退火和正火 2.doc

热处理原理及工艺 第九章 退火和正火第一节 退火1第二节 常用退火工艺方法1第三节 正火5第四节 退火、正火的缺陷6第九章 退火和正火退火和正火是钢件热处理的基本工序，当主要用于零件的铸、锻、焊工件的毛坯或半成品，消除冶金及热加工过程中产生的缺陷，并为以后的机械加工及热处理准备良好的组织状态，因此把退火和正火称为预先热处理。所得到的均为珠光体型组织，即铁素体和渗碳体的机械混合物。正火与退火比较，正火由于冷却速度较快，所获得的珠光体量较多(伪共析)，片层较细，强度、韧性较高，比退火状态具有较好的综合力学性能，且工艺过程简单，因此有时也作为对力学性能要求不高的工件的最终热处理。钢的退火与正火工艺需遵循奥氏体形成和珠光体转变的基本规律。第一节 退火 一、定义：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或接近平衡状态组织的热处理工艺称为退火。 二、目的：1、消除偏析，均匀化学成分；2、降低硬度，便于切削加工；3、改善机械性能及工艺性能；4、消除或减少内应力，消除加工硬化，以便进一步冷变形加工；5、改善高碳钢中碳化物形态和分布，为零件最终热处理做好组织准备。三、分类：1、按加热温度可分为两大类：一类是在临界温度()以上，这类退火也称相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、扩散退火、球化退火等；另一类是在临界温度以下，这类退火也称低温退火，包括软化退火、再结晶退火、去应力退火等。这两类退火与状态图的关系如图9-1。按冷却方式分为连续冷却退火及等温退火。第二节 常用退火工艺方法 一、扩散退火 1、定义：为了减少金属铸锭、铸件、锻坯或的化学成分的偏析和显微组织的不均匀性(枝晶偏析，是轧材中带状组织的产生原因)，将其加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后缓慢冷却，以达到化学成分和组织均匀化的目的的退火工艺，称为扩散退火或均匀化退火。如图9-2。 2、特点：温度高，需加热到或以上150300(具体加热温度视钢种及偏析程度而定)，温度过高影响加热炉寿命，并使钢件烧损过多，碳钢一般是11001200，合金钢一般为12001300；保温时间长(10h以上，不超过15h，否则氧化损失严重)；生产周期长，能耗大，成本高；工件易过热和烧损；扩散退火后的晶粒非常粗大，往往随后还需要再进行完全退火或正火来细化晶粒。对铸锭来说，尚需压力加工，而压力加工可以细碎晶粒，不必在扩散退火后再补充一次完全退火。3、应用：多用于优质合金钢(扩散退火对硫、磷含量低而偏析程度又小的优质钢是没有实际意义的)及偏析现象严重的合金。不轻易采用，很少专门进行扩散退火。钢厂一般是在锻轧前加热时适当延长保温时间，达到扩散退火的目的。4、注意：为了改善及消除有害的偏析，单纯利用热处理的方法是不可能完全解决的。如区域偏析只能依靠合金化，控制与改善浇注工艺及进行必要的压力加工等措施加以解决。均匀化退火的任务在于消除枝晶成分偏析，改善某些可以溶入固溶体夹杂物(如硫化物)的状态，从而使钢的组织与性能趋于均一。二、脱氢退火(去氢退火)为了防止钢从热形变加工的高温冷却下来时，由于溶解在钢中的氢析出而导致内部开裂(白点)，趁热加工结束的高温直接进行的退火。氢(高温下固溶于钢中)存在的形式：原子氢：溶解于固溶体中，是造成钢中出现白点缺陷的主要危险。用退火可以使固溶氢脱溶，钢中加入与氢易形成化合物的钛、锆、钒、铌、镧、铈等元素亦可使固溶氢减少。分子氢：存在于亚晶界、位错、晶粒边界及宏观区域中，不易自钢中扩散析出，也不会造成白点。这类分子状态的氢只能在以后的锻、轧等压力加工过程中消除。