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第一章 钢的热解决
热解决工艺涉及：将钢材或钢制件加热到预定温度，在此温度下保温一定期间。然后一定的冷却速度冷却下来，达成热解决所预定的对钢材及钢制件的组织与性能的规定。
1□□钢的加热
□制定钢的加热制度
加热温度、加热速度、保温时间。
加热温度取决于热解决的目的。热解决分为：淬火、退火、正火、和回火等。
淬火的目的是为了得到细小的马氏体组织，使钢具有高的硬度；
退火及正火的目的是获得均匀的珠光体组织，因此其加热温度不同。在具体制定加热温度时应按以下原则：热解决工艺种类及目的规定；被加热钢材及钢制件的化学成分和原始状态；钢材及钢制件的尺寸和形状以及加热条件来制定。对于碳钢及低合金钢的加热温度：
亚共析钢淬火温度：AC3以上30～50℃；
过共析钢淬火温度：AC3以上30～50℃；
亚共析钢完全退火：AC3以上20～30℃；
过共析钢不完全退火：AC3以上20～30℃；
正火 AC3或ACM以上30～50℃；
必须根据钢的化学成分及导热性能；钢的原始状态及应力状态；钢的尺寸及形状来拟定加热速度。如钢的原始状态存在着铸造应力或轧煅热变形残余应力时，在加热是应特别注意。对这类钢要特别控制低温阶段的加热速度。钢的变形与热裂倾向是以钢的化学成分及原始状态不同而不同，重要有以下几点：
a) 低碳钢比高碳钢热烈倾向小；
b) 碳钢比合金钢变形开裂倾向小；
c) 钢坯和成品件比钢锭变形和开裂倾向小；
d) 小截面比大截面的钢变形和开裂倾向小。
a) 过热：过热就是由于加热温度过高，加热时间过长使奥氏体晶粒过度长大。粗大的奥氏体晶粒在冷却时产生粗大的组织，并往往出现魏氏组织，结果是钢的冲击韧性、塑性明显下降。已过火的钢可以在次正火或退火加以纠正。
b) 强烈过热：加热温度过高或加热保温时间过长，使氧或硫沿晶界渗入钢中或者钢中的硫与氧在高温下溶解于奥氏体中，在冷却过程中硫或氧以化合物形态沿粗大的奥氏体晶界析出。故减少钢的冲击韧性。此问题出现后只能用重新锻造或轧制来消除且锻、轧的温度不易过高。
c) 过烧：当加热温度接近固相线时（指热加工的加热温度），此时晶粒不仅剧烈长大，并且在晶界上的低熔点夹杂物地方发生局部熔化状态，当炉气中的硫、氧渗入后，更加速晶界物的软化，这种现象叫钢的过烧。失去了钢的塑性和韧性，锻轧时破碎，不能用热解决的方法纠正，只能报废。
d) 钢的氧化与脱碳：
1）氧化
2）脱碳
防止加热时钢的氧化及脱碳的措施：
（1）控制炉气成分：就是控制炉气中的CO2/CO，H2O/H2，CH4/H2 比例。
（2）向炉内通入试制的保护气：氢气、氮气、石油裂化气及煤气
2□□钢的退火与正火
退火：就是把钢加热到临界点AC3以上或AC1以上（AC1－AC3、ACM－AC3）通过保温，然后缓慢冷却（炉冷）的一种操作。加热到临界点以上是为使原始组织发生重结晶，得到所有（或大部分）奥氏体状态，继之以缓慢得到U-曲线上部的组织——珠光体。所以退火组织具有低的强度和硬度，较高的塑性和韧性。
正火：是把钢加热到AC3或ACM以上，保温后在空气中冷却。正火所得到的组织也是珠光体型组织，但其组织较退火组织为细，强度、硬度较高，塑性韧性也较好。
常用的退火与正火加热温度及工艺曲线如图1和图2所示。
扩散退火
1100
扩散退火
温度 1000
A
