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钢管精密钢管钢铁工件的正火浅解

一、工艺概念:        

        正火在《热处理手册》中是这样定义的:

        正火是将钢管、精密钢管、钢铁、工件加热奥氏体化后,在空气中冷却得到含有珠光体的均匀的组织的热处理工艺。

        将钢管、精密钢管、钢铁、工件加热到Ac3或Acm以上30-50℃,适当保温奥氏体化后,在静止空气中冷却到Ar附近温度再转入缓冷的正火为二段正火。

        将钢管、精密钢管、钢铁、工件加热到Ac3或Acm以上30-50℃,适当保温奥氏体化后,快速冷却到珠光体转变的某一温度下保温,以获得珠光体型组织,随后再在空气中冷却的正火工艺为等温正火。正火工艺曲线见图一。

图一  正火工艺曲线示意图


二、正火钢管、精密钢管、钢铁、工件的组织性能及正火的作用

        正火所能达到的性能效果与材料成分及组织有关。

        含碳0.4%-0.7%的钢管、精密钢管、钢铁、工件正火一般硬度不低于HB180,可以在正火态下直接使用。这类钢管、精密钢管、钢铁、工件后续也会有调质或者淬火处理,正火恰好为其改善组织,是重要的预处理。

        含碳低于0.4%的中低碳钢及中低碳合金钢常用正火代替完全退火

        高中碳钢及高中碳合金钢、铸铁,为降低正火硬度,消除应力,还可以在正火后进行高温回火(550-700℃)。

        需要注意的是,空冷并不一定就是正火处理。有些淬透性稍高的合金钢,尺寸到一定限度以下时,空冷就可能发生贝氏体或马氏体转变,这已经是淬火了。这种材料只有在等温正火条件下,等温转变结束后的空冷才不会发生贝氏体或马氏体转变。

ps:正火不能简单地认为空冷就是正火,钢种不同其临界冷速是不同的,最终应是否获得所需的金相织组来判断正火的成败。

尺寸较大的钢管、精密钢管、钢铁、工件常用正火取代调质,目标是得到F和伪共析的珠光体产物,但实际情况比较复杂,尤其是锻件空冷後的所谓正火与重新正火有明显差别。 

锻造始锻温度远高于正常正火的温度,A体相当稳定,锻造过程中晶粒的变化也与锻造方式锻造次数及锻造比等有关,並对终锻温度及其隨後的冷速敏感,這就对锻後的组织判断带来许多麻烦,为此锻後再实施一次正宗的正火对最终热处理明显有利。另外,参看C曲线时请注意它的奥氏体化温度,以便灵活应用。


        等温正火组织还是某些原材料进厂检验的基准组织,并不是取样直接检验!在评定原材料带状组织时候,行业标准中要求供需双方协商试样的等温正火工艺,试样经过处理后再做评定。没有协商的,也有明确规定(详见《汽车用渗碳钢带状组织检验》T/CSAE57-2017)。


        正火冷却时由于钢管、精密钢管、钢铁、工件表面与心部冷却速度存在差异,当工件较大时,截面上的性能有不均匀现象,这种差异称为“质量效应”,其趋势就是质量大的工件正火后硬度低,质量小的工件正火后硬度高。

               正火作为预备热处理,通常以细化晶粒,为后续做组织准备为主要目的。锻件、铸件、以裁切的型材为坯料的零件一般都需要做正火处理。细化晶粒会带来如下好处:

        1,均匀组织,减少后续热处理变形。以渗碳为最终热处理的零件,等温正火求得细小均匀的正火组织,是减小变形的重要手段之一。

        2,冲击功要求高的零件,经过正火预先得到细化的晶粒,往往是唯一有效的措施。

        3,以正火态直接使用的零件,细化均匀的组织可以同时得到较高强度和延伸率

       但是,需要指出的是,不能企望正火可以消除带状组织 ,因为带状组织是微观成分不均匀现象,是材料冶金不均匀缺陷最终遗留给成品材料的胎病。正火工艺温度并不会改善这种不均匀。有些文章介绍正火可以消除带状组织,其实这是一种技术欺骗!因为金相观察带状组织的改善或者消失,改变不了微观的不均匀,其危害依然存在(参见文章底部原文链接链接 )。热处理消除带状组织的工艺方法是扩散退火+普通或等温正火,但这么做的成本比重新炼钢还要高,除非迫不得已一般不予采纳。原材料带状组织超标,不符合采购技术协议要求是不能让步接收的。带状组织是钢厂能够控制的指标,退货是最好的处理办法。


三、正火工艺参数的选取以及与后续工艺的结合

        正火奥氏体化温度以 Ac3或Acm+30-50℃ 为基本要求。从本质上讲,奥氏体化温度允许范围很宽,这就允许参照后续将要进行的工艺,来合理选取正火的奥氏体化温度。例如,后续要渗碳的零件,奥氏体化等温可以比渗碳温度高10℃以上,这样可以在正火时提前把组织改善带来的某些(主要是几何形状)变化消除,从而避免在渗碳过程中再度发生变化。等温正火的等温温度一般根据正火后的加工硬度需要选取,加工要求硬度低,选较高的等温温度,反之,选低一些的等温温度。

        钢管精密钢管钢铁工件,铸件、较大尺寸锻件有较高性能要求时,常进行两次以上的重复正火。第一次采用Ac3+120-200℃(这属于扩散退火的奥氏体转变)高温正火,第二次采用Ac3+30-50℃正常温度正火。第一次使难溶的第二相溶入奥氏体中,获得一定程度上的均匀化。第二次使晶粒细化。

        正火的保温时间以钢管精密钢管钢铁工件透热后奥氏体化完成即可,过分延长保温时间不仅浪费能耗,拉长生产周期,还会增加表面过度氧化倾向。一般心部到温后,奥氏体化需要的转变时间不低于30min即可。等温正火的等温转变时间稍长,碳钢一般不低于90min,合金钢不低于120min。推盘式等温正火线应在实测的基础上,合理选取高温段、等温段的时间。

        对推盘式和网带式等温正火线来说,等温炉入口处所在控温区的显示温度与设定温度差值在±15℃以内,应该认为等温前的快冷程度是合适的。这需要工件入等温炉前的快冷使工件表面有一定的低于等温温度的过冷度。快冷一般由强风实现,结合使用红外测温枪来实时测试工件表面温度是一种很有效的确定工艺参数的方法。工件经强风吹冷后将要进入等温炉炉口时,表面已经回温,将这时的测得温度与设定温度对照,再回头调整快冷参数。有的设备设计有快冷风道出口的风温监控系统,这对保证快冷程度的稳定更有保障。工件进入等温炉一区后会继续均温,并显示在仪表上。如果这时温度显示高于设定温度,表明前段快冷不足,如果显示低于设定温度,且显示有加热电流,表示前段快冷过度,这都需要对快冷参数进行相应调整。

       对普通正火而言,在空冷环节,出炉钢管精密钢管钢铁工件的摆放对钢管精密钢管钢铁工件最后性能的影响不容忽视。不卸筐,或者倾倒堆冷的,组织性能的差异不可避免。最好设专用场地,保持场地干燥,工件散开单层冷却,同时还需要防止工件热态下碰伤。

        没有等温正火设备的厂家,有时候使用高、低温炉转换来实现等温正火。这种做法虽不违背等温正火原理,但往往由于钢管精密钢管钢铁工件在料框中的堆积,钢管精密钢管钢铁工件实际的温度曲线偏离合理的等温正火而达不到效果。实际上,普通正火+高温回火效果往往更好。


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