葛利茲特鋼和工件熱處理之退火

退火一般是把鋼加熱到高于臨界溫度約20-30℃，保溫一定時間，隨后使其緩冷到室溫以獲得接近于平衡狀態(tài)組織的工藝。其目的在于：

使鋼的硬度降至接近最低值；
消除鋼的內(nèi)應(yīng)力；
使鋼的化學成分均勻以及細化鋼的晶粒、改善鋼的組織，為后續(xù)加工工序做準備。

正火是把鋼加熱到Ac3或Acem以上約30〜50°C,使其完全奧氏體化，并保溫一定時間使奧氏體均勻，然后在靜止空氣中冷卻。正火的目的是使鋼的成分均勻和組織細化，為以后熱處理工序準備有利的條件，或為了使鋼達到一定的力學性能。一般退火和正火工藝的區(qū)別除加熱溫度的高低外，更重要的是加熱保溫后冷卻速度的不同。如前所述，正火的冷卻速度以在靜止空氣中冷卻為準。退火的冷卻速度則較正火的為慢。對淬透性不高的鋼來說，退火后的組織應(yīng)為珠光體加先共析相（鐵素體或碳化物）或球化體，而正火后則可能有貝氏體出現(xiàn)。對淬透性高的鋼來說，如果奧氏體化后在靜止空氣中冷卻有馬氏體形成時，則不稱正火處理，有時稱作“空冷淬火”。退火時，也應(yīng)選擇合適的冷卻速度，避免產(chǎn)生硬的組織。由于正火較退火采用了較快的冷卻速度，若它們的組織都是珠光體，正火組織則比退火要細得多。因此正火的鋼具有較高的硬度和強度。

此外，常把某些低于臨界溫度以下的熱處理也稱做退火，例如消應(yīng)力退火、軟化退火或再結(jié)晶退火等等。退火工藝應(yīng)根據(jù)退火的目的來決定。退火成功與否，幾乎完全取決于奧氏體的形成和均勻化，以及隨后緩慢冷卻時奧氏體在適當過冷情況下的分解。

經(jīng)過熱加工（鍛軋）緩慢冷卻下來的鋼，其金相組織為鐵素體和碳化物的混合組織，其碳化物含量多少及分布情況一般決定于鋼的化學成分、停鍛或停軋溫度以及冷卻速度等。如將具有此種組織的鋼加熱到Ac1及Ac3 (Acem)之間，并保持足夠的時間，除形成奧氏體外，還將含有一部分鐵素體或碳化物。對于亞共析鋼而言，加熱到上述溫度范圍時，其中的碳化物將迅速地固溶于奧氏體中，并保留一部分鐵素體。而過共析鋼，除碳化物溶入奧氏體使達飽和狀態(tài)外，還# 留存一部分碳化物，此種留存的碳化物在適當條件下將集聚球化。若加熱溫度高于Ac3或Accm則將形成單相的奧氏體組織。但一些高碳高合金鋼，如高碳高鉻冷作模具鋼等由于其中的特殊碳化物十分穩(wěn)定，不易溶入奧氏體中，以致加熱溫度雖然高于Acem并保持較長時間，也難獲得單一的奧氏體組織。奧氏體在高溫時的均勻程度、晶粒大小以及是否有碳化物顆粒存在，對鋼的退火組織有決定性的影響。單相均勻的奧氏體緩冷后，除在晶界上出現(xiàn)數(shù)量不同的先共析產(chǎn)物（鐵素體或碳化物）外，晶粒內(nèi)部將為粗細不同的珠光體。如奧氏體中有呈彌散狀態(tài) 分布的碳化物顆粒存在，緩冷時又在略低于下臨界點保溫較長時間，則將形成球化體。

退火的允許加熱速度隨鋼的化學成分、原始組織的不同而變。通常，鋼中合金元素多，則加熱速度應(yīng)慢些。導熱性差的高合金鋼在低溫階段（600℃以下）必須緩慢升溫，大件還須均熱。

在退火過程中，奧氏體形成的速度和成分的均勻程度決定于加熱溫度的髙低和保溫時間的長短。加熱溫度愈高、保溫時間愈長，則奧氏體形成愈快，成分也愈均勻。但與此同時，尤其是加熱溫度愈高奧氏體的晶粒就會變得愈粗大。

