<html>

  <head>

    <meta name="baidu-site-verification" content="FRmHWFq2EV" />

    <title>My title</title>

  </head>

  <body>

    page contents

  </body>

</html>

    不銹鋼無縫管需要退火、正火、淬火、回火哪個工藝?

    分享到:
    點擊次數:343 更新時間:2022年03月28日09:55:50 打印此頁 關閉

    不銹鋼無縫管需要退火、正火、淬火、回火哪個工藝?今天不銹鋼管小編就來全部分析下,其實不銹鋼管主要還是用退火工藝的。20220328100815_17766.jpg

    金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度,并在此溫度中保持一定時間后,又以不同速度冷卻的一種工藝方法。
        金屬熱處理是機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成分,而是通過改變工件內部的顯微組織,或改變工件表面的化學成分,賦予或改善工件的使用性能。其特點是改善工件的內在質量,而這一般不是肉眼所能看到的。
        為使金屬工件具有所需要的力學性能、物理性能和化學性能,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。鋼鐵是機械工業中應用最廣的材料,鋼鐵顯微組織復雜,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、物理和化學性能,以獲得不同的使用性能。
        在從石器時代進展到銅器時代和鐵器時代的過程中,熱處理的作用逐漸為人們所認識。早在公元前770~前222年,中國人在生產實踐中就已發現,銅鐵的性能會因溫度和加壓變形的影響而變化。白口鑄鐵的柔化處理就是制造農具的重要工藝。
        公元前六世紀,鋼鐵兵器逐漸被采用,為了提高鋼的硬度,淬火工藝遂得到迅速發展。中國河北省易縣燕下都出土的兩把劍和一把戟,其顯微組織中都有馬氏體存在,說明是經過淬火的。
        隨著淬火技術的發展,人們逐漸發現冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陜西斜谷為諸葛亮打制3000把刀,相傳是派人到成都取水淬火的。這說明中國在古代就注意到不同水質的冷卻能力了,同時也注意了油和尿的冷卻能力。中國出土的西漢(公元前206~公元24)中山靖王墓中的寶劍,心部含碳量為0.150.4%,而表面含碳量卻達0.6%以上,說明已應用了滲碳工藝。但當時作為個人手藝的秘密,不肯外傳,因而發展很慢。
        1863年,英國金相學家和地質學家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織,證明了鋼在加熱和冷卻時,內部會發生組織改變,鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構理論,以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖,為現代熱處理工藝初步奠定了理論基礎。與此同時,人們還研究了在金屬熱處理的加熱過程中對金屬的保護方法,以避免加熱過程中金屬的氧化和脫碳等。
        18501880年,對于應用各種氣體(如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。18891890年英國人萊克獲得多種金屬光亮熱處理的專利。
        二十世紀以來,金屬物理的發展和其它新技術的移植應用,使金屬熱處理工藝得到更大發展。一個顯著的進展是19011925年,在工業生產中應用轉筒爐進行氣體滲碳 ;30年代出現露點電位差計,使爐內氣氛的碳勢達到可控,以后又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐內氣氛碳勢的方法;60年代,熱處理技術運用了等離子場的作用,發展了離子滲氮、滲碳工藝;激光、電子束技術的應用,又使金屬獲得了新的表面熱處理和化學熱處理方法。

    金屬熱處理的工藝
        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。
        加熱是熱處理的重要步驟之一。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,進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制,且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱,也可以通過熔融的鹽或金屬,以至浮動粒子進行間接加熱。
        金屬加熱時,工件暴露在空氣中,常常發生氧化、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。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱,也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。
        加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一,選擇和控制加熱溫度 ,是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異,但一般都是加熱到相變溫度以上,以獲得需要的組織。另外轉變需要一定的時間,因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時,還須在此溫度保持一定時間,使內外溫度一致,使顯微組織轉變完全,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或保溫時間很短,而化學熱處理的保溫時間往往較長
        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行淬硬。
        金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理、局部熱處理和化學熱處理等。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同,每一大類又可區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。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬,而且鋼鐵顯微組織也最為復雜,因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。
        整體熱處理是對工件整體加熱,然后以適當的速度冷卻,以改變其整體力學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。
        退火將工件加熱到適當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然后進行緩慢冷卻(冷卻速度最慢)目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態,獲得良好的工藝性能和使用性能或者為進一步淬火作組織準備

    正火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,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。 
        淬火將工件加熱保溫后,在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質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710的某一適當溫度進行長時間的保溫,再進行冷卻,這種工藝稱為回火。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系密切,常常配合使用,缺一不可。
        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 。為了獲得一定的強度和韌性,把淬火和高溫回火結合起來的工藝,稱為調質。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溫度下保持較長時間,以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。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合起來進行,使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理;在負壓氣氛或真空中進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,還可以通入滲劑進行化學熱處理。
        表面熱處理是只加熱工件表層,以改變其表層力學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到高溫。表面熱處理的主要方法,有激光熱處理、火焰淬火和感應加熱熱處理,常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

        化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學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成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(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,有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬、復合滲等。
        熱處理是機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力狀態,以利于進行各種冷、熱加工。
    例如白口鑄鐵經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過熱處理方可使用。

    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% 。鋼是經濟建設中極為重要的金屬材料。鋼按化學成分分為碳素鋼(簡稱碳鋼)與合金鋼兩大類。碳鋼是由生鐵冶煉獲得的合金,除鐵、碳為其主要成分外,還含有少量的錳、硅、硫、磷等雜質。碳鋼具有一定的機械性能,又有良好的工藝性能,且價格低廉。因此,碳鋼獲得了廣泛的應用。但隨著現代工業與科學技術的迅速發展,碳鋼的性能已不能完全滿足需要,于是人們研制了各種合金鋼。合金鋼是在碳鋼基礎上,有目的地加入某些元素(稱為合金元素)而得到的多元合金。與碳鋼比,合金鋼的性能有顯著的提高,故應用日益廣泛。
        由于鋼材品種繁多,為了便于生產、保管、選用與研究,必須對鋼材加以分類。按鋼材的用途、化學成分、質量的不同,可將鋼分為許多類:
    (一). 按用途分類
    按鋼材的用途可分為結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。
    1.結構鋼:
    1.用作各種機器零件的鋼。它包括滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼及滾動軸承鋼。
    2).用作工程結構的鋼。它包括碳素鋼中的甲、乙、特類鋼及普通低合金鋼。
    2.工具鋼:用來制造各種工具的鋼。根據工具用途不同可分為刃具鋼、模具鋼與量具鋼。
    3.特殊性能鋼:是具有特殊物理化學性能的鋼。可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。
    (二). 按化學成分分類
    按鋼材的化學成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。
    碳素鋼:按含碳量又可分為低碳鋼(含碳量≤0.25%);中碳鋼(0.25%<含碳量<0.6%);高碳鋼(含碳量≥0.6%)。
    合金鋼:按合金元素含量又可分為低合金鋼(合金元素總含量≤5%);中合金鋼(合金元素總含量=5%--10%);高合金鋼(合金元素總含量>10%)。此外,根據鋼中所含主要合金元素種類不同,也可分為錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。
    (三). 按質量分類
    按鋼材中有害雜質磷、硫的含量可分為普通鋼(含磷量≤0.045%、含硫量≤0.055%;或磷、硫含量均≤0.050%);優質鋼(磷、硫含量含硫量≤0.030%)。
    此外,還有按冶煉爐的種類,將鋼分為平爐鋼(酸性平爐、堿性平爐),空氣轉爐鋼(酸性轉爐、堿性轉爐、氧氣頂吹轉爐鋼)與電爐鋼。按冶煉時脫氧程度,將鋼分為沸騰鋼(脫氧不完全),鎮靜鋼(脫氧比較完全)及半鎮靜鋼。
    鋼廠在給鋼的產品命名時,往往將用途、成分、質量這三種分類方法結合起來。如將鋼稱為普通碳素結構鋼、優質碳素結構鋼、碳素工具鋼、高級優質碳素工具鋼、合金結構鋼、合金工具鋼等。均≤0.040%);高級優質鋼(含磷量≤0.035%

    金屬材料的機械性能
    金屬材料的性能一般分為工藝性能和使用性能兩類。所謂工藝性能是指機械零件在加工制造過程中,金屬材料在所定的冷、熱加工條件下表現出來的性能。金屬材料工藝性能的好壞,決定了它在制造過程中加工成形的適應能力。由于加工條件不同,要求的工藝性能也就不同,如鑄造性能、可焊性、可鍛性、熱處理性能、切削加工性等。所謂使用性能是指機械零件在使用條件下,金屬材料表現出來的性能,它包括機械性能、物理性能、化學性能等。金屬材料使用性能的好壞,決定了它的使用范圍與使用壽命。
    在機械制造業中,一般機械零件都是在常溫、常壓和非強烈腐蝕性介質中使用的,且在使用過程中各機械零件都將承受不同載荷的作用。金屬材料在載荷作用下抵抗破壞的性能,稱為機械性能(或稱為力學性能)。金屬材料的機械性能是零件的設計和選材時的主要依據。外加載荷性質不同(例如拉伸、壓縮、扭轉、沖擊、循環載荷等),對金屬材料要求的機械性能也將不同。常用的機械性能包括:強度、塑性、硬度、韌性、多次沖擊抗力和疲勞極限等。下面將分別討論各種機械性能。
    1. 強度
    強度是指金屬材料在靜荷作用下抵抗破壞(過量塑性變形或斷裂)的性能。由于載荷的作用方式有拉伸、壓縮、彎曲、剪切等形式,所以強度也分為抗拉強度抗壓強度、抗彎強度、抗剪強度等。各種強度間常有一定的聯系,使用中一般較多以抗拉強度作為最基本的強度指標。
    2. 塑性
    塑性是指金屬材料在載荷作用下,產生塑性變形(永久變形)而不破壞的能力。
    3. 硬度
    硬度是衡量金屬材料軟硬程度的指標。目前生產中測定硬度方法最常用的是壓入硬度法,它是用一定幾何形狀的壓頭在一定載荷下壓入被測試的金屬材料表面,根據被壓入程度來測定其硬度值。
    常用的方法有布氏硬度(HB、洛氏硬度(HRAHRBHRC)和維氏硬度(HV)等方法。
    4. 疲勞
    前面所討論的強度、塑性、硬度都是金屬在靜載荷作用下的機械性能指標。實際上,許多機器零件都是在循環載荷下工作的,在這種條件下零件會產生疲勞。
    5. 沖擊韌性
    以很大速度作用于機件上的載荷稱為沖擊載荷,金屬在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力叫做沖擊韌性。
    退火--淬火--回火
    ().退火的種類
    1. 完全退火和等溫退火
    完全退火又稱重結晶退火,一般簡稱為退火,這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄,鍛件及熱軋型材,有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重要工件的最終熱處理,或作為某些工件的預先熱處理。
    2. 球化退火
    球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼(如制造刃具,量具,模具所用的鋼種)。其主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并為以后淬火作好準備。
    3. 去應力退火
    去應力退火又稱低溫退火(或高溫回火),這種退火主要用來消除鑄件,鍛件,焊接件,熱軋件,冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除,將會引起鋼件在一定時間以后,或在隨后的切削加工過程中產生變形或裂紋。
    ().淬火
    為了提高硬度采取的方法,主要形式是通過加熱、保溫、速冷。最常用的冷卻介質是鹽水,水和油。鹽水淬火的工件,容易得到高的硬度和光潔的表面,不容易產生淬不硬的軟點但卻易使工件變形嚴重,甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。 
    ().回火
    1. 降低脆性,消除或減少內應力,鋼件淬火后存在很大內應力和脆性,如不及時回火往往會使鋼件發生變形甚至開裂。
    2. 獲得工件所要求的機械性能,工件經淬火后硬度高而脆性大,為了滿足各種工件的不同性能的要求,可以通過適當回火的配合來調整硬度,減小脆性,得到所需要的韌性,塑性。
    3. 穩定工件尺寸
    4. 對于退火難以軟化的某些合金鋼,在淬火(或正火)后常采用高溫回火,使鋼中碳化物適當聚集,將硬度降低,以利切削加工。


