钢的退火和正火.ppt

第八章钢的退火和正火材料与冶金学院李伟,主要内容8.1前言8.2钢的退火8.3钢的正火8.4退火和正火后组织与性能8.5退火和正火缺陷,金属热处理工艺：将工件放在一定的介质中加热、保温、冷却，通过改变金属及合金表面或内部的组织结构来控制其性能的工艺方法。金属热处理工艺学：在一般固态相变原理基础上，着重研究钢铁热处理工艺、原理对组织性能的影响规律。,8.1前言,热处理工艺种类,根据加热和冷却方法不同,普通热处理：退火、正火、淬火和回火,表面热处理：表面淬火、化学热处理,特殊热处理：真空热处理、变形热处理、控制气氛热处理,不同冷却速率对45钢力学性能的影响,一确定加热规范的一般原则,热处理基本工艺参数：加热温度、加热速度、保温时间、冷却介质。它们决定了加热后金属的内部组织结构及各相成分。工件热处理加热规范：由所选定的材料及工件的形状、尺寸决定，同时还与所采用的加热装置的功率、加热方式、装炉数量、热处理工艺要求等因素有关。,箱式电阻炉,井式电阻炉,1、加热温度的确定,（1）确定加热温度的依据：金属及合金的状态图，具体材料的热处理工艺可查有关手册。,（2）加热温度的确定：理论依据：相变临界点、再结晶温度。具体依据：工件的热处理目的，并受工件的原材料、尺寸、加工过程等的影响。选择加热温度是一个较复杂的多因素问题，如下图中的程序方框图。,（3）加热温度不当导致的热处理缺陷过烧：在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象。极易导致淬火开裂。过热：加热温度过高或保温时间过长将导致奥氏体晶粒剧烈长大，在以后的退火或正火过程中形成粗大的铁素体、马氏体等，晶间存在着明显的显微裂纹，易导致淬火开裂。且晶粒粗化使材料的韧性、强度降低。欠热：加热不足时，未充分奥氏体化，钢中的第二相未能完全溶解、冶炼或热加工过程中的缺陷不能完全消除，会发生淬火软点、硬度不均或不足、红硬性下降等。,T12钢过烧晶粒粗大，晶界氧化，部分晶界熔化形成裂纹,2、加热速度的确定,依据：主要由被加热工件在单位时间内、单位面积上所接受的热能来确定。且受材料的成分、工件的尺寸、以及热处理工艺要求的不同所制约。,加热速度越快，相变临界点提高越多，奥氏体形成的各个阶段均移向较高的温度，完成奥氏体化的时间越短。并使奥氏体形成时的起始晶粒细化，随之淬火可使工件具有高的表面硬度、强度、耐磨性，塑韧性也较高。但快速加热产生的热应力大，易产生变形、扭曲、开裂。,（1）允许的加热速度：与钢的化学成分、工件尺寸及加热的温度范围有关。可用传热学公式进行预测计算，并考虑塑性的影响。（2）可能的加热速度：取决于加热设备的热量、加热介质的类型、加热方式等。加热方式：随炉加热、预热加热、到温入炉加热、高温入炉加热。四种方式加热速度不同。（3）快速加热：直径700mm适用快速加热。对于大型工件，在700C以下时采用低的加热速度（20C/h），高温时用较高的加热速度（40C/h左右）。,3、加热时间的确定,（1）加热时间的确定原则：加热时间是工件升温时间、透热时间、保温时间的总和：加=升+透+保升温时间：工件入炉后表面到达炉内指示温度的时间，取决于炉子或加热装置的热功率、加热介质、装炉数量、工件体积。透热时间：工件心部与表面温度趋于一致的时间，取决于工件本身的体积、截面尺寸、导热性等。保温时间：为达到热处理工艺要求而恒温保持的一段时间，完全取决于热处理本身的工艺要求。,热处理加热时间：工件达到热处理规范所要求温度的时间加上完成组织转变及其它热处理目的所要求的组织结构状态变化所需要的时间，通常用经验法确定。,4、影响热处理工件加热的因素加热方式的影响：随炉加热、预热加热、到温入炉加热、高温入炉加热，加热速度不同。加热介质及工件放置方式的影响：,二金属加热的物理过程,对流传热：热量的传递靠发热体与工件之间的气体或液体的相对流动，将受热质点传导给较冷的金属表面进行加热的过程。单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量与对流给热系数及温度成正比。Q=cF(t介-t工)影响对流给热系数的因素：流体运动情况、流体的物理性质、工件表面形状及在炉内放置位置。对流传热主要在600700C以下进行。