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退火、正火、淬火、回火等金属热处理工艺


金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度, 并在此温度中保持一定 以不同速度冷却的一种工艺方法。 时间后,又以不同速度冷却 以不同速度冷却 金属热处理是机械制造中的重要工艺之一, 与其它加工工艺相比, 热处理一般不改变工 件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学 通过改变工件内部的显微组织, 通过改变工件内部的显微组织 成分,赋

予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量,而这一般不是肉眼所能 成分 看到的。 为使金属工件具有所需要的力学性能、 物理性能和化学性能, 除合理选用材料和各种成 形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料,钢铁显微组 织复杂, 可以通过热处理予以控制, 所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。 另外, 铝、 铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能,以获得不同的使 用性能。 在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中,热处理的作用逐渐为人们所认识。 早在公元前 770~前 222 年,中国人在生产实践中就已发现,铜铁的性能会因温度和加压 变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。 公元前六世纪,钢铁兵器逐渐被采用,为了提高钢的硬度,淬火工艺遂得到迅速发展。 中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟, 其显微组织中都有马氏体存在, 说明是经过 淬火的。 随着淬火技术的发展, 人们逐渐发现冷剂对淬火质量的影响。 三国蜀人蒲元曾在今陕西 斜谷为诸葛亮打制 3000 把刀,相传是派人到成都取水淬火的。这说明中国在古代就注意到 不同水质的冷却能力了,同时也注意了油和尿的冷却能力。中国出土的西汉(公元前 206~ 公元 24)中山靖王墓中的宝剑,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。但当时作为个人“手艺”的秘密,不肯外传,因而发展很慢。 1863 年,英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织,证 明了钢在加热和冷却时, 内部会发生组织改变, 钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的 相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论,以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图,为 现代热处理工艺初步奠定了理论基础。 与此同时, 人们还研究了在金属热处理的加热过程中 对金属的保护方法,以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。 1850~1880 年,对于应用各种气体(如氢气、煤气、一氧化碳等)进行保护加热曾有一 系列专利。1889~1890 年英国人莱克获得多种金属光亮热处理的专利。 二十世纪以来, 金属物理的发展和其它新技术的移植应用, 使金属热处理工艺得到更大 发展。一个显著的进展是 1901~1925 年,在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳 ;30 年 代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控,以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探 头等进一步控制炉内气氛碳势的方法;60 年代,热处理技术运用了等离子场的作用,发展 了离子渗氮、渗碳工艺;激光、电子束技术的应用,又使金属获得了新的表面热处理和化学 热处理方法。

二 金属热处理的工艺
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程,有时只有加热和冷却两个过程。这些 加热、保温、冷却三个过程 加热 过程互相衔接,不可间断。 加热是热处理的重要步骤之一。 金属热处理的加热方法很多, 最早是采用木炭和煤作为 热源,进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制,且无环境污染。利用这些热源 可以直接加热,也可以通过熔融的盐或金属,以至浮动粒子进行间接加热。 金属加热时,工件暴露在空气中,常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低), 这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛

中、熔融盐中和真空中加热,也可用涂料或包装方法进行保护加热。 加热温度是热处理工艺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。 加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异, 一般都是加热到 但一般都是加热到 相变温度以上,以获得需要的组织。另外转变需要一定的时间,因此当金属工件表面达到 相变温度以上,以获得需要的组织 要求的加热温度时,还须在此温度保持一定时间,使内外温度一致,使显微组织转变完全, 这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时,加热速度极快,一般就没有保 温时间或保温时间很短,而化学热处理的保温时间往往较长 化学热处理的保温时间往往较长。 化学热处理的保温时间往往较长 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤, 冷却方法因工艺不同而不同, 主要是控制 冷却速度。一般退火的冷却速度最慢,正火的冷却速度较快,淬火的冷却速度更快 一般退火的冷却速度最慢, 一般退火的冷却速度最慢 正火的冷却速度较快,淬火的冷却速度更快。但还 因钢种不同而有不同的要求,例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等。 金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理、局部热处理和化学热处理等 根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。 同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。钢铁是工业 上应用最广的金属,而且钢铁显微组织也最为复杂,因此钢铁热处理工艺种类繁多。 整体热处理是对工件整体加热, 然后以适当的速度冷却, 以改变其整体力学性能的金属 热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 钢铁整体热处理大致有退火、 钢铁整体热处理大致有退火 正火、淬火和回火四种基本工艺。 退火→将工件加热到适当温度, 根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间, 然后进行缓 退火 慢冷却(冷却速度最慢 目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能 冷却速度最慢),目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态 冷却速度最慢 目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态, 和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。 和使用性能 正火→将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却 正火的效果同退火相似,只是得到 在空气中冷却,正火的效果同退火相似 正火 在空气中冷却 正火的效果同退火相似, 的组织更细,常用于改善材料的切削性能, 的组织更细,常用于改善材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热 处理。 处理。 在水、 淬火→将工件加热保温后,在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷 在水 油或其它无机盐、 淬火 淬火后钢件变硬, 为了降低钢件的脆性, 却。淬火后钢件变硬,但同时变脆 为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而 淬火后钢件变硬 但同时变脆。为了降低钢件的脆性 低于 710℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火 ℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。退火、正 淬火与回火关系密切, 火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用, 淬火与回火关系密切 常常配合使用, 缺一不可。 缺一不可。 “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺 。为了获得一 为了获得一 定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺 称为调质。某些合金淬火形成过饱 起来的工艺, 定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质 和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或 电性磁性等。 这样的热处理工艺称为时效处理 把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合 时效处理。 时效处理 起来进行,使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理 形变热处理;在负压气氛或真空中 形变热处理 进行的热处理称为真空热处理 它不仅能使工件不氧化, 真空热处理, 不脱碳, 保持处理后工件表面光洁, 真空热处理 提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。 表面热处理是只加热工件表层, 以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。 为了只加热 工件表层而不使过多的热量传入工件内部, 使用的热源须具有高的能量密度, 即在单位面积 的工件上给予较大的热能, 使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。 表面热处理的主要方 有激光热处理、火焰淬火和感应加热热处理,常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、 热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、 法,有激光热处理、火焰淬火和感应加热热处理 热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰 感应电流、激光和电子束等。 感应电流、激光和电子束等。

化学热处理是通过改变工件表层化学成分、 组织和性能的金属热处理工艺。 化学热处理 与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、 氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入 碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后,有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热

处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等。 热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。 大体来说, 它可以保证和提高 工件的各种性能 ,如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态,以利于进行各 种冷、热加工。 例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁,提高塑性 ;齿轮采用正确的热处理 工艺,使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高;另外,价廉的碳钢通过渗入 某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能,可以代替某些耐热钢、不锈钢;工模具则几乎 全部需要经过热处理方可使用。

三 钢的分类
钢是以铁、碳为主要成分的合金, 钢是以铁、碳为主要成分的合金,它的含碳量一般小于 2.11% 。钢是经济建设中极为 重要的金属材料。钢按化学成分分为碳素钢(简称碳钢)与合金钢两大类 化学成分分为碳素钢 化学成分分为碳素钢(简称碳钢)与合金钢两大类。碳钢是由生铁 冶炼获得的合金,除铁、碳为其主要成分外,还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。碳钢具 碳钢具 有一定的机械性能,又有良好的工艺性能,且价格低廉。因此,碳钢获得了广泛的应用。 有一定的机械性能,又有良好的工艺性能,且价格低廉 但随着现代工业与科学技术的迅速发展, 碳钢的性能已不能完全满足需要, 于是人们研制了 各种合金钢。合金钢是在碳钢基础上,有目的地加入某些元素(称为合金元素)而得到的 合金钢是在碳钢基础上 合金钢是在碳钢基础上,有目的地加入某些元素(称为合金元素) 多元合金。与碳钢比,合金钢的性能有显著的提高,故应用日益广泛。 多元合金。与碳钢比,合金钢的性能有显著的提高,故应用日益广泛。 由于钢材品种繁多,为了便于生产、保管、选用与研究,必须对钢材加以分类。按钢材 的用途、化学成分、质量的不同,可将钢分为许多类: (一) 按用途分类 . 按钢材的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。 1.结构钢: (1).用作各种机器零件的钢。它包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢。 (2) .用作工程结构的钢。它包括碳素钢中的甲、乙、特类钢及普通低合金钢。 2.工具钢:用来制造各种工具的钢。根据工具用途不同可分为刃具钢、模具钢与量具钢。 3.特殊性能钢:是具有特殊物理化学性能的钢。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。 (二) 按化学成分分类 . 按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢:按含碳量又可分为 按含碳量又可分为低碳钢(含碳量≤0.25%) ;中碳钢(0.25%<含碳量<0.6%) ; 按含碳量又可分为 高碳钢(含碳量≥0.6%) 。 合金钢:按合金元素含量又可分 按合金元素含量又可分为低合金钢(合金元素总含量≤5%) ;中合金钢(合金元素 按合金元素含量又可分 总含量=5%--10%) ;高合金钢(合金元素总含量>10%) 。此外,根据钢中所含主要合金元 素种类不同,也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。 (三) 按质量分类 . 按钢材中有害杂质磷、硫的含量可分为普通钢(含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%;或磷、 硫含量均≤0.050%) ;优质钢(磷、硫含量含硫量≤0.030%) 。 此外,还有按冶炼炉的种类,将钢分为平炉钢(酸性平炉、碱性平炉) ,空气转炉钢(酸性 转炉、碱性转炉、氧气顶吹转炉钢)与电炉钢。按冶炼时脱氧程度,将钢分为沸腾钢(脱氧 不完全) ,镇静钢(脱氧比较完全)及半镇静钢。 钢厂在给钢的产品命名时,往往将用途、成分、质量这三种分类方法结合起来。如将钢称为 普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金 工具钢等。均≤0.040%) ;高级优质钢(含磷量≤0.035%、

四 金属材料的机械性能

金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能两类。 所谓工艺性能是指机械零件在加工制造 过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏, 决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。 由于加工条件不同, 要求的工艺性能也就不同, 如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。所谓使用性能是指机械零件在 使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括机械性能、物理性能、化学性能等。金属材 料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。 在机械制造业中,一般机械零件都是在常温、常压和非强烈腐蚀性介质中使用的,且在使用 过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。 金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能, 称为 机械性能(或称为力学性能) 。金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据。外 加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等) ,对金属材料要求的机械性 能也将不同。常用的机械性能包括:强度、塑性、硬度、韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。 下面将分别讨论各种机械性能。 1. 强度 强度是指金属材料在静荷作用下抵抗破坏(过量塑性变形或断裂)的性能。由于载荷的作用 方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式,所以强度也分为抗拉强度 抗压强度、抗弯强度、 抗拉强度、抗压强度 抗拉强度 抗压强度、抗弯强度、 抗剪强度等。 使用中一般较多以抗拉强度作为最基本的强度指 抗剪强度等 各种强度间常有一定的联系, 标。 2. 塑性 塑性是指金属材料在载荷作用下,产生塑性变形(永久变形)而不破坏的能力。 3. 硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的指标。 目前生产中测定硬度方法最常用的是压入硬度法, 它 是用一定几何形状的压头 压头在一定载荷下压入被测试的金属材料表面, 根据被压入程度来测定 压头 其硬度值。 常用的方法有布氏硬度(HB) 布氏硬度( ) 、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)和维氏硬度(HV)等方法。 布氏硬度 4. 疲劳 前面所讨论的强度、塑性、硬度都是金属在静载荷作用下的机械性能指标。实际上,许多机 器零件都是在循环载荷下工作的,在这种条件下零件会产生疲劳。 5. 冲击韧性 以很大速度作用于机件上的载荷称为冲击载荷, 金属在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力叫做 冲击韧性。

退火--淬火 淬火--回火 五 退火 淬火 回火
(一).退火的种类 1. 完全退火和等温退火 完全退火又称重结晶退火, 一般简称为退火, 这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合 金钢的铸,锻件及热轧型材,有时也用于焊接结构。一般常作为一些不重要工件的最终热处 理,或作为某些工件的预先热处理。 2. 球化退火 球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具,量具,模具所用的钢种) 。其 主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并为以后淬火作好准备。 3. 去应力退火 去应力退火又称低温退火(或高温回火) ,这种退火主要用来消除铸件,锻件,焊接件,热 轧件,冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除,将会引起钢件在一定时间以后,或在 随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。

(二).淬火 为了提高硬度采取的方法,主要形式是通过加热、保温、速冷 主要形式是通过加热、 主要形式是通过加热 保温、速冷。最常用的冷却介质是盐水, 水和油。盐水淬火的工件,容易得到高的硬度和光洁的表面,不容易产生淬不硬的软点,但 却易使工件变形严重,甚至发生开裂。而用油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比 油作淬火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比 较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。 较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。 (三).回火 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. 获得工件所要求的机械性能,工件经淬火后硬度高而脆性大,为了满足各种工件的不 同性能的要求, 可以通过适当回火的配合来调整硬度, 减小脆性, 得到所需要的韧性, 塑性。 3. 稳定工件尺寸 4. 对于退火难以软化的某些合金钢,在淬火(或正火)后常采用高温回火,使钢中碳化 物适当聚集,将硬度降低,以利切削加工。

六 常用炉型的选择
炉型应依据不同的工艺要求及工件的类型来决定 1.对于不能成批定型生产的,工件大小不相等的,种类较多的,要求工艺上具有通用性、 多用性的,可选用箱式炉。 2.加热长轴类及长的丝杆,管子等工件时,可选用深井式电炉。 3.小批量的渗碳零件,可选用井式气体渗碳炉。 4.对于大批量的汽车、拖拉机齿轮等零件的生产可选连续式渗碳生产线或箱式多用炉。 5.对冲压件板材坯料的加热大批量生产时,最好选用滚动炉,辊底炉。 6.对成批的定型零件,生产上可选用推杆式或传送带式电阻炉(推杆炉或铸带炉) 7.小型机械零件如:螺钉,螺母等可选用振底式炉或网带式炉。 8.钢球及滚柱热处理可选用内螺旋的回转管炉。 9.有色金属锭坯在大批量生产时可用推杆式炉,而对有色金属小零件及材料可用空气循环 加热炉。

七、表面处理资料
(1)钢结构的防火处理 钢材是一种不会燃烧的建筑材料,它具有抗震、抗弯等特性。在实际应用中,钢材既可以相 对增加建筑物的荷载能力, 也可以满足建筑设计美感造型的需要, 还避免了混凝土等建筑材 料不能弯曲、拉伸的缺陷,因此钢材受到了建筑行业的青睐,单层、多层、摩天大楼,厂房、 库房、候车室、候机厅等采用钢材都很普遍。但是,钢材作为建筑材料在防火方面又存在一 些难以避免的缺陷,它的机械性能,如屈服点、抗拉及弹性模量等均会因温度的升高而急剧 下降。 钢结构通常在 450~650℃温度中就会失去承载能力 ~ ℃温度中就会失去承载能力,发生很大的形变,导致钢柱、钢梁 弯曲,结果因过大的形变而不能继续使用,一般不加保护的钢结构的耐火极限为 15 分钟左 右。这一时间的长短还与构件吸热的速度有关。 要使钢结构材料在实际应用中克服防火方面的不足, 必须进行防火处理, 其目的就是将 钢结构的耐火极限提高到设计规范规定的极限范围。 防止钢结构在火灾中迅速升温发生形变 塌落,其措施是多种多样的,关键是要根据不同情况采取不同方法,如采用绝热、耐火材料 阻隔火焰直接灼烧钢结构,降低热量传递的速度推迟钢结构温升、强度变弱的时间等。但无

论采取何种方法,其原理是一致的。下面介绍几种不同钢结构的防火保护措施。

一、外包层。就是在钢结构外表添加外包层,可以现浇成型,也可以采用喷涂法。现浇 成型的实体混凝土外包层通常用钢丝网或钢筋来加强, 以限制收缩裂缝, 并保证外壳的强度。 喷涂法可以在施工现场对钢结构表面涂抹砂泵以形成保护层, 砂泵可以是石灰水泥或是石膏 砂浆,也可以掺入珍珠岩或石棉。同时外包层也可以用珍珠岩、石棉、石膏或石棉水泥、轻 混凝土做成预制板,采用胶粘剂、钉子、螺栓固定在钢结构上。 二、充水(水套)。空心型钢结构内充水是抵御火灾最有效的防护措施。这种方法能使钢 结构在火灾中保持较低的温度,水在钢结构内循环,吸收材料本身受热的热量。受热的水经 冷却后可以进行再循环,或由管道引入凉水来取代受热的水。 三、屏蔽。钢结构设置在耐火材料组成的墙体或顶棚内,或将构件包藏在两片墙之间的 空隙里, 只要增加少许耐火材料或不增加即能达到防火的目的。 这是一种最为经济的防火方 法。 四、膨胀材料。采用钢结构防火涂料保护构件,这种方法具有防火隔热性能好、施工不 受钢结构几何形体限制等优点,一般不需要添加辅助设施,且涂层质量轻,还有一定的美观 装饰作用,属于现代的先进防火技术措施。 目前,高层钢结构建筑日趋增多,尤其是一些超高层建筑,采用钢结构材料更为广泛。 高层建筑一旦发生火灾事故,火不是在短时间内就能扑灭的,这就要求我们在建筑设计时, 加大对建筑材料的防火保护,以增强其耐火极限,并在建筑内部制订必要的应急方案,以减 少人员伤亡和财产损失。

