第四章 退火和正火

1、Yuxi ChenHunan Univ.1第四章 退火和正火1、退火的目的、分类2、钢的退火3、正火4、有色金属及合金的退火5、扩散退火6、基于回复和再结晶的退火Yuxi ChenHunan Univ.2退火和正火是最基本的热处理工艺，其目的： 1）消除铸件、锻轧件及焊接件的工艺缺陷； 2）改善金属材料的拉拔或冷挤压等加工成型性、切削加工性、热处理工艺性能及零件尺寸稳定性等。退火的对象可以是钢、铸铁及有色金属材料，但正火的对象只有钢及铸铁。Yuxi ChenHunan Univ.3一、退火的目的和分类退火退火：将偏离平衡状态的金属或合金加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（或以适当速度冷

2、却），从而获得更接近其平衡状态的组织和性能的热处理工艺。退火目的退火目的： 1）降低硬度，其高切削加工性。 2）提高塑性，以利于冷变形加工。 3）提高热处理工艺性能，为后续热处理做组织准备。Yuxi ChenHunan Univ.4 4）消除组织缺陷，细化晶粒，改善组织。 5）改进元素分布，或去除不需要及有害元素。 6）消除应力，稳定尺寸，避免变形开裂。退火种类退火种类： 1）钢的退火种类很多，按加热温度可分为两类： 第一是临界温度以上退火，又称为相变再结晶退火，包括完全、不完全退火、扩散退火及球化退火；第二是临界温度以下退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火。按冷却方式可分为连续冷去退火

3、及等温退火等。Yuxi ChenHunan Univ.52）铸铁的退火主要包括各种石墨化退火、去应力退火及脱碳退火。3）有色金属退火主要包括多相化退火（完全及不完全退火）、重结晶退火、扩散退火、再结晶退后及去应力退火等。Yuxi ChenHunan Univ.6二、钢的退火1、完全退火 将铁碳合金完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近平衡组织的热处理工艺称为完全退火。这里“完全”是指钢的内部组织全部进行了重结晶。 完全退火适用于亚共析钢而不适用于过共析钢，因为过共析钢的完全退火将导致组织粗大及网状渗碳体，恶化性能。 完全退火的目的：细化晶粒、降低硬度、改善切削加工性能及消除内应力。Yuxi Ch

4、enHunan Univ.7完全退火工艺完全退火工艺完全退火工艺主要包括： 1）加热温度； 2）保温时间； 3）冷却速度。 加热温度：碳钢一般在 Ac3+(2040oC)； 合金钢一般在 Ac3+(5070oC) 。Yuxi ChenHunan Univ.8不同碳含量碳钢的完全退火温度不同碳含量碳钢的完全退火温度部分亚共析合金钢钢锭的完全退火温度部分亚共析合金钢钢锭的完全退火温度Yuxi ChenHunan Univ.9 保温时间：依据钢材种类、尺寸、装炉量、炉子型号等。 确定保温时间的原则为：保温时间不仅应保证工件透烧，而且还应保证其原始组织完全奥氏体化合及成分基本均匀。 一般碳钢的保温时间

5、系数为11.5 min/mm。Yuxi ChenHunan Univ.10 冷却速度： 先缓慢冷却到一定温度（比如500550oC），然后出炉空冷。 一般碳钢的冷却速度应小于200oC/h； 低合金钢的冷却速度应小于100oC/h； 高合金钢的冷却速度一般为50oC/h。而加热速度应保证加热过程中工件不开裂，一般100200oC/h。Yuxi ChenHunan Univ.112、不完全退火 将铁碳合金加热至AC1Ac3或Ac1Acm之间，进行不完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近平衡的组织。这里的“不完全”是指钢在加热时没有完全奥氏体化。不完全退火工艺不完全退火工艺不完全退火的目的：与完全