    常用爐型的選擇
    爐型應依據不同的工藝要求及工件的類型來決定
    1.對于不能成批定型生產的,工件大小不相等的,種類較多的,要求工藝上具有通用性、
    多用性的,可選用箱式爐。
    2.加熱長軸類及長的絲桿,管子等工件時,可選用深井式電爐。
    3.小批量的滲碳零件,可選用井式氣體滲碳爐。
    4.對于大批量的汽車、拖拉機齒輪等零件的生產可選連續式滲碳生產線或箱式多用爐。
    5.對沖壓件板材坯料的加熱大批量生產時,最好選用滾動爐,輥底爐。
    6.對成批的定型零件,生產上可選用推桿式或傳送帶式電阻爐(推桿爐或鑄帶爐)
    7.小型機械零件如:螺釘,螺母等可選用振底式爐或網帶式爐。
    8.鋼球及滾柱熱處理可選用內螺旋的回轉管爐。
    9.有色金屬錠坯在大批量生產時可用推桿式爐,而對有色金屬小零件及材料可用空氣循環加熱爐。

     

    七、表面處理資料

    1)鋼結構的防火處理

    鋼材是一種不會燃燒的建筑材料,它具有抗震、抗彎等特性。在實際應用中,鋼材既可以相對增加建筑物的荷載能力,也可以滿足建筑設計美感造型的需要,還避免了混凝土等建筑材料不能彎曲、拉伸的缺陷,因此鋼材受到了建筑行業的青睞,單層、多層、摩天大樓,廠房、庫房、候車室、候機廳等采用鋼材都很普遍。但是,鋼材作為建筑材料在防火方面又存在一些難以避免的缺陷,它的機械性能,如屈服點、抗拉及彈性模量等均會因溫度的升高而急劇下降。   
        鋼結構通常在450650溫度中就會失去承載能力,發生很大的形變,導致鋼柱、鋼梁彎曲,結果因過大的形變而不能繼續使用,一般不加保護的鋼結構的耐火極限為15分鐘左右。這一時間的長短還與構件吸熱的速度有關。   
      要使鋼結構材料在實際應用中克服防火方面的不足,必須進行防火處理,其目的就是將鋼結構的耐火極限提高到設計規范規定的極限范圍。防止鋼結構在火災中迅速升溫發生形變塌落,其措施是多種多樣的,關鍵是要根據不同情況采取不同方法,如采用絕熱、耐火材料阻隔火焰直接灼燒鋼結構,降低熱量傳遞的速度推遲鋼結構溫升、強度變弱的時間等。但無論采取何種方法,其原理是一致的。下面介紹幾種不同鋼結構的防火保護措施。   

      一、外包層。就是在鋼結構外表添加外包層,可以現澆成型,也可以采用噴涂法。現澆成型的實體混凝土外包層通常用鋼絲網或鋼筋來加強,以限制收縮裂縫,并保證外殼的強度。噴涂法可以在施工現場對鋼結構表面涂抹砂泵以形成保護層,砂泵可以是石灰水泥或是石膏砂漿,也可以摻入珍珠巖或石棉。同時外包層也可以用珍珠巖、石棉、石膏或石棉水泥、輕混凝土做成預制板,采用膠粘劑、釘子、螺栓固定在鋼結構上。   
      二、充水(水套)。空心型鋼結構內充水是抵御火災最有效的防護措施。這種方法能使鋼結構在火災中保持較低的溫度,水在鋼結構內循環,吸收材料本身受熱的熱量。受熱的水經冷卻后可以進行再循環,或由管道引入涼水來取代受熱的水。   
      三、屏蔽。鋼結構設置在耐火材料組成的墻體或頂棚內,或將構件包藏在兩片墻之間的空隙里,只要增加少許耐火材料或不增加即能達到防火的目的。這是一種最為經濟的防火方法。         
          四、膨脹材料。采用鋼結構防火涂料保護構件,這種方法具有防火隔熱性能好、施工不受鋼結構幾何形體限制等優點,一般不需要添加輔助設施,且涂層質量輕,還有一定的美觀裝飾作用,屬于現代的先進防火技術措施。   
      目前,高層鋼結構建筑日趨增多,尤其是一些超高層建筑,采用鋼結構材料更為廣泛。高層建筑一旦發生火災事故,火不是在短時間內就能撲滅的,這就要求我們在建筑設計時,加大對建筑材料的防火保護,以增強其耐火極限,并在建筑內部制訂必要的應急方案,以減少人員傷亡和財產損失。

    2)常用火焰噴涂塑料材料及性能

    塑料種類很多,根據塑料受熱的性能,可分為熱塑性塑料及熱固性塑料兩大類。火焰噴涂用塑料粉末一般由塑料原料加上改性材料制成,這些改性材料,包括各種填料、顏料、流平劑、增韌劑等。通過改性,使塑料粉末容易進行火焰噴涂。使制成的涂層具有所要求的顏色和各種性能。
    熱塑性塑料的特點是可隨溫度上升而變軟或熔化,冷卻后則凝固成型變硬,這個過程為可逆過程可反復進行多次,通常熱塑性塑料,具有優良的抗化學性、韌性和彎曲性能,火焰噴涂常用的熱塑性塑料主要有聚乙烯、尼龍、聚丙烯、聚苯硫醚、氯化聚醚、EVA等,其中以聚乙烯、尼龍應用最多最廣
    熱固性塑料的特點是用某些較低聚合度的予聚體樹脂,在一定溫度下或加入固化劑條件下,固化成不能再次熔化或熔融的,質地堅硬的最終產物,溫度再升高,產品只能分解,不能再軟化。熱固性塑料分子量較低,所以具有較好的流平性、潤濕性;因而能很好地粘附在工件表面,并具有較好的裝飾性能。火焰噴涂常用的熱固性塑料粉末有環氧、環氧/聚酯及聚酯粉末等。
    1、聚乙烯(PE
    聚乙烯為白色透明物質,外觀似石蠟,可著色,可彎曲,稍具延伸性。
    聚乙烯是乙烯的高分子聚合物,因生產方法不同,產品分為高密度 HDPE(低壓0.9411~0.965)。中密度MDPE(中壓0.926~0.940)低密度LDPE(高壓 0.910~0.025)。三者性質相似,但高密度聚乙烯在無負載和短期內耐溫較高些(HDPE為100℃,LDPE為 75℃),高密度聚乙烯最高使用溫度為70℃,低密度聚乙烯為60℃,聚乙烯最低使用溫度為-70℃。
    通常,聚乙烯隨密度增加,抗張強度、硬度、耐熱性均增高。
    聚乙烯有優良的耐蝕性,對非氧化性酸(如鹽酸、稀硫酸、氫氟酸)、稀硝酸、堿、油(冷)和鹽溶液都有良好的耐蝕性,能耐極性有機物(醇、酮)、水。在室溫下耐一般溶劑,但在 60℃以上溶于芳烴、氯化溶劑及熔蠟中,有些溶劑能使其溶脹。 

    聚乙烯不耐濃硝酸、濃硫酸和其它強氧化劑的腐蝕。
    聚乙烯粉末涂層的物理化學性能如表 1。

    1聚乙烯粉末涂層的物理化學性能

    注:試驗采用 1.5m鋼板,涂后在30~35℃條件下、酸堿浸漬10d溶劑油類分別浸漬30d和100d后測試。

    聚乙烯粉末涂層與其它涂層性能比較見表 2

    2聚乙烯等其它品種粉末涂層的性能比較

    2、尼龍(聚酰胺)

    尼龍是一種應用很廣的熱塑性塑料,最高應用溫度為 80~120℃,最低使用溫度為-50~-60℃。
    尼龍具有良好的耐蝕性,十分耐堿和大多數鹽水、稀酸。但不耐強酸和氧化性酸的腐蝕。對烴、酮、酯、油類抗蝕能力良好,不耐酚和甲酸的腐蝕。
    尼龍強度高,堅韌、耐磨損,有潤滑作用,所以常用作耐磨涂層,如:印刷機械中的鋼制墨輥、車床導軌、潤滑涂層如軸承等。
    尼龍對生物侵蝕是惰性的,無毒,受細菌作用,可作食品和牛奶等容器表面涂層。
    火焰噴涂常用的尼龍粉末有尼龍 11、尼龍12、尼龍1010及一些二元、三元共聚尼龍,尼龍層與金屬附著力好

    續表 4 尼龍11涂層的耐化學品性能

    3、聚丙烯
    聚丙烯是丙烯的高分子量聚合物,外觀似聚乙烯但比聚乙烯更輕更透明。聚丙烯密度低(0.90)耐蝕性和聚乙烯相似,且較低,應用溫度范圍為-14~+120℃。除濃硝酸,發煙硫酸、氯磺酸等強氧化性酸外,能耐大多數的有機和無機酸、堿和鹽,對應力腐蝕破裂的抗蝕性良好。80℃以下能耐有機溶劑,但能被某些強有機溶劑破壞。
    聚丙烯強度高于聚乙烯,軟化點較高(180℃)。硬度接近尼龍,剛性好,常溫下耐沖擊性能良好。耐溫性高,在低應力下可長期使用于110~120℃。

    4、聚苯硫醚(PPS)
    聚苯硫醚通常指對苯基硫的聚合物。交聯前是一種線型結構,呈熱塑性,是一類具有支鏈、無結晶熔點、高粘度聚合物、交聯后呈熱固性,若予以充分加熱,卻還能軟化到一定程度,因此并非真正熱固性塑料。
    聚苯硫醚密度1.36,熔點288℃,是一種硬而脆、熱穩定性優良的熱塑性塑料,同時它具有優良的電絕緣性和粘結性,適當的強度,應用溫度范圍為-148~+250℃。
    聚苯硫醚的化學惰性及耐高溫性使它成為良好的耐腐蝕涂層。

    聚苯硫醚防腐涂層可耐170℃下的各種溶劑,200℃下的各種酸堿、鹽和化學藥品,但易受鹵素和氧化性介質,如游離氯、溴、硝酸、過氧化氫等腐蝕。聚苯硫醚的熔區寬300~420℃,故有良好的流動性,且無毒、不燃。與金屬的粘接力強,因此是一種良好的耐腐蝕涂層。

    5、氯化聚醚
    氯化聚醚是線型、高結晶度的熱塑性塑料,具有較高的熔點(180℃),優良的耐熱、耐腐蝕性能以及良好的機械性能和電性能。抗沖擊強度高,耐磨性和尺寸穩定性優良,吸水性小。應用溫度范圍為-30~+120℃。
    氯化聚醚的耐蝕性僅次于聚四氟乙烯,可與聚三氟氯乙烯媲美,除強氧化性酸如濃硫酸、濃硝酸外,能耐各類酸、堿、鹽及大多數有機溶劑的腐蝕,不耐液氯、氟、溴的腐蝕。
    氯化聚醚的導熱系數低于大多數耐腐蝕熱塑性塑料,適宜作絕熱材料。

    6EVA(乙烯—醋酸乙烯酯共聚物)
    EVA是乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物,是一種具有橡皮似彈性的熱塑性塑料。EVA的性能與醋酸乙烯酯(VA)的含量有很大的關系,VA越少,越像低密度聚乙烯,而VA越多越像橡皮。EVA在較廣的溫度范圍(-45~70℃)質堅韌,加入填料能使剛性和硬度提高。填料增多,對其主要性能影響不大,耐紫外光及臭氧。
    EVA熔點低,(80~100℃)密度0.93~0.95。施工方便,化學物理性能良好,耐稀酸、濃堿、不耐濃酸,50℃以上能溶于芳烴及氯化溶劑中。耐候性優于聚乙烯。EVA還有良好的抗霉菌生長的特性,可作食品容器防護涂層。

    7、氟塑料

    氟塑料是各種含氟塑料的總稱,由含氟單體如四氟乙稀,六氟丙烯,三氟氯乙烯,偏氟乙烯,氟乙烯及乙烯等單體通過均聚或共聚反應制得,按數量及用途來說,以聚四氟乙烯(F4)最為重要。其它還有聚三氟氯乙烯(F3),聚全氟代乙丙烯(F46)等。
    氟塑料具有優良的電絕緣性能,摩擦系數極低,與其它物質親和力最小,具有優良的不粘性。尤其是其化學性能優異,熱穩定性能好。如F4,除了金屬鈉、氟元素及其化合物對它有侵蝕作用外,其他諸如強酸、強堿、油脂、去污劑及有機溶劑等化學藥品均對它不起作用,使用溫度范圍為-200~+260℃。為抗蝕性最好的塑料。
    氟塑料本身無毒,但遇熱分解時,則產生劇毒,所以應特別注意。

