金属热处理工艺知识大全(三大类、四把火)

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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。

一、热处理工艺之三大类

热处理是将金属材料放在一定的介质内加热、保温、冷却,通过改变材料表面或内部的晶相组织结构,来改变其性能的一种金属热加工工艺。

热处理工艺大体分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。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。

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,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。

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。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。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。

整体热处理分为正火,退火,淬火,回火,调质,稳定化处理,固溶处理,水韧处理,失效处理。其中正火、退火、淬火、回火称为热处理中的“四把火”。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理。化学热处理主要分为渗碳,渗氮,碳氮共渗等。

以下主要介绍整体热处理“四把火”的目的及应用范围。

二、整体热处理工艺之“四把火“

(1)正火

1)正火定义:正火又称为常化,是将工件加热至Ac3(Ac是指加热时自由铁素体全部转变为奥氏体的终了温度,一般是从727℃到912℃之间)或Acm(Acm是实际加热中过共析钢完全奥氏体化的临界温度线 )以上30~50℃,保温一段时间后,从炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。

2)正火的目的:①去除材料的内应力;②增加材料的硬度。

3)正火的主要应用范围有:①用于低碳钢;②用于中碳钢;③用于工具钢、轴承钢、渗碳钢等;④用于铸钢件;⑤用于大型锻件;⑥用于球墨铸铁。

(2)退火

1)退火定义:指的是将金属缓慢加热到一定温度,保持足够时间,然后以适宜速度冷却(通常是缓慢冷却,有时是控制冷却)。

2)退火的目的:①降低硬度,改善切削加工性;②消除残余应力,稳定尺寸,减少变形与裂纹倾向;③细化晶粒,调整组织,消除组织缺陷;④均匀材料组织和成分,改善材料性能或为以后热处理做组织准备。

3)退火的主要应用范围:①完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻轧件、焊件,以消除组织缺陷,使组织变细和变均匀,以提高钢件的塑性和韧性;②不完全退火主要用于中碳和高碳钢及低合金结构钢的锻轧件,使晶粒变细,同时也降低硬度,消除内应力,改善被切削性;③球化退火只应用于钢的中退火方法,其中中碳钢和高碳钢硬度低、被切削性好、冷形变能力大;④去应力退火主要适用于毛坯件及经过切削加工的零件,目的是为了消除毛坯和零件中的残余应力,稳定工件尺寸及形状,减少零件在切削加工和使用过程中的形变和裂纹倾向。

(3)淬火

1)淬火的定义:将金属工件加热到某一适当温度并保持一段时间,随即浸入淬冷介质中快速冷却的金属热处理工艺。常用的淬冷介质有盐水、水、矿物油、空气等。

2)淬火的目的:提高钢件的机械性能,诸如硬度、耐磨性、弹性极限、疲劳强度等;改善某些特殊钢的物理或者化学性能,如增强磁钢的铁磁性,提高不锈钢的耐蚀性等。

3)淬火的应用范围:广泛用于各种工、模、量具及要求表面耐磨的零件(如齿轮、轧辊、渗碳零件等)。机械中的重要零件,尤其在汽车、飞机、火箭中应用的钢件几乎都经过淬火处理。

(4)回火

1)回火的定义:回火一般紧接着淬火进行,将经过淬火的工件重新加热到低于下临界温度的适当温度,保温一段时间后在空气或水、油等介质中冷却的金属热处理工艺。

2)回火的目的:①消除工件淬火时产生的残留应力,防止变形和开裂;②调整工件的硬度、强度、塑性和韧性,达到使用性能要求;③稳定组织与尺寸,保证精度;④改善和提高加工性能。

3)回火的应用范围:回火分为低温回火,中温回火和高温回火,其中低温回火主要应用于刃具、量具、模具、滚动轴承、渗碳及表面淬火的零件等;中温回火主要应用于弹簧、锻模、冲击工具等;高温回火广泛用于各种较重要的受力结构件,如连杆、螺栓、齿轮及轴类零件等。

“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;在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁,提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。

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