钢的基于固态相变的退火工艺优化

钢的退火形式很多，除了前述的均匀化退火（扩散退火）、再结晶退火和消除应力退火之外，还有多种形式的基于固态相变的退火，如完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火等。

退火工件一般是随炉加热，加热速度不会太高。为了防止加热过程中开裂，高合金钢大件退火时，在700℃以下加热速度应为30～70℃/h，温度超过700℃后可增大为80～100℃。

保温时间决定于钢的化学成分、炉温、装炉方式及装炉量，一般可按1.5～2.5min/mm（厚度或直径）估算。

大型铸钢件退火保温时间可按式（12-1）计算

τ=K+0.25Q （12-1）

式中 τ——保温时间（h）；

Q——装炉量（t）；

K——系数，ϕ≥100mm时K=6，ϕ≤100mm时K=4。

对于在850～900℃退火的锻轧件

τ=4+（0.2～0.4）Q （12-2）

1.完全退火

将铁碳合金完全奥氏体化，然后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺称为完全退火^[2]。所谓“完全”，是指钢的内部组织全部进行了重结晶^[5]，即：在加热过程中，钢的原始组织完全转变成奥氏体；在随后的冷却过程中，奥氏体又全部转变为珠光体加铁素体的平衡组织。

完全退火的目的是细化晶粒，降低硬度，改善切削性能以及消除内应力，以利于随后的变形加工或切削加工，为成品件的淬火作好组织准备^[1，7]。

完全退火工艺中应给予注意的环节是加热温度、保温时间和冷却速度。

完全退火的加热温度一般在Ac₃点以上20～50℃^[7]。

退火保温时间应该足够。退火保温时间不仅应保证使工件透烧（即心部也达到加热所要求的温度），而且还应保证其原始组织完全奥氏体化和成分基本均匀。因为完全退火时加热温度超过Ac₃不多，所以相变进行得很慢，特别是粗大铁素体或碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀过程，均需要较长时间。

完全退火的冷却，一般是先缓慢冷却至某一温度（比如500～550℃），然后出炉空冷。缓慢冷却的目的是保证奥氏体在Ar₁点以下不大的过冷度情况下进行珠光体转变，以免硬度过高。一般碳钢冷却速度应小于200℃/h；低合金钢的冷却速度应降至100℃/h；高合金钢的冷却速度应更小，一般为50℃/h。缓慢冷却一般通过随炉冷却或埋于砂中或耐火土粉中冷却实现。缓慢冷却至的温度一般小于600℃，具体应根据钢种及其截面尺寸确定。钢中碳与合金元素越多、截面尺寸越大，出炉温度应该越低。比如，截面尺寸在小于200mm的ZG200—400铸钢件出炉温度应在450℃左右，而截面尺寸在501～1000mm的ZG5CrMnMo铸钢件出炉温度应在200℃左右。

完全退火主要用于亚共析钢的铸件、焊件、锻件和热轧钢材等[5，7]。过共析钢不能采用完全退火，因为完全退火会导致组织粗大和网状渗碳体的产生，使钢的性能恶化。

含碳量较高[w（C）>0.3%]、淬透性较好或尺寸较大的碳钢及合金钢钢锭，均需进行完全退火以消除铸造应力，改善铸态组织并降低表面硬度，以便于存放和表面清理。浇铸后如不及时退火，钢锭会因内应力而自行开裂甚至爆炸。钢锭表面的各种缺陷应在锻轧前清除，否则会在加工中扩大，甚至形成发裂而使钢锭报废，这对含高铬、铝、钛等的钢锭尤为重要。因此，需要退火以便进行表面清理。各类亚共析钢钢锭完全退火温度见表12-11。

表12-11 部分亚共析钢钢锭完全退火温度[5

上述各种钢锭完全退火时的加热速度常取100～200℃/h；保温时间τ=8.5+0.25Q（h），式中Q为装炉量（t）；冷却速度常取50℃/h；出炉温度为600℃以下。

2.不完全退火

将铁碳合金加热至Ac₁～Ac₃或Ac₁～Acm之间，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却，以获得接近平衡的组织，这种热处理工艺称为不完全退火^[1，2]。这里的“不完全”，是指钢加热时没有完全奥氏体化，即没有完全重结晶。

不完全退火的目的与完全退火相同，都是通过相变重结晶来细化晶粒，改善组织，去除应力，改善切削性能，但由于在加热温度下不能完全重结晶，所以细化晶粒方面不如完全退火的好。不完全退火的优点是加热温度低，可以节省工艺过程的时间并增加炉子的使用率，所以使用较广。例如，因锻件的停锻温度正确（对亚共析钢而言，正确的停锻温度仅稍高于Ar₃），未引起晶粒粗大，铁素体和珠光体的分布也无异常现象，此时采用不完全退火即可满足要求，而不必一定要进行完全退火^[8]。

