钢的完全退火工艺及其作用

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：所谓“完全”，是指退火时钢的内部组织达到完全奥氏体化。图2-2钢的完全退火工艺曲线完全退火的目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、提高塑性，以便于随后的变形加工或切削加工，并为成品工件的淬火准备适宜的显微组织。因此，完全退火是结构件最常见的预备热处理工艺之一。对此，需进行完全退火来加以改善，同时也为工件的调质处理做好组织准备。

将亚共析钢工件加热到Ac3点以上的温度，并保温一定时间，使钢完全转变成奥氏体并使奥氏体成分均匀化，然后缓慢冷却(控速冷却、炉冷、埋沙冷等)至小于500℃出炉空冷，获得接近平衡组织(铁素体及珠光体)的热处理工艺称为完全退火。所谓“完全”，是指退火时钢的内部组织达到完全奥氏体化。其工艺曲线如图2-2所示。

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图2-2　钢的完全退火工艺曲线

完全退火的目的是细化晶粒、均匀组织、消除内应力、降低硬度、提高塑性，以便于随后的变形加工或切削加工，并为成品工件的淬火准备适宜的显微组织。这一工艺可应用于钢锭、锻轧、铸造及冷拉伸钢材的热处理。因此，完全退火是结构件最常见的预备热处理工艺之一。

完全退火一般适用于含碳0.30%～0.60%的中碳钢，不宜用于过共析钢。过共析钢缓冷后会析出网状二次渗碳体，使钢的强度、塑性和韧性大大降低。完全退火也适用于中碳合金钢的焊接件、轧制件等，有时还可用于高速钢、高合金钢淬火返修的处理。

1.亚共析钢钢锭的完全退火

wC<0.3%或尺寸较小的钢锭通常不需要进行退火。wC>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、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，钢锭会因内应力过大而自行开裂，甚至炸裂(高铬钢、高速钢等钢锭浇铸后应在48h内进行退火，以保证安全)。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，这对于Cr、Al、Ti等元素含量高的钢锭尤为重要。

对常用的结构钢、弹簧钢和热作模具钢钢锭，完全退火温度一般在Ac3点以上30～50℃，如40Cr钢锭完全退火可取840～870℃，加热速度常取100～200℃/h。退火保温时间不仅取决于工件透烧(即芯部也达到所要求的温度)所需要的时间，而且取决于完成组织转变所需要的时间。因为退火高出Ac3不多，所以相变进行得很慢，特别是粗大的铁素体或碳化物的溶解和奥氏体成分的均匀化均需要较长时间。保温时间按下式计算

式中 Q——装炉量，t；

τ——保温时间，h。

冷却速度常取50℃/h，出炉温度一般在600℃以下。

2.亚共析钢锻轧钢材的完全退火

中碳钢及中碳合金结构钢热锻轧后，易得到较粗的珠光体及不同程度的网状铁素体，晶粒大小不均，硬度也常偏高，不易切削和冷变形加工。对此，需进行完全退火来加以改善，同时也为工件的调质处理做好组织准备。

亚共析钢锻轧钢材完全退火温度常取Ac3＋(20～30)℃。当钢中含有强碳化物形成元素(Mo、W、V、Ti等)时，可适当提高退火温度，以使碳化物较快溶入奥氏体中；而当含有易使晶粒粗化的元素，如Mn时，应适当降低退火温度。

与钢锭相比，锻轧钢材截面积较小，组织较均匀，内应力也较小。因此，对小批量工件，其退火加热速度一般可不加限制。但如果装炉量大，由于加热炉体积及供热能力与装炉量的制约关系，通常加热速度应控制在以下范围：

装炉量为5～10t时，加热速度为150～200℃/h；

装炉量为15～30t时，加热速度为100～120℃/h；

装炉量为≥50t时，加热速度为50～75℃/h。

钢材退火加热时的保温时间一般按下式计算：

式中 Q——装料量，t；

τ——保温时间，h。

保温后的冷却速度是控制退火质量的重要因素。同一钢种，冷速较小时将得到块状铁素体，珠光体片层较粗，且所占比例较小；冷速较大时，将得到网状铁素体，珠光体片层较细，所占比例较大。为了保证完全退火的质量，碳钢的冷却速度最好控制在200℃/h上下，低合金钢应不大于100℃/h，而高合金钢应不大于50℃/h。但在实际生产中，按上述冷速均匀降温不易达到。对装炉量大于5t的加热炉，即使钢材随炉断电冷却，也难以得到大于50℃/h的冷速，因而常采用开启炉门冷却，甚至空冷(正火)的方法获得低碳及低碳合金钢所需的加工性能。退火时冷却到600℃以下时，相变已完成，可出炉空冷。

3.冷拉钢材料坯的完全退火

一般热轧钢材由于终轧温度较高，轧后冷却速度不一，导致组织性能不均，内应力较大，硬度偏高，冷拉时表面易产生拉伤，模具磨损也较大。此外，由于坯料端部需加热锻尖，导致局部组织发生变化，硬度及内应力也偏高，冷拉时易折断。为了解决这些问题，冷拉伸变形前大部分热轧坯料需进行退火(或正火)，使其硬度保持在207～255HBW内。

中碳钢、合金结构钢、弹簧钢及易切削钢(如40、40Cr、35SiMn、30CrMnSi、60Si2Mn、50CrVA、Y20等)冷拉坯料常需进行完全退火，退火加热温度为Ac3＋(20～30)℃，加热速度为100～120℃/h，保温时间为每吨装炉量不超过1h，随炉冷却至600℃出炉空冷。高合金钢及尺寸较大的锻坯可取20～50℃/h的冷却速度。马氏体不锈钢(1Cr13Ni2，20Cr13等)常取15～20℃/h的冷却速度。

钢的完全退火工艺及其作用

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