碳钢一般不会产生白点，而合金钢在锻轧后的冷却过程中则容易产生白点。对尺寸较小的锻轧件，只要在锻轧后放入缓冷坑中缓冷即可防止白点形成，而尺寸较大的锻轧件则须进行去氢退火。图9-3指出，氢在铁中溶解度随温度下降而降低，同时在同样温度下氢在体心立方点阵中()溶解度小，而在面心立方点阵的中溶解度高。图9-4可以看出氢在铁中的扩散系数除随温度升高而增大外，也与点阵类型有关。也可看出氢在中扩散系数比在中大得多。为了使钢中的固溶氢脱溶，应当选择在使氢的溶解度达到最小的组织状态，同时又应使氢在钢中的扩散速度尽可能高的温度，所以一般可在奥氏体等温分解的过程中长期保温来完成。对大型锻件，为锻后尽快消除白点，应冷却到珠光体转变速度最高的那个温度范围(C曲线上的鼻尖温度区)，以尽快获得铁素体与碳化物的混合组织。同时，在此温度长时间保温或再加热到低于A1的较高温度下保温，进行脱氢处理。对于高合金钢，也可在锻后首先进行一次完全退火，以改善组织，细化晶粒，使氢的分布更加均匀，并降低奥氏体的稳定性，从而有利于白点的消除。因为氢在铁素体中的溶解度小而扩散速度又大，所以铁素体是最有利的排氢组织。因此，可根据钢件材料的C曲线制订去氢退火工艺。例如图9-5所示的某一中合金钢件的去氢退火工艺。由于珠光体和贝氏体都是含铁素体的两相组织，都有利于排氢，但在贝氏体区转变的孕育期短，过冷奥氏体能很快转变为贝氏体，而迅速排出一部分氢，然后再升高温度，提高氢的扩散能力而加快排氢速度。 脱氢退火实质也是扩散退火的一种。但扩散退火经常用来特指均匀化退火。由于脱氢退火的保温温度在C曲线的鼻尖处，低于，属于低温退火一类。 三、完全退火 定义：将钢件或钢材加热到以上2030，使之完全奥氏体化，保温一定时间后，缓慢冷却，获得接近平衡组织的一种热处理工艺。目的：细化晶粒、消除内应力、降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，为冷加工和后续热处理做准备。适用钢种成分：含碳0.300.6%的亚共析成分的中碳钢和合金钢。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不等于切削加工。过共析钢完全退火，加热温度在以上，会有二次渗碳体沿奥氏体晶界呈网状析出，使钢的强度、塑性和韧性显著降低。适用的加工状态：主要用于铸、锻件、热轧型材及一些焊接构件。 四、不完全退火 将钢件加热至或之间，使之不完全奥氏体化，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。 由于加热温度是在两相区，故只发生部分再结晶。加热温度比完全退火低，可节省时间和减少能耗。如果亚共析钢的锻轧温度适当，未引起晶粒粗化，可采用不完全退火，使珠光体重结晶，但基本上不改变先共析体原来的形态及分布，目的在于降低内应力、硬度。由于不完全退火所采取的温度较完全退火低，过程时间也较短，因而是比完全退火要经济。如果不需要通过完全重结晶去改变铁素体和珠光体的分布及晶粒度(如魏氏组织等)，则总是采用不完全退火代替完全退火。过共析钢的不完全退火，实质上是球化退火的一种。 五、等温退火 完全退火所需时间很长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十个小时，这了缩短退火时间，可采用等温退火。 等温退火是将钢件加热到高于或温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度等温保持，使奥氏体进行珠光体等温转变的退火工艺。等温退火与完全退火或不完全退火目的相同，加工工艺也一样，只是在冷却过程中于稍下的温度有一段等温停留。