第4章 退火與正火

1、第二章 退火和正火n教學(xué)目的：掌握退火和正火的熱處理工藝、目的等。n主要內(nèi)容：退火和正火的基本含義、特點(diǎn)、目的、工藝原理、工藝的選擇等。n重點(diǎn)內(nèi)容：退火和正火的熱處理工藝、目的、原理。前 言n金屬熱處理工藝： 將工件放在一定的介質(zhì)中加熱、保溫、冷卻，通過(guò)改變金屬及合金表面或內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)來(lái)控制其性能的工藝方法。n金屬熱處理工藝學(xué)： 在一般固態(tài)相變?cè)砘A(chǔ)上，著重研究鋼鐵熱處理工藝、原理對(duì)組織性能的影響規(guī)律。不同冷卻速率對(duì)45鋼力學(xué)性能的影響 冷卻方式 力 學(xué) 性 能 b（MPa）s（MPa）（%）（%）硬度（HRC）隨爐冷卻51927232.54915-18空氣冷卻657-70633315-1

2、845-5018-24油冷卻88260818-204840-50水冷卻10787067-812-1452-60一 確定加熱規(guī)范的一般原則n熱處理基本工藝參數(shù)熱處理基本工藝參數(shù)：加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)。它們決定了加熱后金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)及各相成分。n工件熱處理加熱規(guī)范：工件熱處理加熱規(guī)范：由所選定的材料及工件的形狀、尺寸決定，同時(shí)還與所采用的加熱裝置的功率、加熱方式、裝爐數(shù)量、熱處理工藝要求等因素有關(guān)。1、加熱溫度的確定、加熱溫度的確定（1）確定加熱溫確定加熱溫度的依據(jù)度的依據(jù)： 金屬及合金的狀態(tài)圖，具體材料的熱處理工藝可查有關(guān)手冊(cè)。（2）加熱溫度的確定：n理論依據(jù)：相變臨界點(diǎn)、

3、再結(jié)晶溫度。n具體依據(jù)：工件的熱處理目的，并受工件的原材料、尺寸、加工過(guò)程等的影響。n選擇加熱溫度是一個(gè)較復(fù)雜的多因素問(wèn)題，如圖1-1中的程序方框圖。（3 3）加熱溫度不當(dāng)導(dǎo)致的熱處理缺陷）加熱溫度不當(dāng)導(dǎo)致的熱處理缺陷n過(guò)燒：過(guò)燒：在粗大晶粒的晶界上出現(xiàn)局部熔化或氧化現(xiàn)象。如在粗大晶粒的晶界上出現(xiàn)局部熔化或氧化現(xiàn)象。如高速鋼，過(guò)燒會(huì)在晶界上產(chǎn)生萊氏體共晶，極易導(dǎo)致淬火高速鋼，過(guò)燒會(huì)在晶界上產(chǎn)生萊氏體共晶，極易導(dǎo)致淬火開(kāi)裂。開(kāi)裂。n過(guò)熱過(guò)熱：加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致奧氏體晶粒劇：加熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致奧氏體晶粒劇烈長(zhǎng)大，在以后的退火或正火過(guò)程中形成粗大的鐵素體、烈長(zhǎng)大，在以后的

4、退火或正火過(guò)程中形成粗大的鐵素體、馬氏體等，晶間存在著明顯的顯微裂紋，易導(dǎo)致淬火開(kāi)裂。馬氏體等，晶間存在著明顯的顯微裂紋，易導(dǎo)致淬火開(kāi)裂。且晶粒粗化使材料的韌性、強(qiáng)度降低。且晶粒粗化使材料的韌性、強(qiáng)度降低。n欠熱欠熱：加熱不足時(shí)，未充分奧氏體化，鋼中的第二相未能：加熱不足時(shí)，未充分奧氏體化，鋼中的第二相未能完全溶解、冶煉或熱加工過(guò)程中的缺陷不能完全消除，會(huì)完全溶解、冶煉或熱加工過(guò)程中的缺陷不能完全消除，會(huì)發(fā)生淬火軟點(diǎn)、硬度不均或不足、紅硬性下降等。發(fā)生淬火軟點(diǎn)、硬度不均或不足、紅硬性下降等。T12鋼 過(guò)燒 晶粒粗大，晶界氧化，部分晶界熔化形成裂紋2、加熱速度的確定n依據(jù)依據(jù)：主要由被加熱工件在

