工艺第62章钢的退火与正火.ppt

第二章钢的退火与正火 常用的热处理工艺分为两大类 预备热处理目的 消除坯料 半成品中的某些缺陷 为后续冷加工 最终热处理作组织准备 最终热处理目的 使工件获得所要求的性能 一 钢的退火的定义 目的和分类1 定义 将钢件加热到适当温度 保持一定时间 然后缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺称为退火 2 退火的目的 1 均匀化学成分 2 改善机械性能及工艺性能 3 消除或减少内应力 4 为最终热处理作好组织准备 3 退火工艺的分类按加热温度分为两类 一类是在临界温度 Ac1或Ac3 以上的退火 包括完全退火 不完全退火 扩散退火和球化退火等 另一类是在临界温度以下的退火 包括软化退火 再结晶退火及去应力退火等 第二章钢的退火与正火 各种退火工艺示意图 第二章钢的退火与正火 二 常用退火工艺方法1 扩散退火定义 扩散退火又称均匀化退火 将金属铸锭或锻坯 在稍低于固相线的温度下长期加热 消除或减少化学成分偏析及显维组织的不均匀性 以达到均匀化目的的热处理工艺 目的 消除结晶过程中的枝晶偏析 使成分均匀化 适用范围 主要用于质量要求高的合金钢铸锭 铸件 锻件 第二章钢的退火与正火 注意 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 同时 会引起奥氏体晶粒严重粗化 因此一般还需要进行一次完全退火或正火 以细化晶粒 消除过热缺陷 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 第二章钢的退火与正火 偏析的主要表现 1 化学成分的不均匀性 2 非金属夹杂物的不均匀性分布 3 偏析区还形成大量显微及宏观的气泡 气孔 偏析的危害 由于偏析存在 使大量铸 锻件成分及组织不均匀 存在很大组织应力 它直接影响到钢的热处理及其机械性能 第二章钢的退火与正火 扩散退火工艺 加热温度 通常选择在Ac3或Acm以上150 300 视钢种和偏析程度而异 温度过高影响加热炉寿命 并使钢件烧损严重 碳钢一般为1100 1200 合金钢一般为1200 1300 保温时间 t 8 5 Q 4式中 t为时间 h Q为装炉量 T 一般时间不超过15h 否则氧化严重 冷却速度 一般为50 h 高合金钢 20 30 h 第二章钢的退火与正火 2 完全退火定义 将钢件加热到Ac3以上 使之完全奥氏体化 然后缓慢冷却 获得接近平衡组织的热处理工艺 目的 细化晶粒 均匀组织 降低硬度 改善切削性能以及消除内应力 工艺 完全退火采用随炉缓冷以保证先共析铁素体的析出和过冷奥氏体在Ar1以下不大过冷度情况下转变为珠光体 工件在退火温度下的保温时间不仅要使工件烧透 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 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 第二章钢的退火与正火 加热温度 通常选择在Ac3以上20 30 保温时间 t 3 4 0 2 0 5 Q亚共析锻 轧材t KD min 碳素钢或低合金钢 装炉量小适用范围 中碳钢和中碳合金钢的铸 焊 锻 轧制件等 注意事项 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 第二章钢的退火与正火 3 不完全退火将钢件加热至Ac1 Ac3 亚共析钢 或Ac1 Acm 过共析钢 之间 经过保温并缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 这种退火实际上只是使珠光体部分再进行一次重结晶 基本上不改变先共析铁素体或渗碳体原来的形态及分布 退火后珠光体的片间距有所增大 硬度有所降低 内应力有所降低 特点 退火温度低 保温时间短 过共析钢的不完全退火实质上是球化退火的一种 第二章钢的退火与正火 4 球化退火概念 使钢中碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火 工艺 一般球化退火工艺Ac1 10 20 随炉冷至500 600 空冷 目的 降低硬度 改善组织 提高塑性和切削加工性能 适用范围 主要适用于含碳 0 6 的各种高碳工具钢 模具钢 