    8、環氧粉末涂料

    環氧樹脂是環氧基的高分子聚合物的通稱,未固化前它屬于熱塑性樹脂,加入固化劑后能發生一系列交聯反應,形成具有附著力極佳,堅韌度和抗化學性能均好的熱固性樹脂,環氧樹脂能耐一般溶劑,耐稀酸、稀堿、強堿,不耐強氧化劑如硝酸、濃硫酸等的腐蝕,耐水性非常好,最高使用溫度為90~100℃(一般型)、150℃(耐熱型)。
    在熱固性粉末涂料中,環氧粉末涂料是首先應用的一個品種,也是粉末涂料中,銷售量占首位的品種。
    環氧粉末涂料有有光、半光、無光環氧粉末涂料(普通型)和防腐型環氧粉末涂料之分。普通環氧粉末密度1.5~1.8、熔點85~95℃。

    9、環氧/聚酯粉末涂料

    環氧/聚酯粉末是由環氧、聚酯為主要原料的熱固性粉末涂料。它比環氧粉末具有更好的裝飾性、耐候性。
    環氧/聚酯粉末密度1.4~1.8、熔點85℃~95℃。

     

    3)復合熱處理對CrWMn鋼組織的影響

    內容摘要:摘要:研究了CrWMn鋼經復合熱處理后的組織變化。結果表明,采用790℃/680℃循環球化退火可代替常規等溫球化退火,并能縮短球化退火周期,節約能源。采用高溫固溶處理加790℃/680℃循環球化退火,可獲得高彌散度碳化物,使CrWnMn鋼的最終組織得到改善,強韌性明顯提高。復合熱處理。

    摘 要:研究了CrWMn鋼經復合熱處理后的組織變化。結果表明,采用790℃/680℃循環球化退火可代替常規等溫球化退火,并能縮短球化退火周期,節約能源。采用高溫固溶處理加790℃/680℃循環球化退火,可獲得高彌散度碳化物,使CrWnMn鋼的最終組織得到改善,強韌性明顯提高。
    關鍵詞:CrWMn鋼;復合熱處理;球化退火;顯微組織

    1 前言
    CrWMn鋼可用于制造各種形狀復雜的冷擠壓模和沖裁模,具有較高的淬透性,淬火和低溫回火后具有較高的硬度和耐磨性。但經常規熱處理后此鋼易形成網狀碳化物,在模具的受力部位形成開裂和剝落。模具的失效主要是由磨損、強度和韌性不足而造成的。本文擬通過適當的復合熱處理來改善CrWMn鋼的組織,提高其強度和韌性,以獲得較好的綜合性能。
    2 試驗過程
    試驗用CrWMn鋼為40mm棒材,為淬火+低溫回火態,硬度58HRC。其主要化學成分見表1。

    1 CrWMn鋼的主要化學成分(質量分數) w(%)
    元素CCrWMnSi 含量0.90~
    1.050.90~
    1.201.20~
    1.600.8~
    1.100.15~
    0.35

    CrWMn鋼的復合熱處理分為兩個步驟,一是預處理,二是淬火+低溫回火。預處理工藝見圖1。


    1 CrWMn鋼預處理工藝
    (a) 常規退火(b) 等溫球化退火
    (c) 循環球化退火(d) 高溫固溶+循環球化退火

    CrWMn鋼經不同工藝預處理后,選擇組織形態、分布較好的試樣,在不同溫度條件下進行淬火+低溫回火的最終熱處理,觀察其組織形態與分布,測定硬度變化。最終熱處理工藝見圖2。


    2 CrWMn鋼淬火+回火工藝

    3 試驗結果及分析

    3為CrWMn鋼經不同預處理工藝處理后的顯微組織照片,CrWMn鋼經常規退火后的硬度為180~190HB,經圖1所示熱處理工藝處理后為180~200HB。


    3 CrWMn鋼預處理后組織
    (a) 常規退火(b)等溫球化退火(c) 循環球化退火(d) 固溶+循環球化退火

    由圖3可看出,經常規退火處理后的CrWMn鋼組織中碳化物呈片狀分布;經810℃等溫球化退火處理后,碳化物呈不規則的顆粒狀分布在鐵素體基體上,分布不均勻;經790℃/680℃3次循環球化退火處理后,顆粒狀碳化物尺寸變小,分布較為均勻;經1050℃固溶加790℃/680℃3次循環球化退火處理后,碳化物呈細小顆粒狀析出且彌散程度高。

    從工藝上看,在獲得相同硬度情況下,用790℃/680℃3次循環球化退火,不僅可代替830℃等溫球化退火,而且能改善組織中碳化物的形態和分布、縮短球化退火時間,節約能源。這是因為循環球化退火在Ac1(750℃)以上加熱保溫過程中,片狀珠光體中的碳化物從尖角處溶解破斷,而在Ar1(710℃)以下保溫過程中,在原片狀碳化物的平面處析出顆粒狀碳化物,從而加速了CrWMn鋼球化過程的進行,改善了碳化物的形態和分布。在1050℃高溫條件下,CrWMn鋼中大量難溶的W、Cr等合金元素的碳化物溶入奧氏體中,經油淬后得到馬氏體或下貝氏體組織,在隨后進行的790℃/680℃循環球化退火過程中,則會彌散地析出點狀的W、Cr的碳化物。

    因此,對于一般要求的CrWMn鋼,采用790℃/680℃3次循環球化退火工藝,既可滿足組織和硬度的要求,又能提高生產率,降低能耗;而對要求較高的可選用1050℃高溫固溶加790℃/680℃3次循環球化退火的預處理工藝。

    4為經1050℃固溶加790℃/680℃3次循環球化退火處理后,經不同溫度油淬低溫回火后的CrWMn鋼的顯微組織。


    4 CrWMn鋼不同溫度淬火+低溫回火后組織
    (a) 790℃淬火+200℃回火(b) 830℃淬火+200℃回火(c) 870℃淬火+200℃回火(d) 900℃淬火+200℃回火

    結論

    (1) 對CrWMn鋼采用790℃/680℃ 3次循環球化替代常規退火、等溫球化退火,不僅可以改善其組織狀態和性能,而且還可以提高熱處理生產率,降低能耗。
    (2) 1050℃固溶加790℃/680℃ 3次循環球化退火,可進一步改善CrWMn鋼的組織狀態分布,提高其性能。
    (3) 經1050℃固溶加790℃/680℃ 3次循環球化退火處理后,再經830℃油淬200℃回火處理,CrWMn鋼組織均勻而細小,碳化物彌散程度高,其耐磨性和綜合性能好。■

    作者簡介:陳文華(1963—),男,碩士,講師。主要研究方向為金屬表面改性及金屬材料焊接。聯系電話:025-4892912(O)
    作者單位:陳文華(南京航空航天大學,南京210016)

    參考文獻:
    1]蔣修治譯.模具鋼熱處理[J].模具技術,1994(1).
    2]蔡 繤等.低溫快速球化處理[J].金屬熱處理,1992(4):8~11.
    3]滿 波.高碳鋼和軸承鋼的周期球化退火工藝[J].金屬熱處理,1993(6):43~44.

    八、淬火介紹

    1)鋼的淬火
    淬火時將鋼加熱到Ac3Ac1以上,保溫一定時間使其奧氏體化,再以大于臨界冷卻速度快速冷卻,從而發生馬氏體轉變的熱處理工藝。淬火鋼得到的組織主要是馬氏體(或下貝氏體),此外,還有少量殘余奧氏體及未溶的第二相。淬火的目的是提高鋼的硬度和耐磨性
    1、 淬火加熱溫度
        碳鋼的淬火加熱溫度可利用Fe-Fe3C相圖來選擇。

     對于亞共析碳鋼,適宜的淬火溫度為Ac3+30~50℃,使碳鋼完全奧氏體化,淬火后獲得均勻細小的馬氏體組織。對于過共析碳鋼,適宜的淬火溫度為Ac1+30~50℃。淬火前先進行球化退火,使之得到粒狀珠光體組織,淬火加熱時組織為細小奧氏體晶粒和未溶的細粒狀滲碳體,淬火后得到隱晶馬氏體和均勻分布在馬氏體基體上的細小粒狀滲碳體組織。對于低合金鋼,淬火加熱溫度也根據臨界點Ac1Ac3來確定,一般為Ac1Ac3以上50~100℃。高合金工具鋼中含有較多的強碳化物形成元素,奧氏體晶粒粗化溫度高,故淬火溫度亦高。

    2淬火加熱時間
      為了使工件各部分完成組織轉變,需要在淬火加熱時保溫一定的時間,通常將工件升溫和保溫所需的時間計算在一起,統稱為加熱時間。
        影響淬火加熱時間的因素較多,如鋼的成分、原始組織、工件形狀和尺寸、加熱介質、爐溫、裝爐方式及裝爐量等。
      鋼在淬火加熱過程中,如果操作不當,會產生過熱、過燒或表面氧化、脫碳等缺陷。
      過熱是指工件在淬火加熱時,由于溫度過高或時間過長,造成奧氏體晶粒粗大的現象。過熱不僅使淬火后得到的馬氏體組織粗大,使工件的強度和韌性降低,易于產生脆斷,而且容易引起淬火裂紋。對于過熱工件,進行一次細化晶粒的退火或正火,然后再按工藝規程進行淬火,便可以糾正過熱組織。
      過燒是指工件在淬火加熱時,溫度過高,使奧氏體晶界發生氧化或出現局部熔化的現象,過燒的工件無法補救,只得報廢。

    2)鋼的表面淬火

    表面淬火是對工件表層進行淬火的工藝。它是將工件表面進行快速加熱,使其奧氏體化并快速冷卻獲得馬氏體組織,而心部仍保持原來塑性、韌性較好的退火、正火或調質狀態的組織。表面淬火后需進行低溫回火,以減少淬火應力和降低脆性。表面淬火可有效提高工件表面層的硬度和耐磨性,達到外硬內韌的效果,并可造成表面層壓應力狀態,提高疲勞強度,延長工件的使用壽命。

    1.感應加熱表面淬火
        感應加熱表面淬火法的原理如圖1-66(a)所示。把工件放入由空心銅管繞成的感應線圈中,當感應線圈通以交流電時,便會在工件內部感應產生頻率相同、方向相反的感應電流。感應電流在工件內自成回路,故稱為“渦流”。渦流在工件截面上的分布是不均勻的,如圖1-66(b)所示,表面電流密度最大,心部電流密度幾乎為零,這種現象稱為集膚效應。由于鋼本身具有電阻,因而集中于工件表面的渦流,幾秒種可使工件表面溫度升至800~1000℃,而心部溫度仍接近室溫,在隨即噴水(合金鋼浸油)快速冷卻后,就達到了表面淬火的目的。
        感應加熱時,工件截面上感應電流密度的分布與通入感應線圈中的電流頻率有關。電流頻率愈高,感應電流集中的表面層愈薄,淬硬層深度愈小。因此可通過調節通入感應線圈中的電流頻率來獲得工件不同的淬硬層深度,一般零件淬硬層深度為半徑的1/10左右。對于小直徑(10~20mm)的零件,適宜用較深的淬硬層深度,可達半徑的1/5,對于大截面零件可取較淺的淬硬層深度,即小于半徑1/10以下。
    2.火焰加熱表面淬火
        火焰加熱表面淬火法是用乙炔一氧火焰(最高溫度3200℃)或煤氣一氧火焰(最高溫度2000℃),對工件表面進行快速加熱,并隨即噴水冷卻。淬硬層深度一般為2~6mm。適用于單件小批量生產以及大型零件(如大型軸類、模數齒輪等)的表面淬火。火焰加熱表面淬火的優點是設備簡單,成本低,靈活性大。缺點是加熱溫度不易控制,工件表面易過熱,淬火質量不夠穩定。
    3.激光加熱表面淬火
        激光加熱表面淬火是以高能量激光束掃描工件表面,使工件表面快速加熱到鋼的臨界點以上,利用工件基體的熱傳導實現自冷淬火,實現表面相變硬化。
        激光加熱表面淬火加熱速度極度快(105~106℃/s),因此過熱度大,相變驅動力大,奧氏體形核數目劇增,擴散均勻化來不及進行,奧氏體內碳及合金濃度不均勻性增大,奧氏體中碳含量相似的微觀區域變小,隨后的快冷(104℃/s)中不同微觀區域內馬氏體形成溫度有很大差異,產生細小馬氏體組織。由于快速加熱,珠光體組織通過無擴散轉化為奧氏體組織;由于快速冷卻,奧氏體組織通過無擴散轉化為馬氏體組織,同時殘余奧氏體量增加,碳來不及擴散,使過冷奧氏體碳含量增加,馬氏體中碳含量增加,硬度提高。
        激光加熱表面淬火后,工件表層獲得極細小的板條馬氏體和孿晶馬氏體的混合組織,且位錯密度極高,表層硬度比淬火+低溫回火提高20%,即使是低碳鋼也能提高一定的硬度。
        激光淬火硬化層深度一般為0.3~1mm,硬化層硬度值一致。隨零件正常相對接觸摩擦運動,表面雖然被磨去,但新的相對運動接觸面的硬度值并未下降,耐磨性仍然很好,因而不會發生常規表面淬火層由于接觸磨損,磨損隨之加劇的現象,耐磨性提高了50%,工件使用壽命提高了幾倍甚至十幾倍。
        激光加熱表面淬火最佳的原始組織是調質組織,淬火后零件變形極小,表面質量很高,特別適用于拐角、溝槽、盲孔底部及深孔內壁的熱處理,而這些部位是其它表面淬火方法極難做到的。

