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金屬加工工藝:四把火
2010-11-19 16:33:10
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淬火:
鋼的淬火是將鋼加熱到臨界溫度Ac3(亞共析鋼)或Ac1(過共析鋼)以上某一溫度,保溫一段時間,使之全部或部分奧氏體化,然后以大于臨界冷卻速度的冷速快冷到Ms以下(或Ms附近等溫)進行馬氏體(或貝氏體)轉變的熱處理工藝。
通常也將鋁合金、銅合金、鈦合金、鋼化玻璃等材料的固溶處理或帶有快速冷卻過程的熱處理工藝稱為淬火。

淬火的目的是使過冷奧氏體進行馬氏體或貝氏體轉變,得到馬氏體或貝氏體組織,然后配合以不同溫度的回火,以大幅提高鋼的強度、硬度、耐磨性、疲勞強度以及韌性等,從而滿足各種機械零件和工具的不同使用要求。也可以通過淬火滿足某些特種鋼材的的鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學性能。

正火:
將工件加熱到適當溫度,保溫一段時間后從爐中取出在空氣中冷卻的金屬熱處理工藝。正火與退火的不同點是正火冷卻速度比退火冷卻速度稍快,因而正火組織要比退火組織更細一些,其機械性能也有所提高。另外,正火爐外冷卻不占用設備,生產率較高,因此生產中盡可能采用正火來代替退火。正火的主要應用范圍有:①用于低碳鋼,正火后硬度略高于退火,韌性也較好,可作為切削加工的預處理。②用于中碳鋼,可代替調質處理作為最后熱處理,也可作為用感應加熱方法進行表面淬火前的預備處理。③用于工具鋼、軸承鋼、滲碳鋼等,可以消降或抑制網狀碳化物的形成,從而得到球化退火所需的良好組織。④用于鑄鋼件,可以細化鑄態組織,改善切削加工性能。⑤用于大型鍛件,可作為最后熱處理,從而避免淬火時較大的開裂傾向。⑥用于球墨鑄鐵,使硬度、強度、耐磨性得到提高,如用于制造汽車、拖拉機、柴油機的曲軸、連桿等重要零件。


將金屬緩慢加熱到一定溫度,保持足夠時間,然后以適宜速度冷卻(通常是緩慢冷卻,有時是控制冷卻)的一種金屬熱處理工藝。目的是使經過鑄造、鍛軋、焊接或切削加工的材料或工件軟化,改善塑性和韌性,使化學成分均勻化,去除殘余應力,或得到預期的物理性能。退火工藝隨目的之不同而有多種,如重結晶退火、等溫退火、均勻化退火、球化退火、去除應力退火、再結晶退火,以及穩定化退火、磁場退火等等。

退火:
  退火的一個最主要工藝參數是最高加熱溫度(退火溫度),大多數合金的退火加熱溫度的選擇是以該合金系的相圖為基礎的,如碳素鋼以鐵碳平衡圖為基?。ㄍ?)。各種鋼(包括碳素鋼及合金鋼)的退火溫度,視具體退火目的的不同而在各該鋼種的Ac3以上、Ac1以上或以下的某一溫度。各種非鐵合金的退火溫度則在各該合金的固相線溫度以下、固溶度線溫度以上或以下的某一溫度。

  重結晶退火 應用于平衡加熱和冷卻時有固態相變(重結晶)發生的合金。其退火溫度為各該合金的相變溫度區間以上或以內的某一溫度。加熱和冷卻都是緩慢的。合金于加熱和冷卻過程中各發生一次相變重結晶,故稱為重結晶退火,常被簡稱為退火。

