退火和正火 2.doc

熱處理原理及工藝 第九章 退火和正火第一節(jié) 退火1第二節(jié) 常用退火工藝方法1第三節(jié) 正火5第四節(jié) 退火、正火的缺陷6第九章 退火和正火退火和正火是鋼件熱處理的基本工序，當主要用于零件的鑄、鍛、焊工件的毛坯或半成品，消除冶金及熱加工過程中產生的缺陷，并為以后的機械加工及熱處理準備良好的組織狀態(tài)，因此把退火和正火稱為預先熱處理。所得到的均為珠光體型組織，即鐵素體和滲碳體的機械混合物。正火與退火比較，正火由于冷卻速度較快，所獲得的珠光體量較多(偽共析)，片層較細，強度、韌性較高，比退火狀態(tài)具有較好的綜合力學性能，且工藝過程簡單，因此有時也作為對力學性能要求不高的工件的最終熱處理。鋼的退火與正火工藝需遵循奧氏體形成和珠光體轉變的基本規(guī)律。第一節(jié) 退火 一、定義：將組織偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到適當?shù)臏囟?，保持一定時間，然后緩慢冷卻以達到或接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝稱為退火。 二、目的：1、消除偏析，均勻化學成分；2、降低硬度，便于切削加工；3、改善機械性能及工藝性能；4、消除或減少內應力，消除加工硬化，以便進一步冷變形加工；5、改善高碳鋼中碳化物形態(tài)和分布，為零件最終熱處理做好組織準備。三、分類：1、按加熱溫度可分為兩大類：一類是在臨界溫度()以上，這類退火也稱相變重結晶退火，包括完全退火、不完全退火、擴散退火、球化退火等；另一類是在臨界溫度以下，這類退火也稱低溫退火，包括軟化退火、再結晶退火、去應力退火等。這兩類退火與狀態(tài)圖的關系如圖9-1。按冷卻方式分為連續(xù)冷卻退火及等溫退火。第二節(jié) 常用退火工藝方法 一、擴散退火 1、定義：為了減少金屬鑄錠、鑄件、鍛坯或的化學成分的偏析和顯微組織的不均勻性(枝晶偏析，是軋材中帶狀組織的產生原因)，將其加熱到略低于固相線的溫度，長時間保溫，然后緩慢冷卻，以達到化學成分和組織均勻化的目的的退火工藝，稱為擴散退火或均勻化退火。如圖9-2。 2、特點：溫度高，需加熱到或以上150300(具體加熱溫度視鋼種及偏析程度而定)，溫度過高影響加熱爐壽命，并使鋼件燒損過多，碳鋼一般是11001200，合金鋼一般為12001300；保溫時間長(10h以上，不超過15h，否則氧化損失嚴重)；生產周期長，能耗大，成本高；工件易過熱和燒損；擴散退火后的晶粒非常粗大，往往隨后還需要再進行完全退火或正火來細化晶粒。對鑄錠來說，尚需壓力加工，而壓力加工可以細碎晶粒，不必在擴散退火后再補充一次完全退火。3、應用：多用于優(yōu)質合金鋼(擴散退火對硫、磷含量低而偏析程度又小的優(yōu)質鋼是沒有實際意義的)及偏析現(xiàn)象嚴重的合金。不輕易采用，很少專門進行擴散退火。鋼廠一般是在鍛軋前加熱時適當延長保溫時間，達到擴散退火的目的。4、注意：為了改善及消除有害的偏析，單純利用熱處理的方法是不可能完全解決的。如區(qū)域偏析只能依靠合金化，控制與改善澆注工藝及進行必要的壓力加工等措施加以解決。均勻化退火的任務在于消除枝晶成分偏析，改善某些可以溶入固溶體夾雜物(如硫化物)的狀態(tài)，從而使鋼的組織與性能趨于均一。二、脫氫退火(去氫退火)為了防止鋼從熱形變加工的高溫冷卻下來時，由于溶解在鋼中的氫析出而導致內部開裂(白點)，趁熱加工結束的高溫直接進行的退火。氫(高溫下固溶于鋼中)存在的形式：原子氫：溶解于固溶體中，是造成鋼中出現(xiàn)白點缺陷的主要危險。用退火可以使固溶氫脫溶，鋼中加入與氫易形成化合物的鈦、鋯、釩、鈮、鑭、鈰等元素亦可使固溶氫減少。分子氫：存在于亞晶界、位錯、晶粒邊界及宏觀區(qū)域中，不易自鋼中擴散析出，也不會造成白點。