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热处理

发布来源:东莞挣鑫金属表面处理厂  发布日期: 2022-07-04  访问量:471

热处理一直是我们机械厂常用的工艺

一、基本名词概念:

热处理:通过改变材料表面或内部通过改变材料表面或内部的金相组织结构来控制金属材料的性能。

金属:具有不透明、金属光泽良好的导热性和导电性,其导电性随温度的升高而降低,具有延展性和延展性的特性。金属内原子有规律排列的固体(即晶体)。

合金:由两种或两种以上的金属或金属和非金属组成,具有金属特性。

相:指金属或合金中化学成分相同、晶格结构相同或原子聚集状态相同的独立均匀组成部分,与其他部分界面清晰。

组织:组织是指用肉眼可直接观察的,或用放大镜、显微镜能观察分辨的材料内部微观形貌图像。

固溶体:固溶体是一种固态金属晶体,一种原子(化合物)溶解在另一化合物)溶解在另一组元的晶格中,但仍保持另一组元的晶格类型。固溶体分为间隙固溶体和替代固溶体。

固溶强化:由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点,晶格变形,提高固溶体的硬度和强度,称为固溶强化。

化合物:合金组元间发生化合作用,产生具有金属性能的新型晶体固态结构。

机械混合物:机械混合物 由纯金属、固溶体和金属化合物组成的组织称为机械混合物。

铁素体:碳在α-Fe(铁的体心立方结构)间隙固溶体。

奥氏体:碳在γ-Fe(铁的面心立方结构)间隙固溶体。

碳和铁形成的稳定化合物(Fe3C)。

珠光体:由铁素体和渗碳体组成的机械混合物(Fe Fe3C 含碳0.77%)。

莱氏体:由渗碳体和奥氏体组成的机械混合物(含碳4).3%)。铁碳相图针对的是较具代表性的铁碳合金,即碳钢。

Ac1和Ac三是珠光体在实际加热中开始转化为奥氏体和全奥氏体的温度线A1和A理想情况下,平衡相变时对应的温度线处于非常缓慢的加热状态,即实际加热时总会有一定的偏差。Acm和Accm同理,只针对过分析钢。

正火:将钢或钢加热到临界点AC3或ACM在空气中冷却上述适当温度一段时间后,得到珠光体组织的热处理工艺。

退火:将亚共析钢工件加热至AC3以上20-40度,保温一段时间后,在空气中慢慢冷却(或埋在砂或石灰中冷却)至500度以下。

固溶热处理:将合金加热到高温单相区域,保持恒温,使过剩相完全溶解到固溶体中,然后快速冷却,以获得过饱和固溶体的热处理过程。

时效性:合金经固溶热处理或冷塑性变形后,当室温放置或略高于室温时,其性能随时间而变化。

固溶处理:充分溶解合金中的各种相,增强固溶体,提高韧性和耐腐蚀性,消除应力和软化,继续加工成型。

及时处理:在强化相沉淀的温度下加热保温,使强化相沉淀沉淀硬化,提高强度。

淬火:钢奥氏体化后,以适当的冷却速度冷却,使马氏体等不稳定组织结构在横截面内全部或一定范围内发生变化。

回火:8将淬火工件加热到临界点AC1以下适当温度保持一定时间,然后通过满足要求的方法冷却,以获得所需的组织和性能。

钢的碳氮共渗:碳氮共渗是向钢的表层同时渗入碳和氮的过程。习惯上碳氮共渗又称为氰化,目前以中温气体碳氮共渗和低温气体碳氮共渗(即气体软氮化)应用较为广泛。中温气体碳氮共渗的主要目的是提高钢的硬度,耐磨性和疲劳强度。低温气体碳氮共渗以渗氮为主,其主要目的是提高钢的耐磨性和抗咬合性。

质量调节处理:淬火与高温回火相结合的热处理通常被称为质量调节处理。质量调节处理广泛应用于各种重要的结构部件,特别是在交替负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮和轴。回火索氏体组织的力学性能优于相同硬度的正火索氏体组织。其硬度取决于高温回火温度,与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关,一般在HB200—350之间。

