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熱處理基礎知識

2018-10-19 點(diǎn)擊數:1718
退火--淬火--回火 
退火---淬火---回火 
一.退火的種類(lèi) 
1. 退火和等溫退火 
退火又稱(chēng)重結晶退火,一般簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)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(guò)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(chēng)低溫退火(或高溫回火),這種退火主要用來(lái)消除鑄件,鍛件,焊接件,熱軋件,冷拉件等的殘馀應力。如果這些應力不予消除,將會(huì )引起鋼件在一定時(shí)間以后,或在隨后的切削加工過(guò)程中產(chǎn)生變形或裂紋。 
二.淬火時(shí),最常用的冷卻介質(zhì)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(chǎn)生淬不硬的軟點(diǎn),但卻易使工件變形嚴重,甚至發(fā)生開(kāi)裂。而用油作淬火介質(zhì)只適用于過(guò)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(shí)回火往往會(huì )使鋼件發(fā)生變形甚至開(kāi)裂。 
2. 獲得工件所要求的機械性能,工件經(jīng)淬火后硬度高而脆性大,為了滿(mǎn)足各種工件的不同性能的要求,可以通過(guò)適當回火的配合來(lái)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。 
加熱缺陷及控制 
一、過(guò)熱現象 
我們知道熱處理過(guò)程中加熱過(guò)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(guò)熱:加熱溫度過(guò)高或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(cháng),引起奧氏體晶粒粗化稱(chēng)為過(guò)熱。粗大的奧氏體晶粒會(huì )導致鋼的強韌性降低,脆性轉變溫度升高,增加淬火時(shí)的變形開(kāi)裂傾向。而導致過(guò)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(guò)熱組織可經(jīng)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(guò)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(shí)仍出現粗大顆粒狀斷口。產(chǎn)生斷口遺傳的理論爭議較多,一般認為曾因加熱溫度過(guò)高而使MnS之類(lèi)的雜物溶入奧氏體并富集于晶介面,而冷卻時(shí)這些夾雜物又會(huì )沿晶介面析出,受衝擊時(shí)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(shí),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(chēng)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(guò)燒現象 
加熱溫度過(guò)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(chēng)為過(guò)燒。鋼過(guò)燒后性能?chē)乐貝夯?,淬火時(shí)形成龜裂。過(guò)燒組織無(wú)法恢復,只能報廢。因此在工作中要避免過(guò)燒的發(fā)生。 
三、脫碳和氧化 
鋼在加熱時(shí),表層的碳與介質(zhì)(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(chēng)為脫碳,脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強度及耐磨性降低,而且表面形成殘馀拉應力易形成表面網(wǎng)狀裂紋。 
加熱時(shí),鋼表層的鐵及合金與元素與介質(zhì)(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象稱(chēng)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(diǎn)。 
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、採用鹽浴爐加熱、採用保護氣氛加熱(如淨化后的惰性氣體、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(shí)出現塑性和韌性降低的現象稱(chēng)為氫脆。出現氫脆的工件通過(guò)除氫處理(如回火、時(shí)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。
幾種常見(jiàn)的熱處理概念 
幾種常見(jiàn)熱處理概念 
1. 正火:將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)AC3或ACM以上的適當溫度保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻,得到珠光體類(lèi)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(shí)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(guò)剩相充分溶解到固溶體中,然后快速冷卻,以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝 
4. 時(shí)效:合金經(jīng)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(shí),其性能隨時(shí)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(shí)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(fā)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(jīng)過(guò)淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)AC1以下的適當溫度保持一定時(shí)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(shí)滲入碳和氮的過(guò)程。習慣上碳氮共滲又稱(chēng)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(zhì)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(chēng)為調質(zhì)處理。調質(zhì)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(lèi)等。調質(zhì)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(yōu)。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(guān),一般在HB200—350之間。 
11. 釺焊:用釺料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝 
