預備熱處理：退火、正火

預備熱處理目的：

（1）獲設細小均勻的組織、消除內應力

（2）調整硬度，便于機加工（HB170-250）

（3）為HT做好組織準備

退火和正火是生產上應用很廣泛的預備熱處理工藝。大部門機器零件及工、膜具的毛坯經退火或正火后，不僅可以消除鑄件、鍛件及焊接件的內應力及成分和組織的不均勻性，而且也能改善和調整鋼的力學性能和工藝性能，為下道工序作好組織性能準備。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件，退火和正火亦可作為熱處理。對于鑄件，退火和正火通常就是熱處理。

1）鋼的退火

退火是將鋼加熱至臨界點A_c1以上或以下溫度，保溫以后隨爐緩慢冷卻以獲得近于平衡狀態組織的熱處理工藝。其主要目的是均勻鋼的化學成分及組織，細化晶粒，調整硬度，消除內應力和加工硬化，改善鋼的成形及切削加工性能，并為淬火作好組織準備。

退火的工藝種類很多，根據加熱溫度可分為在臨界溫度（A_C1或A_C3）以上或以下的退火。前者包括完全退火、均勻化退火、不完全退火和球化退火；后者包括再結晶退火及去應力退火。各種退火方法的加熱溫度范圍如圖1所示。按照冷卻方式，退火可分為等溫退火和連續冷卻退火。

• 完全退火（完全奧氏體化）

完全退火是將鋼件或鋼材加熱至A_C3以上20～30℃，保溫足夠長時間，使組織完全奧氏體化后緩慢冷卻，以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。它主要用于亞共析鋼（W_C=0.3％～0.6％），其目的是細化晶粒，均勻組織，消除內應力，降低硬度和改善鋼的切削加工性。低碳鋼和過共析鋼不宜采用完全退火、低碳鋼完全退火后硬度偏低，不利于切削加工。過共析鋼加熱至Ac_cm以上奧氏體狀態緩冷退火時，有網狀二次滲碳體析出，使鋼的強度、塑性和沖擊韌度顯著降低。

• 不完全退火

不完全退火是將鋼加熱至A_C1～A_C3（亞共析鋼）或A_C1～Ac_cm（過共析鋼）之間，經保溫后緩慢冷卻以獲得近于平衡組織的熱處理工藝。由于加熱至兩相區溫度，基本上不改變先共析鐵素體或滲碳體的形態及分布。如果亞共析鋼原始組織中的鐵素體已均勻細小，只是珠光體片間距小，硬度偏高，內應力較大，那么只要進行不完全退火即可達到降低硬度、消除內應力的目的。由于不完全退火的加熱溫度低，過程時間短，因此對于亞共析鋼的鍛件來說，若其鍛造工藝正常，鋼的原始組織分布合適，則可采用不完全退火代替完全退火。

不完全退火用于過共析鋼主要為了獲得球狀珠光體組織，以消除內應力，降低強度，改善切削加工性能，故又稱球化退火。實際上球化退火是不完全退火的一種。

• 球化退火（不完全奧氏體化）

球化退火是使鋼中碳化物球化，獲得粒狀珠光體的一種熱處理工藝。用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼。其目的是降低硬度，均勻組織，改善切削加工性，并為淬火作組織準備。

過共析鋼鍛件鍛后組織一般為片狀珠光體，如果鍛后冷卻不當，還存在網狀滲碳體。不僅硬度高、難于切削加工，而且增大鋼的脆性，淬火時容易產生變形或開裂。因此，鍛后進行球化退火，獲得粒狀珠光體。球化退火的關鍵在于奧氏體中要保留大量未溶碳化物質點，并造成奧氏體碳濃度分布的不均勻性。為此，球化退火加熱溫度一般在A_C1以上20～30℃不高的溫度下，保溫時間亦不能太長，一般以2～4h為宜。冷卻方式通常采用爐冷，或在Ar₁以下20℃左右進行較長時間等溫。

• 均勻化退火

均勻化退火又稱擴散退火，它是將鋼錠、鑄件或鍛坯加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學成分不均勻現象的熱處理工藝。其目的是消除鑄錠或鑄件在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，使成分和組織均勻化。為使各元素在奧氏體中充分擴散，均勻化退火加熱溫度很高，通常可按有效截面或裝爐量大小而定。一般均勻化退火時間為10～15h。

