機械制造技術(shù)課件：鋼的熱處理

鋼的熱處理2.1鋼的普通熱處理2.2鋼的表面熱處理2.3鋼的熱處理新技術(shù)2.4鋼的熱處理工藝應(yīng)用本章小結(jié)習(xí)題

2.1鋼的普通熱處理

鋼的最基本的熱處理工藝有退火、正火、淬火、回火等,本節(jié)介紹這些熱處理工藝過程。

2.1.1鋼的退火

退火是將鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件,為預(yù)備熱處理。退火后獲得珠光體組織。退火的主要目的是:軟化鋼材以利于切削加工;消除內(nèi)應(yīng)力以防止工件變形;細化晶粒,改善組織,為零件的最終熱處理做好準備。

根據(jù)鋼的成分和退火目的不同,常用的退火方法有完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等。

1.完全退火與等溫退火

完全退火是把鋼加熱到Ac3以上30~50℃,保溫一定時間,隨爐冷至600℃以下,出爐空冷。完全退火可獲得接近平衡狀態(tài)的組織,主要用于亞共析鋼的鑄、鍛件,有時也用于焊接結(jié)構(gòu)。完全退火的目的在于細化晶粒、消除過熱組織、降低硬度和改善切削加工性能。

過共析鋼不宜采用完全退火,以避免二次滲碳體以網(wǎng)狀形式沿奧氏體晶界析出,給切削加工和以后的熱處理帶來不利影響。

完全退火很費工時,生產(chǎn)中常采用等溫退火來代替。

2.球化退火

球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20~30℃,充分保溫后,隨爐冷卻到600℃以下出爐空冷。球化退火主要用于過共析鋼,其目的是使鋼中的滲碳體球狀化,以降低鋼的硬度,改善切削加工性,并為以后的熱處理工序做好組織準備。若鋼的原始組織中有嚴重的滲碳體網(wǎng),則在球化退火前應(yīng)進行正火消除,以保證球化退火效果。

3.去應(yīng)力退火

去應(yīng)力退火又稱低溫退火,是將鋼加熱到Ac1以下某一溫度(一般為500~600℃),保溫一定時間,然后隨爐冷卻。去應(yīng)力退火過程中不發(fā)生組織的轉(zhuǎn)變,目的是為了消除鑄件、鍛件、焊件和冷沖壓件的殘余應(yīng)力。

2.1.2鋼的正火

將鋼加熱到Ac3(或Accm)以上30~50℃,保溫適當時間,出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝稱為正火。正火主要有以下幾方面的應(yīng)用:

(1)加工要求不高的結(jié)構(gòu)、零件。對力學(xué)性能要求不高的結(jié)構(gòu)、零件,可用正火作為最終熱處理,以提高其強度、硬度和韌性。

(2)加工低、中碳鋼。對于低、中碳鋼,可用正火作為預(yù)備熱處理,以調(diào)整硬度,改善切削加工性。

(3)加工過共析鋼。對于過共析鋼,正火可抑制滲碳體網(wǎng)的形成,為球化退火做好組織準備。

與退火相比,正火的生產(chǎn)周期短,節(jié)約能量,而且操作簡便,冷卻速度較快,得到的組織比較細小,強度和硬度也稍高一些。生產(chǎn)中常優(yōu)先采用正火工藝。常用退火和正火的加熱溫度范圍及工藝曲線如圖2－1所示。圖2－1碳鋼的各種退火、正火的加熱溫度范圍及工藝曲線

2.1.3鋼的淬火

將鋼加熱到Ac3或Ac1以上,保溫一定時間,冷卻后獲得馬氏體和(或)貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最經(jīng)濟、最有效的強化手段之一。

1.淬火加熱溫度

鋼的淬火加熱溫度主要根據(jù)其相變點來確定,如圖2－2所示。亞共析鋼一般采用完全奧氏體化淬火,淬火加熱溫度為Ac3+(30~50℃)。如果加熱溫度選擇為Ac1~Ac3,則在淬火組織中將有先析出鐵素體存在,使鋼的強度降低。圖2－2碳鋼淬火加熱溫度范圍