钎焊:将两种工件粘合在一起的热处理工艺。

二、热处理小知识

热处理一般不改变工件的形状和整体化学成分,钢的热处理是金属热处理的主要内容。

加热温度是热处理过程中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。加热温度因金属材料和热处理的目的而异,但一般加热到相变温度以上,以获得高温组织。此外,变化需要一定的时间,因此当金属工件表面达到所需的加热温度时,必须保持一定的温度,使内外温度一致,使显微组织完全变化,称为绝缘时间。当采用高能密度加热和表面热处理时,加热速度非常快,一般没有绝缘时间,热处理的绝缘时间往往较长。

冷却也是热处理过程中不可缺少的一步。冷却方法因工艺不同而不同,主要是控制冷却速度。一般来说,退火的冷却速度较慢,正火的冷却速度更快,淬火的冷却速度更快。但由于钢种不同,也有不同的要求。例如,空硬钢可以以与正火相同的冷却速度硬化。

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。

三、整体热处理工艺的手段

退火是将工件加热到适当的温度,根据材料和工件尺寸采用不同的绝缘时间,然后缓慢冷却,使金属内部组织达到或接**衡,获得良好的工艺性能和使用性能,或为进一步淬火做准备。

正火是将工件加热到适当的温度,然后在空气中冷却。正火的效果类似于退火,但组织更薄,通常用于提高材料的切割性能,有时用于一些低要求的零件作为较终热处理。

淬火是在水、油或其他无机盐、有机水溶液等淬火介质中快速冷却工件。淬火后,钢变硬,但同时变脆。

为降低钢件的脆性,淬火后的钢件高于室温,低于650℃在适当的温度下长时间保温,然后冷却,称为回火。

退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的四把火

随着加热温度和冷却方和冷却方法的不同而演变成不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性,淬火和高温回火的结合被称为质量调节。部分合金淬火形成过饱和固溶体后,在室温或稍高的适当温度下长期保持,以提高合金的硬度、强度或电磁性。这种热处理工艺被称为及时处理。

压力加工变形与热处理有效紧密结合,使工件具有良好的强度和韧性,称为变形热处理;负压大气或真空中的热处理称为真空热处理,不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持工件表面清洁,提高工件性能,还能通过渗透剂进行化学热处理。

表面热处理是一种金属热处理工艺,只加热工件的表面,以改变其表面的力学性能。为了只加热工件的表面而不将过多的热量传递到工件中,所使用的热源必须具有较高的能量密度,即在单位面积的工件上提供较大的热能,使工件的表面或局部能够在短时间或瞬间达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热处理、常用热源有氧乙炔或氧丙烷、感应电流、激光和电子束等火焰。

化学热处理是一种金属热处理工艺,通过改变工件表面的化学成分、组织和性能。化学热处理与表面热处理的区别在于,后者改变了工件表面的化学成分。化学热处理是在含碳、氮或其他合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热工件,长期保温,使工件表面渗入碳、氮、硼、铬等元素。渗入元素后,有时进行其他热处理工艺,如淬火和回火。化学热处理的主要方法是渗碳、氮和金属。

热处理是机械零件和工模制造过程中的重要工艺之一。一般来说,它可以保证和提高工件的耐磨、耐腐蚀等性能 。它还可以改善空白的组织和应力状态,有利于各种冷热处理。

例如,白铸铁经过长期退火处理可获得锻造铸铁,提高塑性 ;齿轮采用正确的热处理工艺,使用寿命可比未经热处理的齿轮成倍或几十倍;此外,廉价碳钢具有一定昂贵的合金钢性能,可以取代一些耐热钢和不锈钢;几乎所有的工作模具都需要热处理。

补充手段之一

一、退火类型

将偏离平衡状态的钢加热到适当的温度,保温到一定的时间,然后缓慢冷却(炉冷却),获得接**衡状态组织的热处理过程。

根据加热温度可分为两类:一类是临界温度(Ac1或Ac3)上述退火,又称相变重结晶退火,包括完全退火、不完全退火、球化退火和扩散退火(均匀退火);另一种是临界温度以下的退火,包括再结晶退火和去应力退火。根据冷却方法,退火可分为等温退火和连续冷却退火。

1. 完全退火和等温退火

完全退火,又称重结晶退火,一般称为退火,是将钢或钢加热到Ac3以上20~30℃,绝缘时间足够长,使组织在完全奥氏体化后缓慢冷却,以获得接**衡组织的热处理过程。该退火主要用于铸造、锻造和热轧型材,有时用于焊接结构。通常用作一些非重工件的较终热处理,或作为一些工件的预热处理。

