探究钢材加工过程中的热处理技术

退火和正火是生产上应用很广泛的预备热处理工艺。大部分机器零件及工、模具的毛坯经退火或正火后，不仅可以消除铸件、锻件、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，为下道工序做好组织性能准备。对于一些受力不大、性能要求不高的机器零件，退火和正火也可作为最终热处理。对于铸件，退火和正火通常就是最终热处理。

3.3.1 退 火

退火

退火是将钢加热至适当温度，保温一段时间后随炉缓慢冷却，以获得近于平衡状态组织的热处理工艺。其目的主要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，改善钢的成型及切削加工性能，并为淬火做好组织准备。

根据钢的化学成分和退火目的的不同，退火可分为完全退火、球化退火、等温退火、扩散退火、去应力退火等。

1.完全退火

完全退火是指加热使钢完全得到奥氏体组织后缓慢冷却的热处理工艺。完全退火主要用于亚共析成分的铸件、锻件、热轧型材及焊接件等。其目的主要是获得低硬度，改善组织和切削加工性能，以及消除内应力等。

完全退火的加热温度为Ac3以上30～50 °C。保温时间与钢的化学成分、原始组织及加热条件等因素有关，可通过试验确定。冷却速度为30～120 °C/h，一般随炉冷却即可。

完全退火后得到的组织接近平衡状态的组织。

2.球化退火

为使钢中碳化物球化而进行的退火工艺称为球化退火。球化退火主要用于共析或过共析成分的工件。其目的是球化渗碳体，降低硬度，改善切削加工性能并为淬火做准备。

球化退火的加热温度为Ac1以上20～30 °C，保温一定时间，随炉缓慢冷却。球化退火后的组织为连续的铁素体基体上均匀分布球状（粒状）渗碳体，将这种组织称为球状珠光体，如图3-19所示。球化退火得到的球状珠光体组织，是具有最佳塑性和最低硬度的一种组织，良好的塑性是因为组织中有一个连续的、塑性好的铁素体基体。

3.等温退火

等温退火是指将钢加热到Ac3点以上30～50 °C（亚共析钢）或Ac1以上20～30 °C（共析钢和过共析钢），保持一定时间后以较快速度冷却到珠光体温度区间内的某一温度，经等温保持使奥氏体转变为珠光体型组织，然后出炉空冷的退火工艺，如图3-20所示。其目的与完全退火或球化退火相同，但等温退火后组织粗细均匀，性能一致，生产周期短，生产率高。等温退火主要用于高碳钢、高合金钢及合金工具钢等。

图3-19　球状珠光体显微组织

图3-20　高速钢等温退火与完全退火比较(https://www.xing528.com)

4.扩散退火

扩散退火又称均匀化退火，是将钢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。扩散退火加热温度很高，通常为Ac3或Accm以上150～300 °C。

扩散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。

5.去应力退火

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，在精加工或淬火之前将工件加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，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Ac1，一般为500～650 °C。去应力退火后的冷却应尽量缓慢，以避免产生新的应力。

3.3.2 正 火

正火是将钢加热到Ac3（或Accm）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。例如，国家体育场“鸟巢”的主要钢结构就是采用我国武钢研发的Q460E-Z35钢板焊接成型的，Q460E/Z35钢板通过正火改善组织，消除控轧产生的不良影响，得到了良好的综合性能。正火钢板组织比较均匀，在屈服强度稍有下降的情况下，可改善钢板厚度中心部位的性能，得到强度、塑性、韧性的最佳匹配。

正火可以作为预备热处理，为机械加工提供适宜的硬度，又能细化晶粒，消除应力，消除魏氏组织和带状组织，为最终热处理提供合适的组织状态。正火还可以作为最终热处理，为某些受力较小、性能要求不高的碳素钢结构零件提供合适的力学性能。正火还能消除过共析钢的网状碳化物，为球化退火做好组织准备。对于大型工件及形状复杂或截面变化剧烈的工件，用正火代替淬火和回火可以防止变形和开裂。

正火工艺是较简单、经济的热处理方法，主要应用于以下几个方面：

1.改善低碳钢的切削加工性能

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“黏刀”，通过正火处理，可以减少自由铁素体，获得细片状珠光体，使硬度提高至140～190 HBW，可以改善钢的切削加工性，提高刀具的寿命和工件的表面光洁度。

2.消除碳钢的热加工缺陷

中碳结构钢铸件、锻件、轧件以及焊接件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。

3.消除过共析钢的网状碳化物，便于球化退火

过共析钢在淬火之前要进行球化退火，以便于机械加工，并为淬火做好组织准备。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。

4.提高普通结构件的力学性能

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，可获得一定的综合力学性能，可以代替调质处理，作为零件的最终热处理。