轴承钢等 为改善冷变形工艺性 有时也用于低 中碳钢 第二章钢的退火与正火 钢中碳化物的球化可以提高塑性 韧性 改善切削加工性和减少最终热处理时的变形开裂倾向 球化退火后的硬度取决于钢中碳化物的析出分数及分布 形态 含碳量高的钢 碳化物数量多 退火后硬度也相应提高 碳化物粒子未溶 并聚集球化 得到粒状珠光体 加热温度过高 形成均匀的奥氏体 缓慢冷却得到片状珠光体 第二章钢的退火与正火 影响碳化物球化的因素 1 化学成分的影响 碳含量越高 越易于球化 2 原始组织的影响 渗碳体 碳化物等3 加热温度与保温时间的影响 加热温度越高 延长保温时间 奥氏体越容易出现片状珠光体而且不容易球化 4 冷却速度的影响 冷却速度过快 珠光体碳化物颗粒细小 聚集作用小 易形成片状碳化物 Ar1以下较高温度等温或炉冷 5 形变的影响 层状珠光体经过塑性变形可以加速球化过程 第二章钢的退火与正火 第二章钢的退火与正火 常见的球化退火工艺 第二章钢的退火与正火 第二章钢的退火与正火 5 再结晶退火定义 经过冷变形后的金属加热到再结晶温度以上 保持适当时间 以消除形变强化和残余应力的热处理工艺 目的 消除加工硬化 提高塑性 改善切削性能和压延成型性能 加热温度 再结晶退火在高于再结晶温度进行 再结晶温度随着合金成分及冷塑性变形量而有所变化 为产生再结晶所需的最小变形量称为临界变形量 钢的临界变形量为6 10 再结晶温度随变形量增加而降低 到一定值时不再变化 纯金属的再结晶温度 铁为450 铜为270 铝为100 一般钢材再结晶退火温度常取650 700 铜合金为600 700 铝合金为350 400 第二章钢的退火与正火 6 去应力退火定义 为了消除由于形变加工 锻造 焊接等所引起的以及铸件内存在的残余应力 但不引起组织的变化 而进行的退火工艺 目的 消除铸件 锻件 焊接件应力 稳定几何形状 防止开裂 尤其在机械加工后 由于应力平衡的破坏 常会造成变形超差 使工件报废 加热温度 铸铁件去应力退火温度不应太高 否则造成珠光体的石墨化 由于成分 加工方法 内应力大小及分布的不同 以及去除程度的不同 去应力退火的加热温度范围很宽 应根据具体情况而定 第二章钢的退火与正火 例如 1 低碳结构钢热锻后 如硬度不高 适于切削加工 可不进行正火 而在500 左右进行去应力退火 2 中碳结构钢为避免调质时的淬火变形 需在切削加工或最终热处理前进行500 650 的去应力退火 3 对切削加工量大 形状复杂而要求严格的刀具 模具等 在粗加工及半精加工之间 淬火之前 常进行600 700 2 4小时的去应力退火 4 各类铸件在机械加工前应进行消除应力处理 铸铁件去应力退火温度不应太高 否则造成珠光体的石墨化 去应力退火后 均应缓慢冷却 以免产生新的应力 第二章钢的退火与正火 三 钢的正火定义 正火是将钢件或钢材加热到Ac3 Acm 以上适当温度 保温适当时间后在空气中冷却 得到珠光体类组织的热处理工艺 目的 正火的目的是获得一定的硬度 细化晶粒 并获得比较均匀的组织和性能 正火温度 一般正火加热温度为Ac3 30 50 第二章钢的退火与正火 保温时间 一般正火保温时间以工件透烧为准 即心部达到要求的加热温度 因为正火时一般采用热炉装料 加热过程中工件内温差较大 为了缩短工件在高温时的停留时间 而心部又能达到要求的加热温度 所以采用稍高于完全退火的温度 正火是工业上常用热处理工艺之一 正火既可作为预备热处理工艺 为后续热处理工艺提供适宜的组织状态 例如为过共析钢的球化退火提供细片状珠光体 消除网状碳化物等 也可作为最终热处理工艺 提供合适的机械性能 例如碳素结构钢件的正火处理等 此外 正火处理也常用来消除某些缺陷 例如 消除粗大铁素体块 消除魏氏组织等 第二章钢的退火与正火 正火时应考虑如下问题 1 低碳钢正火的目的之一是为了提高切削性能 但是对有些含碳量低于0 20 的钢 即使按通常正火温度正火后 自由铁素体量仍过多 硬度过低 切削性能仍较差 为了适当提高硬度 应提高加热温度 可比Ac3高100 以增大过冷奥氏体的稳定性 而且应该增大冷却速度 以获得较细的珠光体和分散度较大的铁素体 2 中碳钢的正火应该根据钢的成分及工件尺寸来确定冷却方式 含碳量较高 含有合金元素 可采用较缓慢冷却速度 如在静止空气中或成堆堆放冷却 反之则采用较快冷却速度 第二章钢的退火与正火 3 过共析钢正火 一般是为了消除网状碳化物 