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金属热处理

2011-9-22 14:58| 发布者: fansiyuan| 查看: 12436| 评论: 0

摘要: 一、钢的热处理概述 提高钢材性能的主要途径有二:一是在钢中特意加入一些合金元素,即用合金化的措施来提高钢材的性能,另一措施就是对钢进行热处理。 钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却,以改 ...
一、钢的热处理概述
     提高钢材性能的主要途径有二:一是在钢中特意加入一些合金元素,即用合金化的措施来提高钢材的性能,另一措施就是对钢进行热处理。
     钢的热处理是指将钢在固态下施以不同的加热、保温和冷却,以改变其组织,从而获得所需性能的一种工艺。
通过热处理可以充分发挥钢材的潜力,提高工件的使用性能,减轻工件的重量,节约材料,降低成本,还能延长工件的使用寿命。
    根据加热和冷却方法的不同,热处理方法大致分类如下:
(一)普通热处理
1. 退火
2. 正火
3. 淬火
4. 回火
(二)表面热处理                 
1. 表面淬火                     2. 化学热处理
A. 感应加热淬火                 A. 渗碳
B. 火焰加热淬火                 B. 氮化
 C. 碳氮共渗及其他

     热处理方法虽然很多,但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的。
二、概念
     金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度,并在此温度中保持一定时间后,又以不同速度冷却的一种工艺。
三、金属热处理的特点
     金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其他加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量,而这一般不是肉眼所能看到的。
四、金属热处理的作用
     为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料,钢铁显微组织复杂,可以通过热处理予以控制,所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外,铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能,以获得不同的使用性能。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说,它可以保证和提高工件的各种性能 ,如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态,以利于进行各种冷、热加工。
     例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁,提高塑性 ;齿轮采用正确的热处理工艺,使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高;另外,价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能,可以代替某些耐热钢、不锈钢 ;工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。
五、金属热处理的发展历史
      在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中,热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770~前222年,中国人在生产实践中就已发现,铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而 变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。
      公元前六世纪,钢铁兵器逐渐被采用,为了提高钢的硬度,淬火工艺遂得到迅速发展。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟,其显微组织中都有马氏体存在,说明是经过淬火的。
      随着淬火技术的发展,人们逐渐发现淬冷剂对淬火质量的影响。三国蜀人蒲元曾在今陕西斜谷为诸葛亮打制3000把刀,相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到不同水质的冷却能力了,同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前206~公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15~0.4%,而表面含碳量却达0.6%以上,说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密,不肯外传,因而发展很慢。
      1863年,英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织,证明了钢在加热和冷却时,内部会发生组织改变,钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论,以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图,为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时,人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法,以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。
      1850~1880年,对于应用各种气体(诸如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一系列专利。1889~1890年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。
      二十世纪以来,金属物理的发展和其他新技术的移植应用,使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901~1925年,在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ;30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控,以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法;60年代,热处理技术运用了等离子场的作用,发展了离子渗氮、渗碳工艺 ;激光、电子束技术的应用,又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
六、金属热处理的工艺
       热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程,有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接,不可间断。
      1、加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多,最早是采用木炭和煤作为热源,进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制,且无环境污染。利用这些热源可以直接加热,也可以通过熔融的盐或金属,以至浮动粒子进行间接加热。
      金属加热时,工件暴露在空气中,常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低),这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热,也可用涂料或包装方法进行保护加热。
     2、 加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一,选择和控制加热温度 ,是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异,但一般都是加热到相变温度以上,以获得高温组织。另外转变需要一定的时间,因此当金属工件表面达到要求的加热温度时,还须在此温度保持一定时间,使内外温度一致, 使显微组织转变完全,这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时,加热速度极快,一般就没有保温时间,而化学热处理的保温时间往往较长。
      3、冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤,冷却方法因工艺不同而不同,主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢,正火的冷却速度较快,淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求,例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
七、金属热处理工艺分类
      金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属,而且钢铁显微组织也最为复杂,因此钢铁热处理工艺种类繁多。
      1、整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
      (1)退火是将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。
退火的种类
① 完全退火和等温退火
    完全退火又称重结晶退火,一般简称为退火,这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合金钢的铸,锻件及热轧型材,有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重工件的最终热处理,或作为某些工件的预先热处理。
② 球化退火
    球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具,量具,模具所用的钢种)。其主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并为以后淬火作好准备。
③ 去应力退火
    去应力退火又称低温退火(或高温回火),这种退火主要用来消除铸件,锻件,焊接件,热轧件,冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除,将会引起钢件在一定时间以后,或在随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。
(2)正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。
正火和退火主要区别
正火和退火主要有四个区别:
    ①正火的温度较高,退火的温度较低.
    ②正火的冷却速度比退火的冷却速度快.
    ③使用效果不同,在渗碳处理以后,正火能消除网状渗碳体,退火则不能.对含碳量在o.25X以下的钢, 正火后可提高硬度,改善切削加工性能,退火却做不到。
    ④正火的周期短,操作方便;退火的周期长,操作较麻烦(指需要控制一定的冷却速度)。
      (3)淬火是将工件加热保温后,在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。
淬火时,最常用的冷却介质是盐水,水和油。盐水淬火的工件,容易得到高的硬度和光洁的表面,不容易产生淬不硬的软点,但却易使工件变形严重,甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。
钢材的淬透性
钢材在淬火后,组织从表面开始发生马氏体相变,这时表面层的马氏体量最多,占97—99%。愈往里马氏体量愈少,直至完全没有。我们把从表面开始到马氏体量占50% 的区域作为统计标准,算作钢材的淬硬层;再把这个淬硬层的厚薄深浅作为热处理性能的一种考核指标,称之为淬透性。钢材的淬硬层厚,就说明它的淬透性好;钢的淬硬层浅,就说明它的淬透性不好。所以淬透性实质上就是指钢材在截面上被硬化的能力。
     在机械零件中,淬透性的重要性;淬透性是检验钢材经热处理后性能好坏的一个重要指标,也是判断零件使用可靠的重要依据。淬透性好的材料,其机械性能也好,特别是疲劳强度将大幅度提高,从而延长使用寿命。根据这个特点,选用淬透性好的材质来制造零件,可以减小零件尺寸,节省大量材料。
影响钢材淬透性的因素
影响钢材淬透性的主要因素有;钢材的化学成分、淬火加热温度、冷却介质的特性、冷却的方式方法、零件的形状尺寸以及加热方式等。
   ①钢材的化学成分是影响淬透性最重要的因素之一。凡是在钢中引起“c”曲线右移或左移的合金元素,都对淬适性有着极大的影响。使“c”曲线右移的元素将提高钢的淬透性;使“c”曲线左移的元素将降低钢的淬透性。如45钢与40Cr钢,其含碳量差不多,但,由于前者不含铬元素,后者含铬元素约1%,在同等的热处理条件下,它们的淬透性就显然不同,45钢只能淬远3.5—9.5毫米,而40Cr钢可淬透25-32毫米。
   ②热处理冷却介质的冷却特性和冷却速度,对钢的淬透性也有很大影响。冷却速度快的,淬透性就提高,冷却速度但的,淬透性就降低。例如45钢在水中冷却和在油中冷却,其淬透性就不同,在水中冷却时,可淬透11一20毫米,在油中冷却时,可淬透3.5—9.5毫米。
   ③零件的形状尺寸、加热温度、冷却方式等,在不同程度上都影响着钢的淬透性。形状尺寸小、加热温度高,连续冷却等都能在一定程度上提高淬透性;而形状尺寸大、加热温度低、等温冷却等却能使淬透性下降。
   ④加热的方式也会影响淬透性,在实际操作中这是很重要的,我们往往容易忽视这一点。因为加热方式不同,产生的加热效果也不同。例如用箱式电炉就比盐浴炉产生的氧化、脱碳现象严重,就会降低淬透性。
(4)回火 淬火后钢件变硬,但同时变脆。为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。
回火的种类及目的
回火操作一般可分三类:即高温回火,指温度在A1线以下至500℃范围内的回火;中温回火,指温度在250一500℃范围内的回火;低温回火,指温度在250℃以下的回火。
钢回火的目的有:
① 降低脆性,消除或减少内应力,钢件淬火后存在很大内应力和脆性,如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。
② 获得工件所要求的机械性能,工件经淬火后硬度高而脆性大,为了满足各种工件的不同性能的要求,可以通过适当回火的配合来调整硬度,减小脆性,得到所需要的韧性,塑性。
③ 稳定工件尺寸
④ 对于退火难以软化的某些合金钢,在淬火(或正火)后常采用高温回火,使钢中碳化物适当聚集,将硬度降低,以利切削加工。