  這種退火方法,相當普遍地應用于鋼。鋼的重結晶退火工藝是:緩慢加熱到Ac3(亞共析鋼)或Ac1(共析鋼或過共析鋼)以上30~50℃,保持適當時間,然后緩慢冷卻下來。通過加熱過程中發生的珠光體(或者還有先共析的鐵素體或滲碳體)轉變為奧氏體(第一回相變重結晶)以及冷卻過程中發生的與此相反的第二回相變重結晶,形成晶粒較細、片層較厚、組織均勻的珠光體(或者還有先共析鐵素體或滲碳體)。退火溫度在Ac3以上(亞共析鋼)使鋼發生完全的重結晶者,稱為完全退火,退火溫度在Ac1與Ac3之間 (亞共析鋼)或Ac1與Acm之間(過共析鋼),使鋼發生部分的重結晶者,稱為不完全退火。前者主要用于亞共析鋼的鑄件、鍛軋件、焊件,以消除組織缺陷(如魏氏組織、帶狀組織等),使組織變細和變均勻,以提高鋼件的塑性和韌性。后者主要用于中碳和高碳鋼及低合金結構鋼的鍛軋件。此種鍛、軋件若鍛、軋后的冷卻速度較大時,形成的珠光體較細、硬度較高;若停鍛、停軋溫度過低,鋼件中還有大的內應力。此時可用不完全退火代替完全退火,使珠光體發生重結晶,晶粒變細,同時也降低硬度,消除內應力,改善被切削性。此外,退火溫度在Ac1與Acm之間的過共析鋼球化退火,也是不完全退火。


  重結晶退火也用于非鐵合金,例如鈦合金于加熱和冷卻時發生同素異構轉變,低溫為 α相(密排六方結構),高溫為 β相(體心立方結構),其中間是“α+β”兩相區,即相變溫度區間。為了得到接近平衡的室溫穩定組織和細化晶粒,也進行重結晶退火,即緩慢加熱到高于相變溫度區間不多的溫度,保溫適當時間,使合金轉變為β相的細小晶粒;然后緩慢冷卻下來,使β相再轉變為α相或α+β兩相的細小晶粒。

  等溫退火 應用于鋼和某些非鐵合金如鈦合金的一種控制冷卻的退火方法。對鋼來說,是緩慢加熱到 Ac3(亞共析鋼)或 Ac1(共析鋼和過共析鋼)以上不多的溫度,保溫一段時間,使鋼奧氏體化,然后迅速移入溫度在A1以下不多的另一爐內,等溫保持直到奧氏體全部轉變為片層狀珠光體(亞共析鋼還有先共析鐵素體;過共析鋼還有先共析滲碳體)為止,最后以任意速度冷卻下來(通常是出爐在空氣中冷卻)。等溫保持的大致溫度范圍在所處理鋼種的等溫轉變圖上A1至珠光體轉變鼻尖溫度這一區間之內(見過冷奧氏體轉變圖);具體溫度和時間,主要根據退火后所要求的硬度來確定(圖2)。等溫溫度不可過低或過高,過低則退火后硬度偏高;過高則等溫保持時間需要延長。鋼的等溫退火的目的,與重結晶退火基本相同,但工藝操作和所需設備都比較復雜,所以通常主要是應用于過冷奧氏體在珠光體型相變溫度區間轉變相當緩慢的合金鋼。后者若采用重結晶退火方法,往往需要數十小時,很不經濟;采用等溫退火則能大大縮短生產周期,并能使整個工件獲得更為均勻的組織和性能。等溫退火也可在鋼的熱加工的不同階段來用。例如,若讓空冷淬硬性合金鋼由高溫空冷到室溫時,當心部轉變為馬氏體之時,在已發生了馬氏體相變的外層就會出現裂紋;若將該類鋼的熱鋼錠或鋼坯在冷卻過程中放入700℃左右的等溫爐內,保持等溫直到珠光體相變完成后,再出爐空冷,則可免生裂紋。

  含β相穩定化元素較高的鈦合金,其β相相當穩定,容易被過冷。過冷的β相,其等溫轉變動力學曲線(圖3)與鋼的過冷奧氏體等溫轉變圖相似。為了縮短重結晶退火的生產周期并獲得更細、更均勻的組織,亦可采用等溫退火。

