鋼材正火－製程、溫度、顯微組織及應用

正火鋼 這是基本過程之一 鋼的熱處理其主要目的是獲得更均勻、更細小的晶粒微觀組織，減少先前製程的影響，並為後續的熱處理或機械處理做好準備。正火會影響鋼的強度、硬度、衝擊強度、延展性和切削加工性，但這些變化的程度主要取決於碳含量、合金元素和材料的初始組織。
該製程包括將鋼材加熱至確保達到適當奧氏體化程度的溫度，在該溫度下繼續加熱，然後在靜止空氣中冷卻。冷卻方式是正火和完全退火之間的根本區別之一。空冷比爐冷速度更快，這會影響晶粒尺寸和最終的顯微組織。
正火主要用於非合金鋼和低合金鋼。它可以作為零件的最終熱處理工序，也可以作為淬火、熱處理或機械加工等後續工序之前的中間工序。

什麼是鋼材正火處理？

在正火過程中，鋼材被加熱到與其化學成分相適應的奧氏體溫度範圍。在加熱過程中，會發生一系列相變，最終形成奧氏體並使組織均勻化。之後，將工件從爐中取出，並在空氣中冷卻。
冷卻過程中，奧氏體發生相變，根據鋼的成分和冷卻速率，主要形成鐵素體-珠光體或珠光體組織。在合金鋼中，相變過程可能更為複雜，因為合金元素會影響淬透性和相變動力學。
對於鍛造、熱軋或鑄造等可能導致組織不均勻或晶粒粗大的工藝，正火處理尤其有用。

鋼材正火的目的

正火處理可用於多種技術用途。此工藝的具體用途取決於鋼材牌號、材料狀態及其預期用途。
標準化的最重要目標包括：

• 晶粒細化 – 正確進行奧氏體化和後續冷卻處理可以獲得更細晶粒的組織，
• 微觀結構的均質化 ——尤其是在鍛造、軋製、鑄造和其他高溫加工過程之後，
• 改善機械性質 – 與完全退火狀態相比，正火處理可以提高強度和硬度，同時保持良好的延展性和衝擊強度。
• 限制先前治療的不良影響 包括結構不均勻性和晶粒過度生長等問題，
• 為後續熱處理準備鋼材 例如：硬化或熱性能改進
• 加工材料的準備 – 對於某些鋼材，正火後適當的組織結構可以改善後續加工的條件。
• 在元件的橫截面上獲得更均勻的性能 – 對於鍛造件、鑄件和熱加工後的半成品來說尤其重要。

影響鋼材正火效果的因素

鋼材正火後的最終性能取決於整個熱處理過程。即使在相同的溫度下，兩種鋼材在空冷後也可能形成不同的微觀結構和性能。

鋼的正火溫度

正火溫度並非對所有鋼種都相同。它是根據材料的化學成分和與相變相關的臨界溫度來選擇的。
對於亞共析鋼，即含碳量低於共析成分的鋼，正火一般在臨界溫度以上進行。 Ac3實際上，製程溫度通常比 Ac3 高得多，以確保材料充分奧氏體化。
對於過共析鋼，溫度選擇規則需要考慮此線 厘米 以及預期的微觀結構。因此，為所有鋼材指定單一的溫度範圍，例如 800–950°C，只是過於簡化的做法。
實際正火溫度應根據特定鋼種的材料特性、相關標準、技術文件或製造商的建議來決定。

鋼材正火處理－製程

正火過程可分為三個基本階段：加熱、退火和冷卻。

1. 加熱

將零件加熱至適用於此鋼材牌號的正火溫度。加熱速率應考慮零件的尺寸、幾何形狀、橫斷面厚度和材料的熱導率。對於大型或結構複雜的零件，加熱過快會導致顯著的溫度梯度和相關的熱應力。

2. 暖氣

達到所需溫度後，材料需加熱一段時間，以使整個橫斷面溫度均勻，並完成所需的結構轉換。加熱時間取決於零件的尺寸、品質、鋼材等級、加熱方式和爐型。
時間與厚度（毫米）之間的簡單關係不應被視為適用於所有部件的通用規則。在工業技術中，應針對特定材料和零件定義參數。

3. 空氣冷卻

退火後，工件進行空冷。這種冷卻方式比典型的完全退火快，後者中材料會隨爐緩慢冷卻。冷卻速率的差異會影響奧氏體轉變和材料的最終微觀結構。
冷卻條件也扮演重要角色。元件尺寸、環境溫度、空氣流動和元件方向都會影響實際散熱速率。