    3)淬火處理的常見問題

    Ms點隨C%的增加而降低,淬火時,過冷奧氏體開始轉變為馬氏體的溫度稱之為Ms點,轉變完成之溫度稱之為Mf點。C%含量愈高,Ms點溫度愈降低。0.4%C碳鋼的Ms溫度約為350℃左右,而0.8%C碳鋼就降低至約200℃左右。

    淬火液可添加適當的添加劑

    1、水中加入食鹽可使冷卻速率加倍:鹽水淬火之冷卻速率快,且不會有淬裂及淬火不均勻之現象,可稱是最理想之淬硬用冷卻劑。食鹽的添加比例以重量百分比10%為宜。

    2、水中有雜質比純水更適合當淬火液:水中加入固體微粒,有助於工件表面之洗凈作用,破壞蒸氣膜作用,使得冷卻速度增加,可防止淬火斑點的發生。因此淬火處理,不用純水而用混合水之淬火技術是很重要的觀念。

    3、聚合物可與水調配成水溶性淬火液:聚合物淬火液可依加水程度調配出由水到油之冷卻速率之淬火液,甚為方便,且又無火災、污染及其他公害之慮,頗具前瞻性。

    4、干冰加乙醇可用於深冷處理溶液:將干冰加入乙醇中可產生-76℃之均勻溫度,是很實用的低溫冷卻液。

    4)鋼淬火冷卻介質

    淬火冷卻時,既要快速冷卻以保證淬火工件獲得馬氏體組織,又要減少變形,防止裂紋產生。因此,冷卻是關系到淬火質量高低的關鍵操作。


    1、理想淬火冷卻速度 

     

    由共析鋼過冷奧氏體等溫轉變曲線得知,要得到馬氏體,淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。但是淬火鋼在整個冷卻過程中并不需要都進行快速冷卻。關鍵是在過冷奧氏體最不穩定的C曲線鼻尖附近,即在650~400℃的溫度范圍內要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下,特別是300~200℃以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內外溫度差會引起熱應力。另外,由于鋼中的比容(單位質量物質的體積)不同,其中馬氏體的比容最大,奧氏體的比容最小,因此,馬氏體的轉變將使工件的體積脹大,如冷卻速度較大,工件截面上的內外溫度差將增大,使馬氏體轉變不能同時進行而造成相變應力。冷卻速度越大,熱應力和相變應力越大,鋼在馬氏體轉變過程中便容易引起變形與裂紋。

    2、常用淬火介質 

    工件淬火冷卻時,要使其得到合理的淬火冷卻速度,必須選擇適當的淬火介質。目前生產中應用的冷卻介質是水和油。當冷卻介質為20℃的自來水,工件溫度在200~300℃時,平均冷卻速度為450℃/s;工件溫度在340℃時,平均冷卻速度為775℃/s;工件溫度在500~650℃時,平均冷卻速度為135℃/s。因此,水的冷卻特性并不理想,在需要快冷的500~650℃溫度范圍內,它的冷卻速度很小,而在200~300℃需要慢冷時,它的冷卻速度反而很大。


      水是應用最早、最廣泛、最經濟的淬火介質,它價廉易得、無毒、不燃燒、物理化學性能穩定、冷卻能力強。通過控制水的溫度、提高壓力、增大流速、采用循環水、利用磁場作用等,均可以改善水的冷卻特性,減少變形和開裂,獲得比較理想的淬火效果。但由于這些方法需增加專門設備,且工件淬火后性能不是很穩定,所以沒有能得到廣泛推廣應用。所以說。純水只適合于少數含碳量不高、淬透性低且形狀簡單的鋼件淬火之用。 

    淬火油
      用于淬火的礦物油通常以精制程度較高的中性石蠟基油為基礎油,它具有閃點高、粘度低、油煙少,抗氧化性與熱穩定性較好,使用壽命長等優點,適合于作淬火油使用。淬火油只使用于淬透性好、工件壁厚不大、形狀復雜、要求淬火變形小的工件。淬火油對周圍環境的污染大,淬火時容易引起火災。
    影響淬火油冷卻能力的主要因素是其粘度值,在常溫下低粘度油比高粘度油冷卻能力大,溫度升高,油的流動性增加,冷卻能力有所提高。適當提高淬火油的使用溫度,也能使油的冷卻能力提高。


    熔鹽,熔堿
      這類淬火介質的特點是在冷卻過程中不發生物態變化,工件淬火主要靠對流冷卻,通常在高溫區域冷卻速度快,在低溫區域冷卻速度慢,淬火性能優良,淬透力強,淬火邊形小,基本無裂紋產生,但是對環境污染大,勞動條件差,耗能多,成本高,常用于形狀復雜,截面尺寸變化懸殊的工件和工模具的淬火。熔鹽有氯化鈉,硝酸鹽,亞硝酸鹽等,工件在鹽浴中淬火可以獲得較高的硬度,而變形極小,不易開裂,通常用作等溫淬火或分級淬火。其缺點是熔鹽易老化,對工件有氧化及腐蝕的作用。熔堿有氫氧化鈉,氫氧化鉀等,它具有較大的冷卻能力,工件加熱時若未氧化,淬火后可獲得銀灰色的潔凈表面,也有一定的應用。但熔堿蒸氣具有腐蝕性,對皮膚有刺激作用,使用時要注意通風和采取防護措施。

    新型淬火介質及其應用
     有機聚合物淬火劑
      近年來,新型淬火介質最引人注目的  進展是有機聚合物淬火劑的研究和應用。這類淬火介質是將有機聚合物溶解于水中,并根據需要調整溶液的濃度和溫度,配制成冷卻性能能滿足要求的水溶液,它在高溫階段冷卻速度接近于水,在低溫階段冷卻速度接近于油。其優點是無毒,無煙無臭,無腐蝕,不燃燒,抗老化,使用安全可靠,且冷卻性能好,冷卻速度可以調節,適用范圍廣,工件淬硬均勻,可明顯減少變形和開裂傾向,因此,能提高工件的質量,改善工作環境和勞動條件,給工廠帶來節能、環保、技術和經濟效益。目前有機聚合物淬火劑更在大批量、單一品種的熱處理上用得較多,尤其對于水淬開裂,變形大,油淬不硬的工件,采用有機聚合物淬火劑比淬火油更經濟、高效、節能。從提高工件質量、改善勞動條件、避免火災和節能得角度考慮,有機聚合物淬火劑有逐步取代淬火油的趨勢,是淬火介質的主要發展方向。
      有機聚合物淬火劑的冷卻速度受濃度,使用溫度和攪拌程度3個基本參數的影響。一般來說,濃度越高,冷卻速度越慢;使用溫度越高,冷卻速度越慢;攪拌程度越激烈,冷卻速度越快。攪拌的作用很重要;1使溶液濃度均勻;2加強溶液的導熱能力從而保證淬火后工件硬度高且分布均勻,減少產生淬火軟點和變形,開裂的傾向。通過控制上述這些因素,可以調整有機聚合物淬火劑的冷卻速度,從而達到理想的淬火效果。一般來說,夏季使用的濃度可低些,冬季使用的濃度可高些,而且要有充分的攪拌。有機聚合物淬火劑大多制成含水的溶液,在使用時可根據工件的特點和技術要求,加水稀釋成不同的濃度,便可以得到具有多種淬火烈度的淬火液,以適應不同的淬火需要。 
      不同種類的有機聚合物淬火劑具有顯著不同的冷卻特性和穩定性,能適合不同淬火工藝需要。目前世界上使用最穩定,應用面最廣的有機聚合物淬火劑是聚烷二醇(PAG)類淬火劑。這類淬火劑具有逆溶性,可以配成比鹽水慢而比較接近礦物油的不同淬火烈度的淬火液,其濃度易測易控,可減少工件的變形和開裂,避免淬火軟點的產生,使用壽命長,適合于各類感應加熱淬火和整體淬火。

    5)如何從淬火冷卻特性選擇淬火介質

    選擇淬火介質,應當同時兼顧到對淬火介質冷卻特性、穩定性、可操作性、經濟性和環保等方面的要求。在這些要求中,最重要的是淬火介質的冷卻特性。本文將以推理方式入手,通過分析討論,提出一套從冷卻特性選擇淬火介質的可實用的原則方法。 鋼件淬火冷卻,希望的效果有三:1.獲得高而且均勻的表面硬度和足夠的淬硬深度;2.不淬裂;3.淬火變形小。選好用好淬火介質是同時獲得這三項效果的基本保證。當前,國內外多以國際標準方法(ISO9950)測定,并用冷卻速度曲線來表征淬火介質的冷卻特性。但是,對特定工件(即在鋼種、形狀大小和熱處理要求一定)的情況下,如何從冷卻特性上去選擇合適的淬火介質?在生產現場,一個淬火槽中往往要淬多種不同鋼種、形狀、大小和熱處理要求的工件。在這種情況下,如何選定它們共同適用的一種淬火液?一般的熱處理車間,為滿足所有工件的熱處理要求,應當配備幾種淬火液?──關于這類實際生產需要解決的問題,至今研究很少。有人[1、2]做過一些工作,但都提不出系統實用的原則方法。

    本文以過去工作為[4、6]基礎,從討論實際生產中一些工件"油淬不硬而水淬又裂"入手,通過推理和實例分析,提出了對特定工件按冷卻速度分布選擇淬火介質的方法,并進而確定了能供多種工件淬火的一種淬火液的選擇原則。

    1 特定工件淬火的最低和最高冷卻速度分布線

    從普通機油和自來水的冷卻速度分布(如圖1)可以看出,普通機油的冷卻速度慢,因而不少工件在其中淬不硬;而自來水的冷卻速度又太快,以致于多數鋼種不能在其中淬火。在圖中,自來水和普通機油之間有一個寬廣的"中間地帶",只有普通機油和自來水的工廠,時常會遇到一些工件"油淬不硬而水淬又裂"的麻煩,原因就在這里。可以推知,對于一種這樣的工件,如果將機油的冷卻速度提高,該工件淬火硬度也會相應提高。我們假定,當機油的冷卻速度提高到圖2中帶齒線水平時,該工件剛好可以得到要求的淬火硬度。無疑, 冷速更高,淬火硬度還將進一步提高。我們把它叫做允許的最低冷速分布線。同時,研究表明,自來水引起淬裂和變形,是自來水冷卻太快,尤其是鋼件冷到其過冷奧氏體發生馬氏體轉變的溫度范圍時受到的冷卻太快的緣故。



    于是又可以推知,如果能降低自來水的冷卻速度,尤其是在工件冷到較低的溫度以后的淬火冷卻速度,就可以減小工件淬裂的危險。假定自來水冷卻速度降到圖3中帶齒線所示的水平時,該類工件便不會再淬裂了,我們把這條線叫做此工件已確定條件下允許的最高冷速分布線。