900 完全退火
AC3 正火
或ACM 800 P+CM1
AC1 A + F
700 球化退火
低温退火 P + CM3
600
时间
图1 正火与退火工艺 图2 退火与正火加热温度范围
退火和正火，一般是一种预先热解决。目的在于消除热加工、铸造、焊接等工序带来的某些缺陷。改善组织性能。以利于冷加工（切削、冷轧及冷拔）和进一步热解决做好组织准备。对某些碳钢或低合金钢的正火（或正火加高温回火）常是为了提高性能，作为最终热解决。
□退火的方法及应用
完全退火是将钢加热到AC1以上20～30℃，保温一定期间，缓慢冷却下来的热解决操作。
完全退火合用于亚共析钢的钢锭、锻轧坯或材以及铸焊工件。其目的是：
1）消除因铸、锻轧和焊等引起的晶粒粗大。魏氏组织和带状组织等缺陷，细化晶粒，改善钢的组织及性能。为了防止钢液凝固时形成的奥氏体粗大晶粒以及冷却时出现的魏氏组织，使钢的强度减少、韧性变差；有些钢由于终轧温度过低（在AC1～AC3之间），在轧制中共先析出铁素体，经轧制变形、钢中出现带状组织（显微带状组织），它损害了钢的横向性能。为消除这种缺陷，采用完全退火，运用加热及冷却中的两次相变（F + P粗→加热→A细→冷却→〖 F + P 〗细）细化或改正组织来改善性能。
2）减少硬度利于切削加工。对于空冷得到的马氏体类钢可以采用完全退火也可以采用高温回火（低温退火）解决。
3）消除应力防止变形及裂纹：钢锭或铸件在冷速过快会产生很大的热应力及组织应力；钢的终轧温度过低及冷速过快，钢产生加工硬化现象也存在着很大的应力。这些应力不消除在随后的加工中可引起变形或开裂。因此通过完全退火可以消除应力，但一般情况下有的采用不完全退火或低温退火来消除应力。
不完全退火是把钢加热到AC1以上30～50℃，保温后缓慢冷却（炉冷）的操作。当亚共析钢存在上述各种缺陷为改善组织时可采用完全退火，而仅为消除应力和减少硬度可以采用不完全退火。冶金厂对于10～60＃钢、15Cr～40Cr、20CrMn～35CrMn、40B～50B、20CrMnSi～35CrMnSi、30CrMnTi～40CrMnTi等钢材均采用不完全退火。
——球化退火
过共析钢和共析钢在轧锻后必须进行退火，以利于切削加工和为最终热解决做好组织准备。过共析钢因含碳量较高，锻轧后空冷所得组织为片状珠光体，硬度高（HB270以上），经退火硬度可将为HB170～250,使片状珠光体转变为球状珠光体。但过共析钢不能采用完全退火，只能采用不完全退火，并且温度不宜过高（稍过AC1以上）。重要是由于：
（1）退火温度高于ACM时钢如为所有奥氏体，在冷却时先析出的渗碳体将沿奥氏体晶界析出，呈网状分布的渗碳体。如图3所示。
这种网状渗碳体使钢变脆，严重减少钢的性能，因此应注意退火加热温度。
A Cm P
图3 过共析钢二次渗碳体呈网状组织 图4 过共析钢的碳化物呈球状组织
（2）为得到球状珠光体（即渗碳体呈颗粒状）如图4所示。要得到粒状珠光体必须采用加热温度稍高于AC1，否则不能球化或不完全球化。
获得粒状珠光体的退火称为“球化退火”。是共析钢及过共析钢广泛采用的预先热解决工艺。冶金厂生产的碳工钢，合金工具钢和轴承钢一般出厂前均进行球化退火，以球化退火状态交货。球化退火钢具有以下优点：
有较低的硬度。切削性能好；
② 为最终热解决做好组织准备，球状珠光体组织在以后淬火时变形及开裂倾向小，有助于提高淬火质量。