正火後鋼的顯微組織

正火處理最重要的作用之一是改變鋼的顯微組織。在典型的亞共析鋼中，適當的正火處理過程可得到鐵素體和珠光體共生的組織。隨著碳含量的增加，珠光體含量也隨之增加。
與完全退火過程中緩慢冷卻相比，正火過程中獲得的組織通常更細小。更細小的珠光體組織和合適的晶粒尺寸可以提高材料的強度和硬度。
然而，最終的微觀結構不僅取決於正火溫度，還取決於：

• 碳含量
• 合金元素的種類和含量，
• 奧氏體晶粒尺寸
• 加熱時間，
• 元素的尺寸，
• 冷卻速率
• 正火處理前的材料微觀結構。

正火對鋼力學性質的影響

正火處理會顯著影響鋼材的機械性能，但影響程度取決於鋼材的成分和初始狀態。因此，正火處理並非適用於所有鋼種的通用方法，不能保證對所有鋼種都產生完全相同的結果。

Wytrzymałość na rozciąganie

正火處理後獲得的更精細的微觀組織可以提高鋼材的抗拉強度，使其高於完全退火鋼材。這種效果取決於多種因素，其中包括碳含量和合金元素。

Granica plastyczności

微觀結構變化和晶粒細化也會影響屈服強度。對於用於承重部件的結構鋼而言，此特性尤其重要。

特瓦爾多什奇

正火鋼通常比完全退火鋼更硬，因為更快的冷卻速度有利於形成更細小的組織。然而，正火處理無法達到適當淬硬的馬氏體鋼所特有的硬度。

衝擊強度和延展性

晶粒細化和組織均勻化能夠對衝擊強度和材料在負荷下的性能產生正面影響。然而，如果不考慮鋼種和製程參數，就無法確定其具體影響。

斯克拉瓦爾諾什奇

正火處理對鋼材切削性能的影響並非對所有鋼材都相同。對於低碳鋼，硬度的適當提升可以改善切屑形成，並降低材料過高的延展性。而對於其他鋼材，加工前進行軟化退火或球化退火可能更為有利。

歸一化與退火

正火和退火都是涉及鋼的加熱和受控冷卻的過程，但它們的主要區別在於冷卻條件和最終的微觀結構。
鋼材正火後通常採用空冷，而完全退火的冷卻速度則慢得多，通常與爐內溫度同步下降。因此，正火鋼通常比相應的完全退火鋼具有更細小的組織、更高的硬度和強度。
如果主要目標是在不從根本上改變材料結構的情況下降低殘餘應力， 應力消除退火.

正火和淬火

鋼材硬化 它與正火的主要區別在於冷卻速率和所需的組織效果。淬火的目的是冷卻奧氏體，以獲得高硬度組織，通常還含有大量的馬氏體。
正火是指在空氣中緩慢冷卻，它並非用於在普通碳鋼中形成馬氏體組織。然而，正火可以作為後續淬火或熱處理前的準備步驟。

正常化與放手

放手 是在淬火後進行的一種工藝。其目的是改變淬火鋼的組織結構，以達到所需的硬度、強度和延展性的組合。
正火處理則可以是一種獨立的加熱處理工藝，也可以是為後續工序做準備的步驟。因此，這兩種製程的技術目標有所不同。

正火和應力消除退火

正火處理會導致鋼材奧氏體化，並在冷卻後形成新的微觀組織。而應力消除退火則是在較低溫度下進行，其主要目的是在盡可能減少對材料基本微觀組織和性能影響的前提下，降低殘餘應力。

鋼的正火和其他熱處理方法

正火、退火、淬火和回火在製程溫度、冷卻方式和所需效果方面各不相同。下表總結了這些工藝之間的主要區別。

各種鋼材的正火處理

非合金結構鋼

正火處理廣泛應用於非合金結構鋼。此工藝可在軋製、鍛造或鑄造後進行，以細化和均勻化鋼組織，並獲得所需的機械性能。

過時的

在碳鋼中，正火效果與碳含量有密切關係。隨著碳含量的增加，珠光體含量增加，材料的硬度、強度和延展性也隨之改變。碳含量較高的鋼材包括C55S、C67S、C75S、C85S和C100S彈簧鋼。

低合金鋼

對於低合金鋼，必須考慮鉻、鉬、鎳、錳和其他元素對冷卻過程中相變的影響。某些牌號的淬透性增強意味著其空冷過程中的表現可能與普通碳鋼有顯著差異。

高合金鋼

正火處理的概念不應自動應用於所有高合金鋼。對於不銹鋼、耐熱鋼、工具鋼和其他特殊鋼，應採用與其特定類別和牌號相符的熱處理程序。處理參數應始終基於所需的顯微組織和材料性能。

鍛造件正火

正火處理在鍛件生產中尤其重要。鍛造過程中，鋼材會經歷高溫和顯著的塑性變形，最終形成的組織可能不均勻。
正確選擇的正火製程可以細化晶粒，使鍛件的微觀組織更加均勻。根據材料類型，它可以是熱處理的最後階段，也可以是淬火和回火前的準備階段。