(2)常用火焰喷涂塑料材料及性能 )
塑料种类很多,根据塑料受热的性能,可分为热塑性塑料及热固性塑料两大类。火焰喷涂用 塑料粉末一般由塑料原料加上改性材料制成, 这些改性材料, 包括各种填料、 颜料、 流平剂、 增韧剂等。通过改性,使塑料粉末容易进行火焰喷涂。使制成的涂层具有所要求的颜色和各 种性能。 热塑性塑料的特点是可随温度上升而变软或熔化,冷却后则凝固成型变硬,这个过程为可 热塑性塑料的特点是可随温度上升而变软或熔化,冷却后则凝固成型变硬 逆过程可反复进行多次 可反复进行多次,通常热塑性塑料,具有优良的抗化学性、韧性和弯曲性能,火焰喷 可反复进行多次 火焰喷 涂常用的热塑性塑料主要有聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚苯硫醚、氯化聚醚、 涂常用的热塑性塑料主要有聚乙烯、尼龙、聚丙烯、聚苯硫醚、氯化聚醚、EVA 等,其中以 聚乙烯、尼龙应用最多最广。 聚乙烯、尼龙应用最多最广 热固性塑料的特点是用某些较低聚合度的予聚体树脂,在一定温度下或加入固化剂条件下, 热固性塑料的特点是 固化成不能再次熔化或熔融的,质地坚硬的最终产物 温度再升高,产品只能分解, 产物, 固化成不能再次熔化或熔融的,质地坚硬的最终产物,温度再升高,产品只能分解,不能 再软化。热固性塑料分子量较低,所以具有较好的流平性、润湿性;因而能很好地粘附在工 再软化 件表面,并具有较好的装饰性能。火焰喷涂常用的热固性塑料粉末有环氧、环氧/聚酯及聚 火焰喷涂常用的热固性塑料粉末有环氧、 火焰喷涂常用的热固性塑料粉末有环氧 环氧/ 酯粉末等。 酯粉末等。 1、聚乙烯(PE PE) PE 聚乙烯为白色透明物质 白色透明物质,外观似石蜡,可着色,可弯曲,稍具延伸性。 白色透明物质 聚乙烯是乙烯的高分子聚合物,因生产方法不同,产品分为高密度 HDPE(低压 0.9411~0.9 65)。中密度 MDPE(中压 0.926~0.940)低密度 LDPE(高压 0.910~0.025)。三者性质相似, 但高密度聚乙烯在无负载和短期内耐温较高些(HDPE 为 100℃,LDPE 为 75℃),高密度聚乙 高密度聚乙 70℃, 60℃,聚乙烯最低使用温度为-70℃。 烯最高使用温度为 70℃,低密度聚乙烯为 60℃ 通常,聚乙烯随密度增加,抗张强度、硬度、耐热性均增高。 聚乙烯有优良的耐蚀性,对非氧化性酸 非氧化性酸(如盐酸、稀硫酸、氢氟酸)、稀硝酸、碱、油(冷) 非氧化性酸 和盐溶液都有良好的耐蚀性,能耐极性有机物(醇、酮)、水。在室温下耐一般溶剂,但在 60℃以上溶于芳烃、氯化溶剂及熔蜡中,有些溶剂能使其溶胀。 有些溶剂能使其溶胀。 有些溶剂能使其溶胀

聚乙烯不耐浓硝酸、浓硫酸和其它强氧化剂的腐蚀。 聚乙烯粉末涂层的物理化学性能如表 1。

表 1 聚乙烯粉末涂层的物理化学性能

注:试验采用 1.5m 钢板,涂后在 30~35℃条件下、酸碱浸渍 10d 溶剂油类分别浸渍 30d 和 100d 后测试。

聚乙烯粉末涂层与其它涂层性能比较见表 2

表 2 聚乙烯等其它品种粉末涂层的性能比较

2、尼龙(聚酰胺)

尼龙是一种应用很广的热塑性塑料,最高应用温度为 80~120℃,最低使用温度为-50~-6 0℃。 尼龙具有良好的耐蚀性,十分耐碱和大多数盐水、稀酸。但不耐强酸和氧化性酸的腐蚀。对 烃、酮、酯、油类抗蚀能力良好,不耐酚和甲酸的腐蚀。 尼龙强度高,坚韧、耐磨损,有润滑作用,所以常用作耐磨涂层,如:印刷机械中的钢制墨 辊、车床导轨、润滑涂层如轴承等。 尼龙对生物侵蚀是惰性的,无毒,受细菌作用,可作食品和牛奶等容器表面涂层。 火焰喷涂常用的尼龙粉末有尼龙 11、尼龙 12、尼龙 1010 及一些二元、三元共聚尼龙,尼 龙层与金属附着力好

续表 4 尼龙 11 涂层的耐化学品性能

3、聚丙烯 聚丙烯是丙烯的高分子量聚合物,外观似聚乙烯但比聚乙烯更轻更透明 外观似聚乙烯但比聚乙烯更轻更透明。聚丙烯密度低 外观似聚乙烯但比聚乙烯更轻更透明 (0.90)耐蚀性和聚乙烯相似,且较低,应用温度范围为-14~+120℃。除浓硝酸,发烟硫酸、 氯磺酸等强氧化性酸外,能耐大多数的有机和无机酸、碱和盐,对应力腐蚀破裂的抗蚀性良 好。80℃以下能耐有机溶剂,但能被某些强有机溶剂破坏。 聚丙烯强度高于聚乙烯,软化点较高(180℃) 聚丙烯强度高于聚乙烯,软化点较高(180℃)。硬度接近尼龙,刚性好,常温下耐冲击性 能良好。耐温性高,在低应力下可长期使用于 110~120℃。

4、聚苯硫醚(PPS) 聚苯硫醚通常指对苯基硫的聚合物。交联前是一种线型结构,呈热塑性,是一类具有支链、 无结晶熔点、高粘度聚合物、交联后呈热固性,若予以充分加热,却还能软化到一定程度, 因此并非真正热固性塑料。 聚苯硫醚密度 1.36,熔点 288℃,是一种硬而脆、热稳定性优良的热塑性塑料,同时它具有 优良的电绝缘性和粘结性,适当的强度,应用温度范围为-148~+250℃。 聚苯硫醚的化学惰性及耐高温性使它成为良好的耐腐蚀涂层。

聚苯硫醚防腐涂层可耐 170℃下的各种溶剂,200℃下的各种酸碱、盐和化学药品,但易受 卤素和氧化性介质, 如游离氯、 溴、 硝酸、 过氧化氢等腐蚀。 聚苯硫醚的熔区宽 300~420℃, 故有良好的流动性,且无毒、不燃。与金属的粘接力强,因此是一种良好的耐腐蚀涂层。

5、氯化聚醚 氯化聚醚是线型、高结晶度的热塑性塑料,具有较高的熔点(180℃),优良的耐热、耐腐 蚀性能以及良好的机械性能和电性能。 抗冲击强度高, 耐磨性和尺寸稳定性优良, 吸水性小。 应用温度范围为-30~+120℃。 氯化聚醚的耐蚀性仅次于聚四氟乙烯,可与聚三氟氯乙烯媲美,除强氧化性酸如浓硫酸、浓 硝酸外,能耐各类酸、碱、盐及大多数有机溶剂的腐蚀,不耐液氯、氟、溴的腐蚀。 氯化聚醚的导热系数低于大多数耐腐蚀热塑性塑料,适宜作绝热材料。

6、EVA(乙烯—醋酸乙烯酯共聚物) EVA 是乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物,是一种具有橡皮似弹性的热塑性塑料。EVA 的性能与醋 酸乙烯酯(VA)的含量有很大的关系,VA 越少,越像低密度聚乙烯,而 VA 越多越像橡皮。 EVA 在较广的温度范围(-45~70℃)质坚韧,加入填料能使刚性和硬度提高。填料增多, 对其主要性能影响不大,耐紫外光及臭氧。 EVA 熔点低,(80~100℃)密度 0.93~0.95。施工方便,化学物理性能良好,耐稀酸、浓 碱、不耐浓酸,50℃以上能溶于芳烃及氯化溶剂中。耐候性优于聚乙烯。EVA 还有良好的抗 霉菌生长的特性,可作食品容器防护涂层。

7、氟塑料

氟塑料是各种含氟塑料的总称, 六氟丙烯, 三氟氯乙烯, 偏氟乙烯, 氟塑料是各种含氟塑料的总称 由含氟单体如四氟乙稀, 氟乙烯及乙烯等单体通过均聚或共聚反应制得,按数量及用途来说,以聚四氟乙烯(F4)最 为重要。其它还有聚三氟氯乙烯(F3),聚全氟代乙丙烯(F46)等。 氟塑料具有优良的电绝缘性能, 摩擦系数极低, 与其它物质亲和力最小, 具有优良的不粘性。 尤其是其化学性能优异,热稳定性能好。如 F4,除了金属钠、氟元素及其化合物对它有侵 蚀作用外,其他诸如强酸、强碱、油脂、去污剂及有机溶剂等化学药品均对它不起作用,使 用温度范围为-200~+260℃。为抗蚀性最好的塑料。 氟塑料本身无毒,但遇热分解时,则产生剧毒,所以应特别注意。

8、环氧粉末涂料

环氧树脂是环氧基的高分子聚合物的通称,未固化前它属于热塑性树脂,加入固化剂后能 环氧树脂是环氧基的高分子聚合物的通称 发生一系列交联反应,形成具有附着力极佳,坚韧度和抗化学性能均好的热固性树脂,环氧 树脂能耐一般溶剂,耐稀酸、稀碱、强碱,不耐强氧化剂如硝酸、浓硫酸等的腐蚀,耐水性 非常好,最高使用温度为 90~100℃(一般型)、150℃(耐热型)。 在热固性粉末涂料中,环氧粉末涂料是首先应用的一个品种,也是粉末涂料中,销售量占首 位的品种。 环氧粉末涂料有有光、半光、无光环氧粉末涂料(普通型)和防腐型环氧粉末涂料之分。普 通环氧粉末密度 1.5~1.8、熔点 85~95℃。

9、环氧/聚酯粉末涂料

环氧/聚酯粉末是由环氧、聚酯为主要原料的热固性粉末涂料。它比环氧粉末具有更好的装 饰性、耐候性。 环氧/聚酯粉末密度 1.4~1.8、熔点 85℃~95℃。

(3)复合热处理对 CrWMn 钢组织的影响
内容摘要:摘要: 研究了 CrWMn 钢经复合热处理后的组织变化。 结果表明, 采用 790℃/680℃ 循环球化退火可代替常规等温球化退火,并能缩短球化退火周期,节约能源。采用高温固溶 处理加 790℃/680℃循环球化退火,可获得高弥散度碳化物,使 CrWnMn 钢的最终组织得到 改善,强韧性明显提高。复合热处理。

摘 要:研究了 CrWMn 钢经复合热处理后的组织变化。结果表明,采用 790℃/680℃循环球 化退火可代替常规等温球化退火,并能缩短球化退火周期,节约能源。采用高温固溶处理加 790℃/680℃循环球化退火,可获得高弥散度碳化物,使 CrWnMn 钢的最终组织得到改善,强 韧性明显提高。 关键词:CrWMn 钢;复合热处理;球化退火;显微组织

1 前言 CrWMn 钢可用于制造各种形状复杂的冷挤压模和冲裁模,具有较高的淬透性,淬火和低温回 火后具有较高的硬度和耐磨性。 但经常规热处理后此钢易形成网状碳化物, 在模具的受力部 位形成开裂和剥落。模具的失效主要是由磨损、强度和韧性不足而造成的。本文拟通过适当 的复合热处理来改善 CrWMn 钢的组织,提高其强度和韧性,以获得较好的综合性能。 2 试验过程 试验用 CrWMn 钢为? 40mm 棒材, 为淬火+低温回火态, 硬度 58HRC。 其主要化学成分见表 1。

表 1 CrWMn 钢的主要化学成分(质量分数) w(%) 元素 CCrWMnSi 含量 0.90~ 1.050.90~ 1.201.20~ 1.600.8~ 1.100.15~ 0.35

对 CrWMn 钢的复合热处理分为两个步骤,一是预处理,二是淬火+低温回火。预处理工艺见 图 1。

图 1 CrWMn 钢预处理工艺 (a) 常规退火(b) 等温球化退火 (c) 循环球化退火(d) 高温固溶+循环球化退火

CrWMn 钢经不同工艺预处理后,选择组织形态、分布较好的试样,在不同温度条件下进行淬 火+低温回火的最终热处理,观察其组织形态与分布,测定硬度变化。最终热处理工艺见图 2。

图 2 CrWMn 钢淬火+回火工艺

3

试验结果及分析

图 3 为 CrWMn 钢经不同预处理工艺处理后的显微组织照片, CrWMn 钢经常规退火后的硬度为 180~190HB,经图 1 所示热处理工艺处理后为 180~200HB。

图 3 CrWMn 钢预处理后组织 (a) 常规退火(b)等温球化退火(c) 循环球化退火(d) 固溶+循环球化退火

由图 3 可看出,经常规退火处理后的 CrWMn 钢组织中碳化物呈片状分布;经 810℃等温球化 退火处理后,碳化物呈不规则的颗粒状分布在铁素体基体上,分布不均匀;经 790℃/680℃ 3 次循环球化退火处理后,颗粒状碳化物尺寸变小,分布较为均匀;经 1050℃固溶加 790℃ /680℃3 次循环球化退火处理后,碳化物呈细小颗粒状析出且弥散程度高。

从工艺上看, 在获得相同硬度情况下, 790℃/680℃3 次循环球化退火, 用 不仅可代替 830℃ 等温球化退火,而且能改善组织中碳化物的形态和分布、缩短球化退火时间,节约能源。这 是因为循环球化退火在 Ac1(750℃)以上加热保温过程中,片状珠光体中的碳化物从尖角处 溶解破断,而在 Ar1(710℃)以下保温过程中,在原片状碳化物的平面处析出颗粒状碳化物, 从而加速了 CrWMn 钢球化过程的进行,改善了碳化物的形态和分布。在 1050℃高温条件下, CrWMn 钢中大量难溶的 W、Cr 等合金元素的碳化物溶入奥氏体中,经油淬后得到马氏体或下 贝氏体组织,在随后进行的 790℃/680℃循环球化退火过程中,则会弥散地析出点状的 W、C r 的碳化物。

因此,对于一般要求的 CrWMn 钢,采用 790℃/680℃3 次循环球化退火工艺,既可满足组织 和硬度的要求,又能提高生产率,降低能耗;而对要求较高的可选用 1050℃高温固溶加 79 0℃/680℃3 次循环球化退火的预处理工艺。

图 4 为经 1050℃固溶加 790℃/680℃3 次循环球化退火处理后,经不同温度油淬低温回火后 的 CrWMn 钢的显微组织。

图4

CrWMn 钢不同温度淬火+低温回火后组织

(a)

790℃淬火+200℃回火(b) 830℃淬火+200℃回火(c) 900℃淬火+200℃回火

870℃淬火+200℃回火(d)

4

结论

(1) 对 CrWMn 钢采用 790℃/680℃ 3 次循环球化替代常规退火、等温球化退火,不仅 可以改善其组织状态和性能,而且还可以提高热处理生产率,降低能耗。 (2) 1050℃固溶加 790℃/680℃ 3 次循环球化退火,可进一步改善 CrWMn 钢的组织状 态分布,提高其性能。 (3) 经 1050℃固溶加 790℃/680℃ 3 次循环球化退火处理后,再经 830℃油淬 200℃ 回火处理,CrWMn 钢组织均匀而细小,碳化物弥散程度高,其耐磨性和综合性能好。■

作者简介:陈文华(1963—),男,硕士,讲师。主要研究方向为金属表面改性及金属材 料焊接。联系电话:025-4892912(O) 作者单位:陈文华(南京航空航天大学,南京 210016)

参考文献: [1]蒋修治译.模具钢热处理[J].模具技术,1994(1). [2]蔡 繤等.低温快速球化处理[J].金属热处理,1992(4):8~11. [3]满 波.高碳钢和轴承钢的周期球化退火工艺[J].金属热处理,1993(6):43~ 44.