應(yīng)當指出的是,在確定具體零件熱處理溫度時,需全面考慮各種因素(如工件形狀、尺寸等)的影響。對于高合金鋼加熱溫度的選擇,還應(yīng)考慮合金碳化物的溶解、合金元素均勻化等問題。淬火加熱與保溫時間的確定,需綜合考慮鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質(zhì)、裝爐量等因素的影響,生產(chǎn)中常用有關(guān)經(jīng)驗公式估算。

2.常用淬火冷卻方法

理想的冷卻應(yīng)是既保證工件淬火后得到馬氏體,又要保證淬火質(zhì)量,減小淬火應(yīng)力和變形與開裂的傾向,這樣采用適宜的淬火介質(zhì)和適當?shù)拇慊鸱椒ň秃苤匾３Ｓ玫睦鋮s介質(zhì)有水、鹽或堿的水溶液和油等。常用的淬火方法有以下幾種:

(1)單液淬火。將加熱至淬火溫度的工件,投入單一一種淬火介質(zhì)中連續(xù)冷卻至室溫。例如,碳鋼在水中淬火,合金鋼在油中淬火等。單液淬火操作簡便,易于實現(xiàn)機械化和自動化,但也有不足之處,即易產(chǎn)生淬火缺陷。水中淬火易產(chǎn)生變形和裂紋,油中淬火易產(chǎn)生硬度不足或硬度不均勻等現(xiàn)象。

(2)雙介質(zhì)淬火。將加熱的工件先投入一種冷卻能力強的介質(zhì)中冷卻,然后在Ms(馬氏體轉(zhuǎn)變溫度點)點區(qū)域轉(zhuǎn)入冷卻能力小的另一種介質(zhì)中冷卻。例如,形狀復(fù)雜的非合金鋼工件采用水淬油冷法,合金鋼工件采用油淬空冷法等。雙介質(zhì)淬火可使低溫轉(zhuǎn)變時的內(nèi)應(yīng)力減小,從而有效防止工件的變形與開裂。

(3)馬氏體分級淬火。將加熱的工件先放入溫度在Ms點附近(150~260℃)的鹽浴或堿浴中,稍加停留2~5min,等工件整體溫度趨于均勻時,再取出空冷以獲得馬氏體。分級淬火可更為有效地避免變形和裂紋的產(chǎn)生,而且比雙介質(zhì)淬火易于操作,一般適用于形狀較復(fù)雜、尺寸較小的工件。

(4)貝氏體等溫淬火。將加熱的工件放入稍高于Ms點溫度的鹽浴或堿浴中,保溫足夠的時間,使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變后出爐空冷。等溫淬火的內(nèi)應(yīng)力很小,工件不易變形與開裂,而且具有良好的綜合力學(xué)性能。等溫淬火常用于處理形狀復(fù)雜,尺寸要求精確,并且硬度和韌性都要求較高的工件,如各種冷、熱沖模,成形刃具和彈簧等。

(5)局部淬火。若有些工件按其工件條件只是局部要求高硬度,則可進行局部加熱淬火,以避免工件其他部分產(chǎn)生變形與裂紋。

2.1.4鋼的淬透性

1.淬透性的概念

鋼的淬透性是鋼在淬火冷卻時,獲得馬氏體組織深度的能力。工件在淬火后,整個截面的冷卻速度不同,工件表層的冷卻速度最大,中心層的冷卻速度最小,如圖2－3(a)所示。冷卻速度大于該鋼vc的表層部分,淬火后得到馬氏體組織,圖2－3(b)中的影線區(qū)域表示獲得馬氏體組織的深度。一般規(guī)定:由鋼的表面至內(nèi)部馬氏體組織占50%處的距離為有效淬硬深度。圖2－3鋼的有效淬硬深度與冷卻速度的關(guān)系

淬透性是鋼的一種重要的熱處理工藝性能,其高低以鋼在規(guī)定的標準淬火條件下能夠獲得的有效淬硬深度來表示。用不同鋼種制造的相同形狀和尺寸的工件,在同樣條件下淬火,淬透性好的鋼有效淬硬深度較大。

2.影響淬透性的因素

影響淬透性的因素很多。鋼的淬透性主要取決于鋼的馬氏體臨界冷卻速度的大小,實質(zhì)是取決于過冷奧氏體的穩(wěn)定性,即C曲線的位置。鋼的C曲線越靠右,其淬透性越好。因此,鋼的化學(xué)成分和奧氏體化條件是影響淬透性的主要因素。

