钢材加工中的退火与正火技术

退火与正火主要用于消除铸造、锻造、焊接等热加工过程中产生的某些缺陷，为随后的切削加工或最终热处理做组织上的准备。退火与正火一般安排在铸造、锻造、焊接之后，粗加工之前，属于钢的预先热处理；对于某些性能要求不高的零件，退火与正火也可以作为最终热处理，处理后可直接使用。

例如，一般较重要工件的生产工艺路线大致为：铸造或锻造→退火或正火→机械（粗）加工→淬火＋回火（或表面热处理）→机械（精）加工，其中退火或正火即属于预备热处理，淬火＋回火为最终热处理。

1）退火

退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定时间，然后随炉缓慢冷却以获得稳定的组织的一种热处理工艺。根据钢的成分与退火工艺目的的不同，退火工艺可分为均匀化退火、再结晶退火、去应力退火、完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等。

本节仅就工业上常用的五种退火工艺作简单介绍。

（1）完全退火

完全退火的是将亚共析钢工件加热到Ac3以上20～40℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却至600℃以下，然后空冷。完全退火的目的是为了细化组织，降低硬度，改善可加工性，去除内应力。

完全退火主要适用于亚共析成分的中碳钢及中碳合金的铸件、锻件、轧制件及焊接件。对于锻、轧件，一般安排在工件热锻、热轧之后，切削加工之前进行；对于焊接件和铸钢件，一般安排在焊接、浇注（或均匀化退火）后进行。不宜用于过共析钢，因为加热到Accm温度以上缓慢冷却时会沿奥氏体晶界析出网状二次渗碳体，使钢的脆性明显增大。

（2）等温退火

等温退火是将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃或者是将共析钢或过共析钢加热到Ac1以上20～40℃，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体转变区的某一温度并等温，使奥氏体转变为珠光体组织，然后再在空气中冷却至室温的退火工艺。其目的和加热过程与完全退火相同。

等温退火的转变较易控制，能获得均匀的预期组织；等温退火代替完全退火或球化退火，所用时间可大大缩短，退火时间一般只需完全退火时间的一半左右。

等温退火适用于高碳钢、中碳合金钢、经渗碳处理后的低碳合金钢和某些高合金钢的大型铸、锻件及冲压件等。

（3）球化退火

球化退火是将过共析钢加热到Ac1以上20～30℃，充分保温后随炉缓冷到600℃以下再出炉空冷的工艺方法。球化退火后钢中的片状渗碳体和网状二次渗碳体变为粒状，组织为粒状渗碳体分布在铁素体基体上。球化退火是使钢中未溶碳化物球状化而进行的热处理工艺，其目的是降低硬度，提高塑性，改善可加工性，以及获得均匀的组织，改善热处理的工艺性能，为以后的淬火作组织准备。对于某些结构钢的冷挤压件，为提高其塑性，则可在稍低于Ac1温度下进行长时间的球化退火。

生产上一般采用等温冷却以缩短球化退火时间。如图4－21所示为T12钢两种球化退火工艺的比较及球化退火后的组织。球化退火前钢的原始组织中不允许有网状Fe3CⅡ存在，可通过正火消除网状Fe3CⅡ，否则球化效果不好。

球化退火主要适用于共析和过共析成分的碳钢和合金钢锻、轧件。

图4－21　T12钢两种球化退火工艺的比较及退火后的组织(www.xing528.com)

（4）均匀化退火

均匀化退火是将工件加热到Ac3以上150～250℃（通常为1 000～1 200℃），长时间保温（约10～15h）后再随炉缓慢冷却，在不致使奥氏体晶粒过于粗化的条件下应尽量提高加热温度以利于化学成分的均匀化，也称扩散退火。工件经均匀化退火后，奥氏体晶粒十分粗大，必须进行一次完全退火或正火来细化晶粒，消除过热缺陷。

由于均匀化退火生产成本高、生产周期长、设备寿命短、工件烧损严重、热能消耗大，因此均匀化退火主要用于质量要求高的优质合金钢的铸锭或铸件，以消除铸造结晶过程中产生的枝晶偏析，使成分均匀化。

（5）去应力退火

去应力退火是将工件加热到500～600℃，保温后随炉缓冷至200℃以下出炉空冷。由于加热温度低于Ac1，所以在去应力退火过程中工件内部不发生组织的转变，应力消除是在加热、保温和缓冷过程中完成的。

去应力退火是为了消除铸件内部以及由于塑性加工、焊接、热处理及机械加工等造成的零件内存在的残余应力而进行的退火。其目的是稳定尺寸，减小变形，对于形状复杂和壁厚不均匀的零件尤为重要。

以上各种退火工艺的加热范围如图4－22所示。

图4－22　退火、正火的工艺示意图

2）正火

正火是将亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃，过共析钢加热到Accm以上30～50℃，使钢完全奥氏体化，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。其加热温度范围如图4－22所示。亚共析钢正火后的组织接近平衡组织，为铁素体和珠光体，但珠光体的量较多且珠光体的片间距较细。过共析钢正火后的组织为珠光体和少量断网状的二次渗碳体。正火的目的和退火相同，但与退火相比，正火冷却速度比退火快，过冷度较大，因此，组织中珠光体的片间距更小，一般认为是索氏体，正火后的强度、硬度、韧性等比退火高一些，且塑性基本不降低。如表4－2为45钢退火和正火后力学性能的比较。另外正火生产周期短、生产效率高、成本低，生产中一般优先采用正火工艺。

表4－2　钢退火和正火后力学性能的比较（45钢）

退火或正火的主要目的及作用主要有如下几点：

（1）降低或调整钢件的硬度，提高塑性，以利于随后的切削加工或塑性变形加工（冲压、拉拔等）。铸造、锻造、焊接等热加工工件，由于冷却速度较快，一般硬度较高，不易于切削加工，退火或正火后可降低硬度。

（2）消除残余应力，以稳定钢件尺寸并防止其变形和开裂。退火或正火可消除铸造、锻造、焊接等工件的残余内应力，稳定工件尺寸并减少淬火时的变形和开裂倾向。

（3）细化晶粒，均匀成分，改善组织，提高钢的力学性能。铸造、锻造、焊接等工件中往往存在晶粒粗大或带状组织等缺陷，退火或正火可使晶粒细化。另外，退火或正火还可消除偏析，使成分均匀。晶粒细化及成分的均匀化可提高钢的力学性能，并为最终热处理（淬火、回火等）做组织上的准备。