2. 球化退火

球化退火主要用于碳钢和合金工具钢(如制造刀具、量具和模具)的过分分析。其主要目的是降低硬度,提高切割加工,并为未来的淬火做好准备。

3. 应力退火

去应力退火,又称低温退火(或高温回火),主要用于消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件等的残余应力。如果不消除这些应力,钢件在一段时间后或随后的切割过程中会变形或开裂。

4.不完全退火是将钢加热至Ac1~Ac三、或Ac1~ACcm(过分析钢)之间温后缓慢冷却,以获得接**衡组织的热处理工艺。

2、淬火时,较常用的冷却介质是盐水、水和油。用盐水淬火的工件容易获得高硬度和光滑表面,不易产生硬化软点,但容易严重变形甚至开裂。油作为淬火介质,仅适用于一些稳定性大的合金钢或小型碳钢工件的淬火。

三、钢回火的目的

1.降低脆性,消除或减少内应力,钢件淬火后存在很大内应力和脆性,如不及时回火往往会使钢件发生变形甚至开裂。

2.获得工件所需的机械性能,淬火后硬度高,脆性大。为了满足各种工件的不同性能要求,硬度可以通过适当的回火来调整,降低脆性,获得所需的韧性和塑性。

3.稳定工件尺寸

4.对于一些退火难以软化的合金钢,淬火(或正火)后经常采用高温回火,使钢中碳化物适当聚集,降低硬度,有利于切割加工。

补充手段二

1.退火:指金属材料加热到适当温度,保持一定时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有:再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的:主要是降低金属材料的硬度,提高塑性,有利于切割或压力加工,减少残余应力,提高组织和成分的均匀性,或为后热处理做好准备。

2.正火:指将钢或钢件加热到或 (钢的上临界点温度)以上,30~50℃保持适当时间后,在静态空气中冷却的热处理过程。正火的目的:主要是提高低碳钢 的机械性能,提高切割加工,细化晶粒,消除组织缺陷,为后热处理做好组织准备。

3.淬火:将钢加热至 Ac3 或 Ac1(钢的下临界点温度)以上的温度,保持一定时间,然后以适当的冷却速度获得马氏体(或贝氏体)组织的热处理过程。常见的淬火过程包括盐浴淬火、马氏体分级淬火、贝氏体等温度淬火、表面淬火和局部淬火。淬火目的 :使钢件获得所需的马氏体组织,提高工件的硬度、强度和耐磨性,为后热处理做好组织准备。

4.回火:指钢件经淬火后加热至 Ac1 以下温度,保温一段时间,然后冷却到室温热处理工艺。常见的回火工艺有:低温回火、中温回火、高温回火和多次回火。

回火的目的:主要是消除淬火过程中钢件产生的应力,使钢件具有高硬度和耐磨性,并具有所需的塑性和韧性。

5.质量调节:指淬火或高温回火的复合热处理工艺。用于质量调节调质钢。一般指中碳结构钢和中碳合金结构钢。

6.渗碳:渗碳是将碳原子渗入钢表面的过程。它还使低碳钢工件具有高碳钢表面层,然后淬火和低温回火,使工件表面层具有高硬度和耐磨性,工件中心部分仍保持低碳钢的韧性和塑性。

4.回火的类型和应用

(1)低温回火(150-250度)

低温回火组织为回火马氏体。其目的是在保持淬火钢硬度高、耐磨性高的前提下,降低淬火内应力和脆性,避免使用过早开裂或损坏。主要用于各种高碳切割刀具、量具、冷冲洗模具、滚动轴承和碳渗透部件,回火后硬度一般为HRC58- 。

(二)中温回火(250-500度)

中温回火所得组织为回火屈氏体。其目的是获得高的屈服强度,弹性极限和较高的韧性。因此,它主要用于各种弹簧和热作模具的处理,回火后硬度一般为HRC35-50。

(三)高温回火(500-650度)

高温回火所得组织为回火索氏体。习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理,其目的是获得强度,硬度和塑性,韧性都较好的综合机械性能。因此,广泛用于汽车,拖拉机,机床等的重要结构零件,如连杆,螺栓,齿轮及轴类。回火后硬度一般为HB200-330。

