肉眼看不到的机械“内科”工艺

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。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。正如有些人说,机械加工是外科,热处理就是内科,代表一个国家制造业的核心竞争力。

工艺过程

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。

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。

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。

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。

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。

整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,获得需要的金相组织,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,即热处理的“四把火”。

淬火

淬火工艺

钢的淬火是将钢加热到临界温度ac3(亚共析钢)或ac1(过共析钢)以上温度,保温一段时间,使之全部或部分奥氏体化,然后以大于临界冷却速度快冷到ms以下(或ms附近等温)进行马氏体(或贝氏体)转变的热处理工艺。

工艺过程:加热、保温、冷却。

淬火的实质:是过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变,得到马氏体或贝氏体组织。

淬火的目的:(1)大幅提高钢的刚性、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等,从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求;(2)通过淬火满足某些特种钢材的铁磁性、耐蚀性等特殊的物理、化学性能。

应用范围:淬火工艺应用最为广泛,如工具、量具、模具、轴承、弹簧和汽车、拖拉机、柴油机、切削加工机床、气动工具、钻探机械、农机具、石油机械、化工机械、纺织机械、飞机等零件都在使用淬火工艺。

淬火介质

工件进行淬火冷却所使用的介质称为淬火冷却介质(或淬火介质)。理想的淬火介质应具备的条件是使工件既能淬成马氏体,又不致引起太大的淬火应力。

常用的淬火介质有水、水溶液、矿物油、熔盐、熔碱等。

● 水

水是冷却能力较强的淬火介质。

优点: 来源广、价格低、成分稳定不易变质。

缺点:冷却能力不稳定,易使工件变形或开裂。在c曲线的“鼻子”区(500~600℃左右),水处于蒸汽膜阶段,冷却不够快,会形成“软点”;而在马氏体转变温度区(300~100℃),水处于沸腾阶段,冷却太快,易使马氏体转变速度过快而产生很大的内应力,致使工件变形甚至开裂。当水温升高,水中含有较多气体或水中混入不溶杂质(如油、肥皂、泥浆等),均会显著降低其冷却能力。

应用:适用于截面尺寸不大、形状简单的碳素钢工件的淬火冷却。

● 盐水和碱水

在水中加入适量的食盐和碱,使高温工件浸入该冷却介质后,在蒸汽膜阶段析出盐和碱的晶体并立即爆裂,将蒸汽膜破坏,工件表面的氧化皮也被炸碎,这样可以提高介质在高温区的冷却能力,其缺点是介质的腐蚀性大。

应用:一般情况下,盐水的浓度为10%,苛性钠水溶液的浓度为10%~15%。可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质,使用温度不应超过60℃,淬火后应及时清洗并进行防锈处理。

● 油

冷却介质一般采用矿物质油(矿物油)。如机油、变压器油和柴油等。机油一般采用10号、20号、30号机油,油的号越大,黏度越大,闪点越高,冷却能力越低,使用温度相应提高。

淬火方式

● 单液淬火

是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种,一直冷却到室温的淬火操作方法。单液淬火介质有水、盐水、碱水、油及专门配制的淬火剂等。

优点:操作简单,有利于实现机械化和自动化。

缺点:冷速受介质冷却特性的限制而影响淬火质量。

应用:单液淬火对碳素钢而言只适用于形状较简单的工件。

● 双液淬火

是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质,在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出,马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却,如先水后油、先水后空气等。双液淬火减少变形和开裂倾向,操作不好掌握,在应用方面有一定的局限性。

● 马氏体分级淬火

是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质(盐浴或碱浴)中,保持适当的时间,待钢件的内、外层都达到介质温度后取出空冷,以获得马氏体组织的淬火工艺,也称分级淬火。

优点:分级淬火由于在分级温度停留到工件内外温度一致后空冷,所以能有效地减少相变应力和热应力,减少淬火变形和开裂倾向。

应用:适用于对于变形要求高的合金钢和高合金钢工件,也可用于截面尺寸不大、形状复杂地碳素钢工件。

● 贝氏体等温淬火

是将钢件奥氏体化,使之快冷到贝氏体转变温度区间(260~400℃)等温保持,使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺,有时也叫等温淬火,一般保温时间为30~60min。

● 复合淬火

将工件急冷至ms以下获得10%~20%马氏体,然后在下贝氏体温度区等温。这种冷却方法可使较大截面地工件获得m b组织。预淬时形成的马氏体可促进贝氏体转变,在等温时又使马氏体回火。复合淬火用于合金工具钢工件,可避免第一类回火脆性,减少残余奥氏体量即变形开裂倾向。

回火

回火工艺

回火是将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却到室温的热处理工艺。

回火的目的:(1)消除工件淬火时产生的残留应力,防止变形和开裂;(2)调整工件的硬度、强度、塑性和韧性,达到使用性能要求;(3)稳定组织与尺寸,保证精度;(4)改善和提高加工性能。

回火分类

●低温回火

指工件在150~250℃进行的回火。

目的:保持淬火工件高的硬度和耐磨性,降低淬火残留应力和脆性。

回火后得到回火马氏体,指淬火马氏体低温回火时得到的组织。

(针状马氏体)

应用范围:刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等。

●中温回火

指工件在350~500℃之间进行的回火。

目的:得到较高的弹性和屈服点,适当的韧性。回火后得到回火屈氏体,指马氏体回火时形成的铁素体基体内分布着极其细小球状碳化物(或渗碳体)的复相组织。

(屈氏体)

应用范围:弹簧、锻模、冲击工具等。