6、退火相同，区别在于不完全退火不能完全重结晶，因此细化晶粒不如完全退火。优点是加热温度低，节省时间。Yuxi ChenHunan Univ.12亚共析钢的不完全退火： 亚共析钢在硬度较高时可采用不完全退火改善切削加工性，同时还可以细化组织、降低硬度、消除内应力。过共析钢锭的不完全退火： 过共析钢不完全退火的目的包括：减少溶入奥氏体的碳化物数量，以降低奥氏体的稳定性，提高退火冷却速度，缩短冷却时间。同时，还可以消除铸造应力，改善铸态组织，降低表面硬度及切削加工性。过共析钢锻轧钢材的不完全退火： 主要用于获得球状珠光体及球状碳化物组织，降低硬度，改善切削加工性。Yuxi ChenHunan Univ

7、.133、等温退火 将钢件加热到高于Ac3（或Ac1）的温度，保持适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的温度并保持，使奥氏体转变为珠光体类组织后在空气中冷却的退火。等温退火的目的：与完全及不完全退火相同。等温退火多用于高碳钢，合金钢和高碳合金钢，其优点是节省钢件在炉内时间，从而增加退火炉的周转率，能得到均匀的显微组织。等温退火工艺等温退火工艺Yuxi ChenHunan Univ.14 等温退火包括三个阶段，即奥氏体化加热和保温、速冷至珠光体转变等温转变温度并保温、出炉空冷。 等温退火的加热温度、等温温度及保持时间应根据钢件的过冷奥氏体等温转变曲线（S曲线）、性能要求及钢件截面尺寸等条件

8、确定。退火后的组织和硬度强度取决于等温温度的高低。Yuxi ChenHunan Univ.154、球化退火 使钢中碳化物球化而进行的退火工艺。 球化退火的目的： 1）获得粒状珠光体，改善热处理工艺性能，减少工具钢中淬火加热时的过热敏感性、变形、裂纹的倾向性。 2）降低硬度，改善切削性能。 3）提高塑性，改善冷挤压成形性。 4）为后续热处理做组织准备，经淬火、回火后获得良好的综合力学性能。 球化退火主要应用于工模具钢、轴承钢、冷挤压成型的结构钢。Yuxi ChenHunan Univ.16低温球化退火： 将钢加热到Ac1以下20oC左右，经长时间保温，使碳化物由片状转变成球形，然后冷（或空冷）至

9、室温。低温球化退火工艺低温球化退火工艺热力学依据：其它条件相同情况下，片状组织单位体积的表面积大于球状，因而其自由能大于球状，片状渗碳体可以自发转变为球状。Yuxi ChenHunan Univ.17普通球化退火（缓冷球化退火、一次球化退火）： 将钢加热到Ac1与Acm之间，经适当时间（26h）保温，然后缓慢冷却到500650oC出炉冷却。缓冷球化退火工艺缓冷球化退火工艺目前最常用的球化退火工艺。工艺要求退火前的原始组织为细片状珠光体，不允许存在粗大的网状渗碳体。Yuxi ChenHunan Univ.18奥氏体化温度至关重要。奥氏体化温度如果高出Ac1很多，则容易出现片状珠光体，不容易球化；

10、只有高出Ac1不多时，才能得到较好的球化效果。奥氏体化温度一般为Ac1 + (2040oC)，或Acm(2030oC)。保温时间的影响：延长保温时间，则奥氏体中碳浓度趋于均匀，会使片状珠光体出现。保温时间取决于工件透烧时间，一般球化退火保温时间为4h左右。Yuxi ChenHunan Univ.19等温球化退火： 将共析钢或过共析钢加热到Ac1 + (2030oC) ，保温适当时间，然后冷却到Ar1以下2030oC 温度，等温保持一定时间（使等温转变进行完毕），然后炉冷或空冷的退火工艺。无网状碳化物时等温退火工艺无网状碳化物时等温退火工艺等温退火碳化物球化原理与普通球化退火相同，奥氏体化加热温