图9-6是高速钢的完全退火与等温退火的比较，可见等温退火所需时间比完全退火缩短很多，退火周期从近20h缩短为几个小时。 以下等温温度，根据要求的组织和性能而定。等温温度越高，越靠近，则所得到的珠光体组织越粗大，钢的硬度就越低。六、球化退火1、定义：球化退火是使钢中的碳化物球化，或获得球状或粒状珠光体的退火工艺。2、目的：a、降低硬度，改善切削性能。球化退火可以使高碳工具钢的硬度软化，如T10钢经球化退火后硬度可由热轧后的HB255321下降到HB197，从而切削加工性提高。b、改善淬火工艺性能。球化体与相应的珠光体比较，强度和硬度较低，塑性较好，淬火时不易过热，淬火变形和开裂倾向小，具有良好的淬火工艺性能。为淬火做好工艺准备。c、为最终热处理(淬火回火)获得良好的综合机械性能做好组织准备。球化体淬火后所获得的细小马氏体上弥散分布着粒状碳化物的组织，具有较高的耐磨性、接触疲劳强度和断裂韧性。3、适用对象：主要适用于含碳大于0.6%高碳(教材0.5%)的各种高碳工模具钢、轴承钢等。为改善冷变形工艺性，有时也用于低中碳钢。近年来，球化退火应用于亚共析钢也取得较好的效果，只要工艺控制恰当，同样可使渗碳体球化，从而有利于冷成形加工。低碳钢球化退火后硬度过低，切削时粘刀，但由于碳化物球化，大大改善冷变形的加工性能。4、工艺：常用的球化退火工艺有普通球化退火和等温球化退火，如图9-7。其加热温度相同，均为以上2030，所不同的是，普通球化退火加热充分保温使二次渗碳体球化后，随炉缓慢冷却，冷至600左右出炉空冷；而等温球化退火加热保温后快冷至在以下20左右进行较长时间保温，使珠光体中的渗碳体球化，再冷至600左右出炉空冷。若过共析钢原始组织中有较严重的网状渗碳体，在球化退火之前应进行一次消除粗大的网状渗碳体正火。5、球化机理片状渗碳体的表面积大于同样体积的粒状渗碳体，因此从能量考虑，渗碳体的球化是一个自发的过程。另外，根据胶态平衡理论，第二相质点的溶解度与质点的曲率半径有关，曲率半径越小，其溶解度越高，片状渗碳体的尖角处的溶解度高于平面处的溶解度。这就使与尖角处接壤的铁素体中碳浓度大于与平面接壤处的碳浓度，即在渗碳体周围的铁素体内形成了碳的浓度梯度，引起了碳的扩散。扩散的结果破坏了界面上碳浓度的平衡。为了恢复平衡，渗碳体尖角处将进一步溶解，渗碳体平面将向外长大，如此不断进行，最后形成了各处曲率半径相近的粒状渗碳体。片状渗碳体的断裂还与渗碳体片内的晶体缺陷如亚晶界、位错等有关。图9-8表明由于渗碳体片内存在亚晶界而引起渗碳体的断裂。亚晶界的存在将在渗碳体内产生界面张力，从而使片状渗碳体在亚晶界处出现沟槽，沟槽两侧将成为曲面。与平面相比曲面具有较小的曲率半径，因此溶解度较高，曲面处的渗碳体将溶解，而使曲率半径增大，破坏了界面张力的平衡。为恢复平衡，沟槽将进一步加深。如此不断进行，直至渗碳体片溶穿，断为两截，然后再通过尖角溶解而球化。同理，这种片状渗碳体断裂现象，在渗碳体中的位错密度高的区域也会发生。图9-10所示在以下片状渗碳体的球化是通过渗碳体片的破裂、断开而逐渐成为球状的。 七、再结晶退火 1、定义：金属经过冷变形后，再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、目的：是消除冷作硬化，提高塑性，改善切削性能及压延成型性能。 3、加热温度：再结晶温度被定义为在一定时间内完成再结晶所对应的温度，通常规定在一小时内，再结晶完成95%所对应的温度即为再结晶温度，或称一小时再结晶温度。再结晶退火的加热温度通常比理论再结晶温度高100150，一般钢材650700，铜合金为600700，铝合金为350400。再结晶温度随形变量的增加而降低，最后趋于一个稳定极限值。