這類分子狀態(tài)的氫只能在以后的鍛、軋等壓力加工過程中消除。碳鋼一般不會產生白點，而合金鋼在鍛軋后的冷卻過程中則容易產生白點。對尺寸較小的鍛軋件，只要在鍛軋后放入緩冷坑中緩冷即可防止白點形成，而尺寸較大的鍛軋件則須進行去氫退火。圖9-3指出，氫在鐵中溶解度隨溫度下降而降低，同時在同樣溫度下氫在體心立方點陣中()溶解度小，而在面心立方點陣的中溶解度高。圖9-4可以看出氫在鐵中的擴散系數(shù)除隨溫度升高而增大外，也與點陣類型有關。也可看出氫在中擴散系數(shù)比在中大得多。為了使鋼中的固溶氫脫溶，應當選擇在使氫的溶解度達到最小的組織狀態(tài)，同時又應使氫在鋼中的擴散速度盡可能高的溫度，所以一般可在奧氏體等溫分解的過程中長期保溫來完成。對大型鍛件，為鍛后盡快消除白點，應冷卻到珠光體轉變速度最高的那個溫度范圍(C曲線上的鼻尖溫度區(qū))，以盡快獲得鐵素體與碳化物的混合組織。同時，在此溫度長時間保溫或再加熱到低于A1的較高溫度下保溫，進行脫氫處理。對于高合金鋼，也可在鍛后首先進行一次完全退火，以改善組織，細化晶粒，使氫的分布更加均勻，并降低奧氏體的穩(wěn)定性，從而有利于白點的消除。因為氫在鐵素體中的溶解度小而擴散速度又大，所以鐵素體是最有利的排氫組織。因此，可根據(jù)鋼件材料的C曲線制訂去氫退火工藝。例如圖9-5所示的某一中合金鋼件的去氫退火工藝。由于珠光體和貝氏體都是含鐵素體的兩相組織，都有利于排氫，但在貝氏體區(qū)轉變的孕育期短，過冷奧氏體能很快轉變?yōu)樨愂象w，而迅速排出一部分氫，然后再升高溫度，提高氫的擴散能力而加快排氫速度。 脫氫退火實質也是擴散退火的一種。但擴散退火經常用來特指均勻化退火。由于脫氫退火的保溫溫度在C曲線的鼻尖處，低于，屬于低溫退火一類。 三、完全退火 定義：將鋼件或鋼材加熱到以上2030，使之完全奧氏體化，保溫一定時間后，緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的一種熱處理工藝。目的：細化晶粒、消除內應力、降低硬度、提高塑性，改善切削加工性能，為冷加工和后續(xù)熱處理做準備。適用鋼種成分：含碳0.300.6%的亞共析成分的中碳鋼和合金鋼。低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火。低碳鋼完全退火后硬度偏低，不等于切削加工。過共析鋼完全退火，加熱溫度在以上，會有二次滲碳體沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，使鋼的強度、塑性和韌性顯著降低。適用的加工狀態(tài)：主要用于鑄、鍛件、熱軋型材及一些焊接構件。 四、不完全退火 將鋼件加熱至或之間，使之不完全奧氏體化，經保溫并緩慢冷卻，以獲得接近平衡的組織的熱處理工藝。 由于加熱溫度是在兩相區(qū)，故只發(fā)生部分再結晶。加熱溫度比完全退火低，可節(jié)省時間和減少能耗。如果亞共析鋼的鍛軋溫度適當，未引起晶粒粗化，可采用不完全退火，使珠光體重結晶，但基本上不改變先共析體原來的形態(tài)及分布，目的在于降低內應力、硬度。由于不完全退火所采取的溫度較完全退火低，過程時間也較短，因而是比完全退火要經濟。如果不需要通過完全重結晶去改變鐵素體和珠光體的分布及晶粒度(如魏氏組織等)，則總是采用不完全退火代替完全退火。過共析鋼的不完全退火，實質上是球化退火的一種。 五、等溫退火 完全退火所需時間很長，特別是對于某些奧氏體比較穩(wěn)定的合金鋼，往往需要幾十個小時，這了縮短退火時間，可采用等溫退火。 等溫退火是將鋼件加熱到高于或溫度，保持適當時間后，較快地冷卻到珠光體溫度區(qū)間的某一溫度等溫保持，使奧氏體進行珠光體等溫轉變的退火工藝。等溫退火與完全退火或不完全退火目的相同，加工工藝也一樣，只是在冷卻過程中于稍下的溫度有一段等溫停留。