退火和正火操作及其应用

7.4.2　退火和正火操作及其应用

1．退火操作及其应用

退火是钢加热到适当的温度，经过一定时间保温后缓慢冷却，以达到改善组织、提高加工性能的一种热处理工艺。其主要目的是减轻钢的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。

退火工艺种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火及再结晶退火等。不同退火工艺的加热温度范围如图7-19所示，它们有的加热到临界点以上，有的加热到临界点以下。对于加热温度在临界点以上的退火工艺，其质量主要取决于加热温度、保温时间、冷却速度及等温温度等。对于加热温度在临界点以下的退火工艺，其质量主要取决于加热温度的均匀性。

图7-19　各种退火及正火的工艺示意图

（1）完全退火

完全退火是将亚共析钢加热到A_c3以上30℃～50℃，保温一定时间后随炉缓慢冷却至500℃左右出炉空冷，以获得接近平衡组织的一种热处理工艺。它主要用于亚共析钢，其主要目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性能。

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。过共析钢完全退火，加热温度在A_ccm以上，会有网状二次渗碳体沿奥氏体晶界析出，造成钢的脆化。

（2）等温退火

完全退火所需时间很长，特别是对于某些奥氏体比较稳定的合金钢，往往需要几十个小时，为了缩短退火时间，可采用等温退火。

等温退火的加热温度与完全退火时基本相同，钢件在加热温度保温一定时间后，快冷至A_r1以下某一温度等温，使奥氏体转变成珠光体，然后出炉空冷。

A_r1以下的等温温度，根据要求的组织和性能而定；等温温度越高，则珠光体组织越粗大，钢的硬度越低。

（3）球化退火

将工件加热至A_c1以上20℃～30℃，保温一定时间，再冷却至A_r1以下20℃左右等温一定时间。也可采用自加热温度极缓慢冷却（20℃～60ºC/h）的方法。球化退火主要用于过共析钢及合金工具钢（如制造刃具、量具、模具用钢），其主要目的在于降低硬度，改善切削加工性，并为以后淬火做好准备。

过共析钢的组织为层片状的珠光体与网状的二次渗碳体，不仅珠光体本身较硬，而且由于网状渗碳体的存在，更增加了钢的硬度和脆性。这不仅给切削加工带来困难，而且还会引起淬火时产生变形和开裂。为此，在热加工之后必须安排一道球化退火工序，使网状二次渗碳体及珠光体中的层片状渗碳体发生球化，变成球状（粒状）的渗碳体，如图7-8（d）所示。这种铁素体与球状渗碳体机械混合物的组织叫做“球化体”。它的硬度远较层片状珠光体与网状二次渗碳体组织的硬度低。为了便于球化过程的进行，对于网状较严重的，可在球化退火之前先进行一次正火。

球化退火也可应用于亚共析钢，只要严格地控制工艺，同样可以达到良好的“球化体”组织，使它们获得最佳的塑性和较低的硬度，从而大大有利于冷挤、冷拉、冷冲压等冷成形加工。

（4）扩散退火

扩散退火是将钢锭或铸钢件加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后缓慢冷却，以消除化学成分不均匀现象的一种热处理工艺，扩散退火加热温度通常为A_c3以上150℃～300℃（约1050℃～1250℃），具体加热温度视钢种及偏析程度而定，保温时间一般为10～15h。

扩散退火主要用于合金钢，尤其是高合金钢的钢锭及铸件。扩散退火后钢的晶粒非常粗大，需要再进行完全退火或正火。由于高温扩散退火生产周期长、消耗能量大、生产成本高，所以一般不轻易采用。

（5）去应力退火

为了消除冷加工以及铸造、焊接过程中引起的残余内应力而进行的退火，称为去应力退火。去应力退火还能降低硬度，提高尺寸稳定性，防止工件的变形和开裂。主要用来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会引起钢件在一定时间以后，或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。

将钢件随炉缓慢加热（100℃～200℃/h）至500℃～650℃（<A_c1），保温一段时间后，随炉缓慢冷却（50℃～100℃/h）至300ºC～200ºC以下出炉。

从去应力退火温度（<A_c1）可知，钢在去应力退火过程中并无组织变化，残余应力主要是通过钢在500℃～650℃保温后的缓冷过程消除的。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

2．正火操作及其应用

正火是将钢加热到Ac₃或A_ccm以上30℃～50℃，保温一定时间，然后在空气中冷却以获得珠光体类组织的一种热处理工艺。正火与退火的主要区别在于冷却速度不同，正火冷却速度较快，获得的珠光体组织较细，强度和硬度也较高。

正火与退火的目的相似，但正火态钢的力学性能较高，而且正火生产效率高，成本低，因此在工业生产中应尽量用正火代替退火。正火的主要应用是：

①作为普通结构零件的最终热处理。

②作为低、中碳结构钢的预先热处理，可获得合适的硬度，便于切削加工。

③用于过共析钢消除网状二次渗碳体，为球化退火做好组织准备。

综上所述，为改善钢的切削性能，低碳钢宜用正火；共析钢和过共析钢宜用球化退火，且过共析钢宜在球化退火前采用正火消除网状二次渗碳体；中碳钢最好采用退火，但也可采用正火。