的合金。碳钢：1100~1200℃；合金钢：1200~1300℃；铜合金：700~950℃；铝合金：400~500℃；Ac3或Accm以上150~300℃3加热温度4加热速度100~200℃/h；4/5.8QQ5保温时间一般按截面厚度每25mm保温30~60分钟，或按每毫米保温1.5~2.5分钟来计算。1）经验公式计算2）若装炉量大，可按下式计算——时间（h）——装炉量（t）保温时间一般为10~15h，否则氧化损失过重。扩散退火后晶粒非常粗大，需要再进行完全退火或正火。6冷却速度一般50℃/h；高合金钢≤20~30℃/h；2.2.2完全退火将钢件或钢材加热到Ac3点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。细化晶粒、降低硬度、改善切削性能、消除内力；1定义2目的各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材；3应用Ac3Ac1完全退火炉冷空冷或者：将亚共析钢加热到Ac3+（20~30℃），保温后随炉缓慢冷却到500℃以下后在空气中继续冷却。不宜太高，在Ac3点以上20~30℃，适用于含碳0.30~0.60%的中碳钢。4加热温度5加热速度100~200℃/h；低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火，为什么？6保温时间4/5.8QQ——装炉量（t）1）常用结构钢、弹簧钢、热做模具钢钢锭2）对亚共析钢锻轧钢材Q)5.0~4.0()4~3(Q——装炉量（t）7冷却速度碳钢：＜200℃/h；低合金钢：100℃/h；高合金钢：50℃/h；特点：缓慢将亚共析钢加热到Ac3以上20~30℃，共析、过共析钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间后，快冷至Ar1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后出炉空冷的热处理工艺。2.2.2等温退火1定义与完全退火相同中碳合金钢、经渗碳处理的低碳合金钢、某些高合金钢的大型铸锻件及冲压件。3应用缩短退火时间，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢。4优点2目的500℃以下空冷Ac3Ac1炉冷完全退火等温退火Ar1将钢件加热到Ac1和Ac3（Accm）或之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。2.2.3不完全退火降低硬度、改善切削性能、消除内力；1定义2目的4优点加热温度低，消耗热能少，降低工艺成本。3应用晶粒未粗化的中、高碳钢和低合金钢锻轧铸件。将钢中的碳化物球状化，或获得‘球状珠光体’的退火工艺。降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；同时为后续淬火作好组织准备。2.2.4球化退火1定义2目的1）方案1低于Ac1点温度的球化退火。该种工艺方法是把退火钢材加热到略低于Ac1的温度，经长时间保温，使碳化物由片状变成球状的方法。3球化退火工艺种类（1）依据G片状＞G球状片状自发变成球状（2）球化机理渗碳体的溶解过程首先发生在渗碳体中的位错、缺陷及亚晶界处在这些地方出现棱角，表面曲率半径小，与之平衡的α-Fe中的碳浓度较高，而在渗碳体平面处α-Fe碳浓度较低，在α-Fe中产生浓度差而发生碳的扩散。由于碳的扩散，使渗碳体在表面曲率半径小处的α-Fe中碳浓度降低，为了维持平衡导致渗碳体的溶解，而在平面处α-Fe中的浓度升高，为了维持平衡，自α-Fe中析出渗碳体。（3）缺点一次（液析）碳化物二次（先共析）碳化物共析碳化物球化方式：合理的锻造工艺和适当的扩散退火方案1很难实现球化往复球化退火。这是一种周期退火，目的是加速球化过程。2）方案2把钢先加热到略高于Ac1点的温度保温一段时间，而后又冷却至略低于Ar1的温度保温一段时间后，再重复上述过程，最后空冷至室温，得球状珠光体。（1）球化机理（2）应用小型工具在把钢加热到Ac1点以上温度过程中，先共析网状碳化物溶断、凝聚。而P虽在加热到高于Ac1点以上时应转变奥氏体，但由于温度仅稍高于Ac1点，P中渗碳体溶解需要较长时间，往往只能使渗碳体片溶断，残留着渗碳体颗粒。有的即使溶解，但在渗碳体片溶解处还保留着高浓度碳聚集区，当冷至略低于Ar1点的温度保温进行P转变时，将以这些残存渗碳体或碳富集区作为渗碳体的结晶中心，渗碳体在此析出，因而形成球状珠光体。一次球化退火法，实际上是一种不完全退火。3）方案3一般球化退火前，要进行一次正火处理。（1）球化机理同方案2（3）工艺参数对球化的影响①加热温度加热温度越高，A越容易出现P片，且不易球化.②保温时间延长保温时间，使A中碳浓度趋于均匀→P片出现。保温时间一般为4小时；③冷却速度冷却速度在20℃/h冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。2.2.5再结晶退火1定义2目的消除冷作硬化、提高延展性（塑性）、改善切削性能及压延成型性能。①再结晶温度随着合金成分及冷塑性变形量而有所变化；②为产生再结晶所需的最小变形量称为临界变形量；③钢的临界变形量为6-10％，再结晶温度随变形量增加而降低，到一定值时不再变化。