金属处理工艺

2.4热处理工艺2.4.1热处理概述钢的热处理是钢在固态下采用适当的方式进行加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。热处理工艺与其它工艺（切削加工、焊接、铸造、压力加工等）不同之处在于，其主要目的是通过改变钢的组织来达到改变材料的加工工艺性能和使用性能，而不是改变零件的形状和尺寸。通过热处理能提高产品质量，节约钢材。提高劳动生产率和产品的使用寿命。所以热处理在机械制造业中占有十分重要的地位。由于热处理后钢材的性能不同，根据实际的要求可采用的不同的热处理方法，但各种热处理工艺过程都是由加热、保温、冷却三个阶段组成的。为简明表明表示热处理的基本工艺过程，通常用温度-时间坐标绘出热处理工艺曲线，如图2-所示，曲线①表示钢件在加热升温阶段，曲线②表示钢件加热到规定温度后处于保温阶段，曲线③表示钢件保温结束以后进行淬火冷却。热处理工艺曲线示意图根据加热和冷却方式的不同以及组织、性能变化的特点，钢的热处理工艺可分类如下：2.4.2退火与正火热处理工艺一般分为最终热处理和预先热处理。预先热处理是为了消除或改善前道工序引起的某些缺陷，为最终热处理做好准备，退火和正火是工件预先热处理的主要手段。有些工件经退火或正火后已满足要求，这些退火和正火就作为最终热处理。一、退火退火是将金属或合金加热到适当温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。1.退火的目的及分类退火的目的和分类退火的主要目的是降低硬度，改善力学性能；消除组织缺陷，均匀化学成分；消除或减少内应力，稳定尺寸；为最终热处理做组织准备。退火的种类很多，通常根据退火加热温度可分为：2.常用退火工艺1)完全退火工艺完全退火是将铁碳合金加热到完全奥氏体化，随之缓慢冷却，获得接近平衡状态组织的退火工艺。完全退火主要用于中、低碳钢的铸件、锻件、热轧钢材和焊接件。铸件冷凝过慢或锻轧件终锻、终轧温度过高，会引起奥氏体晶粒粗大，使钢材的塑性和韧性下降；焊接件焊后会引起过热引起组织粗化、内应力、硬度高等缺陷；这些都采用完全退火来消除和改善。因此，完全退火的目的是：降低硬度，改善加工性；细化组织，为下一步淬火做准备；增加塑性和韧性；消除内应力。完全退火的工艺参数由加热温度、加热速度、保温时间和冷却速度等组成，其工艺要点如下：a.加热温度：一般情况下碳钢的完全退火温度选用Ac3＋（30～50）℃，合金钢选用Ac3＋（50～90）℃。为了加快奥氏体化的过程，减少工艺时间，在生产中往往采用较高的温度，而对含有多种合金元素的合金钢，常采用更高的温度。常用钢的退火温度见表。常用钢的退火温度（℃）b.加热速度：形状简单的碳素结构钢或低合金钢可以随炉升温，不控制加热速度。但形状复杂或中、高合金钢则应控制加热速度，中、高合金钢因合金元素含量高，导热性差，所以升温不易过快，其加热速度一般控制在80～100℃/h，低于600～700℃时控制在30～70℃/h。c.保温时间：一般按有效截面厚度计算，实际生产中按1.5～2.5min/mm估算。保温时间的确定，应考虑钢的成分、工件的尺寸和形状、装炉量以及采用的加热炉特性等因素，合金钢的保温时间比碳钢长一些，工件越大，装炉量越多，保温时间也越长。d.冷却速度：在实际生产中，如冷却速度过慢，会造成工件过软；如冷却速度过快，会造成硬度偏高，一般情况下碳钢的冷却速度为100～150℃/h，低合金钢冷却速度为50～100℃/h，高合金钢为20～70℃/h，工件随炉冷到500℃左右可出炉空冷，也可埋入砂、灰堆中或冷却坑中冷却。2）等温退火工艺将钢件或毛坯加热到高于Ac3（或Ac1）温度，保温适当时间后，较快地冷却到珠光体温度区间的某一温度并等温保持，使奥氏体转变为珠光体型组织，然后在空气中冷却的退火工艺，称为等温退火。等温退火主要用于过冷奥氏体比较稳定的合金结构钢，可以减少合金钢的退火时间。等温退火工艺参数的选择，下图为等温退火工艺曲线：等温退火工艺曲线a.