1、第八章鋼的加熱、退火與正火1 金屬加熱的物理過程8.1 鋼的加熱三種傳熱方式傳導輻射對流依靠液態(tài)或氣態(tài)加熱介質(zhì)的分子相對運動形成的熱量傳輸(600-700以下)通過加熱體在高溫下產(chǎn)生的電磁波來傳遞能量的現(xiàn)象(700，無需介質(zhì))加熱介質(zhì)與加熱工件表面接觸時，或受熱工件表面與心部之間、受熱部位與未受熱部分之間發(fā)生的熱量傳輸2金屬加熱直接加熱間接加熱熱源電阻電磁波低能粒子熱源介質(zhì)真空固體液體氣體 加熱方式與加熱介質(zhì)3加熱緩慢抑制氧化表面凈化脫氣作用蒸發(fā)現(xiàn)象真空加熱截面溫差小，應力、變形??；充入惰性氣體強制循環(huán)；預熱升溫4 加熱目的與要求熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點以上，目的是為了得到奧

2、氏體組織。加熱的質(zhì)量指標奧氏體的碳濃度和合金濃度變形開裂的程度表面氧化、脫碳或增碳的程度第二相的數(shù)量、大小和分布奧氏體成分的均勻性奧氏體的晶粒度5不同鋼種、不同工件、不同的熱處理工藝，對上述指標的要求是不同的。淬火加熱要求例1：成分盡可能均勻晶粒盡可能細小不允許表面氧化、脫碳或增碳要嚴防變形，不允許開裂奧氏體的碳濃度要適當；合金濃度盡可能高6球化退火加熱要求例2：成分不能太均勻，要保留大量的未溶的碳化物質(zhì)點，并彌散分布在奧氏體中晶粒不粗大奧氏體的碳濃度和合金濃度要低7 確定熱處理加熱規(guī)范的一般原則加熱的基本工藝參數(shù)加熱溫度加熱速度加熱時間正火：亞共析 AC33050 過共析 ACcm3050退

3、火：亞共析 AC32040 過共析 AC12030淬火：亞共析 AC33050 過共析 AC130508一般不限制加熱速度;對合金含量高、大型鑄、鍛件有特別規(guī)定.實際生產(chǎn)中，還要考慮加熱方式、熱處理類型、鋼的具體成分等因素的影響，對加熱溫度作必要調(diào)整.加熱的基本工藝參數(shù)加熱溫度加熱速度加熱時間9加熱的基本工藝參數(shù)加熱溫度加熱速度加熱時間 升 透 保工件加熱到要求溫度(實為零件表面溫度)所需要的時間取決于熱處理的工藝要求，如消除內(nèi)應力、均勻化、溶解難溶碳化物等等工件表面與心部都達到要求溫度所需時間10厚件的加熱時間：可用傳熱學、有效元分析等進行估算；薄件的加熱時間：主要靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，即用經(jīng)驗公式估

4、算，這些數(shù)據(jù)在生產(chǎn)實踐中已經(jīng)被證明是可靠的。但又不是絕對的，需要依據(jù)具體情況進行調(diào)整。具體加熱時間數(shù)據(jù)在講到具體工藝時再做詳細介紹。薄件：T爐400，d300mm T爐800，d200mm T爐1000，d100mm工件有厚件和薄件之分：11 鋼鐵在加熱時的缺陷及防止對這些缺陷的檢驗和評級，可參見相關(guān)的國家標準和部頒標準。造成這些缺陷的原因是多方面的，可能是設(shè)備、工藝、或操作不當?shù)仍颉Ｒ虼?，在實際生產(chǎn)中應具體問題具體分析，以找出切實可行的解決辦法。常見的加熱缺陷氧化脫碳欠熱過熱過燒12在氧化性氣氛（如空氣、O2、CO2、H2O等）中加熱時，鐵原子和合金原子會被氧化。研究表明，鋼在560以下加

