钢的普通热处理工艺
热处理工艺一般分为最终热处理和预先热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做好准备，退火和正火是工件预先热处理的主要手段。
有些工件经退火或正火后已满足要求，这些退火和正火就作为最终热处理。
钢的退火
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火的实质是将钢加热A化后然后进行P转变。组织形态接近平衡组织：亚共析钢F+P，共析钢或过共析钢为粒状Kcm＋P。 1 退火的目的
降低硬度，提高切削性能 细化晶粒，改善钢的机械性能。
消除组织缺陷，均匀钢的组织及化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备。 2 退火分类：
退火的种类很多，通常根据退火加热温度可分为：
相变重结晶退火：完全退火、等温退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火。 无相变退火：再结晶退火、去应力退火。 3 常用的退火工艺 3.1 完全退火工艺
完全退火是将铁碳合金加热到完全奥氏体化后缓慢冷却，得到接近平衡组织的退火工艺。
完全退火主要用于中、低碳钢的铸件、锻件、热轧钢材和焊接件。铸件冷凝过慢或锻轧件终锻、终轧温度过高，都会引起奥氏体晶粒粗大使钢材的塑性和韧性下降；焊接件会因过热引起组织粗化、内应力、硬度高等缺陷；这些都采用完全退火来消除和改善。因此完全退火的目的是降低硬度、改善加工性；细化组织为下一步淬火做准备；增加塑性和韧性、消除内应力。
完全退火的工艺参数由加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度等组成，其工艺要点如下： 3.1.1 加热温度
碳钢的完全退火温度选用Ac3+(30～50℃),合金金钢选用Ac3＋(50～90℃)。为了加快奥氏体化的过程减少工艺时间在生产中往往采用较高的温度，而对含有多种合金元素的合金钢常采用更高的温度。常用钢的退火温度见表1。
表1 常用钢的退火温度（℃）
钢号 Ac3 生产中采用的温度高出Ac3
～～60 830～850 835～850 840～880
45
～65 35～50 70～100 15～75
780～840
3．1．2 加热速度
形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。但形状复杂或中、高合金钢则应控制加热速度，中、高合金钢因合金元素含量高，导热性差，所以升温不易过快，其加热速度一般控制在80～100℃／h,低于600～700℃时加热速度控制为30～70℃／h。 3.1.3 保温时间
一般按有效截面厚度计算，实际生产中按1.5min～2.5min/mm 估算。保温时间的确定，应考虑钢的成分、工件的尺寸和形状、装炉量以及采用的加热炉特性等因素，合金钢的保温时间比碳钢长一些，工件越大，装炉量越多，保温时间也越长。 3．1．4 冷却速度
在实际生产中，如冷却速度过慢，会造成工件过软；如冷却速度过快，会造成硬度偏高，一般情况下碳钢的冷却速度为100～150℃／h，低合金钢冷却速度为50～100℃/h ，高合金钢为20～70℃/h，工件随炉冷到500℃左右可出炉空冷，也可埋入砂、灰堆中或冷却坑中冷却。 3．2 等温退火工艺
将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保温，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺，称为等温退火。等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢，可以减少合金钢的退火时间。等温退火工艺参数的选择，图1 为等温退火工艺曲线：
图1 等温退火工艺曲线
3.2.1 退火温度
一般亚共析钢的退火温度为Ac3+ (30～50℃)，共析钢或过共折钢的退火温度为
Ac1+(20～40℃)。 3.2.2 等温温度和等温时间
在满足性能要求的前提下，尽量选用珠光体转变最快的速度。在实际生产中常用Ar1-(20～30℃)的温度进行等温，等温时间根据钢种和装炉量而定，一般合金钢常用3～4h,高合金钢可长一些。 3．2．3 冷却方法
从加热温度较快地冷至Ar1以下温度等温，等温后在空气中进行冷却或缓慢冷却。 3.3 球化退火工艺
球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的一种退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢，因为共析钢和过共析钢中存在大量的片状或细片状珠光体，硬度较高，切削加工困难，通过球化退火，硬度降低，易于加工。
球化退火的主要目的是：得到球状珠光体，消除轻微网状渗碳体，为最终热处理作好组织准备；降低硬度，改善切削加工性；消除内应力，增加塑性和韧性。
常用的球化退火工艺有3种， 见图2
图2 常用球化退火工艺曲线示意图
3.3.1 普通球化退火
