前言
球化退火的目的，我们都知道是希望获得球状珠光体，以便于工件冷整型或者为了减少最终热处理时的变形趋势。而球化退火工艺常用的有一次球化退火、等温球化退火和循环球化退火，它们有各自的优缺点。
本期文章主要和大家分享几点影响钢中碳化物球化的因素，以便于我们能够深入的理解球化退火工艺。
一、化学成分的影响
碳对钢中碳化物球化具有重要影响。一般而言，钢中含碳越高、碳化物数量越多，可在较宽的奥氏体化温度范围内加热并易于球化。高碳钢较低碳钢更容易获得球状珠光体，此点也可通过下列实验结果说明。
图1 不同含碳量钢循环球化退火的效果
○-一次循环；△-二次循环；□-三次循环
图1是不同含碳量的钢循环球化退火次数对球化后硬度的影响。先将试样在950℃或850℃奥氏体化后，再快冷到700℃，保温一定时间，再重新加热到760℃，停留，作为一个循环周期，冷速控制在1℃/min。经过不同循环次数退火后，从硬度的变化可以明显看出，含碳量大于0.80%时，一次循环退火与三次循环退火的效果比较接近，说明高碳钢更容易实现碳化物的球状化。
合金元素对碳化物球化过程影响的规律比较复杂，因为合金元素（特别是形成碳化物的合金元素）将影响碳化物的成分、结构，和在奥氏体中的溶解度，碳在钢中的扩散以及合金元素本身的再分配等过程，从而对球化过程发生复杂影响。
在含有合金元素硅、镍、锰、铬、铜、铝、钼、钴、钒、钨（含量0.5-2%）的过共析钢（含碳0.9-1.0%）中，对碳化物球化的一般规律研究表明，钢中若没有碳化物形成元素，则球化较快；反之，加入碳化物形成元素将使球化变慢。其阻碍作用的程度与合金元素形成碳化物的强烈程度成正比。显然，减慢作用首先是由于合金元素本身在奥氏体中的扩散激活能较高；其次，它们将降低碳在奥氏体中的扩散系数有关。
二、原始组织的影响
球化退火前原始组织的类型、晶粒粗细、以及自由铁素体、碳化物的大小、形状、数量和分布等均显著影响球化过程。
淬火马氏体是均匀的过饱和固溶体，在A1以下的较高温度回火时将使碳化物析出，并聚集长大而获得球状碳化物。在这种状态下，球化速度比较快，而且球化组织均匀。当采用缓慢冷却法进行球化退火时，球化退火的效果与原始组织有很大关系，如亚共析钢原始组织为大块状铁素体与珠光体的混合组织，经过缓冷球化退火后，在组织中碳化物分布极不均匀。
增加循环退火的次数可使晶粒细化，并使亚共析钢碳化物分布有所改善。原始组织为贝氏体、屈氏体时，则比粗片状珠光体容易获得均匀细小的球状碳化物。
图2 含碳1.2%钢的球化退火组织
左边——球化不完全，二次渗碳体仍呈网状断续分布；右边——球化不均匀，二次渗碳体呈块状分布
过共析钢中的二次碳化物呈网状存在时很难球化（如图2所示）。为了消除网状碳化物，可在球化退火前进行一次正火处理或高温固溶处理。球化处理后的组织见图3所示。
图3 含碳1.2%钢的球化退火组织
左边——正火+球化退火，二次渗碳体已呈颗粒状；右边——＞Acm高温固溶处理，＜A1高温回火，完全均匀的球化组织
原始组织若经过冷变形、温锻形变加工，将显著促进球状碳化物的形成。
三、加热温度与保温时间的影响
提高加热温度及延长保温时间，可增加碳化物在钢中固溶度，残余碳化物减少，有可能导致形成层状珠光体。因此，若采用缓冷，等温退火或循环退火等球化工艺时，务必严格控制奥氏体化温度使其在最适当的范围内。
图4 含碳1.06%、含铬1.40%钢，930℃正火后在不同温度下奥氏体化，进行等温球化退火时，球状珠光体可能形成的温度范围
图4表示含碳量1.06%、含铬量1.40%的轴承钢，经930℃正火，再在不同奥氏体化温度加热并过冷到不同温度进行等温球化退火对珠光体组织形态的影响。可以看出，奥氏体化温度从760℃提高到840℃时将全部得到层状珠光体。
不同含碳量的碳钢合适的球化温度见图5。虚线部分是推荐的球化温度范围。钢的含碳量愈高，允许的球化加热温度范围愈宽。
图5 含碳量与最佳球化温度范围的关系
若采用＜A1温度长时间保温的球化退火，升高球化温度，则球化速度可增加，特别当原始组织是马氏体或贝氏体时尤为显著。片状珠光体在＜A1温度长期保温进行球化，则较上述组织要困难得多，除非经过冷加工形变使片状碳化物预先碎化。
图6 含碳0.89%的钢，球化退火时间与退火后硬度的关系（在600-700℃不同温度下等温）
图6是含碳0.89%钢在不同球化温度下球化退火时间与退火后硬度的关系。当球化温度一定时，球化退火时间过长，碳化物粒度变粗，硬度下降；相同的球化时间，球化温度低的硬度较高。
四、冷却速度的影响
用缓冷法进行球化退火时，冷却速度是能否得到球化组织的重要因素之一。由于冷却速度决定了过冷奥氏体转变的温度Ar1。冷速快，转变温度低，此时碳及铁原子的扩散就更加困难，从而使碳化物球化时的临界扩散距离减少。相关文献指出，在钢中也存在着形成球状-层状（板状、杆状）碳化物的临界冷速。奥氏体化温度升高时，该临界冷速减小，使球化更加困难。在工业上采用的缓冷球化退火的冷速控制在10-20℃/h之间。
图7 含碳0.99%、铬1.40%钢，在冷却过程中碳化物尺寸的变化（780℃加热5h，10-100℃/h冷速冷却到上述横坐标指示温度）
缓冷球化退火工艺的冷却速度还影响到球状碳化物形成的尺寸。图7的横坐标表示冷却到的温度，纵坐标表示碳化物粒子尺寸（直径）。随冷却速度逐步下降，碳化物粒子尺寸逐渐增大，特别是在740-720℃之间长大最快。当冷却到小于680-700℃时长大趋于平衡。在曲线上表明的是不同冷速的数字。碳化物粒子尺寸依冷却速度增加而减小，这显然是由于在快冷时扩散收到抑制的结果。
五、形变的影响
层状珠光体经过塑性变形可以加速球化过程。表1是用含碳0.8%碳钢在1040℃奥氏体化后，再经过700℃4小时的等温退火获得层状珠光体组织，然后在室温下进行20%、40%、50%的冷加工变形使层状珠光体碎化，并分别在600℃、650℃、700℃进行球化退火，用球化率（e）达到95%时所需的时间表示。可以看出增加形变度及提高退火温度，均提高球化速度。
表1 不同形变度及温度对共析钢球化速率的影响
来源：与君漫谈热处理