金屬熱處理和淬火介紹

金屬熱處理及淬火介紹一、金屬熱處理金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度在不同的介質(zhì)中冷卻，通過改變金屬材料表面或內(nèi)部的顯微組織結(jié)構(gòu)來控制其性能的一種工藝。金屬熱處理是機(jī)械制造中的重要過程之一，與其他加工工藝相比，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，所以，它是機(jī)械制造中的特殊工藝過程，也是質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。為使金屬工件具有所需要的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能，除合理選用材料和各種成形工藝外，熱處理工藝往往是必不可少的。鋼鐵是機(jī)械工業(yè)中應(yīng)用最廣的材料，鋼鐵顯微組織復(fù)雜，可以通過熱處理予以控制，所以鋼鐵的熱處理是金屬熱處理的主要內(nèi)容。另外，鋁、銅、鎂、鈦等及其合金也都可以通過熱處理改變其力學(xué)、物理和化學(xué)性能，以獲得不同的使用性能。處理過程綜述熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進(jìn)而應(yīng)用液體和氣體燃料。電的應(yīng)用使加熱易于控制，且無環(huán)境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進(jìn)行間接加熱。金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發(fā)生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應(yīng)在可控氣氛或保護(hù)氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進(jìn)行保護(hù)加熱。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質(zhì)量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理目的不同而異，但一般都是加熱到某特性轉(zhuǎn)變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉(zhuǎn)變需要一定的時間，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內(nèi)外溫度一致，使顯微組織轉(zhuǎn)變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學(xué)熱處理的保溫時間往往較長。冷卻冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進(jìn)行淬硬。工藝介紹綜述金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業(yè)上應(yīng)用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復(fù)雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。工藝介紹整體熱處理是對工件整體加熱，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)，或者是使前道工序產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力得以釋放，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。正火或稱常化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)，常用于改善材料的切削性能，也有時用于對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、油或其他無機(jī)鹽溶液、有機(jī)水溶液等淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。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℃工藝結(jié)合“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)溫度下保持較長時間，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。表面熱處理是只加熱工件表層，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或瞬時達(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?；瘜W(xué)熱處理是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?；瘜W(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、氮或其他合金元素的介質(zhì)(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進(jìn)行其他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。大體來說，它可以保證和提高工件的各種性能，如耐磨、耐腐蝕等。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)過長時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，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，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。目前，隨著激光和等離子技術(shù)的日益成熟，利用這兩種技術(shù)，并在普通鋼工件表面涂敷一層其他耐磨、耐蝕或耐熱涂層，以改變原工件表面性能，這種新技術(shù)稱為表面改性。鋼的分類鋼是以鐵、碳為主要成分的合金，它的含碳量一般小于2.11%。鋼是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中極為重要的9.鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習(xí)慣上碳氮共滲又稱為氰化，目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應(yīng)用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。10.調(diào)質(zhì)處理quenchingandtempering：一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機(jī)械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200-350之間。11.釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝二、淬火

(qLlenching)定義：將鋼件加熱到奧氏體化溫度并保持一定時間，然后以大于臨界冷卻速度冷卻，以獲得非擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變組織，如馬氏體、貝氏體和奧氏體等的熱處理工藝。主要用作鋼鐵材料的強(qiáng)化、硬化處理，在有色金屬和非金屬材料也有應(yīng)用。鋼的淬火，加熱形成的高溫同素異構(gòu)相為奧氏體(見奧氏體化)，冷卻時獲得的低溫區(qū)非平衡相為馬氏體(見馬氏體轉(zhuǎn)變)或貝氏體(見貝氏體轉(zhuǎn)變)。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。淬火是鋼鐵材料強(qiáng)化的基本手段之一。鋼中馬氏體是鐵基固溶體組織中最硬的相(表1)，故鋼件淬火可以獲得高硬度、高強(qiáng)度。但是，馬氏體的脆性很大，加之淬火后鋼件內(nèi)部有較大的淬火內(nèi)應(yīng)力，因而不宜直接應(yīng)用，必須進(jìn)行回火。表1鋼中鐵基固溶體的顯微硬度值淬火工藝在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。機(jī)械中重要零件，尤其在汽車、飛機(jī)、火箭中應(yīng)用的鋼件幾乎都經(jīng)過淬火處理。為滿足各種零件干差萬別的技術(shù)要求，發(fā)展了各種淬火工藝。如，按接受處理的部位，有整體、局部淬火和表面淬火；按加熱時相變是否完全，有完全淬火和不完全淬火(對于亞共析鋼，該法又稱亞臨界淬火)；按冷卻時相變的內(nèi)容，有分級淬火，等溫淬火和欠速淬火等。淬火的目的是使過冷奧氏體進(jìn)行馬氏體或貝氏體轉(zhuǎn)變，得到馬氏體或下貝氏體組織，然后配合以不同溫度的回火，以大幅提高鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度以及韌性等，從而滿足各種機(jī)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鐵磁性、耐蝕性等特殊的物理、化學(xué)性能。工藝過程包括加熱、保溫、冷卻3個階段。下面以鋼的淬火為例，介紹上述三個階段工藝參數(shù)選擇的原則。圖1碳素鋼淬火溫度范圍示意圖加熱溫度以鋼的相變臨界點為依據(jù)，加熱時要形成細(xì)小、均勻奧氏體晶粒，淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織。碳素鋼的淬火加熱溫度范圍如圖1所示。由本圖示出的淬火溫度選擇原則也適用于大多數(shù)合金鋼，尤其低合金鋼。亞共析鋼加熱溫度為Ac3溫度以上30～50℃。從圖上看，高溫下鋼的狀態(tài)處在單相奧氏體(A)區(qū)內(nèi)，故稱為完全淬火。如亞共析鋼加熱溫度高于Ac1、低于Ac3溫度，則高溫下部分先共析鐵素體未完全轉(zhuǎn)變成奧氏體，即為不完全(或亞臨界)淬火。過共析鋼淬火溫度為Ac1溫度以上30～50℃，這溫度范圍處于奧氏體與滲碳體(A+C)雙相區(qū)。因而過共析鋼的正常的淬火仍屬不完全淬火，淬火后得到馬氏體基體上分布滲碳體的組織。這-組織狀態(tài)具有高硬度和高耐磨性。對于過共析鋼，若加熱溫度過高，先共析滲碳體溶解過多，甚至完全溶解，則奧氏體晶粒將發(fā)生長大，奧氏體碳含量也增加。淬火后，粗大馬氏體組織使鋼件淬火態(tài)微區(qū)內(nèi)應(yīng)力增加，微裂紋增多，零件的變形和開裂傾向增加；由于奧氏體碳濃度高，馬氏體點下降，殘留奧氏體量增加，使工件的硬度和耐磨性降低。常用鋼種淬火的溫度參見表2。表2常用鋼種淬火的加熱溫度實際生產(chǎn)中，加熱溫度的選擇要根據(jù)具體情況加以調(diào)整。如亞共析鋼中碳含量為下限，當(dāng)裝爐量較多，欲增加零件淬硬層深度等時可選用溫度上限；若工件形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格等要采用溫度下限。保溫時間