将钢加热到稍高于Ac1温度, 一般为Ac1以上10～20℃，保温一定时间随后缓慢冷却到550℃以下空冷。常用球化退火工艺曲线见图2 a) 。 3．3．2 等温球化退火
实质上是共析钢和过共析钢的等温退火，将钢加热到Ac1＋（10～20℃）再快冷到Ar1－（10～20℃）等温后冷至550℃以下空冷。其工艺曲线见图2 b) 。 3．3．3 周期球化退火
将钢加热到Ac1＋（10～20℃）后快冷，在Ar1－（10～20℃）等温。其特点是反复循环数次后缓冷到小于500后空冷，有利于碳化物球化。一般用于共析或过共析钢中粗片状碳化物的球化，其工艺曲线见图2 C） 。 在选择工艺参数时应注意下列问题：
加热温度：加热温度过高，易造成片状珠光体增多，硬度偏高；加热温度过低，造成碳
化物溶解不充分，退火后得到片状和细粒状的碳化物，同样也使硬度偏高。
保温时间：保温时间太长，造成碳化物过度溶解和奥氏体较为均匀化，会出现粗大的球状碳化物；保温时间过短，造成碳化物溶解不够，会有片状碳化物出现。因此，在实际生产中应根据钢种、工件尺寸、装炉量、炉型等因素具体确定保温时间。
冷却速度：冷却速度过快会使碳化物颗粒太细，降低硬度；冷却速度过慢，会出现粗大的球状碳化物，硬度过高。 3.4 均匀化退火工艺
为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺，称为均匀化退火。
均匀化退火主要应用于大型铸钢件和合金钢钢锭。大型铸钢件和合金钢钢锭在铸造过程中会产生化学成分不均匀。均匀化退火的目的是消除化学成分的不均匀性，减少偏析；消除内应力，改善加工性能。
均匀化退火工艺参数的选择： 3．4．1 加热温度
加热温度一般为Ac3（Acm）＋（150～200℃）。根据经验，碳钢铸件一般为950～1000℃，低合金钢铸件为1000～1050℃；高合金钢铸件为1050～1100℃。 3.4.2 加热速度
加热速度一般控制在每小时100～200℃ 。 3．4．3 保温时间
通常按有效截面厚度2～3min/mm。 3.4.4 冷却方法
随炉缓冷至500～350℃后出炉空冷。
〖注意〗：均匀化退火由于加热温度高，保温时间长，必然会引起晶粒粗大，所以已成形的铸件在均匀化退火后应再进行正火或完全退火。 3.5 去应力退火工艺
去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。一般可在A1点以下加热，保温2～4h后，缓冷至200～300℃ 再出炉空冷。
去应力退火适用于铸件、焊接件、锻轧件及机械加工件。铸件及焊接件一般用550～650℃,机械加工件则可用稍低些的温度。
钢的正火
正火是将钢加热到Ac3（或Accm）点以上30～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。由于正火是将钢加热到完全奥氏体化状态，钢中的原始组织缺陷基本消失，然后再控制适当的冷却速度，因此正火组织中都是索氏体型的珠光体。 正火的目的:
正火与退火目的基本相同，但正火工艺冷速比退火快，得到的组织更细，强度和硬度都比退火高。因此主要用于中低碳钢以及低合金结构钢。 提高切削性能（提高低碳低合金钢的硬度）。 细化晶粒，提高综合机械性能。 切断锻造过热引起的组织遗传。
正火的加热温度在实际生产中常常略高一些，以促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性。表2 为常用钢材的正火温度及正火后硬度。
表2 常用钢材的正火温度和正火后硬度
Ac3
钢号
℃
正火温度
℃
正火后硬度
钢号
HBS
Ac3
℃
正火温度
℃
正火后硬度
HBS
890～920 870～900 880～920 800～900 840～870 850～870 870～900 830～870 850～870 ～880
≤156 ≤275 ≤370 ≤191 ≤226 ≤250 ≤300 248 ≤241 302
40CrNiMoA774820～830～900～～285 850～T8
－～～302
820～～310 850～～341 900～～415 970～～514
正火的加热速度、保温时间与完全退火相似。冷却方式应根据钢的成分、工件的尺寸和形状以及正火的性能要求而确定。对于一般小件可在空气中冷却，大件可用吹风冷却或喷雾冷却。但应注意对于一些高合金钢空气冷却已超过其临界冷却速度属于淬火而非正火。
正火的冷却速度比退火要快,可得到细密的珠光体(索氏体),钢的强度和硬度都比退火高。
表3 为45#钢退火、正火后的力学性能。
由于正火与退火相比周期短，节约能源，操作简便，并可获得较好的力学性能。所以在满足工件性能要求的条件下，一般采用正火。
表3 45、40Cr退火、正火后的力学性能
#、
力学性能
钢号
状态
抗拉强度 σbMpa 522 657－706 643 739
屈服强度 σ0.2Mpa 276 333 357 441
伸长率 δ% 32.5 15-18 27 21
断面收缩率 ψ% 49 45-50 57 54
硬度 HBS 160-200 170-240 197 225
45#
退火 正火 退火 正火
40Cr
图3 为碳钢的硬度与热处理的关系。图中阴影部分是适合一般切削加工的硬度范围。从图中可以看出，碳质量分数wc低于0.5% 的碳钢，宜采用正火；碳量质量分数wc 高于0.5% 的碳钢，宜采用退火；高碳钢宜采用球化退火。