八、淬火介绍
(1)钢的淬火 淬火时将钢加热到 Ac3 或 Ac1 以上,保温一定时间使其奥氏体化,再以大于临界冷却速度快 速冷却, 从而发生马氏体转变的热处理工艺。 淬火钢得到的组织主要是马氏体 (或下贝氏体) , 此外,还有少量残余奥氏体及未溶的第二相。淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性。 淬火的目的是提高钢的硬度和耐磨性 1、 淬火加热温度 碳钢的淬火加热温度可利用 Fe-Fe3C 相图来选择。

对于亚共析碳钢,适宜的淬火温度为 Ac3+30~50℃,使碳钢完全奥氏体化,淬火后获得均 匀细小的马氏体组织。对于过共析碳钢,适宜的淬火温度为 Ac1+30~50℃。淬火前先进行球 化退火, 使之得到粒状珠光体组织, 淬火加热时组织为细小奥氏体晶粒和未溶的细粒状渗碳 体, 淬火后得到隐晶马氏体和均匀分布在马氏体基体上的细小粒状渗碳体组织。 对于低合金 钢,淬火加热温度也根据临界点 Ac1 或 Ac3 来确定,一般为 Ac1 或 Ac3 以上 50~100℃。高合 金工具钢中含有较多的强碳化物形成元素,奥氏体晶粒粗化温度高,故淬火温度亦高。

2、淬火加热时间 为了使工件各部分完成组织转变, 需要在淬火加热时保温一定的时间, 通常将工件升温 和保温所需的时间计算在一起,统称为加热时间。 影响淬火加热时间的因素较多,如钢的成分、原始组织、工件形状和尺寸、加热介质、 炉温、装炉方式及装炉量等。 钢在淬火加热过程中,如果操作不当,会产生过热、过烧或表面氧化、脱碳等缺陷。 过热是指工件在淬火加热时,由于温度过高或时间过长,造成奥氏体晶粒粗大的现象。 过热不仅使淬火后得到的马氏体组织粗大,使工件的强度和韧性降低,易于产生脆断,而且 容易引起淬火裂纹。对于过热工件,进行一次细化晶粒的退火或正火,然后再按工艺规程进 行淬火,便可以纠正过热组织。 过烧是指工件在淬火加热时, 温度过高, 使奥氏体晶界发生氧化或出现局部熔化的现象, 过烧的工件无法补救,只得报废。

(2)钢的表面淬火
表面淬火是对工件表层进行淬火的工艺。 它是将工件表面进行快速加热, 使其奥氏体化并快速冷 却获得马氏体组织,而心部仍保持原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。表面淬 火后需进行低温回火, 以减少淬火应力和降低脆性。 表面淬火可有效提高工件表面层的硬度和耐 磨性, 达到外硬内韧的效果, 并可造成表面层压应力状态, 提高疲劳强度, 延长工件的使用寿命。

1.感应加热表面淬火 1.感应加热表面淬火 感应加热表面淬火法的原理如图 1-66(a)所示。把工件放入由空心铜管绕成的感应线

圈中, 当感应线圈通以交流电时, 便会在工件内部感应产生频率相同、 方向相反的感应电流。 感应电流在工件内自成回路,故称为“涡流”。涡流在工件截面上的分布是不均匀的,如图 1-66(b)所示,表面电流密度最大,心部电流密度几乎为零,这种现象称为集肤效应。由 于钢本身具有电阻,因而集中于工件表面的涡流,几秒种可使工件表面温度升至 800~100 0℃,而心部温度仍接近室温,在随即喷水(合金钢浸油)快速冷却后,就达到了表面淬火 的目的。 感应加热时, 工件截面上感应电流密度的分布与通入感应线圈中的电流频率有关。 电流 频率愈高,感应电流集中的表面层愈薄,淬硬层深度愈小。因此可通过调节通入感应线圈中 的电流频率来获得工件不同的淬硬层深度, 一般零件淬硬层深度为半径的 1/10 左右。 对于 小直径(10~20mm)的零件,适宜用较深的淬硬层深度,可达半径的 1/5,对于大截面零 件可取较浅的淬硬层深度,即小于半径 1/10 以下。 2.火焰加热表面淬火 2.火焰加热表面淬火 火焰加热表面淬火法是用乙炔一氧火焰(最高温度 3200℃)或煤气一氧火焰(最高温 度 2000℃),对工件表面进行快速加热,并随即喷水冷却。淬硬层深度一般为 2~6mm。适 用于单件小批量生产以及大型零件(如大型轴类、模数齿轮等)的表面淬火。火焰加热表面 淬火的优点是设备简单,成本低,灵活性大。缺点是加热温度不易控制,工件表面易过热, 淬火质量不够稳定。 3.激光加热表面淬火 3.激光加热表面淬火 激光加热表面淬火是以高能量激光束扫描工件表面, 使工件表面快速加热到钢的临界点 以上,利用工件基体的热传导实现自冷淬火,实现表面相变硬化。 激光加热表面淬火加热速度极度快(105~106℃/s),因此过热度大,相变驱动力大, 奥氏体形核数目剧增,扩散均匀化来不及进行,奥氏体内碳及合金浓度不均匀性增大,奥氏 体中碳含量相似的微观区域变小,随后的快冷(104℃/s)中不同微观区域内马氏体形成温 度有很大差异,产生细小马氏体组织。由于快速加热,珠光体组织通过无扩散转化为奥氏体 组织;由于快速冷却,奥氏体组织通过无扩散转化为马氏体组织,同时残余奥氏体量增加, 碳来不及扩散,使过冷奥氏体碳含量增加,马氏体中碳含量增加,硬度提高。 激光加热表面淬火后, 工件表层获得极细小的板条马氏体和孪晶马氏体的混合组织, 且 位错密度极高,表层硬度比淬火+低温回火提高 20%,即使是低碳钢也能提高一定的硬度。 激光淬火硬化层深度一般为 0.3~1mm,硬化层硬度值一致。随零件正常相对接触摩擦 运动,表面虽然被磨去,但新的相对运动接触面的硬度值并未下降,耐磨性仍然很好,因而

不会发生常规表面淬火层由于接触磨损,磨损随之加剧的现象,耐磨性提高了 50%,工件 使用寿命提高了几倍甚至十几倍。 激光加热表面淬火最佳的原始组织是调质组织,淬火后零件变形极小,表面质量很高, 特别适用于拐角、沟槽、盲孔底部及深孔内壁的热处理,而这些部位是其它表面淬火方法极 难做到的。

(3)淬火处理的常见问题

Ms 点随 C%的增加而降低,淬火时,过冷奥氏体开始转变为马氏体的温度称之為 Ms 点,转变 完成之温度称之为 Mf 点。C%含量愈高,Ms 点温度愈降低。0.4%C 碳钢的 Ms 温度约為 350℃ 左右,而 0.8%C 碳钢就降低至约 200℃左右。

淬火液可添加适当的添加剂

1、水中加入食盐可使冷却速率加倍:盐水淬火之冷却速率快,且不会有淬裂及淬火不均匀 之现象,可称是最理想之淬硬用冷却剂。食盐的添加比例以重量百分比 10%为宜。

2、水中有杂质比纯水更适合当淬火液:水中加入固体微粒,有助於工件表面之洗净作用, 破坏蒸气膜作用,使得冷却速度增加,可防止淬火斑点的发生。因此淬火处理,不用纯水而 用混合水之淬火技术是很重要的观念。

3、聚合物可与水调配成水溶性淬火液:聚合物淬火液可依加水程度调配出由水到油之冷却 速率之淬火液,甚为方便,且又无火灾、污染及其他公害之虑,颇具前瞻性。

4、干冰加乙醇可用於深冷处理溶液:将干冰加入乙醇中可产生-76℃之均匀温度,是很实用 的低温冷却液。

(4)钢淬火冷却介质

淬火冷却时, 既要快速冷却以保证淬火工件获得马氏体组织, 又要减少变形, 防止裂纹产生。 因此,冷却是关系到淬火质量高低的关键操作。

1、理想淬火冷却速度

由共析钢过冷奥氏体等温转变曲线得知, 要得到马氏体, 淬火的冷却速度就必须大于临界冷 却速度。 但是淬火钢在整个冷却过程中并不需要都进行快速冷却。 关键是在过冷奥氏体最不 稳定的 C 曲线鼻尖附近, 即在 650~400℃的温度范围内要快速冷却。 而从淬火温度到 650℃ 之间以及 400℃以下, 特别是 300~200℃以下并不希望快冷。 因为淬火冷却中工件截面的内 外温度差会引起热应力。另外,由于钢中的比容(单位质量物质的体积)不同,其中马氏体 的比容最大,奥氏体的比容最小,因此,马氏体的转变将使工件的体积胀大,如冷却速度较 大,工件截面上的内外温度差将增大,使马氏体转变不能同时进行而造成相变应力。冷却速 度越大,热应力和相变应力越大,钢在马氏体转变过程中便容易引起变形与裂纹。

2、常用淬火介质

工件淬火冷却时,要使其得到合理的淬火冷却速度,必须选择适当的淬火介质。目前生产中 应用的冷却介质是水和油。当冷却介质为 20℃的自来水,工件温度在 200~300℃时,平均 冷却速度为 450℃/s;工件温度在 340℃时,平均冷却速度为 775℃/s;工件温度在 500~6 50℃时,平均冷却速度为 135℃/s。因此,水的冷却特性并不理想,在需要快冷的 500~65 0℃温度范围内, 它的冷却速度很小, 而在 200~300℃需要慢冷时, 它的冷却速度反而很大。

水 水是应用最早、最广泛、最经济的淬火介质,它价廉易得、无毒、不燃烧、物理化学性 能稳定、冷却能力强。通过控制水的温度、提高压力、增大流速、采用循环水、利用磁场作 用等,均可以改善水的冷却特性,减少变形和开裂,获得比较理想的淬火效果。但由于这些 方法需增加专门设备,且工件淬火后性能不是很稳定,所以没有能得到广泛推广应用。所以 说。纯水只适合于少数含碳量不高、淬透性低且形状简单的钢件淬火之用。

淬火油 用于淬火的矿物油通常以精制程度较高的中性石蜡基油为基础油, 它具有闪点高、 粘度 低、油烟少,抗氧化性与热稳定性较好,使用寿命长等优点,适合于作淬火油使用。淬火油 只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形状复杂、要求淬火变形小的工件。淬火油对周围环境 的污染大,淬火时容易引起火灾。 影响淬火油冷却能力的主要因素是其粘度值, 在常温下低粘度油比高粘度油冷却能力大, 温 度升高,油的流动性增加,冷却能力有所提高。适当提高淬火油的使用温度,也能使油的冷 却能力提高。

熔盐,熔碱 这类淬火介质的特点是在冷却过程中不发生物态变化, 工件淬火主要靠对流冷却, 通常 在高温区域冷却速度快,在低温区域冷却速度慢,淬火性能优良,淬透力强,淬火边形小, 基本无裂纹产生,但是对环境污染大,劳动条件差,耗能多,成本高,常用于形状复杂,截 面尺寸变化悬殊的工件和工模具的淬火。熔盐有氯化钠,硝酸盐,亚硝酸盐等,工件在盐浴 中淬火可以获得较高的硬度,而变形极小,不易开裂,通常用作等温淬火或分级淬火。其缺 点是熔盐易老化,对工件有氧化及腐蚀的作用。熔碱有氢氧化钠,氢氧化钾等,它具有较大 的冷却能力,工件加热时若未氧化,淬火后可获得银灰色的洁净表面,也有一定的应用。但 熔碱蒸气具有腐蚀性,对皮肤有刺激作用,使用时要注意通风和采取防护措施。

新型淬火介质及其应用 有机聚合物淬火剂 近年来, 新型淬火介质最引人注目的 进展是有机聚合物淬火剂的研究和应用。 这类淬 火介质是将有机聚合物溶解于水中, 并根据需要调整溶液的浓度和温度, 配制成冷却性能能 满足要求的水溶液,它在高温阶段冷却速度接近于水,在低温阶段冷却速度接近于油。其优 点是无毒,无烟无臭,无腐蚀,不燃烧,抗老化,使用安全可靠,且冷却性能好,冷却速度

可以调节,适用范围广,工件淬硬均匀,可明显减少变形和开裂倾向,因此,能提高工件的 质量,改善工作环境和劳动条件,给工厂带来节能、环保、技术和经济效益。目前有机聚合 物淬火剂更在大批量、单一品种的热处理上用得较多,尤其对于水淬开裂,变形大,油淬不 硬的工件,采用有机聚合物淬火剂比淬火油更经济、高效、节能。从提高工件质量、改善劳 动条件、避免火灾和节能得角度考虑,有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势,是淬火 介质的主要发展方向。 有机聚合物淬火剂的冷却速度受浓度, 使用温度和搅拌程度 3 个基本参数的影响。 一般 来说,浓度越高,冷却速度越慢;使用温度越高,冷却速度越慢;搅拌程度越激烈,冷却速 度越快。搅拌的作用很重要;1 使溶液浓度均匀;2 加强溶液的导热能力从而保证淬火后工 件硬度高且分布均匀,减少产生淬火软点和变形,开裂的倾向。通过控制上述这些因素,可 以调整有机聚合物淬火剂的冷却速度,从而达到理想的淬火效果。一般来说,夏季使用的浓 度可低些,冬季使用的浓度可高些,而且要有充分的搅拌。有机聚合物淬火剂大多制成含水 的溶液,在使用时可根据工件的特点和技术要求,加水稀释成不同的浓度,便可以得到具有 多种淬火烈度的淬火液,以适应不同的淬火需要。 不同种类的有机聚合物淬火剂具有显著不同的冷却特性和稳定性, 能适合不同淬火工艺 需要。目前世界上使用最稳定,应用面最广的有机聚合物淬火剂是聚烷二醇(PAG)类淬火 剂。 这类淬火剂具有逆溶性, 可以配成比盐水慢而比较接近矿物油的不同淬火烈度的淬火液, 其浓度易测易控,可减少工件的变形和开裂,避免淬火软点的产生,使用寿命长,适合于各 类感应加热淬火和整体淬火。

(5)如何从淬火冷却特性选择淬火介质

选择淬火介质,应当同时兼顾到对淬火介质冷却特性、稳定性、可操作性、经济性和环保等 方面的要求。在这些要求中,最重要的是淬火介质的冷却特性。本文将以推理方式入手,通 过分析讨论,提出一套从冷却特性选择淬火介质的可实用的原则方法。 钢件淬火冷却,希 望的效果有三: 1.获得高而且均匀的表面硬度和足够的淬硬深度; 2.不淬裂; 3.淬火变形小。 选好用好淬火介质是同时获得这三项效果的基本保证。当前,国内外多以国际标准方法(I SO9950)测定,并用冷却速度曲线来表征淬火介质的冷却特性。但是,对特定工件(即在钢 种、形状大小和热处理要求一定)的情况下,如何从冷却特性上去选择合适的淬火介质?在 生产现场,一个淬火槽中往往要淬多种不同钢种、形状、大小和热处理要求的工件。在这种 情况下, 如何选定它们共同适用的一种淬火液?一般的热处理车间, 为满足所有工件的热处 理要求,应当配备几种淬火液?──关于这类实际生产需要解决的问题,至今研究很少。有 人[1、2]做过一些工作,但都提不出系统实用的原则方法。

本文以过去工作为[4、6]基础,从讨论实际生产中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手,通 过推理和实例分析, 提出了对特定工件按冷却速度分布选择淬火介质的方法, 并进而确定了 能供多种工件淬火的一种淬火液的选择原则。

1 特定工件淬火的最低和最高冷却速度分布线

从普通机油和自来水的冷却速度分布(如图 1)可以看出,普通机油的冷却速度慢,因而不 少工件在其中淬不硬;而自来水的冷却速度又太快,以致于多数钢种不能在其中淬火。在图 中,自来水和普通机油之间有一个宽广的"中间地带",只有普通机油和自来水的工厂,时常 会遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻烦,原因就在这里。可以推知,对于一种这样的 工件,如果将机油的冷却速度提高,该工件淬火硬度也会相应提高。我们假定,当机油的冷

却速度提高到图 2 中带齿线水平时,该工件刚好可以得到要求的淬火硬度。无疑, 冷速更 高,淬火硬度还将进一步提高。我们把它叫做允许的最低冷速分布线。同时,研究表明,自 来水引起淬裂和变形, 是自来水冷却太快, 尤其是钢件冷到其过冷奥氏体发生马氏体转变的 温度范围时受到的冷却太快的缘故。

于是又可以推知, 如果能降低自来水的冷却速度, 尤其是在工件冷到较低的温度以后的淬火 冷却速度, 就可以减小工件淬裂的危险。 假定自来水冷却速度降到图 3 中带齿线所示的水平 时, 该类工件便不会再淬裂了, 我们把这条线叫做此工件已确定条件下允许的最高冷速分布 线。

把图 2 和图 3 合在一起, 可以得到该工件能同时获得前述三项淬火效果的淬火介质的冷却速 度分布范围,如图 4 所示。图中,只要所选的淬火介质的冷却速度分布曲线能全部落入这两 条曲线之间的区域内, 不管是快速淬火油还是水溶性淬火液, 也不管这些淬火介质的冷却速 度分布有何不同,上述工件在其中淬火都可以同时获得所希望的淬硬而又不裂的效果。

从另一角度说,有两种不同的淬火介质,它们的冷却速度分布有较大的差别。比如一种冷却 速度快,快到接近允许的最高冷却速度线的水平,而另一种冷却速度慢,慢到接近图中最低 冷却速度线的水平。但由于二者的冷却速度的分布都在允许的区域内,因而,二者都可以选 用。或者说,对上述工件淬火冷却而言,二者能同样获得满意的淬火效果。

事实上,淬火冷却过程在使钢淬硬的同时,还会使工件发生一定程度的淬火变形。传统的观 念认为,淬火冷却越快,工件的淬火硬度越高,淬火变形也越大;淬火冷却慢,淬火态硬度 不高,工件的淬火变形就越小。但是,实际的情况是大多数和比较大的淬火变形是由淬火冷