3.淬透性的實際應(yīng)用

鋼的淬透性是在機械設(shè)計制造過程中合理選材和正確制訂熱處理工藝的重要依據(jù)。淬透性對鋼件熱處理后的力學(xué)性能影響很大,如圖2－4所示。若整個工件淬透,經(jīng)高溫回火后,則其力學(xué)性能沿截面是均勻一致的;若工件未淬透,高溫回火后,則雖然截面上硬度基本一致,但未淬透部分的屈服點和沖擊韌度卻顯著降低。圖2－4淬硬層深度與力學(xué)性能的關(guān)系(陰影部分表示淬透層)

在淬透性的實際應(yīng)用中還須注意以下兩點區(qū)別:

(1)淬透性與實際工件有效淬硬深度的區(qū)別。同一鋼種不同截面的工件在同樣奧氏體化條件下淬火,其淬透性是相同的。但是其有效淬硬深度卻因工件的形狀、尺寸和冷卻介質(zhì)的不同而異。淬透性乃是鋼本身所固有的屬性,對于一種鋼,它是確定的,可用于不同鋼種之間的比較。實際工件的有效淬硬深度,它除了取決于鋼的淬透性外,還與工件的形狀、尺寸及采用的冷卻介質(zhì)等外界因素有關(guān)。

(2)鋼的淬透性與淬硬性是兩個不同的概念。淬硬性是指鋼淬火后能達到的最高硬度,它主要取決于馬氏體的含碳量。淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。例如,低碳合金鋼淬透性相當好,但其淬硬性卻不高;高碳非合金鋼的淬硬性高,但其淬透性卻差。

2.1.5鋼的回火

回火是將淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻至室溫的熱處理工藝?；鼗鹗谴慊鸬暮罄m(xù)工序,其主要目的是:減少或消除淬火應(yīng)力;防止工件變形與開裂;穩(wěn)定工件尺寸及獲得工件所需的組織和性能。

1.淬火鋼在回火時的組織轉(zhuǎn)變

淬火后鋼的組織是不穩(wěn)定的,具有向穩(wěn)定組織轉(zhuǎn)變的自發(fā)傾向?；鼗鸺铀倭俗园l(fā)轉(zhuǎn)變的過程。淬火鋼在回火時,隨著溫度的升高,組織轉(zhuǎn)變可分為四個階段。

第一階段(80~200℃):馬氏體分解。

第二階段(200~300℃):殘余奧氏體分解。

第三階段(300~400℃):馬氏體分解完成和滲碳體的形成。

第四階段(400℃以上):固溶體的再結(jié)晶與滲碳體的聚集長大。

必須指出,以上四個階段是在不同溫度范圍內(nèi)進行的,但四個溫度范圍有交叉,所以鋼在回火以后所表現(xiàn)出的性能是這些變化的綜合結(jié)果。

2.回火的分類及其應(yīng)用

實際生產(chǎn)中,根據(jù)鋼件的性能要求,按其回火溫度范圍,回火可以分為以下三類:

(1)低溫回火(150~250℃):回火后的組織是回火馬氏體,它基本保持馬氏體的高硬度和耐磨性,鋼的內(nèi)應(yīng)力和脆性有所降低。低溫回火主要用于各種工具、滾動軸承、滲碳件和表面淬火件。

(2)中溫回火(350~500℃):回火后的主要組織為回火托氏體,具有較高的彈性極限和屈服強度,具有一定的韌性和硬度。中溫回火主要用于各種彈簧、模具等。

(3)高溫回火(500~650℃):回火后的組織為回火索氏體,它具有強度、硬度、塑性和韌性都較好的綜合力學(xué)性能。高溫回火廣泛用于汽車、拖拉機、機床等機械中的重要結(jié)構(gòu)零件,如各種軸、齒輪、連桿、高強度螺栓等。

通常將淬火與高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理一般作為最終熱處理,但也可作為表面淬火和化學(xué)熱處理的預(yù)備熱處理。應(yīng)指出,工件回火后的硬度主要與回火溫度和回火時間有關(guān),而回火后的冷卻速度對硬度影響不大。實際生產(chǎn)中,回火件出爐后通常采用空冷。

