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退火

1. 退火
退火是将钢加热到一定温度、保温一定时间后缓慢冷却,从而得到近似平衡组织的热处理方法。
(1 ) 退火的目的和分类
退火的主要目的是降低硬度, 改善切削加工性能; 细化晶粒, 均匀组织; 消除或减少内应力, 稳定尺寸; 为最终热处理做组织准备。
按照退火的目的和方法的不同 , 分为完全退火、等温退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火、再结晶退火、去应力退火。
(2 ) 退火工艺及操作要点
1) 完全退火 完全退火是先将钢加热到完全奥氏体化温度, 保温一定时间, 然后随炉缓慢冷却。完全退火主要应用于中、低碳钢的铸件、锻件、热轧钢材和焊接件。其目的是降 低硬度、改善加工性能、细化组织 , 消除内应力和为下一步的热处理做好准备。也可作为不 重要件的最终热处理。
完全退火的工艺参数有加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度等 , 其工艺规范及操 作要点如下 :
1加热温度 一般规定碳钢的完全退火温度选用 Ac3 + (30~50°C) , 合金钢选用 Ac3 + (50~90°C)。为了加快奥氏体化的过程和缩短加热时间, 生产中采用的加热温度往往要高一 些。
2加热速度 形状简单的碳素钢结构或低合金钢可以随炉升温 , 不必限制加热速度。
对于形状复杂的碳素钢结构或中、高合金钢 , 因其合金元素含量高 , 导热性能差 , 升温不宜 过快, 则应控制加热速度, 低于 600~700°C时控制在 (80~100)°C/ h。
3保温时间 按零件有效截面厚度计算, 保温系数为 1.5~2.5。保温时间的确定应考 虑钢的成分、零件尺寸形状、装炉量及采用 的加 热炉 特性等 因素。碳 钢的 保温 时间取 下限 , 合金钢取上限 , 装炉量少时取上限 , 装炉量多时取下限。
4冷却速度 碳素钢炉冷速度为 (100~150)°C/ h, 合金钢为 (50~100)°C/ h, 高合金 钢为 (20~50)°C/ h。为节省时间, 随炉冷却至 650~500°C以下, 可出炉空冷、坑冷或埋入 砂、灰堆中冷却。
5退火后的组织
中、低碳钢的退火组织为先共析铁素体加片状珠光体。
完全退火适用于亚共析钢和共析钢。由于过共析钢在缓慢冷却时, 将沿晶界析出二次渗碳体 , 使钢的性能变坏, 因此, 过共析钢一般不采用完全退火工艺。
2) 等温退火 将钢加热到高于 Ac3 ( 或 Ac1 ) 温度 , 保温一定时间后 , 较快地冷却到珠 光体转变温度区域内的某一温度进行等温, 使奥氏体转变为珠光体型组织, 然后在空气中冷却。
等温退火的优点是 : 可以大大缩短退火时间 , 并且得到的组织与性能较为均匀。
等温退火适用于合金钢的大型锻件及冲压件和高速钢、模具钢零件。生产中合金钢的退 火几乎都用等温退火代替完全退火。
等温退火工艺参数及操作要点 :
1升温速度 与完全退火相同。
2退火加热温度 亚共析钢规定为 Ac3 + (30~50°C) , 共析钢或过共析钢为 Ac1 + (20~40°C)。
3等温时间 在保证性能要求的前提下, 尽量选用较低的等温温度 , 以缩短等温时间。选择过冷奥氏体等温转变曲 线“ 鼻尖” 稍上温度作为等温温度 , 在这个温度下珠光体转 变所需要的时间最短, 如图 2—8 所示。

通常采用 Ar1 – (20~30°C) 作为等温温度。等温时间根据钢种和装炉量而定 , 一般合金钢 3~4 h , 高合金钢可长些。
4冷却方法 以较快速冷却至 Ar1 以下温度等温, 等温后出炉在空气中冷却或缓慢冷却。
5退火后的组织 亚共析钢的退火组织与完全退火相同, 钢为先共析渗碳体加片状珠光体。
3) 不完全退火 不完全退火是将钢加热到高于 Ac1而低于 Ac3 (对亚共析钢) 或 Acm (对过共析钢) 的温度, 并在此温度停留一定时间后缓慢冷却。在不完全退火时, 原来组织 中过剩的铁素体或二次渗碳体不发生转变, 只是珠光体转变为奥氏体, 退火后, 得到片层间 距较大的珠光体, 从而降低了硬度。
亚共析钢如果原始组织的晶粒比较细小, 只是为了消除锻轧而产生的内应力或降低硬度, 为了降低成本, 可以采用不完全退火, 而不采用完全退火。
不完全退火主要应用于过共析钢, 其目的是为了消除锻轧的内应力, 降低硬度和提高韧性。过共析钢不完全退火时, 钢中的二次渗碳体不能完全溶于奥氏体, 因此, 这种退火不能消除原始组织中的网状碳化物。对过共析钢而言, 只有在锻轧后, 没有网状渗碳体析出或消除了网状碳化物后, 才可以采用不完全退火。
不完全退火的工艺参数可以参照完全退火工艺确定。
4) 球化退火 球化退火是使钢中碳化物球 形化的一种退火工艺, 它主要适用于共析钢和过共析钢。共析钢和过共析钢中存在大量片状或细片状珠光体, 使钢的硬度较高, 难以加工。通过球化退火可以达到以下目的: 得到球粒状珠光体, 消除网状渗碳体, 为最终热处理做好组织准备; 消除内应力, 增加塑性和韧性; 降低硬度, 改善切削加工性能。
随着少切削和无切削加工的发展 , 如冷挤压、冷镦技术的应用, 一些低、中碳钢要求具有粒状珠光体 , 以降低硬度提高塑性而适应于冷挤压成型。
1球化退火工艺的类型
常用的球化退火工艺有三种 :
a. 循环加热球化退火 将钢加热到 Ac1 + (20~30°C) 后快速冷至 Ar1- (20~30°C)
等温, 反复循环数次后炉冷至 500°C左右出炉空冷。这一方法实质是通过 Ac1 以上加热使渗碳体片状熔解为细粒状, 而在 Ar1以下加热又使细小的粒状渗碳体球化。此方法一般用于共析钢或过共析钢中粗片状碳化物的球化, 其工艺曲线如图 2—9a 所示。