却偏慢,工件淬火硬度不足引起的。只有少数和较小的淬火变形是淬火冷却偏快,淬火硬度 偏高引起的。由于这样的原因,本文把淬火硬度高低和淬火变形大小结合起来加以考虑。 本文作者在《解决淬火变形问题的新方法》[5]一文中,把钢的顶端淬火曲线改成钢的硬度冷速曲线,如图 5 所示。由钢件的淬火硬度,可以从图上确定一个冷却速度值(指能获得该 淬火态硬度的效果冷却速度)。根据特定工件淬火后的开裂、变形和硬度情况,图 5 中把冷 却速度四个区,分别为过快冷速区,适度冷速区,不足冷速区和过慢冷速区,表中列出了工 件获得的冷速在这些区域内的淬火效果。 可以看出,只有在第 II,即适度冷速区冷却,工 件淬火后才能获得希望的淬火三效果。

图 5 按淬火冷却速度大小将端淬曲线分成四个区 分区 名称 区内淬火效果 I 区 过快冷速区 硬度高、淬裂、变形 II 区 适度冷速区 硬度高而均匀、无淬裂、变形小 III 区 不足冷速区 硬度不足且高低不均,变形大 IV 区 过慢冷速区 完全未淬硬,变形小

接着, 该文又将已发生淬火变形, 开裂以及硬度不足的工件参与淬火变形部位中冷却速度的 最高值和最低值所划定的范围叫做该工件淬火时的"冷却速度带"。 根据实际工件的情况和淬 火方法之不同,这种冷却速度带有宽有窄。工件上各部位获得的冷却比较均匀时,其冷却速 度带就比较窄;当工件上各部位获得的冷却很不均匀时,其冷却速度带就比较宽。在工件的 硬度-冷速曲线上,宽的冷却速度带容易跨越不同的冷却速度区,而窄的冷却速度带则往往 落入某一冷速区之内。由于冷却速度带进入第 I 冷速区会发生淬裂和变形,而进入第 III 冷速区会硬度不足且变形严重,因此,只有使工件的冷却速度带完全落入其第 II 冷速区, 才能获得希望的淬火三效果。根据这样的道理,该文提出的解决淬火变形的方法和措施,都 是使冷却速度带伸出第 II 区的部分完全移入第 II 冷速区。 用上述分析和解决淬火变形问 题的方法来认识图 4 中划定的区域, 容易看出, 淬火时, 进入最低冷速分布曲线以左的区域, 就会出现硬度不足并发生较大的淬火变形; 而若进入最大冷速分布曲线以右的区域, 又会发 生淬裂。于是,可以按工件的淬火效果,把图 4 中两条曲线分割成三个区域,从左到右分别 定为第 III(即不足)冷速分布区;第 II(即适度)冷速分布区以及第 I(即过快)冷速分 布区,如图 6 所示。本文把这样的图线叫作工件淬火效果-冷却速度分布图线。

图 6 工件的淬火效果-冷却速度分布分区图 分区 名称 区内淬火效果 I 区 过快冷速区 硬度高、淬裂、变形 II 区 适度冷速区 硬度高而均匀、无淬裂、变形小 III 区 不足冷速区 硬度不足且高低不均,变形大

2 两例分析及选择冷速分布的五原则

例一、 某厂在进口的多用炉中对该厂生产的汽车齿轮进行渗碳淬火, 开始选用的是美国某公 司的一种分级淬火油。一年多以后,开始发现渗碳淬火态齿轮的淬火硬度有明显降低,同时 淬火变形也增大。 在排除其它因素的影响之后, 发现所用的分级淬火油的冷却速度分布与该 种新油有较大区别,如图 7 所示。和未经使用的新油相比,使用一年多(中间做正常补充) 后的旧油,蒸气膜阶段变短、最高冷速增大、且出现最高冷速的温度大有提高。如果按过去 较普遍的说法,图 7 中的旧油是符合"高温冷得快,低温冷得慢"的更理想的淬火油。但在这 样的旧油中淬火效果却是变形更大,硬度偏低,不如比它"不理想"的新油。

用图 6 图线所示的方法来分析该厂出现的问题, 又可以画出图 8 所示的图线: 旧油在中低温 阶段冷速低于新油,以至在这一阶段使其冷却速度曲线进入了第 III(即不足)冷速区,所 以淬火硬度偏低。 北京华立精细化工公司对该厂旧油进行了改性添加, 使该厂旧油的冷却速 度分布的中低温阶段冷速提高,达到稍高于原用油新油的水平。生产应用表明,在经过这样 改性的旧油中淬火后,齿轮的淬火硬度明显提高,变形量也小于或等于原用新油。

例二、辽宁某弹簧厂的一条生产线上发生过一次这样的问题:一向正常的生产线上,突然发 生钢板淬火硬度偏低,变形增大事故。在寻找原因的那些天里,板簧淬火硬度又有降低,变 形也进一步增大。当该厂意识到可能是淬火油有问题后,经检查,发现上述淬火硬度不足和 变形过大的原因是淬火油冷却系统有一处管壁破裂, 冷却水渗透进去并部分乳化在油中造成 的。乳化进油中的水量高达 4%。图 9 是该厂已进水的旧油和无水的新油之冷却速度对比。 含水旧油的 GM 时间远高于新机油,只因其蒸气膜阶段太长,在高温阶段进入了第Ⅲ冷速分 布区,因而引起淬火硬度低、变形大。对该油进行除水处理后,旧油中的水被分离和排除, 油的冷却能力又得到了恢复。

从以上两个例子中可以看出, 评价液体淬火介质的冷却能力高低, 不能简单地看它的总的冷 却烈度(H),也不能简单地看它使特定镍球从 850℃冷到 300℃所需的时间(GM),而应当 看供选择的淬火介质的冷速分布与工件及其钢种的关系。 关于从淬火介质的冷速分布作选择 的原则,本文作者曾做过探讨[4],再归纳实际生产经验,总结出以下五项选择原则:

一看钢的含碳量多少──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看。 含碳量低的钢, 因有可能 析出先共析铁素体, 且它的过冷奥氏体最易发生珠光体转变的温度 (即所谓"鼻尖"位置的温 度)较高,马氏体起点(Ms)也较高,为了使这类钢制的工件充分淬硬,所用的淬火介质应 当有较短的蒸气膜阶段且出现最高冷速的温度应当较高。相反,对含碳量较高的钢,淬火介 质的蒸气膜阶段可以更长些, 出现最高冷速的温度也相应应当低些。 再从允许的最高冷速曲 线上看:碳含量少的钢允许的冷速高,碳含量多的钢允许的冷速低。

二看钢的淬透性高低──先从允许的最低冷速曲线看,淬透性差的钢,要求的冷却速度快; 淬透性好的钢,要求的冷却速度则慢些。同时,因随着淬透性的提高,钢的"C"曲线会向右 下方移动,所以对淬透性差的钢,要求介质出现最高冷却速度的温度高些;而对淬透性好的 钢,要求介质出现最高冷却速度的温度低些。有些淬透性好的钢,过冷奥氏体也容易发生贝 氏体转变。要避开贝氏体转变,也要求有足够快的低温冷却速度。再从允许的最高冷却速度 值上看:淬透性低的钢允许的冷速较高,而淬透性高的钢允许的冷速较低。

三看工件的有效厚度──工件表面一冷到 Ms 点,立即大大减慢介质的冷却速度,则工件内 部的热量向淬火液散失速度也大大减慢,工件表面一定深度以内的过冷奥氏体就很难冷到 M s 点以下。其结果,淬火后工件只有很薄一层马氏体组织。由于这样的原因,当工件比较厚 大时,为得到足够厚的淬硬层深度,所用的淬火介质应当有较快的低温冷却速度。相反,工 件薄小时,则可用低温冷速较小的淬火介质。再从允许的最高冷速分布曲线上看,厚大的工 件允许的冷速高,薄小的工件允许的冷速低。

四看工件形状复杂程度──先从允许的最低冷却速度分布曲线上看, 形状复杂的工件, 尤其 是有内孔或较深凹面的工件, 为减小淬火变形或需要把内孔淬硬时, 应当选用蒸气膜阶段较 短的淬火介质。一般说工件内孔或凹面内部散热较其它部位慢,工件其它部位冷得快,最先 进入沸腾阶段而获得快冷,而内孔面尚处于蒸气膜阶段,冷却速度尚很慢。这种冷却上的差 异可能引起这类工件较大的淬火变形和内孔或凹面淬火硬度低下。 解决这类问题的办法是选 用蒸气膜阶段较短的淬火介质。 适当加大内孔部分介质的流动速度, 也有同样的效果。 相反, 形状简单的工件, 则可以使用蒸气膜阶段稍长的淬火介质。 再从允许的最高冷速分布曲线看, 形状复杂的工件允许的冷速低,而形状简单的工件允许的冷速高。

五看允许的变形大小──从分析解决变形问题的方法[6]推知,工件要求的变形小,淬火冷 却应当有窄的冷却速度带,而允许的变形较大的,可以有宽的冷却速度带。允许的冷却速度 带宽的,可以采用一般能达到淬火硬度要求的介质。在能缩短工件冷却速度带的方法中,最 简单和有效的是做等温(或分级)淬火[7]。等温淬火介质应当具有的特性,首先是蒸气膜 阶段短和液温变化对冷速的影响小,其次,较厚大的工件应当选用冷却速度快的介质,而较 魔小的工件则可以选用冷速较慢的介质。 工件种类繁多, 对淬火介质的要求是多种多样的。 不同工件的要求可能相容,也可能不相容。因此,寻找"一种理想的淬火介质,能同时适用 所有不同的工件"的想法,如同想寻找一种药物来包治一切疾病一样,是不现实的。

3 适用于多种工件的同一淬火介质

前面的讨论已说明, 任何一种特定的工件都有自己淬火冷却的最低和最高冷速分布曲线划定 的第 II 冷速分布区。当要在同一种淬火液中淬多种不同的工件时,又如何选择它们共同适 用的一种淬火介质呢?显然, 要能选出一种这样的淬火介质的先决条件, 是这些工件淬火冷 却的第 II 区的"交",即共同适用的第 II 区存在并且是连贯的。图 10 是由两种工件的第 II

冷速区确定它们共同适用的第 II 冷速区的示意图。无疑,它们共同的第 II 区必然小于(等 于)诸工件中最小的一个第 II 区。 由于共同的第 II 区最狭小,生产现场选出共同适用的 淬火介质就不容易。

事实上,由于可用的淬火介质就那么两三种,加上又没有做合理的选择,不少工件的淬火质 量并不高,尤其是截面硬度分布往往达不到要求。 那么,如何选择多种工件共同适用的同 一种淬火介质呢?利用本文前面谈到的道理,下面将分别对淬火油和水性淬火剂加以研究, 并提出它们各自适用的选择原则。

3.1 淬火用油的选择原则

淬火用油几乎都是有较高闪点的矿物油,这些油的比热约为自来水的 1/2,导热率约为自来 水的 1/4,对流开始温度高,加上粘度远比水高,使淬火用油的冷却速度,尤其是低温阶段 的冷却速度远比水低。 由于这样的原因,绝大多数工件在油中淬火(包括各种快速油中) 没有淬裂危险, 而通常担心的是油的冷却速度较低, 使较厚大的工件或淬透性稍低的钢种达 不到要求的淬火硬度和淬硬深度,并因此发生较 大的变形。

为此,选用淬火用油时,往往只从各种工件的最低冷却速度分布曲线去加以考虑。

图 11 是几种工件要求的最低冷却速度分布。显然,只有当选定的淬火油的冷却速度分布曲 线能从右边将这几种工件的最低温度冷却速度曲线包围着, 这几种工件在其中淬火才能全部 获得淬火冷却的三效果。 可以推知,一般说来,所选的油的蒸气膜阶段越短,对流开始温 度越低, 且最高冷速越大, 这样的油的冷却速度曲线可能从右边包围的最低冷却速度分布曲 线就越多,即适用的工件(钢种)越多。这就是适于多种工件的淬火油的选择原则。

3.2 水溶性淬火液的选择原则

在水(及水溶液)中淬火的主要危险是淬裂,而降低水性淬火液的"300℃冷速"则可以减小 这种危险。水性淬火剂(液)的"300℃冷速"越低,防止淬裂的能力就越强,因而适用的钢 种和工件就越多[5]。如果将多种工件的最高冷速分布曲线画在一起,同样可以画出它们共 同的第 II 区的右边界线,得到的也是这样的结论。 当水或水溶液液温过高时,比如通常超 过 60℃后,淬火冷却的蒸气膜阶段显著增长,蒸气膜相当稳定,这时用于工件淬火,冷却 速度曲线容易从上方进入其第Ⅲ冷速区,从而引起淬火硬度不足和大的变形。所以,使用水 性淬火液应当控制好液温,一般以平均液温不超过 60℃为宜。 当淬火液的品种确定后,生 产中还可以通过调节淬火液浓度、 液温和与工件的相对流速来改变工件淬火时的冷却速度分 布,以适应生产的需要。这方面的规律和方法可参考其它有关资料。

由上述分析可知,普通机油(如 32 号机油)冷却能力并不高,却可适于某些类工件淬火; 普通自来水冷却很快, 却仍可适于另外某些类工件淬火。 由于在普通机油与自来水的冷却速 度分布曲线之间有很宽广的空白地带,只配备普通机油和自来水是不够的。那么,一般机械 厂的热处理车间应当配备哪几种淬火液, 才能满足大多数工件的淬火需要呢?根据前面的分 析讨论,建议为普通热处理车间配备以下四种淬火液(槽):

1.将普通机油换成一种快速淬火油,其冷却特性应为:淬火冷却的蒸气膜阶段短,对流开始 温度低,且最高冷速大。 2.一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液,其 30℃液温,不搅动情况下的 300℃冷速在 20~30℃/s 之间。 3.一种性能稳定、可操作性强的水溶性淬火液,其 30℃液温,不搅动情况下的 300℃冷速在 50~70℃/s 之间。 4.自来水

如果所处理的工件种类不太多,也可以用一种 300℃冷速在 30~50℃/s 之间的水溶性淬火 液代替 2、3 两种淬火液,即共配制三种淬火液(槽)。

4 结论──从冷却速度选择淬火介质的原则

通过本文的分析可以说明:

1.为什么同一种工件可以在多种不同冷却特性的淬火介质中淬火而都达到该工件的热处理 要求。

2.为什么多种不同的工件可以在同一种淬火介质中淬火而都达到各自的热处理要求。

3.特定工件选择淬火介质应同时从五方面加以考虑: 一看钢的碳含量多少, 二看钢的淬透性 高低,三看工件的有效厚度,四看工件的形状复杂程度,五看允许的变形大小。

4.对淬火用油,从冷却速度分布上看,它的蒸气膜阶段越短,对流开始温度越低,最高冷速 越大,则该种油适用的钢种和工件就越多。

5.对水性淬火液, 从冷却速度分布曲线上看, 它的 300℃冷 却速度越低,则它适用的钢种和工件就越多。

(6)自来水做淬火介质的两大缺点

从自来水淬火时工件容易淬裂、 硬度不均且畸变大等现象, 列出了自来水作为淬火介质的两大缺点:一是低温冷却速 度太快,二是冷却特性对水温变化太敏感。分析了自来水 第二大缺点引起淬火硬度不均和畸变的原因。通过与气态 介质的对比,指出了液态淬火介质共同的两类缺点:一是 任何确定的液态介质, 其冷却速度的可调节范围都很有限, 以致同一个车间必须配备普通淬火油、中速淬火油和高速 淬火油,才能满足不同工件的需要;二是工件从蒸汽膜阶 段到沸腾阶段期间,冷却速度突然增大,可能引起较大的 淬火变形。提供了克服液态淬火介质第二类缺点的七类技 术方法。

关键词: 关键词:水;淬火介质;淬火冷却;淬火冷却畸变

1 自来水的两大缺点

多数工件用自来水淬火会开裂, 淬裂的原因是众所周知的: 自来水的低温冷却速度太快。这是自来水的一大缺点。

用水作冷却介质,还遇到另外的问题。例如,多个工件采取比较密集的方式同时入水时,淬 火后会有显著的硬度差异。为此,现在的多用炉基本不用水性淬火介质。又如,工件上有较 深的内孔、工件为大薄片状、以及形状复杂时,水淬后往往出现严重的硬度不均和较大的淬 火畸变。 同样的情况, 在油中淬火时, 则不会发生这样严重的问题。 引起这些问题的原因是, [1] 水的冷却特性对水温变化太敏感。图 1a 是温度对自来水冷却特性的影响曲线 。容易推知, 当单个工件在自来水中淬火时, 由于形状或所处位置的原因, 工件不同部位的表面接触的水 温是不同的:工件上的凹进部分接触的水温高,而突出部分接触的水温则相对要低些。位于 下面部分接触的水温较低, 上面部位接触的水温较高。 当多个工件以比较密集装挂的方式同 时入水时,位于外面的工件接触的水温较低,而内部的工件接触的水温则较高。再加上同一 工件朝外的面接触的水温较低, 朝里的面接触水温则较高。 不同的水温对应不同的冷却特性, 其结果就引起了上述种种问题。图 1b 为温度对油的冷却特性的影响曲线。由图 1 的对比, 可以看出水温对冷却特性的影响是很大的。 我们把冷却特性对液温变化太敏感列为自来水的 第二大缺点。