3.回火脆性

回火過程中,沖擊韌度不一定總是隨回火溫度的升高而不斷提高。有些鋼在某一溫度范圍內(nèi)回火時,其沖擊韌度比在較低溫度回火時反而顯著下降,這種脆化現(xiàn)象稱為回火脆性。如圖2－5所示,在250~400℃的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第一類回火脆性,防止的辦法常常是避免在此溫度范圍內(nèi)回火。在500~600℃溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)的回火脆性稱為第二類回火脆性,部分合金鋼易產(chǎn)生這類回火脆性,回火后快冷可避免這類回火脆性產(chǎn)生。圖2－5鋼的沖擊韌度與回火溫度的關(guān)系

2.2鋼的表面熱處理

2.2.1表面淬火表面熱處理是僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝,其中最常用的是表面淬火。表面淬火是對鋼的表面快速加熱至淬火溫度,并立即冷卻,使表層獲得馬氏體強化的熱處理。表面淬火不改變鋼表層的成分,僅改變表層的組織,且心部組織不發(fā)生變化。

常用的感應(yīng)加熱表面淬火的基本原理如圖2－6所示。將工件放在銅管繞制的感應(yīng)圈內(nèi),當感應(yīng)圈通以一定頻率的電流時,感應(yīng)圈內(nèi)部和周圍產(chǎn)生同頻率的交變磁場,于是工件中相應(yīng)產(chǎn)生了自成回路的感應(yīng)電流。由于集膚效應(yīng),感應(yīng)電流主要集中在工件表層,使工件表面迅速加熱到淬火溫度,隨即噴水冷卻,使工件表層淬硬。根據(jù)所用電流頻率的不同,感應(yīng)加熱可分為高頻(200~300kHz)加熱、超音頻(20~40kHz)加熱、中頻(2.5~8kHz)加熱、工頻(50Hz)加熱等,用于各類中小型、大型機械零件。感應(yīng)電流頻率越高,電流集中的表層越薄,加熱層也越薄,淬硬層深度越小。圖2－6感應(yīng)加熱表面淬火示意圖

感應(yīng)加熱表面淬火零件宜選用中碳鋼和中碳低合金結(jié)構(gòu)鋼,目前應(yīng)用最廣泛的是汽車、拖拉機、機床和工程機械中的齒輪、軸類等,也可運用于高碳鋼、低合金鋼制造的工具和量具,以及鑄鐵冷軋輥等。經(jīng)感應(yīng)加熱表面淬火的工件,表面不易氧化、脫碳,變形小,淬火層深度易于控制。該熱處理方法生產(chǎn)效率高,易于實現(xiàn)生產(chǎn)機械化,多用于大批量生產(chǎn)的形狀較簡單的零件。

2.2.2化學(xué)熱處理

鋼的化學(xué)熱處理是將工件置于一定的活性介質(zhì)中保溫,使一種或幾種元素滲入工件表層,以改變其化學(xué)成分,從而使工件獲得所需組織和性能的熱處理工藝。其目的主要是為了表面強化和改善工件表面的物理、化學(xué)性能,即提高工件的表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐腐蝕性?；瘜W(xué)熱處理的種類很多,一般以滲入的元素來命名?；瘜W(xué)熱處理有滲碳、滲氮、碳氮共滲(氰化)、滲硫、滲硼、滲鉻、滲鋁及多元共滲等。

1.滲碳

滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中,加熱到高溫(900~950℃),使碳原子滲入表層的過程。其目的是使增碳的表面層經(jīng)淬火和低溫回火后,獲得高的硬度、耐磨性和疲勞強度,適用于低碳非合金鋼和低碳合金鋼,常用于汽車齒輪、活塞銷、套筒等零件。生產(chǎn)中廣泛采用的氣體滲碳是將工件置于密封的滲碳爐中(見圖2－7),加熱到900~950℃,通入滲碳氣體(如煤氣、石油液化氣、丙烷等)或易分解的有機液體(如煤油、甲苯、甲醇等),在高溫下通過反應(yīng)分解出活性碳原子,活性碳原子滲入高溫奧氏體中,并通過擴散形成一定厚度的滲碳層。滲碳的時間主要由滲碳層的深度決定。工件滲碳后必須進行淬火和低溫回火。圖2－7氣體滲碳示意圖

