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鋼材熱處理知識(shí)要點(diǎn)
來(lái)源:百度文庫(kù) | 作者:寧聚新材料 | 發(fā)布時(shí)間: 2022-05-26 | 1089 次瀏覽 | 分享到:

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時(shí)間后,又以不同速度冷卻的一種工藝方法。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要工藝之一,與其它加工工藝相比,熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學(xué)成分,而是通過(guò)改變工件內(nèi)部的顯微組織,或改變工件表面的化學(xué)成分,賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量,而這一般不是肉眼所能看到的。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)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(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料,鋼鐵顯微組織復(fù)雜,可以通過(guò)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(nèi)容。另外,鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過(guò)熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能,以獲得不同的使用性能。

在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過(guò)程中,熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)。早在公元前770~前222年,中國(guó)人在生產(chǎn)實(shí)踐中就已發(fā)現(xiàn),銅鐵的性能會(huì)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(nóng)具的重要工藝。公元前六世紀(jì),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(guó)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(shuō)明是經(jīng)過(guò)淬火的。

隨著淬火技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸發(fā)現(xiàn)冷劑對(duì)淬火質(zhì)量的影響。三國(guó)蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀,相傳是派人到成都取水淬火的。這說(shuō)明中國(guó)在古代就注意到不同水質(zhì)的冷卻能力了,同時(shí)也注意了油和尿的冷卻能力。中國(guó)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0.15~0.4%,而表面含碳量卻達(dá)0.6%以上,說(shuō)明已應(yīng)用了滲碳工藝。但當(dāng)時(shí)作為個(gè)人“手藝”的秘密,不肯外傳,因而發(fā)展很慢。1863年,英國(guó)金相學(xué)家和地質(zhì)學(xué)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(shí),內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織改變,鋼中高溫時(shí)的相在急冷時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論,以及英國(guó)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(chǔ)。與此同時(shí),人們還研究了在金屬熱處理的加熱過(guò)程中對(duì)金屬的保護(hù)方法,以避免加熱過(guò)程中金屬的氧化和脫碳等。

1850~1880年,對(duì)于應(yīng)用各種氣體(如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進(jìn)行保護(hù)加熱曾有-系列專利。1889~ 1890年英國(guó)人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。二十世紀(jì)以來(lái),金屬物理的發(fā)展和其它新技術(shù)的移植應(yīng)用,使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個(gè)顯著的進(jìn)展是1901~1925年,在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用轉(zhuǎn)簡(jiǎn)爐進(jìn)行氣體滲碳; 30年代出現(xiàn)露點(diǎn)電位差計(jì),使?fàn)t內(nèi)氣氛的碳勢(shì)達(dá)到可控,以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進(jìn)一步控制爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)的方法; 60年代,熱處理技術(shù)運(yùn)用了等離子場(chǎng)的作用,發(fā)展了離子滲氮、滲碳工藝;激光、電子束技術(shù)的應(yīng)用,又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。


二金屬熱處理的工藝

熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程,有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過(guò)程。這些過(guò)程互相銜接,不可間斷。加熱是熱處理的重要步驟之一一。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(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制,且無(wú)環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱,也可以通過(guò)熔融的鹽或金屬,以至浮動(dòng)粒子進(jìn)行間接加熱。.金屬加熱時(shí),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(duì)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(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱,也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)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(zhì)量的主要問(wèn)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,以獲得需要的組織。另外轉(zhuǎn)變需要-.定的時(shí)間,因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí),還須在此溫度保持一定時(shí)間, 使內(nèi)外溫度一致, 使顯微組織轉(zhuǎn)變完全,這段時(shí)間稱為保溫時(shí)間。采用高能密度加熱和表面熱處理時(shí),加熱速度極快,一般就沒(méi)有保溫時(shí)間或保溫時(shí)間很短,而化學(xué)熱處理的保溫時(shí)間往往較長(zhǎng)。冷卻也是熱處理工藝過(guò)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。- -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(jìn)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、局部熱處理和化學(xué)熱處理等。根據(jù)加熱介質(zhì)、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(yīng)用最廣的金屬,而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜,因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。整體熱處理是對(duì)工件整體加熱,然后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s,以改變其整體力學(xué)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→將工件加熱到適當(dāng)溫度,根據(jù)材料和工件尺寸采用不同的保溫時(shí)間,然后進(jìn)行緩

慢冷卻(冷卻速度最慢),目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)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(jìn)一步淬火作組織準(zhǔn)備。正火→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(xì),常用于改善材料的切削性能,也有時(shí)用于對(duì)- .些要求不高的零件作為最終熱處理。淬火將工件加熱保溫后,在水、油或其它無(wú)機(jī)鹽、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬,但同時(shí)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710C的某一.適當(dāng)溫度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫,再進(jìn)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(guān)系密切,常常配合使用,

缺一不可。“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(qiáng)度和韌性,把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝,稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后,將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間,以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時(shí)效處理。把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行,使工件獲得很好的強(qiáng)度、韌性配合的方法稱為形變熱處理;在負(fù)壓氣氛或真空中進(jìn)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(jìn)行化學(xué)熱處理。表面熱處理是只加熱工件表層,以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱.工件表層而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)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(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法,有激光熱處理、火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理,常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等。

化學(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?;瘜W(xué)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(xué)成分?;瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱,保溫較長(zhǎng)時(shí)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(shí)還要進(jìn)行其它熱處理工藝如淬火及回火?;瘜W(xué)熱“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(qiáng)度和韌性,把淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)的工藝,稱為調(diào)質(zhì)。某些合金淬火形成過(guò)飽和固溶體后,將其置于室溫或稍高的適當(dāng)溫度下保持較長(zhǎng)時(shí)間,以提高合金的硬度、強(qiáng)度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時(shí)效處理。把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行,使工件獲得很好的強(qiáng)度、韌性配合的方法稱為形變熱處理;在負(fù)壓氣氛或真空中進(jìn)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(jìn)行化學(xué)熱處理。表面熱處理是只加熱工件表層,以改變其表層力學(xué)性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱.工件表層而不使過(guò)多的熱量傳入工件內(nèi)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(shí)或瞬時(shí)達(dá)到高溫。表面熱處理的主要方法,有激光熱處理、火焰淬火和感應(yīng)加熱熱處理,常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應(yīng)電流、激光和電子束等?;瘜W(xué)熱處理是通過(guò)改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝?;瘜W(xué)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(xué)成分?;瘜W(xué)熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱,保溫較長(zhǎng)時(shí)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(shí)還要進(jìn)行其它熱處理工藝如淬火及回火?;瘜W(xué)熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬、復(fù)合滲等。熱處理是機(jī)械零件和工模具制造過(guò)程中的重要工序之一。大體來(lái)說(shuō),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(yīng)力狀態(tài),以利于進(jìn)行各.種冷、熱加工。.例如白口鑄鐵經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(jīng)熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高;另外,價(jià)廉的碳鋼通過(guò)滲入某些合金元素就具有某些價(jià)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(jīng)過(guò)熱處理方可使用。