五、热处理变形的预防

精密复杂模具的变形原因往往是复杂的,但是我们只要掌握其变形规律,分析其产生的原因,采用不同的方法进行预防模具的变形是能够减少的,也是能够控制的。一般来说,对精密复杂模具的热处理变形可采取以下方法预防。

(1)合理选材。对精密复杂模具应选择材质好的微变形模具钢(如空淬钢),对碳化物偏析严重的模具钢应进行合理锻造并进行调质热处理,对较大和无法锻造模具钢可进行固溶双细化热处理。

(2)模具结构设计要合理,厚薄不要太悬殊,形状要对称,对于变形较大模具要掌握变形规律,预留加工余量,对于大型、精密复杂模具可采用组合结构。

(3)精密复杂模具要进行预先热处理,消除机械加工过程中产生的残余应力。

(4)合理选择加热温度,控制加热速度,对于精密复杂模具可采取缓慢加热、预热和其他均衡加热的方法来减少模具热处理变形。

(5)在保证模具硬度的前提下,尽量采用预冷、分级冷却淬火或温淬火工艺。

(6)对精密复杂模具,在条件许可的情况下,尽量采用真空加热淬火和淬火后的深冷处理。

(7)对一些精密复杂的模具可采用预先热处理、时效热处理、调质氮化热处理来控制模具的精度。

(8)在修补模具砂眼、气孔、磨损等缺陷时,选用冷焊机等热影响小的修复设备以避免修补过程中变形的产生。

另外,正确的热处理工艺操作(如堵孔、绑孔、机械固定、适宜的加热方法、正确选择模具的冷却方向和在冷却介质中的运动方向等)和合理的回火热处理工艺也是减少精密复杂模具变形的有效措施。

六、表面淬火回火热处理

表面淬火回火热处理通常用感应加热或火焰加热的方式进行。主要技术参数是表面硬度、局部硬度和有效硬化层深度。硬度检测可采用维氏硬度计,也可采用洛氏或表面洛氏硬度计。试验力(标尺)的选择与有效硬化层深度和工件表面硬度有关。这里涉及到三种硬度计。

一、维氏硬度计是热处理工件表面硬度的重要手段,它可选用0.5~100kg的试验力,薄至0.05mm厚的表面硬化层,它的精度是较高的,可分辨出热处理工件表面硬度的微小差别。另外,有效硬化层深度也要由维氏硬度计来检测,所以,对于进行表面热处理加工或大量使用表面热处理工件的单位,配备一台维氏硬度计是有必要的。

二、表面洛氏硬度计也是十分适于表面淬火工件硬度的,表面洛氏硬度计有三种标尺可以选择。可以有效硬化深度超过0.1mm的各种表面硬化工件。尽管表面洛氏硬度计的精度没有维氏硬度计高,但是作为热处理工厂质量管理和合格检查的检测手段,已经能够满足要求。况且它还具有操作简单、使用方便、价格较低,测量迅速、可直接读取硬度值等特点,利用表面洛氏硬度计可对成批的表面热处理工件进行快速无损的逐件检测。这一点对于金属加工和机械制造工厂具有重要意义。

三、当表面热处理硬化层较厚时,也可采用洛氏硬度计。当热处理硬化层厚度在0.4~0.8mm时,可采用HRA标尺,当硬化层厚度超过0.8mm时,可采用HRC标尺。

维氏、洛氏和表面洛氏三种硬度值可以方便地进行相互换算,转换成标准、图纸或用户需要的硬度值。相应的换算表在国际标准ISO、美国标准ASTM和中国标准GB/T中都已给出。在沈阳天星网站的技术资料栏目中这三种换算表都可以找到。

折叠局部热处理

零件如果局部硬度要求较高,可用感应加热等方式进行局部淬火热处理,这样的零件通常要在图纸上标出局部淬火热处理的位置和局部硬度值。零件的硬度检测要在*区域内进行。硬度检测仪器可采用洛氏硬度计,HRC硬度值,如热处理硬化层较浅,可采用表面洛氏硬度计,HRN硬度值。

七、化学热处理  

化学热处理是使工件表面渗入一种或几种化学元素的原子,从而改变工件表面的化学成分、组织和性能。经淬火和低温回火后,工件表面具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度,而工件的芯部又具有高的强韧性。