5、熱時，表面氧化膜由兩層構(gòu)成： Fe2O3|Fe3O4|基體由于這種氧化膜結(jié)構(gòu)致密，且與基體結(jié)合牢固，可使鋼表面與氧化性氣氛隔離，阻止鋼表進一步氧化，此時可以不考慮防止氧化的問題。氧化內(nèi)氧化表面氧化影響工件尺寸影響工件性能 氧化13在560以上加熱時，表面氧化膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，此時的氧化膜由三層構(gòu)成： Fe2O3|Fe3O4|FeO|基體。其厚度比為110100，實際上主要由FeO組成。FeO是缺位固溶體，結(jié)構(gòu)疏松，與基體結(jié)合不牢，易剝落，所以這種氧化膜不起防護作用，氧很容易穿過氧化膜向里氧化。因而鋼鐵表面一旦生成FeO，就會使氧化速度大大增加，且溫度越高，氧化越厲害。14在800950下較長時

6、間加熱時，在介質(zhì)中的O2和CO2除了進行表面氧化之外，還沿著奧氏體晶界向里擴散，從而發(fā)生鋼的內(nèi)氧化。當鋼中含有Cr、Si、Ti、Al等合金元素時，它們與氧的結(jié)合能力遠遠大于鐵，因此優(yōu)先被氧化，沿奧氏體晶界生成氧化物，使晶界附近合金濃度降低，奧氏體穩(wěn)定性變小，淬火時便會沿晶界形成屈氏體。加熱介質(zhì)中，O2、CO2和H2O等都會使鋼氧化。15氧化對性能的影響降低表面光潔度燒損加大，零件尺寸變小出現(xiàn)淬火軟點氧化的防止辦法可控氣氛加熱鹽浴加熱清除工件表面的水漬和銹斑高溫短時快速加熱真空加熱16鋼在脫碳性氣氛中加熱時，其表面層中的固溶碳與氣氛中的O2、CO2、H2O和H2等發(fā)生化學反應，生成氣體逸出鋼外，

7、導致脫碳：脫碳最嚴重時，可使表面變成鐵素體，淬火后硬度降低，疲勞強度下降。 脫碳17組織結(jié)構(gòu)全脫碳層：全部晶粒半脫碳層：表面C%平均C%對性能的影響機械性能下降（強度、硬度、耐磨性）脫碳層具有殘余拉應力，易出現(xiàn)淬火裂紋表面脫碳后，內(nèi)層的碳便向表面擴散，這樣就使脫碳層逐漸加深。加熱時間越長，脫碳層越深。脫碳實質(zhì)上也是氧化過程，當爐溫在700850下存在大量脫碳氣氛時容易發(fā)生。因此，防氧化的措施同樣適用于防止脫碳。18 欠熱由于加熱溫度過低或加熱時間過短，造成奧氏體化不完全的缺陷，稱為欠熱，也叫加熱不足。欠熱亞共析鋼淬火過共析鋼淬火正火球化退火組織中會殘存粗大的片狀P組織中殘存部分F碳濃度不夠?qū)е?/p>

8、硬度不足，合金濃度不夠?qū)е麓阌矊硬簧畈荒芡耆W(wǎng)狀組織或帶狀組織19造成欠熱的原因工藝不合理操作不當測溫儀表指示偏高 過熱鋼的過熱指的是加熱溫度比正常溫度偏高，導致鋼的奧氏體晶粒較正常的要大，即晶粒變粗。后果是：塑性、韌性、強度降低； 變形加大； 還可能導致熱處理裂紋、使工件報廢。補救措施：過熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細化。20造成過熱的原因操作不當工藝不合理測溫不準或者控溫失靈 過燒是加熱溫度太高而達到固相線溫度，奧氏體晶界或部分晶界氧化甚至熔化的現(xiàn)象。后果是：處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂，過燒的工件只能報廢。 造成原因：主要是設(shè)備失靈，或者操作不當；火焰爐加熱時

9、局部溫度過高也會造成過燒。218.2 鋼的退火將金屬加熱到一定溫度，保溫適當時間后緩慢冷卻，以獲得接近平衡狀態(tài)組織的熱處理工藝。 降低硬度，提高塑性； 細化晶粒，消除組織缺陷 ； 消除內(nèi)應力 ； 為淬火作好組織準備 。退火應用非常廣泛：在工模具或機械零件等的制造過程中，經(jīng)常作為預備熱處理安排在鑄鍛焊之后，切削(粗)加工之前，用以消除前一道工序所帶來的某些缺陷，并為隨后的工序做好準備。退火的目的22退火重結(jié)晶退火再結(jié)晶退火去應力退火退火過程中有相變發(fā)生無相變但有再結(jié)晶過程擴散退火完全退火不完全退火球化退火等溫退火只有回復過程再結(jié)晶退火去氫退火去應力退火23 擴散退火(均勻化退火) 概念：把合金鋼