鋼鑄件正火

在鋼鑄件中，正火可以用來改變凝固冷卻過程中形成的組織。鑄件，尤其是大截面鑄件，可能表現出顯著的微觀組織和晶粒尺寸不均勻性。
正火處理可以使鑄件在合適的牌號下獲得更均勻的結構，並為後續的工藝處理做好準備。

鍛造和軋製後的正火

最終鍛造或軋製階段的條件對半成品的微觀結構有顯著影響。如果溫度過高或材料冷卻控制不當，可能會出現晶粒過度長大或結構不均勻的情況。
在這種情況下，正火處理可以作為一種預處理方法，在進行進一步的熱處理或機械處理之前，獲得更可預測的結構。

鋼材正火的應用

正火主要用於需要使微觀結構均勻化、細化晶粒或為後續生產階段準備材料的情況。
典型應用包括：

• 鍛造件和鍛造部件
• 鋼鑄件，
• 軸和車軸，
• 機器和設備的組成元件
• 結構部件，
• 熱軋後的半成品
• 用於淬火和回火的元素，
• 需要進行進一步加工的零件。

鋼材正火的優點

• 穀物破碎的可能性
• 微觀結構的均質化
• 改善特定機械性質
• 具備為後續熱處理製程製備材料的能力
• 一種相對簡單的空氣冷卻方法，
• 可用於鍛造、軋製和鑄造後，
• 與許多碳鋼經過典型的完全退火處理後相比，可獲得更高的硬度和強度。

歸一化的缺點和局限性

• 此工藝並非適用於所有類型的鋼材。
• 空氣冷卻可能會導致橫斷面較大或變化較大的元件冷卻速率有差異。
• 複雜幾何形狀的元素可以發生形變。
• 正火處理無法提供淬火處理所特有的硬度。
• 並非旨在最大限度消除殘餘應力的工藝，
• 對於淬透性較高的鋼材，空氣冷卻可能會導致與普通碳鋼不同的組織結構。
• 溫度不當會導致晶粒過度長大，材料性能下降。

正確的歸一化效果取決於什麼？

正火處理的有效性取決於整個製程的正確選擇，而不僅僅是最高溫度。必須考慮鋼種、化學成分、初始組織、零件尺寸和幾何形狀、加熱速率、奧氏體化溫度和時間以及實際冷卻條件。
尤其需要注意的是，應避免溫度過高或保溫時間過長，因為這會導致奧氏體晶粒長大。相反，溫度過低或保溫時間過短則無法達到所需的組織均勻性。
正火鋼 是一種熱處理工藝，包括將材料加熱到適當的奧氏體化溫度範圍，進行退火，然後空冷。此製程主要用於細化晶粒、均勻化微觀組織，並獲得適合進一步加工或使用的性能。
與完全退火相比，正火採用更快的冷卻速度，因此能使許多碳鋼獲得更細小的組織、更高的硬度和強度。然而，正火並不能取代淬火、回火或消除應力退火──每種製程都有其不同的技術目標。

鋼的熱處理和熱化學處理方法

軟化只是用於改變鋼材微觀結構和性能的眾多工藝之一。根據所需效果，還可以採用正火、消除應力、淬火、回火以及滲碳、滲氮等熱化學處理製程。

鋼材熱處理方法

• 正火鋼 – 晶粒細化和微觀結構統一。
• 應力消除退火 – 降低殘餘應力。
• 鋼的軟化 – 降低硬度並提高對進一步加工的敏感度。
• 完全退火 – 奧氏體化和緩慢冷卻。
• 等溫退火 – 在適當選擇的溫度下進行轉換。
• 球形退火－球化 – 滲碳體或其他碳化物的形態會改變。
• 重結晶退火 – 消除壓碎的影響並恢復可塑性。
• 均質退火 減少分離並使材料成分均勻化。
• 硬化和熱處理 透過淬火和回火來塑造微觀結構和性能。
• 鋼的回火 – 硬化後對鋼材性能進行可控改質。
• 感應淬火 – 表面感應加熱和快速冷卻。
• 火焰硬化 – 局部火焰加熱後表面硬化。
• 過飽和 – 透過適當的熱循環獲得過飽和固溶體。
• 老化 – 可控相分離，進而實現材料強化。

鋼的熱化學處理方法

• 鋼的氮化 – 氮在表面層的擴散富集。
• 滲碳鋼 – 碳在表面的擴散富集。
• 碳氮共滲 – 表面層同時富集碳和氮。
• 滲氮/滲氮 – 此層主要富含氮和碳。
• 鑽孔 – 表面硼的擴散飽和。
• 擴散鍍鉻 – 鉻在層中擴散富集。
• 擴散鍍鋁 – 鋁層的擴散富集。