钢的正火：为何比传统工艺更能铸就钢铁传奇？

钢的正火：为何比传统工艺更能铸就钢铁传奇？

在现代金属材料加工领域，热处理工艺对于钢材性能的优化起着至关重要的作用。其中，钢的正火作为一种经典且广泛应用的热处理方法，犹如一把神奇的 “钥匙”，开启了提升钢材性能的新通道。正火工艺在钢材的生产和加工过程中占据着独特的地位，它不仅与退火工艺有着千丝万缕的联系，更以其独特的冷却速度和处理效果，为钢材赋予了更优异的性能，满足了各种复杂工程环境下对钢材质量的严格要求。

从本质上讲，正火可以看作是一种特殊形式的退火处理，然而，其冷却速度相较于退火更快。这种看似细微的差异却导致了钢材组织结构和性能上的显著变化。正火能够使钢材获得更为细密的组织，进而展现出更高的硬度和强度，这一系列特点为其在众多领域的广泛应用奠定了坚实的基础。无论是在机械制造、汽车工业还是建筑工程等领域，正火工艺都在默默地发挥着不可或缺的作用，为提高钢材质量和产品性能保驾护航。

正火概述

钢的正火是一种特殊的退火情况，冷却速度快于退火，能获得更细的组织和较高的硬度强度。正火是将钢构件加热到 Ac3 温度以上 30〜50℃后，保温一段时间出炉空冷。例如，含碳小于 0.4% 时，可用正火代替完全退火。正火时可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性（AKV 值），降低构件的开裂倾向。一些低合金热轧钢板、低合金钢锻件与铸造件经正火处理后，材料的综合力学性能可以大大改善，而且也改善了切削性能。

正火的冷却速度较退火快，得到的珠光体组织的片层间距较小，珠光体更为细薄。对于含碳量低于 0.25% 的低碳钢，正火后达到的硬度适中，比退火更便于切削加工，一般均采用正火为切削加工作准备。对含碳量为 0.25～0.5% 的中碳钢，正火后也可以满足切削加工的要求。对于用这类钢制作的轻载荷零件，正火还可以作为最终热处理。高碳工具钢和轴承钢正火是为了消除组织中的网状碳化物，为球化退火作组织准备。

正火生产周期较短，设备利用率较高，节约能源，成本较低，因此得到了广泛的应用。正火主要用于钢铁工件，一般钢铁正火与退火相似，但冷却速度稍大，组织较细。有些临界冷却速度很小的钢，在空气中冷却就可以使奥氏体转变为马氏体，这种处理不属于正火性质，而称为空冷淬火。与此相反，一些用临界冷却速度较大的钢制作的大截面工件，即使在水中淬火也不能得到马氏体，淬火的效果接近正火。钢正火后的硬度比退火高。

正火的作用

改善切削加工性能

对于低碳钢和低合金钢而言，正火可以提高其硬度，使其达到 HB140 - 190，避免切削时的 “粘刀” 现象，改善切削加工性能。例如，对于含碳量低于 0.25% 的低碳钢，正火后硬度适中，比退火更便于切削加工。对于中碳钢，正火可代替调质处理作为最终热处理，也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备处理，减少钢件的变形并降低加工成本。正火操作简便，生产周期短，设备利用率高，节约能源，成本较低，在生产中得到了广泛应用。

消除热加工缺陷

在中碳钢中，正火可以消除过热缺陷和带状组织。对于过共析钢，正火能够消除网状碳化物，为球化退火做好组织准备。例如，一些低合金热轧钢板、低合金钢锻件与铸造件经正火处理后，材料的综合力学性能大大改善，切削性能也得以提升。正火时冷却速度快于退火，可在稍快的冷却中使钢材的结晶晶粒细化，不但可得到满意的强度，而且可以明显提高韧性，降低构件的开裂倾向。