滲碳淬火工藝有以下三種:

(1)直接淬火法:工件滲碳后出爐經(jīng)預(yù)冷直接淬火和低溫回火。

(2)一次淬火法:工件滲碳后出爐緩冷,然后重新加熱,進行淬火和低溫回火。

(3)兩次淬火法:性能要求較高的滲碳件采用此方法。第一次淬火(加熱到850~900℃)目的是細化心部組織。第二次淬火(加熱到750~800℃)是為了使表層獲得細片狀馬氏體和粒狀滲碳體組織。

2.滲氮

將氮原子滲入工件表層的過程稱為滲氮(氮化),目的是提高工件表面硬度、耐磨性、疲勞強度、熱硬性和耐蝕性。常用的滲氮方法主要有氣體滲氮、液體滲氮及離子滲氮等。

氣體滲氮是將工件置于通入氨氣的爐中,加熱至500~600℃,使氨分解出活性氮原子,滲入工件表層,并向內(nèi)部擴散形成氮化層。氣體滲氮的特點如下:

(1)與滲碳相比,滲氮工件的表面硬度較高,可達1000~1200HV(相當于69~72HRC)。

(2)滲氮溫度較低,并且滲氮件一般不再進行其他熱處理(如淬火等),因此工件變形很小。

(3)滲氮后工件的疲勞強度可提高15%~35%。

(4)滲氮層具有高耐蝕性,這是由于氮化層是由致密的、耐腐蝕的氮化物所組成的,能有效地防止某些介質(zhì)(如水、過熱蒸氣、堿性溶液等)的腐蝕作用。

滲氮雖有上述特點,但由于其工藝復(fù)雜,生產(chǎn)周期長,成本高,氮化層薄而脆,不宜承受集中的重載荷,并需要專用的滲氮用鋼,所以只用于要求高耐磨性和高精度的零件,如精密機床的絲杠、鏜床主軸、重要的闊門等。．

為了克服滲氮周期長的缺點,近十幾年在原滲氮的基礎(chǔ)上發(fā)展了液體氮碳共滲、離子滲氮等先進滲氮方法。

2.3鋼的熱處理新技術(shù)

隨著工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,熱處理工藝在不斷改進,近20多年發(fā)展了新的熱處理工藝,如可控氣氛熱處理、真空熱處理、形變熱處理、化學(xué)熱處理和新的表面熱處理(激光熱處理、電子束表面淬火等)。近幾年計算機技術(shù)已應(yīng)用于熱處理工藝控制。

2.3.1可控氣氛熱處理

在爐氣成分可控制在預(yù)定范圍內(nèi)的熱處理爐中,進行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。其目的是為了有效地進行控制表面碳濃度的滲碳、碳氮共滲等化學(xué)熱處理,或防止工件在加熱時的氧化和脫碳,還可用于實現(xiàn)低碳鋼的光亮退火及中、高碳鋼的光亮淬火。該爐氣可分為滲碳性、還原性和中性氣氛等。

目前我國常用的可控氣氛有吸熱式氣氛、放熱式氣氛、放熱吸熱式氣氛、有機液滴注式氣氛等,其中以放熱式氣氛的制備最便宜。

2.3.2真空熱處理

在真空中進行的熱處理稱為真空熱處理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學(xué)熱處理(真空滲碳、滲鉻等)。

真空熱處理是在0.0133~1.33Pa真空度的真空介質(zhì)中加熱工件。真空熱處理可以減少工件變形,使鋼脫氧、脫氫和凈化表面,使工件表面無氧化、不脫碳、表面光潔,可顯著提高耐磨性和疲勞極限。

真空熱處理的工藝操作條件好,有利于實現(xiàn)機械化和自動化,而且節(jié)約能源,減少污染,因而真空熱處理目前發(fā)展較快。

2.3.3形變熱處理

形變熱處理是將塑性變形同熱處理有機結(jié)合在一起,獲得形變強化和相變強化綜合效果的工藝方法。這種工藝方法不僅可提高鋼的強韌性,還可以大大簡化金屬材料或工件的生產(chǎn)流程。

