軟化退火

軟化退火是將冷變形的金屬和合金加熱到低於再結晶溫度並保溫，使之發生回復，金屬或合金的顯微組織幾乎沒有變化，僅原子或晶體內發生的位錯在微小的距離內發生遷移，而其性能有不同程度的改變。

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控制碳化物顆粒的彌散度和顆粒尺寸.對於成分一定的鋼,退火碳化物的體積分數是固定的,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。

基本介紹

• 中文名：軟化退火
• 外文名：Softening annealing
• 退火溫度：500～650℃
• 防止：引起開裂、軋件變形
• 作用：消除鋼錠和鍛連鑄|軋鋼材
• 控制因素：彌散度和顆粒尺寸

簡介

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,退火或正火後得到鐵素體加珠光體組織就能滿足切削加工要求,即使滲碳體呈片狀分布也能冷加工.但對於高碳鋼、過共析鋼、合金工具鋼、軸承鋼、模具鋼、高速鋼等鍛造或軋制後應進行球化退火,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.這是由於相同含碳量的鋼,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|軋鋼材的內應力並降低硬度，防止引起開裂、軋件變形和便於表面清理。低碳或中碳鋼鋼材通常採用的軟化退火溫度為500～650℃。

簡要過程

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控制碳化物顆粒的彌散度和顆粒尺寸.對於成分一定的鋼,退火碳化物的體積分數是固定的,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。

鐵素體基體相的軟化

鋼經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.其硬度主要取決於鐵素體基體相和碳化物相各自的硬度以及相互作用的結果.退火狀態的T-Fe的硬度約80HB,而退火後各類鋼的硬度一般在130～260HB的範圍,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果.鋼中顯微的和超顯微的組織結構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,第二相質點.

實現鐵素體基體相的軟化,需減少合金元素和雜質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,在化學成分允許的範圍內,碳及合金元素量應儘量按下限控制,這樣既節省了合金料的消耗,又減少了合金元素的固溶硬化作用,有利於實現退火軟化.例如,少加質量分數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造了有利條件。

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、數量、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量,並使碳化物球狀化、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,屬於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力,在第二相粒子周圍形成位錯圈,切應力(f)與第二相粒子間距(L)成反比。第二相顆粒的尺寸越大,所占體積分數越小,則硬度越低.當顆粒體積分數相同時,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,隨後以同樣的緩冷速度冷卻到室溫,測得的碳化物顆粒直徑、彌散度與硬度的關係見表。

當溫度稍高於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鋼於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,這時彌散度復又變大,顆粒平均直徑復變小,硬度隨之回升。

影響碳化物顆粒平均直徑的因素

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式,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?實驗表明:奧氏體化溫度、退火冷卻速度、等溫退火時間等均影響碳化物顆粒尺寸.碳化物顆粒的粗化過程是碳及合金元素原子長程擴散,通過膠態平衡,小顆粒溶解,大顆粒長大的過程,這一點理論和實踐均已證明.隨時間延長,顆粒不斷長大.因此,在A1點稍上的加熱和在A1點稍下的等溫,時間越長,碳化物顆粒尺寸越大。

冶金廠的鍛軋材退火一般採用普通退火工藝,保溫後的冷卻速度對硬度有顯著影響.將H13鋼860℃奧氏體化2h後,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係。

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→珠光體轉變的過冷度小,即Ar1趨近於A1,這時形核率低,且擴散速度快,有利於沉澱形成較大的碳化物顆粒,同時促進小顆粒剩餘碳化物的溶解,大顆粒未溶碳化物易長大.退火硬度當然較低。