,辐射传热：由电磁波来传递热量的过程。物体受热后向各个方向放射辐射能，被另一物体吸收后又转化为热能而实现加热。金属在高于700C主要靠辐射作用。辐射能的载体是电磁波，一定波长内的辐射能被物体吸收后变为热能，并受隔热物、气体介质的影响。计算公式：物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量计算式为,辐射传热时工件表面所吸收的热量计算式,传导传热：热量直接由工件的一部分传递到另一部分，依靠传热物质质点间的相互碰撞传递热量。单位时间内通过单位等温面的热流密度综合传热：实际加热中三种传热方式同时存在，场合不同，起主导作用的传热方式不同。传热效果：三种传热的单独传热结果的总和。,三、钢加热时的脱碳及脱碳过程,1）钢加热时的脱碳、增碳平衡：脱碳：钢加热时，钢的表面的碳和气氛反应而失去的现象。增碳：脱碳的逆反应2）炉气的碳势：碳势：纯铁与炉气平衡时表面含碳量，碳平衡。,3）钢加热时的脱碳过程及脱碳层的组织特点:当炉气碳势低于钢中的含碳量时，钢的表面将发生脱碳。包括钢件表面的碳与炉气发生化学反应；工件内部碳向表面的扩散。碳钢脱碳层有两种类型的组织：（1）半脱碳层：脱碳层组织自表面至中心为铁素体+珠光体珠光体一定含碳量的退火组织（2）全脱碳层：脱碳层组织自表面至中心为铁素体铁素体+珠光体珠光体一定含碳量的退火组织,四、加热介质的选择,1、真空加热：在低于一个大气压的稀薄空气中加热。只能减轻氧化现象，但氧化速度极慢，所以可避免氧化、脱碳。2、保护气氛：工件加热时保护其表面不氧化、不脱碳的气氛。,8.2钢的退火,退火：将偏离平衡的金属或合金加热、保温和缓慢冷却(炉冷)，使其组织结构达到或接近平衡状态的热处理工艺。目的：降低硬度、提高塑性、改善组织、均匀化学成分和组织、消除内应力、细化晶粒、改善工艺性。可作为预先热处理，也可作最终热处理。1）改善硬度、提高切削性(200250HB)；2）提高塑性，利于冷变形加工(再结晶退火)；3）提高热处理工艺性，为后续热处理作组织准备。4）消除各类铸、锻、焊、冶金、热加工过程中的缺陷；5）改善元素分布：扩散退火；6）消除应力、稳定零件几何尺寸，避免变形开裂等。,按加热温度分为：1、在临界温度以上的退火（发生相变重结晶）：扩散退火、完全退火、不完全退火、球化退火；2、在临界温度以下的退火：再结晶退火、去应力退火。按退火目的不同分为：均匀化退火(扩散退火)、改善切削加工性的退火（完全退火或球化退火）、去除内应力的退火等。应用：可作为预先热处理，也可作最终热处理。规律：遵循奥氏体形成和珠光体转变的基本规律。,一、退火工艺分类,完全退火不完全退火扩散退火球化退火,1）钢件,临界温度以上,临界温度以下,软化退火再结晶退火去应力退火,取决于加热温度、保温时间、冷却速度及等温温度等,取决于加热温度的均匀性,2）铸铁,铸态合金,3）有色金属,变形合金,再结晶退火去应力退火,扩散退火,石墨化退火,去应力退火,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微组织的不均匀性，以达到均匀化的目的的热处理工艺。,1.扩散退火（均匀化退火）,定义:,应用:,优质合金钢及偏析现象较为严重的合金。,二、常用退火工艺方法,碳钢：11001200；合金钢：12001300；铜合金：700950；铝合金：400500；,Ac3或Accm以上150300,加热温度:,加热速度:,100200/h；,保温时间:,一般按截面厚度每25mm保温3060分钟，或按每毫米厚度保温1.52.5分钟来计算。,1）经验公式计算,2）若装炉量大，可按下式计算,时间（h）,装炉量（t）,保温时间一般为1015h，否则氧化损失过重。,扩散退火后晶粒非常粗大，需要再进行完全退火或正火。用扩散退火解决钢的化学成分和组织的不均匀是有限的，有时需要变形加工消除。,冷却速度：,一般50/h，降温到600出炉空冷；高合金钢为2030/h，350出炉，避免产生应力和硬度偏高。,2.完全退火,将钢件或钢材加热到Ac3点以上，使之完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。