球化退火工艺优化：511-Sp

为使工件中的碳化物球状化而进行的退火称为球化退火。球化退火时，将钢件加热到临界点Ac₁以上或Ac₁以下的适当温度，并保持一定时间，而后以适当方式冷却。球化退火的目的在于降低硬度、改善切削加工性能、改善组织、提高塑性等。

球化退火主要用于共析钢、过共析钢的锻轧件以及结构钢的冷挤压件等。

1.准备工作

参照本章1.1.3节完全退火的准备工作进行。但炉内有效加热区的温度允许偏差值应调节控制在±10℃范围内。

2.装炉

参照本章1.1.3节完全退火的装炉要求进行。

3.工艺规范

（1）工艺要点 为使钢中碳化物获得良好的球状化，控制好加热温度、保温时间及冷却过程是实施本工艺的重点。

加热温度是影响钢中碳化物球化的重要因素。提高加热温度和延长保温时间均能减少残留碳化物，导致形成层状珠光体。因此，退火加热温度不宜太高，通常控制在Ac₁稍高温度［Ac₁＋（10～20）℃］，促使获得不均匀的奥氏体和大量细小的残留碳化物，作为球化的非自发核心，以促进球化。

为提高某些结构钢冷挤压件的塑性，改善冷变形加工性，可在稍低于Ar₁的温度［Ar₁－（10～20）℃］进行长时间的保温。由于球化过程进行缓慢，故保温时间较长。对于合金工具钢，参照等温转变图，在稍低于Ar₁的温度［Ar₁－（20～30）℃］等温，可缩短球化退火的周期。

钢中碳含量越高，碳化物数量越多，可在较宽的奥氏体化温度范围内加热，并易于球化，而且退火后的硬度也相应升高。钢中的碳化物形成元素对球化是起阻碍作用的。

钢的原始组织状态如预先经冷加工形变，在Ac_cm以上高温奥氏体化后进行淬火或进行中温等温分解（获得贝氏体、托氏体），然后进行高温回火或低温退火，均有利于促进球化。

过共析钢中的二次渗碳体如呈网状，则很难球化。此时应在球化退火前，进行一次正火或高温固溶处理。

球化退火的冷却速度越快，转变温度就越低，此时碳、铁原子的扩散就较难进行，球化也就更为困难。

（2）工艺方法及参数

1）普通球化退火。其工艺曲线见图1-6。

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁＋（10～20）℃。

保温时间：取决于工件透热时间，但不宜过长，可参照本章1.1.3 节完全退火工艺规范中的保温时间选择。

冷却速度：一般在炉内以10～20℃／h的冷速，冷却到550℃以下空冷（碳钢的冷却可稍快，为20～40℃／h）。

②特点及应用。球化较充分，但周期较长。主要用于共析、过共析碳钢。

2）等温球化退火。其工艺曲线见图1-7。

图1-6 普通球化退火工艺曲线

图1-7 等温球化退火工艺曲线

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁＋（20～30）℃。

保温时间：取决于工件的透热时间，但不宜过长，可参照本章1.1.3节完全退火工艺规范中的保温时间选择。保温后随炉冷至等温温度。

等温温度：Ar₁－（20～30）℃。

等温时间：取决于等温转变图及工件截面尺寸。

等温后空冷或炉冷到500℃以下出炉空冷。

②特点及应用。球化充分，易于控制，周期较短。主要用于高碳工具钢和合金工具钢。

3）循环（周期）球化退火。其工艺曲线见图1-8。

图1-8 循环球化退火工艺曲线

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁＋（10～20）℃。

等温温度：Ar₁－（20～30）℃。

每次加热及等温时间：取决于工件的均热时间。可参照本章1.1.3节完全退火工艺规范的保温时间选择，一般约为0.5～1h，视炉型、装炉量而定。

循环周期：视球化要求等级而定。

冷却：在炉内以10～20℃／h冷速缓冷到550℃左右出炉空冷。

②特点及应用。周期较短，球化较充分。但操作较麻烦，不适宜大件退火。主要应用于碳素工具钢和合金工具钢。

4）高温固溶＋高温回火快速球化处理（调质球化），其工艺曲线见图1-9。

图1-9 高温固溶＋高温回火快速球化处理工艺曲线

①主要工艺参数：

加热温度：Ac_cm或Ac₃＋（20～30）℃。

保温时间：可参照本章1.1.3节完全退火工艺规范的保温时间确定。

冷却：油淬或等温、分级淬火（获得马氏体或贝氏体组织）。

高温回火：680～700℃，1～2h。

②特点及应用。球化较快，但工件畸变较大。主要用于共析、过共析碳钢及合金钢锻件及淬火工件返修重淬前的预处理。

5）低于临界温度加热球化退火，其工艺曲线见图1-10。

①主要工艺参数：(www.xing528.com)

