第四章 退火和正火

1第四章退火和正火1、退火的目的、分類2、鋼的退火3、正火4、有色金屬及合金的退火5、擴(kuò)散退火6、基于回復(fù)和再結(jié)晶的退火2退火和正火是最基本的熱處理工藝，其目的：1）消除鑄件、鍛軋件及焊接件的工藝缺陷；2）改善金屬材料的拉拔或冷擠壓等加工成型性、切削加工性、熱處理工藝性能及零件尺寸穩(wěn)定性等。退火的對象可以是鋼、鑄鐵及有色金屬材料，但正火的對象只有鋼及鑄鐵。3一、退火的目的和分類退火：將偏離平衡狀態(tài)的金屬或合金加熱到一定溫度，保溫一定時(shí)間，然后緩慢冷卻（或以適當(dāng)速度冷卻），從而獲得更接近其平衡狀態(tài)的組織和性能的熱處理工藝。退火目的：1）降低硬度，其高切削加工性。2）提高塑性，以利于冷變形加工。3）提高熱處理工藝性能，為后續(xù)熱處理做組織準(zhǔn)備。44）消除組織缺陷，細(xì)化晶粒，改善組織。5）改進(jìn)元素分布，或去除不需要及有害元素。6）消除應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，避免變形開裂。退火種類：1）鋼的退火種類很多，按加熱溫度可分為兩類：

第一是臨界溫度以上退火，又稱為相變再結(jié)晶退火，包括完全、不完全退火、擴(kuò)散退火及球化退火；第二是臨界溫度以下退火，包括軟化退火、再結(jié)晶退火及去應(yīng)力退火。按冷卻方式可分為連續(xù)冷去退火及等溫退火等。52）鑄鐵的退火主要包括各種石墨化退火、去應(yīng)力退火及脫碳退火。3）有色金屬退火主要包括多相化退火（完全及不完全退火）、重結(jié)晶退火、擴(kuò)散退火、再結(jié)晶退后及去應(yīng)力退火等。6二、鋼的退火1、完全退火

將鐵碳合金完全奧氏體化，然后緩慢冷卻，獲得接近平衡組織的熱處理工藝稱為完全退火。這里“完全”是指鋼的內(nèi)部組織全部進(jìn)行了重結(jié)晶。

完全退火適用于亞共析鋼而不適用于過共析鋼，因?yàn)檫^共析鋼的完全退火將導(dǎo)致組織粗大及網(wǎng)狀滲碳體，惡化性能。

完全退火的目的：細(xì)化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能及消除內(nèi)應(yīng)力。7完全退火工藝完全退火工藝主要包括：

1）加熱溫度；2）保溫時(shí)間；3）冷卻速度。

加熱溫度：碳鋼一般在Ac3+(20~40oC)；

合金鋼一般在Ac3+(50~70oC)。8不同碳含量碳鋼的完全退火溫度部分亞共析合金鋼鋼錠的完全退火溫度9

保溫時(shí)間：依據(jù)鋼材種類、尺寸、裝爐量、爐子型號等。確定保溫時(shí)間的原則為：保溫時(shí)間不僅應(yīng)保證工件透燒，而且還應(yīng)保證其原始組織完全奧氏體化合及成分基本均勻。一般碳鋼的保溫時(shí)間系數(shù)為1~1.5min/mm。10

冷卻速度：先緩慢冷卻到一定溫度（比如500~550oC），然后出爐空冷。

一般碳鋼的冷卻速度應(yīng)小于200oC/h；

低合金鋼的冷卻速度應(yīng)小于100oC/h；

高合金鋼的冷卻速度一般為50oC/h。而加熱速度應(yīng)保證加熱過程中工件不開裂，一般100~200oC/h。112、不完全退火

將鐵碳合金加熱至AC1~Ac3或Ac1~Acm之間，進(jìn)行不完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻，以獲得接近平衡的組織。這里的“不完全”是指鋼在加熱時(shí)沒有完全奧氏體化。不完全退火工藝不完全退火的目的：與完全退火相同，區(qū)別在于不完全退火不能完全重結(jié)晶，因此細(xì)化晶粒不如完全退火。優(yōu)點(diǎn)是加熱溫度低，節(jié)省時(shí)間。12亞共析鋼的不完全退火：

