標籤:金屬熱處理機械加工工藝

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,並在此溫度中保持一定時間后,又以不同速度在不同的介質中冷卻,通過改變金屬材料表面或內部的顯微組織結構來控制其性能的一種工藝。

1工藝介紹

特點
金屬熱處理是機械製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。所以,它是機械製造中的特殊工藝過程,也是質量管理的重要環節。 
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,鋼鐵顯微組織複雜,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。
種類
整體熱處理是對工件整體加熱,然後以適當的速度冷卻,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採用不同的保溫時間,然後進行緩慢冷卻,目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,或者是使前道工序產生的內部應力得以釋放,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。
正火或稱常化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,常用於改善材料的切削性能,也有時用於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、油或其他無機鹽溶液、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於室溫而低於650℃的某一適當溫度進行較長時間的保溫,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係密切,常常配合使用,缺一不可。
工藝結合
「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,將其置於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。化學熱處理與表面熱處理不同之處是後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。化學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製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,以利於進行各種冷、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;齒輪採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、不鏽鋼;工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。
隨著激光和等離子技術的日益成熟,利用這兩種技術,並在普通鋼工件表面塗敷一層其他耐磨、耐蝕或耐熱塗層,以改變原工件表面性能,這種新技術稱為表面改性。

2處理過程

加熱
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,最早是採用木炭和煤作為熱源,進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易於控制,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),這對於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,也可用塗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目的不同而異,但一般都是加熱到某特性轉變溫度以上,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。採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。
退火
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,這種退火主要用於亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄,鍛件及熱軋型材,有時也用於焊接結構。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
球化退火主要用於過共析的碳鋼及合金工具鋼(如製造刃具,量具,模具所用的鋼種)。其主要目的在於降低硬度,改善切削加工性,並為以後淬火作好準備。
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,冷拉件等的殘餘應力。如果這些應力不予消除,將會引起鋼件在一定時間以後,或在隨後的切削加工過程中產生變形或裂紋。
回火作用
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.對於退火難以軟化的某些合金鋼,在淬火(或正火)后常採用高溫回火,使鋼中碳化物適當聚集,將硬度降低,以利切削加工。
缺陷控制
一、過熱現象
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。而導致過熱的原因是爐溫儀錶失控或混料(常為不懂工藝發生的)。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並富集於晶介面,而冷卻時這些夾雜物又會沿晶介面析出,受衝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,這種現象稱為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性,可採用中間退火或多次高溫回火處理。
二、過燒現象
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,而且表面形成殘餘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、水蒸氣等發生反應生成氧化物膜的現象稱為氧化。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,具有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現淬火軟點。
為了防止氧化和減少脫碳的措施有:工件表面塗料,用不鏽鋼箔包裝密封加熱、採用鹽浴爐加熱、採用保護氣氛加熱(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、氫脆現象
高強度鋼在富氫氣氛中加熱時出現塑性和韌性降低的現象稱為氫脆。出現氫脆的工件通過除氫處理(如回火、時效等)也能消除氫脆,採用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。
氣氛反應
一.氣氛與鋼鐵的化學反應
1.氧化
2Fe+02→2Fe0
Fe+H20→Fe0+H2
FeC+C02→Fe+2C0
2.還原
Fe0+H2→Fe+H20Fe0+C0→Fe+02
3.滲碳
2C0→[C]+C02
Fe+[C]→FeC
CH4→[C]+2H2
4.滲氮
2NH3→2[N]+3H2
Fe+[N]→FeN
二.各種氣氛對金屬的作用
氮氣:在≥1000度時會與Cr,C0,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0.2-0.3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.各類氣氛對電阻組件的影響
鎳鉻絲,鐵鉻鋁:含硫氣氛對電阻絲有害