图 2—9 球化退火工艺曲线示意图
b. 等温球化退火 将钢加热到 Ac1 + (20~30°C) 炉冷至 Ar1 – (20~30°C) 等温, 然后炉冷至 500°C出炉空冷 , 其工艺曲线如图 2—9b 所示。
c. 普通球化退火 将钢加热到 Ac1 + (20~30°C) 后快速冷至Ar1 – (20~30°C) , 保温一定时间后缓慢冷却到 500°C以下出炉空冷, 其工艺曲线如图 2—9c所示。
2球化退火的注意事项
球化退火的质量, 一般用退火后硬度和渗碳体颗粒大小 (球化级别) 进行评价。标准图谱共分6 级。由1级到6级渗碳体尺寸依次增加, 合格级别为 1~5 级。由颗粒珠光体的形 成过程可知, 加热温度、保温时间和冷却速度对球化退火质量有明显影响。因此, 在选择工艺参数和操作过程中应注意下列问题 :
a. 正确选择加热温度 加热温度过高, 冷却后会出现片状珠光体增多而硬度偏高, 增加切削困难, 同时也给以后的淬火造成组织和性能不均匀。如果加热温度偏低, 则会造成碳 化物溶解不充分, 会出现细片状珠光体, 其硬度比粗片状珠光体还高 , 而且会对以后的淬火 带来不利影响。
b. 保温时间 保温时间应准确控制, 保温时间太长, 虽然奥氏体较为均匀, 但造成碳 化物过度溶解而出现粗大的球状碳化物; 保温时间过短, 则会造成碳化物溶解不够, 而出现片状碳化物。生产中要根据钢种、零件尺寸、装炉量和炉型特征等因素具体确定保温时间。
c. 冷却速度 冷却速度过快会使碳化物颗粒太细, 碳化物的弥散度大, 硬度过高; 冷却速度过慢, 则会出现粗大的球状碳化物, 碳化物的弥散度小, 硬度过低。
由此可见, 对钢进行球化退火时, 除正确选定加热温度, 还要对保温时间和冷却速度进行控制, 才能获得最佳球化组织。
5) 均匀化退火 为了消除或减少钢锭、铸件 或锻件的化学成分的偏析和组织的不均匀化,将其加热到高温, 长时间保温, 然后缓慢冷却称为均匀化退火。均匀化退火是利用高温下原子的扩散作用, 来达到消除化学成分的不均匀性, 减少偏析, 消除内应力, 改善加工性能, 改善铸造组织缺陷之目的。均匀化退火也称扩散退火, 其工艺参数的选择和操作要点如下:
1加热温度 加热温度一般选择 Ac3 (或 Acm ) + (150~200°C)。碳钢铸件一般为 950 ~1 000°C; 低合金钢铸件为1000~1050°C; 高合金钢铸件为 1050~1100°C; 高合金钢锭为 1000~1200°C。
2加热速度 (100~120)°C/ h
3保温时间 按零件有效界面厚度 ( 2~3 ) min/ mm 估算。
4冷却方法 随炉缓慢冷却至 500°C以下出炉空冷。
均匀化退火由于加热温度高, 保温时间长, 会使晶粒粗大。对已成型的铸件在均匀化退火后, 还需再进行正火或完全退火处理。而对于钢锭, 由于轧制或锻压后还需进行退火或正火处理, 故可以省去。
6) 再结晶退火 钢材冷变形加工后, 晶格发生扭曲, 晶粒破碎或被拉长, 同时产生加工硬化现象 , 强度与硬度提高而塑性降低。为了消除冷作硬化和恢复材料塑性 , 可进行再结晶退火。
再结晶退火是把钢加热到再结晶温度以上150~250°C , 保持一定时间, 然后缓慢冷却。
碳钢的再结晶温度为450~500°C, 再结晶退火温度约为650~680°C。在此温度范围内, 钢几乎不会发生脱碳现象。但当零件变形量在临界变形量 (3%~15%) 范围内时, 经再结晶退火, 钢的晶粒会非常粗大, 因而使钢的塑性较变形前大为降低。在这种情况下, 不宜采用再结晶退火, 而应采用温度稍高于 Ac3 的普通退火温度来软化钢材。
7) 去应力退火 去应力退火的目的是为了消除铸钢件、锻轧件、焊接件因温度不均匀 造成的残余应力, 以及塑性变形加工、机加工等因加工作用造成的残余应力。
零件内的残余应力随加热温度升高而以较快的速度降低 (如图 2—10 所示)。承受残余应力作用的钢的晶体, 在加热到 450°C以上时, 原子因获得足够能量而使晶体恢复到无晶格畸变状态, 这一现象称为再结晶。零件大约在加热到 450°C时残余应力开始消失。
去应力退火工艺一般是将零件以 (100~150)°C/ h 的速度升温至 Ac1-(100~200°C) 保温 2~4 h 后, 炉冷至200~300°C出炉空冷。由于去应力退火的加热温度在A1以下, 故又称为低温退火。

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