10、鑄錠或鑄件加熱到 Ac3150300(一般碳鋼11001200，合金鋼11501250)，保溫十幾幾十h(一般以25mm截面厚度1h計算)后緩慢冷卻，以消除化學成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。 目的：消除結(jié)晶過程中的枝晶偏析，使成分均勻化。24 適用范圍： 主要用于質(zhì)量要求高的合金鋼鑄錠、鑄件、鍛件 注意事項：高溫擴散退火生產(chǎn)周期長，能量消耗大，工件氧化、脫碳嚴重，成本很高；尺寸不大的鑄件或碳鋼鑄件，因偏析程度較輕，可采用完全退火來細化晶粒、消除鑄造應力；由于加熱溫度高、時間長，會引起A晶粒嚴重粗化，因此一般還需要進行一次完全退火或正火，以細化晶粒、消除過熱缺陷。25 概念：將亞共析鋼(0.30.

11、6C)加熱到Ac3+(3050)，完全A化后保溫緩冷(隨爐、埋入砂、石灰中)，以獲得接近平衡狀態(tài)的組織的熱處理工藝。 完全退火 目的：細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應力、降低硬度、改善切削加工性能。26完全退火采用隨爐緩冷，可以保證先共析F的析出和過冷A在Ar1以下較大溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)镻。實際生產(chǎn)時，為了提高生產(chǎn)率，退火冷卻至 600左右即可出爐空冷。保溫時間：不僅要使工件燒透，而且要保證全部奧氏體均勻化，達到完全重結(jié)晶。保溫時間：與鋼材成分、工件厚度、裝爐量和裝爐方式等因素有關(guān)，一般以25mm截面厚度1h計算 。工藝 適用范圍 中碳鋼和中碳合金鋼的鑄、焊、鍛、軋制件等 27低碳鋼和過共析鋼不宜采

12、用完全退火；注意事項完全退火消除粗大晶粒及魏氏組織過程示意圖完全退火后硬度偏低，不利于切削加工加熱至Accm以上奧氏體狀態(tài)緩冷退火時，有網(wǎng)狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌性顯著降低。28對于亞共析鋼，原始組織細小時，可用不完全退火代替完全退火，消除內(nèi)應力。 不完全退火將鋼不完全奧氏體化，隨之緩慢冷卻的退火工藝工藝： 亞共析：AC1 AC3 過共析：AC1 ACcm用途：主要用于過共析鋼，改善珠光體組織，降低硬度，消除內(nèi)應力；29低溫球化：AC1 1030 幾十一百小時緩冷球化：AC1 1020等溫球化：AC1 1020 Ar12030 爐冷至500600空冷 球化退火使鋼中碳化物球狀

13、化而進行的退火工藝工藝：片P在退火時向粒P轉(zhuǎn)變過程示意圖30適用范圍：主要用于共析鋼、過共析鋼的刃具、量具、模具等降低硬度、改善組織、提高塑性和切削加工性能。目的：31過共析鋼中存在網(wǎng)狀二次滲碳體硬度高，難以切削加工增大鋼的脆性容易產(chǎn)生淬火變形及開裂32冷卻速度和等溫溫度影響碳化物球化效果冷卻速度過快或等溫溫度太低形成碳化物顆粒太細，聚集作用小，易形成片狀碳化物，從而使硬度偏高。形成碳化物顆粒較粗大，聚集作用強烈，易形成粗細不等的粒狀碳化物，使硬度偏低。 冷卻速度過慢或等溫溫度過高33定義：工件加熱到高于AC3(AC1)溫度，保溫適當時間，較快冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變某一溫度保持，轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織的

14、退火工藝工藝：亞共析：AC3 過共析：AC1Accm等溫溫度： Ar13040用途：目的同于完全、不完全退火優(yōu)點在于工藝周期短，截面組織比較均勻適合于大件及合金鋼的退火 等溫退火34工藝溫度選擇在氫溶解度小、擴散系數(shù)大的區(qū)域（C曲線鼻尖處） 去氫退火T氫的擴散系數(shù)溶解度在奧氏體等溫分解過程中長期保溫，以使鋼中固溶氫脫溶的退火工藝應用一般用于大截面鍛、軋件，利用余熱在A1以下較高溫度長時間保溫35工藝：TK150250；鋼：600700；鋁合金：350400 再結(jié)晶退火經(jīng)冷變形后金屬，加熱到再結(jié)晶溫度以上，保持適當時間，使形變晶粒重新結(jié)晶為均勻的等軸晶粒，以消除加工硬化和殘余應力的退火工藝36鋼