有机聚合物水溶液,比如 PAG 淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺点。图 1c 为不同 液温的 10%硫酸钠水溶液的冷却特性曲线。由图 1c 可见,10%的无机盐(或碱)溶入水中, 可以大大减小冷却特性对水温的敏感性程度。与单纯自来水相比,直到水温达到 70℃,其 冷却特性对液温的敏感程度还是比较小的。表 1 为自来水、PAG 淬火液和淬火油等液体介质 的上述两项特性。 上述对液温的敏感性, 主要是通过液温对冷却过程中蒸汽膜阶段长短的影 响,而最终反映在同一工件的不同部位之间、不同工件之间、以及不同批次淬火工件之间出 现大的硬度差异和严重的淬火中畸变上。

表 1 不同种类液体介质的两大特点对比 Table 1 Comparison of two main features of dif ferent liquid quenching medium 介质名称 自来水 油 PAG 淬火液 10%无机盐(或碱)的水溶液 熔融盐 浴(如硝盐浴) 防止钢件淬裂的能力 差 好 浓度适当 时相当好 差 好 冷却特性对液温的稳定性 差 好 较 差 较好 好

2 冷却速度曲线上出现 3 个区段的条件

在研究无机盐水溶液时,曾经有过一种错误的说法: “在任何液体介质中淬火冷却,都会出现蒸汽膜(膜 沸腾)阶段、(泡)沸腾阶段和对流冷却阶段”。即 便在采用 1000 张/s 的快速摄影也没有发现蒸汽膜阶 段时,也仍然坚持这一看法。

为了说明上述说法的错误所在,我们简单分析一下上 述 3 个阶段的成因。在冷却的蒸汽膜阶段,红热工件被水蒸气包裹着,如图 2 所示。此时, 工件表面向外部散热是通过热辐射和水蒸气的对流来实现的。其中,热辐射的作用最大。靠 辐射热以及对流传递的热使包裹蒸汽膜的汽-液界面发生沸腾。 沸腾产生的水蒸气充实进蒸 汽膜中,使膜内的蒸汽压足以抵挡外部液体的压力,则蒸汽膜得以维持。我们知道,物体表 面向外辐射的热量与该表面的绝对温度的 4 次方成正比。因此,工件表面温度越高,汽-液 界面上的沸腾就越激烈。其结果蒸汽膜就越厚,也越稳定。由于稳定的蒸汽膜阶段几乎没有 气泡进入液相中, 我们可以把气液界面包裹着的部分看成一个体系。 这个体系的外部是气体, 里面包裹着的是固体。 这个体系对外的热散失主要是靠对流来进行。 接触上述体系的液体被 加热,再通过对流把热量带到更远处。其情形就像始终保持在 100℃的工件在水中的散热情 况一样。随着冷却的进行,工件表面温度降低,汽-液界面上沸腾的激烈程度会迅速降低。 蒸汽膜阶段的冷却速度随之减小。由于沸腾区域的汽-液界面上发生着的是水蒸汽?水的双 向变化, 当水沸腾产生的水蒸气的量少于膜内的水蒸气变成水所损失的量时, 包裹工件的蒸 汽膜就会变薄。 当蒸汽膜内保有的水蒸气少到不能抵挡外部液体的压力时, 蒸汽膜就会破裂。 蒸汽膜阶段也就终止了。 工件上该部位也就进入了沸腾冷却阶段。 综上所述, 工件 (或探棒) 冷却过程中是否出现蒸汽膜阶段, 完全决定于工件表面的温度高低。 只有工件表面温度超过 一定程度后,冷却过程中才会出现蒸汽膜阶段。这个特定的温度值是随工件的特点、所用介 质的特性和其它有关条件而变的。 只有工件的表面温度高于上述特定的温度值时, 才可能出 现和维持冷却的蒸汽膜阶段。低于这个值,就形不成完整而稳定的蒸汽膜,也就见不到冷却 的蒸汽膜阶段。 我们把这个特定温度叫做该介质在当时的使用条件下的特性温度。 和在统一 约定的条件下, 评价不同介质品种的冷却特性的标准相比, 上述特定温度应当是广义的特性 温度;而标准中的则是狭义的特性温度。狭义的特性温度的测定条件大多是:在介质不搅动 的条件下,水性样品用 30℃的液温,快速油用 50℃的油温,热油用 100℃的油温。同时要 说明的是, 采用热电偶热端位于探头中心的测定标准侧出的特性温度值, 总是低于工件表面 实际的特性温度值。此外,我们从道理上讨论特性温度问题时,用的是工件表面的实际的特 性温度,也就是广义的特性温度。实际工件淬火时,表面的不同部位在不同的时间接触的介 质的特性温度是不相同的,并且是在变化的。

工件表面温度低于介质的上述特性温度,就进入沸腾 冷却阶段。在沸腾冷却阶段,工件的散热途径更为多 样,既包含介质与工件表面直接接触的热转递散热、 介质变成蒸汽的吸热,也包括所有情况下的表面热辐 射散热和对流传热散热。当表面温度降低到稍高于介 质的沸点温度时,沸腾冷却阶段就结束了。继续冷却 就主要靠介质接触工件的热转递和介质的对流散热来 完成,直至工件表面温度与介质温度相同为止。

综上所述,在液体介质中做淬火冷却,当介质的平均温度低于介质的沸点温度时,可能出现 的冷却阶段为: ①如果淬入工件的表面温度高于所用介质的特性温度, 冷却过程将出现蒸汽 膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。② 当淬入工件的表面温度处于介质的特性温度和介质的沸 点温度之间时, 出现沸腾阶段和对流阶段。 ③当淬入工件的表面温度等于低于介质的沸点温 度时,就只有对流冷却阶段了。图 3 概括了上述 3 种情况的冷却速度曲线的形状特点。

3 发生超差畸变的 3 要素

在热处理生产现场, 说工件发生了变形指的是工件的畸变量超过了技术指标规定的程度, 也 就是发生了超差畸变。产生热处理超差畸变的 3 要素为:足够大的应力,足够好的塑性以及 足够长的作用时间。 任何热处理超差变形都需要这三个要素, 只是 3 者的大小关系是可以互 补的。如果应力很大,材料的塑性好,作用时间虽短,也会引起大的畸变。比如红热工件在 转移中受到冲撞引起的畸变。 塑性好, 作用时间很长, 即便应力不大, 也可能引起大的畸变。 比如淬火加热时,工件堆放不当,叠压或者自重引起的应力虽然不大,但因加热时间长,也 容易造成超差畸变。又如,在淬火冷却初期,因工件的塑性好,介质搅动过于强烈,液流冲 击到细长工件,也会引起超差的弯曲变形。这些都是外力引起的变形。一般说,因外力引起 的畸变问题,其解决办法相对比较简单。高温时,过冷奥氏体的塑性较好,而冷到能发生马 氏体转变时,奥氏体的塑性就相当差了。同时,马氏体转变经历的时间也相当的短。虽然如 此,马氏体转变前后的比容差引起的应力非常之大,仍有可能造成超差的畸变。这是内应力 引起的畸变。

因内应力引起的畸变,情况要复杂得多。内应力的来源比较多,但通常可以归为热应力和组 织转变应力两类。冷却过程中,组织转变应力又常常和热应力共同存在,相互叠加或对消。 内应力都是在变化着大小和分布中起作用。 加上工件的形状因素, 它们的作用情况就更加复 杂。其中,值得注意的有 3 点:①在液体介质中淬火冷却时,形状较复杂的工件不同部位表 面温度差别会很大。 冷得快的部分一旦冷到所用液体介质的特性温度以下, 表面附近就立即 从蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段。 这部分表面获得的冷却速度会突然大增, 与附近仍然处于 蒸汽膜阶段部分的温度差异就会急剧增大。温差大,热应力也就大。如果该介质的特性温度 偏低,冷得慢的部分将长期处于蒸汽膜阶段,使上述热应力长期起作用。在介质特性温度附 近,过冷奥氏体的塑性一般较好。应力大,材料塑性好,加上作用时间长,就容易引起超差 畸变。②冷却速度过快时,工件不同部位的温差较大,过冷奥氏体转变成马氏体时的体积膨 胀,可能引起很大的内应力,使还未发生马氏体转变的过冷奥氏体产生一定量的塑性变形。 ③淬火冷却的速度不足时, 在相当于端淬曲线上马氏体组织的百分比急剧变化的区域, 不大 的冷却速度差异,常常也引起较大的内应力,最终引起大的畸变,且淬火硬度不足。

材料的塑性与材料的温度密切相关。高温下,材料的塑性好,容易发生变形。此外,在材料 发生相变过程中,因出现相变超塑性,使塑性变形更容易。因为装放不当,在淬火加热过程 中由外力引起的热处理畸变,就有一部分是珠光体转变成奥氏体过程中增加的超塑性引起 的。 工件加热中由珠光体转变成奥氏体时有超塑性。 过冷奥氏体发生马氏体转变时有超塑性。 就连马氏体发生回火转变时也有超塑性。 大薄片工件的淬火冷却畸变, 用加压回火来加以校 正, 靠的主要是回火转变时的相变超塑性。 这种办法只在第一次回火时有效, 原因就在这里。

在热处理中, 为了减小畸变量, 凡需要比较长的时间才能完成的过程, 比如, 工件加热过程, 应当设法把可能出现的内外应力减至最小。 为了缩短热应力引起的畸变, 使用液体冷却介质 时, 要设法缩短介质的蒸汽膜阶段, 以便缩短工件冷却过程中不同部位的表面温度跨在介质 特性温度上下的时间。

在制定工艺时,应同时从上述 3 要素上采取措施来减 小热处理变形。其原则是:减小内外因素引起的应力, 缩短应力的作用时间,尤其是在工件处于塑性好的时 期。在分析已发生的热处理畸变时,注意应力大、塑 性好和作用时间长等诸因素,会比较容易找到引起畸 变的主要原因。

4 水的第二大缺点引起畸变的原因

在测量的冷却曲线上,从蒸汽膜阶段到沸腾阶段的过 渡期,是冷却速度由慢到快的突变期。通常把这种突 变对应的探棒温度,称为所测冷却介质的特性温度。 如图 1a 所示。 需要说明的是, 我们见的冷却特性曲线, 是用热电偶热端位于探棒的中心的仪器测量出来的。 事实上,工件表面的温度一降低到介质的特性温度, 表面附近的介质就立刻进入沸腾阶段。在液体介质的沸腾冷却阶段,工件的表面温度越高, 沸腾就越激烈,表面获得的冷却速度就越快。图 4a 中进入沸腾阶段后的冷却速度是逐渐加 大的,最高冷却速度出现在特性温度以下,这是热电偶热端位于探棒中心,加上探棒形状为 圆柱形的缘故。如果均匀圆球在完全均匀条件下冷却,热电偶又位于其表面,则有另一种图 形形式,如图 4b 所示。由蒸汽膜阶段进入沸腾冷却阶段,表面冷却速度总是沸腾阶段的最 高值,而不是通过一段时间才增加至最高值。在实际工件冷却中,不同部位按降温的快慢, 先后进入沸腾阶段。同一工件的不同部位,有的在特性温度之上,有的已经冷到了特性温度 之下,它们之间的冷却速度差异,往往会引起大的内应力。当从介质的特性温度以上冷却下 来时,所有液体介质都存在这一缺点。我们把这个缺点简单称为液体介质的特性温度麻烦, 或者特性温度问题。

与气体冷却介质相比, 液体冷却介质的冷却速度的可调节范围不太宽, 这使确定的任何一种 液体介质都只能适用一定范围的工件。用于要求更高冷却速度的工件,将淬不硬,用于要求 更低冷却速度的工件,又要淬裂。我们把这一特点称为液体冷却介质的第一缺点。在此又把 上面讨论的,“可能在工件局部区域发生冷却速度突变,从而引起大的内应力”,也就是特 性温度问题称为液体冷却介质的第二个缺点。相比之下,单纯的气体冷却介质,既可以改变 流速来调节冷却速度, 又可以利用气体的可压缩性实现不同气压的高压气淬, 从而能在很宽 的范围改变冷却速度。表 2 为不同介质的有关特性。由表 2 可见,改变流速可以在一定范围

调节冷却速度,改变介质的压力,也能在一定程度内 调节介质的冷却速度。液体介质具有流动性,因此可 以在一定范围内调节其冷却速度。气体介质同时具有 好的流动性和可压缩性,能在更宽的范围调节其冷却 速度。加上没有特性温度麻烦,使气体没有上述液体 介质的两个缺点。固体介质由于没有流动性,也没有 可压缩性,作为淬火冷却介质的用途就很少。

表 2 固、液、气介质的基本特性 Table 2 The basic properties of solid, liquid and gas quenchant 介质类型 固体 液体 气体 流动性 无 好 很好 可压缩性 无 无 很好 冷却速度的可调节范围 极小 不宽 宽 特性温度麻烦 无 有 无

本文开头提到的自来水的第二大缺点, 实际上包含了液体介质的第二个缺点, 以及自来水的 特性温度对水温特别敏感两个特性。因为都是有关其特性温度的缺点,为简单起见,我们把 它们统称为自来水的第二大缺点。自来水不仅有液体介质的第二缺点,而且因为水温升高, 冷却的蒸汽膜阶段会迅速延长, 使这种因素引起的内应力长期存在, 为产生变形提供了塑性 好,应力大和作用时间长的条件,因此不仅引起严重的硬度不 均,更会加大工件的淬火畸变。说它是大缺点,“大”就大在 自来水的冷却特性对水温特别敏感上。

5 克服第二类缺点的技术方法

综合上述讨论,推广开来,我们建议用以下七类办法,来克服 液体介质的上述第二类缺点。

⑴ 在单一的冷却阶段内冷却。选用那些特性温度高于工件的 淬火加热温度的介质,使整个冷却过程都在沸腾阶段进行。比 如,通常使用硝盐浴冷却属于这类。或者完全在介质的特性温 度以上冷却,使整个冷却过程都在蒸汽膜阶段进行。比如,在 慢速的浆状介质中冷却高合金钢工件,属于此类。我们认为, 这是上等的解决办法。

图 5 为 160℃硝盐浴与 40℃的快速淬火油今禹 Y15-II 的冷却 速度曲线对比。由图 5 可见,今禹 Y15-II 是冷却速度很快的 淬火油。而在整个冷却过程中,硝盐浴的冷却速度都比今禹 1 5-II 要快。按现在还流行的一种观点“在冷却速度快的介质 中淬火, 工件的淬火畸变会更大” 油中的淬火畸变应当更小。 , 但生产证明,硝盐浴中淬火变形更小。有人用 200℃的硝盐浴 [2] 与 100℃热油作了畸变大小试验对比,结果见图 6 。油中淬 火的工件,变形更大而且更分散。究其原因,是硝盐浴的特性 温度高于工件的入液温度,从而实现了在单一的冷却阶段(沸 腾冷却阶段)冷却的缘故。图 7 是高合金钢的剔齿刀的分级盐 浴冷却工艺。 8 为高合金钢的 3 次分级冷却工艺曲线与只有 图 [3] 蒸汽膜阶段的慢速浆状介质的冷却过程曲线 的对比。与浆状

介质相比,在分级冷却过程中,每次放入盐浴时,都会因冷却速度快而引起较大的内应力。 可以推知,代之以慢速浆状介质冷却,将会进一步减小工件的淬火畸变。

⑵ 选用蒸汽膜阶段长短对液温变化不敏感的介质,比如各种淬火油。采用油淬火时,工件 堆放得稍微密集一点, 使不同部位的工件接触的油有一定的温度差异时, 各部位接触的油的 特性温度基本上没有差别,如图 1b 所示。这就可以减小不同部位的冷却差异,从而减小工 件的淬火畸变。

⑶ 加入能减小介质液温敏感性的添加剂,如自来水中溶入一定量的无机盐或碱。

⑷ 选用蒸汽膜阶段短的介质。形状复杂的工件,尤其是带较深内孔的工件,为减小淬火畸 变,选用淬火油时,必须考虑到这一点。

⑸ 降低水性介质的使用温度,来提高水的特性温度,并降低水的最高温升程度。如果能将 水的特性温度提高到工件的加热温度以上,还可以免除特性温度麻烦。

⑹ 降低工件的加热(或入液)温度,以缩短工件处于蒸汽膜阶段的时间。

⑺ 通过增大工件之间的距离和加大介质的搅拌烈度等措施, 减小工件周围的液温升高程度, 以减小上述内应力。

一般说, 选取几种以上办法, 同时用上去, 可以取得更好的效果。 工厂现场要根据实际情况, 避免某些有利于变形的因素相互叠加。 比如, 在油中做淬火冷却时, 入油之初, 工件温度高, 塑性好, 如果在油的特性温度问题引起的内应力的基础之上, 加上强烈搅动引起的外来应力, 就有可能在工件某些部位叠加成很大的应力, 引起超差的塑性变形。 东北某工厂遇到这样的 麻烦时,有人出了一个好主意:在工件入油之初不搅拌,经过 1min-2min 再开始搅拌,畸变 问题马上就解决了。究其道理,一是前期的冷却使过冷奥氏体抵抗塑性能力提高,二是可能 避开特性温度麻烦引起的内应力与搅拌引起的同方向应力的叠加。 按照这种思路, 在某些场 合,当不能完全避开特性温度麻烦时,单纯追求缩短油的蒸汽膜阶段,就不如保留适当长度 的蒸汽膜阶段,等钢材抵抗塑性变形的能力有所提高后,再遭遇特性温度麻烦,更能减小工 件的淬火畸变。又比如,降低水溶液的使用温度,可以提高水的特性温度,直至特性温度高 于工件的入水温度。在水中溶解一定量的无机盐,可以降低水的凝固点,从而把水的使用温 度降低到零下一、二十度,甚至更低的程度。此时,需要注意防止水溶液的低温冷却速度过 高,以免引起工件淬裂。