不完全退火适合于中、高碳钢及低合金钢锻轧件等^[7]。

（1）过共析钢（即莱氏体钢）钢锭的不完全退火 过共析钢不完全退火的目的之一是减少溶入奥氏体中的碳化物数量，以降低奥氏体的稳定性，提高退火冷却速度，缩短冷却时间。此外，不完全退火还可消除铸造应力，改善铸态组织，降低表面硬度以改善切削加工性，使钢锭便于存放和表面清理。常用过共析钢（包括莱氏体钢）钢锭的不完全退火温度如表12-12所示。

钢锭不完全退火时的加热速度为100～200℃/h，保温时间τ=K+0.25Q（h），式中Q为装炉量（t）；K为基本保温时间，合金工具钢及轴承钢K=8.5，莱氏体钢K=2.5。冷却速度一般控制在50℃/h左右。高合金钢及淬透性高的钢则取20～30℃/h或更低。碳素工具钢及低合金工具钢可在炉冷到600℃以下时出炉，高合金工具钢则最好冷却到350℃以下再出炉，以免产生新的内应力和使硬度偏高。

表12-12 过共析钢钢锭的不完全退火时的加热温度^[5]

（2）过共析钢锻轧钢材的不完全退火 主要用于工具钢、轴承钢及冷模钢等，以得到球状珠光体及球状碳化物组织，降低硬度，改善切削加工性能。上述钢材不完全退火时的加热速度大多≥100℃/h，对于含合金元素较多的钢可采用稍慢的加热速度。保温时间视装炉量、钢材种类而定。保温后随炉冷却，冷却速度因钢种而异，碳素工具钢≤50℃/h，合金钢≤30℃/h。冷却到600℃左右时，即可出炉空冷。常用碳素工具钢及合金工具钢不完全退火时的加热温度如表12-13所示。

表12-13 碳素工具钢及合金工具钢不完全退火时的加热温度^[5]

过共析钢广泛应用不完全退火。过共析钢的不完全退火，实质上是球化退火的一种。

3.等温退火

将钢件或毛坯加热到高于Ac₃（亚共析钢）或Ac₁～Ac_cm之间（过共析钢）的温度，待奥氏体转变完成并基本均匀后，较快地冷却到低于Ar₁以下的某个温度，等温保持足够时间，使珠光体转变完毕，然后出炉空冷（或油冷、水冷），此种工艺称为等温退火^[5]，如图12-3所示。

中碳及合金结构钢进行等温退火，可以得到比完全退火更为均一的组织和性能，同时还能有效地消除锻造应力，而工艺周期却比完全退火缩

图12-3 等温退火工艺示意图^[5]

短了大约一半（特别是对含合金元素比较多的钢）。

等温退火时的加热温度、等温温度及保持时间应根据所用钢的过冷奥氏体等温转变图（C曲线）、性能要求及钢件截面尺寸等条件确定。(www.xing528.com)

等温保持时间应较等温转变图上等温转变完了时间更长些，以保证过冷奥氏体分解完全，对截面较大钢制工件尤需如此；在生产中，碳钢常取1～2h，低、中合金钢3～5h。

等温退火多用于高碳钢、合金钢和高碳合金钢。等温退火与完全退火或不完全退火的目的相同。但此种退火方法的特点是：节省钢件在炉内的时间，从而增加了退火炉的周转率，容易控制，能够得到预期的均匀的显微组织和硬度。

等温退火工艺也可应用于工具钢及轴承钢的球化，以及结构钢大锻件的预防白点处理。

4.球化退火

为使钢中的碳化物球状化而进行的退火工艺称为球化退火^[2]。

球化退火的目的是：

1）获得粒状珠光体，改善热处理工艺性能，减少工具钢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。试验证明，w（C）>0.5%的钢球状珠光体的切削性能优于片状珠光体，含碳量愈高，差别愈大，故对一般含碳量较高的钢均采用球化退火。

3）提高塑性，改善冷挤压成形性。冷镦成形的标准件要求原始组织必须为粒状珠光体。

4）为后续热处理作组织准备，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、冷镦或冷挤压成形的结构钢^[7]。

一次碳化物不能通过球化退火球化，只能靠合理的锻造工艺（以相当大的总锻造比，经十几、二十几次以上的反复镦拔）和适当的高温扩散退火来得到。共析碳化物可以通过球化退火球化。

球化退火工艺有以下几种：

（1）低温球化退火 低温球化退火工艺方法是将钢加热到Ac₁以下20℃左右，经长时间保温（决定于钢种及要求的球化程度），使碳化物由片状变成球状，然后冷（或空冷）至室温，如图12-4所示。

该种方法的热力学依据是在其他条件相同情况下，片状组织单位体积所占有的表面积大于球状组织，因而片状组织表面能大于球状组织，总自由能也是如此，所以片状组织能自发地变成球状组织。

过共析钢的先共析渗碳体如以网状存在，用低于Ac₁点以下温度的退火很难球化，即使没有网状渗碳体存在，仅是珠光体中的渗碳体的球化，其球化过程也需要很长时间。因此，这种工艺目前已很少被采用。

此法适用于经冷形变加工或淬火以及原珠光体片层较薄，且无网状碳化物的情况^[5]。

（2）一次球化退火法 将钢加热到Ac₁与Acm（或Ac₃）之间，经过适当时间的保温，然后缓慢冷却至500～650℃出炉冷却，称为一次球化退火^[7]。其工艺曲线如图12-5所示。这种工艺方法适用于周期作业炉生产，在工具和轴承生产中得到广泛的应用。