5、單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所接：主要由被加熱工件在單位時(shí)間內(nèi)、單位面積上所接受的熱能來(lái)確定。且受材料的成分、工件的尺寸、以及熱受的熱能來(lái)確定。且受材料的成分、工件的尺寸、以及熱處理工藝要求的不同所制約。處理工藝要求的不同所制約。鋼在加熱時(shí)加熱速度越快，相變臨界點(diǎn)的溫度提高越多，鋼在加熱時(shí)加熱速度越快，相變臨界點(diǎn)的溫度提高越多，奧氏體形成的各個(gè)階段均移向較高的溫度，完成奧氏體化的奧氏體形成的各個(gè)階段均移向較高的溫度，完成奧氏體化的時(shí)間越短。并使奧氏體形成時(shí)的起始晶粒細(xì)化，隨之淬火可時(shí)間越短。并使奧氏體形成時(shí)的起始晶粒細(xì)化，隨之淬火可使工件具有高的表面硬度、強(qiáng)度、耐磨性，塑韌性也較高。使工件具有高的表

6、面硬度、強(qiáng)度、耐磨性，塑韌性也較高。但快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生變形、扭曲、開(kāi)裂。但快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力大，易產(chǎn)生變形、扭曲、開(kāi)裂。（1 1）允許的加熱速度：允許的加熱速度：與鋼的化學(xué)成分、工件尺寸及加熱與鋼的化學(xué)成分、工件尺寸及加熱的溫度范圍有關(guān)?？捎脗鳠釋W(xué)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，并考慮的溫度范圍有關(guān)?？捎脗鳠釋W(xué)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，并考慮塑性的影響。塑性的影響。（2 2）可能的加熱速度可能的加熱速度：取決于加熱設(shè)備的熱量、加熱介質(zhì)：取決于加熱設(shè)備的熱量、加熱介質(zhì)的類(lèi)型、加熱方式等。的類(lèi)型、加熱方式等。 加熱方式加熱方式：隨爐加熱、預(yù)熱加熱、到溫入爐加熱、高溫入：隨爐加熱、預(yù)熱加熱、到溫入爐加熱、

7、高溫入爐加熱。四種方式加熱速度不同。爐加熱。四種方式加熱速度不同。（3 3）快速加熱：直徑）快速加熱：直徑700mm700mm適用快速加熱。對(duì)于大型工適用快速加熱。對(duì)于大型工件，在件，在700700 C C以下時(shí)采用低的加熱速度（以下時(shí)采用低的加熱速度（20 0.5%）。n獲得均勻組織，改善熱處理工藝性能。因?yàn)椋汗ぞ咪撘蟠慊鹎暗脑冀M織為球狀珠光體，以減少淬火加熱時(shí)的變形開(kāi)裂等。1.原始組織為球狀珠光體時(shí)，經(jīng)淬火、回火后能獲得良好的綜合力學(xué)性能。片狀珠光體的球化過(guò)程片狀珠光體的球化過(guò)程n將片狀珠光體加熱到略高于A1溫度保溫，將使片狀珠光體球化，獲得球狀珠光體的熱處理過(guò)程稱(chēng)為球化退火。n片狀滲

8、碳體球化過(guò)程及原因：第二相顆粒在其基體中的溶解度和其曲率半徑有關(guān)。n加熱溫度：把退火鋼加熱到低于Ac1點(diǎn)1030C，n保溫時(shí)間：長(zhǎng)時(shí)間保溫，使碳化物由片狀變成球狀，即片狀滲碳體球狀化。幾十到100小時(shí)。n冷卻速度：A cm高溫固溶處理，高溫固溶處理，A1高溫回火，高溫回火，得完全均勻的球化組織。得完全均勻的球化組織。n定義：將金屬鑄錠、鑄件或鍛坯，在略低于固相線(xiàn)的溫度下長(zhǎng)期加熱，消除或減少化學(xué)成分偏析及顯微組織的不均勻性，以達(dá)到均勻化目的，然后以一定的速度冷卻的熱處理工藝。n目的：消除或減少在冶金過(guò)程中形成的化學(xué)成分偏析及顯微組織的不均勻性，避免軋制時(shí)的帶狀偏析。改善合金鋼的切削加工性能。n應(yīng)

