热处理中怎么选用正火和退火

任务3　钢的退火与正火

为了改善钢的力学性能，机械零件在加工过程中往往要安排不同目的的各种热处理，一般机械零件的工艺过程：毛坯（铸造、锻造）↑预备热处理↑切削加工↑最终热处理。最终热处理的目的是使零件达到所要求的力学性能，如强度、硬度、耐磨性、韧性等。预备热处理的目的是消除毛坯在铸造或锻造过程中所造成的某些缺陷（如晶粒粗大、枝晶偏析、硬度过高或不均匀等），同时为下道工序即切削加工或冷压力加工及最终热处理做好组织准备。退火和正火就是钢材经常采用的预备热处理。如果零件的力学性能要求不高，退火和正火已能满足零件的性能要求，则退火、正火就是最终的热处理。

一、钢的退火

退火是把钢加热到高于或低于临界点（A_c3或A_c1）某一温度并保温一定时间，然后缓慢冷却，使钢获得接近平衡组织的热处理方法。

钢常用的退火方法有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火及再结晶退火等，其工艺过程和加热温度如图5－20所示。

图5－20　钢退火工艺过程和加热温度

1—再结晶退火；2—去应力退火；3—完全退火；4—球化退火；5—扩散退火；6—正火

1．完全退火

完全退火又称重结晶退火，主要用于亚共析钢，是将钢加热到A_c3以上30～50℃，保温后缓冷或冷至600℃左右出炉空冷，工艺过程如图5－20所示的工艺曲线3。在完全退火中，钢的组织全部奥氏体化，在随后的冷却中转变为接近平衡的组织，这样，可以消除前面热加工造成的内应力。通过重结晶可细化、均匀组织，使中碳钢以上的钢软化，以便于后续加工。完全退火广泛用于锻件、铸钢件，有时也用于焊接件。

2．等温退火

退火是一种很费时的工艺，特别是对于某些合金钢，为了缩短时间，通常采用等温退火工艺。

等温退火是将亚共析钢加热到A_c3以上，过共析钢加热到A_c1以上，保温一定时间，再快速冷却至稍低于A_r1的某一温度等温停留，使过冷奥氏体完成向珠光体的转变，随后出炉或冷却至600℃左右时出炉，等温退火与普通退火相比可大大缩短时间，如图5－21所示。

图5－21　高速钢的等温退火与普通退火的比较

普通退火等温退火

3．球化退火

球化退火是把钢加热到A_c1以上10～30℃，保温足够时间后随炉冷却或采用等温退火的冷却方式，如图5－20所示工艺曲线4。其目的是使钢中渗碳体球化，这种组织称为球状珠光体。共析钢、过共析钢中的片状珠光体组织，硬度较高，对刀具的磨损较大，易发生变形、开裂的现象。而球状珠光体由于降低了硬度（见表5－1），能改善切削性能，且淬火加热温度范围宽，不易导致过热。淬火后获得的细针状马氏体和粒状渗碳体组织力学性能好，使用寿命长。

表5－1　T8钢普通退火与球化退火后性能的对比

对于有网状二次渗碳体存在的过共析钢，在球化退火之前应先进行正火来打碎渗碳体网状化组织，如图5－22所示。

4．扩散退火

扩散退火是把钢加热到略低于固相线的温度，长时间保温，然后缓冷至室温，其工艺过程如图5－20所示工艺曲线5。加热到如此高温后，铁、碳原子充分扩散，可使铁内存在的化学成分偏析消除，但奥氏体晶粒也长得很大，因而必须再进行一次完全退火或正火使其组织细化。

5．去应力退火

去应力退火又称为低温退火，是把钢加热到低于A_c1的某一温度，通常为500～600℃，保温后缓冷至室温，其工艺过程如图5－20所示工艺曲线2。去应力退火目的是消除铸件、焊件及切削加工件存在的内应力，起到稳定工件尺寸的作用，避免工件在加工和使用过程中发生变形。

图5－22　球化退火后的组织

二、钢的正火

正火是把钢加热到A_c3或A_ccm以上30～50℃，使钢转变为奥氏体，保温后在空气中冷却，如图5－20所示工艺曲线6，从而得到珠光体类组织的热处理工艺。正火与退火的差别是冷却速度的不同，正火的冷却速度较大，获得的珠光体类组织较细，因而强度与硬度也较高。

对于某些含有大量合金元素的高合金钢，在空冷时，由于C曲线位置发生了显著右移，过冷奥氏体转变为贝氏体或马氏体，此时得到的组织和性能与正火完全不同。

正火后的力学性能和生产效率都较高，成本也低，因而一般情况下尽可能地用它来代替退火，正火主要应用于下列方面。

（1）对于由中、低碳钢和低碳合金钢制成的一般零件，一般用正火作为预备热处理，用以消除锻造、铸造和焊接中形成的缺陷以改善切削加工性。

（2）对于由中、低碳钢所制造的非重要零件，正火也可作为最终热处理，用以改善和提高其力学性能。

（3）对于碳的质量分数较高的过共析钢，通过正火可以破碎网状二次渗碳体，减少渗碳体，为球化退火做好组织准备。

综上所述，为改善切削加工性能，低、中碳钢宜用正火，高碳钢则宜用退火，过共析钢用正火消除网状渗碳体后，因硬度偏高，还需球化退火，图5－23所示为退火、正火两种热处理工艺与适宜加工硬度范围的关系。应该指出的是，当中、低碳钢进行冷挤、冷镦、冷铆以前，为获得良好的塑性，也要采用退火。

图5－23　退火、正火后的硬度值（阴影部分为合适的切削加工硬度范围）