回火的種類(lèi)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(shí)崩裂或過(guò)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(dòng)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(chēng)為調質(zhì)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(chē),拖拉機,機床等的重要結構零件,如連桿,螺栓,齒輪及軸類(lèi)?;鼗鸷笥捕纫话銥镠B200-330。
鋼的氮化及碳氮共滲 
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(guò)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(shí)分解出活性氮原子,被鋼吸收后在其表面形成氮化層,同時(shí)向心部擴散。 
氮化通常利用專(zhuān)門(mén)設備或井式滲碳爐來(lái)進(jìn)行。適用于各種高速傳動(dòng)精密齒輪、機床主軸(如鏜桿、磨床主軸),高速柴油機曲軸、閥門(mén)等。 
氮化工件工藝路線(xiàn):鍛造-退火-粗加工-調質(zhì)-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(jìn)行調質(zhì)熱處理,獲得回火索氏體,提高心部機械性能和氮化層品質(zhì)。 
鋼在氮化后,不再需要進(jìn)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 
鋼的碳氮共滲:碳氮共滲是向鋼的表層同時(shí)滲入碳和氮的過(guò)程,習慣上碳氮共滲又稱(chēng)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
熱處理應力及其影響 
熱處理殘馀力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來(lái)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(guò)材料的屈服強度時(shí),&127;便引起工件的變形,超過(guò)材料的強度極限時(shí)就會(huì )使工件開(kāi)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(guò)程中應力的分佈和變化規律,使之合理分佈對提高產(chǎn)品品質(zhì)有著(zhù)深遠的實(shí)際意義。例如關(guān)于表層殘馀壓應力的合理分佈對零件使用壽命的影響問(wèn)題已經(jīng)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(guò)程中,由于表層和心部的冷卻速度和時(shí)間的不一致,形成溫差,就會(huì )導致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應力,即熱應力。在熱應力的作用下,由于表層開(kāi)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(shí),由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)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(guò)程中在熱應力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘馀應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過(guò)程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時(shí),因比容的增大會(huì )伴隨工件體積的膨脹,&127;工件各部位先后相變,造成體積長(cháng)大不一致而產(chǎn)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(xué)成分等因素有關(guān)。
實(shí)踐證明,任何工件在熱處理過(guò)程中,&127;只要有相變,熱應力和組織應力都會(huì )發(fā)生。&127;只不過(guò)熱應力在組織轉變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了,而組織應力則是在組織轉變過(guò)程中產(chǎn)生的,在整個(gè)冷卻過(guò)程中,熱應力與組織應力綜合作用的結果,&127;就是工件中實(shí)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(zhù)許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)只有兩種類(lèi)型,即熱應力和組織應力,作用方向相反時(shí)二者抵消,作用方向相同時(shí)二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個(gè)應力應有一個(gè)占主導因素,熱應力占主導地位時(shí)的作用結果是工件心部受拉,表面受壓。&127;組織應力占主導地位時(shí)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(chǎn)生都有促進(jìn)作用,但只有在拉應力場(chǎng)內(&127;尤其是在最大拉應力下)才會(huì )表現出來(lái),&127;若在壓應力場(chǎng)內并無(wú)促裂作用。
淬火冷卻速度是一個(gè)能影響淬火品質(zhì)并決定殘馀應力的重要因素,也是一個(gè)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(guò)鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘馀應力而論,這樣做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(shí)際冷卻速度更緩,開(kāi)裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類(lèi)鋼的熱應力隨尺寸的增大實(shí)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(diǎn)造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀(guān)念大相徑庭。對這類(lèi)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*原則是設法儘量減小截面內外馬氏體轉變的不等時(shí)性。僅僅實(shí)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(chǎn)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(zhù)減緩,因而沒(méi)有淬硬所致&127;。產(chǎn)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馀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,首先形成裂紋并由內往外擴展而造成的。為了避免這類(lèi)裂紋產(chǎn)生,往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實(shí)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,&127;而從內應力的角度來(lái)看,這時(shí)快冷有害無(wú)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和組織應力值,而在于儘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。
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