图3 碳钢的硬度与热处理的关系
成分和硬度要求以及装炉量和冷却速度。
粒状贝氏体：一般是由块状或条状铁素体和岛状 图3 等温正火冷却示意图 物组成。这些岛状物被认为是由富碳奥氏体或其转变产物组成。大多收情况下是由奥氏体／马氏体组成。
〖注意〗：我们通常在低碳合金钢中看到的所谓“粒状贝氏体”有2种形态，即块状F和条状F形态的粒状贝氏体，他们的转变类型不一样，因此严格意义上他们之间有区别。我们把“具有条状F形态的粒状组织叫粒状贝氏体”；把“不具有贝氏体转变特征的块状F形态的岛状组织叫粒状组织”
20CrMoH P+F 400× 16909 等温正火
SAE8620 粒状贝氏体 400×
17401
油加热炉正火
20CrMo 粒状贝氏体 400× GY6驱动轴 油加热炉正火
粒状贝氏体 500×
20CrMnTi 880
℃风冷（空气潮湿）
粒状贝氏体
500× 20CrMnTi 920
℃
空冷
渗碳硬化齿轮毛坯的正火
目的：
改善切削性能→硬度、金相组织对切削性影响大；晶粒大小也有影响。 细化晶粒、消除混晶和带状组织→减小渗碳淬火处理变形→使得变形规律。 切断组织遗传→提高使用性能、减小变形。 要求：
20CrMo／20CrMoH ：
正火硬度160—207HB—→双环齿轮170－180HB 组织1－4级 GB/T13320－91 正火工艺：普通油炉加热正火900～930℃，960s推料周期，出炉强制风冷。 等温正火950℃×15min/盘＋热风强制冷却8min＋560℃等温。 20CrMnTi／20CrMnTiH：
正火硬度160—207HB—→双环齿轮160－180HB 组织1－4级 GB/T13320－91 模数大的汽车齿轮最低硬度可以放宽到156HB,但组织必须是等轴状P+F。 SAE8620H，MnCr5系列参见图纸要求。 〖特别说明〗：
Mn-Cr钢、Cr-Mo钢正火时容易出现粒状贝氏体，因此，普通正火采用较低温度容易控制金相组织。等温正火采用高温正火容易控制硬度。
具体的加热温度选择要考虑冷却条件、工件大小、装炉量、装炉方式等。
GB/T13320-91介绍
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
钢 质 模 锻 件 GB／T 13320—91
金相组织评级图及评定方法
Metallographic grading atlas and assessing method for steel die forgings
1 主题内容与适用范围
本标准规定了钢质模锻件的金相组织评级图(以下简称评级图)及评定方法。
本标准适用于经调质处理或正火处理后的汽车、拖拉机、通用机械等结构钢锻件。其他产品的结构钢模锻件，也可参照使用。
本标准不适用于对锻件脱碳、过热、过烧等组织的评定。 2 评级图的分组与分级
评级图分为以下四组，每组分为8级。
第一组评级图，见图1：适用于钢号为35、40、45、50、55等中碳结构钢的正火处理锻件。 第二组评级图，见图2：适用于钢号为20CrMnTi、20Mn2TiB及其他组织相近的低碳低合金结构钢(渗碳钢)的正火处理锻件。
第三组评级图，见图3：适用于钢号35、40、45、50、55等中碳结构钢的调质处理锻件。 第四组评级图，见图4：适用于钢号40Cr、45Cr、40MnB、45MnB、45Mn2及其他组织相近的中碳低合金结构钢调质处理锻件。 3 评级图的应用
3.1 评级图中各类金相组织的合格级别根据锻件的设计条件或由供需双方协商决定。 3.2 对于同一锻件的不同部位，以及同一部位的边部或心部可给出不同的金相组织级别。 4 试样的选取与制备
4.1 取样部位应是零件的关键部位或能够反映锻件热处理质量的部份。表明取样部位的示例参见附录A(参考件)。
取样部位一般为一处；锻件截面变化较大时，也可以取有代表性的两处。 4.2 试样的截取
4.2.1 取样部位截面上的最大尺寸小于40mm时，取整个截面作为试样。
4.2.2 取样部位截面上的最大尺寸为40～60mm时，取超过截面中心的部位截面作为试样。 国家技术监督局 1991－12－13 批准 1992－10－01 实施。
GB/T 13320－91
4.2.3 取样部位截面上的最大尺寸大于60mm时，可在边部及心部分别取样，试样的长度及宽度均不应小于15mm
4.3 试样应在冷态下用机械方法切取。若用气割或热切等方法切取时，必须将热影响区完全去除。
4.4 试样抛光后用含有体积分数为2％～5％的硝酸酒精溶液浸蚀。 5 显微组织的评定
5.1 显微组织按1～8级评定，当被评定的金相组织介于两个级别之间时，也可用半级表示，如 3.5级、5.5级等。
5.2 正火锻件的显微组织在金相显微镜下放大100倍观察，取其最差组织按第一评级图（图1）或第二评级图（图2）予以评定。
边部金相组织是指距锻件表面1～5mm范围内的组织。心部组织是指锻件截面中心附近的组织。
5.3 调质锻件的显微组织在金相显微镜下放大500倍观察，取其最差组织按第三评级图（图3）或第四评级图（图4）予以评定。