    把圖2和圖3合在一起,可以得到該工件能同時獲得前述三項淬火效果的淬火介質的冷卻速度分布范圍,如圖4所示。圖中,只要所選的淬火介質的冷卻速度分布曲線能全部落入這兩條曲線之間的區域內,不管是快速淬火油還是水溶性淬火液,也不管這些淬火介質的冷卻速度分布有何不同,上述工件在其中淬火都可以同時獲得所希望的淬硬而又不裂的效果。

    從另一角度說,有兩種不同的淬火介質,它們的冷卻速度分布有較大的差別。比如一種冷卻速度快,快到接近允許的最高冷卻速度線的水平,而另一種冷卻速度慢,慢到接近圖中最低冷卻速度線的水平。但由于二者的冷卻速度的分布都在允許的區域內,因而,二者都可以選用。或者說,對上述工件淬火冷卻而言,二者能同樣獲得滿意的淬火效果。

    事實上,淬火冷卻過程在使鋼淬硬的同時,還會使工件發生一定程度的淬火變形。傳統的觀念認為,淬火冷卻越快,工件的淬火硬度越高,淬火變形也越大;淬火冷卻慢,淬火態硬度不高,工件的淬火變形就越小。但是,實際的情況是大多數和比較大的淬火變形是由淬火冷卻偏慢,工件淬火硬度不足引起的。只有少數和較小的淬火變形是淬火冷卻偏快,淬火硬度偏高引起的。由于這樣的原因,本文把淬火硬度高低和淬火變形大小結合起來加以考慮。 本文作者在《解決淬火變形問題的新方法》[5]一文中,把鋼的頂端淬火曲線改成鋼的硬度-冷速曲線,如圖5所示。由鋼件的淬火硬度,可以從圖上確定一個冷卻速度值(指能獲得該淬火態硬度的效果冷卻速度)。根據特定工件淬火后的開裂、變形和硬度情況,圖5中把冷卻速度四個區,分別為過快冷速區,適度冷速區,不足冷速區和過慢冷速區,表中列出了工件獲得的冷速在這些區域內的淬火效果。 可以看出,只有在第II,即適度冷速區冷卻,工件淬火后才能獲得希望的淬火三效果。

     


    5 按淬火冷卻速度大小將端淬曲線分成四個區
    分區 名稱 區內淬火效果
    I區 過快冷速區 硬度高、淬裂、變形
    II區 適度冷速區 硬度高而均勻、無淬裂、變形小
    III區 不足冷速區 硬度不足且高低不均,變形大
    IV區 過慢冷速區 完全未淬硬,變形小

    接著,該文又將已發生淬火變形,開裂以及硬度不足的工件參與淬火變形部位中冷卻速度的最高值和最低值所劃定的范圍叫做該工件淬火時的"冷卻速度帶"。根據實際工件的情況和淬火方法之不同,這種冷卻速度帶有寬有窄。工件上各部位獲得的冷卻比較均勻時,其冷卻速度帶就比較窄;當工件上各部位獲得的冷卻很不均勻時,其冷卻速度帶就比較寬。在工件的硬度-冷速曲線上,寬的冷卻速度帶容易跨越不同的冷卻速度區,而窄的冷卻速度帶則往往落入某一冷速區之內。由于冷卻速度帶進入第I冷速區會發生淬裂和變形,而進入第III冷速區會硬度不足且變形嚴重,因此,只有使工件的冷卻速度帶完全落入其第II冷速區,才能獲得希望的淬火三效果。根據這樣的道理,該文提出的解決淬火變形的方法和措施,都是使冷卻速度帶伸出第II區的部分完全移入第II冷速區。 用上述分析和解決淬火變形問題的方法來認識圖4中劃定的區域,容易看出,淬火時,進入最低冷速分布曲線以左的區域,就會出現硬度不足并發生較大的淬火變形;而若進入最大冷速分布曲線以右的區域,又會發生淬裂。于是,可以按工件的淬火效果,把圖4中兩條曲線分割成三個區域,從左到右分別定為第III(即不足)冷速分布區;第II(即適度)冷速分布區以及第I(即過快)冷速分布區,如圖6所示。本文把這樣的圖線叫作工件淬火效果-冷卻速度分布圖線。

     


    6 工件的淬火效果-冷卻速度分布分區圖
    分區 名稱 區內淬火效果
    I區 過快冷速區 硬度高、淬裂、變形
    II區 適度冷速區 硬度高而均勻、無淬裂、變形小
    III區 不足冷速區 硬度不足且高低不均,變形大

    2 兩例分析及選擇冷速分布的五原則

    例一、某廠在進口的多用爐中對該廠生產的汽車齒輪進行滲碳淬火,開始選用的是美國某公司的一種分級淬火油。一年多以后,開始發現滲碳淬火態齒輪的淬火硬度有明顯降低,同時淬火變形也增大。在排除其它因素的影響之后,發現所用的分級淬火油的冷卻速度分布與該種新油有較大區別,如圖7所示。和未經使用的新油相比,使用一年多(中間做正常補充)后的舊油,蒸氣膜階段變短、最高冷速增大、且出現最高冷速的溫度大有提高。如果按過去較普遍的說法,圖7中的舊油是符合"高溫冷得快,低溫冷得慢"的更理想的淬火油。但在這樣的舊油中淬火效果卻是變形更大,硬度偏低,不如比它"不理想"的新油。

    用圖6圖線所示的方法來分析該廠出現的問題,又可以畫出圖8所示的圖線:舊油在中低溫階段冷速低于新油,以至在這一階段使其冷卻速度曲線進入了第III(即不足)冷速區,所以淬火硬度偏低。北京華立精細化工公司對該廠舊油進行了改性添加,使該廠舊油的冷卻速度分布的中低溫階段冷速提高,達到稍高于原用油新油的水平。生產應用表明,在經過這樣改性的舊油中淬火后,齒輪的淬火硬度明顯提高,變形量也小于或等于原用新油。

     

    例二、遼寧某彈簧廠的一條生產線上發生過一次這樣的問題:一向正常的生產線上,突然發生鋼板淬火硬度偏低,變形增大事故。在尋找原因的那些天里,板簧淬火硬度又有降低,變形也進一步增大。當該廠意識到可能是淬火油有問題后,經檢查,發現上述淬火硬度不足和變形過大的原因是淬火油冷卻系統有一處管壁破裂,冷卻水滲透進去并部分乳化在油中造成的。乳化進油中的水量高達4%。圖9是該廠已進水的舊油和無水的新油之冷卻速度對比。含水舊油的GM時間遠高于新機油,只因其蒸氣膜階段太長,在高溫階段進入了第Ⅲ冷速分布區,因而引起淬火硬度低、變形大。對該油進行除水處理后,舊油中的水被分離和排除,油的冷卻能力又得到了恢復。

    從以上兩個例子中可以看出,評價液體淬火介質的冷卻能力高低,不能簡單地看它的總的冷卻烈度(H),也不能簡單地看它使特定鎳球從850℃冷到300℃所需的時間(GM),而應當看供選擇的淬火介質的冷速分布與工件及其鋼種的關系。關于從淬火介質的冷速分布作選擇的原則,本文作者曾做過探討[4],再歸納實際生產經驗,總結出以下五項選擇原則:

    一看鋼的含碳量多少──先從允許的最低冷卻速度分布曲線上看。含碳量低的鋼,因有可能析出先共析鐵素體,且它的過冷奧氏體最易發生珠光體轉變的溫度(即所謂"鼻尖"位置的溫度)較高,馬氏體起點(Ms)也較高,為了使這類鋼制的工件充分淬硬,所用的淬火介質應當有較短的蒸氣膜階段且出現最高冷速的溫度應當較高。相反,對含碳量較高的鋼,淬火介質的蒸氣膜階段可以更長些,出現最高冷速的溫度也相應應當低些。再從允許的最高冷速曲線上看:碳含量少的鋼允許的冷速高,碳含量多的鋼允許的冷速低。

    二看鋼的淬透性高低──先從允許的最低冷速曲線看,淬透性差的鋼,要求的冷卻速度快;淬透性好的鋼,要求的冷卻速度則慢些。同時,因隨著淬透性的提高,鋼的"C"曲線會向右下方移動,所以對淬透性差的鋼,要求介質出現最高冷卻速度的溫度高些;而對淬透性好的鋼,要求介質出現最高冷卻速度的溫度低些。有些淬透性好的鋼,過冷奧氏體也容易發生貝氏體轉變。要避開貝氏體轉變,也要求有足夠快的低溫冷卻速度。再從允許的最高冷卻速度值上看:淬透性低的鋼允許的冷速較高,而淬透性高的鋼允許的冷速較低。

    三看工件的有效厚度──工件表面一冷到Ms點,立即大大減慢介質的冷卻速度,則工件內部的熱量向淬火液散失速度也大大減慢,工件表面一定深度以內的過冷奧氏體就很難冷到Ms點以下。其結果,淬火后工件只有很薄一層馬氏體組織。由于這樣的原因,當工件比較厚大時,為得到足夠厚的淬硬層深度,所用的淬火介質應當有較快的低溫冷卻速度。相反,工件薄小時,則可用低溫冷速較小的淬火介質。再從允許的最高冷速分布曲線上看,厚大的工件允許的冷速高,薄小的工件允許的冷速低。

    四看工件形狀復雜程度──先從允許的最低冷卻速度分布曲線上看,形狀復雜的工件,尤其是有內孔或較深凹面的工件,為減小淬火變形或需要把內孔淬硬時,應當選用蒸氣膜階段較短的淬火介質。一般說工件內孔或凹面內部散熱較其它部位慢,工件其它部位冷得快,最先進入沸騰階段而獲得快冷,而內孔面尚處于蒸氣膜階段,冷卻速度尚很慢。這種冷卻上的差異可能引起這類工件較大的淬火變形和內孔或凹面淬火硬度低下。解決這類問題的辦法是選用蒸氣膜階段較短的淬火介質。適當加大內孔部分介質的流動速度,也有同樣的效果。相反,形狀簡單的工件,則可以使用蒸氣膜階段稍長的淬火介質。再從允許的最高冷速分布曲線看,形狀復雜的工件允許的冷速低,而形狀簡單的工件允許的冷速高。

    五看允許的變形大小──從分析解決變形問題的方法[6]推知,工件要求的變形小,淬火冷卻應當有窄的冷卻速度帶,而允許的變形較大的,可以有寬的冷卻速度帶。允許的冷卻速度帶寬的,可以采用一般能達到淬火硬度要求的介質。在能縮短工件冷卻速度帶的方法中,最簡單和有效的是做等溫(或分級)淬火[7]。等溫淬火介質應當具有的特性,首先是蒸氣膜階段短和液溫變化對冷速的影響小,其次,較厚大的工件應當選用冷卻速度快的介質,而較魔小的工件則可以選用冷速較慢的介質。 工件種類繁多,對淬火介質的要求是多種多樣的。不同工件的要求可能相容,也可能不相容。因此,尋找"一種理想的淬火介質,能同時適用所有不同的工件"的想法,如同想尋找一種藥物來包治一切疾病一樣,是不現實的。

    3 適用于多種工件的同一淬火介質

    前面的討論已說明,任何一種特定的工件都有自己淬火冷卻的最低和最高冷速分布曲線劃定的第II冷速分布區。當要在同一種淬火液中淬多種不同的工件時,又如何選擇它們共同適用的一種淬火介質呢?顯然,要能選出一種這樣的淬火介質的先決條件,是這些工件淬火冷卻的第II區的"交",即共同適用的第II區存在并且是連貫的。圖10是由兩種工件的第II冷速區確定它們共同適用的第II冷速區的示意圖。無疑,它們共同的第II區必然小于(等于)諸工件中最小的一個第II區。 由于共同的第II區最狹小,生產現場選出共同適用的淬火介質就不容易。

    事實上,由于可用的淬火介質就那么兩三種,加上又沒有做合理的選擇,不少工件的淬火質量并不高,尤其是截面硬度分布往往達不到要求。 那么,如何選擇多種工件共同適用的同一種淬火介質呢?利用本文前面談到的道理,下面將分別對淬火油和水性淬火劑加以研究,并提出它們各自適用的選擇原則。

