热处理“四把火”详解

预备热处理：退火、正火

预备热处理目的：

（1）获设细小均匀的组织、消除内应力

（2）调整硬度，便于机加工（HB170-250）

（3）为HT做好组织准备

退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。大部门机器零件及工、膜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力学性能和工艺性能，为下道工序作好组织性能准备。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热处理。对于铸件，退火和正火通常就是热处理。

1）钢的退火

退火是将钢加热至临界点A_c1以上或以下温度，保温以后随炉缓慢冷却以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其主要目的是均匀钢的化学成分及组织，细化晶粒，调整硬度，消除内应力和加工硬化，改善钢的成形及切削加工性能，并为淬火作好组织准备。

 退火的工艺种类很多，根据加热温度可分为在临界温度（A_C1或A_C3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均匀化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再结晶退火及去应力退火。各种退火方法的加热温度范围如图1所示。按照冷却方式，退火可分为等温退火和连续冷却退火。

• 完全退火（完全奥氏体化）

 完全退火是将钢件或钢材加热至A_C3以上20～30℃，保温足够长时间，使组织完全奥氏体化后缓慢冷却，以获得近于平衡组织的热处理工艺。它主要用于亚共析钢（W_C=0.3％～0.6％），其目的是细化晶粒，均匀组织，消除内应力，降低硬度和改善钢的切削加工性。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Ac_cm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、塑性和冲击韧度显著降低。

• 不完全退火

 不完全退火是将钢加热至A_C1～A_C3（亚共析钢）或A_C1～Ac_cm（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，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，过程时间短，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。

 不完全退火用于过共析钢主要为了获得球状珠光体组织，以消除内应力，降低强度，改善切削加工性能，故又称球化退火。实际上球化退火是不完全退火的一种。

• 球化退火（不完全奥氏体化）

 球化退火是使钢中碳化物球化，获得粒状珠光体的一种热处理工艺。用于共析钢、过共析钢和合金工具钢。其目的是降低硬度，均匀组织，改善切削加工性，并为淬火作组织准备。

 过共析钢锻件锻后组织一般为片状珠光体，如果锻后冷却不当，还存在网状渗碳体。不仅硬度高、难于切削加工，而且增大钢的脆性，淬火时容易产生变形或开裂。因此，锻后进行球化退火，获得粒状珠光体。球化退火的关键在于奥氏体中要保留大量未溶碳化物质点，并造成奥氏体碳浓度分布的不均匀性。为此，球化退火加热温度一般在A_C1以上20～30℃不高的温度下，保温时间亦不能太长，一般以2～4h为宜。冷却方式通常采用炉冷，或在Ar₁以下20℃左右进行较长时间等温。

• 均匀化退火

 均匀化退火又称扩散退火，它是将钢锭、铸件或锻坯加热至略低于固相线的温度下长时间保温，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铸件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充分扩散，均匀化退火加热温度很高，通常可按有效截面或装炉量大小而定。一般均匀化退火时间为10～15h。

 由于均匀化退火需要在高温下长时间加热，因此奥氏体晶粒十分粗大，需要再进行一次完全退火或正火，以细化晶粒、消除过热缺陷。

• 去应力退火和再结晶退火

 为了消除铸件、锻件、焊接件及机械加工工件中的残留内应力，以提高尺寸稳定性，防止工件变形和开裂，在精加工或淬火前将工件加热到Ac₁以下某一温度，保温时间，然后缓慢冷却的热处理工艺称为去应力退火。

 钢的去应力退火加热温度较宽，但不超过Ac₁点，一般在500～650℃之间。铸铁件去应力退火温度一般为500～550℃，超过550℃容易造成珠光体的石墨化。焊接钢件的退火温度一般为500～600℃。一些大的焊件构件，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3min/mm，铸铁的保温时间为6min/mm。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以免产生新的应力。

 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适当的时间，使变形晶粒重新转变为均匀等轴晶粒，同时消除加工硬化和残留内应力的热处理工艺。经过再结晶退火，钢的组织和性能恢复到冷变形前的状态。

 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热处理。再结晶退火温度与金属的化学成分和冷变形量有关。当钢处于临界冷变形度（6%～10%）时，应采用正火或完全退火来代替再结晶退火。一般钢材再结晶退火温度为650～700℃，保温时间为1～3h，通常在空气中冷却。

2）钢的正火

 正火是将钢加热或到Ac₃（或A_Ccm）以上适当温度，保温以后在空气中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺。对于亚共析钢来说，正火与完全退火的加热温度相近，但正火的冷却速度较快，转变温度较低，正火组织中铁素体数量较少，珠光体组织较细，钢的强度、硬度较高。

 正火过程的实质是完全奥氏体化加伪共析转变。当钢中碳含量Wc为0.6%～1.4%时，正火组织中不出现先共析相，只有伪共析体系或索氏体。碳含量Wc小于0.6%的钢，正火后除了伪共析体外，还有少量铁素体。

 正火处理的加热温度通常在Ac₃或A_Ccm以上30～50℃，高于一般退火的温度。对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度，让碳化物充分溶解。正火保温时间和完全退火相同，应以工件烧透，即心部达到要求的加热温度为准，还应考虑钢材成分、原始组织、装炉量和加热设备等因素。通常根据具体工件尺寸和经验数据加以确定。正火冷却方式常用的是将钢件从加热炉中取出在空气中自然冷却。对于大件也可采用吹风、喷雾和调节钢件堆放距离等方法控制钢件的冷却速度，达到要求的组织和性能。

正火工艺是较简单、经济的热处理方法，应用于以下几方面：

碳含量Wc＜0.25%的碳素钢和低合金钢，退火后硬度较低，切削加工时易于“粘刀”，通过正火处理，可以减少自由碳素体，获得细片状珠光体，使硬度提高至140～190HBW，可以改善钢的切削加工性能。

中碳结构钢铸件、锻、轧件以及焊接在热加工后易出现魏氏组织、粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。

过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工，并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物。为此，正火加热时要保证碳化物全部溶入奥氏体中，要采用较快的冷却速度抑制二次碳化物的析出，获得伪共析组织。

一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢结构件采用正火处理，可获得综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的热处理。

各种退火（正火）的加热温度范围

3）退火和正火的选择