在退火的正常緩冷條件下，均勻的奧氏體除先析出先共析產(chǎn)物外，其余將轉(zhuǎn)變成珠光體。其轉(zhuǎn)變溫度與冷卻速度有關(guān)，若冷卻速度愈快，奧氏體的轉(zhuǎn)變溫' 度愈低，珠光體的片層也將隨轉(zhuǎn)變溫度的降低而變得細薄，先共析產(chǎn)物的數(shù)量也將隨冷卻速度的增加而減少。由此可見模具鋼退火加熱保溫后的冷卻速度的控制是很重要的。因為無論是先共析產(chǎn)物的多少和珠光體的粗細，都將影響模具鋼退火后的各種性能。

退火工藝需要很長時間。為了縮短整個退火工藝過程的周期，當緩冷至己獲得所需組織和硬度（此時轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成）的溫度后，即可適當?shù)厥蛊淇焖倮鋮s 至室溫。模具鋼退火，應(yīng)在帶有保護氣氛的熱處理爐內(nèi)進行，以防止氧化或脫碳等疵病的發(fā)生。

1.完全退火

完全退火是將亞共析鋼加熱到Ac3以上，保溫足夠的時間，使完全轉(zhuǎn)變成奧氏體并使奧氏體均勻化（或基本均勻），繼之以緩慢冷卻。完全退火的目的是：使鋼件軟化，以便于以后的機械切削加工或塑性變形加工；使鋼的晶粒細化和消除內(nèi)應(yīng)力以及為淬火準備適宜的組織。

為了達到上述目的，完全退火的加熱溫度通常規(guī)定為高于Ac3以上20〜30℃。但模具鋼中含有強碳化物形成元素，如鎢、鉻、鉬和釩等，其奧氏體化溫度應(yīng)適當?shù)靥岣咭恍＿@樣可使它們所形成的碳化物能夠較快地溶入奧氏體中。

"退火加熱保溫應(yīng)有足夠的時間使奧氏體均勻化。保溫后的冷卻速度應(yīng)根據(jù) 所欲達到的目的來決定。一般完全退火需時較長。為了縮短工藝過程的時間，保溫后可盡快地把鋼件從退火加熱溫度降至稍低于下臨界溫度。此后，選用適當?shù)?冷卻速度緩冷，使其在珠光體轉(zhuǎn)變溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變成符合要求的金相組織和性能。

亞共析鋼完全退火后所得正常組織為鐵素體和珠光體。但由于冷卻速度的不同，鐵素體和珠光體的形狀、分布以及數(shù)量（％)也不一樣。鋼中珠光體的百分數(shù)因冷卻速度不同而有差異，珠光體中的碳含量一般也不同。因為亞共析或共析鋼完全或不完全退火后，碳絕大部分存在于珠光體中（鐵素體的碳含量在室溫時只有0.008%)。退火后珠光體多，珠光體的碳含量就低；珠光體少，其碳的含量就高。所以在金相檢驗時，應(yīng)注意。除非經(jīng)過良好的完全退火（接近平衡狀態(tài)）的鋼，否則不能只憑視場中珠光體的多少來與共析成分的鋼（完全退火后為100% 的珠光體）比較，作出試樣含碳若干的判斷。

2. 不完全退火

不完全退火的加熱溫度介于上、下臨界溫度之間，通常稍高于下臨界溫度。對于亞共析鋼而言，不完全退火的加熱溫度在ACl〜Ac3之間，而過共析鋼則在 AC1-ACc3 之間。

當熱軋鋼材在上述溫度加熱時，只是原來的珠光體發(fā)生重結(jié)晶相變而形成奧氏體，而鐵素體（或碳化物）則依然存在（它們的含量隨溫度的高低而有所改變)。在退火的緩冷過程中，鐵素體（或碳化物）無變化，而奧氏體又轉(zhuǎn)變成珠光體。此時它們的分布情況大致與未退火前相同，只是珠光體層片的厚薄由于冷卻速度的不同而有所改變。冷卻速度快，珠光體的層片簿，硬度較高；冷卻速度慢，珠光體的層片厚，其硬度也較低。因此，從鋼加熱時組織轉(zhuǎn)變的情況出發(fā)，不完全退火與完全退火的區(qū)別在于：前者只是部分的重結(jié)晶形成奧氏體，而后者則全部重結(jié)晶完全轉(zhuǎn)變成奧氏體。