    3.1 淬火用油的選擇原則

    淬火用油幾乎都是有較高閃點的礦物油,這些油的比熱約為自來水的1/2,導熱率約為自來水的1/4,對流開始溫度高,加上粘度遠比水高,使淬火用油的冷卻速度,尤其是低溫階段的冷卻速度遠比水低。 由于這樣的原因,絕大多數工件在油中淬火(包括各種快速油中)沒有淬裂危險,而通常擔心的是油的冷卻速度較低,使較厚大的工件或淬透性稍低的鋼種達不到要求的淬火硬度和淬硬深度,并因此發生較 大的變形。

    為此,選用淬火用油時,往往只從各種工件的最低冷卻速度分布曲線去加以考慮。

    11是幾種工件要求的最低冷卻速度分布。顯然,只有當選定的淬火油的冷卻速度分布曲線能從右邊將這幾種工件的最低溫度冷卻速度曲線包圍著,這幾種工件在其中淬火才能全部獲得淬火冷卻的三效果。 可以推知,一般說來,所選的油的蒸氣膜階段越短,對流開始溫度越低,且最高冷速越大,這樣的油的冷卻速度曲線可能從右邊包圍的最低冷卻速度分布曲線就越多,即適用的工件(鋼種)越多。這就是適于多種工件的淬火油的選擇原則。

    3.2 水溶性淬火液的選擇原則

    在水(及水溶液)中淬火的主要危險是淬裂,而降低水性淬火液的"300℃冷速"則可以減小這種危險。水性淬火劑(液)的"300℃冷速"越低,防止淬裂的能力就越強,因而適用的鋼種和工件就越多[5]。如果將多種工件的最高冷速分布曲線畫在一起,同樣可以畫出它們共同的第II區的右邊界線,得到的也是這樣的結論。 當水或水溶液液溫過高時,比如通常超過60℃后,淬火冷卻的蒸氣膜階段顯著增長,蒸氣膜相當穩定,這時用于工件淬火,冷卻速度曲線容易從上方進入其第Ⅲ冷速區,從而引起淬火硬度不足和大的變形。所以,使用水性淬火液應當控制好液溫,一般以平均液溫不超過60℃為宜。 當淬火液的品種確定后,生產中還可以通過調節淬火液濃度、液溫和與工件的相對流速來改變工件淬火時的冷卻速度分布,以適應生產的需要。這方面的規律和方法可參考其它有關資料。

    由上述分析可知,普通機油(如32號機油)冷卻能力并不高,卻可適于某些類工件淬火;普通自來水冷卻很快,卻仍可適于另外某些類工件淬火。由于在普通機油與自來水的冷卻速度分布曲線之間有很寬廣的空白地帶,只配備普通機油和自來水是不夠的。那么,一般機械廠的熱處理車間應當配備哪幾種淬火液,才能滿足大多數工件的淬火需要呢?根據前面的分析討論,建議為普通熱處理車間配備以下四種淬火液(槽):




    1.將普通機油換成一種快速淬火油,其冷卻特性應為:淬火冷卻的蒸氣膜階段短,對流開始溫度低,且最高冷速大。
    2.一種性能穩定、可操作性強的水溶性淬火液,其30℃液溫,不攪動情況下的300℃冷速在20~30℃/s之間。
    3.一種性能穩定、可操作性強的水溶性淬火液,其30℃液溫,不攪動情況下的300℃冷速在50~70℃/s之間。
    4.自來水

    如果所處理的工件種類不太多,也可以用一種300℃冷速在30~50℃/s之間的水溶性淬火液代替2、3兩種淬火液,即共配制三種淬火液(槽)。

    4 結論──從冷卻速度選擇淬火介質的原則

    通過本文的分析可以說明:

    1.為什么同一種工件可以在多種不同冷卻特性的淬火介質中淬火而都達到該工件的熱處理要求。

    2.為什么多種不同的工件可以在同一種淬火介質中淬火而都達到各自的熱處理要求。

    3.特定工件選擇淬火介質應同時從五方面加以考慮:一看鋼的碳含量多少,二看鋼的淬透性高低,三看工件的有效厚度,四看工件的形狀復雜程度,五看允許的變形大小。

    4.對淬火用油,從冷卻速度分布上看,它的蒸氣膜階段越短,對流開始溫度越低,最高冷速越大,則該種油適用的鋼種和工件就越多。

    5.對水性淬火液,從冷卻速度分布曲線上看,它的300℃冷卻速度越低,則它適用的鋼種和工件就越多。

    6)自來水做淬火介質的兩大缺點

    從自來水淬火時工件容易淬裂、硬度不均且畸變大等現象,列出了自來水作為淬火介質的兩大缺點:一是低溫冷卻速度太快,二是冷卻特性對水溫變化太敏感。分析了自來水第二大缺點引起淬火硬度不均和畸變的原因。通過與氣態介質的對比,指出了液態淬火介質共同的兩類缺點:一是任何確定的液態介質,其冷卻速度的可調節范圍都很有限,以致同一個車間必須配備普通淬火油、中速淬火油和高速淬火油,才能滿足不同工件的需要;二是工件從蒸汽膜階段到沸騰階段期間,冷卻速度突然增大,可能引起較大的淬火變形。提供了克服液態淬火介質第二類缺點的七類技術方法。

        關鍵詞:水;淬火介質;淬火冷卻;淬火冷卻畸變

        1 自來水的兩大缺點

    多數工件用自來水淬火會開裂,淬裂的原因是眾所周知的:自來水的低溫冷卻速度太快。這是自來水的一大缺點。

    用水作冷卻介質,還遇到另外的問題。例如,多個工件采取比較密集的方式同時入水時,淬火后會有顯著的硬度差異。為此,現在的多用爐基本不用水性淬火介質。又如,工件上有較深的內孔、工件為大薄片狀、以及形狀復雜時,水淬后往往出現嚴重的硬度不均和較大的淬火畸變。同樣的情況,在油中淬火時,則不會發生這樣嚴重的問題。引起這些問題的原因是,水的冷卻特性對水溫變化太敏感。圖1a是溫度對自來水冷卻特性的影響曲線[1]。容易推知,當單個工件在自來水中淬火時,由于形狀或所處位置的原因,工件不同部位的表面接觸的水溫是不同的:工件上的凹進部分接觸的水溫高,而突出部分接觸的水溫則相對要低些。位于下面部分接觸的水溫較低,上面部位接觸的水溫較高。當多個工件以比較密集裝掛的方式同時入水時,位于外面的工件接觸的水溫較低,而內部的工件接觸的水溫則較高。再加上同一工件朝外的面接觸的水溫較低,朝里的面接觸水溫則較高。不同的水溫對應不同的冷卻特性,其結果就引起了上述種種問題。圖1b為溫度對油的冷卻特性的影響曲線。由圖1的對比,可以看出水溫對冷卻特性的影響是很大的。我們把冷卻特性對液溫變化太敏感列為自來水的第二大缺點。

    有機聚合物水溶液,比如PAG淬火液、聚乙烯醇水溶液等也都有相同的缺點。圖1c為不同液溫的10%硫酸鈉水溶液的冷卻特性曲線。由圖1c可見,10%的無機鹽(或堿)溶入水中,可以大大減小冷卻特性對水溫的敏感性程度。與單純自來水相比,直到水溫達到70℃,其冷卻特性對液溫的敏感程度還是比較小的。表1為自來水、PAG淬火液和淬火油等液體介質的上述兩項特性。上述對液溫的敏感性,主要是通過液溫對冷卻過程中蒸汽膜階段長短的影響,而最終反映在同一工件的不同部位之間、不同工件之間、以及不同批次淬火工件之間出現大的硬度差異和嚴重的淬火中畸變上。

    1  不同種類液體介質的兩大特點對比
    Table 1 Comparison of two main features of different liquid quenching medium 介質名稱 自來水 油 PAG淬火液 10%無機鹽(或堿)的水溶液 熔融鹽浴(如硝鹽浴) 防止鋼件淬裂的能力 差 好 濃度適當時相當好 差 好 冷卻特性對液溫的穩定性 差 好 較差 較好 好

    2 冷卻速度曲線上出現3個區段的條件

    在研究無機鹽水溶液時,曾經有過一種錯誤的說法:“在任何液體介質中淬火冷卻,都會出現蒸汽膜(膜沸騰)階段、(泡)沸騰階段和對流冷卻階段”。即便在采用1000張/s的快速攝影也沒有發現蒸汽膜階段時,也仍然堅持這一看法。

    為了說明上述說法的錯誤所在,我們簡單分析一下上述3個階段的成因。在冷卻的蒸汽膜階段,紅熱工件被水蒸氣包裹著,如圖2所示。此時,工件表面向外部散熱是通過熱輻射和水蒸氣的對流來實現的。其中,熱輻射的作用最大。靠輻射熱以及對流傳遞的熱使包裹蒸汽膜的汽-液界面發生沸騰。沸騰產生的水蒸氣充實進蒸汽膜中,使膜內的蒸汽壓足以抵擋外部液體的壓力,則蒸汽膜得以維持。我們知道,物體表面向外輻射的熱量與該表面的絕對溫度的4次方成正比。因此,工件表面溫度越高,汽-液界面上的沸騰就越激烈。其結果蒸汽膜就越厚,也越穩定。由于穩定的蒸汽膜階段幾乎沒有氣泡進入液相中,我們可以把氣液界面包裹著的部分看成一個體系。這個體系的外部是氣體,里面包裹著的是固體。這個體系對外的熱散失主要是靠對流來進行。接觸上述體系的液體被加熱,再通過對流把熱量帶到更遠處。其情形就像始終保持在100℃的工件在水中的散熱情況一樣。隨著冷卻的進行,工件表面溫度降低,汽-液界面上沸騰的激烈程度會迅速降低。蒸汽膜階段的冷卻速度隨之減小。由于沸騰區域的汽-液界面上發生著的是水蒸汽?水的雙向變化,當水沸騰產生的水蒸氣的量少于膜內的水蒸氣變成水所損失的量時,包裹工件的蒸汽膜就會變薄。當蒸汽膜內保有的水蒸氣少到不能抵擋外部液體的壓力時,蒸汽膜就會破裂。蒸汽膜階段也就終止了。工件上該部位也就進入了沸騰冷卻階段。綜上所述,工件(或探棒)冷卻過程中是否出現蒸汽膜階段,完全決定于工件表面的溫度高低。只有工件表面溫度超過一定程度后,冷卻過程中才會出現蒸汽膜階段。這個特定的溫度值是隨工件的特點、所用介質的特性和其它有關條件而變的。只有工件的表面溫度高于上述特定的溫度值時,才可能出現和維持冷卻的蒸汽膜階段。低于這個值,就形不成完整而穩定的蒸汽膜,也就見不到冷卻的蒸汽膜階段。我們把這個特定溫度叫做該介質在當時的使用條件下的特性溫度。和在統一約定的條件下,評價不同介質品種的冷卻特性的標準相比,上述特定溫度應當是廣義的特性溫度;而標準中的則是狹義的特性溫度。狹義的特性溫度的測定條件大多是:在介質不攪動的條件下,水性樣品用30℃的液溫,快速油用50℃的油溫,熱油用100℃的油溫。同時要說明的是,采用熱電偶熱端位于探頭中心的測定標準側出的特性溫度值,總是低于工件表面實際的特性溫度值。此外,我們從道理上討論特性溫度問題時,用的是工件表面的實際的特性溫度,也就是廣義的特性溫度。實際工件淬火時,表面的不同部位在不同的時間接觸的介質的特性溫度是不相同的,并且是在變化的。

    工件表面溫度低于介質的上述特性溫度,就進入沸騰冷卻階段。在沸騰冷卻階段,工件的散熱途徑更為多樣,既包含介質與工件表面直接接觸的熱轉遞散熱、介質變成蒸汽的吸熱,也包括所有情況下的表面熱輻射散熱和對流傳熱散熱。當表面溫度降低到稍高于介質的沸點溫度時,沸騰冷卻階段就結束了。繼續冷卻就主要靠介質接觸工件的熱轉遞和介質的對流散熱來完成,直至工件表面溫度與介質溫度相同為止。

