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文檔簡介

1、金屬熱處理金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時間后,又以不同速度冷卻的一種工藝。 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。大型鑄鋼件的熱處理爐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(yè)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

2、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前222年,中國人在生產實踐中就已發(fā)現(xiàn),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(fā)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(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)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

3、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0.150.4%,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(fā)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(fā)生組織改變,鋼中高溫時的相在急冷時轉變?yōu)橐环N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(xiàn)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

4、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。18501880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。18891890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(fā)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(fā)展。一個顯著的進展是19011925年,在工業(yè)生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳 ;30年代出現(xiàn)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(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝 ;激光、電子束技術的應用,又使

5、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。真空淬火爐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(huán)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(fā)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

6、護加熱。 加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)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

7、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(qū)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(yè)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。差溫淬火整體熱處理是對工件整體加熱,然后以適當?shù)乃俣壤鋮s,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

8、緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態(tài),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、油或其他無機鹽、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?!八陌鸦稹?/p>

9、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。感應加熱淬火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

10、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?;瘜W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。化學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。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其他合金元素的介質(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,有時還要進行其他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

11、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(tài),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。幾種常見的熱處理概念(Fe C合金相圖)1. 退火將亞共析鋼工件加熱至AC3以上2040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50

12、0度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝。退火的目的,是為了消除組織缺陷,改善組織使成分均勻化以及細化晶粒,提高鋼的力學性能,減少殘余應力;同時可降低硬度,提高塑性和韌性,改善切削加工性能。所以退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力,又為后續(xù)工序作好準備,故退火是屬于半成品熱處理,又稱預先熱處理。2. 正火正火是將鋼加熱到臨界溫度以上,使鋼全部轉變?yōu)榫鶆虻膴W氏體,然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網狀滲碳體,對于亞共析鋼正火可細化晶格,提高綜合力學性能,對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經濟的。3. 淬火淬火是將鋼加熱到臨界溫度以上,保溫一段時間,然后很快放入淬火劑

13、中,使其溫度驟然降低,以大于臨界冷卻速度的速度急速冷卻,而獲得以馬氏體為主的不平衡組織的熱處理方法。淬火能增加鋼的強度和硬度,但要減少其塑性。淬火中常用的淬火劑有:水、油、堿水和鹽類溶液等。而高速鋼的淬火劑可以是“風”,所以高速鋼又被稱為“風鋼”。4. 回火將已經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。其目的是消除淬火產生的內應力,降低硬度和脆性,以取得預期的力學性能。回火分高溫回火、中溫回火和低溫回火三類?;鼗鸲嗯c淬火、正火配合使用。 5. 時效處理為了消除精密量具或模具、零件在長期使用中尺寸、形狀發(fā)生變化,常在

14、低溫回火后, 精加工前,把工件重新加熱到100-150,保持5-20小時,這種為穩(wěn)定精密制件質量的處理,稱為時效。對在低溫或動載荷條件下的鋼材構件進行時效處理,以消除殘余應力,穩(wěn)定鋼材組織和尺寸,尤為重要。6. 表面熱處理表面淬火:是將鋼件的表面通過快速加熱到臨界溫度以上,但熱量還未來得及傳到心部之前迅速冷卻,這樣就可以把表面層被淬在馬氏體組織,而心部沒有發(fā)生相變,這就實現(xiàn)了表面淬硬而心部不變的目的。適用于中碳鋼。 化學熱處理:是指將化學元素的原子,借助高溫時原子擴散的能力,把它滲入到工件的表面層去,來改變工件表面層的化學成分和結構,從而達到使鋼的表面層具有特定要求的組織和性能的一種熱處理工藝

15、。按照滲入元素的種類不同,化學熱處理可分為滲碳、滲氮、氰化和滲金屬法等四種。 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。 滲氮:又稱氮化,是指向鋼的表面層滲入氮原子的過程。其目的是提高表面層的硬度與耐磨性以及提高疲勞強度、抗腐蝕性等。目前生產中多采用氣體滲氮法。 氰化:又稱碳氮共滲,是指在鋼中同時滲入碳原子與氮原子的過程。它使鋼表面具有滲碳與滲氮的特性。 滲金屬:是指以金屬原子滲入鋼的表面層的過程。它是使鋼的表面層合金化,以使工件表面具有某些合金鋼、特殊