提高普通结构件性能

对于一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢结构件，正火可以提高其综合机械性能。正火后的组织更为细薄，珠光体组织的片层间距较小，使得钢的强度、硬度和韧性得到提高。例如，对于普通结构零件，由于正火后工件比退火状态具有更好的综合力学性能，可将正火作为最终热处理，以减少工序、节约能源、提高生产效率。对于一些大型的或形状较复杂的零件，当淬火有开裂的危险时，正火往往可以代替淬火、回火处理，作为最终热处理。

用于铸铁件

正火可用于铸铁件，增加基体的珠光体量，提高铸件的强度和耐磨性。例如，对于球墨铸铁，正火可使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。

正火的工艺参数

加热温度

不同含碳量的钢有不同的加热温度范围，如低碳钢为 Ac3+(100～150)℃等。对于中碳钢，加热温度一般为 Ac3+(50～100)℃；高碳钢则是 Acm+(30～50)℃。亚共析钢为 Ac3+(30～80)℃，共析钢及过共析钢为 Acm+(30～50)℃。以 45 钢为例，45 钢是中碳钢，含碳量约为 0.42 - 0.50%，正火加热温度通常在 840 - 880°C 之间。Andrews 通过对大量试验数据进行回归分析，获得了根据钢的化学成分计算 Ac1 和 Ac3 温度的经验公式：A (℃)=910 - 203C - 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo + 13.1W；Ac3 (℃)=723 – 10.7Mn – 13.9Ni + 29Si + 16.9Cr + 290As + 6.38W。式中的元素符号代表其含量（质量分数），适用钢的成分范围为：≤0.6C，≤4.9Mn，≤5Cr，≤5Ni，≤5.4Mo。

加热时间

公式为 τ=KD，D 为工件厚度，K 为系数，还需考虑钢材、原始组织等因素。K 值的经验数据如下：在箱式炉中，碳素钢加热温度为 800～950℃时，K 值为 50～60s/mm；合金钢加热温度为 800～950℃时，K 值为 60～70s/mm。在盐浴炉中，碳素钢加热温度为 800～950℃时，K 值为 15～25s/mm；合金钢加热温度为 800～950℃时，K 值为 20～30s/mm。为了估算方便起见，计算淬火加热时间多采用下列经验公式：不经预热时，t = a・K・D；经一次预热时，t = (a + b)・K・D；经二次预热时，t = (a + b + c)・K・D。式中 t— 加热时间（min）；a— 到达淬火温度的加热系数（min/mm）。

冷却方式

一般在静止空气中冷却，大件可采用吹风或喷水雾等方法，控制冷却速度。正火冷却通常采用空冷方式，如交叉滚子轴承加工冷却工艺中，钢正火时一般采用在空气中冷却。对于一些大型工件，为了控制冷却速度，可以采用吹风或喷水雾的方法。中厚板正火后控冷工艺中，在热处理炉后增加冷却装置，通过控制正火后的冷却速度，降低钢板的相变温度，抑制微合金元素碳氮化物的长大，提高屈服强度和抗拉强度。一种锻钢件的正火冷却方法中，采用匀速冷却液，先采用匀速冷却液冷却到适当温度，而后把锻钢件转到等温炉中完成等温转变，克服了现行使用的特定装置中的快速风冷方法在使用范围上的局限性和冷却不均匀性。

正火的应用领域

改善钢的切削加工性能

对于含碳量低于 0.25% 的碳素钢和低合金钢，正火能够有效提高其硬度，使其达到 HB140 - 190 的范围。这一硬度范围避免了切削加工时的 “粘刀” 现象，显著改善了刀具的寿命和工件的表面光洁程度。例如，在实际生产中，大量含碳量低于 0.25% 的低碳钢工件，经过正火处理后，切削加工变得更加顺畅，刀具的磨损速度明显降低。据统计，经过正火处理的低碳钢工件，刀具的使用寿命可提高 30% 左右，同时工件的表面光洁度也能提升一个等级，满足了更高的加工精度要求。