    綜上所述,在液體介質中做淬火冷卻,當介質的平均溫度低于介質的沸點溫度時,可能出現的冷卻階段為:①如果淬入工件的表面溫度高于所用介質的特性溫度,冷卻過程將出現蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段。② 當淬入工件的表面溫度處于介質的特性溫度和介質的沸點溫度之間時,出現沸騰階段和對流階段。③當淬入工件的表面溫度等于低于介質的沸點溫度時,就只有對流冷卻階段了。圖3概括了上述3種情況的冷卻速度曲線的形狀特點。

    3 發生超差畸變的3要素

    在熱處理生產現場,說工件發生了變形指的是工件的畸變量超過了技術指標規定的程度,也就是發生了超差畸變。產生熱處理超差畸變的3要素為:足夠大的應力,足夠好的塑性以及足夠長的作用時間。任何熱處理超差變形都需要這三個要素,只是3者的大小關系是可以互補的。如果應力很大,材料的塑性好,作用時間雖短,也會引起大的畸變。比如紅熱工件在轉移中受到沖撞引起的畸變。塑性好,作用時間很長,即便應力不大,也可能引起大的畸變。比如淬火加熱時,工件堆放不當,疊壓或者自重引起的應力雖然不大,但因加熱時間長,也容易造成超差畸變。又如,在淬火冷卻初期,因工件的塑性好,介質攪動過于強烈,液流沖擊到細長工件,也會引起超差的彎曲變形。這些都是外力引起的變形。一般說,因外力引起的畸變問題,其解決辦法相對比較簡單。高溫時,過冷奧氏體的塑性較好,而冷到能發生馬氏體轉變時,奧氏體的塑性就相當差了。同時,馬氏體轉變經歷的時間也相當的短。雖然如此,馬氏體轉變前后的比容差引起的應力非常之大,仍有可能造成超差的畸變。這是內應力引起的畸變。

    因內應力引起的畸變,情況要復雜得多。內應力的來源比較多,但通常可以歸為熱應力和組織轉變應力兩類。冷卻過程中,組織轉變應力又常常和熱應力共同存在,相互疊加或對消。內應力都是在變化著大小和分布中起作用。加上工件的形狀因素,它們的作用情況就更加復雜。其中,值得注意的有3點:①在液體介質中淬火冷卻時,形狀較復雜的工件不同部位表面溫度差別會很大。冷得快的部分一旦冷到所用液體介質的特性溫度以下,表面附近就立即從蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段。這部分表面獲得的冷卻速度會突然大增,與附近仍然處于蒸汽膜階段部分的溫度差異就會急劇增大。溫差大,熱應力也就大。如果該介質的特性溫度偏低,冷得慢的部分將長期處于蒸汽膜階段,使上述熱應力長期起作用。在介質特性溫度附近,過冷奧氏體的塑性一般較好。應力大,材料塑性好,加上作用時間長,就容易引起超差畸變。②冷卻速度過快時,工件不同部位的溫差較大,過冷奧氏體轉變成馬氏體時的體積膨脹,可能引起很大的內應力,使還未發生馬氏體轉變的過冷奧氏體產生一定量的塑性變形。③淬火冷卻的速度不足時,在相當于端淬曲線上馬氏體組織的百分比急劇變化的區域,不大的冷卻速度差異,常常也引起較大的內應力,最終引起大的畸變,且淬火硬度不足。

    材料的塑性與材料的溫度密切相關。高溫下,材料的塑性好,容易發生變形。此外,在材料發生相變過程中,因出現相變超塑性,使塑性變形更容易。因為裝放不當,在淬火加熱過程中由外力引起的熱處理畸變,就有一部分是珠光體轉變成奧氏體過程中增加的超塑性引起的。工件加熱中由珠光體轉變成奧氏體時有超塑性。過冷奧氏體發生馬氏體轉變時有超塑性。就連馬氏體發生回火轉變時也有超塑性。大薄片工件的淬火冷卻畸變,用加壓回火來加以校正,靠的主要是回火轉變時的相變超塑性。這種辦法只在第一次回火時有效,原因就在這里。

    在熱處理中,為了減小畸變量,凡需要比較長的時間才能完成的過程,比如,工件加熱過程,應當設法把可能出現的內外應力減至最小。為了縮短熱應力引起的畸變,使用液體冷卻介質時,要設法縮短介質的蒸汽膜階段,以便縮短工件冷卻過程中不同部位的表面溫度跨在介質特性溫度上下的時間。

    在制定工藝時,應同時從上述3要素上采取措施來減小熱處理變形。其原則是:減小內外因素引起的應力,縮短應力的作用時間,尤其是在工件處于塑性好的時期。在分析已發生的熱處理畸變時,注意應力大、塑性好和作用時間長等諸因素,會比較容易找到引起畸變的主要原因。

    4 水的第二大缺點引起畸變的原因

    在測量的冷卻曲線上,從蒸汽膜階段到沸騰階段的過渡期,是冷卻速度由慢到快的突變期。通常把這種突變對應的探棒溫度,稱為所測冷卻介質的特性溫度。如圖1a所示。需要說明的是,我們見的冷卻特性曲線,是用熱電偶熱端位于探棒的中心的儀器測量出來的。事實上,工件表面的溫度一降低到介質的特性溫度,表面附近的介質就立刻進入沸騰階段。在液體介質的沸騰冷卻階段,工件的表面溫度越高,沸騰就越激烈,表面獲得的冷卻速度就越快。4a中進入沸騰階段后的冷卻速度是逐漸加大的,最高冷卻速度出現在特性溫度以下,這是熱電偶熱端位于探棒中心,加上探棒形狀為圓柱形的緣故。如果均勻圓球在完全均勻條件下冷卻,熱電偶又位于其表面,則有另一種圖形形式,如圖4b所示。由蒸汽膜階段進入沸騰冷卻階段,表面冷卻速度總是沸騰階段的最高值,而不是通過一段時間才增加至最高值。在實際工件冷卻中,不同部位按降溫的快慢,先后進入沸騰階段。同一工件的不同部位,有的在特性溫度之上,有的已經冷到了特性溫度之下,它們之間的冷卻速度差異,往往會引起大的內應力。當從介質的特性溫度以上冷卻下來時,所有液體介質都存在這一缺點。我們把這個缺點簡單稱為液體介質的特性溫度麻煩,或者特性溫度問題。

    與氣體冷卻介質相比,液體冷卻介質的冷卻速度的可調節范圍不太寬,這使確定的任何一種液體介質都只能適用一定范圍的工件。用于要求更高冷卻速度的工件,將淬不硬,用于要求更低冷卻速度的工件,又要淬裂。我們把這一特點稱為液體冷卻介質的第一缺點。在此又把上面討論的,“可能在工件局部區域發生冷卻速度突變,從而引起大的內應力”,也就是特性溫度問題稱為液體冷卻介質的第二個缺點。相比之下,單純的氣體冷卻介質,既可以改變流速來調節冷卻速度,又可以利用氣體的可壓縮性實現不同氣壓的高壓氣淬,從而能在很寬的范圍改變冷卻速度。表2為不同介質的有關特性。由表2可見,改變流速可以在一定范圍調節冷卻速度,改變介質的壓力,也能在一定程度內調節介質的冷卻速度。液體介質具有流動性,因此可以在一定范圍內調節其冷卻速度。氣體介質同時具有好的流動性和可壓縮性,能在更寬的范圍調節其冷卻速度。加上沒有特性溫度麻煩,使氣體沒有上述液體介質的兩個缺點。固體介質由于沒有流動性,也沒有可壓縮性,作為淬火冷卻介質的用途就很少。

    2  固、液、氣介質的基本特性
    Table 2 The basic properties of solid, liquid and gas quenchant 介質類型 固體 液體 氣體 流動性 無 好 很好 可壓縮性 無 無 很好 冷卻速度的可調節范圍 極小 不寬 寬 特性溫度麻煩 無 有 無

    本文開頭提到的自來水的第二大缺點,實際上包含了液體介質的第二個缺點,以及自來水的特性溫度對水溫特別敏感兩個特性。因為都是有關其特性溫度的缺點,為簡單起見,我們把它們統稱為自來水的第二大缺點。自來水不僅有液體介質的第二缺點,而且因為水溫升高,冷卻的蒸汽膜階段會迅速延長,使這種因素引起的內應力長期存在,為產生變形提供了塑性好,應力大和作用時間長的條件,因此不僅引起嚴重的硬度不均,更會加大工件的淬火畸變。說它是大缺點,“大”就大在自來水的冷卻特性對水溫特別敏感上。

    5 克服第二類缺點的技術方法

    綜合上述討論,推廣開來,我們建議用以下七類辦法,來克服液體介質的上述第二類缺點。

    ⑴ 在單一的冷卻階段內冷卻。選用那些特性溫度高于工件的淬火加熱溫度的介質,使整個冷卻過程都在沸騰階段進行。比如,通常使用硝鹽浴冷卻屬于這類。或者完全在介質的特性溫度以上冷卻,使整個冷卻過程都在蒸汽膜階段進行。比如,在慢速的漿狀介質中冷卻高合金鋼工件,屬于此類。我們認為,這是上等的解決辦法。

    5為160℃硝鹽浴與40℃的快速淬火油今禹Y15-II的冷卻速度曲線對比。由圖5可見,今禹Y15-II是冷卻速度很快的淬火油。而在整個冷卻過程中,硝鹽浴的冷卻速度都比今禹15-II要快。按現在還流行的一種觀點“在冷卻速度快的介質中淬火,工件的淬火畸變會更大”,油中的淬火畸變應當更小。但生產證明,硝鹽浴中淬火變形更小。有人用200℃的硝鹽浴與100℃熱油作了畸變大小試驗對比,結果見圖6[2]油中淬火的工件,變形更大而且更分散。究其原因,是硝鹽浴的特性溫度高于工件的入液溫度,從而實現了在單一的冷卻階段(沸騰冷卻階段)冷卻的緣故。圖7是高合金鋼的剔齒刀的分級鹽浴冷卻工藝。圖8為高合金鋼的3次分級冷卻工藝曲線與只有蒸汽膜階段的慢速漿狀介質的冷卻過程曲線[3]的對比。與漿狀介質相比,在分級冷卻過程中,每次放入鹽浴時,都會因冷卻速度快而引起較大的內應力。可以推知,代之以慢速漿狀介質冷卻,將會進一步減小工件的淬火畸變。

    ⑵ 選用蒸汽膜階段長短對液溫變化不敏感的介質,比如各種淬火油。采用油淬火時,工件堆放得稍微密集一點,使不同部位的工件接觸的油有一定的溫度差異時,各部位接觸的油的特性溫度基本上沒有差別,如圖1b所示。這就可以減小不同部位的冷卻差異,從而減小工件的淬火畸變。

    ⑶ 加入能減小介質液溫敏感性的添加劑,如自來水中溶入一定量的無機鹽或堿。

    ⑷ 選用蒸汽膜階段短的介質。形狀復雜的工件,尤其是帶較深內孔的工件,為減小淬火畸變,選用淬火油時,必須考慮到這一點。

    ⑸ 降低水性介質的使用溫度,來提高水的特性溫度,并降低水的最高溫升程度。如果能將水的特性溫度提高到工件的加熱溫度以上,還可以免除特性溫度麻煩。

    ⑹ 降低工件的加熱(或入液)溫度,以縮短工件處于蒸汽膜階段的時間。

    ⑺ 通過增大工件之間的距離和加大介質的攪拌烈度等措施,減小工件周圍的液溫升高程度,以減小上述內應力。

    一般說,選取幾種以上辦法,同時用上去,可以取得更好的效果。工廠現場要根據實際情況,避免某些有利于變形的因素相互疊加。比如,在油中做淬火冷卻時,入油之初,工件溫度高,塑性好,如果在油的特性溫度問題引起的內應力的基礎之上,加上強烈攪動引起的外來應力,就有可能在工件某些部位疊加成很大的應力,引起超差的塑性變形。東北某工廠遇到這樣的麻煩時,有人出了一個好主意:在工件入油之初不攪拌,經過1min-2min再開始攪拌,畸變問題馬上就解決了。究其道理,一是前期的冷卻使過冷奧氏體抵抗塑性能力提高,二是可能避開特性溫度麻煩引起的內應力與攪拌引起的同方向應力的疊加。按照這種思路,在某些場合,當不能完全避開特性溫度麻煩時,單純追求縮短油的蒸汽膜階段,就不如保留適當長度的蒸汽膜階段,等鋼材抵抗塑性變形的能力有所提高后,再遭遇特性溫度麻煩,更能減小工件的淬火畸變。又比如,降低水溶液的使用溫度,可以提高水的特性溫度,直至特性溫度高于工件的入水溫度。在水中溶解一定量的無機鹽,可以降低水的凝固點,從而把水的使用溫度降低到零下一、二十度,甚至更低的程度。此時,需要注意防止水溶液的低溫冷卻速度過高,以免引起工件淬裂。