形變熱處理的方法很多,有高溫形變熱處理、低溫形變熱處理、等溫形變淬火、形變時效、形變化學(xué)熱處理等。

1.高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是將鋼加熱到穩(wěn)定的奧氏體區(qū)內(nèi),在該狀態(tài)下進行塑性變形,隨即進行淬火、回火的綜合熱處理工藝,又稱為高溫形變淬火。與普通熱處理比較,某些鋼材經(jīng)高溫形變淬火能提高抗拉強度10%~30%,提高塑性40%~50%。一般碳鋼、低合金鋼均可采用這種熱處理。

2.低溫形變熱處理

低溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)后,快速冷卻到Ar1以下,進行大量(50%~70%)的變形,隨即淬火、回火的工藝,又稱為亞穩(wěn)奧氏體的形變淬火。與普通熱處理比較,低溫形變熱處理能在保持塑性不變的情況下,提高抗拉強度30~70MPa,有時甚至提高100MPa。這種工藝適用于某些珠光體與貝氏體之間有較長孕育期的合金鋼。

形變熱處理主要受設(shè)備和工藝條件限制,應(yīng)用還不普遍,對形狀比較復(fù)雜的工件進行形變熱處理尚有困難,形變熱處理后對工件的切削加工和焊接也有一定影響。這些問題都將有待進一步研究解決。

2.3.4化學(xué)熱處理

1.電解熱處理

電解熱處理是將工件和加熱容器分別接在電源的負極和正極上,容器中裝有滲劑,利用電化學(xué)反應(yīng)使欲滲元素的原子滲入工件表層。電解熱處理可以進行電解滲碳、電解滲硼、電解滲氮等。

2.離子化學(xué)熱處理

離子化學(xué)熱處理是在真空爐中進行的,爐內(nèi)通入少量與熱處理目的相適應(yīng)的氣體,在高壓直流電場作用下,通過稀薄的氣體放電、起輝來加熱工件。與此同時,欲滲元素從通入的氣體中離解出來,滲入工件表層。離子化學(xué)熱處理比一般化學(xué)熱處理速度快,在滲層較薄的情況下尤為顯著。離子化學(xué)熱處理可進行離子滲氮、離子滲碳、離子碳氮共滲、離子滲硫和滲金屬等。

2.3.5激光熱處理和電子束表面淬火

激光熱處理是利用專門的激光器發(fā)出能量密度極高的激光,以極快速度加熱工件表面,自冷淬火后使工件表面強化的熱處理。

電子束表面淬火是利用電子槍發(fā)射成束電子,轟擊工件表面,使之急速加熱,自冷淬火后使工件表面強化的熱處理。其能量利用率大大高于激光熱處理,可達80%。

這兩種表面熱處理工藝不受鋼材種類限制,淬火質(zhì)量高,基體性能不變,是很有發(fā)展前途的新工藝。

2.4鋼的熱處理工藝應(yīng)用

2.4.1熱處理的技術(shù)條件設(shè)計者應(yīng)根據(jù)零件的工作條件、所選用的材料及性能要求提出熱處理技術(shù)條件,并標注在零件圖上。其內(nèi)容包括熱處理的方法及熱處理后應(yīng)達到的力學(xué)性能。一般零件需標出硬度值,重要的零件還應(yīng)標出強度、塑性、韌性指標或金相組織要求。對于化學(xué)熱處理零件,還應(yīng)標注滲層部位和滲層的深度。

標注熱處理技術(shù)條件時,可用文字在圖樣標題欄上方作扼要說明。推薦采用《金屬熱處理工藝分類及代號》(GB/T12603-2005)的規(guī)定標注熱處理工藝,并標出應(yīng)達到的力學(xué)性能指標及其他要求。熱處理工藝代號標記規(guī)定見表2－1。