16、鋼的特性,如耐熱、耐磨、抗氧化、耐腐蝕等。生產中常用的有滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硅等。氣體與金屬的化學反應一氣體與鋼鐵的化學反應1. 氧化2FeO22FeOFeH2OFeOH2FeCCO2Fe2CO2. 還原FeOH2FeH2OFeOCOFeO23. 滲碳2COCCO2FeCFeCCH4C2H24.滲氮2NH32N3H2FeNFeN二各種氣體對金屬的作用氮氣:在1000度時會與Cr,CO,Al.Ti反應氫氣:可使銅,鎳,鐵,鎢還原。當氫氣中的水含量達到百分之0.20.3時,會使鋼脫碳水:800度時,使鐵、鋼氧化脫碳,與銅不反應.一氧化碳:其還原性與氫氣相似,可使鋼滲碳三各類氣氛對電阻元件的影響鎳鉻

17、絲,鐵鉻鋁:含硫氣氛對電阻絲有害鋼的氮化及碳氮共滲1. 鋼的氮化(氣體氮化)概念:氮化是向鋼的表面層滲入氮原子的過程,其目的是提高表面硬度和耐磨性,以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。 它是利用氨氣在加熱時分解出活性氮原子,被鋼吸收后在其表面形成氮化層,同時向心部擴散。氮化通常利用專門設備或井式滲碳爐來進行。適用于各種高速傳動精密齒輪、機床主軸(如鏜桿、磨床主軸),高速柴油機曲軸、閥門等。 氮化工件工藝路線:鍛造退火粗加工調質精加工除應力粗磨氮化精磨或研磨。由于氮化層薄,并且較脆,因此要求有較高強度的心部組織,所以要先進行調質熱處理,獲得回火索氏體,提高心部機械性能和氮化層質量。鋼在氮化后,不再需要進

18、行淬火便具有很高的表面硬度大于HV850)及耐磨性。氮化處理溫度低,變形很小,它與滲碳、感應表面淬火相比,變形小得多.2. 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作氰化。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)應用較是廣。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。鋼的化學熱處理-氧氮共滲當鋼在滲氮的同時通入一些含氧的介質,即可實現(xiàn)其氧氮共滲處理。處理以后的工件兼有蒸汽處理我滲氮處理的共同優(yōu)點。1氧氮共滲的特點:氧氮共滲后滲層可分三個區(qū),表面氧化膜,次表層氧化區(qū)

19、和滲氮(nitriding)。表面氧化膜與次表層氧化區(qū)厚度相近,一般為2-4m.氧氮共滲后形成多孔Fe3O4層具有良好的減摩擦性能、散熱性能及抗粘著性能。2氧氮共滲介質:氧氮共滲時一般用得較多的是不同濃度的氨水。氮原子向內擴散形成滲氮層,水分解形成氧原子向內擴散形成氧化層并在工件表面形成黑色氧化膜。3氧氮共滲的主要用途: 氧氮共滲主要用于高速鋼刀具的表面處理。共滲時的溫度一般為540-590,時間通常為1-2小時。氨水濃度以25%-30%為宜。排氣升溫時通氨量應大些,以利于迅速排空爐內空氣。共滲期間通氨量應適中,降溫及擴散時應減少氨的滴入量。熱處理爐可采用有1Cr18Ni9Ti不銹鋼制成爐罐的

20、井式氮化爐代用。爐罐應保護密封性(最好采用真空水冷橡膠密封)。爐頂應有一臺密封循環(huán)風扇。爐內保持300-1000Pa的正壓.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(150250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HRC5864。(二)中溫回火(350500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

21、彈簧和熱作模具的處理,回火后硬度一般為HRC3550。(三)高溫回火(500650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B200330。加熱缺陷及控制一、過熱現(xiàn)象 我們知道熱處理過程中加熱過熱最易導致奧氏體晶粒的粗大,使零件的機械性能下降。1. 一般過熱:加熱溫度過高或在高溫下保溫時間過長,引起奧氏體晶粒粗化稱為過熱。粗大的奧氏體晶粒會導致鋼的強韌性降低,脆性轉變溫度升高,增加淬火時的變形開裂傾向。