不完全退火的目的與完全退火近似，但由于在加熱溫度下不能完全重結(jié)晶，所以細化晶粒方面不如完全退火的好。不完全退火的優(yōu)點是加熱溫度低，所以使用較廣。例如，因鍛件的停鍛溫度正確（對亞共析鋼而言，正確的停鍛溫度僅稍高于Ar3),未引起晶粒粗大，鐵素體和珠光體的分布也無異常現(xiàn)象，此時采用不完全退火即可滿足要求，而不必一定要進行完全退火。

3. 等溫退火

等溫退火的工藝過程是將需退火的鋼加熱到臨界溫度以上（亞共析鋼加熱到Ac3以上，共析鋼和過共析鋼加熱到AC1以上）保持一定時間，使其奧氏體化和奧氏體均勻化。然后放人另一溫度稍低于Ar,的爐中，或在原加熱爐中使鋼迅速隨爐冷至稍低于Ar1的溫度進行等溫。在等溫過程中奧氏體將隨所采用等溫溫度的高低而轉(zhuǎn)變成所需的層片厚薄適宜的珠光體或球化體。當轉(zhuǎn)變完成后，即可從爐中取出空冷。

等溫退火的工藝過程包括三個階段：奧氏體化加熱和保溫；速冷至等溫溫度并保持一定時間；出爐空冷。選擇奧氏體化溫度除與鋼種有關(guān)外，還須根據(jù)技術(shù)要求和鋼的原始組織來調(diào)整。例如較高的奧氏體化溫度可以促進形成層狀組織；較低的奧氏體化溫度容易得到球化體。奧氏體化后鋼的等溫溫度應(yīng)根據(jù)最終所欲獲得的性能，從該鋼種的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變上來確定。例如等溫溫度距^越近，所獲得珠光體的層片越粗（鋼的硬度越低)；距A1越遠，則珠光體的層片越細（鋼的硬度越高）。所以，為了得到最軟的組織，可采用較低的奧氏體化溫度和較高的等溫溫度。但須注意，選擇等溫溫度時還需考慮過冷奧氏體完成珠光體轉(zhuǎn)變的時間，也就是應(yīng)盡量選擇所需時間較短而又能獲得所需硬度的等溫溫度。此外鋼在等溫溫度所保持的時間應(yīng)較等溫轉(zhuǎn)變圖上所標明的時間要長些，這樣可以保證過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變完全。尤其是截面較大的鋼材更應(yīng)如此，因為從奧氏體

化溫度冷卻時必須有一段時間，鋼的心部才能冷至等溫溫度。等溫后其組織已轉(zhuǎn) 變完成，此時鋼材從爐中取出，無論用什么冷卻方法，其組織不會再有變化。不過冷卻速度太大，鋼材可能因受應(yīng)力而發(fā)生變形。所以通常多在空氣中冷卻。退火時，對于溫度的控制和準確性，都必須有較高的要求。

等溫退火也可用來防止鋼中白點的形成。

模具用合金滲碳鋼也進行等溫退火。奧氏體化溫度為930〜940℃，即比隨' 后的滲碳溫度略高一些。這種處理的目的是為了減少滲碳過程中可能發(fā)生的任何變形。轉(zhuǎn)變開始于610〜680℃,經(jīng)過2〜4h轉(zhuǎn)變完成。得到的組織是鐵素體和珠光體。對大多數(shù)切削加工工藝來說是合適的。

在鋼材生產(chǎn)的各個階段，都可以利用等溫退火，如高合金模具鋼的鋼錠或熱軋鋼坯，當自由冷卻到室溫時，容易出現(xiàn)裂紋，在這種情況下，可將熱的鋼錠或鋼坯放到溫度為700℃左右的等溫退火爐中（該溫度相當于鋼的珠光體轉(zhuǎn)變溫度)，轉(zhuǎn)變完成以后再自由地冷卻到室溫。