熱處理工藝代號由基礎(chǔ)分類工藝代號及附加分類工藝代號組成。在基礎(chǔ)分類工藝代號中按照工藝類型、工藝名稱和實現(xiàn)工藝的加熱方法三個層次進行分類,均有相應(yīng)代號對應(yīng)。如表2－1所示,其中工藝類型分為整體熱處理、表面熱處理及化學(xué)熱處理三種;工藝名稱是按獲得組織狀態(tài)或滲入元素進行的分類;加熱方法分為加熱爐加熱、感應(yīng)加熱、電阻加熱等類型。附加分類是對基礎(chǔ)分類中某些工藝的具體條件再進一步細化分類,其中包括:各種熱處理的加熱介質(zhì)(見表2－2)、退火工藝方法(見表2－3)、淬火冷卻介質(zhì)或冷卻方法、滲碳和碳氮共滲的后續(xù)冷卻工藝等。

熱處理后應(yīng)達到的技術(shù)要求可按相應(yīng)規(guī)定加以標注。如圖2－8所示,其中5151表示螺釘施以整體調(diào)質(zhì),熱處理后布氏硬度應(yīng)達到230~250HBS;其尾部要進行表面火焰淬火和回火,故代號為5213,硬度應(yīng)為42~48HRC。圖2－8熱處理技術(shù)條件標注示例

2.4.2熱處理工序位置確定

根據(jù)熱處理的目的和工序位置的不同,可將其分為預(yù)先熱處理和最終熱處理兩大類。

1.確定熱處理工序位置的實例

車床主軸是傳遞力的重要零件,它承受一般載荷,軸頸處要求耐磨。一般車床主軸選用中碳結(jié)構(gòu)鋼(如45鋼)制造。熱處理技術(shù)條件為:整體調(diào)質(zhì)處理,硬度220~250HBS;軸頸及錐孔表面淬火,硬度50~52HRC。

1)主軸制造工藝過程

主軸制造工藝過程為:鍛造→正火→機加工(粗)→調(diào)質(zhì)→機加工(半精)→高頻感應(yīng)表面淬火+低溫回火→磨削。

2)主軸熱處理各工序的作用

(1)正火:作為預(yù)先熱處理,目的是消除鍛件內(nèi)應(yīng)力,細化晶粒,改善切削加工性。

(2)調(diào)質(zhì):獲得回火索氏體,使主軸整體具有較好的綜合力學(xué)性能,為表面淬火做好組織準備。

(3)高頻感應(yīng)表面淬火+低溫回火:作為最終熱處理。高頻感應(yīng)表面淬火是為了使軸頸及錐孔表面得到高的硬度、耐磨性和疲勞強度;低溫回火是為了消除應(yīng)力,防止磨削時產(chǎn)生裂紋,并保持高硬度和耐磨性。

2.熱處理工序位置確定的一般規(guī)律

1)預(yù)先熱處理工序位置的確定

預(yù)先熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)等。其工序位置一般安排在毛坯生產(chǎn)之后,切削加工之前,或粗加工之后,精加工之前。正火和退火的作用是消除熱加工毛坯的內(nèi)應(yīng)力、細化晶粒、調(diào)整組織、改善切削加工性,為后面的熱處理工序做好組織準備。調(diào)質(zhì)是為了提高零件的綜合力學(xué)性能,為最終熱處理做組織準備。對于一般性能要求不高的零件,調(diào)質(zhì)也可作為最終熱處理。

2)最終熱處理工序位置的確定

最終熱處理包括各種淬火+回火及化學(xué)熱處理。零件經(jīng)這類熱處理后硬度較高,除可以磨削加工外,一般不適應(yīng)其他切削加工,故其工序位置一般均安排在半精加工之后,磨削加工(精加工)之前。

在生產(chǎn)過程中,由于零件選用的毛坯和工藝過程不同,熱處理工序會有所增減,因此工序位置的安排必須根據(jù)具體情況靈活運用。例如,要求精度高的零件,在切削加工之后,為了消除加工引起的殘余應(yīng)力,以減小零件變形,在粗加工后可穿插去應(yīng)力退火。

2.4.3常見熱處理缺陷及其預(yù)防

在熱處理生產(chǎn)中,由于加熱過程控制不良、淬火操作不當或其他原因,會出現(xiàn)一些缺陷。有些缺陷是可以挽救的,有些嚴重缺陷將使零件報廢。因此,了解常見熱處理缺陷及其預(yù)防是很重要的。