15、和焊接件：500600；鑄鐵：500550，超過550易造成P石墨化 去應力退火為去除塑性變形加工、焊接等造成的應力以及鑄件內(nèi)存在的殘余應力而進行的退火。工藝：將工件緩慢加熱到 Ac1以下100200保溫一定時間(13h)后，隨爐緩冷至200，再出爐冷卻。37消除鑄、鍛、焊件、冷沖壓件以及機加工工件中的殘余應力，以穩(wěn)定鋼件的尺寸，減少變形，防止開裂。 去應力退火后應注意緩冷，防止產(chǎn)生附加應力，對于大截面零件尤為重要注意事項：適用范圍和目的：38名稱目的工藝制度組織應用完全退火細化晶粒，消除鑄造偏析，降低硬度，提高塑性加熱到AC32050，爐冷至550 左右空冷 FP亞共析鋼的鑄、鍛、軋件，焊接

16、件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韌性，為淬火作組織準備加熱到AC12040，然后緩冷片狀珠光體和網(wǎng)狀滲碳體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罟参觥⑦^共析鋼及合金鋼的鍛件、軋件等擴散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均勻化加熱到Tm-100200，先緩冷，后空冷粗大組織（組織嚴重過燒）合金鋼鑄錠及大型鑄鋼件或鑄件再結(jié)晶退火消除加工硬化，提高塑性加熱到再結(jié)晶溫度，再空冷變形晶粒變成細小的等軸晶冷變形加工的制品去應力退火消除殘余應力，提高尺寸穩(wěn)定性加熱到500650 緩冷至200 空冷無變化鑄、鍛、焊、冷壓件及機加工件常用退火工藝制度小結(jié)398.3 鋼的正火共析鋼 S 、亞共析鋼F+S、過共析鋼Fe3CS 概念將

17、鋼件加熱到Ac3 (或Accm )以上3050，保溫適當時間后，在靜止空氣中冷卻的熱處理工藝。 目的細化晶粒，均勻組織，調(diào)整硬度等。 組織40保溫時間：和完全退火相同，應以工件透燒為準，還應考慮鋼材、原始組織、裝爐量和加熱設(shè)備等因素。冷卻方式：最常用的是空冷；對于大件也可采用吹風、噴霧、調(diào)節(jié)鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度。 正火工藝加熱溫度：在Ac3 (或Accm )以上3050，含V、Ti、Nb強碳化物元素的鋼：100150。41中碳結(jié)構(gòu)鋼的鑄、鍛、軋件以及焊接件，在加熱加工后易出現(xiàn)晶粒粗大等過熱缺陷和帶狀組織。通過正火處理可以消除這些缺陷組織，達到細化晶粒、均勻組織、消除內(nèi)應力的目的

18、。 應用范圍 調(diào)整硬度、改善鋼的切削加工性能碳的含量低于0.25的碳素鋼和低合金鋼，退火后硬度較低，切削加工時易于“粘刀”，通過正火處理，使硬度提高，從而改善鋼的切削加工性，提高刀具的壽命和工件的表面光潔程度。 細化晶粒、均勻組織、消除熱加工缺陷42一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼零件，采用正火處理達到一定的綜合力學性能，可以代替調(diào)質(zhì)處理，作為零件的最終熱處理。 消除過共析鋼的網(wǎng)狀碳化物，便于球化退火過共析鋼在淬火之前要進行球化退火，以便于機械加工并為淬火作好組織準備。但當過共析鋼中存在嚴重網(wǎng)狀碳化物時，將達不到良好的球化效果，需要先通過正火處理消除網(wǎng)狀碳化物，然后再進行球化退火。 提高普通結(jié)構(gòu)零件的機械性能43正火的冷卻速度比退火稍快，過冷度較大，發(fā)生的是偽共析轉(zhuǎn)變；正火后所得到的組織比較細，