22、而導致過熱的原因是爐溫儀表失控或混料(常為不懂工藝發(fā)生的)。過熱組織可經退火、正火或多次高溫回火后,在正常情況下重新奧氏化使晶粒細化。2. 斷口遺傳:有過熱組織的鋼材,重新加熱淬火后,雖能使奧氏體晶粒細化,但有時仍出現(xiàn)粗大顆粒狀斷口。產生斷口遺傳的理論爭議較多,一般認為曾因加熱溫度過高而使MnS之類的雜物溶入奧氏體并富集于晶界面,而冷卻時這些夾雜物又會沿晶界面析出,受沖擊時易沿粗大奧氏體晶界斷裂。3. 粗大組織的遺傳:有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織的鋼件重新奧氏化時,以慢速加熱到常規(guī)的淬火溫度,甚至再低一些,其奧氏體晶粒仍然是粗大的,這種現(xiàn)象稱為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性,可采用中間

23、退火或多次高溫回火處理。二、過燒現(xiàn)象 加熱溫度過高,不僅引起奧氏體晶粒粗大,而且晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化,導致晶界弱化,稱為過燒。鋼過燒后性能嚴重惡化,淬火時形成龜裂。過燒組織無法恢復,只能報廢。因此在工作中要避免過燒的發(fā)生。三、脫碳和氧化 鋼在加熱時,表層的碳與介質(或氣氛)中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應,降低了表層碳濃度稱為脫碳,脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強度及耐磨性降低,而且表面形成殘余拉應力易形成表面網狀裂紋。 加熱時,鋼表層的鐵及合金與元素與介質(或氣氛)中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應生成氧化物膜的現(xiàn)象稱為氧化。高溫(一般570度以上)工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化,具

24、有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現(xiàn)淬火軟點。為了防止氧化和減少脫碳的措施有:工件表面涂料,用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護氣氛加熱(如凈化后的惰性氣體、控制爐內碳勢)、火焰燃燒爐(使爐氣呈還原性)四、氫脆現(xiàn)象 高強度鋼在富氫氣氛中加熱時出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為氫脆。出現(xiàn)氫脆的工件通過除氫處理(如回火、時效等)也能消除氫脆,采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。當然,實際工作中有人利用此現(xiàn)象來為人服務(如合金的粉碎處理等).黃銅的熱處理普通黃銅是銅-鋅合金,按其組織可分簡單黃銅(也稱黃銅),(Cu)為100%-62.4%,和兩相黃銅(+黃銅),(Cu)為56.5%-62.4

25、%。Zn在Cu中的固溶度隨濕度降低而增大,故無熱處理強化效果。經常采用退火處理來改判黃銅的冷加工性能。黃銅關成品退火后的力學性能及冷變形性能主要取決于晶粒尺寸大小。黃銅冷加工中間退火溫度如下表:材料牌號厚度()5mm厚度()=1-5mm厚度()=0.5-1mm厚度()0.5mmH96560-600540-580500-540450-550H90、HS700-1650-720620-780560-620450-560H80650-700580-650540-600500-560H68580-650540-600500-560440-500H62、H59650-700600-660520-6004

26、60-530HFe59-1-1600-650520-620450-550420-480HMn58-2600-660580-640550-600500-550HSn70-1600-650560-620470-560450-500HSn62-1600-650550-630520-580500-550HPb63-3600-650540-620520-600480-540HPb59-1600-650580-630550-600480-550部分形變鋁合金的淬火和時效溫度的確定合金牌號半成品淬 火時效最低溫度最佳溫度過燒危險溫度時效溫度時效時間 /HLY12板材, 擠壓件485 490495 50350

27、5185 1956 12LY16各類520 525530 542545160 17510 16200 2208 12LY17各類515520 530-180 19512 16LY2各類490495 508512165 17510 16LD2各類510525 5596150 1656 15LD5, LD6各類500515 5545150 1656 15LD7各類520535 5545180 1958 12LD8各類510525 535545165 1808 14LD9擠壓件510510 530-135 1502 4LD10各類490500 5515175 1855 8LC4包鋁板 120 125

28、24不包鋁板450455 480525135 14516型材120 53160 33LC6模鍛件 100 55 155 1608 9450455 473145 516LC9擠壓件450455 480520 530140 516模鍛件110 56 8117 56 10常用淬火介質一般技術要求淬火介質一般技術要求應用范圍水及水溶液水清潔、流動(或循環(huán)、攪拌)水溫20-40碳素結構鋼碳素工具鋼合金結構鋼鋁合金鈦合金無機物水溶液按要求選擇濃度常用濃度(質量分數(shù))(5%-15%)高濃度(質量分散)(20%,飽合濃度)液溫 20-45循環(huán)或攪拌碳素結構鋼合金結構碳素工具鋼有機物水溶液按專用產品技術條件及要

