第七章钢的退回和正火

山东科技大学材料科学与工程学院第二篇热处理工艺热处理普通热处理表面热处理退火;正火;淬火;回火;表面淬火

化学热处理感应淬火火焰淬火渗碳;渗氮;碳氮共渗;复合热处理形变热处理；真空热处理；可控气氛热处理；辉光离子热处理热处理工艺热处理:

金属材料在固态下加热到预定的温度，保温预定的时间，然后以预定的方式冷却。通过这一工艺过程，改变了金属材料内部的组织结构，从而使工件的性能发生了预期的变化。热处理概述热处理工艺中有三大基本要素：加热、保温、冷却。

加热：不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。分为两种，一种是在临界点A1以下的加热，此时不发生组织变化。另一种是在A1以上的加热，目的是为了获得均匀的奥氏体组织，这一过程称为奥氏体化。

保温：目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般工件越大，导热性越差，保温时间就越长。

冷却：热处理的最终工序，也是热处理最重要的工序。钢在不同冷却速度下可以转变为不同的组织。热处理的基本要素热处理的目的:

改变工件的性能，即改善材料的工艺性能，提高材料的使用性能。但不能通过热处理改变工件的形状和尺寸。应用：

机床制造中，热处理零件占60%~70%，

汽车制造中，热处理零件占70%~80%。热处理目的及应用箱式电阻炉台车式电阻炉连续式热处理炉钢的临界点：平衡临界点：加热临界点：冷却临界点：A1、

A3、

AcmAc1、Ac3、AccmAr1、Ar3、Arcm主要内容1.金属的加热2.钢的退火3.钢的正火重点内容退火、正火的概念、目的及其应用第七章钢的退火和正火第七章钢的退火和正火§7-1金属的加热工件在加热过程中，除了和周围介质发生热交换以外，还发生其它的物理化学过程。本节讨论钢在热处理时的加热过程、加热时工件表面与周围介质的作用、加热缺陷及其防止。热源：1.从邻近的发热体进行热交换而获得，如一般加热炉加热；2.从其它形式的能量转变为工件的热能，如直接通电加热、离子轰击加热或感应加热等金属的加热1.加热介质与工件表面的传热过程1）对流传热：单位时间内加热介质传输给工件的热量为影响αc的因素：①流体运动的情况（静止和强迫流动）；②流体的物理性质：导热系数、比热及密度越大，对流给热系数越大；③工件表面形状及其在炉内放置的位置。一、金属加热的物理过程及其影响因素2.辐射传热：物体在单位时间内表面积辐射的能量为

E=C（T/100）4J/（m2.h）

T—物体的绝对温度C—辐射系数3.传导传热：热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量即热流量密度q表示

—热传导系数dT/dx—温度梯度4.综合传热实际工件加热过程中，上述三种传热方式并存即Q=Qc+Qr+Qcd一、金属加热的物理过程及其影响因素2.工件内部的热传导过程：表面与心部的温度梯度传热强度用比热流量表示热传导系数的数值，对钢来说和它的化学成分、组织状态及加热温度有关热传导系数与温度关系近似呈线性关系一、金属加热的物理过程及其影响因素3.热处理加热时间的确定1）工件达到热处理规范所要求温度的时间（整体热处理应为工件心部达到要求温度的时间）2）完成组织转变所要求的组织状态变化所需时间：经验+计算3）热处理加热过程时间=升温时间+透热时间+保温时间一、金属加热的物理过程及其影响因素4.影响热处理工件加热的因素1）加热方式的影响：随炉加热、预热加热、到温入炉加热、高温入炉加热加热方式不同—加热速度不同2）加热介质及工件放置方式的影响一、金属加热的物理过程及其影响因素1.金属加热时的氧化反应工件在热处理加热时和氧化性气体发生作用，使表面氧化，并在表面形成氧化皮二、加热时的物理化学现象2.钢加热时的脱碳过程1）加热时的脱碳、增碳平衡常见反应：二、加热时的物理化学现象炉气碳势的测定：CO2:常用的仪器是红外线CO2分析仪H2O：含量常用露点表示—露点测量仪氧探头测量是利用氧含量与CO、CO2、H2O含量有关，从而通过测氧分压来测碳势2）炉气碳势及其测定3）钢加热的脱碳过程及脱碳层的结构①脱碳过程分两个阶段：※钢件表面的碳与炉气发生化学反应形成含碳气体逸出；※工件表面与内部产生碳浓度差，从而发生碳由内部向表面扩散的过程。②根据脱碳程度可分为全脱碳层和半脱碳层全脱碳层：当钢件表面碳基本被烧毁，表层呈现全部铁素体晶粒半脱碳层：当钢材表面的碳未完全烧毁，但表层含碳量低于钢材平均含碳量二、加热时的物理化学现象二、加热时的物理化学现象选择原则：避免工件表面与加热介质发生化学反应，即应降低氧化性气体在炉气中的分压，使反应朝还原方向进行。1.真空加热：在低于一个大气压的稀薄空气中加热，可避免氧化、脱碳，达到光亮热处理的目的。2.保护气氛--在工件加热时保护其表面不氧化和脱碳的气氛A:吸热式气氛（天然气、煤气及其他有机物）B:放热式气氛（原料气与充足空气混合）三、加热介质的选择3.氨热分解气：把液氨汽化后并通入有触媒的反应罐使氨气在高温下发生分解，从而获得氨热分解气。主要成分：75%H2和25%N24.氮基保护气氛—以氮气为主要成分的保护气氛氮-氢混合气体，在400~700℃不会析出碳黑氮-天然气混合气，作碳钢或低合金钢保护气氛氮-甲醇混合气，可作无氧化保护气氛5.液滴式保护气氛：由甲醇、乙醇和丙酮分解的气体6.其他加热介质—沸腾床（流态化炉）加热、盐浴加热等三、加热介质的选择§7-2钢的退火一、概述1.定义：将钢加热至临界点AC1以上或以下温度，保温后随炉缓冷以获得近于平衡组织的热处理工艺2.目的：①均匀钢的化学成分及组织；②细化晶粒，调整硬度；③消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能；④为淬火作组织准备。1、完全退火