边部金相组织，对于碳素结构钢是指距锻件表面1～3mm、对于合金结构钢是指距离锻件表面1～4mm范围内的组织。心部金相组织一般是指锻件截面中心附近的组织，锻件截面尺寸大于60mm时，取距表面不小于20mm处作为心部组织。
第一评级图 中碳结构钢正火处理组织 (×100)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
显 微 组 织
珠光体+铁素体、晶粒均匀 珠光体+铁素体、晶粒较均匀 珠光体+铁素体、晶粒碎化
珠光体+铁素体，有少量未充分转变的锻造状态组织珠光体+铁素体，有未充分转变的锻造状态组织 珠光体+铁素体，为不完全正火状态组织 珠光体+明显网状铁素体、混合晶粒 珠光体+铁素体，基体为锻造状态组织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第二评级图 低碳低合金结构钢(渗碳钢)正火处理组织 (×100)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
显 微 组 织
珠光体+铁素体、呈等轴晶粒分布 珠光体+铁素体，晶粒较均匀 珠光体+铁素体，有部分细碎晶粒 珠光体+铁素体，晶粒细碎组织不够均匀 珠光体+铁素体+少量粒状贝氏体、局部混晶 珠光体+铁素体+粒状贝氏体，混合晶粒 铁素体+珠光体+粒状贝氏体、混合晶粒 铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第三评级图 中碳结构钢调质处理组织 (×500)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
回火索氏体
回火索氏体+极少量托氏体+极少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+部分条状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状铁素体 托氏体+回火索氏体+条状及网状铁素体 托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 索氏体+珠光体+断续网状铁素体
显 微 组 织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第四评级图 中碳低合金结构钢调质处理组织 (×500)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
回火索氏体
回火索氏体+极少量铁素体 回火索氏体+少量铁素体
回火索氏体+条状及少量块状铁素体 回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状及较大块状铁素 托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 珠光体+索氏体+网状及块状铁素体
显 微 组 织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第一评级图 中碳结构钢正火处理组织 (×100)
珠光体+铁素体、晶粒均匀 珠光体+铁素体、晶粒较均匀 图1 1级 图2 2级
珠光体+铁素体、晶粒碎化 珠光体+铁素体，有少量未充分转
变的锻造状态组织
图3 3级 图4 4级
珠光体+铁素体，有未充分转变的锻造状态组织 珠光体+铁素体，为不完全正火状态组织 图5 5级 图6 6级
珠光体+明显网状铁素体、混合晶粒 珠光体+铁素体，基体为锻造状态组织 图7 7级 图8 8级
第二评级图 低碳低合金结构钢(渗碳钢)正火处理组织 (×100)
珠光体+铁素体、呈等轴晶粒分布 珠光体+铁素体，晶粒较均匀 图1 1级 图2 2
级
珠光体+铁素体，有部分细碎晶粒 珠光体+铁素体，晶粒细碎组织不够均匀 图3 3级 图4 4级
珠光体+铁素体+少量粒状贝氏体、局部混晶 珠光体+铁素体+粒状贝氏体，混合晶粒 图5 5级 图6 6级
铁素体+珠光体+粒状贝氏体、混合晶粒 铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体 图7 7级 图8 8级
第三评级图 中碳结构钢调质处理组织 (×500)
回火索氏体 回火索氏体+极少量托氏体+极少量铁素体
图1 1级 图2 2级
回火索氏体+少量托氏体+少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+部分条状铁素体 图3 3级 图4 4级
回火索氏体+托氏体+条状铁素体 托氏体十回火索氏体+条状及网状铁素体 图5 5级 图6 6级
托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 索氏体+珠光体+断续网状铁素体 图7 7级 图8 8级
第四评级图 中碳低合金结构钢调质处理组织 (×500)
回火索氏体 回火索氏体+极少量铁素体
图1 1级 图2 2级
回火索氏体+少量铁素体 回火索氏体+条状及少量块状铁素体
图3 3级 图4 4级
回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状及较大块状铁素体 图5 5级 图6 6级