由于均勻化退火需要在高溫下長時間加熱，因此奧氏體晶粒十分粗大，需要再進行一次完全退火或正火，以細化晶粒、消除過熱缺陷。

• 去應力退火和再結晶退火

為了消除鑄件、鍛件、焊接件及機械加工工件中的殘留內應力，以提高尺寸穩定性，防止工件變形和開裂，在精加工或淬火前將工件加熱到Ac₁以下某一溫度，保溫時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝稱為去應力退火。

鋼的去應力退火加熱溫度較寬，但不超過Ac₁點，一般在500～650℃之間。鑄鐵件去應力退火溫度一般為500～550℃，超過550℃容易造成珠光體的石墨化。焊接鋼件的退火溫度一般為500～600℃。一些大的焊件構件，難以在加熱爐內進行去應力退火，常常采用火焰或工頻感應加熱局部退火，其退火加熱溫度一般高于爐內加熱。去應力退火保溫時間也要根據工件的截面尺寸和裝爐量決定。鋼的保溫時間為3min/mm，鑄鐵的保溫時間為6min/mm。去應力退火后的冷卻應盡量緩慢，以免產生新的應力。

再結晶退火是把冷變形后的金屬加熱到再結晶溫度以上保持適當的時間，使變形晶粒重新轉變為均勻等軸晶粒，同時消除加工硬化和殘留內應力的熱處理工藝。經過再結晶退火，鋼的組織和性能恢復到冷變形前的狀態。

再結晶退火既可作為鋼材或其他合金多道冷變形之間的中間退火，也可作為冷變形鋼材或其他合金成品的熱處理。再結晶退火溫度與金屬的化學成分和冷變形量有關。當鋼處于臨界冷變形度（6%～10%）時，應采用正火或完全退火來代替再結晶退火。一般鋼材再結晶退火溫度為650～700℃，保溫時間為1～3h，通常在空氣中冷卻。

2）鋼的正火

正火是將鋼加熱或到Ac₃（或A_Ccm）以上適當溫度，保溫以后在空氣中冷卻得到珠光體類組織的熱處理工藝。對于亞共析鋼來說，正火與完全退火的加熱溫度相近，但正火的冷卻速度較快，轉變溫度較低，正火組織中鐵素體數量較少，珠光體組織較細，鋼的強度、硬度較高。

正火過程的實質是完全奧氏體化加偽共析轉變。當鋼中碳含量Wc為0.6%～1.4%時，正火組織中不出現先共析相，只有偽共析體系或索氏體。碳含量Wc小于0.6%的鋼，正火后除了偽共析體外，還有少量鐵素體。

正火處理的加熱溫度通常在Ac₃或A_Ccm以上30～50℃，高于一般退火的溫度。對于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金鋼，可采用更高的加熱溫度，讓碳化物充分溶解。正火保溫時間和完全退火相同，應以工件燒透，即心部達到要求的加熱溫度為準，還應考慮鋼材成分、原始組織、裝爐量和加熱設備等因素。通常根據具體工件尺寸和經驗數據加以確定。正火冷卻方式常用的是將鋼件從加熱爐中取出在空氣中自然冷卻。對于大件也可采用吹風、噴霧和調節鋼件堆放距離等方法控制鋼件的冷卻速度，達到要求的組織和性能。

正火工藝是較簡單、經濟的熱處理方法，應用于以下幾方面：

碳含量Wc＜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，可以減少自由碳素體，獲得細片狀珠光體，使硬度提高至140～190HBW，可以改善鋼的切削加工性能。

中碳結構鋼鑄件、鍛、軋件以及焊接在熱加工后易出現魏氏組織、粗大晶粒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、消除內應力的目的。

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狀碳化物時，將達不到良好的球化效果。通過正火處理可以消除網狀碳化物。為此，正火加熱時要保證碳化物全部溶入奧氏體中，要采用較快的冷卻速度抑制二次碳化物的析出，獲得偽共析組織。

一些受力不大、性能要求不高的碳鋼和合金鋼結構件采用正火處理，可獲得綜合力學性能，可以代替調質處理，作為零件的熱處理。

各種退火（正火）的加熱溫度范圍

3）退火和正火的選擇