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热处理-退火处理
来源:
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作者:鼎言热处理
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发布时间: 2019-10-29
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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技术。钢在加热和冷却过程中的组织转变规律为制订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和性能的不同,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。钢退火与正火
按热处理在工件加工工序中所处的位置不同,钢的热处理分为预备热处理和最终热处理。为了消除制造毛坏时的内应力,细化晶粒,均匀组织,减少原始组织缺陷,改善切刖最终热处理做组织准备而进行的热处理称为预备热处理;为使工件满足使用条件下的性能要求而进行的热处理称为最终热处理通常,退火和正火多用于预备热处理。但对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件,退火和正火也可作为最终热处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、工件及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,为下道工序做好组织性能准备。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
1.退火
退火就是将工件加热到适当的温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。其主要目的是降低硬度,去除内应力,均匀钢的化学成分和组织,细化晶粒,提高塑性,改善切削加工性能,为最终热处理做好组织准备
生产中退火工艺得到广泛应用。以滚动轴承的生产为例,从钢坯到成品之间要经过扩散退火、脱氢退火、球化退火、去除内应力退火等多道工序。退火工艺方法多样,需根据工件的不同目的和要求而灵活选用,常用的退火工艺方法有以下几种。
(1)完全退火。
将工件加热至完全奥氏体化后缓慢冷却获得接近平衡组织的退火工艺,称为完全退火。亚共析钢完全退火的加热温度为A2以上20~30℃。完全退火可使钢件降低硬度,提高塑性,细化品粒,改善切削加工性能。过共析钢一般不宜进行完全退火。若将过共析钢加热至Acm以上完全奥氏体化后,在随后的缓慢冷却过程中,将会有网状二次渗碳体析出,使钢的强度、塑性和韧性降低。
(2)不完全退火。
将钢加热至Ac1~Ac3(亚共析钢)或A1Ac=m(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。如果亚共析钢原始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,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。
(3)等温退火。
将工件加热至Ac3或Ac1以上的温度,保持适当时间后,以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持,使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的工艺称为等温退火。等温退火的作用与完全退火相同。但工艺周期短,组织转变比较均匀一致,因此,特别适用于大件及合金钢件的退火。
(4)球化退火。为了使钢中碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。其工艺过程是将钢加热到Ac1以上20~30℃,保温一定时间,然后缓慢冷却至An以下20℃左右等温一段时间随后空冷。
与片状碳化物组织相比,球状碳化物可以改善钢的塑性与韧性,降低硬度,改善切削加工性能和减少最终热处理时的变形开裂倾向。细小均匀、圆形的碳化物,将使钢的耐磨性、接触疲劳强度和断裂韧性得到改善和提高。
若过共析钢中存在网状二次渗碳体的组织,应先进行正火,消除网状组织,然后再进行球化退火
(5)去应力退火。
将工件加热到500~600℃,并保温一定时间,缓慢冷却至300~200℃以下空冷,消除工件因塑性变形加工、切削加工或焊接造成的残余内应力及铸件内存在的残留应力而进行的退火,称为去应力退火。
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。对于焊接件可以消除焊缝处由于组织不均匀而存在的内应力,而且能有效提高焊接接头的强度,防止焊接工件变形和开裂。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。
钢的去应力退火加热温度较宽,但不超过Ac1点,因此,退火过程中不发生相变。铸铁件去应力退火温度一般为500550℃,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,常常采用火焰或工频感应加热局部退火,其退火加热温度一般略高于炉内加热