应用：亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材、焊接结构目的：细化晶粒，改善组织，消除残余应力，降低

硬度，提高塑性，便于切削加工。工艺：将亚共析钢加热到Ac3+20-30℃，保温一定

时间后，随炉缓慢冷却（或埋入沙或石灰中）

到500℃以下，空冷。二、常用的退火工艺方法2、等温退火

等温退火的目的与完全退火相同。由于完全退火所需要的时间很长，尤其对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要数十小时甚至数天的时间，采用等温退火可明显缩短退火时间。二、常用的退火工艺方法工艺：加热过程与完全退火相同，Ac3+20-30℃，保温一定时间后，开炉门较快速冷却到稍低于A1的某一温度（550-700℃），在该温度下保温到奥氏体完全转变为珠光体，然后空冷。优点：（ⅰ）缩短了退火时间

（ⅱ）可以较好地控制组织与硬度（通过选择保温温度）

（ⅲ）工件氧化、脱碳倾向较小二、常用的退火工艺方法3.不完全退火将钢加热至Ac1~Ac3（亚共析钢）或Ac1~Accm（过共析钢），经保温缓慢冷却以获得近于平衡组织亚共析钢—软化退火过共析钢—球化退火二、常用的退火工艺方法过共析组织为珠光体和网状的二次渗碳体。由于网状二次渗碳体的存在，增加了钢的硬度和脆性，不仅给切削加工带来困难，而且会引起淬火时工件产生变形和开裂。球化退火工艺：将过共析钢加热到Ac1+30-50℃，保温后，缓慢冷却。4、球化退火

应用：过共析碳钢和合金钢的刀具、模具、量具、轴承等零件。

目的：降低硬度，改善切削加工性，为最终淬火作准备。4、球化退火由于加热到Ac1+30-50℃，此时未溶的渗碳体小质点可作为冷却时渗碳体析出的核心，使渗碳体发生球化，变成球状或粒状渗碳体长大，故称为球化退火。由于加热温度在Ac1+30-50℃，钢组织没有全部奥氏体化，故称为不完全退火。4、球化退火经过球化退火的过共析钢，可获得铁素体与球状渗碳体的混合组织，叫做“球化体”，163HB。有的钢种一次球化退火难以达到球化目的，可采用循环退火法（或称周期退火法）进行球化。4、球化退火影响碳化物球化的因素①化学成分的影响含碳越高—碳化物数量越多，在较宽的奥氏体化温度范围内加热易与球化；②原始组织的影响（类型、晶粒粗细、自由铁素体等）；③加热温度与保温时间：T↑、t↑→易出现片P；4、球化退火常见的球化退火工艺①一次球化退火:加热至Ac1以上20℃，以3~5℃/h冷却；②等温球化退火：加热至Ac1以上20℃，＜Ar1等温；③往复（周期）球化退火：Ac1、Ar1上下交替保温去应力退火又叫消除内应力退火，低温退火。目的：主要用于消除铸件、锻件及焊接件、