九、退火介绍
(1)钢的退火与正火

1、退火: 退火和正火是生产中应用很广泛的预备热处理工艺, 主要用于改善材料的切削加工性能。 对 于一些受力不大、性能要求不高的机器零件,也可以做为最终热处理。 等温退火将奥氏体化后的钢快冷至珠光体形成温度等温保温,使过冷奥氏体转变为珠光体, 空冷至室温。 球化退火 将过共析碳钢加热到 Ac1 以上 20~30℃,保温 2~4h,使片状渗碳体发生不完全

溶解断开成细小的链状或点状,弥散分布在奥氏体基体上,在随后的缓冷过程中,或以原有 的细小的渗碳体质点为核心, 或在奥氏体中富碳区域产生新的核心, 形成均匀的颗粒状渗碳 体 均匀化退火(扩散退火) 将工件加热到 1100℃左右,保温 10~15h,随炉缓冷到 350℃, 再出炉空冷。工件经均匀化退火后,奥氏体晶粒十分粗大,必须进行一次完全退火或正火来 细化晶粒,消除过热缺陷. 去应力退火 将工件随炉缓慢加热到 500~650℃, 保温, 随炉缓慢冷却至 200℃出炉空冷。 主要用于消除加工应力。 再结晶退火 将材料加热至再结晶温度以上,保温后缓慢冷却的工艺方法。 完全退火用于亚共析碳钢和合金钢的铸、 锻件; 等温退火用于奥氏体比较稳定的合金钢; 球化退火用于共析钢、 过共析钢和合金工具钢; 均匀化退火用于高质量要求的优质高合金钢 的铸锭和成分偏析严重的合金钢铸件;去应力退火用于铸件、锻件、焊接件、冷冲压件及机 加工件;再结晶退火主要用于去除加工硬化。

2、正火: 将亚共析碳钢加热到 Ac3 以上 30~50℃, 过共析碳钢加热到 Accm 以上 30~50℃, 保温, 空气中冷却的方法称为正火。适用于碳素钢及中、低合金钢,因为高合金钢的奥氏体非常稳 定,即使在空气中冷却也会获得马氏体组织。对于低碳钢、低碳低合金钢,细化晶粒,提高 硬度(140~190HBS),改善切削加工性能;对于过共析钢,消除二次网状渗碳体,有利于 球化退火的进行。

(2)残留应力退火

一般机械製品於加工面总是免不了会有残留应力的存在, 若製品未经适当应力退火处理, 在 不当的暴露於热源〈例如阳光、热引擎等〉下,会產生变形的现象,另外由残餘应力经常识 高度集中在某一局部区域,例如表面,焊接区等,因此会局部降低製品的机械强度。為避免 这些问题,我们必须採用残餘应力退火处理。

此处理是将製品缓慢而均匀的加热至一低於向变化点之温度, 然后至於此温度一段时间, 在 缓慢而均匀的逐步冷却下来,在此过程中最重要的是必须保持製品个区域之冷却速度相同, 否则冷却后,由於各区冷却速率的差异,会再度造成残餘应力的出现。此点对复杂形状之製 品尤其严重。

由於一应力退火乃是利用原子在高温有微小潜变的现象,来重组原子位置以消除应力的存 在。 因此材料支应力退火温度随著材料之高温潜变能力不同而有所变化。 一般对耐潜变之材 料。例如低合金钢平常所用之退火温度為 595~675℃,但高铬合金钢则在 900~1065℃。我们 可视情况需要,利用较低的温度与较长的时间,达到与短时间,高温度下处理相同效果支应 力消除。

去应力退火处理

去应力退火热处理主要的目的, 在於清除因锻造、 铸造、 机械加工或焊接所產生的残留应力, 这种残存应力常导致工件强度降低、经久变形,并对材料韧性、延展性有不良影响,因此弛 力退火热处理对於尺寸经度要求严格的工件、 有安全顾虑的机械构件事非常重要的。 弛力退 火的热处理程序係将工件加热到 A1 点以下的适当温度,保持一段时间(不需像软化退火热 处理那麼久)后,徐缓冷却至室温。特别需要注意的是,加热时的速度要缓慢,尤其是大型 物件或形状复杂的工件更要特别注意,否则弛力退火的成效会大打折扣。

钢的正火

将钢加热到临界点(AC3、ACcm)以上,进行完全奥氏仜化,然后在空气中冷却,这种热处 理工艺,称为正火。 (一)正火工艺 正火的加热温度正化学成份 AC3 以上 50-100℃;过共析钢的加热温度 ACcm 以上 30-50℃。 保温时间主要取决于工件有效厚度和加热炉的型式, 如在箱式炉中加热时, 可以每毫米有效 厚度保温一分钟计算。保温后的冷却,一般可在空气中冷却,但一些大型工件或在气温较高 的夏天,有时也采用吹风或喷雾冷却。 (二)正火后组织与性能 正火实质上是退火的一个特例。两者不同之处,主要在于冷却速度较快,过冷度较快,因而 发生了伪共析转变,使组织中珠光量增多,且珠光柋的片层间距变小。应该指出,某些高合 金钢空冷后,能获得贝氏体或马氏体组织,这是由于高合金钢的过冷奥氏体非常稳定,C 曲 线。 由于正火后的组织上的特点,故正火后的强度、硬度、韧性都比退火后的高,且塑性也并不 降低。 正火的应用 正火与退火相比,钢的机械性能高,提价简便,生产周期短,能耗少,故在可能条件下,应 优先考虑采用正火处理。目前的应用如下: 1.作为普通结构零件的最终热处理 2.改善低碳钢和低碳合金钢的切削加工性 3.作为中碳结构钢制作的较重要零件的预先热处理。 4.消除过共析钢中风状二次渗碳体,为球化退火作好组织准备 5.对一些大型的或形状较复杂的零件,淬火可能有开裂的危险进,正火也往往代替淬火、回 火处理, 而作为这类零件的最终热处理。 很*右。 此时己不能称其为正火, 而称为空淬有关。 为了增加低碳钢的硬度,可适当提高正火温度。

钢之退火处理

退火处理一般是指将钢升温至某一温度, 浸置一段时间后, 再以一特定速率冷却下来之处理。 主要目的是软化钢材。有时亦用以改变其他性质或显微结构。常见的退火处理有下列几种

1.

退火温度:

在很多之应用退火处理中,我们只注名所需之退火温度,然后让其在炉中冷却即可。在进行 退火处理时, 最容易造成失败的原因是未能维持炉中温度之均匀性。 越大之炉子越有此种问 题。

2.

製程退火:

由於材料经过相等程度冷加工后,会有加工硬化的现象,以至无法做进一步的加工。因此我 们必须於製程中加入一退火步骤来消除此种不利的加工硬化现象。 此类退火处理统称為製程 退火。由於我们仅是想恢復材料之柔软性,不在乎材料之显微及结构内容,故為降低加工程 本, 一般多採用前面所提过的次临界退火。 最常见之退火温度在约低於 Ae 11 至 22℃之间。 至於温度的控制只要能保持在不超过 Ae 之范围即可。

3.

切削用退火:

不同之显微姊购对材料之切削性质有很大不同的影响。例如 5160 钢材,若经球化处理则可 减少切削刀具之损耗。然而对其他之钢材,球化结构不一定就有较佳之切削性质。一般我们 可是材料之含碳量来订出最佳之切削用显微结构。

4.

球化处理

所的球化处理乃是在退火处理后能获得球状之碳化物之一种处理。 一般可採用以下几种方法 得到。

a.

长时间热浸置於略低於 Ae 之温度。

b.

轮番加热及冷却於 Ae 温度上下〈最好刚刚高於 Ac 及低於 Ar 〉。

c.

加热至高於 Ac ,然后慢慢在炉中冷却,或停留 Ar 一长时间。

d. 从一温度刚能完全溶解碳化物冷却下来, 所有之冷却速率须用不產生碳化物。 然后 在按 a 或 b 法升温回去。

5.

锻件之退火处理:

由於锻件经常接有冷成型或车型等加工步骤, 退火处理一不可避免之热处理过程。 所需之退 火过程必须取决於锻件之材料及后接之製程。 切削用之锻件退火处理──若锻件材料须有球 化组织以便随后之切削成型, 我们可採用热锻温度於奥斯田化温度之上, 然后在锻后直接将 锻件出送到一具有球化处理温度之炉内进行球化处理。 此法可节省製作之时间与成本。 冷成 型用之锻件退火处理──為方便随后之冷成型加工, 我们当然希望锻件越短越好。 故球化处 理是最好之处理。在形状及材料条件允许下,前述之步骤為最可取之处理。在冷成型后,由 於冷加工, 成品之残餘应力应被注意到。 我们应採取以前所讨论过的应力退火处理来消除此 种情况。

均匀化退火处理

均匀化处理(Homogenization),是利用在高温进行长时间加热,使内部的化学成分充分扩 散,因此又称為『扩散退火』。加热温度会因钢材种类有所差异,大钢锭通常在 1200℃至 1 300℃之间进行均匀化处理, 高碳钢在 1100℃至 1200℃之间, 而一般锻造或轧延之钢材则在 1000℃至 1200℃间进行此项热处理。

球化退火处理

球化退火主要的目的,是希望藉由热处理使钢铁材料内部的层状或网状碳化物凝聚成為球 状,使改善钢材之切削性能及加工塑性,特别是高碳的工具钢更是需要此种退火处理。常见 的球化退火处理包括:(1)在钢材 A1 温度的上方、下方反覆加热、冷却数次,使 A1 变态 所析出的雪明碳铁,继续附著成长在上述球化的碳化物上; (2)加热至钢材 A3 或 Acm 温度 上方,始碳化物完全固溶於沃斯田体后急冷,再依上述方法进行球化处理。使碳化物球化, 尚可增加钢材的淬火后韧性、防止淬裂,亦可改善钢材的淬火回火后机械性质、提高钢材的 使用寿命。

软化退火处理

软化退火热处理的热处理程序是将工件加热到 600℃至 650℃范围内(A1 温度下方),维持 一段时间之后空冷,其主要目的在於使以加工硬化的工件再度软化、回復原先之韧性,以便 能再进一步加工。此种热处理方法常在冷加工过程反覆实施,故又称之為製程退火。大部分 金属在冷加工后,材料强度、硬度会随著加工量渐增而变大,也因此导致材料延性降低、材 质变脆,若需要再进一步加工时,须先经软化退火热处理才能继续加工。

退火常见问题与解决技巧

工件如何获得性能优异之微细波来体结构?

退火处理会使钢材变软,淬火处理会使钢材变硬,相比较之下,如施以『正常化』处理,则 可获得层状波来铁组织,可有效改善钢材的切削性及耐磨性,同时又兼具不会產生裂痕、变 形量少与操作方便等优点。 然而正常化处理是比较难的一种热处理技术, 因為它採用空冷的 方式冷却,会受到许多因素而影响空冷效果,例如夏天和冬天之冷却效果不同、工件大小对

空冷速率有别、 甚至风吹也会影响冷却速率。 因此正常化处理要使用各种方法来维持均一性, 可利用遮阳、围幕、坑洞、风扇等。

正常化处理与退火处理之差异

正常化处理维加热至 A3 点或 Acm 点以上 40~60℃保持一段时间,使钢材组织变成均匀的沃 斯田体结构后,在静止的空气中冷却至室温的热处理程序。对亚共析钢而言,可获得晶粒细 化的目的而拥有好的强度与韧性; 对过共析钢而言, 则可防止雪明碳铁在沃斯田铁晶粒边界 上形成网状析出,以降低材料的韧性。

完全退火处理主要目的是要软化钢材、改善钢材之切削性,其热处理程序為加热至 A3 点以 上 20~30℃ (亚共析钢) A1 点以上 30~50℃持温一段时间, 或 使形成完全沃斯田体组织后 (或 沃斯田体加雪明碳体组织),在 A1 点下方 50℃使充分发生波来体变态,获至软化的钢材。 另外应力消除退火则是在变态点以下 450~650℃加热一段时间后徐徐冷却至室温,可消除钢 材内部在切削、冲压、铸造、熔接过程所產生的残留应力。

如何消除工件之残留应力?

应力消除退火则是在变态点以下 450~650℃加热一段时间后徐徐冷却至室温,可消除钢材内 部在切削、冲压、铸造、熔接过程所產生的残留应力。对碳钢而言,参考的加热温度為 625 ±25℃;对合金钢而言,参考的加热温度為 700±25℃。持温时间亦会有所差异,对碳钢而 言,保持时间為每 25mm 厚度持温 1 小时;对合金钢而言,保持时间為每 25mm 厚度持温 2 小时,冷却速率為每后 25mm 以 275℃/小时以下的冷却速率冷却之。

如何预防加热变形?

预防加热变形的发生,最好是缓慢加热,并实施预热处理。一般钢材在选择预热温度时,可 依下列準则来选定预热温度: (1) 以变态点以下作為预热温度, 例如普通钢约在 650~700℃, 高速钢则在 800~850℃左右。(2)以 500℃左右作為预热温度。(3)二段式预热,先在 50 0℃左右作第一段预热, 保持一段时间充分预热后, 在将预热温度调高至 A1 变态点以下。 (4) 三段式预热,针对含有高含量合金之大型钢材,例如高速钢,有时需要在 1000~1050℃作第 三段预热。

退火的种类和淬火

一、退火的种类 1. 完全退火和等温退火 完全退火又称重结晶退火, 一般简称为退火, 这种退火主要用于亚共析成分的各种碳钢和合 金钢的铸, 锻件及热轧型材, 有时也用于焊接结构。 一般常作为一些不重工件的最终热处理, 或作为某些工件的预先热处理。 2. 球化退火

球化退火主要用于过共析的碳钢及合金工具钢(如制造刃具,量具,模具所用的钢种)。其 主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并为以后淬火作好准备。 3. 去应力退火 去应力退火又称低温退火(或高温回火),这种退火主要用来消除铸件,锻件,焊接件,热 轧件,冷拉件等的残余应力。如果这些应力不予消除,将会引起钢件在一定时间以后,或在 随后的切削加工过程中产生变形或裂纹。 二.淬火时,最常用的冷却介质是盐水,水和油。盐水淬火的工件,容易得到高的硬度和光 洁的表面,不容易产生淬不硬的软点,但却易使工件变形严重,甚至发生开裂。而用油作淬 火介质只适用于过冷奥氏体的稳定性比较大的一些合金钢或小尺寸的碳钢工件的淬火。

退火与正火

1.钢的退火将钢加热到一定温度并保温一段时间,然后使它慢慢冷却,称为退火。钢的 退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度, 经过保温后缓慢冷却的热处理方法。 退火的 目的,是为了消除组织缺陷,改善组织使成分均匀化以及细化晶粒,提高钢的力学性能,减 少残余应力;同时可降低硬度,提高塑性和韧性,改善切削加工性能。所以退火既为了消除 和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力, 又为后续工序作好准备, 故退火是属于半成品热 处理,又称预先热处理。 2.钢的正火正火是将钢加热到临界温度以上, 使钢全部转变为均匀的奥氏体, 然后在空 气中自然冷却的热处理方法。 它能消除过共析钢的网状渗碳体, 对于亚共析钢正火可细化晶 格,提高综合力学性能,对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。

完全退火处理

完全退火处理係将亚共析钢加热至 Ac3 温度以上 30~50℃、过共析钢加热至 Ac1 温度以上 5 0℃左右的温度范围,在该温度保持足够时间,使成為沃斯田体单相组织(亚共析钢)或沃 斯田体加上雪明碳体混合组织后, 在进行炉冷使钢材软化, 以得到钢材最佳之延展性及微细 晶粒组织。

铸铁之弛力退火处理

几乎所有的铸件在冷却过程中都会產生热应力, 在热处理过程中, 特别正常化处理和退 火处理之后均会成内应力, 内应力发生的主要原因在於铸件的内部肉厚不同, 在急速冷却过 程中由於热降的差异发生,肉厚不同会使每一个不分的收缩各异,因而引起了所谓内应力, 冷的部分具有较高的潜变长度, 而热的部分其长度较低, 故热的部分就会在冷的部分收缩后 形成热点造成部份的变形,变形部分之强度,随著变形度的增加而提高,最后再不能进一步 变形时,铸件内部形成某种程的弹性应力,甚至塑性应变,即為内应力,此应力几乎可高达 与抗拉强度等值, 一且由於任何外在的原因使局部应力超过抗拉强度的时候, 此类铸件很容 易因而造成破裂,热处理是消除内应力最重要的一种方法,主要程序是升高温度,令所有铸 建在非常均匀而缓慢的情况下,加热及冷却。

退火温度的高低,主要视铸件的组成部分,以及必须消的强度量而定,甚至必须考虑组 织的可能变化, 最适合的退火温度可大致归纳如下: 对非合金性的铸铁而言, 约在 500~575℃ 之间,对於低筋性的铸铁而言,大约在 550~600℃之间,对高合金铸铁而言则在 600~650℃ 之间,炉内的温度分布,必须儘可能的均匀以避免存在温度梯度,不论任何情况下,用於退 火的火焰或热气体, 不能直接喷向铸件, 以避免在加热的时候, 薄壁的部分在次引起热应力, 而增加残留应力的存在量, 进而引起破裂, 在到达退火温度后的第一小时内大部分的内应力 均会消除,则视铸件的厚薄而定,一般而言铸件厚度每增加 25mm 必须增加一小时的退火时 间。

