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。

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。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。

整體熱處理

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、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。

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),常用于改善低碳材料的切削性能,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。

回火

為了降低鋼件的脆性,將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃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。

“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

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

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。

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。它可以控制工件的各種性能 ,如耐磨、耐腐蝕、磁性能等。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。

退火和回火的區(qū)別

退火與回火的區(qū)別在于:(簡(jiǎn)單地說,退火就是不要硬度,回火還保留一定硬度)。

回火:

高溫回火所得組織為回火索氏體。回火一般不單獨(dú)使用,在零件淬火處理后進(jìn)行回火,主要目的是消除淬火應(yīng)力,得到要求的組織,回火根據(jù)回火溫度的不同分為低溫、中溫和高溫回火。分別得到回火馬氏體、屈氏體和索氏體。其中淬火后進(jìn)行高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理,其目的是獲得強(qiáng)度,硬度和塑性,韌性都較好的綜合機(jī)械性能。因此,廣泛用于汽車,拖拉機(jī),機(jī)床等的重要結(jié)構(gòu)零件,如連桿,螺栓,齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200-330。

退火:

退火過程中發(fā)生得是珠光體轉(zhuǎn)變,退火的主要目的是使金屬內(nèi)部組織達(dá)到或接近平衡狀態(tài),為后續(xù)加工和最終熱處理做準(zhǔn)備。去應(yīng)力退火是為了消除由于塑性形變加工、焊接等而造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應(yīng)力而進(jìn)行的退火工藝。鍛造、鑄造、焊接以及切削加工后的工件內(nèi)部存在內(nèi)應(yīng)力,如不及時(shí)消除,將使工件在加工和使用過程中發(fā)生變形,影響工件精度。采用去應(yīng)力退火消除加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力十分重要。去應(yīng)力退火的加熱溫度低于相變溫度,因此,在整個(gè)熱處理過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。內(nèi)應(yīng)力主要是通過工件在保溫和緩冷過程中自然消除的。為了使工件內(nèi)應(yīng)力消除得更徹底,在加熱時(shí)應(yīng)控制加熱溫度。

一般是低溫進(jìn)爐,然后以100℃/h左右得加熱速度加熱到規(guī)定溫度。焊接件得加熱溫度應(yīng)略高于600℃。保溫時(shí)間視情況而定,通常為2~4h。鑄件去應(yīng)力退火的保溫時(shí)間取上限,冷卻速度控制在(20~50)℃/h,冷至300℃以下才能出爐空冷。時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種自然時(shí)效是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上,便其緩緩地發(fā)生,從而使殘余應(yīng)力消除或減少,人工時(shí)效是將鑄件加熱到550~650℃進(jìn)行去應(yīng)力退火,它比自然時(shí)效節(jié)省時(shí)間,殘余應(yīng)力去除較為徹底。

什么叫回火?

回火是將淬火后的金屬成材或零件加熱到某一溫度,保溫一定時(shí)間后,以一定方式冷卻的熱處理工藝,回火是淬火后緊接著進(jìn)行的一種操作,通常也是工件進(jìn)行熱處理的最后一道工序,因而把淬火和回火的聯(lián)合工藝稱為最終熱處理。淬火與回火的主要目的是:

1)減少內(nèi)應(yīng)力和降低脆性,淬火件存在著很大的應(yīng)力和脆性,如沒有及時(shí)回火往往會(huì)產(chǎn)生變形甚至開裂。

2)調(diào)整工件的機(jī)械性能,工件淬火后,硬度高,脆性大,為了滿足各種工件不同的性能要求,可以通過回火來調(diào)整,硬度,強(qiáng)度,塑性和韌性。

3)穩(wěn)定工件尺寸。通過回火可使金相組織趨于穩(wěn)定,以保證在以后的使用過程中不再發(fā)生變形。

4)改善某些合金鋼的切削性能。

在生產(chǎn)中,常根據(jù)對(duì)工件性能的要求。按加熱溫度的不同,把回火分為低溫回火,中溫回火,和高溫回火。淬火和隨后的高溫回火相結(jié)合的熱處理工藝稱為調(diào)質(zhì),即在具有高度強(qiáng)度的同時(shí),又有好的塑性韌性。主要用于處理隨較大載荷的機(jī)器結(jié)構(gòu)零件,如機(jī)床主軸,汽車后橋半軸,強(qiáng)力齒輪等。

什么叫淬火?

淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上,保溫后,以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻,以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織,再經(jīng)回火后,使工件獲得良好的使用性能,以充分發(fā)揮材料的潛力。其主要目的是: 

1)提高金屬成材或零件的機(jī)械性能。例如:提高工具、軸承等的硬度和耐磨性,提高彈簧的彈性極限,提高軸類零件的綜合機(jī)械性能等。 

2)改善某些特殊鋼的材料性能或化學(xué)性能。如提高不銹鋼的耐蝕性,增加磁鋼的永磁性等。

淬火冷卻時(shí),除需合理選用淬火介質(zhì)外,還要有正確的淬火方法,常用的淬火方法,主要有單液淬火,雙液淬火,分級(jí)淬火、等溫淬火,局部淬火等。

“四把火”的區(qū)別與聯(lián)系

正火有以下目的和用途:

① 對(duì)亞共析鋼,正火用以消除鑄、鍛、焊件的過熱粗晶組織和魏氏組織,軋材中的帶狀組織;細(xì)化晶粒;并可作為淬火前的預(yù)先熱處理。

② 對(duì)過共析鋼,正火可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體,并使珠光體細(xì)化,不但改善機(jī)械性能,而且有利于以后的球化退火。

③ 對(duì)低碳深沖薄鋼板,正火可以消除晶界的游離滲碳體,以改善其深沖性能。

④ 對(duì)低碳鋼和低碳低合金鋼,采用正火,可得到較多的細(xì)片狀珠光體組織,使硬度增高到HB140-190,避免切削時(shí)的“粘刀”現(xiàn)象,改善切削加工性。對(duì)中碳鋼,在既可用正火又可用退火的場(chǎng)合下,用正火更為經(jīng)濟(jì)和方便。

⑤ 對(duì)普通中碳結(jié)構(gòu)鋼,在力學(xué)性能要求不高的場(chǎng)合下,可用正火代替淬火加高溫回火,不僅操作簡(jiǎn)便,而且使鋼材的組織和尺寸穩(wěn)定。

⑥ 高溫正火(Ac3以上150~200℃)由于高溫下擴(kuò)散速度較高,可以減少鑄件和鍛件的成分偏析。高溫正火后的粗大晶粒可通過隨后第二次較低溫度的正火予以細(xì)化。

⑦ 對(duì)某些用于汽輪機(jī)和鍋爐的低、中碳合金鋼,常采用正火以獲得貝氏體組織,再經(jīng)高溫回火,用于400~550℃時(shí)具有良好的抗蠕變能力。

⑧ 除鋼件和鋼材以外,正火還廣泛用于球墨鑄鐵熱處理,使其獲得珠光體基體,提高球墨鑄鐵的強(qiáng)度。

由于正火的特點(diǎn)是空氣冷卻,因而環(huán)境氣溫、堆放方式、氣流及工件尺寸對(duì)正火后的組織和性能均有影響。正火組織還可作為合金鋼的一種分類方法。通常根據(jù)直徑為25毫米的試樣加熱到900℃后,空冷得到的組織,將合金鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。

退火是將金屬緩慢加熱到一定溫度,保持足夠時(shí)間,然后以適宜速度冷卻的一種金屬熱處理工藝。退火熱處理分為完全退火,不完全退火和去應(yīng)力退火。退火材料的力學(xué)性能可以用拉伸試驗(yàn)來檢測(cè),也可以用硬度試驗(yàn)來檢測(cè)。許多鋼材都是以退火熱處理狀態(tài)供貨的,鋼材硬度檢測(cè)可以采用洛氏硬度計(jì),測(cè)試HRB硬度,對(duì)于較薄的鋼板、鋼帶以及薄壁鋼管,可以采用表面洛氏硬度計(jì),檢測(cè)HRT硬度。

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(yīng)力,防止工件變形、開裂。

② 軟化工件以便進(jìn)行切削加工。

③ 細(xì)化晶粒,改善組織以提高工件的機(jī)械性能。

④ 為最終熱處理(淬火、回火)作好組織準(zhǔn)備。

常用的退火工藝有:

① 完全退火。用以細(xì)化中、低碳鋼經(jīng)鑄造、鍛壓和焊接后出現(xiàn)的力學(xué)性能不佳的粗大過熱組織。將工件加熱到鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的溫度以上30~50℃,保溫一段時(shí)間,然后隨爐緩慢冷卻,在冷卻過程中奧氏體再次發(fā)生轉(zhuǎn)變,即可使鋼的組織變細(xì)。

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?yōu)榍驙?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(jié)構(gòu)鋼的高硬度,以進(jìn)行切削加工。一般先以較快速度冷卻到奧氏體最不穩(wěn)定的溫度,保溫適當(dāng)時(shí)間,奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橥惺象w或索氏體,硬度即可降 低。 

④ 再結(jié)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(xiàn)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(yīng)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(shí)間后適當(dāng)冷卻,使?jié)B碳體分解形成團(tuán)絮狀石墨。

⑥ 擴(kuò)散退火。用以使合金鑄件化學(xué)成分均勻化,提高其使用性能。方法是在不發(fā)生熔化的前提下,將鑄件加熱到盡可能高的溫度,并長(zhǎng)時(shí)間保溫,待合金中各種元素?cái)U(kuò)散趨于均勻分布后緩冷。

⑦ 去應(yīng)力退火。用以消除鋼鐵鑄件和焊接件的內(nèi)應(yīng)力。對(duì)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(nèi)應(yīng)力。