亞共析鋼在硬度較高時(shí)可采用不完全退火改善切削加工性，同時(shí)還可以細(xì)化組織、降低硬度、消除內(nèi)應(yīng)力。過共析鋼錠的不完全退火：

過共析鋼不完全退火的目的包括：減少溶入奧氏體的碳化物數(shù)量，以降低奧氏體的穩(wěn)定性，提高退火冷卻速度，縮短冷卻時(shí)間。同時(shí)，還可以消除鑄造應(yīng)力，改善鑄態(tài)組織，降低表面硬度及切削加工性。過共析鋼鍛軋鋼材的不完全退火：

主要用于獲得球狀珠光體及球狀碳化物組織，降低硬度，改善切削加工性。133、等溫退火

將鋼件加熱到高于Ac3（或Ac1）的溫度，保持適當(dāng)時(shí)間后，較快地冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間的溫度并保持，使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w類組織后在空氣中冷卻的退火。等溫退火的目的：與完全及不完全退火相同。等溫退火多用于高碳鋼，合金鋼和高碳合金鋼，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省鋼件在爐內(nèi)時(shí)間，從而增加退火爐的周轉(zhuǎn)率，能得到均勻的顯微組織。等溫退火工藝14等溫退火包括三個(gè)階段，即奧氏體化加熱和保溫、速冷至珠光體轉(zhuǎn)變等溫轉(zhuǎn)變溫度并保溫、出爐空冷。

等溫退火的加熱溫度、等溫溫度及保持時(shí)間應(yīng)根據(jù)鋼件的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（S曲線）、性能要求及鋼件截面尺寸等條件確定。退火后的組織和硬度強(qiáng)度取決于等溫溫度的高低。154、球化退火

使鋼中碳化物球化而進(jìn)行的退火工藝。

球化退火的目的：

1）獲得粒狀珠光體，改善熱處理工藝性能，減少工具鋼中淬火加熱時(shí)的過熱敏感性、變形、裂紋的傾向性。2）降低硬度，改善切削性能。3）提高塑性，改善冷擠壓成形性。4）為后續(xù)熱處理做組織準(zhǔn)備，經(jīng)淬火、回火后獲得良好的綜合力學(xué)性能。球化退火主要應(yīng)用于工模具鋼、軸承鋼、冷擠壓成型的結(jié)構(gòu)鋼。16低溫球化退火：

將鋼加熱到Ac1以下20oC左右，經(jīng)長時(shí)間保溫，使碳化物由片狀轉(zhuǎn)變成球形，然后冷（或空冷）至室溫。低溫球化退火工藝熱力學(xué)依據(jù)：其它條件相同情況下，片狀組織單位體積的表面積大于球狀，因而其自由能大于球狀，片狀滲碳體可以自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙睢?7普通球化退火（緩冷球化退火、一次球化退火）：

將鋼加熱到Ac1與Acm之間，經(jīng)適當(dāng)時(shí)間（2~6h）保溫，然后緩慢冷卻到500~650oC出爐冷卻。緩冷球化退火工藝目前最常用的球化退火工藝。工藝要求退火前的原始組織為細(xì)片狀珠光體，不允許存在粗大的網(wǎng)狀滲碳體。18奧氏體化溫度至關(guān)重要。奧氏體化溫度如果高出Ac1很多，則容易出現(xiàn)片狀珠光體，不容易球化；只有高出Ac1不多時(shí)，才能得到較好的球化效果。奧氏體化溫度一般為Ac1+(20~40oC)，或Acm?(20~30oC)。保溫時(shí)間的影響：延長保溫時(shí)間，則奧氏體中碳濃度趨于均勻，會使片狀珠光體出現(xiàn)。保溫時(shí)間取決于工件透燒時(shí)間，一般球化退火保溫時(shí)間為4h左右。19等溫球化退火：

