软化退火

软化退火是将冷变形的金属和合金加热到低于再结晶温度并保温，使之发生回复，金属或合金的显微组织几乎没有变化，仅原子或晶体内发生的位错在微小的距离内发生迁移，而其性能有不同程度的改变。

简介

随着钢中含碳量的增加,渗碳体或特殊碳化物量也增加,从而硬度升高,当含碳量固定时,碳化物的形状、分布、大小对硬度有显著影响.退火软化是为了改善钢的切削性能或冷成型性能.对亚共析碳钢,退火或正火后得到铁素体加珠光体组织就能满足切削加工要求,即使渗碳体呈片状分布也能冷加工.但对于高碳钢、过共析钢、合金工具钢、轴承钢、模具钢、高速钢等锻造或轧制后应进行球化退火,即碳化物呈颗粒状分布.碳化物呈颗粒状分布较其呈片状分布具有更低的硬度.这是由于相同含碳量的钢,粒状珠光体具有较少的相界面,其硬度低,塑性高.对化学成分相同的钢进行球化退火时最大限度地降低其硬度的软化机理.软化机理的研究,具有重要的理论意义和实用价值。

软化退火常用来消除钢锭和锻连铸|轧钢材的内应力并降低硬度，防止引起开裂、轧件变形和便于表面清理。低碳或中碳钢钢材通常采用的软化退火温度为500～650℃。

简要过程

钢的退火软化需从铁素体基体的软化和碳化物的球化、粗化两方面进行.工具钢的球化退火软化主要应控制碳化物颗粒的弥散度和颗粒尺寸.对于成分一定的钢,退火碳化物的体积分数是固定的,因此,主要是增大碳化物颗粒的平均直径,从而有效地降低硬度。

铁素体基体相的软化

钢经球化所得的粒状珠光体,是分布在铁素体基体上的颗粒状的碳化物的机械混合物.其硬度主要取决于铁素体基体相和碳化物相各自的硬度以及相互作用的结果.退火状态的T-Fe的硬度约80HB,而退火后各类钢的硬度一般在130～260HB的范围,比T-Fe硬度增值50～180HB.这一增量是固溶强化、弥散强化、细晶强化等强化因素造成的.按强化和硬化的反方向进行操作,就能够使钢软化.

测量钢的布氏硬度是在常温下进行的.这时钢的塑性变形方式主要是滑移.晶体的滑移是位错运动的结果.钢中显微的和超显微的组织结构对位错运动形成有效的障碍,需消耗很大的外力,使钢硬化,相反,若减少或拆除部分障碍,则可使钢变软.

钢中阻碍位错运动的障碍物按其几何尺寸可以分为:

(1)0维障碍物,置换的或间隙的溶质原子;

(2)1维障碍物,位错;

(3)2维障碍物,晶界、相界、孪晶界;

(4)3维障碍物,第二相质点.

实现铁素体基体相的软化,需减少合金元素和杂质元素的原子的固溶强化作用;需减少位错密度;需粗化晶粒,减少相界面积等.在炼钢时,在化学成分允许的范围内,碳及合金元素量应尽量按下限控制,这样既节省了合金料的消耗,又减少了合金元素的固溶硬化作用,有利于实现退火软化.例如,少加质量分数0.3%Si,可使铁素体硬度降低约12HB,从而为球化退火降低硬度创造了有利条件。

粗化碳化物颗粒降低退火硬度

粒状珠光体除铁素体的硬度外,碳化物形态、数量、大小、分布对退火硬度起着重要作用.如随着含碳量的提高,热轧钢材的抗拉强度从10#钢的300MN/m2急剧提高到共析钢的800MN/m2,表现出碳化物对铁素体基体的强化作用.因此,减少钢中碳化物的数量,并使碳化物球状化、粗大化是降低硬度的有效途径.钢中的碳化物,尤其是特殊碳化物,具有极高的硬度,属于不变形的第二相粒子.钢在外力作用下变形时,需消耗足够大的切应力,在第二相粒子周围形成位错圈,切应力(f)与第二相粒子间距(L)成反比。第二相颗粒的尺寸越大,所占体积分数越小,则硬度越低.当颗粒体积分数相同时,颗粒半径越大,则硬度越低.可见使碳化物颗粒粗化,可降低硬度,软化钢材。

将H13钢加热到不同温度奥氏体化,随后以同样的缓冷速度冷却到室温,测得的碳化物颗粒直径、弥散度与硬度的关系见表1。

当温度稍高于Ac1时,奥氏体将形成,碳化物也开始溶入奥氏体中,随加热温度升高,未溶碳化物颗粒越来越少,在退火缓冷时,球化核心越来越少,因而碳化物弥散度变小,且颗粒变大.但奥氏体温度偏高时(H13钢于870℃以上),碳化物颗粒已大量溶解,未溶碳化物颗粒过少,奥氏体成分也趋向均匀,这时,退火冷却过程中将形成片状、点状混合组织.当碳原子难以长程扩散时,则重新生核长大,析出细小的点状碳化物,这时弥散度复又变大,颗粒平均直径复变小,硬度随之回升。

影响碳化物颗粒平均直径的因素

实践及理论均表明,退火球化体的硬度是颗粒平均直径的函数,使颗粒粗大化,则可降低退火钢的硬度.如何增大碳化物颗粒直径呢?实验表明:奥氏体化温度、退火冷却速度、等温退火时间等均影响碳化物颗粒尺寸.碳化物颗粒的粗化过程是碳及合金元素原子长程扩散,通过胶态平衡,小颗粒溶解,大颗粒长大的过程,这一点理论和实践均已证明.随时间延长,颗粒不断长大.因此,在A1点稍上的加热和在A1点稍下的等温,时间越长,碳化物颗粒尺寸越大。

冶金厂的锻轧材退火一般采用普通退火工艺,保温后的冷却速度对硬度有显著影响.将H13钢860℃奥氏体化2h后,分别以15℃/h、30℃/h、40℃/h、50℃/h的冷却速度冷却下来,测得碳化物弥散度、硬度与冷却速度的关系。

弥散度的降低和碳化物颗粒长大是个一致的过程.碳化物颗粒平均直径随冷却速度的变慢而增大,如图所示.可见,退火冷却速度越慢,碳化物颗粒尺寸越大,硬度越低.冷却速度小时,奥氏体→珠光体转变的过冷度小,即Ar1趋近于A1,这时形核率低,且扩散速度快,有利于沉淀形成较大的碳化物颗粒,同时促进小颗粒剩余碳化物的溶解,大颗粒未溶碳化物易长大.退火硬度当然较低。

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