1.鋼在加熱時出現(xiàn)的缺陷

(1)欠熱:又稱加熱不足。欠熱會在亞共析鋼淬火組織中出現(xiàn)鐵素體,造成硬度不足;在過共析鋼組織中會存在過多的未溶滲碳體。

(2)過熱:加熱溫度偏高而使奧氏體晶粒粗大,淬火后得到粗大的馬氏體,導(dǎo)致零件性能變脆。欠熱與不嚴重的過熱可通過退火或正火來矯正。

(3)過燒:加熱溫度過高,使鋼的晶界氧化或局部熔化,致使零件報廢。過燒是無法挽救的缺陷。

(4)氧化:鋼的表面在氧化性介質(zhì)中加熱時與氧原子形成氧化鐵的現(xiàn)象。氧化會使工件尺寸變小,表面變得粗糙并影響淬火時的冷卻速度,從而使工件硬度下降。

(5)脫碳:鋼表層的碳被氧化而導(dǎo)致表層的含碳量降低的現(xiàn)象。加熱溫度越高,工件的脫碳現(xiàn)象越嚴重。脫碳會造成鋼淬火后表層硬度不足,疲勞強度下降,并易造成表面淬火裂紋。

一般來說,工件在鹽浴爐中加熱可減輕鋼的氧化和脫碳。另外,可采用保護氣氛加熱、真空加熱及工件表面涂層保護的辦法來減小這類缺陷的發(fā)生。

2.鋼在淬火時易出現(xiàn)的缺陷

(1)淬火變形。淬火變形是零件在淬火時由于熱應(yīng)力與組織應(yīng)力的綜合作用引起的尺寸和形狀的偏差。

(2)淬火裂紋。淬火裂紋的產(chǎn)生原因主要為冷卻速度過快,另外零件結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等因素也會引起此類缺陷。淬火裂紋應(yīng)絕對避免,否則零件只能報廢。

防止變形與開裂的措施主要有:正確選材,對形狀復(fù)雜,要求變形小的精密零件,應(yīng)選用高淬透性鋼;合理進行零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計;選擇或制訂合理的淬火工藝,如淬火加熱盡量采用下限溫度,盡可能選擇冷卻緩慢的淬火介質(zhì)或采用雙介質(zhì)淬火等。

本章小結(jié)

(1)退火是將鋼加熱到適當溫度,保溫一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火主要用于鑄、鍛、焊毛坯或半成品零件,為預(yù)備熱處理。退火后獲得珠光體組織。退火的主要目的是:軟化鋼材以利于切削加工;消除內(nèi)應(yīng)力以防止工件變形;細化晶粒,改善組織,為零件的最終熱處理做好準備。根據(jù)鋼的成分和退火目的不同,常用的退火方法有完全退火、等溫退火、球化退火、均勻化退火、去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火等。

(2)將鋼加熱到Ac3或Ac1以上,保溫一定時間,冷卻后獲得馬氏體和(或)貝氏體組織的熱處理工藝稱為淬火。淬火是鋼的最經(jīng)濟、最有效的強化手段之一。常用的冷卻介質(zhì)有水、鹽或堿的水溶液和油等。常用的淬火方法有:單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火、貝氏體等溫淬火、局部淬火。

(3)回火是將淬火鋼加熱到Ac1以下某一溫度,保溫一定時間,然后冷卻至室溫的熱處理工藝?；鼗鹗谴慊鸬暮罄m(xù)工序,其主要目的是:減少或消除淬火應(yīng)力;防止工件變形與開裂;穩(wěn)定工件尺寸及獲得工件所需的組織和性能。實際生產(chǎn)中,根據(jù)鋼件的性能要求,按其回火溫度范圍,回火可以分為三類,即低溫回火(150~250℃)、中溫回火(350~500℃)、高溫回火(500~650℃)。

(4)表面熱處理是僅對工件表層進行熱處理以改變其組織和性能的工藝,其中最常用的是表面淬火。表面淬火是對鋼的表面快速加熱至淬火溫度,并立即冷卻,使表層獲得馬氏體強化的熱處理。表面淬火不改變鋼表層的成分,僅改變表層的組織,且心部組織不發(fā)生變化。

(5)滲碳是將工件置于富碳的介質(zhì)中,加熱到高溫(900~950℃),使碳原子滲入表層的過程。其目的是使增碳的表面層經(jīng)淬火和低溫回火后,獲得高的硬