退火温度：一般亚共析钢的退火温度为Ac3＋（30～50）℃，共析钢或过共析钢的退火温度为Ac3＋（20～40）℃。b.等温温度和等温时间：在满足性能要求的前提下，尽量选用珠光体转变最快的速度。在实际生产中常用Ar1－（20～30）℃的温度进行等温，等温时间根据钢的种类和装炉量而定，一般合金钢常用3～4h，高合金钢可长一些。c.冷却方法：以加热温度较快地冷至Ar1以下温度等温，等温后在空气中进行冷却或缓慢冷却。3）球化退火工艺球化退火是使钢中碳化物球状化而进行的一种退火工艺。主要用于共析钢和过共析钢，因为共析钢和过共析钢中存在大量的片状或细片状珠光体，硬度较高，切削加工困难，通过球化退火，硬度降低，易于加工。球化退火的主要目的是：得到球状珠光体，消除轻微网状渗碳体，为最终热处理作好组织准备；降低硬度，改善切削加工性；消除内应力，增加塑性和韧性。常用的球化退火工艺有3种（见图），即：常用球化退火工艺曲线示意图a.普通球化退火：将钢加热到稍高于Ac1温度（一般为Ac1以上20～30℃），保温一定时间随后缓慢冷却到500℃以下空冷。常用球化退火工艺曲线见图a）。b.等温球化退火：实质上是共析钢和过共析钢的等温退火，将钢加热到Ac1＋（20～30）℃保温，再快冷到Ar1－（20～30）℃，等温后冷却至500℃空冷。其工艺曲线见图b）。c.周期球化退火：将钢加热到Ac1＋（10～20）℃保温，后快冷，在Ar1－（20～30）℃等温。其特点是反复循环数次后缓冷到小于500℃后空冷，有利于碳化物球化。一般用于共析或过共析钢中粗片状碳化物的球化，其工艺曲线见图c）。在选择工艺参数时应注意下列问题：a.加热温度：加热温度过高，易造成片状珠光体增多，硬度偏高；加热温度过低，造成碳化物溶解不充分，退火后得到片状和细粒状的碳化物，同样也使硬度偏高。b.保温时间：保温时间太长，造成碳化物过度溶解和奥氏体较为均匀化，会出现粗大的球状碳化物；保温时间过短，造成碳化物溶解不够，会有片状碳化物出现。因此，在实际生产中应根据钢种、工件尺寸、装炉量、炉型等因素具体确定保温时间。c.冷却速度：冷却速度过快会使碳化物颗粒太细，降低硬度；冷却速度过慢，会出现粗大的球状碳化物，硬度过高。4）均匀化退火工艺为了减少金属铸锭、铸件或锻坯的化学成分的偏析和组织的不均匀性，将其加热到高温，长时间保温，然后缓慢冷却的退火工艺，称为均匀化退火。均匀化退火主要应用于大型铸钢件和合金钢钢锭。大型铸钢件和合金钢钢锭在铸造过程中会产生化学成分不均匀。均匀化退火的目的是消除化学成分的不均匀性，减少偏析；消除内应力，改善加工性能。均匀化退火工艺参数的选择：a.加热温度：加热温度一般为Ac3（或Acm）＋（150～250）℃。根据经验，碳钢铸件一般为950～1000℃；低合金钢铸件为1000～1050℃；高合金钢铸件为1050～1100℃；高合金钢锭为1000～1200℃。b.加热速度：加热速度一般控制在每小时100～120℃/h。c.保温时间：通常按有效截面厚度2～3min/mm。d.冷却方法：随炉缓冷至500～350℃后出炉空冷。均匀化退火由于加热温度高，保温时间长，必然会引起晶粒粗大，所以已成形的铸件在均匀化退火后应再进行正火或完全退火。而对于钢锭，由于轧制或锻压后还需进行退火或正火处理，故可省去。5）去应力退火工艺去应力退火是为了去除由于塑性形变加工、焊接等而造成的以及铸件内存在的残余应力而进行的退火。一般可在Ac1点以下加热，保温2～4h后，缓冷至200～300℃再出炉空冷。去应力退火适用于铸件、焊接件、锻轧件及机械加工件。铸件及焊接件一般用500～650℃，机械加工件则可用稍低些的温度。二、正火1.正火工艺正火是将钢加热到Ac3（或Acm）＋（150～250）℃，保温适当时间后，在静止空气中冷却的热处理工艺。正火的目的是：细化晶粒，并使组织均匀化；提高低碳钢工件的硬度和切削加工性能；消除切削加工后的硬化现象和去除内应力；消除过共析钢中的网状碳化物，为下一步热处理作好准备。