9、用：優(yōu)質(zhì)合金鋼、重要鑄鋼件及偏析現(xiàn)象較為嚴(yán)重的合金。n特點(diǎn)：高溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫，緩慢冷卻到室溫。過(guò)程進(jìn)行的很慢，消耗能量多，生產(chǎn)率低，需長(zhǎng)程擴(kuò)散，只有在必要時(shí)才應(yīng)用。 鋼件擴(kuò)散退火工藝：n溫度：Ac3、Accm以上150250C，碳鋼一般為11001200C，合金鋼一般為12001300Cn加熱速度：100120C/hn保溫時(shí)間：按工件的有效截面厚度計(jì)算23min/mm，一般不超過(guò)15h 。n冷卻速度：碳鋼隨爐冷卻到600C以下時(shí)出爐空冷。高合金鋼及高淬透性鋼隨爐冷卻到350C左右出爐。 n組織：擴(kuò)散退火后晶粒粗大，細(xì)晶方法：亞共析鋼補(bǔ)充一次完全退火，選擇合適的冷卻速度，避免魏氏組織出現(xiàn)；過(guò)共析

10、鋼進(jìn)行球化退火，消除網(wǎng)狀滲碳體；壓力加工細(xì)碎晶粒。六、再結(jié)晶退火和消除應(yīng)力退火六、再結(jié)晶退火和消除應(yīng)力退火n再結(jié)晶退火再結(jié)晶退火：經(jīng)過(guò)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶：經(jīng)過(guò)冷變形后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上，保溫一定時(shí)間，使形變晶粒重新轉(zhuǎn)變溫度以上，保溫一定時(shí)間，使形變晶粒重新轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘余應(yīng)力為均勻的等軸晶粒，以消除形變強(qiáng)化和殘余應(yīng)力的熱處理工藝。的熱處理工藝。n形變強(qiáng)化：形變強(qiáng)化：材料在外力作用下因塑性變形而產(chǎn)生材料在外力作用下因塑性變形而產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象的加工硬化現(xiàn)象 。n再結(jié)晶退火的目的：消除冷作硬化，提高塑性，再結(jié)晶退火的目的：消除冷作硬化，提高塑性，降低硬度

11、，改善切削加工性能及延展性。降低硬度，改善切削加工性能及延展性。冷變形金屬在隨后的加熱過(guò)程中的組織和性能的變化冷變形金屬在隨后的加熱過(guò)程中的組織和性能的變化1.硬度硬度 2.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 3.屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 4.內(nèi)應(yīng)力內(nèi)應(yīng)力 5.延伸率延伸率 6.斷面收縮率斷面收縮率 7.再結(jié)晶晶粒大小再結(jié)晶晶粒大小C0.1% 鋼形變及再結(jié)晶退火后的組織變化鋼形變及再結(jié)晶退火后的組織變化n再結(jié)晶退火在高于再結(jié)晶溫度進(jìn)行。再結(jié)晶退火在高于再結(jié)晶溫度進(jìn)行。n臨界變形量：為產(chǎn)生再結(jié)晶所需的最小變形量，臨界變形量：為產(chǎn)生再結(jié)晶所需的最小變形量，鋼一般為鋼一般為610%，再結(jié)晶溫度隨變形量的增加，再結(jié)晶溫度隨變形

