钢的等温退火——工艺、温度、微观结构和应用

钢的等温退火 是一种热处理工艺，其中将材料加热到奥氏体化温度后，将钢冷却到适当选择的转变温度，然后等温保温直至达到所需的显微组织。基本转变完成后，即可将材料冷却至室温。
与……不同 完全退火等温退火是指在非常缓慢、连续的冷却过程中发生奥氏体转变，而传统退火则是将材料控制在特定温度下进行退火。这使得转变过程得到更好的控制，组织更加均匀，并且对于合适的钢种，还可以缩短加工时间。
该工艺主要用于合金钢、工具钢和其他钢种，对于这些钢种，传统的缓慢冷却退火工艺会耗时过长或难以获得所需的组织结构。

什么是等温退火？

该工艺的关键在于将奥氏体化后的冷却过程与实际的奥氏体转变过程分开。一旦获得合适的奥氏体组织，钢材并非缓慢冷却至室温，而是将温度降低至可控奥氏体转变发生的温度，然后将材料在该温度下保持一段时间。
学期 “等温” 这意味着转变的主要部分是在材料保持大致恒定的温度下发生的。
必须根据具体的钢种选择合适的温度和保温时间。这些因素取决于化学成分、临界温度、奥氏体转变动力学、所需性能以及工件尺寸等。

等温退火的目的

等温退火的主要目标是利用在适当选择的温度下发生的奥氏体转变，获得可控且尽可能均匀的微观结构。
该方法可用于：

• 在进一步加工前降低钢材的硬度，
• 提高合适钢种的切削加工性能
• 在整个元件横截面上获得更均匀的微观结构，
• 为后续热处理制备材料，
• 控制奥氏体转变产物，
• 与传统完全退火过程中非常缓慢的冷却方式相比，这种方法缩短了加工时间，尤其适用于某些合金钢。

等温退火工艺

典型的等温退火过程可分为四个基本阶段：奥氏体化、冷却至转变温度、等温保温和最终冷却。

1. 加热和奥氏体化

钢材被加热到适合其牌号和所需奥氏体化程度的温度。在加热过程中，会发生一系列转变，最终形成奥氏体。
奥氏体化温度不能定义为适用于所有钢材的单一通用值。它取决于材料的碳含量、合金元素、初始组织和临界温度。

2. 冷却至等温保持温度

奥氏体化完成后，将钢冷却至适当选定的温度，在该温度下发生奥氏体的基本转变。
此步骤必须以限制在过渡到等温保温温度过程中发生不良转变的方式进行。所需的冷却速率取决于特定钢种的转变特性。

3. 等温阻力

一旦达到所需的温度，材料就会保持在该温度下足够长的时间，以使预期的奥氏体转变发生。
这一步骤使该工艺区别于经典的完全退火工艺。它不是通过连续、非常缓慢的温度下降来进行转变，而是使用一个温度范围，使转变能够在可控的条件下进行。

4. 最后冷却

一旦所需的转变完成，材料便冷却至室温。由于初次奥氏体转变在等温保温期间已经完成，因此后续冷却方法与直接从奥氏体温度范围冷却的意义有所不同。
最终冷却的具体方法应根据部件的具体等级和尺寸，采用相应的工艺来确定。

等温退火温度

在等温退火中，必须区分以下几点： 奥氏体化温度 od 等温保持温度这是两个不同的工艺参数。
奥氏体化温度必须达到所需的奥氏体组织。然后将材料冷却至适合所需转变的较低温度。
因此，不应将单一数值（例如 600–700°C）用作通用的“等温退火温度”。虽然某些特定工艺中可能出现此温度范围，但合适的温度取决于钢种及其转变过程。

CTPi图在等温退火中的重要性

等温退火参数的选择与奥氏体转变动力学密切相关。它们尤其有用。 CTPi – 等温转变的时间-温度-转变图显示了温度、保温时间和过冷奥氏体转变过程之间的关系。
根据图表，您可以确定以下内容：

• 特定转变开始时的温度
• 启动转变所需的时间，
• 完成它所需的时间，
• 特定奥氏体转变产物的形成温度范围。

CTPi图仅适用于特定钢种和材料状态。因此，等温退火参数不应直接从一种钢种转移到另一种钢种。

等温退火过程中奥氏体会发生什么变化？

加热过程中形成的奥氏体在冷却至其稳定温度范围以下时会变成过冷组织。如果将钢保持在合适的温度下，就会发生相变，从而形成新的微观组织成分。
所获得的组织类型取决于等温保温温度和给定钢种的转变特性。在珠光体转变范围内，可能会形成铁素体-珠光体组织，其形貌取决于转变温度。
珠光体转变温度越低，通常得到的珠光体组织越细小。这种微观结构的变化会进而影响材料的硬度、强度和可加工性。

等温退火后的微观结构

等温退火工艺并非都具有单一的微观组织特征。其效果取决于钢的成分、奥氏体化温度、冷却至转变温度的速率以及保温时间和温度。
如果该过程涉及珠光体转变，则目标可能是获得均匀的铁素体-珠光体组织。这种组织的性质取决于珠光体的破碎程度和各个组织成分的比例等因素。

参数对等温退火效果的影响

等温退火和完全退火

这两个过程可能都以奥氏体化开始，但它们在奥氏体转变的进行方式上有所不同。 完全退火 材料冷却速度非常慢，通常是通过炉子冷却，随着温度不断下降，变化就会发生。
等温退火是将奥氏体化材料冷却到特定温度并保持在该温度下进行转变。

