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熱處理知識

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熱處理名詞:

金屬:具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性并且其導電能力隨溫度的增高而減小,富有延性和展性等特性的物質。金屬內部原子具有規律性排列的固體(即晶體)。

合金:由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成,具有金屬特性的物質。

相:指金屬或合金中化學成分相同、結構相同,或原子聚集狀態相同,并與其他部分之間有明確界面的獨立均勻組成部分。

組織:指用肉眼可直接觀察的,或用放大鏡、顯微鏡能觀察分辨的材料內部微觀形貌圖像。

固溶體:是一個(或幾個)組元的原子(化合物)溶入另一個組元的晶格中,而仍保持另一組元的晶格類型的固態金屬晶體,固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。

固溶強化:由于溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點,使晶格發生畸變,使固溶體硬度和強度升高,這種現象叫固溶強化現象。

化合物:合金組元間發生化合作用,生成一種具有金屬性能的新的晶體固態結構。

機械混合物:由兩種晶體結構而組成的合金組成物,雖然是兩面種晶體,卻是一種組成成分,具有獨立的機械性能。

鐵素體:碳在α-Fe(體心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。

奧氏體:碳在β-Fe(面心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。

滲碳體:碳和鐵形成的穩定化合物(Fe3c)。

珠光體:鐵素體和滲碳體組成的機械混合物(F+Fe3c 含碳0.8%)

萊氏體:滲碳體和奧氏體組成的機械混合物(含碳4.3%)

金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一,與其他加工工藝相比,熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分,而是通過改變工件內部的顯微組織,或改變工件表面的化學成分,賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量,而這一般不是肉眼所能看到的。

為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能,除合理選用材料和各種成形工藝外,熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料,鋼鐵顯微組織復雜,可以通過熱處理予以控制,所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內容。另外,鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學、物理和化學性能,以獲得不同的使用性能。 

在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中,熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770至前222年,中國人在生產實踐中就已發現,銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而 變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。 

公元前六世紀,鋼鐵兵器逐漸被采用,為了提高鋼的硬度,淬火工藝遂得到迅速發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟,其顯微組織中都有馬氏體存在,說明是經過淬火的。 

隨著淬火技術的發展,人們逐漸發現淬冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀,相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了,同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206~公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.15~0.4%,而表面含碳量卻達0.6%以上,說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人“手藝”的秘密,不肯外傳,因而發展很慢。 

1863年,英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織,證明了鋼在加熱和冷卻時,內部會發生組織改變,鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論,以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖,為現代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時,人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法,以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。 

1850~1880年,對于應用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889~1890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。 

二十世紀以來,金屬物理的發展和其他新技術的移植應用,使金屬熱處理工藝得到更大發展。一個顯著的進展是1901~1925年,在工業生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳 ;30年代出現露點電位差計,使爐內氣氛的碳勢達到可控,以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法;60年代,熱處理技術運用了等離子場的作用,發展了離子滲氮、滲碳工藝 ;激光、電子束技術的應用,又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。 

金屬熱處理的工藝

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程,有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接,不可間斷。 

加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多,最早是采用木炭和煤作為熱源,進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制,且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱,也可以通過熔融的鹽或金屬,以至浮動粒子進行間接加熱。 

金屬加熱時,工件暴露在空氣中,常常發生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低),這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱,也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。 

加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一,選擇和控制加熱溫度 ,是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異,但一般都是加熱到相變溫度以上,以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時間,因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時,還須在此溫度保持一定時間,使內外溫度一致,使顯微組織轉變完全,這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時,加熱速度極快,一般就沒有保溫時間,而化學熱處理的保溫時間往往較長。 

冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟,冷卻方法因工藝不同而不同,主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢,正火的冷卻速度較快,淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求,例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。 

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同,每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝,可獲得不同的組織,從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬,而且鋼鐵顯微組織也最為復雜,因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。 

整體熱處理是對工件整體加熱,然后以適當的速度冷卻,以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。 

退火是將工件加熱到適當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然后進行緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,獲得良好的工藝性能和使用性能,或者為進一步淬火作組織準備。

正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻,正火的效果同退火相似,只是得到的組織更細,常用于改善材料的切削性能,也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

淬火是將工件加熱保溫后,在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬,但同時變脆。

為了降低鋼件的脆性,將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650攝氏度的某一適當溫度進行長時間的保溫,再進行冷卻,這種工藝稱為回火。