去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为3mm/mm,铸铁的保温时间为6mim/mn去应力退火后的冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力。有些合金结构钢,由于合金元素的含量高,奥氏体较稳定在锻、轧后空冷时能形成马氏体或贝氏体,硬度很高,不能切削加工,为了消除应力和降低硬度,也可在A点以下低温退火温度范围进行软化处理,使马氏体或贝氏体在加热过程中发生分解。这种处理实质就是高温回火。
(6)再结晶退火。
再结品退火是将冷变形金属加热到规定温度,并保温一定时间,然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。其目的是降低硬度,提高塑性,恢复并改善材料的性能。再结晶退火对于冷成形加工十分重要。在成形时因塑性变形而产生加工硬化,这就给进一步的冷变形造成困难。因此,为了降低硬度,提高塑性,再结晶退火成为冷成形操作中不可缺少的工序。另外,对于没有同素异晶转变的金属(如铝、铜等)来说,采用冷塑性变形和再结晶退火的方法是获得细小晶粒的一个重要手段。再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持透当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。钢经冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工使化现象,使钢的强度、硬度升高,塑性、韧性下降,切削加工性能和成形性能变差。经过再结晶退火,消除了加工硬化,钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。
冷变形钢的再结晶温度与化学成分和变形度等因素有关般来说,形变量越大,再结晶温度越低,再结晶退火温度也越低。不同的钢都有一个临界变形度,在这个变形度下,再结晶时晶粒将异常长大。钢的临界变形度为6%~10%。一般钢材再结晶退火温度为650~700℃,保温时间为1~3h。冷变形钢再结晶退火后通常在空气中冷却。
再结晶退火既可作为钢材或其他合金多道冷变形之间的中间退火,也可作为冷变形钢材或其他合金成品的最终热处理(7)扩散退火。扩散退火又称均匀化退火,它是将钢锭铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下保温,然后缓慢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在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析,使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中扩散,扩散退火加热温度很高,通常为Ac3或Acm以上150~300℃,具体加热温度视偏析程度和钢种而定。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1.52.5min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:7=8.5+0/4(单位为h)。式中的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,奥氏体品粒十分粗大,需要再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,消耗能量大,工件氧化,脱碳严重,成本很高,只有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。
2.正火
将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火工艺的加热温度要求足够高,一般要求得到均匀的单相奥氏体组织,亚共析钢的加热温度为Ae3以上30~50℃,过共析钢为Acm以上30~50℃。
正火与退火工艺的区别是正火的冷却速度稍快,得到的组织较细小,强度和硬度较高;同时操作简便,生产周期短,成本低。因此,正火是一种广泛采用的预先热处理方法。它主要应用于以下几个方面。
(1)低、中碳钢和低合金结构钢铸件、锻件,通过正火处理,可以消除应力,细化晶粒,改善切削加工性能,并可为最终热处理做组织准备。
(2)中碳结构钢铸件、锻件及焊接件,由于在铸、锻、焊中容易出现粗大晶粒和其他组织缺陷。通过正火处理可以消除这些组织缺陷,并能细化晶粒,均匀组织,消除内应力。备。如工具钢和轴承钢中有网状渗碳体时,可通过正火(3)消除过共析钢中的网状渗碳体,为球化退火做组(4)作为普通结构零件的最终热处理。一些受力不大,只需一定的综合力学性能的结构件,采取正火就能满足其使用性能要求,如55钢制喷油器体等
3.退火与正火工艺的选择
退火和正火都是预先热处理工艺,其目的也几乎相同。在实际生产应用中如何选择,应注意如下几方面。
(1)切削加工性能。一般认为硬度在160~230HBS范围内的钢材,其切削加工性最好。硬度过高难以加工,而且刀具容易磨损。硬度过低,切削时容易“黏刀”,使刀具发热而磨损,而且工件的表面粗糙。所以,低碳钢宜用正火提高硬度,高碳钢宜用退火降低硬度。碳的质量分数低于0.5%的钢,通常采用正火;碳的质量分数为0.5%~0.75%的钢般采用完全退火