12、量的增加而降低。而降低。n去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火：為去除由于形變加工、鍛造、焊：為去除由于形變加工、鍛造、焊接等所引起的、或鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)接等所引起的、或鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火。行的退火。n應(yīng)用：各類(lèi)鑄件在機(jī)械加工前應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力應(yīng)用：各類(lèi)鑄件在機(jī)械加工前應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力的退火，并緩慢冷卻，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。的退火，并緩慢冷卻，以免產(chǎn)生新的應(yīng)力。第二節(jié) 鋼的正火n定義：將鋼加熱到臨界點(diǎn)以上適當(dāng)溫度，保溫一定時(shí)間，進(jìn)行完全奧氏體化(鑄鐵：部分奧氏體化)，以較快速度冷卻，以獲得珠光體類(lèi)組織的熱處理工藝。n要求： 加熱溫度足夠高，一般要求獲得均勻的單相奧氏體組織。工件透燒均溫后再于空

13、氣中自然冷卻。n組織轉(zhuǎn)變：偽共析或平衡轉(zhuǎn)變。n正火目的及應(yīng)用：n細(xì)化晶粒，均勻組織，消除過(guò)熱缺陷。n過(guò)共析鋼正火可消除網(wǎng)狀滲碳體組織(C=0.6-1.4%)。n低碳鋼(C0.3%)：正火可提高硬度，改善切削加工性能。n消除某些熱處理缺陷。如粗大鐵素體、魏氏組織等。n可作預(yù)先熱處理：為下續(xù)熱處理提供適宜的組織；如為過(guò)共析鋼的球化退火提供細(xì)片狀珠光體。n可作最終熱處理：提供較好的綜合力學(xué)性能。n只適用于碳素鋼，低、中合金鋼;不適于高合金鋼。1.不太重要的工件，可在正火態(tài)使用。工藝參數(shù)：n加熱溫度：低碳鋼：Ac3+（100150）C； 中碳鋼：Ac3+（50100）C； 高碳鋼： Ac3+（3050

14、）C；n保溫時(shí)間： 電爐和火焰反射爐中：取決于工件透燒時(shí)間和完成組織轉(zhuǎn)變所需時(shí)間。一般：8.5+Q/4(h)， Q裝爐量。 亞共析鋼的鍛軋件：（34）+（0.40.5）Q(h)， 在鹽爐中的時(shí)間為0.5min/mm。合金鋼在此基礎(chǔ)上增加2030%的時(shí)間。n冷卻速度：一般在靜止的空氣中冷卻，為了提高硬度也可在流動(dòng)的空氣中冷卻。n正火時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題：1）低碳鋼正火的目的之一是為了提高切削性能。含碳量小于0.2%的鋼，應(yīng)提高加熱溫度、增大冷卻速度，可獲得較細(xì)的珠光體和分散度較大的鐵素體，以提高硬度。2）中碳鋼正火的目的是為了改善切削性能。3）高碳鋼正火的目的是為了消除網(wǎng)狀碳化物，所以應(yīng)采用較大的冷速

15、以獲得偽共析組織。n雙重正火：1）第一次正火在高于Ac3點(diǎn)以上150200C，以消除粗大組織。2）第二次正火以普通條件進(jìn)行，以細(xì)化組織。第三節(jié)第三節(jié) 退火、正火后鋼的組織和性能退火、正火后鋼的組織和性能組織：都是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。n正火后的珠光體片間距較小、珠光體團(tuán)直徑小、且可抑制過(guò)共析鋼中網(wǎng)狀滲碳體析出（偽共析）。n亞共析鋼：正火析出的先共析F較少，P較多。性 能：n40Cr鋼正火和退火后的力學(xué)性能：正火的強(qiáng)度和韌性較高，塑性變化不大。n過(guò)共析鋼：完全退火后有網(wǎng)狀滲碳體存在，其強(qiáng)度、硬度、韌性均低于正火。n球化退火：得球狀珠光體，綜合性能優(yōu)于正火。退火、正火工藝的選用退火、正火工藝