消除热加工缺陷

中碳结构钢在铸、锻、轧件以及焊接件的热加工过程后，容易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。正火处理可以有效地消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。例如，在某机械制造企业中，一批中碳结构钢的铸件在热加工后出现了明显的过热缺陷和带状组织。经过正火处理后，晶粒得到细化，组织变得均匀，内应力也大大降低。经检测，正火后的铸件力学性能得到显著提升，强度提高了 20%，韧性提高了 15%。

消除过共析钢的网状碳化物

过共析钢在淬火之前通常要进行球化退火，以便于机械加工并为淬火作好组织准备。但当过共析钢中存在严重网状碳化物时，将达不到良好的球化效果。通过正火处理可以消除网状碳化物，为球化退火创造有利条件。例如，在某工具制造企业中，过共析钢在未经正火处理时，网状碳化物严重，球化效果不佳，导致后续加工困难。经过正火处理后，网状碳化物被消除，球化效果明显改善，为后续的淬火处理奠定了良好的组织基础。

提高普通结构零件机械性能

一些受力不大、性能要求不高的碳钢和合金钢零件可以采用正火处理，作为零件的终热处理，达到一定的综合力学性能。正火后的组织更为细薄，珠光体组织的片层间距较小，使得钢的强度、硬度和韧性得到提高。例如，在某建筑结构中，一些普通结构钢零件采用正火处理作为终热处理，不仅满足了力学性能要求，而且减少了工序，节约了能源。经测试，正火处理后的零件强度提高了 10%，硬度提高了 8%，韧性提高了 5%，综合力学性能得到了有效提升。

正火与其他热处理工艺比较

与退火组织性能比较

正火与退火得到的都是珠光体型组织，但正火组织比退火组织细。例如，T8 钢退火后为粗片状珠光体，片间距为 0.5μm，而正火后为细片状珠光体，片间距为 0.2μm。45 钢退火后的组织为 45% 铁素体 + 55% 珠光体，而正火后的组织为 30% 铁素体 + 70% 珠光体。对于过共析钢而言，退火后的组织为珠光体 + 网状碳化物；而正火时网状碳化物的析出受到抑制，从而得到全部细珠光体组织，或沿晶界仅析出一部分条状碳化物（不连续网状）。正常加热时，退火或正火均使钢的晶粒细化，但如果加热温度过高，奥氏体晶粒粗大，则正火后易形成魏氏组织，而退火后形成粗晶粒组织。钢中合金元素含量不高时，经退火与正火后组织均为铁素体与渗碳体的混合物，但正火后组织的弥散度大，故硬度、强度较高。

与退火的选用

对退火、正火工艺的选用，应该根据钢成分、前后连接的冷、热加工工艺、以及最终零件使用条件等来进行。一般来说，含碳量＜0.25％的低碳钢，通常采用正火代替退火。因为较快的冷却速度可以防止低碳钢沿晶界析出游离三次渗碳体，从而提高冲压件的冷变形性能，用正火可以提高钢的硬度，低碳钢的切削加工性能，在没有其它热处理工序时，用正火可以细化晶粒，提高低碳钢强度。含碳量在 0.25～0.5％之间的中碳钢也可用正火代替退火，虽然接近上限碳量的中碳钢正火后硬度偏高，但尚能进行切削加工，而且正火成本低、生产率高。含碳量在 0.5～0.75％之间的钢，因含碳量较高，正火后的硬度显著高于退火的情况，难以进行切削加工，故一般采用完全退火，降低硬度，改善切削加工性。含碳量＞0.75％的高碳钢或工具钢一般均采用球化退火作为预备热处理，如有网状二次渗碳体存在，则应先进行正火消除。退火是将工件加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。缓冷是退火的主要特点，退火件一般随炉冷却至 550℃以下时出炉空冷。退火是应用非常广泛的热处理，在工模具或机械零件等的制造过程中，经常作为预备热处理安排在铸锻焊之后，切削（粗）加工之前，用以消除前一道工序所带来的某些缺陷，并为随后的工序做好准备。