退火工艺及其应用

一、退火工艺及其应用

将钢加热到适当的温度，保温一定的时间，然后缓慢冷却，以获得接近平衡组织的热处理工艺称为退火。退火最大的工艺特点是缓冷，可使钢的硬度降低，属于软化处理。退火的目的通常有使钢的化学成分和组织均匀、细化晶粒、调整硬度、消除内应力、改善切削加工性以及为淬火做好组织准备等。

根据钢的成分和工艺目的不同，退火可分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火等。

(一)完全退火

完全退火是将钢件或钢材加热至A_c3以上20～30℃，保温足够的时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却的热处理工艺。完全退火主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件。其目的是细化晶粒，消除内应力和组织缺陷，降低硬度和改善钢的切削加工性等。

低碳钢(w_C＜0．3%)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。而过共析钢若加热至A_ccm以上完全奥氏体化后退火，将使Fe₃C_Ⅱ沿奥氏体晶界析出并形成连续网状，导致钢的力学性能全面大幅下降。

完全退火一般采用随炉缓慢冷却，可以保证亚共析钢中的先共析铁素体和过冷奥氏体在A_r1以下较高的温度范围内转变，从而达到消除内应力，降低硬度和改善切削加工性的目的。工件在完全退火加热保温时要保证热透，即工件表面和心部都要达到规定温度，而且奥氏体成分要均匀，这就要求保温时间要足够。一般碳钢或低合金钢工件，当装炉量不大时，在箱式炉中的保温时间可按经验公式τ=KD(min)计算，式中D是工件的有效厚度(mm); K为加热系数(一般取1．5～2．0min/mm)，若装炉量过大，应根据具体情况延长保温时间。实际生产时，为了缩短炉子的占用周期，提高生产效率，一般退火在炉冷至600℃时即可出炉空冷。

一般退火采用炉冷时的冷却速度很慢(15～30℃/h)，退火时间很长。特别是某些奥氏体比较稳定的合金钢，退火时间往往长达数十小时，甚至数天时间。不仅生产效率低下，还容易引起氧化脱碳。生产中一般合金钢大件常采用等温退火工艺。

等温退火指钢经奥氏体化后，以较快的速度冷却到珠光体转变区(A₁～680℃)中的某一温度等温一段时间，使奥氏体在等温过程中转变为珠光体，然后出炉空冷至室温。等温退火不仅可以有效地缩短退火时间，提高生产效率，而且由于珠光体转变在同一温度下进行，有利于获得更为均匀的组织和一致的性能，这对大型工件退火特别适用。图6-19为高速工具钢普通退火与等温退火工艺比较。

图6-19　高速钢普通退火与等温退火工艺比较

(二)球化退火

球化退火是使钢中的碳化物球状化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。球化退火主要用于共析钢、过共析碳钢和合金工具钢(如制造刃具、模具、量具所用的钢种)，其目的是降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火做好组织上的准备。

共析钢、过共析钢的锻造组织一般为片状珠光体，如果锻后冷却不当，还会形成网状渗碳体。这样的组织不仅硬度高，切削加工性差，而且钢的脆性较大，淬火时易产生变形和开裂。因此，共析钢、过共析钢热加工毛坯的预先热处理一般都采用球化退火，使二次渗碳体及珠光体中的层状渗碳体转变为球状或粒状，如图6-20(a)所示。这种在铁素体基体上分布着球状渗碳体的混合物的组织，称为球化体或球状珠光体。球状珠光体的硬度较层片状珠光体的硬度低，具有良好的切削加工性，并且在后续淬火时可有效地减轻钢的变形和开裂倾向。

普通球化退火是将共析钢或过共析钢加热至A_c1以上10～20℃，保温2～4h，然后随炉缓慢冷却至600℃后出炉空冷。生产中常采用等温球化退火工艺，它是在采用同样加热、保温后，将钢件快冷却至稍低于A_r1温度较长时间等温后，再炉冷至600℃出炉空冷。等温球化退火工艺简单，不仅可缩短生产周期，而且球化效果好。碳素工具钢等温球化退火工艺如图6-20(b)所示。

图6-20　等温球化退火与退火后组织

球化退火的工艺特点是低温短时加热和缓慢冷却。当加热温度保持在稍高于A_c1时，钢中的渗碳体处于半溶解状态，此时层片状的渗碳体开始逐渐断开成为许多细小的链状或点状，弥散分布在奥氏体基体上;同时在低温短时加热的条件下，所形成的奥氏体成分也极不均匀。故在随后缓冷或等温过程中，或以原有细小的渗碳体为核心，或在奥氏体中碳原子富集的地方形成新的渗碳体晶核，均匀地成长为颗粒状的渗碳体。应当说明，在继续冷却或等温的过程中，粒状的渗碳体也会聚集长大，但由于球状体的表面能小，最初形成的渗碳体经聚集长大后，其形态依然是球化体。

近年来，球化退火应用于亚共析钢也取得了良好的成效，只要工艺控制严格，在亚共析钢中同样可以获得理想的球化体组织。亚共析钢得到球化体组织可使其获得最佳塑性和较低的硬度，从而显著提高钢材的冷挤压、冷拉、冷冲等成形加工性。

(三)均匀化退火

均匀化退火又称为扩散退火。它主要用于合金钢铸锭和铸件，以消除铸态组织中的枝晶偏析及区域偏析，使其成分均匀化。扩散退火工艺是把钢加热至略低于固相线的某一温度长时间保温，然后随炉缓冷的热处理工艺。扩散退火的加热温度通常为A_c3或A_ccm以上150～300℃，但具体还要视钢种和偏析程度而定。碳钢一般为1100～1200℃，合金钢多为1 200～1300℃。保温时间一般为10～15h。

均匀化退火是利用高温加热、长时间保温，促进原子扩散而使钢成分均匀化。但由于高温长时间保温，退火后钢的晶粒非常粗大，而且氧化、脱碳较严重。所以钢件均匀化退火后还须再进行一次完全退火或正火来消除过热缺陷。另外，由于其生产周期长，耗能大，成本高，因此生产中只有对一些优质合金钢以及偏析严重的合金钢铸件才使用这种工艺。

(四)去应力退火

去应力退火是将工件加热至A_c1以下的某一温度(500～650℃)，经保温后缓慢冷却的热处理工艺。其目的是消除铸、锻、焊接、切削加工等工件中产生的内应力，防止工件在使用或加工过程中变形或开裂。由于去应力退火温度低于A_c1，所以钢在退火过程中不发生组织转变。

铸铁件去应力退火的温度一般为500～550℃，超过550℃易使基体组织中的珠光体石墨化;焊件的退火温度一般为500～600℃。去应力退火的保温时间可根据工件的截面尺寸和装炉量确定，钢的保温时间为3min/mm;铸铁的保温时间为6min/mm。去应力退火后的冷却速度应尽量缓慢，以免在冷却过程中又产生新的应力。