此极限值称为再结晶温度限，对工业纯金属讲，此温度限与它的熔点之间存在下列经验关系 4、应用：此工艺用于需要进一步冷变形钢件的中间退火，或冷变形钢件的最终热处理。 八、去应力退火 定义：为了消除冷加工以及铸造、焊接过程中引起的残余内应力而进行的退火。 目的：降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。 注意：去应力退火一般在稍高于再结晶温度下进行，如钢铁材料一般在550650。对热模具钢及高速钢则提高到650750。钢的去应力退火加热温度范围较宽，根据材料成分、加工方法、内应力大小及分布的不同而定，但不能超过点。例如，低碳结构钢锻后，如果硬度不高，适于切削加工，可不进行正火，而在500左右进行去应力退火；中碳结构钢为避免调质时发生淬火变形，需在切削加工或最后热处理前进行500650的去应力退火；对切削加工量大，形状复杂而要求又严格的刀具、模具，需要在粗加工及半精加工之间，淬火之前，进行600700、24h的去应力退火；经过热处理的弹簧钢丝在绕制成弹簧后，为了消除应力防止变形，常在250350退火。为了避免在冷却时产生新的应力，去应力退火后的冷却应尽量缓慢。大型工具或机械部件采取的冷却速度甚至要控制为每小时几度。第三节 正火 一、定义：将钢件加热到或以上一定温度，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。如图9-1。 二、加热温度：一般为或以上3050，但含有强碳化物形成元素的V、Ti、Nb等的钢，如20CrMn Ti，为了加速合金碳化物的溶解和奥氏体均匀化而采用以上120150的高温正火。低碳钢也需高温正火，因为按正常温度正火后，自由铁素体量仍过多，硬度过低，切削性能仍较差，为了适当提高硬度，需要提高加热温度，可比高100，以增大过冷奥氏体的稳定性，而且应该增大冷却速度，以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体。 三、与退火的比较：正火和退火所得的都是珠光体型组织，但正火的珠光体是较大的冷却速度下得到的，因而先共析产物(铁素体、渗碳体)来不及充分析出，即先共析相数量较退火的少，伪共析珠光体数量较多；珠光体片间距较小；对过共析钢还可抑制先共析网状渗碳体的析出；因而正火后的强度与韧性较高。 四、用途：1、钢材及铸、锻件用正火细化晶粒，消除魏氏组织或带状组织，为后续热处理作好组织准备。2、低碳钢和某些低碳低合金钢结构钢的预先热处理，即用正火提高硬度，改善切削性能；3、某些作为普通结构零件的中碳钢的最终热处理，即有正火代替调质调质处理，获得较好的综合力学性能；4、高碳钢用正火消除组织中的网状碳化物，为球化退火和后一步热处理做好组织准备。 注意：某些高合金钢在空气中冷却时可以实现空冷淬火，即过冷奥氏体在空冷时发生了马氏体或贝氏体转变。 这时尽管是空冷，也不属于正火的工艺范畴。 小结：为改善钢的切削加工性能，低碳钢用正火；中碳钢最好采用退火，但也可用正火；高碳钢用球化退火，且过共析钢在球化退火前采用正火消除网状二次渗碳体。第四节 退火、正火的缺陷 退火或正火时由于工艺参数或控制不当，会出现一些与预期目的相反的组织，造成缺陷。常见的缺陷有过烧、黑脆、粗大魏氏组织等。 一、过烧 由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件报废。 二、退火石墨碳及黑脆 定义：碳素工具钢或低合金工具钢在退火后，在钢中出现石墨碳，并在周围形成大块低碳的铁素体。此时硬度虽然很低，但脆性很大，严重时断口呈灰黑色，称为黑脆。如图9-9。出现退火石墨碳工件只有报废。 危害：由于石墨对基体的分割作用，降低了