,细化晶粒、降低硬度、改善切削性能、消除内力；,定义：,目的：,各种亚共析成分的碳钢和合金钢的铸、锻件及热轧型材；,应用：,通常将亚共析钢加热到Ac3+（2030），保温后随炉缓慢冷却到500以下后在空气中继续冷却。,不宜太高，在Ac3点以上2030，适用于含碳0.300.60%的中碳钢。,加热温度：,加热速度:,100200/h；,低碳钢和过共析钢不宜采用完全退火，为什么？,保温时间:,装炉量（t）,1）常用结构钢、弹簧钢、热做模具钢钢锭,装炉量不大：工件有效厚度计算：,装炉量大：,冷却速度:,碳钢：200/h；低合金钢：100/h；高合金钢：50/h；,缓慢，以保证珠光体转变，避免硬度过高。,2）对亚共析钢锻轧钢材,中碳结构钢锻、轧、铸、焊件，完全退火后，组织发生重结晶，使晶粒细化，组织均匀，魏氏组织和带状组织得以消除，改善组织和性能。锻、轧件，完全退火安排在锻、轧后、切削加工前；铸、焊件，安排在焊接和浇注（或均匀化退火）后。,45钢经热轧后的P+F带状偏析200X,45钢的带状偏析经830C完全退火后消除,将钢件加热到Ac1和Ac3（Accm）或之间，经保温并缓慢冷却，以获得接近平衡的组织的热处理工艺。,3.不完全退火（软化退火）,降低硬度、改善切削性能、消除内力；,定义：,目的：,优点：,加热温度低，消耗热能少，降低工艺成本。,应用：,晶粒未粗化的中、高碳钢和低合金钢锻轧铸件。,温度低、时间短。亚共析钢只是使珠光体部分再进行一次重结晶，退火后珠光体片间距增大，硬度降低，内应力降低。过共析钢实质上是球化退火。,将钢中的碳化物球状化，或获得球状珠光体的退火工艺。,降低硬度，改善切削加工性能；获得均匀组织，改善热处理工艺性能；同时为后续淬火作好组织准备，减小淬火后的开裂与变形。,4.球化退火,定义：,目的：,用途：主要用于含碳大于0.6%的各种高碳工模具钢、轴承钢等。,关键：使A中保留大量未溶的碳化物质点，并造成A中碳浓度的不均匀分布。,1）低温球化退火：加热温度：把退火钢加热到低于Ac1点1030C，保温时间：长时间保温，使碳化物由片状变成球状，即片状渗碳体球状化。几十到100小时。冷却速度：50C/h，450500C空冷。适用范围：高合金结构钢及过共析钢降低硬度；改善切削加工性。原始组织粗大者不适用。特点：球化效果较差，过程长，很少应用。,2）普通球化退火(一次球化退火）定义：加热到稍高于Ac1的温度（760780C），适当保温后缓冷。要求：退火前的原始组织为细片状珠光体（正火处理）。球化机理：加热到稍高于Ac1点，使奥氏体中只有未来得及溶解的渗碳体粒子或富碳区。特点：球化较充分，周期长。,应用：主要用于共析钢和过共析钢的预先热处理。目前生产上最常用的球化退火工艺。,工艺参数：加热温度：Ac1+(1020C)保温时间：取决于工件透烧时间，不易过长，4小时左右。冷却速度：1020C/h缓冷到550C空冷。碳钢的冷却速度可稍快些2040C/h加热温度越高，保温时间越长，冷却时越易出现片状珠光体，不易球化,3）等温球化退火定义：将共析钢或过共析钢加热到Ac1+(2030C)，保温，在Ar1-(2030C)等温。,特点：球化较充分，容易控制，周期短，适合大件退火。,4）周期球化退火：在A1附近反复加热和等温，但每次时间较短，然后缓冷到550C以下出炉空冷，得球状珠光体。此种组织淬火加热时不易过热，冷却时又不易开裂。目的：加速球化过程。加热温度：Ac1+(1020C)等温温度：Ar1-(2030C)保温时间：取决于工件截面均温时间循环周期：视球化要求等级而定冷却速度：1020C/h缓冷550C空冷,特点：球化较充分，控制较繁琐。应用：只适用于小型工具。对于过共析钢、工具钢等，用低于Ac1点温度的球化退火很难使碳化物球化。球化机理：在Ac1点以上温度时，先共析网状碳化物溶断、以及珠光体中的片状渗碳体溶断，冷却到低于Ar1时，形成球状珠光体。反复加热，进一步溶断先共析渗碳体网，并加速球化。,5）影响球化退火的因素（1）化学成分碳对钢中碳化物球化具有重要影响，钢中含碳量越高，碳化物数量越多，在较宽的奥氏体化温度范围内加热易于球化。含C量：高碳钢较低碳钢容易球化合金元素：钢中若含有强碳化物形成元素，球化较易。,（2）原始组织的影响球化退火前原始组织的类型、晶粒粗细以及自由铁素体、碳化物的大小、形状、数量和分布等均显著影响球化过程。