退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”,其中的淬火與回火關系密切,常常配合使用,缺一不可。 

“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同,又演變出不同的熱處理工藝 。為了獲得一定的強度和韌性,把淬火和高溫回火結合起來的工藝,稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后,將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間,以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。 

把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行,使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理;在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理,它不僅能使工件不氧化,不脫碳,保持處理后工件表面光潔,提高工件的性能,還可以通入滲劑進行化學熱處理。 

表面熱處理是只加熱工件表層,以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部,使用的熱源須具有高的能量密度,即在單位面積的工件上給予較大的熱能,使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理,常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。 

化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?;瘜W熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分?;瘜W熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(氣體、液體、固體)中加熱,保溫較長時間,從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后,有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火?;瘜W熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。 

熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。大體來說,它可以保證和提高工件的各種性能 ,如耐磨、耐腐蝕等。還可以改善毛坯的組織和應力狀態,以利于進行各種冷、熱加工。 

例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵,提高塑性 ;齒輪采用正確的熱處理工藝,使用壽命可以比不經熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高;另外,價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能,可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼;工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。

退火---淬火---回火 

一.退火的種類 

1. 完全退火和等溫退火 

完全退火又稱重結晶退火,一般簡稱為退火,這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄,鍛件及熱軋型材,有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重工件的最終熱處理,或作為某些工件的預先熱處理。 

2. 球化退火 

球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼(如制造刃具,量具,模具所用的鋼種)。其主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并為以后淬火作好準備。 

3. 去應力退火 

去應力退火又稱低溫退火(或高溫回火),這種退火主要用來消除鑄件,鍛件,焊接件,熱軋件,冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除,將會引起鋼件在一定時間以后,或在隨后的切削加工過程中產生變形或裂紋。 

二.淬火時,最常用的冷卻介質是鹽水,水和油。鹽水淬火的工件,容易得到高的硬度和光潔的表面,不容易產生淬不硬的軟點,但卻易使工件變形嚴重,甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。 

三.鋼回火的目的 

1. 降低脆性,消除或減少內應力,鋼件淬火后存在很大內應力和脆性,如不及時回火往往會使鋼件發生變形甚至開裂。 

2. 獲得工件所要求的機械性能,工件經淬火后硬度高而脆性大,為了滿足各種工件的不同性能的要求,可以通過適當回火的配合來調整硬度,減小脆性,得到所需要的韌性,塑性。 

3. 穩定工件尺寸 

4. 對于退火難以軟化的某些合金鋼,在淬火(或正火)后常采用高溫回火,使鋼中碳化物適當聚集,將硬度降低,以利切削加工。

幾種常見熱處理概念

1. 正火:將鋼材或鋼件加熱到臨界點AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時間后在空氣中冷卻,得到珠光體類組織的熱處理工藝。 

2. 退火annealing:將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20—40度,保溫一段時間后,隨爐緩慢冷卻(或埋在砂中或石灰中冷卻)至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝 

3. 固溶熱處理:將合金加熱至高溫單相區恒溫保持,使過剩相充分溶解到固溶體中,然后快速冷卻,以得到過飽和固溶體的熱處理工藝 

4. 時效:合金經固溶熱處理或冷塑性形變后,在室溫放置或稍高于室溫保持時,其性能隨時間而變化的現象。 

5. 固溶處理:使合金中各種相充分溶解,強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能,消除應力與軟化,以便繼續加工成型 

6. 時效處理:在強化相析出的溫度加熱并保溫,使強化相沉淀析出,得以硬化,提高強度 

7. 淬火:將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻,使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝 

8. 回火:將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間,隨后用符合要求的方法冷卻,以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝 

9. 鋼的碳氮共滲:碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化,目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度,耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主,其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。

10. 調質處理quenching and tempering:一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。調質處理廣泛應用于各種重要的結構零件,特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調質處理后得到回火索氏體組織,它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關,一般在HB200—350之間。 

11. 釬焊:用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝。

回火的種類及應用

根據工件性能要求的不同,按其回火溫度的不同,可將回火分為以下幾種:

(一)低溫回火(150-250度) 

低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下,降低其淬火內應力和脆性,以免使用時崩裂或過早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具,量具,冷沖模具,滾動軸承以及滲碳件等,回火后硬度一般為HRC58-64。 

(二)中溫回火(350-500度) 