③ 能改善淬火后的综合机械性能，重要是冲击韧性和耐磨性。
球化退火温度一般采用AC1以上10～30℃。因在此温度下过共析钢组织是不均匀奥氏体和未溶的渗碳体，未溶的渗碳体以细小的颗粒分布于奥氏体中。在随后的冷却过程中，奥氏体析出渗碳体时，就以这些未溶渗碳体为核心长大成为球状渗碳体。假如温度高，未溶渗碳体质点减少，甚至完全溶于奥氏体中，则球化将不完全，并且也许出现网状渗碳体。球化退火工艺常用的有以下两类：
① 一段保温工艺如图-5所示。即加热到稍高于AC1或AC1～ACM之间保温后以非常缓慢的速度冷去下来，获得细颗粒状珠光体。
770 ± 10℃ 9Mn2V,Cr13等
760 ± 10℃ T10,T12等
740 ± 10℃ T7,T8等
② 二段保温工艺如图-6所示。
此工艺重要用于轴承钢如GCr6,GCr9,GCr12,GCr15SiMn,GSiMnV,GsiMnVRe,GsiMnMoV,
GsiMnMoVRe,GsiMoV,GsiMoRe等规定球化质量高的和难于球化的钢。。除了在AC1以上保温外，在缓冷到AC1以下（700℃）进行第二阶段保温，这样可以充足球化。
温
度 AC1
≯43℃/小时
均 650度
热 2～4 出炉
4
时间
图-5 球化退火工艺曲线
780±10℃ ≮30℃/小时
温
度 700±10℃
均 ≯25℃
热 1～2
2～4
5 650℃出炉
时间
图6 轴承钢球化退火曲线
（均匀化退火）
扩散退火是把刚加热到AC3以上200～250度（一般加热温度为1100～1200度）经长时间保温，然后缓慢冷却下来的热解决操作。它重要目的是为了消除铸锭及铸件的枝晶偏析，通过原子在高温状态下的扩散移动使化学成分趋于均匀化。避免钢材中的成分偏析及组织分层以及由此带来的不良性能，提高钢的机械性能及热加工性能。
扩散退火有以下缺陷：
（1）加热温度高保温时间长（达10～20小时）。因而成本高。钢的烧损大。因此，除某些特别重要的合金钢锭外，一般钢种不采用扩散退火，有些钢种为达成扩散退火化学成分均匀的目的，在热加工前的加热时适当提高加热温度和延长保温时间就可以了。
（2）对于成型的铸件，在经扩散退火后奥氏体晶粒粗大，减少性能。因此扩散退火后要加一次完全退火或正火来细化组织，改善性能。
对亚共析钢，等温退火是将钢加热到AC3以上20～30度，然后快速冷却到AC1以下某一温度（此温度按硬度规定而定）进行保温，保温后出炉空冷，等温保温目的是使奥氏体等温分解所规定的组织，获得预期的性能。
完 AC3
全 AC1
退
火 等
温 温
度 退
火
时 间
图-7 完全退火与等温退火曲线
等温退火的优点是：
（1）通过控制等温分解的温度来控制退火后的组织及性能。
（2）可以比完全退火节省时间。
等温退火是完全退火的另一种形式。其工艺曲线如图7所示。前面讲得第二类球化退火即是钢的等温退火的实例。此外，对某些易产生白点的钢种（CrNi、CrMn钢），采用等温退火（等温冷却）来防止白点产生。钢中白点是指钢中存在的微细裂纹，在钢材纵断面上此微细裂纹呈白色球状，故称白点。钢中的白点形成是因钢中所含氢气未能充足溢出而导致的。生产实践中已知，易产生白点的钢种经热压力加工锻或轧后，必须采用等温缓冷或等温退火，使钢中的氢充足溢出，防止和减少白点的出现。生产经验证明：这类钢在C—曲线上的鼻子处，如在250～300度及600～640度的温度范围进行等温，氢的扩散容易，有助于氢的溢出。其最简朴的等温曲线如图-8所示：