操作规程

1、清理好操作场地,检查电源、测量仪表和各种开关是否正常,水源是否通畅。

2、操作人员应穿戴好劳保防护用品。

3、开启控制电源转换开关,根据设备技术要求分级段升、降温,延长设备寿命和设备完好。

4、要注意热处理炉的炉温和网带调速,能掌握对不同材料所需的温度标准,确保工件硬度及表面平直度和氧化层,并认真做好安全工作。

5、要注意回火炉的炉温和网带调速,开启排风,使工件经回火后达到质量要求。

6、在工作中应坚守岗位。

7、要配置必要的消防器具,并熟识使用及保养方法。

8、停机时,要检查各控制开关均处于关闭状态后,关闭转换开关。

八、轴承热处理中常见问题

过热

从托辊配件轴承零件粗糙口上可观察到淬火后的显微组织过热。但要确切判断其过热的程度必须观察显微组织。若在GCr15钢的淬火组织中出现粗针状马氏体,则为淬火过热组织。形成原因可能是淬火加热温度过高或加热保温时间太长造成的全面过热;也可能是因原始组织带状碳化物严重,在两带之间的低碳区形成局部马氏体针状粗大,造成的局部过热。过热组织中残留奥氏体增多,尺寸稳定性下降。由于淬火组织过热,钢的晶体粗大,会导致零件的韧性下降,抗冲击性能降低,轴承的寿命也降低。过热严重甚至会造成淬火裂纹。

欠热

淬火温度偏低或冷却不良则会在显微组织中产生超过标准规定的托氏体组织,称为欠热组织,它使硬度下降,耐磨性急剧降低,影响托辊配件轴承寿命。

淬火裂纹

托辊轴承零件在淬火冷却过程中因内应力所形成的裂纹称淬火裂纹。造成这种裂纹的原因有:由于淬火加热温度过高或冷却太急,热应力和金属质量体积变化时的组织应力大于钢材的抗断裂强度;工作表面的原有缺陷(如表面微细裂纹或划痕)或是钢材内部缺陷(如夹渣、严重的非金属夹杂物、白点、缩孔残余等)在淬火时形成应力集中;严重的表面脱碳和碳化物偏析;零件淬火后回火不足或未及时回火;前面工序造成的冷冲应力过大、锻造折叠、深的车削刀痕、油沟尖锐棱角等。总之,造成淬火裂纹的原因可能是上述因素的一种或多种,内应力的存在是形成淬火裂纹的主要原因。淬火裂纹深而细长,断口平直,破断面无氧化色。它在轴承套圈上往往是纵向的平直裂纹或环形开裂;在轴承钢球上的形状有S形、T形或环型。淬火裂纹的组织特征是裂纹两侧无脱碳现象,明显区别与锻造裂纹和材料裂纹。

热处理变形

NACHI轴承零件在热处理时,存在有热应力和组织应力,这种内应力能相互叠加或部分抵消,是复杂多变的,因为它能随着加热温度、加热速度、冷却方式、冷却速度、零件形状和大小的变化而变化,所以热处理变形是难免的。认识和掌握它的变化规律可以使轴承零件的变形(如套圈的椭圆、尺寸涨大等)置于可控的范围,有利于生产的进行。当然在热处理过程中的机械碰撞也会使零件产生变形,但这种变形是可以用改进操作加以减少和避免的。

表面脱碳

托辊配件轴承零件在热处理过程中,如果是在氧化性介质中加热,表面会发生氧化作用使零件表面碳的质量分数减少,造成表面脱碳。表面脱碳层的深度超过较后加工的留量就会使零件报废。表面脱碳层深度的测定在金相检验中可用金相法和显微硬度法。以表面层显微硬度分布曲线测量法为准,可做仲裁判据。

软点

由于加热不足,冷却不良,淬火操作不当等原因造成的托辊轴承零件表面局部硬度不够的现象称为淬火软点。它象表面脱碳一样可以造成表面耐磨性和疲劳强度的严重下降。   

白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

淬火工艺提高钢的硬度,其显微组织中都有马氏体存在。

不同水质的冷却能力不同,宝剑,心部含碳量为0.15~0.4%,而表面含碳量却达0.6%以上,说明已应用了渗碳工艺。

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