- 机械工程材料与成形
- 肖爱武 谭海林 赖春明主编
- 2051字
- 2020-08-27 18:25:03
3.2 钢的退火与正火
零件生产的过程是由许多道工序所组成的,在生产工序路线中为了达到良好的工艺效果,常会穿插多次热处理,而热处理可以分为两类:一类是预备热处理,即消除毛坯生产缺陷、为改善切削加工性、为最终热处理作准备的热处理,一般包括退火、正火、调质等;另一类是最终热处理,即最终已能满足工件使用性能的热处理,一般包括淬火、回火及表面热处理。
3.2.1 退火
退火是将钢加热到适当的温度,保温一定时间后缓慢冷却(如随炉冷却),以改善组织、提高工艺性能的一种热处理工艺。
常用退火方法:完全退火、等温退火、均匀化退火、球化退火和去应力退火。
(1)完全退火和等温退火
完全退火是将钢加热至Ac3+(30~50)℃完全奥氏体化,随之缓慢冷却,以获得接近平衡状态组织的退火工艺。其主要用于亚共析碳钢和合金钢的铸件、锻件和焊件等。完全退火不能用于过共析钢,因为加热至完全奥氏体化后,在缓冷过程中有网状的二次渗碳体沿奥氏体晶界析出,严重削弱钢晶粒间结合力,降低钢的强度和韧性,故应尽量避免。
等温退火是将钢加热至高于Ac3或Ac1的适当温度(550~700℃),保温一定时间后,较快地冷却到高温转变区间的某一温度等温保持,使奥氏体转变为珠光体型产物,然后在空气中冷却的退火工艺。
完全退火和等温退火的工艺目的:降低钢的硬度、改善切削加工;消除内应力、稳定工件尺寸、防止变形和开裂;细化晶粒、改善组织,为以后的热处理作准备。它们的工艺目的相同,但等温退火缩短了近1/3退火时间,工件氧化、脱碳倾向较小,尤其是对于大型铸锻件和高合金钢的组织和性能生产有优势。
(2)均匀化退火
为消除钢锭、铸锻件毛坯的偏析(成分不均匀)缺陷,常将其加热至固相线以下100~200℃,长时间保温(10~15h),然后缓慢冷却至室温的退火工艺称为均匀化退火。
钢经均匀化退火后,晶粒粗大现象较严重,故还应进行等温退火或正火。均匀化退火消耗时间长、成本高,主要用于质量要求高的优质合金钢铸锭和锻件。
(3)球化退火
球化退火是将钢加热到Ac1+(20~30)℃,充分保温使未溶二次渗碳体球化,然后随炉缓慢冷却,或在Ar1以下20℃左右进行较长时间保温,使珠光体中的渗碳体球化,随后出炉空冷的退火工艺。
球化退火主要用于共析钢和过共析钢,其主要目的是使钢中渗碳体球化降低硬度,改善切削加工性能,同时为后续淬火做好组织准备。这种在铁素体基体上均匀分布着球状渗碳体的混合组织称为球化体(球状珠光体)。
对于有网状二次渗碳体的过共析钢,在球化退火之前应进行一次正火,以消除粗大的网状渗碳体。
近年来,球化退火工艺应用于亚共析钢也取得较好的效果,只要工艺控制恰当,同样可使渗碳体球化,从而有利于冷成形加工。
(4)去应力退火(低温退火)
去应力退火是将钢件加热到500~650℃,保温一定的时间,然后随炉缓慢冷却到近200℃,再出炉空冷的退火工艺。
去应力退火并不产生相变,但主要用于消除冷加工件、铸件、焊接结构件中的残余内应力,达到稳定尺寸、防止工件的变形和开裂的工艺效果。去应力退火后的冷却应尽量缓慢,以免产生新的应力。
3.2.2 正火
正火是将钢加热到Ac3(亚共析钢)或Accm(过共析钢)以上30~50℃,保温一定时间,随后在空气中冷却的热处理工艺。
正火和退火的工艺目的基本相同,主要区别是冷却速度稍快,珠光体组织较细小,故正火后工件的强度和硬度要比退火的高。45钢退火、正火后的力学性能比较如表3-3所示。
表3-3 45钢退火、正火后的力学性能
正火具有生产周期短、耗能低、操作简便等优点,故一般生产中尽可能采用正火代替退火;而当零件形状较复杂时,为避免冷却速度较快出现开裂的危险,则采用退火为宜。钢的退火、正火组织如图3-11、图3-12所示。
图3-11 40钢的退火组织(×400)
图3-12 40钢的正火组织(×400)
正火可以消除铸造或锻造生产中的过热缺陷,细化晶粒、均匀组织,获得较高的力学性能,能满足力学性能要求不高的零件性能要求,可以是普通结构件的最终热处理,能改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性。
金属材料硬度为160~230HBS时,切削加工性能好。硬度过高,则难以切削加工,而且刀具易磨损,能量耗费也大;硬度过低,则加工易粘刀,使刀具发热和磨损,且降低加工零件表面光洁度。如图3-13所示,图中阴影处表示切削加工性能较好的硬度区,而低碳合金钢退火硬度一般都在160HBS以下,切削加工性能不良;选用正火,由于珠光体量增加,片层间距变细,从而改善了切削加工性能。
图3-13 碳钢退火和正火后的大致硬度值
1—正火(细片状珠光体组织);2—退火(片状珠光体组织);3—球化退火(球状珠光体)
正火常用来为较重要零件进行预先热处理。例如,对中碳结构钢正火,可使一些不正常的组织变为正常组织,消除热加工所造成的组织缺陷,并且它对减小工件淬火变形与开裂、提高淬火质量有积极作用。
正火可消除过共析钢中的网状二次渗碳体,为球化退火做组织准备。因为正火冷却速度比较快,二次渗碳体来不及沿A晶界呈网状析出,保证后续球化退火的工艺效果,如图3-14所示。
对一些大型或形状复杂的零件,淬火可能有开裂的危险,正火也往往代替淬火、回火处理,作为这些零件的最终热处理。
图3-14 各种退火和正火的工艺示意图