加热温度：Ac₁－（10～30）℃。

保温时间：取决于原始组织的弥散度及工件尺寸，一般几十至100多小时。

冷却：炉内≤50℃／h的冷却速度冷500℃左右出炉空冷。

②特点及应用。球化效果差，周期长，原始组织粗大时不适用。主要用于高合金结构钢、过共析钢以及冷变形钢的球化退火。

6）在临界温度区间保温的球化退火，其工艺曲线见图1-11。

图1-10 低于临界温度加热球化退火工艺曲线

图1-11 在临界温度区间保温的球化退火工艺曲线

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁－（20～30）℃及Ac₁＋（20～30）℃。

保温时间：Ac₁－（20～30）℃时，8～10h；高于Ac₁＋（20～30）℃时，可参照1.1.3节完全退火的工艺规范保温时间选定。

冷却：在炉内≤50℃／h，炉冷至500℃左右出炉空冷。

②特点及应用。球化效果良好，周期较短。主要用于高合金结构钢、过共析钢以及冷变形钢。

图1-12 低温形变球化退火工艺曲线

7）低温形变球化退火，其工艺曲线见图1-12。

①主要工艺参数：

形变温度及形变量：视材料成分而定。

加热温度：Ac₁－（20～30）℃。

保温时间：依形变量及材料成分而定。

②特点及应用。球化较快。主要用于低、中碳钢及低合金结构钢冷变形加工后的快速球化退火。

8）中频感应加热球化退火，其工艺曲线见图1-13。

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁～Ac_cm。

加热速度：取决于单位电功率。

等温温度：视硬度要求而定。

保温时间：取决于等温转变图及工件截面尺寸。

冷却：等温后空冷。

②特点及应用。球化较快。主要用于尺寸较小的碳素钢、合金工具钢、滚动轴承钢等。

图1-13 中频感应加热球化退火工艺曲线

9）利用锻后余热进行的球化退火，其工艺曲线见图1-14。

①主要工艺参数：

加热温度：Ac₁＋（30～50）℃，或相当于终锻温度800～900℃。

冷却：缓冷退火时冷速为30～50℃／h。冷至500℃左右出炉空冷。

等温温度及时间：Ar₁－（10～20）℃。依等温转变图及工件尺寸而定。

②特点及应用。节能。用于大批生产的弹簧钢。滚动轴承钢等锻轧件。

图1-14 利用锻后余热的球化退火工艺曲线

表1-8为几种常用工具钢球化退火的加热温度与等温温度。

表1-8 几种常用工具钢球化退火的加热温度与等温温度

4.操作注意事项

可参见本章1.1.1节均匀化退火的注意事项。

5.后续工序

可参照本章1.1.3节完全退火的后续工序要求进行。

6.质量检验

1）外观、金相组织、畸变。除参照本章1.1.3节完全退火的质量检验要求进行外，球化退火后的珠光体组织应为球化体。对于碳素工具钢按GB／T 1298—2008《碳素工具钢》第一级别图评定。截面不大于60mm时，T7、T8、T8Mn、T9钢应为1～5级合格；T10、T12钢2～4级为合格。此外，网状碳化物应按第二级别图评定，当公称尺寸≤60mm²时不大于2级，＞60～100mm时不大于3级。合金工具钢如9SiCr、Cr2、CrWMn、9CrWMn、Cr06、W、9Cr2等球化组织检验按GB／T1299—2000《合金工具钢》第一级别图评定，一般为1～5级合格；9SiCr如用于制造螺纹刀具则为2～4级合格；CrWMn、Cr2、Cr06、9SiCr等网状碳化物按标准第二级别图评定，当截面尺寸＜60mm²时的CrWMn、Cr2、Cr06、9SiCr合格级别不大于3级；如用于制造螺纹刀具，则≤2级合格。轴承钢按GB／T 18254—2002《高碳铬轴承钢》，球化退火后应得到细小、均匀、完全球化的珠光体组织，按第六级别图评定，当截面尺寸小于60mm²时2～4级为合格；碳化物偏析按第七级别图评定，截面尺寸≤60mm²时，不大于2.5级合格；截面尺寸为60～120mm²时，≤3级合格；碳化物带状按第八级别图评定，当截面尺寸＞60mm²时，不大于3级合格；当截面尺寸为30～60mm²时，不大于2.5级合格；当截面尺寸为80～150mm²时≤3.5级合格；碳化物液析按第九级别图样评定，当截面尺寸为30～60mm²时，不大于1.0级合格，＞60mm²时，不大于2.0级合格。低、中碳结构钢及低、中碳合金结构钢按JB／T 5074—2007《低、中碳钢球化体评级》评定，用于冷镦、冷挤压、冷弯加工时，当变形量≤80％时，4～6级合格；当变形量＞80％时，5～6级合格；用于自动机床加工时，1～3级合格。

2）硬度。表1～9为几种常用钢材球化退火后的硬度。

表1-9 几种常用钢材球化退火后的硬度

工件退火后的硬度应均匀，硬度的偏差范围不得超出GB／T 16923—2008标准中表5的规定。