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金屬熱處理基本知識(shí)_滄州五森管道有限公司
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金屬熱處理基本知識(shí)
    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,說明是經(jīng)過淬火的。

    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程中對(duì)金屬的保護(hù)方法,以避免加熱過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)加熱曾有一系列專利。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,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)筒爐進(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)過程,有時(shí)只有加熱和冷卻兩個(gè)過程。這些過程互相銜接,不可間斷。

    加熱是熱處理的重要步驟之一。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(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)變需要一定的時(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。

    退火是將工件加熱到適當(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,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(xì),常用于改善材料的切削性能,也有時(shí)用于對(duì)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710℃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)合起來的工藝,稱為調(diào)質(zhì)。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(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)熱處理是通過改變工件表層化學(xué)成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學(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。化學(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。化學(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(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)過熱處理方可使用。


三 鋼的分類


    鋼是以鐵、碳為主要成分的合金,它的含碳量一般小于2.11% 。鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中極為重要的金屬材料。鋼按化學(xué)成分分為碳素鋼(簡(jiǎn)稱碳鋼)與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金,除鐵、碳為其主要成分外,還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質(zhì)。碳鋼具有一定的機(jī)械性能,又有良好的工藝性能,且價(jià)格低廉。因此,碳鋼獲得了廣泛的應(yīng)用。但隨著現(xiàn)代工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,碳鋼的性能已不能完全滿足需要,于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎(chǔ)上,有目的地加入某些元素(稱為合金元素)而得到的多元合金。與碳鋼比,合金鋼的性能有顯著的提高,故應(yīng)用日益廣泛。

    由于鋼材品種繁多,為了便于生產(chǎn)、保管、選用與研究,必須對(duì)鋼材加以分類。按鋼材的用途、化學(xué)成分、質(zhì)量的不同,可將鋼分為許多類:
(一). 按用途分類

按鋼材的用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。

    1.結(jié)構(gòu)鋼: 
    (1).用作各種機(jī)器零件的鋼。它包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼及滾動(dòng)軸承鋼。

    (2).用作工程結(jié)構(gòu)的鋼。它包括碳素鋼中的甲、乙、特類鋼及普通低合金鋼。

    2.工具鋼:用來制造各種工具的鋼。根據(jù)工具用途不同可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。

    3.特殊性能鋼:是具有特殊物理化學(xué)性能的鋼。可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。

(二). 按化學(xué)成分分類

    按鋼材的化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。

    碳素鋼:按含碳量又可分為低碳鋼(含碳量≤0.25%);中碳鋼(0.25%<含碳量<0.6%);高碳鋼(含碳量≥0.6%)。

合金鋼:按合金元素含量又可分為低合金鋼(合金元素總含量≤5%);中合金鋼(合金元素總含量=5%--10%);高合金鋼(合金元素總含量>10%)。此外,根據(jù)鋼中所含主要合金元素種類不同,也可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。

(三). 按質(zhì)量分類

    按鋼材中有害雜質(zhì)磷、硫的含量可分為普通鋼(含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%;或磷、硫含量均≤0.050%);優(yōu)質(zhì)鋼(磷、硫含量含硫量≤0.030%)。

    此外,還有按冶煉爐的種類,將鋼分為平爐鋼(酸性平爐、堿性平爐),空氣轉(zhuǎn)爐鋼(酸性轉(zhuǎn)爐、堿性轉(zhuǎn)爐、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼)與電爐鋼。按冶煉時(shí)脫氧程度,將鋼分為沸騰鋼(脫氧不完全),鎮(zhèn)靜鋼(脫氧比較完全)及半鎮(zhèn)靜鋼。

    鋼廠在給鋼的產(chǎn)品命名時(shí),往往將用途、成分、質(zhì)量這三種分類方法結(jié)合起來。如將鋼稱為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼等。均≤0.040%);高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼(含磷量≤0.035%、