將共析鋼或過共析鋼加熱到Ac1+(20~30oC)，保溫適當(dāng)時(shí)間，然后冷卻到Ar1以下20~30oC溫度，等溫保持一定時(shí)間（使等溫轉(zhuǎn)變進(jìn)行完畢），然后爐冷或空冷的退火工藝。無網(wǎng)狀碳化物時(shí)等溫退火工藝等溫退火碳化物球化原理與普通球化退火相同，奧氏體化加熱溫度的確定原則與普通球化退火相同。20過共析鋼有網(wǎng)狀碳化物時(shí)等溫退火工藝如果原始組織中網(wǎng)狀碳化物較嚴(yán)重，則需加熱到略高于Acm的溫度，使網(wǎng)狀碳化物溶入奧氏體，然后再較快地冷卻到Ar1以下溫度進(jìn)行等溫球化退火。等溫轉(zhuǎn)變溫度的選擇非常重要：珠光體轉(zhuǎn)變屬于擴(kuò)散型相變，因此等溫溫度一般需要比較高。只有當(dāng)奧氏體化溫度較低，等溫轉(zhuǎn)變溫度較高時(shí)，才能較快地得到球化組織。21循環(huán)球化退火：一種周期性的等溫退火，目的是加速球化過程。將鋼加熱到Ac1+(20~30oC)，短時(shí)保溫，然后冷卻到Ar1以下（20~30oC）溫度，再行短時(shí)保溫，如此反復(fù)進(jìn)行多次，稱為循環(huán)球化退火，又稱周期球化退火或往復(fù)球化退火。循環(huán)球化退火工藝Ac1以上短時(shí)加熱，除奧氏體化外，還可使網(wǎng)狀碳化物溶解，呈被切斷形狀；在Ar1以下溫度保持時(shí)變?yōu)榍驙?，同時(shí)珠光體中的滲碳體依附在球上生長。幾次反復(fù)，可得較好的球化組織。22形變球化退火：球化退火前的冷加工或熱加工可以加速隨后的球化過程，因?yàn)檫@種加工可使?jié)B碳體碎化，這就為從亞晶界開始的滲碳體的溶解、斷裂和球化過程創(chuàng)造了條件。根據(jù)形變溫度的高低，形變球化退火分為高溫形變球化退火和低溫形變球化退火。23高溫形變球化退火：

鍛造溫度變形，終鍛溫度即為退火加熱溫度，一般為Ac1+(30~50oC)。適合于軸承鋼和彈簧鋼等。高溫形變球化退火工藝低溫形變球化退火：

形變溫度和形變量根據(jù)材料成分而定，退火溫度一般為Ac1?(20~30oC)。適合于中低碳鋼及低合金鋼。低溫形變球化退火工藝24快速球化：當(dāng)工期較緊或個(gè)別淬火工件返修重淬前，可采用快速球化工藝。快速球化工藝先將工件加熱到Acm（或AC3）以上20~30oC奧氏體化后進(jìn)行油冷，然后加熱到

680~700oC保溫1~2h進(jìn)行高溫回火，即可得到粒狀珠光體。此工藝的實(shí)質(zhì)即“調(diào)質(zhì)處理”。該工藝適合共析、過共析碳鋼及合金鋼的鍛件。255、鋼的退火缺陷及應(yīng)對措施

退火缺陷包括：

1）硬度偏高。

主要原因是退火加熱溫度低，冷卻太快，出現(xiàn)索氏體、托氏體，甚至貝氏體、馬氏體組織。可重新退火消除。

2）球化不完全。

主要是由于球化溫度低、保溫時(shí)間短，片狀碳化物未完全溶解的緣故。再次球化退火消除此缺陷。26

3）網(wǎng)狀組織。

加熱溫度太高、冷卻速度過慢，往往析出網(wǎng)狀鐵素體或網(wǎng)狀滲碳體，惡化力學(xué)性能。應(yīng)對措施：先正火消除網(wǎng)狀組織，后再次退火。4）粗大魏氏組織。

出現(xiàn)粗大魏氏組織的主要原因是加熱溫度過高所致。為消除魏氏組織，可采用稍高于Ac3的溫度加熱，使得先共析相完全溶解，根據(jù)鋼的化學(xué)成分采用正確的冷卻速度。魏氏組織嚴(yán)重時(shí)，可采用雙重正火來消除。27

5）反常組織。

特征為：亞共析鋼中，先共析鐵素體晶界上有粗大的滲碳體，珠光體片間距很大。過共析鋼中，先共析滲碳體周圍有很寬的鐵素體條，而先共析滲碳體網(wǎng)也很寬。反常組織將造成淬火軟點(diǎn)，應(yīng)重新退火消除。