AC3
AC1
620～660℃
空
冷
（a） （b）
AC3
AC1
660～670℃
250～300℃
（c） （d）
图-8 等温退火工艺曲线
应当说明，钢种不同及等温退火工艺不同，在生产中应具体分析生产实际情况拟定。
低温退火是把钢加热到AC1以下某一温度，保温一定期间后炉冷或空冷的热解决。因加热温度低于AC1，不发生相变重结晶，因此这类退火只能达成以下目的。
（1）消除钢中的残余应力；
（2）对某些高合金空淬马氏体类钢起到回火作用，减少硬度，消除应力；
（3）对某些经冷变形并具有加工硬化的钢，可以消除加工硬化，通过再结晶改善组织性能。低温退火广泛应用于冶金厂的钢材热解决。现分别简介如下：
（1）高温回火：某些中合金及高合金钢，如18CrNiWA、25CrNiWA、30CrNiMi等等。这类钢过冷奥氏体非常稳定，在缓冷或空冷条件下即发生马氏体转变或为贝茵体及少量珠光体组织。这类组织用一般退火达不到软化目的，但是，采用高温回火使马氏体发生分为铁素体与粒状碳化物的回火索氏体组织，可以减少硬度达成软化目的。
高温回火工艺如图-9所示。
某钢厂按此高温回火工艺解决如下钢材：
12CrNi2A、20CrNiA、12Cr2Ni14A、18CrNiWA、30CrNiWA、PcrNiMo、37SiMnMoV、37SiMnMoWV
等等钢材。
AC1
20℃
10℃
610±
空 700±10℃
冷 空
温 均 冷
度 热 2 ～ 4 1～3
时间 时间
图9 高温回火工艺曲线 图10 低温退火工艺曲线
（2）消除应力退火：亚共析的低合金及中合金钢，在锻轧过程中由于变形不均产生形变应力，这种应力不消除，将给以后的冷加工及热解决导致危害。故必须消除。采用低温退火可以达成消除应力的目的。一般其加热温度为600～700℃，温度高保温时间可适当缩短，加热温度低可用较长的时间保温。具体决定可根据生产实际拟定。
低温退火工艺如图-10所示。某钢厂采用此工艺的钢种有：55～70、15CrA～55CrA、12CrMo～42CrMo、15CrMoA～35CrMoA、16Ni2VA～50CrVA、18CrMnTi～40CrMnTi、12CrMoV～
35CrMoV、PCr～PcrMo等等。
（3）冷加工硬化钢的再结晶退火：冷加工（冷轧、拔或拉）钢材，由于冷塑性变形产生加工硬化，使钢的硬度强度增高、给进一步冷变形加工导致困难。因此在两次冷加工之间或冷加工后进行在结晶退火，重要目的是消除加工硬化现象，恢复钢的塑性和韧性。在结晶退火温度一般在600～700℃，在此温度下使变形的晶粒发生再结晶成为细小等轴晶组织。这种组织有较好的塑性，加热温度高，晶粒粗大对性能不利，在生产实际中根据钢的成分及冷变形条件来具体拟定。某厂深冲板08AI冷轧后再结晶退火工艺如图-11所示。
此外，热轧薄板，因终轧温度低于再结晶温度，～%C的低碳钢，在热轧时开轧温度为800～900℃而终轧温度在600～500℃，整个轧制过程中再结晶速度低于冷加工硬化速度，轧制后钢处在加工硬化状态，因此采用再结晶退火，改善组织调整性能。一般工厂采用600～700℃退火。其退火工艺如图-12所示。
AC1
680～700 640℃ B2、B3普通板
600～640℃ 8～18/小时 630℃ B2、B3镀锌板
去外罩
温
度 3