中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強度,彈性極限和較高的韌性。因此,它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理,回火后硬度一般為HRC35-50。 

(三)高溫回火(500-650度) 

高溫回火所得組織為回火索氏體。習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理,其目的是獲得強度,硬度和塑性,韌性都較好的綜合機械性能。因此,廣泛用于汽車,拖拉機,機床等的重要結構零件,如連桿,螺栓,齒輪及軸類?;鼗鸷笥捕纫话銥镠B200-330。

熱處理 

( 1):退火:指金屬材料加熱到適當的溫度,保持一定的時間,然后緩慢冷卻的熱處理工 藝。常見的退火工藝有:再結晶退火,去應力退火,球化退火,完全退火等。退火的目的: 主要是降低金屬材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或壓力加工,減少殘余應力,提高組 織和成分的均勻化,或為后道熱處理作好組織準備等。 

(2 ):正火:指將鋼材或鋼件加熱到 或 (鋼的上臨界點溫度)以上,30~50攝氏度保持適當時間后,在靜止的空氣中冷卻的熱處理的工藝。正火的目的:主要是提高低碳鋼的 力學性能,改善切削加工性,細化晶粒,消除組織缺陷,為后道熱處理作好組織準備等。 

(3):淬火:指將鋼件加熱到 Ac3 或 Ac1(鋼的下臨界點溫度)以上某一溫度,保持一 定的時間,然后以適當的冷卻速度,獲得馬氏體(或貝氏體)組織的熱處理工藝。常見的淬 火工藝有鹽浴淬火,馬氏體分級淬火,貝氏體等溫淬火,表面淬火和局部淬火等。淬火的目 的:使鋼件獲得所需的馬氏體組織,提高工件的硬度,強度和耐磨性,為后道熱處理作好組 織準備等。 

(4):回火:指鋼件經淬硬后,再加熱到 以下的某一溫度,保溫一定時間,然后冷 卻到室溫的熱處理工藝。常見的回火工藝有:低溫回火,中溫回火,高溫回火和多次回火等。 

回火的目的:主要是消除鋼件在淬火時所產生的應力,使鋼件具有高的硬度和耐磨性外,并 具有所需要的塑性和韌性等。 

(5):調質:指將鋼材或鋼件進行淬火及高溫回火的復合熱處理工藝。使用于調質處理的鋼稱調質鋼。它一般是指中碳結構鋼和中碳合金結構鋼。 

(6):滲碳:滲碳是指使碳原子滲入到鋼表面層的過程。也是使低碳鋼的工件具有高碳鋼的表面層,再經過淬火和低溫回火,使工件的表面層具有高硬度和耐磨性,而工件的中心部分仍然保持著低碳鋼的韌性和塑性。

熱處理變形的預防

精密復雜模具的變形原因往往是復雜的,但是我們只要掌握其變形規律,分析其產生的原因,采用不同的方法進行預防模具的變形是能夠減少的,也是能夠控制的。一般來說,對精密復雜模具的熱處理變形可采取一下方法預防。

(1)合理選材。對精密復雜模應選擇材質好的微變形模具鋼(如空淬鋼),對碳化物偏析嚴重的模具鋼應進行合理鍛造并進行調質熱處理,對較大和無法鍛造模具鋼可進行固溶雙細化熱處理。

(2)模具結構設計要合理,厚薄不要太懸殊,形狀要對稱,對于變形較大模具要掌握變形規律,預留加工余量,對于大型、精密復雜模具可采用組合結構。

(3)精密復雜模具要進行預先熱處理,消除機械加工過程中產生的殘余應力。

(4)合理選擇加熱溫度,控制加熱速度,對于精密復雜模具可采取緩慢加熱、預熱和其他均衡加熱的方法來減少模具熱處理變形。

(5)在保證模具硬度的前提下,盡量采用預冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。

(6)對精密復雜模具,在條件許可的情況下,盡量采用真空加熱淬火和淬火后的深冷處理。

(7)對一些精密復雜的模具可采用預先熱處理、時效熱處理、調質氮化熱處理來控制模具的精度。

(8)在修補模具砂眼、氣孔、磨損等缺陷時,選用冷焊機等熱影響小的修復設備以避免修補過程中變形的產生。

另外,正確的熱處理工藝操作(如堵孔、綁孔、機械固定、適宜的加熱方法、正確選擇模具的冷卻方向和在冷卻介質中的運動方向等)和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復雜模具變形的有效措施。

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