29、求選擇濃度低濃度、中等濃度、高濃度(因介質而異)液溫20-50攪拌或熱循環(huán)pH值6.5-8.5(或按專門規(guī)定)碳素結構鋼合金結構鋼軸承鋼彈簧鋼碳素工具鋼合金工具鋼鋁合金淬火油全損耗系統(tǒng)用油按GB443技術條件常規(guī)油溫20-80熱油油溫100循環(huán)或攪拌碳素工具鋼(橫截面6mm)合金結構鋼合金工具鋼軸承鋼彈簧鋼高速鋼專用淬火油按工藝要求選擇不同淬火油(快速、光亮、等溫、真空等淬火油)技術條件按專用油品規(guī)定油溫應低于閃點80-100攪拌或熱循環(huán)熱浴鹽浴使用溫度允許波動范圍20按要求浴溫選擇配方硝鹽浴氯離子0.3%(質量分散)硫酸根0.5%pH值6.5-8.5(質量分散)(C) 0.45%碳素結構鋼碳

30、素工具鋼合金結構鋼合金工具鋼高速鋼堿浴使用溫度允許波動范圍10按要求選擇配方碳酸根4%熱處理應力及其影響熱處理殘余力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力,對工件的形狀,尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時,便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,應當減少和消除。但在一定條件下控制應力使之合理分布,就可以提高零件的機械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經引起了人們的廣泛重視。一、鋼的熱處理應力 工件在加熱和

31、冷卻過程中,由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致,形成溫差,就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力,即熱應力。在熱應力的作用下,由于表層開始溫度低于心部,收縮也大于心部而使心部受拉,當冷卻結束時,由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時,因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹,工件各部位先后相變,造成體積長大

32、不一致而產生組織應力。組織應力變化的最終結果是表層受拉應力,心部受壓應力,恰好與熱應力相反。組織應力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度,形狀,材料的化學成分等因素有關。 實踐證明,任何工件在熱處理過程中,只要有相變,熱應力和組織應力都會發(fā)生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了,而組織應力則是在組織轉變過程中產生的,在整個冷卻過程中,熱應力與組織應力綜合作用的結果,就是工件中實際存在的應力。這兩種應力綜合作用的結果是十分復雜的,受著許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過程來說只有兩種類型,即熱應力和組織應力,作用方向相反時二者抵消,作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消

33、還是相互迭加,兩個應力應有一個占主導因素,熱應力占主導地位時的作用結果是工件心部受拉,表面受壓。組織應力占主導地位時的作用結果是工件心部受壓表面受拉。二、熱處理應力對淬火裂紋的影響 存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內),對淬火裂紋的產生都有促進作用,但只有在拉應力場內(尤其是在最大拉應力下)才會表現(xiàn)出來,若在壓應力場內并無促裂作用。 淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的,通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度,并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應力而論,這樣做

34、由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值,故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且,在能淬透的情況下,截面尺寸越大的工件,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢,熱應力減小;組織應力隨尺寸的增大而增加,最后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對這類鋼件而言,在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區(qū)內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只

35、能產生在非淬透性件中的弧裂,雖以整體快速冷卻為必要的形成條件,可是它的真正形成原因,卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉變區(qū)內)本身,而是淬火件局部位置(由幾何結構決定),在高溫臨界溫度區(qū)內的冷卻速度顯著減緩,因而沒有淬硬所致。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈,是由以熱應力為主要成份的殘余拉應力作用在淬火件中心,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋并由內往外擴展而造成的。為了避免這類裂紋產生,往往使用水-油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,而從內應力的角度來看,這時快冷有害無益。其次,冷卻后期緩冷的目的,主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度

36、和組織應力值,而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度,從而達到減小應力值和最終抑制淬裂的目的。 三、殘余壓應力對工件的影響 滲碳表面強化作為提高工件的疲勞強度的方法應用得很廣泛的原因。一方面是由于它能有效的增加工件表面的強度和硬度,提高工件的耐磨性,另一方面是滲碳能有效的改善工件的應力分布,在工件表面層獲得較大的殘余壓應力,提高工件的疲勞強度。如果在滲碳后再進行等溫淬火將會增加表層殘余壓應力,使疲勞強度得到進一步的提高。有人對35SiMn2MoV鋼滲碳后進行等溫淬火與滲碳后淬火低溫回火的殘余應力進行過測試其結果如表I:熱處理工藝殘余應力值(kg/mm2)滲碳后880-900度鹽浴加