11、度的确定原则与普通球化退火相同。Yuxi ChenHunan Univ.20过共析钢有网状碳化物过共析钢有网状碳化物时等温退火工艺时等温退火工艺如果原始组织中网状碳化物较严重，则需加热到略高于Acm的温度，使网状碳化物溶入奥氏体，然后再较快地冷却到Ar1以下温度进行等温球化退火。等温转变温度的选择非常重要：珠光体转变属于扩散型相变，因此等温温度一般需要比较高。只有当奥氏体化温度较低，等温转变温度较高时，才能较快地得到球化组织。Yuxi ChenHunan Univ.21循环球化退火：一种周期性的等温退火，目的是加速球化过程。将钢加热到Ac1 + (2030oC) ，短时保温，然后冷却到Ar1以

12、下（2030oC ）温度，再行短时保温，如此反复进行多次，称为循环球化退火，又称周期球化退火或往复球化退火。循环球化退火工艺循环球化退火工艺 Ac1以上短时加热，除奥氏体化外，还可使网状碳化物溶解，呈被切断形状；在Ar1以下温度保持时变为球状，同时珠光体中的渗碳体依附在球上生长。几次反复，可得较好的球化组织。Yuxi ChenHunan Univ.22形变球化退火： 球化退火前的冷加工或热加工可以加速随后的球化过程，因为这种加工可使渗碳体碎化，这就为从亚晶界开始的渗碳体的溶解、断裂和球化过程创造了条件。 根据形变温度的高低，形变球化退火分为高温形变球化退火和低温形变球化退火。Yuxi Chen

13、Hunan Univ.23高温形变球化退火： 锻造温度变形，终锻温度即为退火加热温度，一般为Ac1 + (3050oC) 。适合于轴承钢和弹簧钢等。高温形变球化退火工艺高温形变球化退火工艺低温形变球化退火： 形变温度和形变量根据材料成分而定，退火温度一般为Ac1 (2030oC) 。适合于中低碳钢及低合金钢。低温形变球化退火工艺低温形变球化退火工艺Yuxi ChenHunan Univ.24快速球化： 当工期较紧或个别淬火工件返修重淬前，可采用快速球化工艺。快速球化工艺快速球化工艺先将工件加热到Acm（或AC3）以上2030oC奥氏体化后进行油冷，然后加热到 680700oC 保温12h进行高

14、温回火，即可得到粒状珠光体。此工艺的实质即“调质处理”。该工艺适合共析、过共析碳钢及合金钢的锻件。Yuxi ChenHunan Univ.255、钢的退火缺陷及应对措施 退火缺陷包括： 1）硬度偏高。 主要原因是退火加热温度低，冷却太快，出现索氏体、托氏体，甚至贝氏体、马氏体组织。可重新退火消除。 2）球化不完全。 主要是由于球化温度低、保温时间短，片状碳化物未完全溶解的缘故。再次球化退火消除此缺陷。Yuxi ChenHunan Univ.26 3）网状组织。 加热温度太高、冷却速度过慢，往往析出网状铁素体或网状渗碳体，恶化力学性能。应对措施：先正火消除网状组织，后再次退火。 4）粗大魏氏组织

15、。 出现粗大魏氏组织的主要原因是加热温度过高所致。为消除魏氏组织，可采用稍高于Ac3的温度加热，使得先共析相完全溶解，根据钢的化学成分采用正确的冷却速度。魏氏组织严重时，可采用双重正火来消除。Yuxi ChenHunan Univ.27 5）反常组织。 特征为：亚共析钢中，先共析铁素体晶界上有粗大的渗碳体，珠光体片间距很大。过共析钢中，先共析渗碳体周围有很宽的铁素体条，而先共析渗碳体网也很宽。反常组织将造成淬火软点，应重新退火消除。 6）氧化与脱碳。 介质中的氧与钢件中的碳反应，使得钢件脱碳。防止氧化与脱碳的办法是采用可控气氛加热进行光亮退火。Yuxi ChenHunan Univ.28 7）