热轧件的内应力。否则，会引起钢件在一定时间后产生变形，降低耐蚀性。消除因冷加工或切削加工及热加工后，快冷而引起的残余应力，避免变形和开裂

5、去应力退火去应力退火工艺：将钢件随炉缓慢加热（100-150℃/小时），到500-600℃（<A1），经过一段时间保温后，随炉缓慢冷却（冷速50-100℃/小时）到300-200℃以下出炉。

5、去应力退火将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象目的:消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析加热温度：Ac3或Accm以上150~300℃注：高温加热—晶粒粗大—需再进行一次正常的完全退火或正火6.扩散退火—均匀化退火7.再结晶退火将冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化目的：恢复塑韧性、降低硬度形变量T再再结晶退火温度§7-3钢的正火一、概述1.定义:将钢加热至Ac3或Accm以上30～50℃保温，在空气中冷却。得到珠光体类组织的热处理工艺。适用于碳素钢及低、中合金钢，而不适用于高合金钢。原因：高合金钢奥氏体非常稳定，C曲线很靠右，空冷也碰不到鼻子，即使在空气中也能淬火。这些钢成为“空淬钢”或“自硬钢”，也叫“马氏体钢”。§7-3钢的正火2.目的：①细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使组织正常化；②提高普通结构零件的机械性能。③用于低碳钢，提高硬度，改善钢的切削加工性能；④用于中碳钢，代替调质处理，为高频淬火做准备，大大降低成本。⑤用于高碳钢，消除网状碳化物，便于球化退火；⑥用于大件热处理，代替淬火⑦不太重要的的工件，在正火状态使用，性能有所提高。应用取代部分完全退火用于普通结构件的最终热处理用于过共析钢，以减少或消除二次渗碳体呈网状析出§7-3钢的正火二、退火和正火的组织区别1）正火P组织比退火状态的片层间距小，P领域小；2）加热温度与完全退火相似，但正火冷速较快，转变温度较低，会出现伪共析组织；3）合金钢中的cem稳定，不易充分固溶到A中，故退火、正火后均不易形成片层状P，而呈粒状P。正火后粒状cem较退火的细，故硬度较高；4）正常规范下退火、正火均使钢的晶粒细化。但如果加热温度过高，使A晶粒粗大，在正火后极易形成魏氏组织，在退火后则形成粗晶粒组织。§7-3钢的正火三、退火和正火的选用1.c0.25%采用正火代替退火；2.c=0.25~0.5%可用正火代替退火3.c=0.5~0.75%一般采用完全退火4.c0.75%球化退火为预备热处理如有网状二次渗碳体应先正火除之5.合金钢—完全退火§7-3钢的正火四、退火和正火缺陷1.过烧；由于加热温度过高，出现晶界氧化，甚至局部晶界融化，造成过烧。过烧钢件只能作废。过烧现象§7-3钢的正火2.退火后硬度偏高；出现在含碳量大于0.45%的中高碳钢，由于退火时的加热温度低，冷却太快，出现索氏体、托氏体、甚至贝氏体、马氏体组织。或者球化退火时，等温温度过低，球化不充分，碳化物弥散度过大，可通过重新退火加以消除。3.出现粗大W；由于加热温度过高造成的。温度高，晶粒粗大，冷却速度较低时。易出现魏氏组织。消除：采用稍高于Ac3的加热温度，使先共析相溶解，采用合适的冷却速度冷却。W严重时，采用双重正火来消除。§7-3钢的正火4.墨脆（石墨化）:碳素工具钢或低合金工具钢在退火后，有时发现硬度虽然很低，但脆性却很大，一折即断，端口呈灰黑色，所以叫“墨脆”。其实质是部分渗碳体在退火过程中发生了石墨化。金相组织特点是在石墨碳周围，形成大块铁素体。产生墨脆的原因主要是由于退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，珠光体转变按更稳定的Fe-C平衡图进行所致。钢中含碳量过高，含锰量过低，以及石墨化元素Si、A1等含量过多等均能促进石墨化。碳素工具钢的终锻温度高（>1000C）且冷却太慢，多次返修退火也可使部分渗碳体分解成石墨。出现这种缺陷只能报废，不能返修。§7-3钢的正火T12钢退火黑脆现象5.球化不均匀；工具钢球化退火时，往往会出现球化不完全的组织缺陷。这主要是由于球化温度过低、保温时间太