S回易球化亚共析钢有块状F+P，则球化不均匀B、T易球化网状的渗碳体很难球化冷变形易球化,（3）加热温度和保温时间加热温度越高，奥氏体越容易出现片状珠光体而不容易球化；延长保温时间，使奥氏体中碳浓度趋于均匀，也会使片状珠光体出现，但其影响比温度的作用弱得多。（4）冷却速度提高冷却速度将降低转变温度，从而使碳化物球化时的临界扩散距离减小，有助于形成片状碳化物；冷却过慢，碳化物过于粗大。（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。,冷却速度对球化退火碳化物颗粒的影响,冷却速度增加，碳化物直径减小。冷速过大会出现片状组织。,过共析钢中的二次碳化物呈网状存在时很难球化，为了消除网状碳化物，可在球化退火前进行一次正火处理或高温固溶处理，以获得细片状珠光体。,球化不完全，二次渗碳体仍呈网状断续分布,正火+球化退火，二次渗碳体已呈粒状分布,冷变形后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新转变为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的热处理工艺。,5.再结晶退火,定义：,目的：,消除冷作硬化、提高延展性（塑性）、改善切削性能及压延成型性能。,再结晶退火温度：,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。,纯金属再结晶温度铁：450；铜：270；铝：100再结晶退火温度一般钢材：650-700；铜合金：600-700；铝合金：350-400；,C退火,正火与退火的区别,40钢退火组织,40钢正火组织,8.4退火、正火后钢的组织和性能,组织：都是铁素体和渗碳体的机械混合物。正火后的珠光体片间距较小、珠光体团直径小、且可抑制过共析钢中网状渗碳体析出（伪共析）。亚共析钢：正火析出的先共析F较少，P较多。性能：过共析钢：完全退火后有网状渗碳体存在，其强度、硬度、韧性均低于正火。球化退火：得球状珠光体，综合性能优于正火。,由于退火（主要指完全退火）与正火在组织上有着差异，因而性能也有所不同。,表4-1正火与退火的40Cr钢的机械性能,退火、正火工艺的选用原则：,0.25%C以下的钢，可用正火提高强度硬度；0.2%C以下的钢采用高温正火，形状复杂的大型铸件，用低温退火消除铸造应力。0.250.35%C的钢，采用正火以获得好的切削性能；0.350.5%C的钢，采用正火以提高生产率，合金钢采用完全退火（因C曲线右移）。含碳量0.500.7%的钢，含碳量较高，正火后硬度太高，采用完全退火后的硬度正好适宜于切削加工，此类钢的热处理及加工工艺为：完全退火切削加工(球化退火)淬火回火,含碳量0.71.0%的钢：弹簧钢：完全退火得S，作预备热处理，冷拔工具钢：球化退火作预备热处理+淬火或正火+不完全退火+淬火含碳量大于1.0%的钢，球化退火作预备热处理。上述原则不适用于高合金钢。合金钢需用高温回火降低硬度，便于切削加工。,问题：用T10（1C）钢制造手工锯条，请给出热处理工艺路线，及各处理工序后的组织。正火球化退火淬火低温回火,退火、正火处理应用小结,主要用于共析和过共析钢的预先热处理。主要用于含碳大于0.6%的各种高碳工模具钢、轴承钢等。为淬火做好组织准备。工具钢原始组织为球状珠光体时，经淬火、回火后能获得良好的综合力学性能。使片状珠光体球化，以降低硬度，改善切削性能。含碳量高的钢容易获得球状珠光体。淬火马氏体球化：淬火+高温回火，球化速度快，球化组织均匀。,球化处理,完全退火,主要用于亚共析钢。细化晶粒、增加塑性；消除内应力；降低硬度、改善切削性能；使原始组织完全改变，重新结晶，改善金相组织，为下一步淬火做准备；用来处理中小型铸钢件、锻件和热轧钢件，以消除其粗大晶粒和魏氏组织，细化晶粒。,不完全退火,用于锻造组织较好的钢件的退火，消除内应力，降低硬度以利于切削；只改善珠光体组织的片间距及晶粒度；可细化晶粒，但效果不如完全退火的好。亚共析钢只是使珠光体部分再进行一次重结晶，退火后珠光体片间距增大，硬度降低，内应力降低。过共析钢实质上是球化退火。,正火处理,当退火前的原始组织要求为细片状