37、熱,260度等溫40分鐘-65滲碳后880-900度鹽浴加熱淬火,260度等溫90分鐘-18滲碳后880-900度鹽浴加熱,260度等溫40分鐘,260度回火90分鐘-38(表I. 35SiMn2MoV鋼滲碳等溫淬火與滲碳低溫回火后的殘余應力值)從表I的測試結果可以看出等溫淬火比通常的淬火低溫回火工藝具有更高的表面殘余壓應力。等溫淬火后即使進行低溫回火,其表面殘余壓應力,也比淬火后低溫回火高。因此可以得出這樣一個結論,即滲碳后等溫淬火比通常的滲碳淬火低溫回火獲得的表面殘余壓應力更高,從表面層殘余壓應力對疲勞抗力的有利影響的觀點來看,滲碳等溫淬火工藝是提高滲碳件疲勞強度的有效方法。 那麼滲碳淬火

38、工藝為什么能獲得表層殘余壓應力? 滲碳等溫淬火為什么能獲得更大的表層殘余壓應力? 其主要原因有兩個:一個原因是表層高碳馬氏體比容比心部低碳馬氏體的比容大,淬火后表層體積膨脹大,而心部低碳馬氏體體積膨脹小,制約了表層的自由膨脹;造成表層受壓心部受拉的應力狀態(tài)。而另一個更重要的原因是高碳過冷奧氏體向馬氏體轉變的開始轉變溫度(Ms),比心部含碳量低的過冷奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度(Ms)低。這就是說在淬火過程中往往是心部首先產生馬氏體轉變引起心部體積膨脹,并獲得強化,而表面還末冷卻到其對應的馬氏體開始轉變點(Ms),故仍處于過冷奧氏體狀態(tài),具有良好的塑性,不會對心部馬氏體轉變的體積膨脹起嚴重的壓制

39、作用。隨著淬火冷卻溫度的不斷下降使表層溫度降到該處的(Ms)點以下,表層產生馬氏體轉變,引起表層體積的膨脹。但心部此時早已轉變?yōu)轳R氏體而強化,所以心部對表層的體積膨脹將會起很大的壓制作用,使表層獲得殘余壓應力。而在滲碳后進行等溫淬火時,當?shù)葴販囟仍跐B碳層的馬氏體開始轉變溫度(Ms)以上,心部的馬氏體開始轉變溫度(Ms)點以下的適當溫度等溫淬火,比連續(xù)冷卻淬火更能保證這種轉變的先后順序的特點(即保證表層馬氏體轉變僅僅產生于等溫后的冷卻過程中). 當然滲碳后等溫淬火的等溫溫度和等溫時間對表層殘余應力的大小有很大的影響。有人對35SiMn2MoV鋼試樣滲碳后在260和320等溫40分鐘后的表面殘余應

40、力進行過測試,結果是在260行動等溫比在320等溫的表面殘余應力要高出一倍多.可見表面殘余應力狀態(tài)對滲碳等溫淬火的等溫溫度是很敏感的。不僅等溫溫度對表面殘余壓應力狀態(tài)有影響,而且等溫時間也有一定的影響。有人對35SiMn2V鋼在310等溫2分鐘,10分鐘,90分鐘的殘余應力進行過測試。2分鐘后殘余壓應力為-20kg/mm,10分鐘后為-60kg/mm,60分鐘后為-80kg/mm,60分鐘后再延長等溫時間殘余應力變化不大。從上面的討論表明,滲碳層與心部馬氏體轉變的先后順序對表層殘余應力的大小有重要影響。滲碳后的等溫淬火對進一步提高零件的疲勞壽命具有普遍意義。此外能降低表層馬氏體開始轉變溫度(M