图12-4 低温球化退火工艺示意图^[5]

图12-5 一次球化退火工艺示意图^[5]

此种退火工艺是目前生产上最常用的球化退火工艺。实际上这是一种不完全退火。工艺要求退火前的原始组织为细片状珠光体，不允许有粗厚的渗碳体网存在。因为原始组织中有粗厚的连续网状渗碳体的过共析钢，即使长时间球化退火，其网状渗碳体也难以完全消除。因此，为了消除粗厚的渗碳体网，一般在退火前要进行一次正火处理。

球化退火时，奥氏体化温度一般为Ac₁+（20～40℃），或Acm-（20～30℃）^[7]。

球化退火的成功与否，与奥氏体化温度有关。加热温度愈高，奥氏体愈容易出现片状珠光体，而且不容易球化。而只有奥氏体化温度接近Ac₁时，因奥氏体晶粒很小，奥氏体中残存有相当数量的尚未来得及溶解的渗碳体粒子，且存在有大量的碳的富集区。在以后冷至低于Ar₁的温度过程中，以这些渗碳体粒子或碳的富集区作为珠光体转变时的结晶核心，形成球状渗碳体。但是奥氏体化温度也不能太低，否则球化就不会完全。

保温时间对球化退火有与加热温度类似的影响。延长保温时间，使奥氏体中碳浓度趋于均匀，故会使片状珠光体出现，但其影响要比温度的作用弱得多。一般球化退火保温时间为4h左右。

加热后，在Ar₁点附近的冷却速度也很重要。冷却速度对球化效果有重要影响。随着冷却速度增大，碳化物直径减小。冷却速度过大，珠光体转变温度过低，会出现片状组织。故一般球化退火的冷却速度应控制在20℃/h左右。

球化退火前的冷加工和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（形成亚晶界），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有利条件^[4]。例如普通碳钢的线材或棒材，在200～400℃温度进行塑性变形，然后在Ac₁点以下的温度退火可以促进球化过程。又如把上述淬火与毛坯锻造结合起来，即在毛坯锻造后立即淬火，然后再进行退火加热即可得到球化组织。此种工艺不仅可细化晶粒，而且还减少了淬火再次加热的工序。

（3）等温球化退火法 等温球化退火法是将共析钢或过共析钢加热到Ac₁+（10～30℃），保温适当时间，然后冷却到略低于Ar₁以下的温度，等温保持一定时间（使等温转变进行完毕）然后炉冷或空冷的球化退火工艺，如图12-6a所示。如果原始组织中网状碳化物较严重，则需加热到略高于Ac_cm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，如图12-6b所示。

在把钢加热至Ac₁点以上温度过程中，使先共析网状碳化物溶断、凝聚。而珠光体虽在加热到高于Ac₁点以上时应转变成奥氏体，但由于加热温度仅稍高于Ac₁，珠光体中渗碳体溶解需要较长时间，往往只能使渗碳体片溶断，残留着渗碳体颗粒。有的即使溶解，但在渗碳体片溶断处还保留着高浓度碳聚集区，当冷至稍低于Ar₁的温度保温，进行珠光体转变时，将以这些残存渗碳体或碳富集区作为渗碳体的结晶中心，渗碳体在此析出长大。因为这些微小区域弥散分布，碳的扩散距离比形成片状珠光体的短，虽然其应变能要大于片状珠光体，但其总自由能却较低，因而形成球状珠光体。

在等温球化退火工艺的制订中，奥氏体化温度及等温转变温度十分重要。奥氏体化温度较高时，未溶碳化物数量较少，奥氏体晶粒较大，而且其中碳浓度的分布也较均匀，因而不利于球化过程的进行。等温转变温度较低时，碳（及合金元素）在奥氏体中的扩散较困难，也不利于球化过程。只有当奥氏体化温度较低（略高于Ac₁），等温转变温度较高（略低于Ac₁）的处理规程下，才能得到球化组织。

等温球化退火常用于碳钢及合金钢刀具、冷冲模具及轴承零件。与一次球化退火相比，可获得较好的球化质量并可节省工艺时间。

图12-6 过共析钢等温球化退火工艺示意图[5

a）无网状碳化物时 b）有网状碳化物时

图12-7 往复球化退火工艺示意图^[5]

（4）往复球化退火 往复球化退火是一种周期性的等温退火，目的是加速球化过程。这种方法是将钢加热到Ac₁+（20～30℃），短时保温（3～5min）后冷却到Ar₁以下（20～30℃），再短时保温，如此反复进行多次，称为往复球化退火，如图12-7所示^[5]。

Ac₁以上的短时加热，除奥氏体化外，还可使片状碳化物开始溶解，呈被切断的形状，而在Ar₁以下温度保持时变为球状，同时使珠光体中的渗碳体附着在这些球上生长。几次反复后，便可得到较好的球化组织。

对粗大工件或在装炉量很多情况下，这样的往复加热冷却很难实现，因而该种方法只适用于小批量生产的小型工具。