16、过热。 加热温度高、保温时间长，或者炉温不均匀，都可能造成过热。过热会造成奥氏体晶粒粗大或出现粗大魏氏组织，恶化钢的冲击韧性。可通过完全退火或正火细化晶粒来消除。 8）过烧。 加热温度过高，使得晶界出现氧化，甚至局部熔化，造成过烧。过烧的钢件只能报废。Yuxi ChenHunan Univ.29 9）墨脆（或石墨化)。 实质是部分渗碳体在退火过程中发生石墨化。产生墨脆的原因主要是退火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，使得珠光体转变按照更加稳定的Fe-C平衡图进行所致。 出现这种缺陷只能报废，不能返修。Yuxi ChenHunan Univ.30三、正火正火正火：将铁碳合金加热到临界点以上的适当

17、温度，保温适当时间，进行完全奥氏体化（或部分奥氏体化）后，以较快的速度（空冷、风冷或喷雾等）冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火只适用于钢和铸铁。Yuxi ChenHunan Univ.31钢的正火 也叫“常化”，实质是完全奥氏体化加伪共析转变。 钢中含碳量为0.61.4%时，正火组织中不出现先共析相，只存在伪共析的珠光体或索氏体。 钢中含碳量小于0.6%时，正火后还会出现少量铁素体。 实质上，正火是退火的一个特例，两者只是转变的过冷度不同。正火时过冷度大，因而组织中的珠光体量就较多，且片层较细。 正火只适用用碳素钢及中低碳合金钢，不适用于高合金钢。Yuxi ChenHunan Univ.

18、32钢正火目的： 1）细化组织，消除热加工造成的过热缺陷，使得组织正常化； 2）用于低碳钢，提高硬度，改善切削加工性和深冲性能； 3）用于中碳钢，代替调质处理； 4）用于高碳钢，消除网状碳化物，便于球化退火； 5）用于大件热处理； 6）用于淬火返修品，消除过热影响； 7）不太重要的工件，可以正火态使用。 Yuxi ChenHunan Univ.33钢正火工艺： 1）正火工艺参数，包括加热温度、加热时间、冷却方式等； 2）二段正火； 3）等温正火； 4）多重正火。Yuxi ChenHunan Univ.34铸铁的正火 正火主要用于铁素体基体或铁素体珠光体基体的灰口铸铁、球墨铸铁以及可锻铸铁。 工

19、艺主要是加热到Ac1以上一定温度，保温适当时间后，空冷或风冷。灰口铸铁的正火 工艺主要是加热到850900oC ，保温13h，空冷或风冷。Yuxi ChenHunan Univ.35球墨铸铁的正火 分为完全奥氏体化正火、不完全奥氏体化正火、低碳奥氏体化正火和快速奥氏体化正火。 1）完全奥氏体化正火 加热至Ac1f以上，是基体中的铁素体全部转变为奥氏体后空冷。普通正火普通正火等温正火等温正火Yuxi ChenHunan Univ.36 2）部分奥氏体化正火 加热至Ac1s Ac1f 之间某一温度进行部分奥氏体化，使基体中保留一部分铁素体，奥氏体化后空冷。普通正火普通正火等温正火等温正火Yuxi

20、ChenHunan Univ.37 3）低碳奥氏体化正火 先在低于并靠近 Ac1的温度保温，使共析渗碳体石墨化，使基体铁素体化，随即快速加热至900940oC ，在石墨还未来得及充分溶入奥氏体的情况下出炉空冷、风冷或喷雾冷却。低碳奥氏体化正火工艺低碳奥氏体化正火工艺 这种正火工艺，可使球磨铸铁获得粒状珠光体和少量点状铁素体的基体组织，从而具有较高的综合力学性能。Yuxi ChenHunan Univ.38四、有色金属（合金）的退火有色金属材料的退火分为两类：（1）多相化退火 （2）重结晶退火（1）多相化退火 基于固溶度变化的退火。 如果使有色金属固溶体基体达到尽可能低的浓度，第二相粒子及其间距

