钢 的热处理工艺

钢的热处理工艺

钢的热处理工艺就是通过加热、保温和冷却的方法改变钢的组织结构以获得工件所要求性能的一种热加工工艺。钢在加热和冷却工程中的组织转变规律为制定正确的热处理工艺提供了理论依据，为使钢获得限定的性能要求，其热处理工艺参数的确定必须使具体工件满足钢的组织转变规律性。

根据加热、冷却方式及获得的组织的性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。

按照处理在零件整个工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理。

钢的退火与正火

退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。在机器零件加工工艺过程中，退火和正火是一种先行工艺。具有承上启下的作用。大部分机器零件及工、模具的毛坯经退火或正火后，不仅可以消除铸件、锻件及焊接件的内应力及成分和组织的不均匀性，而且也能改善和调整钢的机械性能和工艺性能，为下道工序作好组织性能准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，退火和正火亦可作为最终热处理。对于铸件，退火和正火通常就是最终热处理。

一、退火目的及工艺

退火是将钢加热至临界点Ac1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近似于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除能应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火作好组织准备。

退火工艺种类很多，按加热温度可分为在临界温度（Ac1或Ac3）以上或以下的退火。前者又称相变结晶退火，包括完全退火、扩散退火、不完全退火和球化退火。后者包括再结晶退火及去应力退火。各种退火方法的加热温度范围如图10-1所示。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续冷却退火。

（一）完全退火

完全退火是将钢件或刚才加热至Ac3以上20~30℃，经完全奥氏体化后进行缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢（wc=0.3~0.6%），其目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性。低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火。低碳钢完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。过共析钢加热至ACcm 以上奥氏体状态缓冷退火时，有网状二次渗碳体析出，使钢的强度、塑性和冲击韧性显著降低。

在中碳结构铸件、锻件中，常见的缺陷组织有魏氏组织、晶粒粗大和带状组织等。在焊接工件焊缝处的组织也不均匀，热影响区具有过热组织和魏氏组织，造成很大的内应力。魏氏组织和晶粒粗大能显著降低钢的塑性和冲击韧性。而带状组织使钢的机械性能出现各向异性，断面收缩率较低，尤其是横向冲击韧性很低。通过完全退火或正火，组织发生重结晶，使钢的晶粒细化、组织均匀，魏氏组织难以形成，并能消除带状组织。

完全退火采用随炉缓冷可以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下较高温度范围内转变为珠光体，从而达到消除内应力、降低硬度和改善切削加工性的目的。

工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透，即工件心部达到要求的加热温度，而要保证全部得到均匀化的奥氏体，达到完全重结晶。完全退火保温时间与钢材成分、工件厚度、装炉量和装炉方式等因素有关。通常，加热时间以工件的有效厚度来计算。

一般碳素钢或低合金钢工件，当装炉量不大时，在箱式炉中退火的保温时间可按下式计算：τ=（3~4）+（0.2~0.5）Q（单位为h）。式中Q表示装炉量（单位为t）。

实际生产时，为了提高生产率，退火冷却至600℃左右即可出炉空冷。

完全退火需要的时间很长，尤其是过冷奥氏体比较稳定的合金钢更是如此。如果将奥氏体化后的钢较快地冷至稍低于Ar1温度等温，使奥氏体转变为珠光体，在空冷至室温，则可大大缩短退火时间，这种退火方法叫做等温退火。等温退火适用于高碳钢、合金工具钢和高合金钢，它不但可以达到和完全退火相同的目的，而且有利于钢件获得均匀的组织和性能。但是对于大截面钢件和大批量炉料，却难以保证工件内外达到等温温度，固不宜采用等温退活。

（二）不完全退火

不完全退火是将钢加热至Ac1~Ac3（亚共析钢）或Ac1~ACcm（过共析钢）之间，经保温后缓慢冷却以获得近于平衡组织的热处理工艺。由于加热至两相区温度，仅使奥氏体发生重结晶，故基本上不改变先共析铁素体或渗碳体的形态及分布。如果亚共析钢原组织中的铁素体已均匀细小，只是珠光体片间距小，硬度偏高，内应力较大，那么只要在Ac1以上、Ac3以下温度进行不完全退火即可达到降低硬度、消除内应力的目的。由于不完全退火的加热温度低，过程时间短，因此对于亚共析钢的锻件来说，若其锻造工艺正常，钢的原始组织分布合适，则可采用不完全退火代替完全退火。

不完全退火主要用于过共析钢获得球状珠光体组织，以消除内应力，降低硬度、改善切削加工性。故不完全退火又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。

（三）球化退火

球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。主要用语共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度、均匀组织、改善切削加工性，并为淬火作组织准备。

（四）扩散退火

扩散退火又称为均匀化退火，它是将钢锭、铸件或端坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除铸锭或铸件在凝固过程中产生的枝晶偏析，使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中充分扩散，扩散退火加热温度很高，通常为Ac3或ACcm以上150~300℃，具体加热温度视偏析过程和钢种而定。碳钢一般为1100~1200℃，合金钢多采用1200~1300℃。保温时间也与偏析程度和钢种有关。通常可按最大有效截面，以每截面厚度25mm保温30~60min 或按每毫米厚度保温1.5~2.5min来计算。此外，还可视装炉量大小而定。退火总时间可按下式计算：τ=8.5+Q/4（单位为h）。式中Q是装炉量（单位为t）。一般扩散退火时间为10~15h。

由于扩散退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要在进行一次正常的完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

高温扩散退火生产周期长，消耗能力大，工件氧化、脱碳严重，成本很高。只是一些优质合金钢及偏析较严重的合金钢铸件及钢锭才使用这种工艺。对于一般尺寸不大的铸件或碳钢铸件，因其偏析程度较轻，可采用完全退火来细化晶粒，消除铸造应力。

（五）去应力退火和再结晶退火、

钢材在热轧或锻造后，在冷却过程中因表面和心部冷却速度不同造成内外温差，会产生残余内应力。这种内应力和后续工艺因素产生的应力叠加，易使工件发生变形和开裂。

焊接件焊缝处由于组织不均匀也存在很大的内应力，显著降低焊接接头的强度。为了消除由于变形加工以及铸造、焊接过程引起的残余内应力而进行的退火称为去应力退火。

除消除内应力外，去应力退火还可降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。

刚的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac1点，一般在500~650℃之间。铸件去应力退火温度一般为500~550℃，超过550℃容易造成珠光体的石墨化。焊接工件的退火温度一般为500~600℃。一些大的焊接构件，难以在加热炉内进行去应力退火，常常采用火焰