軟化退火粗化碳化物顆粒降低退火硬度

粒狀珠光體除鐵素體的硬度外,碳化物形態(tài)、數(shù)量、大小、分布對退火硬度起著重要作用.如隨著含碳量的提高,熱軋鋼材的抗拉強度從10#鋼的300MN/m2急劇提高到共析鋼的800MN/m2,表現(xiàn)出碳化物對鐵素體基體的強化作用.因此,減少鋼中碳化物的數(shù)量,并使碳化物球狀化、粗大化是降低硬度的有效途徑.鋼中的碳化物,尤其是特殊碳化物,具有極高的硬度,屬于不變形的第二相粒子.鋼在外力作用下變形時,需消耗足夠大的切應(yīng)力,在第二相粒子周圍形成位錯圈,切應(yīng)力(f)與第二相粒子間距(L)成反比。第二相顆粒的尺寸越大,所占體積分數(shù)越小,則硬度越低.當(dāng)顆粒體積分數(shù)相同時,顆粒半徑越大,則硬度越低.可見使碳化物顆粒粗化,可降低硬度,軟化鋼材。

將H13鋼加熱到不同溫度奧氏體化,隨后以同樣的緩冷速度冷卻到室溫,測得的碳化物顆粒直徑、彌散度與硬度的關(guān)系見表1。

當(dāng)溫度稍高于Ac1時,奧氏體將形成,碳化物也開始溶入奧氏體中,隨加熱溫度升高,未溶碳化物顆粒越來越少,在退火緩冷時,球化核心越來越少,因而碳化物彌散度變小,且顆粒變大.但奧氏體溫度偏高時(H13鋼于870℃以上),碳化物顆粒已大量溶解,未溶碳化物顆粒過少,奧氏體成分也趨向均勻,這時,退火冷卻過程中將形成片狀、點狀混合組織.當(dāng)碳原子難以長程擴散時,則重新生核長大,析出細小的點狀碳化物,這時彌散度復(fù)又變大,顆粒平均直徑復(fù)變小,硬度隨之回升。

鋼經(jīng)球化所得的粒狀珠光體,是分布在鐵素體基體上的顆粒狀的碳化物的機械混合物.其硬度主要取決于鐵素體基體相和碳化物相各自的硬度以及相互作用的結(jié)果.退火狀態(tài)的T-Fe的硬度約80HB,而退火后各類鋼的硬度一般在130～260HB的范圍,比T-Fe硬度增值50～180HB.這一增量是固溶強化、彌散強化、細晶強化等強化因素造成的.按強化和硬化的反方向進行操作,就能夠使鋼軟化.

測量鋼的布氏硬度是在常溫下進行的.這時鋼的塑性變形方式主要是滑移.晶體的滑移是位錯運動的結(jié)果.鋼中顯微的和超顯微的組織結(jié)構(gòu)對位錯運動形成有效的障礙,需消耗很大的外力,使鋼硬化,相反,若減少或拆除部分障礙,則可使鋼變軟.

鋼中阻礙位錯運動的障礙物按其幾何尺寸可以分為:

(1)0維障礙物,置換的或間隙的溶質(zhì)原子;

(2)1維障礙物,位錯;

(3)2維障礙物,晶界、相界、孿晶界;

(4)3維障礙物,第二相質(zhì)點.

實現(xiàn)鐵素體基體相的軟化,需減少合金元素和雜質(zhì)元素的原子的固溶強化作用;需減少位錯密度;需粗化晶粒,減少相界面積等.在煉鋼時,在化學(xué)成分允許的范圍內(nèi),碳及合金元素量應(yīng)盡量按下限控制,這樣既節(jié)省了合金料的消耗,又減少了合金元素的固溶硬化作用,有利于實現(xiàn)退火軟化.例如,少加質(zhì)量分數(shù)0.3%Si,可使鐵素體硬度降低約12HB,從而為球化退火降低硬度創(chuàng)造了有利條件。

鋼的退火軟化需從鐵素體基體的軟化和碳化物的球化、粗化兩方面進行.工具鋼的球化退火軟化主要應(yīng)控制碳化物顆粒的彌散度和顆粒尺寸.對于成分一定的鋼,退火碳化物的體積分數(shù)是固定的,因此,主要是增大碳化物顆粒的平均直徑,從而有效地降低硬度。

隨著鋼中含碳量的增加,滲碳體或特殊碳化物量也增加,從而硬度升高,當(dāng)含碳量固定時,碳化物的形狀、分布、大小對硬度有顯著影響.退火軟化是為了改善鋼的切削性能或冷成型性能.對亞共析碳鋼,退火或正火后得到鐵素體加珠光體組織就能滿足切削加工要求,即使?jié)B碳體呈片狀分布也能冷加工.但對于高碳鋼、過共析鋼、合金工具鋼、軸承鋼、模具鋼、高速鋼等鍛造或軋制后應(yīng)進行球化退火,即碳化物呈顆粒狀分布.碳化物呈顆粒狀分布較其呈片狀分布具有更低的硬度.這是由于相同含碳量的鋼,粒狀珠光體具有較少的相界面,其硬度低,塑性高.對化學(xué)成分相同的鋼進行球化退火時最大限度地降低其硬度的軟化機理.軟化機理的研究,具有重要的理論意義和實用價值。