3金屬概念

金屬:具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性並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
金屬熱處理
屬特性的物質。
相:合金中成份、結構、性能相同的組成部分。
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:由於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γ-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(α+Fe3c含碳0.77%)
萊氏體:滲碳體和奧氏體組成的機械混合物(含碳4.3%)
機械性能
金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工製造過程中,金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞,決定了它在製造過程中加工成形的適應能力。由於加工條件不同,要求的工藝性能也就不同,如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下,金屬材料表現出來的性能,它包括機械性能、物理性能、化學性能等。金屬材料使用性能的好壞,決定了它的使用範圍與使用壽命。
在機械製造業中,一般機械零件都是在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的,且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能,稱為機械性能(或稱為力學性能)。
金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。外載入荷性質不同(例如拉伸、壓縮、扭轉、衝擊、循環載荷等),對金屬材料要求的機械性能也將不同。常用的機械性能包括:強度、塑性、硬度、衝擊韌性、多次衝擊抗力和疲勞極限等。下面將分別討論各種機械性能。
1.強度
強度是指金屬材料在靜荷作用下抵抗破壞(過量塑性變形或斷裂)的性能。由於載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式,所以強度也分為抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度間常有一定的聯繫,使用中一般較多以抗拉強度作為最基本的強度指針。
2.塑性
塑性是指金屬材料在載荷作用下,產生塑性變形(永久變形)而不破壞的能力。
3.硬度
硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指針。目前生產中測定硬度方法最常用的是壓入硬度法,它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的金屬材料表面,根據被壓入程度來測定其硬度值。
常用的方法有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和維氏硬度(HV)等方法。
4.疲勞
前面所討論的強度、塑性、硬度都是金屬在靜載荷作用下的機械性能指針。實際上,許多機器零件都是在循環載荷下工作的,在這種條件下零件會產生疲勞。
5.衝擊韌性
以很大速度作用於機件上的載荷稱為衝擊載荷,金屬在衝擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做衝擊韌性。

5鈹青銅

影響
熱處理殘餘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,&127;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,&127;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佈,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佈和變化規律,使之合理分佈對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關於表層殘餘壓應力的合理分佈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
工件在加熱和冷卻過程中,由於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,由於表層開始溫度低於心部,收縮也大於心部而使心部受拉,當冷卻結束時,由於心部最後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,最後形成的殘餘應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由於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,&127;工件各部位先後相變,造成體積長大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,&127;只要有相變,熱應力和組織應力都會發生。&127;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,&127;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複雜的,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。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個應力應有一個佔主導因素,熱應力佔主導地位時的作用結果是工件心部受拉,表面受壓。&127;組織應力佔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
存在於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(&127;尤其是在最大拉應力下)才會表現出來,&127;若在壓應力場內並無促裂作用。
淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量並決定殘餘應力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦於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,並使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘餘應力而論,這樣做由於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。這一切都是由於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,&127;組織應力隨尺寸的增大而增加,最後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。並與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。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內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只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),在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩,因而沒有淬硬所致&127;。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餘拉應力作用在淬火件中心&127;,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋並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,目的僅僅在於確保外層金屬得到馬氏體組織,&127;而從內應力的角度來看,這時快冷有害無益。其次,冷卻後期緩冷的目的,主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應力值,而在於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、殘餘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。一方面是由於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佈,在工件表面層獲得較大的殘餘壓應力,&127;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餘壓應力,使疲勞強度得到進一步的提高。有人對35SiMn2M0V鋼滲碳後進行等溫淬火與滲碳后淬火低溫回火的殘餘應力進行過測試其
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。適用於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。
期刊欄目
新工藝、材料、設備、組織與性能、典型零件熱處理、工藝改進與設備改造、計算機應用、專業化生產與管理、熱處理標準化。
期刊榮譽
1992年全國優秀科技期刊一等獎
1996-1998機械工業優秀期刊一等獎
全國機械、冶金類專業核心期刊
美國熱處理學會推薦期刊
中國科技論文統計分析來源刊
中國科學引文庫來源刊
中國學術期刊評價資料庫來源刊
中國期刊網全文收錄期刊
中國萬方(Chinainfo)資料庫收錄刊
中國學術期刊(光碟版)收錄刊
中國機械製造文摘收錄刊
中國物理學文獻資料庫來源刊
美國Ulrich期刊庫收錄刊
美國劍橋科學文摘(CSA)源期刊
美國工程索引(Ei)源期刊
美、英金屬文摘(MA)源期刊
美國化學文摘(CA)源期刊
日本JICST資料庫源期刊
俄羅斯文摘雜誌(AJ)用刊
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