由設(shè)備加熱方式、零件尺寸、鋼的成分、裝爐量和設(shè)備功率等多種因素確定。對整體淬火而言，保溫的目的是使工件內(nèi)部溫度均勻趨于一致。對各類淬火，其保溫時間最終取決于在要求淬火的區(qū)域獲得良好的淬火加熱組織。加熱與保溫是影響淬火質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，奧氏體化獲得的組織狀態(tài)直接影響淬火后的性能。-般鋼件奧氏體晶?？刂圃?～8級。冷卻方法要使鋼中高溫相——奧氏體在冷卻過程中轉(zhuǎn)變成低溫亞穩(wěn)相——馬氏體，冷卻速度必須大于鋼的臨界冷卻速度。工件在冷卻過程中，表面與心部的冷卻速度有-定差異，如果這種差異足夠大，則可能造成大于臨界冷卻速度部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，而小于臨界冷卻速度的心部不能轉(zhuǎn)變成馬氏體的情況。為保證整個截面上都轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體需要選用冷卻能力足夠強(qiáng)的淬火介質(zhì)，以保證工件心部有足夠高的冷卻速度。但是冷卻速度大，工件內(nèi)部由于熱脹冷縮不均勻造成內(nèi)應(yīng)力，可能使工件變形或開裂。因而要考慮上述兩種矛盾因素，合理選擇淬火介質(zhì)和冷卻方式。冷卻階段不僅零件獲得合理的組織，達(dá)到所需要的性能，而且要保持零件的尺寸和形狀精度，是淬火工藝過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。分類

可按冷卻方式分為單液淬火、雙液淬火、分級淬火和等溫淬火等。冷卻方式的選擇要根據(jù)鋼種、零件形狀和技術(shù)要求諸因素。單液淬火將工件加熱后使用單一介質(zhì)冷卻，最常使用的有水和油兩種，其變、溫曲線如圖2中的曲線1。為防止工件過大的變形和開裂，工件不宜在介質(zhì)中冷至室溫，可在200～300℃出水或油，在空氣中冷卻。單液淬火操作簡單易行，廣泛用于形狀簡單的工件。有時將工件加熱后，先在空氣中停留-段時間，再淬入淬火介質(zhì)中，以減少淬冷過程中工件內(nèi)部的溫差，降低工件變形與開裂的傾向，稱為預(yù)冷淬火。圖2

各種淬火冷卻的變溫曲線示意圖曲線1-單液淬火；曲線2-雙液淬火；曲線3-分級淬火；曲線4-等溫淬火雙液淬火

工件加熱后，先淬入水或其他冷卻能力強(qiáng)的介質(zhì)中冷卻至400℃左右，迅速轉(zhuǎn)入油或其他冷卻能力較弱的介質(zhì)中冷卻。變溫曲線如圖2中曲線2。所謂“水淬油冷”分級淬火工件加熱后，淬入溫度處于馬氏體點(ms)附近的介質(zhì)(可用熔融硝鹽、堿或熱油)中，停留一段時間，然后取出空冷。變溫曲線如圖2中曲線3。分級溫度應(yīng)選擇在該鋼種過冷奧氏體的穩(wěn)定區(qū)域，以保證分級停留過程中不發(fā)生相變。對于具有中間穩(wěn)定區(qū)(“兩個鼻子”)型TTT曲線的某些高合金鋼，分級溫度也可選在中溫(400～600℃)區(qū)。分級的目的是使工件內(nèi)部溫度趨于一致，減少在后續(xù)冷卻過程中的內(nèi)應(yīng)力及變形和開裂傾向。此工藝適用于形狀復(fù)雜，變形要求嚴(yán)格的合金鋼件。高速鋼制造的工具淬火多用此工藝。等溫淬火工件加