     a.高温回火的目的是为了获得回火索氏体或珠光体为主的组织,以得到良好的综合机械性能(既有较高的硬度、强度,又有较好的塑性、韧性)。所以高温回火常作为调质工序,(即淬火加高温回火)此外也可用于不淬火状态下的零件,以消除应力,预防变形的处理,如焊接结构件消除焊接应力的处理。高温回火还作为表面淬火返工处理的中间工序,以消除应力,降低硬度,代替退火工序。高温回火用在正火后,则常常是为了降低硬度、改善切削加工性能。高温回火还可以用来作复杂零件和高合金钢制造的零件在热处理前(包括渗碳等)的预处理工序。

     b.中温回火能保证零件有较高的弹性极限和抗疲劳强度,这时零件的金相组织是回火屈氏体或回火索氏体。根据这种特性,中温回火常用于弹簧、高强度齿轮、锤扦、模具、高车(俗称天车、行车)车轮及其它车轮踏面的热处理。

    c .低温回火所得到的组织是回火马氏体或回火马氏体加回火屈氏体。一般说来,这种回火不降低或少降低硬度,它的目的主要是为了消除应力,故对于要求高硬度、高耐磨性的零件如高速齿轮、铀承等零件都采用这种回火。

退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。“四把火”随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺 。
(5)调质是为了获得一定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。
(6)时效处理 某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。自然时效:室温下自然自然进行;人工时效:加热到适当温度进行时效。

      把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行,使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理;在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁,提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。

      2、表面热处理是只加热工件表层,以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部,使用的热源须具有高的能量密度,即在单位面积的工件上给予较大的热能,使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理,常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

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