铸铁之软化退火处理

灰铸铁与球状石墨铸铁软化退火, 事实上是一种针对碳化物分解的热处理, 对非合金性 及低合金铸铁而言, 铁碳所形成的碳化物并非是一种稳定相, 在高温中经过一段足够长的时 间,碳化物分解成為石墨、肥力铁或沃斯田铁,此类分解过程就是一般所谓的软化热处理, 同时也是製造展性铸铁的主要程序, 灰铸铁裡的碳化物主要分两类, 第一类是在凝固过程中 形成的共晶碳化物(Eutectic Carbide), 一般称之為自由碳化物(Free Carbide)。 软化处理 主要分成两个步骤,及第一段石墨化及第二段石墨化,共晶碳化物之分解為第一段石墨化, 波来铁分解為肥力铁与石墨之步骤為第二段石墨化。 2-2 所示為软化处理时间-温度曲线, 图 如果波来铁分解时予以非常缓慢的冷却,则同时可达到弛力退火的效果。

第一段石墨化处理的目的在於消除共晶雪明碳铁,因此当灰铸铁或者球状石墨铸铁,再凝 固过程中,石墨形成不完全,大部分都会形成共晶雪明碳铁,在铸件的角落和锐边处,由於 冷却速率较快,或以金属模铸造时激冷效果均会產生共晶雪明碳铁,另当硅的含量不够,或 接种的处理不良都会產生硬点,或形成碳化物,如果铸铁内具碳化物的稳定元素,儒 Cr、V 或太高之锰含量时,也会形成相同的结果,如果是由於成分的配合不恰当,晶界形成。

十、回火介绍
(1)钢的回火 回火是将淬火钢重新加热到 A1 以下某一温度,保温,然后冷却的热处理工艺。回火决 定了钢在使用状态的组织和性能。回火的目的是为了稳定组织,消除淬火应力,提高钢的塑

性和韧性,获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合,满足各种工件不同的性能要求。 根据回火温度可将钢的回火分为三类。

1、低温回火(150~250℃) 低温回火后的组织为回火马氏体, 它是由过饱和的 α 相和与其共格的 ε-Fe2.4C 组成。 其形态仍保留淬火马氏体的片状或板条状。 低温回火的主要目的是保持淬火马氏体的高硬度(58~62HRC)和高耐磨性,降低淬火 应力和脆性。它主要用于各种高碳钢的刃具、量具、冷冲模具、滚动轴承和渗碳工件。 2、中温回火(350~500℃) 中温回火后的组织为回火托氏体, 它是由尚未发生再结晶的针状铁素体和弥散分布的极 细小的片状或粒状渗碳体组成,其形态仍为淬火马氏体的片状或板条状。 中温回火的主要目的是为了获得高的屈强比,高的弹性极限,高的韧性,回火托氏体的硬度 为 35~45HRC。中温回火主要用于处理各种弹簧、锻模。 3、高温回火(500~650℃) 高温回火后的组织为回火索氏体, 它是由已再结晶的铁素体和均匀分布的细粒状渗碳体 组成。 由于铁素体发生了再结晶失去了原来淬火马氏体的片状或板条状形态, 呈现为多边形 颗粒状,同时渗碳体聚集长大。

(2)回火常见问题和解决技巧

100℃热水回火之优点

低温回火常使用 180℃至 200℃左右来回火,使用油煮回火。其实若使用 100℃的热水来进 行回火,会有许多优点,包括:100℃的回火可以减少磨裂的发生;100℃回火可使工件硬度 稍增,改善耐磨性;100℃的热水回火可降低急速加热所產生裂痕的机会;进行深冷处理时, 降低工件发生深冷裂痕的机率,对残留沃斯田体有缓衝作用,增加材料强韧性;工件表面不 会產生油焦,表面硬度稍低,适合磨床研磨加工,亦不会產生油煮过热乾烧之现象。

二次硬化之高温回火处理

对於工具钢而言, 残留应力与残留沃斯田体均对钢材有著不良的影响, 浴消除之就要进行高 温回火处理或低温回火。高温回火处理会有二次硬化现象,以 SKD11 而言,530℃回火所得 钢材硬度较 200℃低温回火稍低,但耐热性佳,不会產生时效变形,且能改善钢材耐热性, 更可防止放电加工之加工变形,益处甚多。

在 300℃左右进行回火处理,為何会產生脆化现象?

部分钢材在约 270℃至 300℃左右进行回火处理时,会因残留沃斯田体的分解,而在结晶粒 边界上析出碳化物,导致回火脆性。二次硬化工具钢当加热至 500℃~600℃之间时才会引起 分解,在 300℃并不会引起残留沃斯田体的分解,故无 300℃脆化的现象產生。

回火產生之回火裂痕

以淬火之钢铁材料经回火处理时,因急冷、急热或组织变化之故而產生之裂痕,称之為回火 裂痕。常见之高速钢、SKD11 模具钢等回火硬化钢在高温回火后急冷也会產生。此类钢材在 第一次淬火时產生第一次麻田散体变态, 回火时因淬火產生第二次麻田散体变态 (残留沃斯 田体变态成麻田散体) 而產生裂痕。 , 因此要防止回火裂痕, 最好是自回火温度作徐徐冷却, 同时淬火再回火的作业中,亦应避免提早提出回火再急冷的热处理方式。

回火產生之回火脆性

可分為 300℃脆性及回火徐冷脆性两种。 所谓 300℃脆性係指部分钢材在约 270℃至 300℃左 右进行回火处理时,会因残留沃斯田体的分解,而在结晶粒边界上析出碳化物,导致回火脆 性。所谓回火徐冷脆性係指自回火温度(500℃~600℃)徐冷时出现之脆性,Ni-Cr 钢颇為 显著。回火徐冷脆性,可自回火温度急冷加以防止,根据多种实验结果显示,机械构造用合 金钢材,自回火温度施行空冷,以 10℃/min 以上的冷却速率,就不会產生回火徐冷脆性。

高週波淬火常见之问题

高週波淬火处理常见的缺陷有淬火裂痕、 软点及剥离三项。 高週波淬火最忌讳加热不均匀而 產生局部区域的过热现象, 诸如工件锐角部位、 键槽部位、 孔之周围等均十分容易引起过热, 而导致淬火裂痕的发生, 上述情形可藉由填充铜片加以降低淬火裂痕发生的可能性。 另外高 週波淬火工件在淬火过程不均匀,会引起工件表面硬度低的缺点,称之為软点,此现象係由 於高週波淬火温度不均匀、 喷水孔阻塞或孔的大小与数目不当所致。 第三种会產生的缺失是 表面剥离现象, 主要原因為截面的硬度变化量大或硬化层太浅, 因此常用预热的方式来加深 硬化层,可有效防止剥离现象。

不銹钢為何不能在 500℃至 650℃间进行回火处理?

大部分的不銹钢在固溶化处理后, 若在 475℃至 500℃之间长时间持温时, 会產生硬度加大、 脆性亦大增的现象,此称之為 475℃脆化,主要原因有多种说法,包括相分解、晶界上有含 铬碳化物的析出及 Fe-Cr 化合物形成等,使得常温韧性大减,且耐蚀性亦甚差,一般不銹钢 的热处理应避免常时间持温在这个温度范围。另外在 600℃至 700℃之间长时间持温,会產 生 s 相的析出,此 s 相是 Fe-Cr 金属间化合物,不但质地硬且脆,还会将钢材内部的铬元素 大量耗尽,使不銹钢的耐蚀性与韧性均降低。

為何会產生回火变形?

会產生回火变形的主要原因為回火淬火之际產生的残留硬力或组织变化导致, 亦即因回火使 张应力消除而收缩、压应力的消除而膨胀,包括回火初期析出 e 碳化物会有若干收缩、雪明 碳铁凝聚过程会大量收缩、 残留沃斯田铁变态成麻田散铁会膨胀、 残留沃斯田铁变态成变韧 铁会膨胀等,导致回火后工件的变形。防止的方法包括:(1)实施加压回火处理;(2)利

用热浴或空气淬火等减少残留应力;(3)用机械加工方式矫正及(4)预留变形量等方式。

回火淬性的种类

1、270℃~350℃脆化:又称為低温回火淬性,大多发生在碳钢及低合金钢。

2、400℃~550℃脆化:通常构造用合金钢再此温度范围易產生脆化现象。

3、475℃脆化:特别指 Cr 含量超过 13%的肥粒铁系不銹钢,在 400℃至 550℃间施以回火处 理时,產生硬度增加而脆化的现象,在 475℃左右特别显著。

4、500℃~570℃脆化:常见於加工工具钢、高速钢等材料,在此温度会析出碳化物,造成二 次硬化,但也会导致脆性的提高。

(3)合金元素对回火转变的影响 淬火合金钢进行回火时,其组织转变与碳钢相似。但由于合金元素的加入,使其在回火转变 时具有如下特点: 1、提高淬火钢的回火稳定性 淬火钢在回火时,抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定 性。 2、产生二次硬化 淬火合金钢在 500~600℃温度范围回火时,硬度升高的现象称为二次硬 化。 3、产生回火脆性 淬火合金钢在某一温度范围内回火时,出现冲击韧度剧烈下降的现象, 称为回火脆性。

(4)铸铁的回火与淬火

所谓淬火是将材料自奥氏体区域的温度非常快的速率将温度降低以防止珠光体或索氏体的 形成,自奥氏体区冷却到 Ms 温度由於时间太短碳元素不会发生扩散,基本直接转变为马氏 体,此组织非常坚硬但也相当脆,可以回火方式令其变软,以提高韧性,因此经过不同温度 回后,可以获得不同硬度、强度及韧性的组合。而有所谓的恆温淬火或热溶淬火,即在盐浴 和金属浴内进行淬火, 造成中间相或变韧铁的组织, 在铸铁中常进行淬火和回火处理的是球 状石墨铸铁,对灰铸铁而言,较无特殊意义,最多在要提高灰铸铁的磨耗强度时才会考虑进 行淬火处理,事实上此结果可藉表面处理达成。对球状石墨铸铁而言,经过淬火回火的处理 后, 可以获得与铸造或正常化处理相同的强度, 但具有更高的屈服强度, 结果获得较大弹性, 特别是的得到较高韧性,因为经淬火、回火后,基地上含有较高碳,同时在这种情况下要比 含有贝氏组织时容易进行表面硬化处理。

若在空气中冷却, 非合金性及低合金性铸铁之硬化能力不够高, 因此必须在某些液体中 进行淬火, 为了避免淬火时发生热裂, 使用的淬火液最好是油或某种悬浮液而应避免使用水, 淬火时铸件内部会形成温度梯度, 同时由于时间的差异, 随著马氏体的形成所引起的体积变 化率亦不相同, 同时铸件内部的内应力随之增加, 很容易形成热裂或者在铸件内形成很高的 内应力,在这种情形下,应将油浴的温度提高至 50~100℃之间,藉此可以避免应力的形成, 对於壁厚差较大的铸件而言,特别要小心地将较厚的部分,首先伸向淬火液,如此可减少较

薄部分所受的热应力,同时油液内的油,必须加以搅拌,或令其流动,或将铸件在淬火液内 不停的晃动。

铸铁的淬火温度应在 820~920℃之间,一般工厂最常使用的温度是在 850~900℃之间。 当淬火温度太低时,会造成含碳量较低之奥氏体,经过淬火后较软,同时所形成马氏体的强 度亦较低,相反如果淬火温度太高,奥氏体内含碳量过高,淬火时发生热裂的危险性增高, 形成残留奥氏体的机会亦变大。

淬火后之铸铁实际上脆性甚高, 同时含过高之内应力, 為了改进其硬性及韧性必须在经 过回火处理,其处理程序与钢相似,加热速率应低於 100℃/小时,回火温地应在 450~600℃ 之间,回火时间大约是 4 小时,回火时间太长或温度过高,会是强度及硬度下降很多,但可 提高弹性,在较低之温度经较长的时间进行回火,可造成相当均匀之回火效果,同时整个铸 件之特性分布亦甚均匀,为了防止内应力的再发生,尤其对於复杂的铸件,回火后应缓慢冷 却至 200℃以下。

十一、 十一、热处理资料
(1) 钢的热处理

钢的热处理是将固态钢采用适当的方式进行加热、 保温和冷却, 以获得所需组织结构与性能 的一种工艺。 热处理的特点是改变零件或者毛坯的内部组织,而不改变其形状和尺寸。 能进行热处理强化的材料必须满足:⑴有固态相变;⑵经冷加工使组织结构处于热力学 不稳定状态;⑶表面能被活性介质的原子渗入从而改变表面化学成分 钢在加热时的组织转变 钢能进行热处理强化,是由于钢在固态下具有相变,在固态下不发生相变的纯金属或合 金则不能用热处理方法强化。 在Fe-Fe3C 相图中,A1、A3 和 Acm 是碳钢在极缓慢地加热或冷却时的相变温度,是平 衡临界点。在实际生产中,加热和冷却不可能极缓慢,因此不可能在平衡临界点进行组织转 变。由图1-48 所示,实际加热时各临界点的位置分别为图中的 Ac1、Ac3 、Accm 线,而实 际冷却时各临界点的位置分别为 Ar1、Ar2 和 Arcm。 (2) 真空热处理

1、真空热处理的优越性 真空热处理是和可控气氛并驾齐驱的应用面很广的无氧化热处理 技术, 也是当前热处理生产技术先进程度的主要标志之一。 真空热处理不仅可实现钢件的无 氧化、无脱碳,而且还可以实现生产的无污染和工件的少畸变,因而它还属于清洁和精密生 产技术范畴。目前它已成为工模具生产中不可替代的先进技术。

2、真空热处理工艺 工件畸变小是真空热处理的一个非常重要的优点。据国内外经验,工 件真空热处理的畸变量仅为盐浴加热淬火的三分之一。 研究各种材料、 不同复杂程度零件的 真空加热方式和各种冷却条件下的畸变规律, 并用计算机加以模拟, 对于推广真空热处理技 术具有重要意义。 真空加热、 常压或高压气冷淬火时气流均匀性对零件淬硬效果和质量分散

度有很大影响。 采用计算机模拟手段研究炉中气流循环规律, 对于改进炉子结构变具有重要 意义。 真空渗碳是实现高温渗碳的最可能的方式。 但在高温下长时间加热会使大多数钢种的 奥氏体晶粒度长得很大, 对于具体钢材高温渗碳, 重新加热淬火对材料和工件性能的影响规 律加以研究,对优化真空渗碳、冷却、加热淬火工艺和设备是很有必要的。近几年,国际上 有研究开发使用气体燃料的燃烧式真空炉的动向。在真空炉中采用气体燃料加热的困难太 多,虽然有节约能源的说法,但不一定是一个重要的发展方向。

(3)化学热处理

化学热处理是将工件置入含有活性原子的特定介质中加热和保温, 使介质中一种或几种元素 (如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)渗入工件表面,以改变表层的化学成分和组织, 达到工件使用性能要求的热处理工艺。 其特点是既改变工件表面层的组织, 又改变化学成分。 它可比表面淬火获得更高的硬度、 耐磨性和疲劳强度, 并可提高工件表层的耐蚀性和高温抗 氧化性。 各种化学热处理都是由以下三个基本过程组成的。 1)分解 由介质中分解出渗入元素的活性原子。 2)吸收 工件表面对活性原子进行吸收。吸收的方式有两种,即活性原子由钢的表面进入铁 的晶格形成溶体,或与钢中的某种元素形成化合物。 3)扩散 已被工件表面吸收的原子,在一定温度下,由表面往里迁移,形成一定厚度的扩 散层。 1、渗碳: 渗层组织:淬火后为碳化物、马氏体、残余奥氏体。渗层厚度(mm),0.3~1.6,表面 硬度,57~63HRC,作用与特点,提高表面硬度、耐磨性、疲劳强度,渗碳温度(930℃)较 高,工件畸变较大;应用,常用于低碳钢、低碳合金钢、热作模具钢制作的齿轮、轴、活塞、 销、链条。 渗碳件渗碳后,都要进行淬火、低温回火,回火温度一般为 150~200℃。 经淬火和低温回火后, 渗碳件表面为细小片状回火马氏体及少量渗碳体, 硬度可达 58~ 64HRC,耐磨性能很好。心部组织决定于钢的淬透性。普通低碳钢如 15、20 钢,心部组织为 铁素体和珠光体,硬度为 10~15HRC。低碳合金钢如 20CrMnTi 心部组织为回火低碳马氏体、 铁素体及托氏体,硬度为 35~45HRC,具有较高的强度、韧性及一定的塑性。 2.液体氮化 也称软氮化,低温氰化,或者氮碳共渗,在渗氮过程中,碳原子也参与,因而 比一般的单一气体渗氮具有更高的渗速, 在渗层表面硬度相当的情况下, 氮化层的脆性也比 气体氮化小,软氮化因此得名。 氮化主要是往炉中加入纯氨,在 200℃以上氨分解为活性 氮原子,在 500~580℃时,活性氮原子往钢件表面渗氮和扩散,得到 0.3~0.5mm 厚的高硬 度、耐腐蚀、抗疲劳的氮化层。 把含碳物质和氨同时通入炉内就是碳氮共渗,又叫氰化。它兼有渗碳和氮化的性能,氰化 温度低于渗碳,使工件变形小,而氰化速度比渗碳和氮化快,生产周期短。老的液体氮化法 主要原料是氰化钠,所以也有叫低温氰化的,硬化层中的氮比碳的浓度高,因而氮碳共渗的 称法又被广泛采用在氮化的过程中,当活性较大时,表面生成很薄的化合物层(10~30μm 的 ε 相),随后便是 γ`和扩散层。当活性较小时,表面化合物相可以不出现,从而获得 得以弥散硬化为主的组织