托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 珠光体+索氏体+网状及块状铁素体 图7 7级 图8 8级
钢的普通热处理工艺
热处理工艺一般分为最终热处理和预先热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做好准备，退火和正火是工件预先热处理的主要手段。
有些工件经退火或正火后已满足要求，这些退火和正火就作为最终热处理。
钢的退火
退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。 退火的实质是将钢加热A化后然后进行P转变。组织形态接近平衡组织：亚共析钢F+P，共析钢或过共析钢为粒状Kcm＋P。 1 退火的目的
降低硬度，提高切削性能 细化晶粒，改善钢的机械性能。
消除组织缺陷，均匀钢的组织及化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备。 2 退火分类：
退火的种类很多，通常根据退火加热温度可分为：
相变重结晶退火：完全退火、等温退火、不完全退火、球化退火、均匀化退火。 无相变退火：再结晶退火、去应力退火。 3 常用的退火工艺 3.1 完全退火工艺
完全退火是将铁碳合金加热到完全奥氏体化后缓慢冷却，得到接近平衡组织的退火工艺。
完全退火主要用于中、低碳钢的铸件、锻件、热轧钢材和焊接件。铸件冷凝过慢或锻轧件终锻、终轧温度过高，都会引起奥氏体晶粒粗大使钢材的塑性和韧性下降；焊接件会因过热引起组织粗化、内应力、硬度高等缺陷；这些都采用完全退火来消除和改善。因此完全退火的目的是降低硬度、改善加工性；细化组织为下一步淬火做准备；增加塑性和韧性、消除内应力。
完全退火的工艺参数由加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度等组成，其工艺要点如下： 3.1.1 加热温度
碳钢的完全退火温度选用Ac3+(30～50℃),合金金钢选用Ac3＋(50～90℃)。为了加快奥氏体化的过程减少工艺时间在生产中往往采用较高的温度，而对含有多种合金元素的合金钢常采用更高的温度。常用钢的退火温度见表1。
表1 常用钢的退火温度（℃）
钢号 Ac3 生产中采用的温度高出Ac3
～～60 830～850 835～850 840～880
45
～65 35～50 70～100 15～75
780～840
3．1．2 加热速度
形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。但形状复杂或中、高合金钢则应控制加热速度，中、高合金钢因合金元素含量高，导热性差，所以升温不易过快，其加热速度一般控制在80～100℃／h,低于600～700℃时加热速度控制为30～70℃／h。 3.1.3 保温时间
一般按有效截面厚度计算，实际生产中按1.5min～2.5min/mm 估算。保温时间的确定，应考虑钢的成分、工件的尺寸和形状、装炉量以及采用的加热炉特性等因素，合金钢的保温时间比碳钢长一些，工件越大，装炉量越多，保温时间也越长。 3．1．4 冷却速度
在实际生产中，如冷却速度过慢，会造成工件过软；如冷却速度过快，会造成硬度偏高，一般情况下碳钢的冷却速度为100～150℃／h，低合金钢冷却速度为50～100℃/h ，高合金钢为20～70℃/h，工件随炉冷到500℃左右可出炉空冷，也可埋入砂、灰堆中或冷却坑中冷却。 3．2 等温退火工艺
将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体转变温度区间的某一温度保温，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺，称为等温退火。等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢，可以减少合金钢的退火时间。等温退火工艺参数的选择，图1 为等温退火工艺曲线：
图1 等温退火工艺曲线
3.2.1 退火温度
一般亚共析钢的退火温度为Ac3+ (30～50℃)，共析钢或过共折钢的退火温度为
Ac1+(20～40℃)。 3.2.2 等温温度和等温时间
在满足性能要求的前提下，尽量选用珠光体转变最快的速度。在实际生产中常用Ar1-(20～30℃)的温度进行等温，等温时间根据钢种和装炉量而定，一般合金钢常用3～4h,高合金钢可长一些。 3．2．3 冷却方法
从加热温度较快地冷至Ar1以下温度等温，等温后在空气中进行冷却或缓慢冷却。 3.3 球化退火工艺
球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的一种退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢，因为共析钢和过共析钢中存在大量的片状或细片状珠光体，硬度较高，切削加工困难，通过球化退火，硬度降低，易于加工。
球化退火的主要目的是：得到球状珠光体，消除轻微网状渗碳体，为最终热处理作好组织准备；降低硬度，改善切削加工性；消除内应力，增加塑性和韧性。