3再结晶退火温度再结晶退火在高于再结晶温度进行④纯金属再结晶温度铁：450℃；铜：270℃；铝：100℃⑤再结晶退火温度一般钢材：650-700℃；铜合金：600-700℃；铝合金：350-400℃；为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所引起的及铸件内存在的残余应力(但不引起组织的变化)而进行的退火。2.2.5消除（去）应力退火1定义2目的消除铸、锻、焊件的内应力；降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。低碳结构钢热锻后：500℃左右；3加热温度加热温度范围很宽，但不能超过Ac1点，应根据具体情况决定。中碳结构钢：500~650℃；刀具、模具：600~700℃，2～4小时；索氏体化处理的弹簧钢丝：250~350℃；各类铸件的退火温度不应太高；去应力退火后，均应缓慢冷却，以免产生新的应力2.3钢的正火1应用改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性；作为普通结构零件的最终热处理；作为中碳和低合金结构钢的预先热处理；消除过共析钢中的网状二次渗碳体，为球化退火作好组织准备；一般为Ac3/Accm+(30~50℃)3加热温度以工件透烧(即心部达到要求的加热温度)为准。4保温时间2优点获得的力学性能较高，生产效率高，成本低。5正火时应考虑如下问题1）对有些含碳量低于0.20%的钢，应提高正火的加热温度(可比Ac3高100℃)；2）中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式；3）过共析钢正火①为了消除网状碳化物，加热时必须保证碳化物全部溶入奥氏体中；②为了抑制自由碳化物的析出，必须采用较大冷却速度，如鼓风冷却、喷雾冷却，甚至油冷或水冷至Ar1点以下的温度取出空冷。4）双重正火适用：锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织第一次正火：Ac3点以上150-200℃→消除粗大组织，使成分均匀；第二次正火：普通条件进行→细化组织；2.4退火、正火后钢的组织和性能1相同处均是珠光体型组织2不同处较大的过冷度转变温度较低状态力学性能σbσsδ%ψ%akMN/m2kg/m2MN/m2kg/m2N·m/cm2kg·m/cm2退火64365.635736.42153.554.95.6正火73975.444145.020.976.076.57.8正火与退火的40Cr钢的力学性能1）渗碳钢，正火；2）C0.20％，高温正火；3）形状复杂的大型铸件，退火；3退火、正火工艺选择原则1）C0.25％，正火2）C∈(0.25-0.50％)，一般采用正火。合金元素含量较高的钢采用完全退火。3)C∈(0.50-0.75％)，一般采用完全退火；4)C∈(0.75-1.0％)，制造弹簧，采用完全退火作预备热处理；制造刀具，采用球化退火；5)C＞1.0％，用于制造工具，球化退火作预备热处理。当钢中含有较多合金元素时，由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线，因此上述原则就不适用。1）由于冷却速度较退火快，所得组织比退火时要细；2）正火后的零件的强度和硬度比退火时高，且含碳量越高，差别越大；3）低碳钢经正火处理后的强度与硬度，与退火处理的差别不多，但正火处理是在炉外进行，不占用设备，生产率高，所以低碳钢多采用正火代替退火处理。4）中碳钢的正火可替代调质处理，为高频淬火作准备。5）高碳钢可消除网状渗碳体，为球化退火做准备。4与退火相比，正火具有以下特点2.5退火、正火缺陷1过烧加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。原因黑脆现象2黑脆碳素工具钢或低合金工具钢在退火后，硬度很低，但脆性却很大。断口呈灰黑色。部分渗碳体转变成石墨出现黑脆的工具不能返修原因3粗大魏氏组织加热温度过高采用稍高于Ac3的加热温度，根据钢的化学成分采用较快或较慢的冷却速度；对于魏氏组织严重的，采用双重正火；原因消除方法如果奥氏体晶粒比较粗大，冷却速度又比较适宜，先共析相有可能是针状（片状）形态与片状珠光体混合存在，称为魏氏组织。1)亚共析钢魏氏组织的铁素体的形态有片状、羽毛状或三角状，粗大的铁素体呈平行或三角分布。它出现在奥氏体晶界，同时向晶内生长。2)过共析钢中魏氏组织渗碳体的形态有针状或杆状，它出现在奥氏体晶粒的内部。魏氏组织亚共析钢：在先共析铁素体晶界上有粗大的渗碳体存在，珠光体片间距也很大。4反常组织过共析钢：在先共析渗碳体周围有很宽铁素体条，而先共析渗碳体网也很宽。组织特征ab反常组织a——0.5％C，加热温度为850℃b——1.2％C，加热温度为970℃退火时，在Ar1点附近冷却过慢，特别在略低于Ar1点的温度下长期停留。会造成淬火软点，应进行重新退火。原因消除办法加热温度过高，冷却速度过慢5网状组织降低钢的力学性能，特别是网状渗碳体，在后继淬火加热时很难消除。重新正火原因消除办法危害6球化不均匀T12钢球化退火后所得的碳化物球