正火的加热温度在实际生产中常常略高一些，以促使奥氏体均匀化，增大过冷奥氏体的稳定性。下表为常用钢材的正火温度及正火后硬度。常用钢材的正火温度及正火后硬度正火的加热速度、保温时间与完全退火相似。冷却方式应根据钢的成分、工件的尺寸和形状以及正火的性能要求而确定。对于一般小件可在空气中冷却，大件可用吹风冷却或喷雾冷却。但对于一些高合金钢，空气冷却已超过其临界冷却速度，属于淬火而非正火。正火的冷却速度比退火要快，可得到细密的珠光体，钢的强度和硬度都比退火高。下表为45钢、40Cr钢退火、正火后的力学性能。45钢、40Cr钢退火、正火后的力学性能对照2.正火的应用正火与退火相比周期短，节约能源，操作简便，并可获得较好的力学性能。所以在满足工件性能要求的条件下，一般采用正火。下图为碳钢的硬度与热处理的关系。图中阴影部分是适合一般切削加工的硬度范围。从图中可以看出，碳的质量分数ωc低于0.5%的碳钢，宜采用正火；碳质量分数ωc高于0.5%的碳钢，宜采用退火；高碳钢宜采用球化退火。碳钢的硬度与热处理的关系对于中碳以上的合金钢，一般可采用退火，这是因为合金元素使曲线右移，正火的冷却速度较快，使硬度过高，不适合机械加工。2.4.3淬火和回火一、淬火淬火是将钢件加热到Ac3或Ac1点以上某一温度，保持一定时间，然后以适当速度冷却，获得马氏体或贝氏作的组织的热处理工艺。这一过程的实质是完成从奥氏体向马氏体或贝氏作的转变。淬火的目的是为了提高钢的强度、硬度、耐磨性等力学性能，从而满足各种零件或工具的不同使用要求。亦可以满足一些特殊的物理、化学性能要求，如提高不锈钢的耐蚀性、增加磁钢的永磁性等。1.加热介质由于淬火后的工件留有加工余量少，因此淬火加热时要求变形小，表面无氧化、脱碳，严格控制淬火加热介质，减少氧化脱碳使之保证工件淬火质量。因此，根据对工件的要求应选择适当的加热介质。常用加热介质有空气、熔盐、保护气氛、真空等。1）空气：箱式、井式等电阻炉的加热介质多为空气。加热温度越高，保温时间越长，氧化脱碳越严重。氧化从200℃时就开始发生。脱碳一般在600℃以上发生。常用的防止氧化脱碳方法有装箱法和涂料保护法。2）熔盐：采用盐浴炉加热，将工件浸入熔盐中，使工件不与氧气接触，具有加热速度快、氧化脱碳倾向小，并可局部加热等优点。3）保护气氛：将制备的一定成分的气体通入加热炉中，可保护工件不被氧化脱碳，并得到光亮的表面，这种气体介质称为保护气氛。保护气氛常用的有吸热式气氛、放热式气氛、滴注式气氛以及氨分解气氛。4）真空：将工件置于真空炉加热，由于真空炉中气体稀薄，压力低于大气压，炉气的氧化性与脱碳性气体极小，可达到保护工件不氧化脱碳。真空处理具有如下许多优点：不氧化、不脱碳，可实现光亮淬火；工件变形小；工件表面光亮；无污染，劳动条件好。2.加热规范1）随炉升温：加热缓慢，截面温差小，用于大型铸锻件及高合金或复杂件；2）到温入炉：加热速度较快，截面温差较大，多用于一般碳钢锻件的退火、正火及低合金钢中小件的淬火和回火；3）高温入炉：比规定淬火温度高出50~100℃入炉，加热速度快、截面温差大，可用于中碳钢及低合金钢锻件的正火、退火；4）分段加热：即分段预热，可以缩短高温加热时间，减少热应力，用于大型及高合金钢件的退火、正火、淬火等3.淬火加热温度的确定钢的化学成分是确定淬火加热温度的主要因素，碳钢的淬火加热温度可用Fe－FeC3相图来选择，下图所示为碳钢的淬火温度范围。碳钢的淬火温度范围1）亚共析钢淬火温度的确定亚共析钢的淬火温度为Ac3＋（30～50℃），淬火时要完全奥氏体化，淬火后得到细小均匀的马氏体。如果温度过高则产生晶粒粗大，使钢变脆，温度过低则形成不均匀组织，产生软点。2）共折钢和过共析钢淬火温度的确定共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1＋（30～50℃）。过共折钢淬火加热至Ac1～Acm之间，其组织为奥氏体(部分未溶解细粒状渗碳体)，淬火后奥氏体转变为马氏体，而粒状渗碳体保留下来，提高了硬度和耐磨性。如温度过高，渗碳体全部溶解，淬