  均勻化退火 亦稱擴散退火。應用于鋼及非鐵合金(如錫青銅、硅青銅、白銅、鎂合金等)的鑄錠或鑄件的一種退火方法。將鑄錠或鑄件加熱到各該合金的固相線溫度以下的某一較高溫度,長時間保溫,然后緩慢冷卻下來。均勻化退火是使合金中的元素發生固態擴散,來減輕化學成分不均勻性(偏析),主要是減輕晶粒尺度內的化學成分不均勻性(晶內偏析或稱枝晶偏析)。均勻化退火溫度所以如此之高,是為了加快合金元素擴散,盡可能縮短保溫時間。合金鋼的均勻化退火溫度遠高于Ac3,通常是1050~1200℃。非鐵合金錠進行均勻化退火的溫度一般是“0.95×固相線溫度(K)”,均勻化退火因加熱溫度高,保溫時間長,所以熱能消耗量大。


  球化退火 只應用于鋼的一種退火方法。將鋼加熱到稍低于或稍高于Ac1的溫度或者使溫度在A1上下周期變化,然后緩冷下來。目的在于使珠光體內的片狀滲碳體以及先共析滲碳體都變為球粒狀,均勻分布于鐵素體基體中(這種組織稱為球化珠光體)。具有這種組織的中碳鋼和高碳鋼硬度低、被切削性好、冷形變能力大。對工具鋼來說,這種組織是淬火前最好的原始組織。
  球化退火的具體工藝(圖4)有:①普通(緩冷)球化退火(圖4a),緩冷適用于多數鋼種,尤其是裝爐量大時,操作比較方便,但生產周期長;②等溫球化退火(圖4b),適用于多數鋼種,特別是難于球化的鋼以及球化質量要求高的鋼(如滾動軸承鋼);其生產周期比普通球化退火短,不過需要有能夠控制共析轉變前冷卻速率的爐子;③周期球化退火(圖4c),適用于原始組織為片層狀珠光體組織的鋼,其生產周期也比普通球化退火短,不過在設備裝爐量大的條件下,很難按控制要求改變溫度,故在生產中未廣泛采用;④低溫球化退火(圖4d),適用于經過冷形變加工的鋼以及淬火硬化過的鋼(后者通常稱為高溫軟化回火);⑤形變球化退火,形變加工對球化有加速作用,將形變加工與球化結合起來,可縮短球化時間。它適用于冷、熱形變成形的鋼件和鋼材(如帶材)(圖4e是在Acm或Ac3與Ac1之間進行短時間、大形變量的熱形變加工者;圖4f是在常溫先予以形變加工者;圖4g是利用鍛造余熱進行球化者)。

  再結晶退火 應用于經過冷變形加工的金屬及合金的一種退火方法。目的為使金屬內部組織變為細小的等軸晶粒,消除形變硬化,恢復金屬或合金的塑性和形變能力(回復和再結晶)。若欲保持金屬或合金表面光亮,則可在可控氣氛的爐中或真空爐中進行再結晶退火。

  去除應力退火 鑄、鍛、焊件在冷卻時由于各部位冷卻速度不同而產生內應力,金屬及合金在冷變形加工中以及工件在切削加工過程中也產生內應力。若內應力較大而未及時予以去除,常導致工件變形甚至形成裂紋。去除應力退火是將工件緩慢加熱到較低溫度(例如,灰口鑄鐵是500~550℃,鋼是500~650℃),保溫一段時間,使金屬內部發生弛豫,然后緩冷下來。應該指出,去除應力退火并不能將內應力完全去除,而只是部分去除,從而消除它的有害作用。