故加热时必须保证碳化物全部溶入奥氏体中 为了抑制自由碳化物的析出 使其获得伪共析组织 必须采用较大冷却速度 如鼓风冷却 喷雾冷却 甚至油冷或水冷至Ar1点以下的温度再取出空冷 4 双重正火 有些锻件的过热组织或铸件粗大铸造组织 一次正火不能达到细化组织的目的 为此采用二次正火 才可获得良好结果 第一次正火在高于Ac3点以上150 200 的温度加热 以扩散办法消除粗大组织 使成分均匀 第二次正火以普通条件进行 其目的是细化组织 第二章钢的退火与正火 四 退火 正火后钢的组织和性能退火和正火所得到的均是珠光体型组织 但是正火与退火比较时 正火的珠光体是在较大的过冷度下得到的 因而退火 主要指完全退火 与正火在组织上存在差异 因而在性能上也不同 1 退火 正火后的组织特点钢在退火 正火后的组织和性能与钢的成分 原始组织状态 工艺规范等因素有关 第二章钢的退火与正火 经完全退火与正火后的组织有以下区别 1 正火的珠光体组织比退火状态的片层间距小 范围也小 2 正火的冷却速度快 先共析产物不能充分析出 同时由于奥氏体的成分偏离共析成分而出现伪共析组织 对过共析钢 退火后组织为珠光体 网状碳化物 正火得到全部细珠光体组织 或者沿晶界析出一部分条状碳化物 3 由于合金钢中碳化物更稳定 不易充分固溶到奥氏体中 退火后不容易形成层状珠光体 正火后得到的粒状索氏体或屈氏体硬度较高 4 正常规范下通过退火 正火使钢的晶粒细化 但是如果加热温度过高 使奥氏体晶粒粗大 退火后形成粗晶粒的组织 第二章钢的退火与正火 2 退火 正火后组织与机械性能的关系1 铁素体机械性能铁素体的机械性能取决于碳及合金元素的含量 同时也与晶粒的亚结构尺度有关 晶粒大小对铁素体性能的影响公式 第二章钢的退火与正火 2 珠光体的机械性能珠光体是铁素体与渗碳体的两相混合物 珠光体的硬度 强度与片层间距成线性反比关系 同时临界脆化温度Tc与珠光体范围的尺寸dp成反比关系 钢中珠光体含量越多 强度 硬度越高 而韧性下降 临界脆化温度提高 第二章钢的退火与正火 在生产上对退火 正火工艺的选用 应该根据钢种 前后连接的冷 热加工工艺 以及最终零件使用条件等来进行 根据钢中含碳量不同 一般按如下原则选择 1 含0 25 C以下的钢 在没有其它热处理工序时 可用正火来提高强度 2 对渗碳钢 用正火消除锻造缺陷及提高切削加工性能 但对含碳低于0 20 的钢 如前所述 应采用高温正火 对这类钢 只有形状复杂的大型铸件 才用退火消除铸造应力 第二章钢的退火与正火 3 对含碳0 25 0 50 的钢 一般采用正火 其中含碳0 25 0 35 钢 正火后其硬度接近于最佳切削加工的硬度 对含碳较高的钢 硬度虽稍高 200HB 但由于正火生产率高 成本低 仍采用正火 只有对合金元素含量较高的钢才采用完全退火 4 对含碳0 50 0 75 的钢 一般采用完全退火 因为含碳量较高 正火后硬度太高 不利于切削加工 而退火后的硬度正好适宜于切削加工 此外 该类钢多在淬火 回火状态下使用 因此一般工序安排是以退火降低硬度 然后进行切削加工 最终进行淬火 回火 第二章钢的退火与正火 5 含碳0 75 1 0 的钢 有的用来制造弹簧 有的用来制造刀具 前者采用完全退火作预备热处理 后者则采用球化退火 当采用不完全退火法使渗碳体球化时 应进行正火处理 以消除网状渗碳体 并细化珠光体片 6 含碳大于1 0 的钢用于制造工具 均采用球化退火作预备热处理 当钢中含有较多合金元素时 由于合金元素强烈地改变了过冷奥氏体连续冷却转变曲线 因此上述原则就不适用 例如低碳高合金钢18Cr2Ni4WA没有珠光体转变 即使在极缓慢的冷却速度下退火 也不可能得到珠光体型组织 一般需用高温回火来降低硬度 以便切削加工 第二章钢的退火与正火 五 退火 正火的缺陷1 过烧由于加热温度过高 晶界氧化 甚至晶界局部熔化 造成工件报废 第二章钢的退火与正火 2 黑脆碳素工具钢或低合金工具钢在退火后 有时发现硬度虽然很低 但脆性却很大 一折即断 断口呈灰黑色 所以叫 黑脆 金相组织特点是部分渗碳体转变成石墨 发现黑脆的工具不能返修 T12钢退火石墨碳如下图 第二章钢的退火与正火 3 粗大魏氏体组织主要原因是加热温度过高所致 对于魏氏体严重的 可采用双重正火来消除 魏氏组织的主要原因 适当冷却速度 奥氏体晶粒粗大 4 反常组织主要原因是当亚共析钢或共析钢退火时 在临界点Ar1点附近冷却过慢 特