16、的選用n0.25%C以下的鋼，可用正火提高強(qiáng)度硬度；0.2%C以下的鋼采用高溫正火，形狀復(fù)雜的大型鑄件，用退火消除鑄造應(yīng)力。n0.250.35% C的鋼，采用正火以獲得好的切削性能； 0.350.5% C的鋼，采用正火以提高生產(chǎn)率，合金鋼采用完全退火（因C曲線(xiàn)右移）。n含碳量0.500.75%的鋼，含碳量較高，正火后硬度太高，采用完全退火后的硬度正好適宜于切削加工，此類(lèi)鋼的熱處理及加工工藝為： 完全退火切削加工(球化退火)淬火回火n含碳量0.751.0%的鋼： 彈簧鋼：完全退火得S，作預(yù)備熱處理，冷拔 工具鋼：球化退火作預(yù)備熱處理+淬火 或正火+不完全退火+淬火n含碳量大于1.0%的鋼，球化退

17、火作預(yù)備熱處理。n上述原則不適用于高合金鋼。合金鋼需用高溫回火降低硬度，便于切削加工。退火、正火處理應(yīng)用小結(jié)退火、正火處理應(yīng)用小結(jié)n主要用于共析和過(guò)共析鋼的預(yù)先熱處理。n主要用于含碳大于0.6%的各種高碳工模具鋼、軸承鋼等。為淬火做好組織準(zhǔn)備。n工具鋼原始組織為球狀珠光體時(shí)，經(jīng)淬火、回火后能獲得良好的綜合力學(xué)性能。n使片狀珠光體球化，以降低硬度，改善切削性能。含碳量高的鋼容易獲得球狀珠光體。n淬火馬氏體球化：淬火+高溫回火，球化速度快，球化組織均勻。 球化處理球化處理完全退火完全退火n主要用于亞共析鋼。n細(xì)化晶粒、增加塑性；消除內(nèi)應(yīng)力；n降低硬度、改善切削性能；n使原始組織完全改變，重新結(jié)晶，

18、改善金相組織，為下一步淬火做準(zhǔn)備；n用來(lái)處理中小型鑄鋼件、鍛件和熱軋鋼件，以消除其粗大晶粒和魏氏組織，細(xì)化晶粒。 不完全退火不完全退火n用于鍛造組織較好的鋼件的退火，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度以利于切削；n只改善珠光體組織的片間距及晶粒度；n可細(xì)化晶粒，但效果不如完全退火的好。n亞共析鋼只是使珠光體部分再進(jìn)行一次重結(jié)晶，退火后珠光體片間距增大，硬度降低，內(nèi)應(yīng)力降低。過(guò)共析鋼實(shí)質(zhì)上是球化退火。正火處理正火處理n當(dāng)退火前的原始組織要求為細(xì)片狀珠光體時(shí)，一般要先進(jìn)行一次正火處理。n過(guò)鋼析鋼中的二次碳化物呈網(wǎng)狀時(shí)很難球化，可在球化退火前進(jìn)行一次正火處理或高溫固溶處理。n為過(guò)共析鋼的球化退火提供細(xì)片狀珠光體。

19、n消除過(guò)共析鋼及合金鋼的網(wǎng)狀滲碳體組織。n消除某些處理缺陷。如消除粗大鐵素體、魏氏組織等。n可作預(yù)先熱處理：為下續(xù)熱處理提供適宜的組織；n可作最終熱處理：提供合適的力學(xué)性能。n中、低碳鋼可用正火改善切削加工性能。n所有的鋼鐵材料通過(guò)正火均可使鑄、鍛件的過(guò)熱晶粒細(xì)化，消除內(nèi)應(yīng)力。n正火后組織較細(xì)，比退火具有較好的綜合力學(xué)性能，且工藝簡(jiǎn)單。nC=0.40.7%的鋼件可在正火狀態(tài)下使用。nC0.4%的鋼，往往用正火代替完全退火。n鑄件：正火可以改善鑄件中的粗大晶粒，使之細(xì)化，并消除由于截面尺寸不同在結(jié)晶過(guò)程中產(chǎn)生的顯微組織的不均勻性。n含碳量小于0.2%的鋼，應(yīng)提高加熱溫度、增大冷卻速度，可獲得較細(xì)的珠光體和分散度較大的鐵素體，以提高硬度。正火處理正火處理第四節(jié) 退火、正火缺陷1、過(guò)燒：加熱溫度過(guò)高，使晶界氧化或局部熔化，工件報(bào)廢。2、黑脆：硬度雖低但脆性