等温退火和归一化

波德查斯 正火钢 奥氏体化后，材料在空气中冷却。省略了等温退火过程中在特定温度下停止反应以实现可控转变的典型步骤。
正火处理主要用于规范和细化组织结构，并获得特定的力学性能。而等温退火则可以更精确地控制奥氏体转变条件。

等温退火和球化退火

球化退火的主要目的是使渗碳体或其他碳化物获得合适的近球形形状。这对于高碳钢、轴承钢和工具钢尤为重要。
等温退火则利用了钢在特定温度下保温时发生的奥氏体转变。因此，尽管这两种工艺都可用于制备用于后续加工的钢材，但它们的目的和机制却有所不同。

等温退火和等温硬化

等温退火不应与等温硬化混淆。 这两个过程中，材料都被保持在特定的温度下，但处理的目的、转变温度范围和所需的最终微观结构都不同。
等温退火的目的之一是获得适合后续加工的组织，并且通常还能降低硬度。而等温淬火则采用精心选择的循环周期，以获得此类淬火方式特有的组织和性能。

合金钢的等温退火

等温退火对于合金钢来说尤为重要，因为铬、钼、镍或锰等元素的存在会显著改变过冷奥氏体转变的动力学。
连续冷却过程中，启动和完成转变所需的时间增加，使得传统的完全退火过程耗时较长。而精心设计的等温工艺可以实现更可控的转变。

工具钢的等温退火

对于工具钢而言，加工和后续淬火前的材料状态至关重要。适当的退火处理可以降低硬度，从而有助于进行精确的切削加工。
但这并不意味着等温退火对所有工具钢来说都是最佳方法。对于许多高碳工具钢而言，等温退火尤为重要。 球形化退火因为硬化前材料的性能也取决于碳化物的形状和分布。

等温退火对加工性能的影响

适当进行的等温退火可以通过获得更均匀的微观结构和合适的硬度来提高材料的可加工性。
然而，不能想当然地认为降低硬度就能确保最佳的切削加工性能。钢材过软、延展性过好会导致切屑形成不良、刃口堆积以及表面质量下降。因此，应针对具体的钢种和后续加工方法选择最佳的微观结构。

元件尺寸对等温过程的影响

在从奥氏体化温度过渡到等温保温温度的过程中，部件的尺寸尤为重要。部件表面的冷却速度比其核心部分快，因此，要使大截面部件的整个体积内温度均匀，需要精心设计的工艺流程。
如果在冷却过程中，部分横截面在达到等温保温温度之前就开始转变，则最终的微观组织可能不均匀。因此，工艺应用不仅要考虑钢材牌号，还要考虑零件的质量和几何形状。

等温退火的优点

• 更精确地控制奥氏体转变条件的可能性
• 获得均匀微观结构的可能性
• 对于合适的钢材，与非常缓慢的冷却方式相比，该工艺时间可以缩短。
• 获得有利于后续加工的性能的可能性
• 适用于加工某些合金钢和工具钢，
• 能够使微观结构适应后续生产阶段。

等温退火的缺点和局限性

• 需要根据钢材类型精确选择温度和保温时间。
• 与简单的退火工艺相比，对温度控制的要求更高。
• 由于元件横截面较大以及表面和核心冷却速率不同而产生的局限性，
• 冷却至等温温度过程中引发不良转变的风险，
• 需要了解特定类型钢材的相变动力学，
• 该工艺并非对所有类型的钢材都是最佳的。

等温退火——最重要的信息

等温退火 奥氏体化是一种热处理工艺，它利用钢材在选定温度下保持一段时间后，可控地使过冷奥氏体发生转变。奥氏体化后，材料冷却至转变温度，在该温度下保持所需时间，然后冷却至室温。
与完全退火相比，该工艺能够更直接地控制奥氏体转变条件，并且在合适的钢材中可以缩短加工时间。这对于某些合金钢尤为重要，因为传统完全退火过程中缓慢的冷却过程会耗时过长。
奥氏体化温度、等温保温温度和转变时间必须针对特定钢种单独选择。分析此类转变的基本工具是CTPi图，它描述了时间、温度和过冷奥氏体转变过程之间的关系。

钢的热处理和热化学处理方法

软化只是用于改变钢材微观结构和性能的众多工艺之一。根据所需效果，还可以采用正火、消除应力、淬火、回火以及渗碳、渗氮等热化学处理工艺。

钢材热处理方法

• 正火钢 – 晶粒细化和微观结构统一。
• 应力消除退火 – 降低残余应力。
• 钢的软化 – 降低硬度并提高对进一步加工的敏感性。
• 完全退火 – 奥氏体化和缓慢冷却。
• 等温退火 – 在适当选择的温度下进行转化。
• 球形退火——球化 – 渗碳体或其他碳化物的形态发生变化。
• 重结晶退火 – 消除压碎的影响并恢复可塑性。
• 均质退火 减少分离并使材料成分均匀化。
• 硬化和热处理 通过淬火和回火来塑造微观结构和性能。
• 钢的回火 – 硬化后对钢材性能进行可控改性。
• 感应淬火 – 表面感应加热和快速冷却。
• 火焰硬化 – 局部火焰加热后表面硬化。
• 过饱和 – 通过适当的热循环获得过饱和固溶体。
• 老化 – 可控相分离，从而实现材料强化。

钢的热化学处理方法

• 钢的氮化 – 氮在表面层的扩散富集。
• 渗碳钢 – 碳在表面的扩散富集。
• 碳氮共渗 – 表面层同时富集碳和氮。
• 渗氮/渗氮 – 该层主要富含氮和碳。
• 钻孔 – 表面硼的扩散饱和。
• 扩散镀铬 – 铬在层中扩散富集。
• 扩散镀铝 – 铝层的扩散富集。