21、又足够大，则合金将发生软化。为达这种目的而采取的热处理工艺称为多相化退火。固溶度随温度变化固溶度随温度变化Yuxi ChenHunan Univ.39有色金属（合金）的完全退火 完全退火是将“急冷硬化”的合金加热到相变临界点以上的温度保温，使合金变成单相固溶体，然后缓慢冷却（一般是炉冷）。 完全退火的目的：消除固溶硬化，使合金软化。有色金属（合金）的不完全退火 不完全退火是加热至相变临界点以下的某一适当温度保温，然后较快冷却（一般为空冷）。 不完全退火只能部分消除急冷硬化，使合金部分软化。Yuxi ChenHunan Univ.40多相化退火在提高材料耐蚀性方面的应用 复相合金的耐蚀性与第二相

22、粒子的大小、形状和分布有关。利用多相化退火，可使合金获得一定大小和分布的第二相，从而提高合金的耐蚀性。Yuxi ChenHunan Univ.41（2）重结晶退火 所谓重结晶是指多型性转变和共析转变时晶体结构类型的变化。这种变化会导致金属材料的组织、结构发生根本改变。有色金属材料中的重结晶退火工艺的应用远不如钢铁材料普遍，但任然有应用。 有色金属中的Ca、Co、Li、Ti、Sn等都存在多型性转变（同素异构转变）。 重结晶退火作用： 消除某些纯金属或固溶体合金铸件和加工件的粗大晶粒，改善性能； 也可用来消除金属材料中不希望的织构等。Yuxi ChenHunan Univ.42五、扩散退火 为减小

23、金属铸锭、铸件、锻坯或焊接件的化学成分偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保持，然后进行缓慢冷却，通过原子的扩散，为达到化学成分和组织均匀化，或者为使钢中的有害氢脱溶析出而进行的退火，称为扩散退火。 扩散退火包括均匀化退火和去氢退火。Yuxi ChenHunan Univ.43（1）均匀化退火 在略低于固相线的高温下长时间加热，通过原子的扩散，为消除或减小金属化学成分偏析及显微组织的不均匀性而进行的退火，称为均匀化退火。铸钢铸钢16Mn中的枝晶偏析中的枝晶偏析16Mn钢中的带状组织钢中的带状组织Yuxi ChenHunan Univ.44均匀化退火的过程和目的： 借助高温时合金内部原子

24、的扩散，使得铸锭晶内化学成分均匀，组织达到或接近平衡状态，改善复相合金中第二相的形状和分布，提高合金塑性，改善加工性能和最终的使用性能。加热温度： I 区为普通均匀化退火区； II 区为高温均匀化退火区。有色合金通常采用的均匀化退火温度为0.900.95 T熔。有色合金均匀化退火温度有色合金均匀化退火温度Yuxi ChenHunan Univ.45保温时间 保温时间一般是从铸锭表面各部分温度都达到加热温度的下限时算起，一般在数小时至数十小时范围内。加热速度及冷却速度 加热速度以铸锭不产生裂纹和大的变形为原则，冷却速度应适当。主要工业合金的均匀化退火工艺 有色合金均匀化退火仅用于铸锭，均匀化退火工艺应根据合金的化学成分具体制定。Yuxi ChenHunan Univ.46（2）钢的预防白点退火，即去氢退火 为防止工件在热变形加工后的冷却过程中因氢呈气态析出而形成发裂（白点），在形变加工完结后直接进行的退火，称为预防白点退火，又称为去氢退火、脱氢退火。 目的：使得氢气扩散到工件之外。 溶解于固溶体中的氢，是造成钢中出现白点缺陷的主要危险，因为氢可造成韧性及强度的降低，引起氢脆。用退火的方法可以