許多鋼種在進行等溫退火時有使?jié)B碳體球化的效果，因此等溫退火和球化退火有時二者混為一談，俗稱等溫球化退火。等溫球化退火的工藝要點是：①盡可能低的奧氏體化溫度（稍高于ACl);②盡可能高的等溫溫度：③足夠長的等溫時間，使轉(zhuǎn)變和球化完成。

4.球化退火

球化退火是使鋼獲得球化體的工藝方法。所謂球化體是指呈球狀小顆粒的碳化物（或滲碳體）均勻地分布在鐵素體基體中的金相組織。

球化退火的成功與否，與奧氏體化溫度有關(guān)。例如將鋼加熱到A,以上使其奧氏體化，然后將其冷至稍低于冬的溫度并保溫的退火工藝過程，從原則上講，奧氏體化的溫度愈高,愈不容易得到球化體。而只有奧氏體化溫度接近A,時，因奧氏體晶粒很小，濃度又不均勻，且有大量的未溶解的碳化物作為質(zhì)點存在，在隨后稍低于A,保溫過程中，才容易得到球化體。

由于球化退火的奧氏體化溫度僅稍高于臨界溫度，因此對加熱溫度是否準確，應(yīng)密切注意。若實際溫度偏低，此時鋼很可能沒有奧氏體化，球化就不會完全。若系具有網(wǎng)狀碳化物的過共析鋼，由于上述情況，網(wǎng)狀碳化物就不可能消除，因而達不到球化退火的目的。

在退火過程中球化的速度，與鋼的原始組織有關(guān)。最易于球化的是碳化物細小而分布均勻的淬火組織或經(jīng)過冷變形加工的組織。相比之下，原為粗珠光體組織的鋼則較難球化。

球化退火多用于過共析鋼。球化退火方法有下列幾種，其工藝曲線如圖3-1 所示。

1)將鋼加熱到稍低于A,長時間的保溫。此法主要用于淬火或冷加工后鋼的

球化。

2) 將鋼加熱到稍高于保溫一段時間，而后冷至略低于Ai保溫。然后再升溫至第一次加熱溫度，再冷至略低于A,保溫。如此重復多次，使鋼中原晶界上的碳化物和珠光體中的滲碳體經(jīng)過溶解和重新析出、集聚而達到球化目的。處理時最好采用容易控制溫度的小型爐子，此法適用于原為珠光體組織鋼。

3) 將鋼加熱到稍高于Acm,使所有碳化物溶解，而后快速冷卻以防網(wǎng)狀碳

化物析出，至略低于八并長時間保溫。 °

4) 將鋼加熱到稍高于\，保溫后，再冷至略低于^并長時間保溫。

5) 將鋼加熱到稍高于Acm使網(wǎng)狀碳化物或大塊碳化物完全溶解，然后快速冷至較低溫度。隨后將鋼再加熱到稍低于4保溫。

6) 與第5)種方法近似，只是球化時采用第2)種方法。

圖3-1常用球化退火方法示意圖

5. 擴散退火

鋼錠澆注后，在凝固過程中會產(chǎn)生不同程度的偏析（枝晶偏析)。當偏析嚴重時，鋼錠或鋼坯顯微組織的化學成分就不均勻。擴散退火就是將鋼坯（或鋼錠）高溫加熱，并在此溫度下長時間保溫，使鋼中不均勻的元素在高溫下進行擴散以減輕或盡可能地消除偏析的影響，從而提高鋼的質(zhì)量。

擴散退火要求較高的溫度，具體前加熱溫度需根據(jù)偏析程度而定，一般在 1100〜1200℃之間。至于保溫時間也與偏析程度和鋼種有關(guān)。通常可按最大有效截面，每25mm保溫lh計算

為了有效地發(fā)揮擴散退火的作用，一般應(yīng)在鋼錠開坯或鍛造后進行。因只有經(jīng)過初步和小心的熱變形，當鋼錠的鑄態(tài)組織破壞后，鋼中各元素在不太受障礙的情況下才能較快地進行擴散。又由于擴散退火時，鋼的晶粒已過度長大，如不再進行熱加工，尚需進行一次完全退火或正火以細化其晶粒。