四 金屬材料的機(jī)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(jī)械零件在加工制造過程中,金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現(xiàn)出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞,決定了它在制造過程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同,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(jī)械零件在使用條件下,金屬材料表現(xiàn)出來的性能,它包括機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能等。金屬材料使用性能的好壞,決定了它的使用范圍與使用壽命。
在機(jī)械制造業(yè)中,一般機(jī)械零件都是在常溫、常壓和非強(qiáng)烈腐蝕性介質(zhì)中使用的,且在使用過程中各機(jī)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(jī)械性能(或稱為力學(xué)性能)。金屬材料的機(jī)械性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)。外加載荷性質(zhì)不同(例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等),對(duì)金屬材料要求的機(jī)械性能也將不同。常用的機(jī)械性能包括:強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。下面將分別討論各種機(jī)械性能。
    1. 強(qiáng)度
    強(qiáng)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。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式,所以強(qiáng)度也分為抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。各種強(qiáng)度間常有一定的聯(lián)系,使用中一般較多以抗拉強(qiáng)度作為最基本的強(qiáng)度指標(biāo)。
    2. 塑性
    塑性是指金屬材料在載荷作用下,產(chǎn)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標(biāo)。目前生產(chǎn)中測(cè)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(cè)試的金屬材料表面,根據(jù)被壓入程度來測(cè)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(qiáng)度、塑性、硬度都是金屬在靜載荷作用下的機(jī)械性能指標(biāo)。實(shí)際上,許多機(jī)器零件都是在循環(huán)載荷下工作的,在這種條件下零件會(huì)產(chǎn)生疲勞。
    5. 沖擊韌性
    以很大速度作用于機(jī)件上的載荷稱為沖擊載荷,金屬在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。
五 退火--淬火--回火
    (一).退火的種類
    1. 完全退火和等溫退火
    完全退火又稱重結(jié)晶退火,一般簡(jiǎn)稱為退火,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(jié)構(gòu)。一般常作為一些不重要工件的最終熱處理,或作為某些工件的預(yù)先熱處理。
    2. 球化退火
    球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼(如制造刃具,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(zhǔn)備。
    3. 去應(yīng)力退火
    去應(yīng)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,冷拉件等的殘余應(yīng)力。如果這些應(yīng)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程中產(chǎn)生變形或裂紋。
    (二).淬火
    為了提高硬度采取的方法,主要形式是通過加熱、保溫、速冷。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(yán)重,甚至發(fā)生開裂。而用油作淬火介質(zhì)只適用于過冷奧氏體的穩(wěn)定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。
    (三).回火
 1. 降低脆性,消除或減少內(nèi)應(yīng)力,鋼件淬火后存在很大內(nèi)應(yīng)力和脆性,如不及時(shí)回火往往會(huì)使鋼件發(fā)生變形甚至開裂。
2. 獲得工件所要求的機(jī)械性能,工件經(jīng)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(dāng)回火的配合來調(diào)整硬度,減小脆性,得到所需要的韌性,塑性。
3. 穩(wěn)定工件尺寸
4. 對(duì)于退火難以軟化的某些合金鋼,在淬火(或正火)后常采用高溫回火,使鋼中碳化物適當(dāng)聚集,將硬度降低,以利切削加工。
六 常用爐型的選擇

 爐型應(yīng)依據(jù)不同的工藝要求及工件的類型來決定

    1.對(duì)于不能成批定型生產(chǎn)的,工件大小不相等的,種類較多的,要求工藝上具有通用性、多用性的,可選用箱式爐。

    2.加熱長(zhǎng)軸類及長(zhǎng)的絲桿,管子等工件時(shí),可選用深井式電爐。

    3.小批量的滲碳零件,可選用井式氣體滲碳爐。

    4.對(duì)于大批量的汽車、拖拉機(jī)齒輪等零件的生產(chǎn)可選連續(xù)式滲碳生產(chǎn)線或箱式多用爐。

    5.對(duì)沖壓件板材坯料的加熱大批量生產(chǎn)時(shí),最好選用滾動(dòng)爐,輥底爐。

    6.對(duì)成批的定型零件,生產(chǎn)上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐(推桿爐或鑄帶爐)

    7.小型機(jī)械零件如:螺釘,螺母等可選用振底式爐或網(wǎng)帶式爐。

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