退火（金属热处理工艺）-趣爱秀

定义

将金属加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。

目的

(1) 降低硬度，改善切削加工性.

(2)降低残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；

(3)细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。

(4)均匀材料组织和成分，改善材料性能或为以后热处理做组织准备。

在生产中，退火工艺应用很广泛。根据工件要求退火的目的不同，退火的工艺规范有多种，常用的有完全退火、球化退火、和去应力退火等。

方法

退火的一个最主要工艺参数是最高加热温度（退火温度），大多数合金的退火加热温度的选择是以该合金系的相图为基础的，如碳素钢以铁碳平衡图为基础（图1）。各种钢(包括碳素钢及合金钢)的退火温度，视具体退火目的的不同而在各该钢种的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一温度。各种非铁合金的退火温度则在各该合金的固相线温度以下、固溶度线温度以上或以下的某一温度。

重结晶退火(完全退火)

应用于平衡加热和冷却时有固态相变(重结晶)发生的合金。其退火温度为各该合金的相变温度区间以上或以内的某一温度。加热和冷却都是缓慢的。合金于加热和冷却过程中各发生一次相变重结晶，故称为重结晶退火，常被简称为退火。

这种退火方法，相当普遍地应用于钢。钢的重结晶退火工艺是：缓慢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢或过共析钢）以上30～50℃，保持适当时间，然后缓慢冷却下来。通过加热过程中发生的珠光体（或者还有先共析的铁素体或渗碳体）转变为奥氏体（第一回相变重结晶）以及冷却过程中发生的与此相反的第二回相变重结晶，形成晶粒较细、片层较厚、组织均匀的珠光体(或者还有先共析铁素体或渗碳体)。退火温度在Ac3以上（亚共析钢）使钢发生完全的重结晶者，称为完全退火，退火温度在Ac1与Ac3之间(亚共析钢)或Ac1与Acm之间（过共析钢），使钢发生部分的重结晶者，称为不完全退火。前者主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊件，以消除组织缺陷（如魏氏组织、带状组织等），使组织变细和变均匀，以提高钢件的塑性和韧性。后者主要用于中碳和高碳钢及低合金结构钢的锻轧件。此种锻、轧件若锻、轧后的冷却速度较大时，形成的珠光体较细、硬度较高；若停锻、停轧温度过低，钢件中还有大的内应力。此时可用不完全退火代替完全退火，使珠光体发生重结晶，晶粒变细，同时也降低硬度，消除内应力，改善被切削性。此外，退火温度在Ac1与Acm之间的过共析钢球化退火，也是不完全退火。

重结晶退火也用于非铁合金，例如钛合金于加热和冷却时发生同素异构转变，低温为α相(密排六方结构)，高温为β相（体心立方结构），其中间是“α+β”两相区，即相变温度区间。为了得到接近平衡的室温稳定组织和细化晶粒，也进行重结晶退火，即缓慢加热到高于相变温度区间不多的温度，保温适当时间，使合金转变为β相的细小晶粒；然后缓慢冷却下来，使β相再转变为α相或α+β两相的细小晶粒。