6）氧化與脫碳。

介質(zhì)中的氧與鋼件中的碳反應(yīng)，使得鋼件脫碳。防止氧化與脫碳的辦法是采用可控氣氛加熱進(jìn)行光亮退火。28

7）過熱。

加熱溫度高、保溫時(shí)間長，或者爐溫不均勻，都可能造成過熱。過熱會造成奧氏體晶粒粗大或出現(xiàn)粗大魏氏組織，惡化鋼的沖擊韌性?？赏ㄟ^完全退火或正火細(xì)化晶粒來消除。

8）過燒。

加熱溫度過高，使得晶界出現(xiàn)氧化，甚至局部熔化，造成過燒。過燒的鋼件只能報(bào)廢。29

9）墨脆（或石墨化)。

實(shí)質(zhì)是部分滲碳體在退火過程中發(fā)生石墨化。產(chǎn)生墨脆的原因主要是退火溫度過高，保溫時(shí)間過長，冷卻緩慢，使得珠光體轉(zhuǎn)變按照更加穩(wěn)定的Fe-C平衡圖進(jìn)行所致。

出現(xiàn)這種缺陷只能報(bào)廢，不能返修。30三、正火正火：將鐵碳合金加熱到臨界點(diǎn)以上的適當(dāng)溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間，進(jìn)行完全奧氏體化（或部分奧氏體化）后，以較快的速度（空冷、風(fēng)冷或噴霧等）冷卻，得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火只適用于鋼和鑄鐵。31鋼的正火也叫“?；?，實(shí)質(zhì)是完全奧氏體化加偽共析轉(zhuǎn)變。鋼中含碳量為0.6~1.4%時(shí)，正火組織中不出現(xiàn)先共析相，只存在偽共析的珠光體或索氏體。

鋼中含碳量小于0.6%時(shí)，正火后還會出現(xiàn)少量鐵素體。

實(shí)質(zhì)上，正火是退火的一個(gè)特例，兩者只是轉(zhuǎn)變的過冷度不同。正火時(shí)過冷度大，因而組織中的珠光體量就較多，且片層較細(xì)。

正火只適用用碳素鋼及中低碳合金鋼，不適用于高合金鋼。32鋼正火目的：1）細(xì)化組織，消除熱加工造成的過熱缺陷，使得組織正?；?；2）用于低碳鋼，提高硬度，改善切削加工性和深沖性能；3）用于中碳鋼，代替調(diào)質(zhì)處理；4）用于高碳鋼，消除網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火；5）用于大件熱處理；6）用于淬火返修品，消除過熱影響；7）不太重要的工件，可以正火態(tài)使用。

33鋼正火工藝：1）正火工藝參數(shù)，包括加熱溫度、加熱時(shí)間、冷卻方式等；2）二段正火；3）等溫正火；4）多重正火。34鑄鐵的正火正火主要用于鐵素體基體或鐵素體?珠光體基體的灰口鑄鐵、球墨鑄鐵以及可鍛鑄鐵。

工藝主要是加熱到Ac1以上一定溫度，保溫適當(dāng)時(shí)間后，空冷或風(fēng)冷。灰口鑄鐵的正火工藝主要是加熱到850~900oC，保溫1~3h，空冷或風(fēng)冷。35球墨鑄鐵的正火分為完全奧氏體化正火、不完全奧氏體化正火、低碳奧氏體化正火和快速奧氏體化正火。

1）完全奧氏體化正火加熱至Ac1f以上，是基體中的鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體后空冷。普通正火等溫正火36

2）部分奧氏體化正火加熱至Ac1s~

Ac1f之間某一溫度進(jìn)行部分奧氏體化，使基體中保留一部分鐵素體，奧氏體化后空冷。普通正火等溫正火37

3）低碳奧氏體化正火先在低于并靠近Ac1的溫度保溫，使共析滲碳體石墨化，使基體鐵素體化，隨即快速加熱至900~940oC，在石墨還未來得及充分溶入奧氏體的情況下出爐空冷、風(fēng)冷或噴霧冷卻。低碳奧氏體化正火工藝

這種正火工藝，可使球磨鑄鐵獲得粒狀珠光體和少量點(diǎn)狀鐵素體的基體組織，從而具有較高的綜合力學(xué)性能。38四、有色金屬（合金）的退火有色金屬材料的退火分為兩類：（1）多相化退火