軟化退火常用來消除鋼錠和鍛連鑄|軋鋼材的內(nèi)應(yīng)力并降低硬度，防止引起開裂、軋件變形和便于表面清理。低碳或中碳鋼鋼材通常采用的軟化退火溫度為500～650℃。

實踐及理論均表明,退火球化體的硬度是顆粒平均直徑的函數(shù),使顆粒粗大化,則可降低退火鋼的硬度.如何增大碳化物顆粒直徑呢"para" label-module="para">

冶金廠的鍛軋材退火一般采用普通退火工藝,保溫后的冷卻速度對硬度有顯著影響.將H13鋼860℃奧氏體化2h后,分別以15℃/h、30℃/h、40℃/h、50℃/h的冷卻速度冷卻下來,測得碳化物彌散度、硬度與冷卻速度的關(guān)系。

彌散度的降低和碳化物顆粒長大是個一致的過程.碳化物顆粒平均直徑隨冷卻速度的變慢而增大,如圖所示.可見,退火冷卻速度越慢,碳化物顆粒尺寸越大,硬度越低.冷卻速度小時,奧氏體→珠光體轉(zhuǎn)變的過冷度小,即Ar1趨近于A1,這時形核率低,且擴散速度快,有利于沉淀形成較大的碳化物顆粒,同時促進小顆粒剩余碳化物的溶解,大顆粒未溶碳化物易長大.退火硬度當(dāng)然較低。

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1、H1×——冷作硬化狀態(tài)（中間退火）。

冷軋中間道次進行退火，冷卻后不再進行補充熱處理?！癏1”后的數(shù)字表示冷作硬化的程度。

2、H2×——冷作硬化后部分退火狀態(tài)（成品退火）。

不完全退火

應(yīng)變硬化 不完全退火

適用于大加工率后，以最終的部分退火獲得所需要的強度指標的制品。對于在室溫下自然軟化的金，H2、H3對應(yīng)狀態(tài)具有相同的低應(yīng)力值；對其他合金H2、H1對應(yīng)各狀態(tài)具有相同的最低應(yīng)力值，但H2各狀態(tài)的延伸率稍高?！癏1”后的數(shù)字表示經(jīng)部分退火后，冷作硬化保留的程度。

3、H3×——冷作硬化后穩(wěn)定化處理狀態(tài)。

穩(wěn)定化退火

應(yīng)變應(yīng)化 低溫回復(fù)

穩(wěn)定化退火——為使工件中微細的顯微組成物沉淀或球化的退火。

適用于大冷作量后，以低溫?zé)崽幚矸€(wěn)定力學(xué)性能的產(chǎn)品。穩(wěn)定化處理后，應(yīng)力值稍有降低，塑性有所改善。該狀態(tài)僅適用于不進行穩(wěn)定化處理，在室溫下就會自發(fā)軟化的合金?！癏3”后的數(shù)字表示穩(wěn)定化處理前冷作硬化保留的程度。

退火球化退火的具體工藝

①普通（緩冷）球化退火，緩冷適用于多數(shù)鋼種，尤其是裝爐量大時，操作比較方便，但生產(chǎn)周期長；②等溫球化退火，適用于多數(shù)鋼種，特別是難于球化的鋼以及球化質(zhì)量要求高的鋼（如滾動軸承鋼）；其生產(chǎn)周期比普通球化退火短，不過需要有能夠控制共析轉(zhuǎn)變前冷卻速率的爐子；③周期球化退火，適用于原始組織為片層狀珠光體組織的鋼，其生產(chǎn)周期也比普通球化退火短，不過在設(shè)備裝爐量大的條件下，很難按控制要求改變溫度，故在生產(chǎn)中未廣泛采用；④低溫球化退火，適用于經(jīng)過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼（后者通常稱為高溫軟化回火）；⑤形變球化退火，形變加工對球化有加速作用，將形變加工與球化結(jié)合起來，可縮短球化時間。它適用于冷、熱形變成形的鋼件和鋼材（如帶材）。

退火再結(jié)晶退火工藝

應(yīng)用于經(jīng)過冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法。目的為使金屬內(nèi)部組織變?yōu)榧毿〉牡容S晶粒，消除形變硬化，恢復(fù)金屬或合金的塑性和形變能力（回復(fù)和再結(jié)晶）。若欲保持金屬或合金表面光亮，則可在可控氣氛的爐中或真空爐中進行再結(jié)晶退火。

去除應(yīng)力退火 鑄、鍛、焊件在冷卻時由于各部位冷卻速度不同而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過程中也產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。若內(nèi)應(yīng)力較大而未及時予以去除，常導(dǎo)致工件變形甚至形成裂紋。去除應(yīng)力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度（例如，灰口鑄鐵是500～550℃，鋼是500～650℃），保溫一段時間，使金屬內(nèi)部發(fā)生弛豫，然后緩冷下來。應(yīng)該指出，去除應(yīng)力退火并不能將內(nèi)應(yīng)力完全去除，而只是部分去除，從而消除它的有害作用。

還有一些專用退火方法，如不銹耐酸鋼穩(wěn)定化退火；軟磁合金磁場退火；硅鋼片氫氣退火；可鍛鑄鐵可鍛化退火等。