碳的质量分数高于0.75%的钢或高合金钢均应采用球化退火。
(2)使用性能。由于正火处理比退火处理具有更好的力学性能,因此,若正火和退火都能满足使用性能要求,应优先采用正火。对于形状复杂或尺寸较大的工件,因正火可能产生较大的内应力,导致变形和裂纹,故宜采用退火。
(3)经济性。由于正火比退火生产周期短,效率高,成本低,操作简便,因此,尽可能地优先采用正火。
根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同,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。钢退火与正火
按热处理在工件加工工序中所处的位置不同,钢的热处理分为预备热处理和最终热处理。为了消除制造毛坏时的内应力,细化晶粒,均匀组织,减少原始组织缺陷,改善切刖最终热处理做组织准备而进行的热处理称为预备热处理;为使工件满足使用条件下的性能要求而进行的热处理称为最终热处理通常,退火和正火多用于预备热处理。但对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件,退火和正火也可作为最终热处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、工件及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,为下道工序做好组织性能准备。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
1.退火
退火就是将工件加热到适当的温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。其主要目的是降低硬度,去除内应力,均匀钢的化学成分和组织,细化晶粒,提高塑性,改善切削加工性能,为最终热处理做好组织准备
生产中退火工艺得到广泛应用。以滚动轴承的生产为例,从钢坯到成品之间要经过扩散退火、脱氢退火、球化退火、去除内应力退火等多道工序。退火工艺方法多样,需根据工件的不同目的和要求而灵活选用,常用的退火工艺方法有以下几种。
(1)完全退火。
将工件加热至完全奥氏体化后缓慢冷却获得接近平衡组织的退火工艺,称为完全退火。亚共析钢完全退火的加热温度为A2以上20~30℃。完全退火可使钢件降低硬度,提高塑性,细化品粒,改善切削加工性能。过共析钢一般不宜进行完全退火。若将过共析钢加热至Acm以上完全奥氏体化后,在随后的缓慢冷却过程中,将会有网状二次渗碳体析出,使钢的强度、塑性和韧性降低。
(2)不完全退火。
将钢加热至Ac1~Ac3(亚共析钢)或A1Ac=m(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。如果亚共析钢原始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,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。
(3)等温退火。
将工件加热至Ac3或Ac1以上的温度,保持适当时间后,以较快速度冷却到珠光体转变温度区间的某一温度并等温保持,使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的工艺称为等温退火。等温退火的作用与完全退火相同。但工艺周期短,组织转变比较均匀一致,因此,特别适用于大件及合金钢件的退火。
(4)球化退火。为了使钢中碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。其工艺过程是将钢加热到Ac1以上20~30℃,保温一定时间,然后缓慢冷却至An以下20℃左右等温一段时间随后空冷。
与片状碳化物组织相比,球状碳化物可以改善钢的塑性与韧性,降低硬度,改善切削加工性能和减少最终热处理时的变形开裂倾向。细小均匀、圆形的碳化物,将使钢的耐磨性、接触疲劳强度和断裂韧性得到改善和提高。
若过共析钢中存在网状二次渗碳体的组织,应先进行正火,消除网状组织,然后再进行球化退火
(5)去应力退火。
将工件加热到500~600℃,并保温一定时间,缓慢冷却至300~200℃以下空冷,消除工件因塑性变形加工、切削加工或焊接造成的残余内应力及铸件内存在的残留应力而进行的退火,称为去应力退火。
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。对于焊接件可以消除焊缝处由于组织不均匀而存在的内应力,而且能有效提高焊接接头的强度,防止焊接工件变形和开裂。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。
钢的去应力退火加热温度较宽,但不超过Ac1点,因此,退火过程中不发生相变。铸铁件去应力退火温度一般为500550℃,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,常常采用火焰或工频感应加热局部退火,其退火加热温度一般略高于炉内加热