41、s)點的表面化學熱處理如滲碳、氮化、氰化等都為造成表層殘余壓應力提供了條件,如高碳鋼的氮化-淬火工藝,由于表層氮含量的提高而降低了表層馬氏體開始轉變點(Ms),淬火后獲得了較高的表層殘余壓應力使疲勞壽命得到提高。又如氰化工藝往往比滲碳具有更高的疲勞強度和使用壽命,也是因氮含量的增加可獲得比滲碳更高的表面殘余壓應力之故。此外,從獲得表層殘余壓應力的合理分布的觀點來看,單一的表面強化工藝不容易獲得理想的表層殘余壓應力分布,而復合的表面強化工藝則可以有效的改善表層殘余應力的分布。如滲碳淬火的殘余應力一般在表面壓應力較低,最大壓應力則出現(xiàn)在離表面一定深度處,而且殘余壓力層較厚。氮化后的表面殘余壓應力很

42、高,但殘余壓應力層很溥,往里急劇下降。如果采用滲碳-氮化復合強化工藝,則可獲得更合理的應力分布狀態(tài)。因此表面復合強化工藝,如滲碳-氮化,滲碳-高頻淬火等,都是值得重視的方向。根據上述討論可得出以下結論;1、熱處理過程中產生的應力是不可避免的,而且往往是有害的。但我們可以控制熱處理工藝盡量使應力分布合理,就可將其有害程度降低到最低限度,甚至變有害為有利。2、當熱應力占主導地位時應力分布為心部受拉表面受壓,當組織應力占主導地時應力分布為心部受壓表面受拉。 3、在高淬透性鋼件中易形成縱裂,在非淬透性工件中往往形成弧裂,在大型非淬透工件中容易形成橫斷和縱劈。4、滲碳使表層馬氏體開始轉變溫度(Ms)點下

43、降,可導至淬火時馬氏體轉變順序顛倒,心部首先發(fā)生馬氏體轉變而后才波及到表面,可獲得表層殘余壓應力而提高抗疲勞強度。5、滲碳后進行等溫淬火可保證心部馬氏體轉變充分進行以后,表層組織轉變才進行。使工件獲得比直接淬火更大的表層殘余壓應力,可進一步提高滲碳件的疲勞強度。6、復合表面強化工藝可使表層殘余壓應力分布更合理,可明顯提高工件的疲勞強度。模具熱處理技術的現(xiàn)狀及走勢模具熱處理是保證模具性能的重要工藝過程。它對模具的如下性能有著直接的影響。 模具的製造精度:組織轉變不均勻、不徹底及熱處理形成的殘餘應力過大造成模具在熱處理後的加工、裝配和模具使用過程中的變形,從而降低模具的精度,甚至報廢。模具的強度:

44、熱處理工藝制定不當、熱處理操作不規(guī)範或熱處理設備狀態(tài)不完好,造成被處理模具強度(硬度)達不到設計要求。模具的工作壽命:熱處理造成的組織結構不合理、晶粒度超標等,導致主要性能如模具的韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能等下降,影響模具的工作壽命。模具的製造成本:作為模具製造過程的中間環(huán)節(jié)或最終工序,熱處理造成的開裂、變形超差及性能超差,大多數(shù)情況下會使模具報廢,即使通過修補仍可繼續(xù)使用,也會增加工時,延長交貨期,提高模具的製造成本。正是熱處理技術與模具品質有十分密切的關聯(lián)性,使得這二種技術在現(xiàn)代化的進程中,相互促進,共同提高。20世紀80年代以來,國際模具熱處理技術發(fā)展較快的領域是真空熱處理技術、模具

45、的表面強化技術和模具材料的預硬化技術。模具的真空熱處理技術真空熱處理技術是近些年發(fā)展起來的一種新型的熱處理技術,它所具備的特點,正是模具製造中所迫切需要的,比如防止加熱氧化和不脫碳、真空脫氣或除氣,消除氫脆,從而提高材料(零件)的塑性、韌性和疲勞強度。真空加熱緩慢、零件內外溫差較小等因素,決定了真空熱處理工藝造成的零件變形小等。按採用的冷卻介質不同,真空淬火可分為真空油冷淬火、真空氣冷淬火、真空水冷淬火和真空硝鹽等溫淬火。模具真空熱處理中主要應用的是真空油冷淬火、真空氣冷淬火和真空回火。為保持工件(如模具)真空加熱的優(yōu)良特性,冷卻劑和冷卻工藝的選擇及制定非常重要,模具淬火過程主要採用油冷和氣冷。對於熱處理後不再進行機械加工的模具工作面,淬火後盡可能採用真空回火,特別是真空淬火的工件(模具),它可

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