常用的球化退火工艺有3种， 见图2
图2 常用球化退火工艺曲线示意图
3.3.1 普通球化退火
将钢加热到稍高于Ac1温度, 一般为Ac1以上10～20℃，保温一定时间随后缓慢冷却到550℃以下空冷。常用球化退火工艺曲线见图2 a) 。 3．3．2 等温球化退火
实质上是共析钢和过共析钢的等温退火，将钢加热到Ac1＋（10～20℃）再快冷到Ar1－（10～20℃）等温后冷至550℃以下空冷。其工艺曲线见图2 b) 。 3．3．3 周期球化退火
将钢加热到Ac1＋（10～20℃）后快冷，在Ar1－（10～20℃）等温。其特点是反复循环数次后缓冷到小于500后空冷，有利于碳化物球化。一般用于共析或过共析钢中粗片状碳化物的球化，其工艺曲线见图2 C） 。 在选择工艺参数时应注意下列问题：
加热温度：加热温度过高，易造成片状珠光体增多，硬度偏高；加热温度过低，造成碳
化物溶解不充分，退火后得到片状和细粒状的碳化物，同样也使硬度偏高。
保温时间：保温时间太长，造成碳化物过度溶解和奥氏体较为均匀化，会出现粗大的球状碳化物；保温时间过短，造成碳化物溶解不够，会有片状碳化物出现。因此，在实际生产中应根据钢种、工件尺寸、装炉量、炉型等因素具体确定保温时间。
冷却速度：冷却速度过快会使碳化物颗粒太细，降低硬度；冷却速度过慢，会出现粗大的球状碳化物，硬度过高。 3.4 均匀化退火工艺
为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺，称为均匀化退火。
均匀化退火主要应用于大型铸钢件和合金钢钢锭。大型铸钢件和合金钢钢锭在铸造过程中会产生化学成分不均匀。均匀化退火的目的是消除化学成分的不均匀性，减少偏析；消除内应力，改善加工性能。
均匀化退火工艺参数的选择： 3．4．1 加热温度
加热温度一般为Ac3（Acm）＋（150～200℃）。根据经验，碳钢铸件一般为950～1000℃，低合金钢铸件为1000～1050℃；高合金钢铸件为1050～1100℃。 3.4.2 加热速度
加热速度一般控制在每小时100～200℃ 。 3．4．3 保温时间
通常按有效截面厚度2～3min/mm。 3.4.4 冷却方法
随炉缓冷至500～350℃后出炉空冷。
〖注意〗：均匀化退火由于加热温度高，保温时间长，必然会引起晶粒粗大，所以已成形的铸件在均匀化退火后应再进行正火或完全退火。 3.5 去应力退火工艺
去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。一般可在A1点以下加热，保温2～4h后，缓冷至200～300℃ 再出炉空冷。
去应力退火适用于铸件、焊接件、锻轧件及机械加工件。铸件及焊接件一般用550～650℃,机械加工件则可用稍低些的温度。
钢的正火
正火是将钢加热到Ac3（或Accm）点以上30～50℃，保温适当时间后，在空气中冷却的热处理工艺。由于正火是将钢加热到完全奥氏体化状态，钢中的原始组织缺陷基本消失，然后再控制适当的冷却速度，因此正火组织中都是索氏体型的珠光体。 正火的目的:
正火与退火目的基本相同，但正火工艺冷速比退火快，得到的组织更细，强度和硬度都比退火高。因此主要用于中低碳钢以及低合金结构钢。 提高切削性能（提高低碳低合金钢的硬度）。 细化晶粒，提高综合机械性能。 切断锻造过热引起的组织遗传。
正火的加热温度在实际生产中常常略高一些，以促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性。表2 为常用钢材的正火温度及正火后硬度。
表2 常用钢材的正火温度和正火后硬度
Ac3
钢号
℃
正火温度
℃
正火后硬度
钢号
HBS
Ac3
℃
正火温度
℃
正火后硬度
HBS
890～920 870～900 880～920 800～900 840～870 850～870 870～900 830～870 850～870 ～880
≤156 ≤275 ≤370 ≤191 ≤226 ≤250 ≤300 248 ≤241 302
40CrNiMoA774820～830～900～～285 850～T8
－～～302
820～～310 850～～341 900～～415 970～～514
正火的加热速度、保温时间与完全退火相似。冷却方式应根据钢的成分、工件的尺寸和形状以及正火的性能要求而确定。对于一般小件可在空气中冷却，大件可用吹风冷却或喷雾冷却。但应注意对于一些高合金钢空气冷却已超过其临界冷却速度属于淬火而非正火。
正火的冷却速度比退火要快,可得到细密的珠光体(索氏体),钢的强度和硬度都比退火高。
表3 为45#钢退火、正火后的力学性能。
由于正火与退火相比周期短，节约能源，操作简便，并可获得较好的力学性能。所以在满足工件性能要求的条件下，一般采用正火。
表3 45、40Cr退火、正火后的力学性能
#、
力学性能
钢号
状态
抗拉强度 σbMpa 522 657－706 643 739
屈服强度 σ0.2Mpa 276 333 357 441
伸长率 δ% 32.5 15-18 27 21
断面收缩率 ψ% 49 45-50 57 54
硬度 HBS 160-200 170-240 197 225
45#
退火 正火 退火 正火
40Cr