去应力退火保温时间也要根据工件的截面尺寸和装炉量决定。钢的保温时间为3mm/mm,铸铁的保温时间为6mim/mn去应力退火后的冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力。有些合金结构钢,由于合金元素的含量高,奥氏体较稳定在锻、轧后空冷时能形成马氏体或贝氏体,硬度很高,不能切削加工,为了消除应力和降低硬度,也可在A点以下低温退火温度范围进行软化处理,使马氏体或贝氏体在加热过程中发生分解。这种处理实质就是高温回火。
(6)再结晶退火。
再结品退火是将冷变形金属加热到规定温度,并保温一定时间,然后缓慢冷却到室温的一种热处理工艺。其目的是降低硬度,提高塑性,恢复并改善材料的性能。再结晶退火对于冷成形加工十分重要。在成形时因塑性变形而产生加工硬化,这就给进一步的冷变形造成困难。因此,为了降低硬度,提高塑性,再结晶退火成为冷成形操作中不可缺少的工序。另外,对于没有同素异晶转变的金属(如铝、铜等)来说,采用冷塑性变形和再结晶退火的方法是获得细小晶粒的一个重要手段。再结晶退火是把冷变形后的金属加热到再结晶温度以上保持透当的时间,使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒而消除加工硬化的热处理工艺。钢经冷冲、冷轧或冷拉后会产生加工使化现象,使钢的强度、硬度升高,塑性、韧性下降,切削加工性能和成形性能变差。经过再结晶退火,消除了加工硬化,钢的机械性能恢复到冷变形前的状态。
冷变形钢的再结晶温度与化学成分和变形度等因素有关般来说,形变量越大,再结晶温度越低,再结晶退火温度也越低。不同的钢都有一个临界变形度,在这个变形度下,再结晶时晶粒将异常长大。钢的临界变形度为6%~10%。一般钢材再结晶退火温度为650~700℃,保温时间为1~3h。冷变形钢再结晶退火后通常在空气中冷却。
再结晶退火既可作为钢材或其他合金多道冷变形之间的中间退火,也可作为冷变形钢材或其他合金成品的最终热处理(7)扩散退火。扩散退火又称均匀化退火,它是将钢锭铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下保温,然后缓慢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在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析,使成分和组织均匀化。为使各元素在奥氏体中扩散,扩散退火加热温度很高,通常为Ac3或Acm以上150~300℃,具体加热温度视偏析程度和钢种而定。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1.52.5min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:7=8.5+0/4(单位为h)。式中的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,奥氏体品粒十分粗大,需要再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,消耗能量大,工件氧化,脱碳严重,成本很高,只有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。
2.正火
将工件加热奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺称为正火。正火工艺的加热温度要求足够高,一般要求得到均匀的单相奥氏体组织,亚共析钢的加热温度为Ae3以上30~50℃,过共析钢为Acm以上30~50℃。
正火与退火工艺的区别是正火的冷却速度稍快,得到的组织较细小,强度和硬度较高;同时操作简便,生产周期短,成本低。因此,正火是一种广泛采用的预先热处理方法。它主要应用于以下几个方面。
(1)低、中碳钢和低合金结构钢铸件、锻件,通过正火处理,可以消除应力,细化晶粒,改善切削加工性能,并可为最终热处理做组织准备。
(2)中碳结构钢铸件、锻件及焊接件,由于在铸、锻、焊中容易出现粗大晶粒和其他组织缺陷。通过正火处理可以消除这些组织缺陷,并能细化晶粒,均匀组织,消除内应力。备。如工具钢和轴承钢中有网状渗碳体时,可通过正火(3)消除过共析钢中的网状渗碳体,为球化退火做组(4)作为普通结构零件的最终热处理。一些受力不大,只需一定的综合力学性能的结构件,采取正火就能满足其使用性能要求,如55钢制喷油器体等
3.退火与正火工艺的选择
退火和正火都是预先热处理工艺,其目的也几乎相同。在实际生产应用中如何选择,应注意如下几方面。
(1)切削加工性能。一般认为硬度在160~230HBS范围内的钢材,其切削加工性最好。硬度过高难以加工,而且刀具容易磨损。硬度过低,切削时容易“黏刀”,使刀具发热而磨损,而且工件的表面粗糙。所以,低碳钢宜用正火提高硬度,高碳钢宜用退火降低硬度。碳的质量分数低于0.5%的钢,通常采用正火;碳的质量分数为0.5%~0.75%的钢般采用完全退火
碳的质量分数高于0.75%的钢或高合金钢均应采用球化退火。
(2)使用性能。由于正火处理比退火处理具有更好的力学性能,因此,若正火和退火都能满足使用性能要求,应优先采用正火。对于形状复杂或尺寸较大的工件,因正火可能产生较大的内应力,导致变形和裂纹,故宜采用退火。
(3)经济性。由于正火比退火生产周期短,效率高,成本低,操作简便,因此,尽可能地优先采用正火。