圖9-6是高速鋼的完全退火與等溫退火的比較，可見等溫退火所需時間比完全退火縮短很多，退火周期從近20h縮短為幾個小時。 以下等溫溫度，根據(jù)要求的組織和性能而定。等溫溫度越高，越靠近，則所得到的珠光體組織越粗大，鋼的硬度就越低。六、球化退火1、定義：球化退火是使鋼中的碳化物球化，或獲得球狀或粒狀珠光體的退火工藝。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鋼的硬度軟化，如T10鋼經球化退火后硬度可由熱軋后的HB255321下降到HB197，從而切削加工性提高。b、改善淬火工藝性能。球化體與相應的珠光體比較，強度和硬度較低，塑性較好，淬火時不易過熱，淬火變形和開裂傾向小，具有良好的淬火工藝性能。為淬火做好工藝準備。c、為最終熱處理(淬火回火)獲得良好的綜合機械性能做好組織準備。球化體淬火后所獲得的細小馬氏體上彌散分布著粒狀碳化物的組織，具有較高的耐磨性、接觸疲勞強度和斷裂韌性。3、適用對象：主要適用于含碳大于0.6%高碳(教材0.5%)的各種高碳工模具鋼、軸承鋼等。為改善冷變形工藝性，有時也用于低中碳鋼。近年來，球化退火應用于亞共析鋼也取得較好的效果，只要工藝控制恰當，同樣可使?jié)B碳體球化，從而有利于冷成形加工。低碳鋼球化退火后硬度過低，切削時粘刀，但由于碳化物球化，大大改善冷變形的加工性能。4、工藝：常用的球化退火工藝有普通球化退火和等溫球化退火，如圖9-7。其加熱溫度相同，均為以上2030，所不同的是，普通球化退火加熱充分保溫使二次滲碳體球化后，隨爐緩慢冷卻，冷至600左右出爐空冷；而等溫球化退火加熱保溫后快冷至在以下20左右進行較長時間保溫，使珠光體中的滲碳體球化，再冷至600左右出爐空冷。若過共析鋼原始組織中有較嚴重的網(wǎng)狀滲碳體，在球化退火之前應進行一次消除粗大的網(wǎng)狀滲碳體正火。5、球化機理片狀滲碳體的表面積大于同樣體積的粒狀滲碳體，因此從能量考慮，滲碳體的球化是一個自發(fā)的過程。另外，根據(jù)膠態(tài)平衡理論，第二相質點的溶解度與質點的曲率半徑有關，曲率半徑越小，其溶解度越高，片狀滲碳體的尖角處的溶解度高于平面處的溶解度。這就使與尖角處接壤的鐵素體中碳濃度大于與平面接壤處的碳濃度，即在滲碳體周圍的鐵素體內形成了碳的濃度梯度，引起了碳的擴散。擴散的結果破壞了界面上碳濃度的平衡。為了恢復平衡，滲碳體尖角處將進一步溶解，滲碳體平面將向外長大，如此不斷進行，最后形成了各處曲率半徑相近的粒狀滲碳體。片狀滲碳體的斷裂還與滲碳體片內的晶體缺陷如亞晶界、位錯等有關。圖9-8表明由于滲碳體片內存在亞晶界而引起滲碳體的斷裂。亞晶界的存在將在滲碳體內產生界面張力，從而使片狀滲碳體在亞晶界處出現(xiàn)溝槽，溝槽兩側將成為曲面。與平面相比曲面具有較小的曲率半徑，因此溶解度較高，曲面處的滲碳體將溶解，而使曲率半徑增大，破壞了界面張力的平衡。為恢復平衡，溝槽將進一步加深。如此不斷進行，直至滲碳體片溶穿，斷為兩截，然后再通過尖角溶解而球化。同理，這種片狀滲碳體斷裂現(xiàn)象，在滲碳體中的位錯密度高的區(qū)域也會發(fā)生。圖9-10所示在以下片狀滲碳體的球化是通過滲碳體片的破裂、斷開而逐漸成為球狀的。 七、再結晶退火 1、定義：金屬經過冷變形后，再加熱到再結晶溫度以上，保持適當時間，使形變晶粒重新轉變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，以消除形變強化和殘余應力的熱處理工藝。 2、目的：是消除冷作硬化，提高塑性，改善切削性能及壓延成型性能。 3、加熱溫度：再結晶溫度被定義為在一定時間內完成再結晶所對應的溫度，通常規(guī)定在一小時內，再結晶完成95%所對應的溫度即為再結晶溫度，或稱一小時再結晶溫度。再結晶退火的加熱溫度通常比理論再結晶溫度高100150，一般鋼材650700，銅合金為600700，鋁合金為350400。