（2）重結(jié)晶退火（1）多相化退火基于固溶度變化的退火。

如果使有色金屬固溶體基體達(dá)到盡可能低的濃度，第二相粒子及其間距又足夠大，則合金將發(fā)生軟化。為達(dá)這種目的而采取的熱處理工藝稱為多相化退火。固溶度隨溫度變化39有色金屬（合金）的完全退火完全退火是將“急冷硬化”的合金加熱到相變臨界點(diǎn)以上的溫度保溫，使合金變成單相固溶體，然后緩慢冷卻（一般是爐冷）。

完全退火的目的：消除固溶硬化，使合金軟化。有色金屬（合金）的不完全退火不完全退火是加熱至相變臨界點(diǎn)以下的某一適當(dāng)溫度保溫，然后較快冷卻（一般為空冷）。

不完全退火只能部分消除急冷硬化，使合金部分軟化。40多相化退火在提高材料耐蝕性方面的應(yīng)用復(fù)相合金的耐蝕性與第二相粒子的大小、形狀和分布有關(guān)。利用多相化退火，可使合金獲得一定大小和分布的第二相，從而提高合金的耐蝕性。41（2）重結(jié)晶退火所謂重結(jié)晶是指多型性轉(zhuǎn)變和共析轉(zhuǎn)變時(shí)晶體結(jié)構(gòu)類型的變化。這種變化會導(dǎo)致金屬材料的組織、結(jié)構(gòu)發(fā)生根本改變。有色金屬材料中的重結(jié)晶退火工藝的應(yīng)用遠(yuǎn)不如鋼鐵材料普遍，但任然有應(yīng)用。

有色金屬中的Ca、Co、Li、Ti、Sn等都存在多型性轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）。

重結(jié)晶退火作用：

消除某些純金屬或固溶體合金鑄件和加工件的粗大晶粒，改善性能；

也可用來消除金屬材料中不希望的織構(gòu)等。42五、擴(kuò)散退火為減小金屬鑄錠、鑄件、鍛坯或焊接件的化學(xué)成分偏析和組織的不均勻性，將其加熱到高溫，長時(shí)間保持，然后進(jìn)行緩慢冷卻，通過原子的擴(kuò)散，為達(dá)到化學(xué)成分和組織均勻化，或者為使鋼中的有害氫脫溶析出而進(jìn)行的退火，稱為擴(kuò)散退火。

擴(kuò)散退火包括均勻化退火和去氫退火。43（1）均勻化退火在略低于固相線的高溫下長時(shí)間加熱，通過原子的擴(kuò)散，為消除或減小金屬化學(xué)成分偏析及顯微組織的不均勻性而進(jìn)行的退火，稱為均勻化退火。鑄鋼16Mn中的枝晶偏析16Mn鋼中的帶狀組織44均勻化退火的過程和目的：

借助高溫時(shí)合金內(nèi)部原子的擴(kuò)散，使得鑄錠晶內(nèi)化學(xué)成分均勻，組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài)，改善復(fù)相合金中第二相的形狀和分布，提高合金塑性，改善加工性能和最終的使用性能。加熱溫度：I區(qū)為普通均勻化退火區(qū)；II區(qū)為高溫均勻化退火區(qū)。有色合金通常采用的均勻化退火溫度為0.90~0.95T熔。有色合金均勻化退火溫度45保溫時(shí)間

保溫時(shí)間一般是從鑄錠表面各部分溫度都達(dá)到加熱溫度的下限時(shí)算起，一般在數(shù)小時(shí)至數(shù)十小時(shí)范圍內(nèi)。加熱速度及冷卻速度

加熱速度以鑄錠不產(chǎn)生裂紋和大的變形為原則，冷卻速度應(yīng)適當(dāng)。主要工業(yè)合金的均勻化退火工藝

有色合金均勻化退火僅用于鑄錠，均勻化退火工藝應(yīng)根據(jù)合金的化學(xué)成分具體制定。46（2）鋼的預(yù)防白點(diǎn)退火，即去氫退火

為防止工件在熱變形加工后的冷卻過程中因氫呈氣態(tài)析出而形成發(fā)裂（白點(diǎn)），在形變加工完結(jié)后直接進(jìn)行的退火，稱為預(yù)防白點(diǎn)退火，又稱為去氫退火、脫氫退火。

目的：使得氫氣擴(kuò)散到工件之外。

溶解于固溶體中的氫，是造成鋼中出現(xiàn)白點(diǎn)缺陷的主要危險(xiǎn)，因?yàn)闅淇稍斐身g性及強(qiáng)度的降低，引起氫脆。用退火的方法可以