淬火,金屬和玻璃的一種熱處理工藝。把合金制品或玻璃加熱到一定溫度,隨即在水、油或空氣中急速冷卻,一般用以提高合金的硬度和強(qiáng)度。通稱“蘸火”。將經(jīng)過淬火的工件重新加熱到低于下臨界溫度的適當(dāng)溫度,保溫一段時(shí)間后在空氣或水、油等介質(zhì)中冷卻的金屬熱處理。鋼鐵工件在淬火后具有以下特點(diǎn):

① 得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡(即不穩(wěn)定)組織。

② 存在較大內(nèi)應(yīng)力。

③ 力學(xué)性能不能滿足要求。因此,鋼鐵工件淬火后一般都要經(jīng)過回火。

回火的作用在于:

① 提高組織穩(wěn)定性,使工件在使用過程中不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變,從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。

② 消除內(nèi)應(yīng)力,以便改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸。

③ 調(diào)整鋼鐵的力學(xué)性能以滿足使用要求。

回火之所以具有這些作用,是因?yàn)闇囟壬�高時(shí),原子活動(dòng)能力增強(qiáng),鋼鐵中的鐵、碳和其他合金元素的原子可以較快地進(jìn)行擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)原子的重新排列組合,從而使不穩(wěn)定的不平衡組織逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的平衡組織。內(nèi)應(yīng)力的消除還與溫度升高時(shí)金屬強(qiáng)度降低有關(guān)。一般鋼鐵回火時(shí),硬度和強(qiáng)度下降,塑性提高。回火溫度越高,這些力學(xué)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(shí),會(huì)析出一些顆粒細(xì)小的金屬化合物,使強(qiáng)度和硬度上升。這種現(xiàn)象稱為二次硬化。

回火要求:用途不同的工件應(yīng)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(jìn)行低溫回火。低溫回火后硬度變化不大,內(nèi)應(yīng)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(jié)構(gòu)鋼制作的零件通常在500~600℃進(jìn)行高溫回火,以獲得適宜的強(qiáng)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(diào)質(zhì)。

鋼在300℃左右回火時(shí),常使其脆性增大,這種現(xiàn)象稱為第一類回火脆性。一般不應(yīng)在這個(gè)溫度區(qū)間回火。某些中碳合金結(jié)構(gòu)鋼在高溫回火后,如果緩慢冷至室溫,也易于變脆。這種現(xiàn)象稱為第二類回火脆性。在鋼中加入鉬,或回火時(shí)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。

一、鋼的退火

概念:將鋼加熱、保溫后緩慢冷卻,以獲得接近平衡組織的工藝過程。

1、完全退火

工藝:加熱Ac3以上30-50℃→保溫→隨爐冷到500度以下→空冷室溫。

目的:細(xì)化晶粒,均勻組織 ,提高塑韌性,消除內(nèi)應(yīng)力,便于機(jī)械加工。

2、等溫退火

工藝:加熱Ac3以上→保溫→快冷至珠光體轉(zhuǎn)變溫度→等溫停留→轉(zhuǎn)變?yōu)镻→出爐空冷;

目的:同上。但時(shí)間短,易控制,脫氧、脫碳小。(適用于過冷A比較穩(wěn)定的合金鋼及大型碳鋼件)。 

3、球化退火

概念:是使鋼中的滲碳體球化的工藝過程。

對(duì)象:共析鋼和過共析鋼

工藝:

(1)等溫球化退火加熱Ac1以上20-30度→保溫→迅速冷卻到Ar1以下20度→等溫→隨爐冷至600度左右→出爐空冷。

(2)普通球化退火加熱Ac1以上20-30度→保溫→極緩慢冷卻至600度左右→出爐空冷。(周期長(zhǎng),效率低,不適用)。 

目的:降低硬度、提高塑韌性,便于切削加工。

機(jī)理:使片狀或網(wǎng)狀滲碳體變成顆粒狀(球狀)

說明:退火加熱時(shí),組織沒有完全A化,所以又稱不完全退火。

4、去應(yīng)力退火

工藝:加熱到Ac1以下某一溫度(500-650度)→保溫→緩冷至室溫。

目的:消除鑄件、鍛件、焊接件等的殘余內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定工件尺寸。

二、鋼的回火  

工藝:將淬火后的鋼重新加熱到A1以下某一溫度保溫,然后冷卻(一般空冷)至室溫。

目的:消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,穩(wěn)定工件尺寸,降低脆性,改善切削加工性能。

力學(xué)性能:隨著回火溫度的升高,硬度、強(qiáng)度下降,塑性韌性升高。

1、低溫回火:150-250℃ ,M回,減少內(nèi)應(yīng)力和脆性,提高塑韌性,有較高的硬度和耐磨性。用于制作量具、刀具和滾動(dòng)軸承等。

2、中溫回火:350-500℃ ,T回,具有較高的彈性,有一定的塑性和硬度。用于制作彈簧、鍛模等。

3、高溫回火:500-650℃ ,S回,具有良好的綜合力學(xué)性能。用于制作齒輪、曲軸等。