3.离子氮化 是利用辉光放电这一物理现象对金属材料表面强化的氮化法。 在低压的氮气或 氨气等气氛中,炉体和被处理工件之间加以直流电压,使产生辉光放电,在被处理表面数毫 米处出现急剧的电压降,气体中的离子,向阴极移动,当接近工件表面时,由于电压降剧降 而被强烈加速,轰击工件表面,离子具有的动能转变为热能,加热了被处理的工件,同时一 部分离子直接注入工件表面, 一部分离子引起阴极溅射, 从工件表面 “溅射出” 电子和原子, “溅出”的铁原子和由于电子作用而形成的原子态氮相结合,形成 FeN。FeN 由于吸附和在 表面上蒸发, 因受到高温和离子轰击而很快地分解为低价氮化物而放出氮。 一部分失去氮的 铁又被溅射到辉光等离子气体中与新的氮原子相结合,促进氮化。

(4)化学热处理解释

化学热处理是通过改变金属和合金工件表层的化学成分、组织和性能的金属热处理。

化学热处理的工艺过程一般是: 将工件置于含有特定介质的容器中, 加热到适当温度后 保温,使容器中的介质(渗剂)分解或电离,产生的能渗入元素的活性原子或离子,在保温过 程中不断地被工件表面吸附,并向工件内部扩散渗入,以改变工件表层的化学成分。通常, 在工件表层获得高硬度、耐磨损和高强度的同时,心部仍保持良好的韧性,使被处理工件具 有抗冲击载荷的能力。

每一种化学热处理工艺都各有其特点,如果需要分别或同时提高耐磨、减摩、抗咬死、 耐蚀、 抗高温氧化和耐疲劳性能, 则根据工件的材质和工作条件选择相应的化学热处理工艺。

化学热处理是古老的工艺之一, 在中国可上溯到西汉时期。 已出土的西汉中山靖王刘胜 的佩剑,表面含碳量达 O.6~0.7%,而心部为 O.15~O.4%,具有明显的渗碳特征。明代宋应 星撰《天工开物》一书中,就记载有用豆豉、动物骨炭等作为渗碳剂的软钢渗碳工艺。

明代方以智在《物理小识》 “淬刀”一节中,还记载有“以酱同硝涂錾口,煅赤淬火”。 硝是含氮物质,当有一定的渗氮作用。这说明渗碳、渗氮或碳氮共渗等化学热处理工艺,早 在古代就已被劳动人民所掌握,并作为一种工艺广泛用于兵器和农具的制作。

随着化学热处理理论和工艺的逐步完善, 自二十世纪初开始, 化学热处理已在工业中得 到广泛应用。 随着机械制造和军事工业的迅速发展, 对产品的各种性能指标也提出了越来越 高的要求。除渗碳外,又研究和完善了渗氮、碳氮和氮碳共渗、渗铝、渗铬、渗硼、渗硫、 硫氮和硫氮碳共渗,以及其他多元共渗工艺。

电子计算机的问世, 使化学热处理过程的控制日臻完善, 不仅生产过程的自动化程度越 来越高,而且工艺参数和处理质量也得到更加可靠的控制。

按渗入元素的性质, 化学热处理可分为渗非金属和渗金属两大类。 前者包括渗碳、 渗氮、 渗硼和多种非金属元素共渗,如碳氮共渗、氮碳共渗、硫氮共渗、硫氮碳(硫氰)共渗等;后

者主要有渗铝、渗铬、渗锌,钛、铌、钽、钒、钨等也是常用的表面合金化元素,二元、多 元渗金属工艺,如铝铬共渗、钽铬共渗等均已用于生产。此外,金属与非金属元素的二元或 多元共渗工艺也不断涌现,例如铝硅共渗、硼铬共渗等。

钢铁的化学热处理可按进行扩散时的基本组织, 区分为铁素体化学热处理和奥氏体化学 热处理。前者的扩散温度低于铁氮共析温度,如渗氮、渗硫、硫氮共渗、氧氮共渗等,这些 工艺又可称为低温化学热处理;后者是在临界温度以上扩散,如渗碳、渗硼、渗铝、碳氮共 渗等,这些工艺均属高温化学热处理范围。

渗碳是使碳原子渗入钢制工件表层的化学热处理工艺。 渗碳后, 工件表面含碳量一般高 于 0.8%。淬火并低温回火后,在提高硬度和耐磨性的同时,心部能保持相当高的韧性,可 承受冲击载荷,疲劳强度较高。但缺点是处理温度高,工件畸变大。

渗碳工艺广泛应用于飞机、汽车、机床等设备的重要零件中,如齿轮、轴和凸轮轴等。 渗碳是应用最广、 发展得最全面的化学热处理工艺。 用微处理机可实现渗碳全过程的自动化, 能控制表面含碳量和碳在渗层中的分布。

渗氮是使氮原子向金属工件表层扩散的化学热处理工艺。 钢铁渗氮后, 可形成以氮化物 为主的表层。当钢中含有铬、铝、 钼等氮化物时, 可获得比渗碳层更高的硬度、更高的耐磨、 耐蚀和抗疲劳性能。渗氮主要用于对精度、畸变量、疲劳强度和耐磨性要求都很高的工件, 例如镗床主轴、镗杆,磨床主轴,气缸套等。

碳氮共渗和氮碳共渗是在金属工件表层同时渗入碳、 氮两种元素的化学热处理工艺。 前 者以渗碳为主, 与渗碳相比, 共渗件淬冷的畸变小, 耐磨和耐蚀性高, 抗疲劳性能优于渗碳, 70 年代以来,碳氮共渗工艺发展迅速,不仅可用在若干种汽车、拖拉机零件上,也比较广 泛地用于多种齿轮和轴类的表面强化;后者则以渗氮为主,它的主要特点是渗速较快,生产 周期短,表面脆性小且对工件材质的要求不严,不足之处是工件渗层较薄,不宜在高载荷下 工作。

渗鹏是使硼原子渗入工件表层的化学热处理工艺。 硼在钢中的溶解度很小, 主要是与铁 和钢中某些合金元素形成硼化物。 渗硼件的耐磨性高于渗氮和渗碳层, 而且有较高的热稳定 性和耐蚀性。渗硼层脆性较大,难以变形和加工,故工件应在渗硼前精加工。这种工艺主要 用于中碳钢、中碳合金结构钢零件,也用于钛等有色金属和合金的表面强化。

渗硼工艺已在承受磨损的磨具、受到磨粒磨损的石油钻机的钻头、煤水泵零件、拖拉机 履带板、在腐蚀介质或较高温度条件下工作的阀杆、阀座等上获得应用。但渗硼工艺还存在 处理温度较高、畸变大、熔盐渗硼件清洗较困难和渗层较脆等缺点。

渗硫是通过硫与金属工件表面反应而形成薄膜的化学热处理工艺。经过渗硫处理的工 件,其硬度较低,但减摩作用良好,能防止摩擦副表面接触时因摩擦热和塑性变形而引起的 擦伤和咬死。

硫氮共渗、硫氮碳共渗是将硫、氮或硫、氮、碳同时渗入金属工件表层的化学热处理工 艺。采用渗硫工艺时,渗层减摩性好,但在载荷较高时渗层会很快破坏。采用渗氮或氮碳共

渗工艺时,渗层有较好的耐磨、抗疲劳性能,但减摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共渗工艺,可使 工件表层兼具耐磨和减摩等性能。

渗金属是将一种或数种金属元素, 渗入金属工件表层的化学热处理工艺。 金属元素可同 时或先后以不同方法渗入。在渗层中,它们大多以金属间化合物的形式存在,能分别提高工 件表层的耐磨、耐蚀、抗高温氧化等性能。常用的渗金属工艺有渗铝、渗铬、渗锌等。

化学热处理的发展将着重于扩大低温化学热处理的应用; 提高渗层质量和加速化学热处 理过程; 研制适应常用化学热处理工艺的专用钢; 发展无污染化学热处理工艺和复合渗工艺; 用计算机控制多种化学热处理过程, 建立相应的数学模型, 研制各种介质中适用的传感器和 外接仪表、设备等。

(5)合金元素对热处理的影响

1、合金元素对钢加热转变的影响 除了镍、钴以外,大多数合金元素特别是强碳化物形成元素,使碳的扩散速度降低,奥 氏体的形成过程减缓,因此奥氏体化加热温度提高,保温时间延长。 除了锰、硼以外,大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大,淬火后获得细小马氏体组织。 2、合金元素对钢冷却转变的影响 除了 Co 以外,大多数合金元素溶入奥氏体中,不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散, 减缓了奥氏体的分解能力,使奥氏体稳定性提高,C 曲线右移或形成珠光体和贝氏体两个转 变区。除 Co、Al 外,大多数合金元素使 Ms 点、Mf 点下移,如图 1-71 所示,使钢在淬火后 残余奥氏体量增多,如图 1-72 所示。 (6)45 钢和 40Cr 钢调质热处理

调质是淬火加高温回火的双重热处理,其目的是使工件具有良好的综合机械性能。 调质钢有碳素调质钢和合金调质钢二大类, 不管是碳钢还是合金钢, 其含碳量控制比较 严格。如果含碳量过高,调质后工件的强度虽高,但韧性不够,如含碳量过低,韧性提高而 强度不足。为使调质件得到好的综合性能,一般含碳量控制在 0.30~0.50%。

调质淬火时, 要求工件整个截面淬透, 使工件得到以细针状淬火马氏体为主的显微组织。 通过高温回火,得到以均匀回火索氏体为主的显微组织。小型工厂不可能每炉搞金相分析, 一般只作硬度测试,这就是说,淬火后的硬度必须达到该材料的淬火硬度,回火后硬度按图 要求来检查。

工件调质处理的操作, 必须严格按工艺文件执行, 我们只是对操作过程中如何实施工艺提些 看法。

1、 45 钢的调质 45 钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应 用广泛。它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。

45 钢淬火温度在 A3+(30~50) ℃,在实际操作中,一般是取上限的。偏高的淬火温度可 以使工件加热速度加快,表面氧化减少,且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化,就需要 足够的保温时间。如果实际装炉量大,就需适当延长保温时间。不然,可能会出现因加热不 均匀造成硬度不足的现象。但保温时间过长,也会也出现晶粒粗大,氧化脱碳严重的弊病, 影响淬火质量。我们认为,如装炉量大于工艺文件的规定,加热保温时间需延长 1/5。

因为 45 钢淬透性低,故应采用冷却速度大的 10%盐水溶液。工件入水后,应该淬透,但 不是冷透,如果工件在盐水中冷透,就有可能使工件开裂,这是因为当工件冷却到 180℃左 右时,奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此,当淬火工件快冷到该温度 区域,就应采取缓冷的方法。由于出水温度难以掌握,须凭经验操作,当水中的工件抖动停 止,即可出水空冷(如能油冷更好)。另外,工件入水宜动不宜静,应按照工件的几何形状, 作规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件,导致硬度不均匀,应力不均匀而使工件变形 大,甚至开裂。

45 钢调质件淬火后的硬度应该达到 HRC56~59,截面大的可能性低些,但不能低于 HRC4 8,不然,就说明工件未得到完全淬火,组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织,这种组织 通过回火,仍然保留在基体中,达不到调质的目的。

45 钢淬火后的高温回火,加热温度通常为 560~600℃,硬度要求为 HRC22~34。因为调 质的目的是得到综合机械性能,所以硬度范围比较宽。但图纸有硬度要求的,就要按图纸要 求调整回火温度,以保证硬度。如有些轴类零件要求强度高,硬度要求就高;而有些齿轮、 带键槽的轴类零件,因调质后还要进行铣、插加工,硬度要求就低些。关于回火保温时间, 视硬度要求和工件大小而定,我们认为,回火后的硬度取决于回火温度,与回火时间关系不 大,但必须回透,一般工件回火保温时间总在一小时以上。

2、40Cr 钢的调质处理 Cr 能增加钢的淬透性,提高钢的强度和回火稳定性,具有优良的机械性能。截面尺寸大 或重要的调质工件,应采用 Cr 钢。但 Cr 钢有第二类回火脆性。

40Cr 工件调质的淬回火,各种参数工艺卡片都有规定,我们在实际操作中体会是: 1、40Cr 工件淬火后应采用油冷,40Cr 钢的淬透性较好,在油中冷却能淬硬,而且工件 的变形、开裂倾向小。但是小型企业在供油紧张的情况下,对形状不复杂的工件,可以在水 中淬火,并未发现开裂,只是操作者要凭经验严格掌握入水、出水的温度。 2、40Cr 工件调质后硬度仍然偏高,第二次回火温度就要增加 20~50℃,不然,硬度降低 困难。 3、40Cr 工件高温回火后,形状复杂的在油中冷却,简单的在水中冷却,目的是避免第 二类回火脆性的影响。回火快冷后的工件,必要时再施以消除应力处理。

影响调质工件的质量,操作工的水平是个重要因素,同时,还有设备、材料和调质前加工等 多方面的原因,我们认为: 1、工件从加热炉转移到冷却槽速度缓慢,工件入水的温度已降到低于 Ar3 临界点,产生 部分分解,工件得到不完全淬火组织,达不到硬度要求。所以小零件冷却液要讲究速度,大 工件予冷要掌握时间。 2、工件装炉量要合理,以 1~2 层为宜,工件相互重叠造成加热不均匀,导致硬度不匀。 3、工件入水排列应保持一定距离,过密使工件近处蒸气膜破裂受阻,造成工件接近面硬 度偏低。 4、开炉淬火,不能一口气淬完,应视炉温下降程度,中途闭炉重新升温,以便前后工件 淬后硬度一致。 5、要注意冷却液的温度,10%盐水的温度如高于 60℃,不能使用。冷却液不能有油污、 泥浆等杂质,不然,会出现硬度不足或不均匀现象。 6、未经加工毛坯调质,硬度不会均匀,如要得到好的调质质量,毛坯应粗车,棒料要锻 打。 7、严把质量关,淬火后硬度偏低 1~3 个单位,可以调整回火温度来达到硬度要求。但淬 火后工件硬度过低,有的甚至只有 HRC25~35,必须重新淬火,绝不能只施以中温或低温回 火以达到图纸要求完事,不然,失去了调质的意义,并有可能产生严重的后果。

(7)常用钢热处理回火计算

钢的回火硬度(H)取决于回火温度(T)和回火时间(t),三者之间存在着一定的函数关 系,即 H = f(T,t)。当 t 为定值时,H 和 T 的函数关系可划分为四种类型:(1)直线 型;(2)抛物线型;(3)幂函数型;(4)直线和幂函数的复合型。因后两种类型在使用 时,计算和作图极为不便,故大多数情况下,将其简化为直线和抛物线型,用经验方程可表 示为:H = a1 + k1 T H = a2 + k2 T 其中,a1、a2、k1、k2 为特定系数。 依据实际工艺试验和有关参考文献的数据, 运用数理统计方法计算和修正, 得出部分常用钢 种的回火方程。实践证明,这些经验公式具有重要的适用价值。 钢 号 淬火温度/淬火介质 回火方程 45 840/水 H = 62 -(1/9000)T 2 20Cr 890/油 H = 50 -(2/45)T 38CrMoAl 930/油 H = 64 -(1/25)T(T<550) H = 95 -(1/10)T(T>550) 40Cr 850/油 H = 75 -(3/40)T 50CrVA 850/油 H = 73 -(1/14)T 60Si2Mn 860/油 H = 68 -(1/11250)T 2 65Mn 820/油 H = 74 -(3/40)T T8 800/水 H = 78-(7/80)T T10 780/水 H = 82.7 -(1/11)T CrWMn 830/油 H = 69 -(1/25)T Cr12 980/油 H = 64 -(1/80)T(T<500) H = 107.5 -(1/10)T(T>500) Cr12MoV 1000/油 H = 65 -(1/100)T(T<500) 9CrSi 865/油 H = 69 -(1/30)T 5CrNiMo 855/油 H = 72.5 -(1/16)T

5CrMnMo 855/油 H = 69 -(3/50)T W18Cr4V 1280/油 H = 93 -(3/31250)T 2 GCr15 850/油 H = 733 -(2/3)T 使用说明: (1)要求原材料化学成分及力学性能符合国家技术标准(GB、YB 等),最大外经(或相对 厚度)接近或小于淬火临界直径。 (2)在淬火温度、回火时间为定值的条件下,回火方程仅适用于常规淬火、回火工艺;不 可用于亚温淬火、复合热处理、形变热处理等工艺。 (3)在热处理过程中,还应选择正确的淬火介质,使冷却能力满足工艺要求;钢材按要求 进行预备热处理; (4)考虑到随机因素的影响,钢材热处理后,回火实际硬度和温度与计算所得数允许有 5% 的误差。


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