三、退火(annealing)

將金屬緩慢加熱到一定溫度﹐保持足夠時間﹐然後以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻﹐有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的是使經過鑄造﹑鍛軋﹑焊接或切削加工的材料或工件軟化﹐改善塑性和韌性﹐使化學成分均勻化﹐去除殘餘應力﹐或得到預期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種﹐如重結晶退火﹑等溫退火﹑均勻化退火﹑球化退火﹑去除應力退火﹑再結晶退火﹐以及穩定化退火﹑磁場退火等等。

退火的一個最主要工藝參數是最高加熱溫度(退火溫度)﹐大多數合金的退火加熱溫度的選擇是以該合金系的相圖為基礎的﹐如碳素鋼以鐵碳平衡圖為基礎。各種鋼(包括碳素鋼及合金鋼)的退火溫度﹐視具體退火目的的不同而在各該鋼種的以上﹑以上或以下的某一溫度。各種非鐵合金的退火溫度則在各該合金的固相線溫度以下﹑固溶度線溫度以上或以下的某一溫度。

重結晶退火 應用於平衡加熱和冷卻時有固態相變(重結晶)發生的合金。其退火溫度為各該合金的相變溫度區間以上或以內的某一溫度。加熱和冷卻都是緩慢的。合金於加熱和冷卻過程中各發生一次相變重結晶﹐故稱為重結晶退火﹐常被簡稱為退火。

這種退火方法﹐相當普遍地應用於鋼。鋼的重結晶退火工藝是﹕緩慢加熱到(亞共析鋼)或(共析鋼或過共析鋼)以上30～50﹐保持適當時間﹐然後緩慢冷卻下來。通過加熱過程中發生的珠光體(或者還有先共析的鐵素體或滲碳體)轉變為奧氏體(第一回相變重結晶)以及冷卻過程中發生的與此相反的第二回相變重結晶﹐形成晶粒較細﹑片層較厚﹑組織均勻的珠光體(或者還有先共析鐵素體或滲碳體)﹐退火溫度在以上(亞共析鋼)使鋼發生完全的重結晶者﹐稱為完全退火﹐退火溫度在與之間 (亞共析鋼)或與之間(過共析鋼)﹐使鋼發生部分的重結晶者﹐稱為不完全退火。前者主要用於亞共析鋼的鑄件﹑鍛軋件﹑焊件﹐以消除組織缺陷(如魏氏組織﹑帶狀組織等)﹐使組織變細和變均勻﹐以提高鋼件的塑性和韌性。後者主要用於中碳和高碳鋼及低合金結構鋼的鍛軋件。此種鍛﹑軋件若鍛﹑軋後的冷卻速度較大時﹐形成的珠光體較細﹑硬度較高﹔若停鍛﹑停軋溫度過低﹐鋼件中還有大的內應力。此時可用不完全退火代替完全退火﹐使珠光體發生重結晶﹐晶粒變細﹐同時也降低硬度﹐消除內應力﹐改善被切削性。此外﹐退火溫度在與之間的過共析鋼球化退火﹐也是不完全退火。

重結晶退火也用於非鐵合金﹐例如鈦合金於加熱和冷卻時發生同素異構轉變﹐低溫為 相(密排六方結構)﹐高溫為 相(體心立方結構)﹐其中間是“＋”兩相區﹐即相變溫度區間。為了得到接近平衡的室溫穩定組織和細化晶粒﹐也進行重結晶退火﹐即緩慢加熱到高於相變溫度區間不多的溫度﹐保溫適當時間﹐使合金轉變為相的細小晶粒﹔然後緩慢冷卻下來﹐使相再轉變為相或＋兩相的細小晶粒。