  還有一些專用退火方法,如不銹耐酸鋼穩定化退火;軟磁合金磁場退火;硅鋼片氫氣退火;可鍛鑄鐵可鍛化退火等。
將工件加熱到預定溫度,保溫一定的時間后緩慢冷卻的金屬熱處理工藝。退火的目的在于:①改善或消除鋼鐵在鑄造、鍛壓、軋制和焊接過程中所造成的各種組織缺陷以及殘余應力,防止工件變形、開裂。②軟化工件以便進行切削加工。③細化晶粒,改善組織以提高工件的機械性能。④為最終熱處理(淬火、回火)作好組織準備。常用的退火工藝有:①完全退火。用以細化中、低碳鋼經鑄造、鍛壓和焊接后出現的力學性能不佳的粗大過熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉變為奧氏體的溫度以上30~50℃,保溫一段時間,然后隨爐緩慢冷卻,在冷卻過程中奧氏體再次發生轉變,即可使鋼的組織變細。②球化退火。用以降低工具鋼和軸承鋼鍛壓后的偏高硬度。將工件加熱到鋼開始形成奧氏體的溫度以上20~40℃,保溫后緩慢冷卻,在冷卻過程中珠光體中的片層狀滲碳體變為球狀,從而降低了硬度。③等溫退火。用以降低某些鎳、鉻含量較高的合金結構鋼的高硬度,以進行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩定的溫度,保溫適當時間,奧氏體轉變為托氏體或索氏體,硬度即可降低。④再結晶退火。用以消除金屬線材、薄板在冷拔、冷軋過程中的硬化現象(硬度升高、塑性下降)。加熱溫度一般為鋼開始形成奧氏體的溫度以下50~150℃ ,只有這樣才能消除加工硬化效應使金屬軟化。⑤石墨化退火。用以使含有大量滲碳體的鑄鐵變成塑性良好的可鍛鑄鐵。工藝操作是將鑄件加熱到950℃左右 ,保溫一定時間后適當冷卻 ,使滲碳體分解形成團絮狀石墨。⑥擴散退火。用以使合金鑄件化學成分均勻化,提高其使用性能。方法是在不發生熔化的前提下 ,將鑄件加熱到盡可能高的溫度,并長時間保溫,待合金中各種元素擴散趨于均勻分布后緩冷。⑦去應力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內應力。對于鋼鐵制品加熱后開始形成奧氏體的溫度以下100~200℃,保溫后在空氣中冷卻,即可消除內應力。

回火:
又稱配火。金屬熱處理工藝的一種。將經過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當溫度,保溫一段時間后在空氣或水、油等介質中冷卻的金屬熱處理?;蚪慊鷙蟮暮轄鴯ぜ尤鵲絞實蔽露?,保溫若干時間,然后緩慢或快速冷卻。一般用以減低或消除淬火鋼件中的內應力,或降低其硬度和強度,以提高其延性或韌性。根據不同的要求可采用低溫回火、中溫回火或高溫回火。通常隨著回火溫度的升高,硬度和強度降低,延性或韌性逐漸增高。

鋼鐵工件在淬火后具有以下特點:①得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡(即不穩定)組織。②存在較大內應力。③力學性能不能滿足要求。因此,鋼鐵工件淬火后一般都要經過回火。

作用   回火的作用在于:①提高組織穩定性,使工件在使用過程中不再發生組織轉變,從而使工件幾何尺寸和性能保持穩定。②消除內應力,以便改善工件的使用性能并穩定工件幾何尺寸。③調整鋼鐵的力學性能以滿足使用要求。

回火之所以具有這些作用,是因為溫度升高時,原子活動能力增強,鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進行擴散,實現原子的重新排列組合,從而使不穩定的不平衡組織逐步轉變為穩定的平衡組織。內應力的消除還與溫度升高時金屬強度降低有關。一般鋼鐵回火時,硬度和強度下降,塑性提高?;鼗鷂露仍礁?,這些力學性能的變化越大。有些合金元素含量較高的合金鋼,在某一溫度范圍回火時,會析出一些顆粒細小的金屬化合物,使強度和硬度上升。這種現象稱為二次硬化。

要求 用途不同的工件應在不同溫度下回火,以滿足使用中的要求。①刀具、軸承、滲碳淬火零件、表面淬火零件通常在250℃以下進行低溫回火。低溫回火后硬度變化不大,內應力減小,韌性稍有提高。②彈簧在350~500℃下中溫回火,可獲得較高的彈性和必要的韌性。③中碳結構鋼制作的零件通常在500~600℃進行高溫回火,以獲得適宜的強度與韌性的良好配合。淬火加高溫回火的熱處理工藝總稱為調質。

鋼在300℃左右回火時,常使其脆性增大,這種現象稱為第一類回火脆性。一般不應在這個溫度區間回火。某些中碳合金結構鋼在高溫回火后,如果緩慢冷至室溫,也易于變脆。這種現象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬,或回火時在油或水中冷卻,都可以防止第二類回火脆性。將第二類回火脆性的鋼重新加熱至原來的回火溫度,便可以消除這種脆性。

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