不完全退火

不完全退火是将铁碳合金加热到Ac1-Ac3之间温度，达到不完全奥氏体化，随之缓慢冷却的退火工艺。

不完全退火主要适用于中、高碳钢和低合金钢锻轧件等，其目的是细化组织和降低硬度，加热温度为Ac1+(40-60)℃，保温后缓慢冷却。

等温式

应用于钢和某些非铁合金如钛合金的一种控制冷却的退火方法。对钢来说，是缓慢加热到Ac3（亚共析

钢）或Ac1（共析钢和过共析钢）以上不多的温度，保温一段时间，使钢奥氏体化，然后迅速移入温度在A1以下不多的另一炉内，等温保持直到奥氏体全部转变为片层状珠光体（亚共析钢还有先共析铁素体；过共析钢还有先共析渗碳体）为止，最后以任意速度冷却下来(通常是出炉在空气中冷却)。等温保持的大致温度范围在所处理钢种的等温转变图上A1至珠光体转变鼻尖温度这一区间之内(见过冷奥氏体转变图)；具体温度和时间，主要根据退火后所要求的硬度来确定（图2）。等温温度不可过低或过高，过低则退火后硬度偏高；过高则等温保持时间需要延长。钢的等温退火的目的，与重结晶退火基本相同，但工艺操作和所需设备都比较复杂，所以通常主要是应用于过冷奥氏体在珠光体型相变温度区间转变相当缓慢的合金钢。后者若采用重结晶退火方法，往往需要数十小时，很不经济；采用等温退火则能大大缩短生产周期，并能使整个工件获得更为均匀的组织和性能。等温退火也可在钢的热加工的不同阶段来用。例如，若让空冷淬硬性合金钢由高温空冷到室温时，当心部转变为马氏体之时，在已发生了马氏体相变的外层就会出现裂纹；若将该类钢的热钢锭或钢坯在冷却过程中放入700℃左右的等温炉内，保持等温直到珠光体相变完成后，再出炉空冷，则可免生裂纹。

含β相稳定化元素较高的钛合金，其β相相当稳定，容易被过冷。过冷的β相，其等温转变动力学曲线（图3）与钢的过冷奥氏体等温转变图相似。为了缩短重结晶退火的生产周期并获得更细、更均匀的组织，亦可采用等温退火。

均匀化

亦称扩散退火。应用于钢及非铁合金（如锡青铜、硅青铜、白铜、镁合金等）的铸锭或铸件的一种退火

方法。将铸锭或铸件加热到各该合金的固相线温度以下的某一较高温度，长时间保温，然后缓慢冷却下来。均匀化退火是使合金中的元素发生固态扩散，来减轻化学成分不均匀性（偏析），主要是减轻晶粒尺度内的化学成分不均匀性（晶内偏析或称枝晶偏析）。均匀化退火温度所以如此之高，是为了加快合金元素扩散，尽可能缩短保温时间。合金钢的均匀化退火温度远高于Ac3，通常是1050～1200℃。非铁合金锭进行均匀化退火的温度一般是“0.95×固相线温度(K)”，均匀化退火因加热温度高，保温时间长，所以热能消耗量大。

球化

只应用于钢的一种退火方法。将钢加热到稍低于或稍高于Ac1的温度或者使温度在A1上下周期变化，然后缓冷下来。目的在于使珠光体内的片状渗碳体以及先共析渗碳体都变为球粒状，均匀分布于铁素体基体中(这种组织称为球化珠光体)。具有这种组织的中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大。对工具钢来说，这种组织是淬火前最好的原始组织。

去应力式

去应力退火是将工件加热到Ac1以下的适当温度（非合金钢在500~600℃），保温后随炉冷却的热处理工艺称为去应力退火。去应力加热温度低，在退火过程中无组织转变，主要适用于毛坯件及经过切削加工的零件，目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力，稳定工件尺寸及形状，减少零件在切削加工和使用过程中的形变和裂纹倾向。

退火技术

半导体芯片退火

半导体芯片在经过离子注入以后就需要退火。因为往半导体中注入杂质离子时，高能量的入射离子会与半导体晶格上的原子碰撞，使一些晶格原子发生位移，结果造成大量的空位，将使得注入区中的原子排列混乱或者变成为非晶区，所以在离子注入以后必须把半导体放在一定的温度下进行退火，以恢复晶体的结构和消除缺陷。同时，退火还有激活施主和受主杂质的功能，即把有些处于间隙位置的杂质原子通过退火而让它们进入替代位置。退火的温度一般为200~800C，比热扩散掺杂的温度要低得多。

蒸发电极金属退火

蒸发电极金属以后需要进行退火，使得半导体表面与金属能够形成合金，以接触良好（减小接触电阻）。这时的退火温度要选取得稍高于金属-半导体的共熔点（对于Si-Al合金，为570度）。