等溫退火 應用於鋼和某些非鐵合金如鈦合金的一種控制冷卻的退火方法。對鋼來說﹐是緩慢加熱到 (亞共析鋼)或 (共析鋼和過共析鋼)以上不多的溫度﹐保溫一段時間﹐使鋼奧氏體化﹐然後迅速移入溫度在以下不多的另一爐內﹐等溫保持直到奧氏體全部轉變為片層狀珠光體(亞共析鋼還有先共析鐵素體﹔過共析鋼還有先共析滲碳體)為止﹐最後以任意速度冷卻下來(通常是出爐在空氣中冷卻)。等溫保持的大致溫度範圍在所處理鋼種的等溫轉變圖上至珠光體轉變鼻尖溫度這一區間之內﹔具體溫度和時間﹐主要根據退火後所要求的硬度來確定。等溫溫度不可過低或過高﹐過低則退火後硬度偏高﹔過高則等溫保持時間需要延長。鋼的等溫退火的目的﹐與重結晶退火基本相同﹐但工藝操作和所需設備都比較複雜﹐所以通常主要是應用於過冷奧氏體在珠光體型相變溫度區間轉變相當緩慢的合金鋼。後者若採用重結晶退火方法﹐往往需要數十小時﹐很不經濟﹔採用等溫退火則能大大縮短生產週期﹐並能使整個工件獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火也可在鋼的熱加工的不同階段來用﹐例如﹐若讓空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫時﹐當心部轉變為馬氏體之時﹐在已發生了馬氏體相變的外層就會出現裂紋﹔若將該類鋼的熱鋼錠或鋼坯在冷卻過程中放入700左右的等溫爐內﹐保持等溫直到珠光體相變完成後﹐再出爐空冷﹐則可免生裂紋。

含相穩定化元素較高的鈦合金﹐其相相當穩定﹐容易被過冷。過冷的相﹐其等溫轉變動力學曲線與鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖相似。為了縮短重結晶退火的生產週期並獲得更細﹑更均勻的組織﹐亦可採用等溫退火。

均勻化退火 亦稱擴散退火。應用於鋼及非鐵合金(如錫青銅﹑硅青銅﹑白銅﹑鎂合金等)的鑄錠或鑄件的一種退火方法。將鑄錠或鑄件加熱到各該合金的固相線溫度以下的某一較高溫度﹐長時間保溫﹐然後緩慢冷卻下來。均勻化退火是使合金中的元素發生固態擴散﹐來減輕化學成分不均勻性(偏析)﹐主要是減輕晶粒尺度內的化學成分不均勻性(晶內偏析或稱枝晶偏析)。均勻化退火溫度所以如此之高﹐是為了加快合金元素擴散﹐儘可能縮短保溫時間。合金鋼的均勻化退火溫度遠高於﹐通常是1050～1200。非鐵合金錠進行均勻化退火的溫度一般是“0.95×固相線溫度(K)”﹐均勻化退火因加熱溫度高﹐保溫時間長﹐所以熱能消耗量大。

球化退火 只應用於鋼的一種退火方法。將鋼加熱到稍低於或稍高於的溫度或者使溫度在上下週期變化﹐然後緩冷下來。目的在於使珠光體內的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變為球粒狀﹐均勻分布於鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低﹑被切削性好﹑冷形變能力大。對工具鋼來說﹐這種組織是淬火前最好的原始組織。

球化退火的具體工藝有﹕普通(緩冷)球化退火﹐緩冷適用於多數鋼種﹐尤其是裝爐量大時﹐操作比較方便﹐但生產週期長﹔等溫球化退火﹐適用於多數鋼種﹐特別是難於球化的鋼以及球化質量要求高的鋼(如滾動軸承鋼)﹔其生產週期比普通球化退火短﹐不過需要有能夠控制共析轉變前冷卻速率的爐子﹔週期球化退火﹐適用於原始組織為片層狀珠光體組織的鋼﹐其生產週期也比普通球化退火短﹐不過在設備裝爐量大的條件下﹐很難按控制要求改變溫度﹐故在生產中未廣泛採用﹔低溫球化退火﹐適用於經過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼(後者通常稱為高溫軟化回火)﹔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合起來﹐可縮短球化時間。它適用於冷﹑熱形變成形的鋼件和鋼材(如帶材

再結晶退火 應用於經過冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法。目的為使金屬內部組織變為細小的等軸晶粒﹐消除形變硬化﹐恢復金屬或合金的塑性和形變能力(回復和再結晶)。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晶退火。

去除應力退火 鑄﹑鍛﹑焊件在冷卻時由於各部位冷卻速度不同而產生內應力﹐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生內應力。若內應力較大而未及時予以去除﹐常導致工件變形甚至形成裂紋。去除應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﹐使金屬內部發生弛豫﹐然後緩冷下來。應該指出﹐去除應力退火並不能將內應力完全去除﹐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﹐如不鏽耐酸鋼穩定化退火﹔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。

陽極處理 硬質皮膜處理

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