图3 为碳钢的硬度与热处理的关系。图中阴影部分是适合一般切削加工的硬度范围。从图中可以看出，碳质量分数wc低于0.5% 的碳钢，宜采用正火；碳量质量分数wc 高于0.5% 的碳钢，宜采用退火；高碳钢宜采用球化退火。
图3 碳钢的硬度与热处理的关系
成分和硬度要求以及装炉量和冷却速度。
粒状贝氏体：一般是由块状或条状铁素体和岛状 图3 等温正火冷却示意图 物组成。这些岛状物被认为是由富碳奥氏体或其转变产物组成。大多收情况下是由奥氏体／马氏体组成。
〖注意〗：我们通常在低碳合金钢中看到的所谓“粒状贝氏体”有2种形态，即块状F和条状F形态的粒状贝氏体，他们的转变类型不一样，因此严格意义上他们之间有区别。我们把“具有条状F形态的粒状组织叫粒状贝氏体”；把“不具有贝氏体转变特征的块状F形态的岛状组织叫粒状组织”
20CrMoH P+F 400× 16909 等温正火
SAE8620 粒状贝氏体 400×
17401
油加热炉正火
20CrMo 粒状贝氏体 400× GY6驱动轴 油加热炉正火
粒状贝氏体 500×
20CrMnTi 880
℃风冷（空气潮湿）
粒状贝氏体
500× 20CrMnTi 920
℃
空冷
渗碳硬化齿轮毛坯的正火
目的：
改善切削性能→硬度、金相组织对切削性影响大；晶粒大小也有影响。 细化晶粒、消除混晶和带状组织→减小渗碳淬火处理变形→使得变形规律。 切断组织遗传→提高使用性能、减小变形。 要求：
20CrMo／20CrMoH ：
正火硬度160—207HB—→双环齿轮170－180HB 组织1－4级 GB/T13320－91 正火工艺：普通油炉加热正火900～930℃，960s推料周期，出炉强制风冷。 等温正火950℃×15min/盘＋热风强制冷却8min＋560℃等温。 20CrMnTi／20CrMnTiH：
正火硬度160—207HB—→双环齿轮160－180HB 组织1－4级 GB/T13320－91 模数大的汽车齿轮最低硬度可以放宽到156HB,但组织必须是等轴状P+F。 SAE8620H，MnCr5系列参见图纸要求。 〖特别说明〗：
Mn-Cr钢、Cr-Mo钢正火时容易出现粒状贝氏体，因此，普通正火采用较低温度容易控制金相组织。等温正火采用高温正火容易控制硬度。
具体的加热温度选择要考虑冷却条件、工件大小、装炉量、装炉方式等。
GB/T13320-91介绍
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
钢 质 模 锻 件 GB／T 13320—91
金相组织评级图及评定方法
Metallographic grading atlas and assessing method for steel die forgings
1 主题内容与适用范围
本标准规定了钢质模锻件的金相组织评级图(以下简称评级图)及评定方法。
本标准适用于经调质处理或正火处理后的汽车、拖拉机、通用机械等结构钢锻件。其他产品的结构钢模锻件，也可参照使用。
本标准不适用于对锻件脱碳、过热、过烧等组织的评定。 2 评级图的分组与分级
评级图分为以下四组，每组分为8级。
第一组评级图，见图1：适用于钢号为35、40、45、50、55等中碳结构钢的正火处理锻件。 第二组评级图，见图2：适用于钢号为20CrMnTi、20Mn2TiB及其他组织相近的低碳低合金结构钢(渗碳钢)的正火处理锻件。
第三组评级图，见图3：适用于钢号35、40、45、50、55等中碳结构钢的调质处理锻件。 第四组评级图，见图4：适用于钢号40Cr、45Cr、40MnB、45MnB、45Mn2及其他组织相近的中碳低合金结构钢调质处理锻件。 3 评级图的应用
3.1 评级图中各类金相组织的合格级别根据锻件的设计条件或由供需双方协商决定。 3.2 对于同一锻件的不同部位，以及同一部位的边部或心部可给出不同的金相组织级别。 4 试样的选取与制备
4.1 取样部位应是零件的关键部位或能够反映锻件热处理质量的部份。表明取样部位的示例参见附录A(参考件)。
取样部位一般为一处；锻件截面变化较大时，也可以取有代表性的两处。 4.2 试样的截取
4.2.1 取样部位截面上的最大尺寸小于40mm时，取整个截面作为试样。
4.2.2 取样部位截面上的最大尺寸为40～60mm时，取超过截面中心的部位截面作为试样。 国家技术监督局 1991－12－13 批准 1992－10－01 实施。
GB/T 13320－91
4.2.3 取样部位截面上的最大尺寸大于60mm时，可在边部及心部分别取样，试样的长度及宽度均不应小于15mm
4.3 试样应在冷态下用机械方法切取。若用气割或热切等方法切取时，必须将热影响区完全去除。
4.4 试样抛光后用含有体积分数为2％～5％的硝酸酒精溶液浸蚀。 5 显微组织的评定
5.1 显微组织按1～8级评定，当被评定的金相组织介于两个级别之间时，也可用半级表示，如 3.5级、5.5级等。
5.2 正火锻件的显微组织在金相显微镜下放大100倍观察，取其最差组织按第一评级图（图1）或第二评级图（图2）予以评定。
边部金相组织是指距锻件表面1～5mm范围内的组织。心部组织是指锻件截面中心附近的组织。
5.3 调质锻件的显微组织在金相显微镜下放大500倍观察，取其最差组织按第三评级图（图3）或第四评级图（图4）予以评定。