再結晶溫度隨形變量的增加而降低，最后趨于一個穩(wěn)定極限值。此極限值稱為再結晶溫度限，對工業(yè)純金屬講，此溫度限與它的熔點之間存在下列經驗關系 4、應用：此工藝用于需要進一步冷變形鋼件的中間退火，或冷變形鋼件的最終熱處理。 八、去應力退火 定義：為了消除冷加工以及鑄造、焊接過程中引起的殘余內應力而進行的退火。 目的：降低硬度，提高尺寸穩(wěn)定性，防止工件的變形和開裂。 注意：去應力退火一般在稍高于再結晶溫度下進行，如鋼鐵材料一般在550650。對熱模具鋼及高速鋼則提高到650750。鋼的去應力退火加熱溫度范圍較寬，根據(jù)材料成分、加工方法、內應力大小及分布的不同而定，但不能超過點。例如，低碳結構鋼鍛后，如果硬度不高，適于切削加工，可不進行正火，而在500左右進行去應力退火；中碳結構鋼為避免調質時發(fā)生淬火變形，需在切削加工或最后熱處理前進行500650的去應力退火；對切削加工量大，形狀復雜而要求又嚴格的刀具、模具，需要在粗加工及半精加工之間，淬火之前，進行600700、24h的去應力退火；經過熱處理的彈簧鋼絲在繞制成彈簧后，為了消除應力防止變形，常在250350退火。為了避免在冷卻時產生新的應力，去應力退火后的冷卻應盡量緩慢。大型工具或機械部件采取的冷卻速度甚至要控制為每小時幾度。第三節(jié) 正火 一、定義：將鋼件加熱到或以上一定溫度，保溫適當時間后，在空氣中冷卻的熱處理工藝。如圖9-1。 二、加熱溫度：一般為或以上3050，但含有強碳化物形成元素的V、Ti、Nb等的鋼，如20CrMn Ti，為了加速合金碳化物的溶解和奧氏體均勻化而采用以上120150的高溫正火。低碳鋼也需高溫正火，因為按正常溫度正火后，自由鐵素體量仍過多，硬度過低，切削性能仍較差，為了適當提高硬度，需要提高加熱溫度，可比高100，以增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，而且應該增大冷卻速度，以獲得較細的珠光體和分散度較大的鐵素體。 三、與退火的比較：正火和退火所得的都是珠光體型組織，但正火的珠光體是較大的冷卻速度下得到的，因而先共析產物(鐵素體、滲碳體)來不及充分析出，即先共析相數(shù)量較退火的少，偽共析珠光體數(shù)量較多；珠光體片間距較?。粚^共析鋼還可抑制先共析網(wǎng)狀滲碳體的析出；因而正火后的強度與韌性較高。 四、用途：1、鋼材及鑄、鍛件用正火細化晶粒，消除魏氏組織或帶狀組織，為后續(xù)熱處理作好組織準備。2、低碳鋼和某些低碳低合金鋼結構鋼的預先熱處理，即用正火提高硬度，改善切削性能；3、某些作為普通結構零件的中碳鋼的最終熱處理，即有正火代替調質調質處理，獲得較好的綜合力學性能；4、高碳鋼用正火消除組織中的網(wǎng)狀碳化物，為球化退火和后一步熱處理做好組織準備。 注意：某些高合金鋼在空氣中冷卻時可以實現(xiàn)空冷淬火，即過冷奧氏體在空冷時發(fā)生了馬氏體或貝氏體轉變。 這時盡管是空冷，也不屬于正火的工藝范疇。 小結：為改善鋼的切削加工性能，低碳鋼用正火；中碳鋼最好采用退火，但也可用正火；高碳鋼用球化退火，且過共析鋼在球化退火前采用正火消除網(wǎng)狀二次滲碳體。第四節(jié) 退火、正火的缺陷 退火或正火時由于工藝參數(shù)或控制不當，會出現(xiàn)一些與預期目的相反的組織，造成缺陷。常見的缺陷有過燒、黑脆、粗大魏氏組織等。 一、過燒 由于加熱溫度過高，出現(xiàn)晶界氧化，甚至晶界局部熔化，造成工件報廢。 二、退火石墨碳及黑脆 定義：碳素工具鋼或低合金工具鋼在退火后，在鋼中出現(xiàn)石墨碳，并在周圍形成大塊低碳的鐵素體。此時硬度雖然很低，但脆性很大，嚴重時斷口呈灰黑色，稱為黑脆。如圖9-9。出現(xiàn)退火石墨碳工件只有報廢。 危害：由于石墨對基體的分割作用，降低了