边部金相组织，对于碳素结构钢是指距锻件表面1～3mm、对于合金结构钢是指距离锻件表面1～4mm范围内的组织。心部金相组织一般是指锻件截面中心附近的组织，锻件截面尺寸大于60mm时，取距表面不小于20mm处作为心部组织。
第一评级图 中碳结构钢正火处理组织 (×100)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
显 微 组 织
珠光体+铁素体、晶粒均匀 珠光体+铁素体、晶粒较均匀 珠光体+铁素体、晶粒碎化
珠光体+铁素体，有少量未充分转变的锻造状态组织珠光体+铁素体，有未充分转变的锻造状态组织 珠光体+铁素体，为不完全正火状态组织 珠光体+明显网状铁素体、混合晶粒 珠光体+铁素体，基体为锻造状态组织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第二评级图 低碳低合金结构钢(渗碳钢)正火处理组织 (×100)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
显 微 组 织
珠光体+铁素体、呈等轴晶粒分布 珠光体+铁素体，晶粒较均匀 珠光体+铁素体，有部分细碎晶粒 珠光体+铁素体，晶粒细碎组织不够均匀 珠光体+铁素体+少量粒状贝氏体、局部混晶 珠光体+铁素体+粒状贝氏体，混合晶粒 铁素体+珠光体+粒状贝氏体、混合晶粒 铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第三评级图 中碳结构钢调质处理组织 (×500)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
回火索氏体
回火索氏体+极少量托氏体+极少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+部分条状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状铁素体 托氏体+回火索氏体+条状及网状铁素体 托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 索氏体+珠光体+断续网状铁素体
显 微 组 织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第四评级图 中碳低合金结构钢调质处理组织 (×500)
级 别
1 2 3 4 5 6 7 8
回火索氏体
回火索氏体+极少量铁素体 回火索氏体+少量铁素体
回火索氏体+条状及少量块状铁素体 回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状及较大块状铁素 托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 珠光体+索氏体+网状及块状铁素体
显 微 组 织
图 号
1 2 3 4 5 6 7 8
第一评级图 中碳结构钢正火处理组织 (×100)
珠光体+铁素体、晶粒均匀 珠光体+铁素体、晶粒较均匀 图1 1级 图2 2级
珠光体+铁素体、晶粒碎化 珠光体+铁素体，有少量未充分转
变的锻造状态组织
图3 3级 图4 4级
珠光体+铁素体，有未充分转变的锻造状态组织 珠光体+铁素体，为不完全正火状态组织 图5 5级 图6 6级
珠光体+明显网状铁素体、混合晶粒 珠光体+铁素体，基体为锻造状态组织 图7 7级 图8 8级
第二评级图 低碳低合金结构钢(渗碳钢)正火处理组织 (×100)
珠光体+铁素体、呈等轴晶粒分布 珠光体+铁素体，晶粒较均匀 图1 1级 图2 2
级
珠光体+铁素体，有部分细碎晶粒 珠光体+铁素体，晶粒细碎组织不够均匀 图3 3级 图4 4级
珠光体+铁素体+少量粒状贝氏体、局部混晶 珠光体+铁素体+粒状贝氏体，混合晶粒 图5 5级 图6 6级
铁素体+珠光体+粒状贝氏体、混合晶粒 铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体 图7 7级 图8 8级
第三评级图 中碳结构钢调质处理组织 (×500)
回火索氏体 回火索氏体+极少量托氏体+极少量铁素体
图1 1级 图2 2级
回火索氏体+少量托氏体+少量铁素体 回火索氏体+少量托氏体+部分条状铁素体 图3 3级 图4 4级
回火索氏体+托氏体+条状铁素体 托氏体十回火索氏体+条状及网状铁素体 图5 5级 图6 6级
托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 索氏体+珠光体+断续网状铁素体 图7 7级 图8 8级
第四评级图 中碳低合金结构钢调质处理组织 (×500)
回火索氏体 回火索氏体+极少量铁素体
图1 1级 图2 2级
回火索氏体+少量铁素体 回火索氏体+条状及少量块状铁素体
图3 3级 图4 4级
回火索氏体+部分托氏体+条状及块状铁素体 回火索氏体+托氏体十条状及较大块状铁素体 图5 5级 图6 6级
托氏体+回火索氏体+条状及块状铁素体 珠光体+索氏体+网状及块状铁素体 图7 7级 图8 8级