    九、退火介紹

    1)鋼的退火與正火

    1退火
    退火和正火是生產中應用很廣泛的預備熱處理工藝,主要用于改善材料的切削加工性能。對于一些受力不大、性能要求不高的機器零件,也可以做為最終熱處理。
    等溫退火將奧氏體化后的鋼快冷至珠光體形成溫度等溫保溫,使過冷奧氏體轉變為珠光體,空冷至室溫。
    球化退火 將過共析碳鋼加熱到Ac1以上20~30℃,保溫2~4h,使片狀滲碳體發生不完全溶解斷開成細小的鏈狀或點狀,彌散分布在奧氏體基體上,在隨后的緩冷過程中,或以原有的細小的滲碳體質點為核心,或在奧氏體中富碳區域產生新的核心,形成均勻的顆粒狀滲碳體
       均勻化退火(擴散退火) 將工件加熱到1100℃左右,保溫10~15h,隨爐緩冷到350℃,再出爐空冷。工件經均勻化退火后,奧氏體晶粒十分粗大,必須進行一次完全退火或正火來細化晶粒,消除過熱缺陷.
       去應力退火 將工件隨爐緩慢加熱到500~650℃,保溫,隨爐緩慢冷卻至200℃出爐空冷。主要用于消除加工應力。
    再結晶退火 將材料加熱至再結晶溫度以上,保溫后緩慢冷卻的工藝方法。
        完全退火用于亞共析碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件;等溫退火用于奧氏體比較穩定的合金鋼;球化退火用于共析鋼、過共析鋼和合金工具鋼;均勻化退火用于高質量要求的優質高合金鋼的鑄錠和成分偏析嚴重的合金鋼鑄件;去應力退火用于鑄件、鍛件、焊接件、冷沖壓件及機加工件;再結晶退火主要用于去除加工硬化。

    2正火:
       將亞共析碳鋼加熱到Ac3以上30~50℃,過共析碳鋼加熱到Accm以上30~50℃,保溫,空氣中冷卻的方法稱為正火。適用于碳素鋼及中、低合金鋼,因為高合金鋼的奧氏體非常穩定,即使在空氣中冷卻也會獲得馬氏體組織。對于低碳鋼、低碳低合金鋼,細化晶粒,提高硬度(140~190HBS),改善切削加工性能;對于過共析鋼,消除二次網狀滲碳體,有利于球化退火的進行。

    2)殘留應力退火

    一般機械製品於加工面總是免不了會有殘留應力的存在,若製品未經適當應力退火處理,在不當的暴露於熱源〈例如陽光、熱引擎等〉下,會產生變形的現象,另外由殘餘應力經常識高度集中在某一局部區域,例如表面,焊接區等,因此會局部降低製品的機械強度。為避免這些問題,我們必須採用殘餘應力退火處理。

    此處理是將製品緩慢而均勻的加熱至一低於向變化點之溫度,然后至於此溫度一段時間,在緩慢而均勻的逐步冷卻下來,在此過程中最重要的是必須保持製品個區域之冷卻速度相同,否則冷卻后,由於各區冷卻速率的差異,會再度造成殘餘應力的出現。此點對復雜形狀之製品尤其嚴重。

    由於一應力退火乃是利用原子在高溫有微小潛變的現象,來重組原子位置以消除應力的存在。因此材料支應力退火溫度隨著材料之高溫潛變能力不同而有所變化。一般對耐潛變之材料。例如低合金鋼平常所用之退火溫度為595~675℃,但高鉻合金鋼則在900~1065℃。我們可視情況需要,利用較低的溫度與較長的時間,達到與短時間,高溫度下處理相同效果支應力消除。

    去應力退火處理

    去應力退火熱處理主要的目的,在於清除因鍛造、鑄造、機械加工或焊接所產生的殘留應力,這種殘存應力常導致工件強度降低、經久變形,并對材料韌性、延展性有不良影響,因此弛力退火熱處理對於尺寸經度要求嚴格的工件、有安全顧慮的機械構件事非常重要的。弛力退火的熱處理程序係將工件加熱到A1點以下的適當溫度,保持一段時間(不需像軟化退火熱處理那麼久)后,徐緩冷卻至室溫。特別需要注意的是,加熱時的速度要緩慢,尤其是大型物件或形狀復雜的工件更要特別注意,否則弛力退火的成效會大打折扣。

    鋼的正火

    將鋼加熱到臨界點(AC3、ACcm)以上,進行完全奧氏仜化,然后在空氣中冷卻,這種熱處理工藝,稱為正火。
    (一)正火工藝
    正火的加熱溫度正化學成份AC3以上50-100℃;過共析鋼的加熱溫度ACcm以上30-50℃。保溫時間主要取決于工件有效厚度和加熱爐的型式,如在箱式爐中加熱時,可以每毫米有效厚度保溫一分鐘計算。保溫后的冷卻,一般可在空氣中冷卻,但一些大型工件或在氣溫較高的夏天,有時也采用吹風或噴霧冷卻。
    (二)正火后組織與性能
    正火實質上是退火的一個特例。兩者不同之處,主要在于冷卻速度較快,過冷度較快,因而發生了偽共析轉變,使組織中珠光量增多,且珠光柋的片層間距變小。應該指出,某些高合金鋼空冷后,能獲得貝氏體或馬氏體組織,這是由于高合金鋼的過冷奧氏體非常穩定,C曲線。
    由于正火后的組織上的特點,故正火后的強度、硬度、韌性都比退火后的高,且塑性也并不降低。
    正火的應用
    正火與退火相比,鋼的機械性能高,提價簡便,生產周期短,能耗少,故在可能條件下,應優先考慮采用正火處理。目前的應用如下:
    1.作為普通結構零件的最終熱處理
    2.改善低碳鋼和低碳合金鋼的切削加工性
    3.作為中碳結構鋼制作的較重要零件的預先熱處理。
    4.消除過共析鋼中風狀二次滲碳體,為球化退火作好組織準備
    5.對一些大型的或形狀較復雜的零件,淬火可能有開裂的危險進,正火也往往代替淬火、回火處理,而作為這類零件的最終熱處理。 很*右。此時己不能稱其為正火,而稱為空淬有關。為了增加低碳鋼的硬度,可適當提高正火溫度。

     

    鋼之退火處理

     

    退火處理一般是指將鋼升溫至某一溫度,浸置一段時間后,再以一特定速率冷卻下來之處理。主要目的是軟化鋼材。有時亦用以改變其他性質或顯微結構。常見的退火處理有下列幾種

     1.      退火溫度:

    在很多之應用退火處理中,我們只注名所需之退火溫度,然后讓其在爐中冷卻即可。在進行退火處理時,最容易造成失敗的原因是未能維持爐中溫度之均勻性。越大之爐子越有此種問題。

     2.      製程退火:

    由於材料經過相等程度冷加工后,會有加工硬化的現象,以至無法做進一步的加工。因此我們必須於製程中加入一退火步驟來消除此種不利的加工硬化現象。此類退火處理統稱為製程退火。由於我們僅是想恢復材料之柔軟性,不在乎材料之顯微及結構內容,故為降低加工程本,一般多採用前面所提過的次臨界退火。最常見之退火溫度在約低於Ae  11至22℃之間。至於溫度的控制只要能保持在不超過Ae  之范圍即可。

    3.      切削用退火:

    不同之顯微姊購對材料之切削性質有很大不同的影響。例如5160鋼材,若經球化處理則可減少切削刀具之損耗。然而對其他之鋼材,球化結構不一定就有較佳之切削性質。一般我們可是材料之含碳量來訂出最佳之切削用顯微結構。

    4.      球化處理

    所的球化處理乃是在退火處理后能獲得球狀之碳化物之一種處理。一般可採用以下幾種方法得到。

    a.       長時間熱浸置於略低於Ae  之溫度。

    b.      輪番加熱及冷卻於Ae  溫度上下〈最好剛剛高於Ac  及低於Ar  〉。

    c.       加熱至高於Ac  ,然后慢慢在爐中冷卻,或停留Ar  一長時間。

    d.      從一溫度剛能完全溶解碳化物冷卻下來,所有之冷卻速率須用不產生碳化物。然后在按a或b法升溫回去。

    5.      鍛件之退火處理:

    由於鍛件經常接有冷成型或車型等加工步驟,退火處理一不可避免之熱處理過程。所需之退火過程必須取決於鍛件之材料及后接之製程。切削用之鍛件退火處理──若鍛件材料須有球化組織以便隨后之切削成型,我們可採用熱鍛溫度於奧斯田化溫度之上,然后在鍛后直接將鍛件出送到一具有球化處理溫度之爐內進行球化處理。此法可節省製作之時間與成本。冷成型用之鍛件退火處理──為方便隨后之冷成型加工,我們當然希望鍛件越短越好。故球化處理是最好之處理。在形狀及材料條件允許下,前述之步驟為最可取之處理。在冷成型后,由於冷加工,成品之殘餘應力應被注意到。我們應採取以前所討論過的應力退火處理來消除此種情況。

     

    均勻化退火處理

     

    均勻化處理(Homogenization),是利用在高溫進行長時間加熱,使內部的化學成分充分擴散,因此又稱為『擴散退火』。加熱溫度會因鋼材種類有所差異,大鋼錠通常在1200℃至1300℃之間進行均勻化處理,高碳鋼在1100℃至1200℃之間,而一般鍛造或軋延之鋼材則在1000℃至1200℃間進行此項熱處理。

     

    球化退火處理

     

    球化退火主要的目的,是希望藉由熱處理使鋼鐵材料內部的層狀或網狀碳化物凝聚成為球狀,使改善鋼材之切削性能及加工塑性,特別是高碳的工具鋼更是需要此種退火處理。常見的球化退火處理包括:(1)在鋼材A1溫度的上方、下方反覆加熱、冷卻數次,使A1變態所析出的雪明碳鐵,繼續附著成長在上述球化的碳化物上;(2)加熱至鋼材A3或Acm溫度上方,始碳化物完全固溶於沃斯田體后急冷,再依上述方法進行球化處理。使碳化物球化,尚可增加鋼材的淬火后韌性、防止淬裂,亦可改善鋼材的淬火回火后機械性質、提高鋼材的使用壽命。

     

    軟化退火處理

     

    軟化退火熱處理的熱處理程序是將工件加熱到600℃至650℃范圍內(A1溫度下方),維持一段時間之后空冷,其主要目的在於使以加工硬化的工件再度軟化、回復原先之韌性,以便能再進一步加工。此種熱處理方法常在冷加工過程反覆實施,故又稱之為製程退火。大部分金屬在冷加工后,材料強度、硬度會隨著加工量漸增而變大,也因此導致材料延性降低、材質變脆,若需要再進一步加工時,須先經軟化退火熱處理才能繼續加工。

     

    退火常見問題與解決技巧

     

    工件如何獲得性能優異之微細波來體結構?

    退火處理會使鋼材變軟,淬火處理會使鋼材變硬,相比較之下,如施以『正常化』處理,則可獲得層狀波來鐵組織,可有效改善鋼材的切削性及耐磨性,同時又兼具不會產生裂痕、變形量少與操作方便等優點。然而正常化處理是比較難的一種熱處理技術,因為它採用空冷的方式冷卻,會受到許多因素而影響空冷效果,例如夏天和冬天之冷卻效果不同、工件大小對空冷速率有別、甚至風吹也會影響冷卻速率。因此正常化處理要使用各種方法來維持均一性,可利用遮陽、圍幕、坑洞、風扇等。

     正常化處理與退火處理之差異

    正常化處理維加熱至A3點或Acm點以上40~60℃保持一段時間,使鋼材組織變成均勻的沃斯田體結構后,在靜止的空氣中冷卻至室溫的熱處理程序。對亞共析鋼而言,可獲得晶粒細化的目的而擁有好的強度與韌性;對過共析鋼而言,則可防止雪明碳鐵在沃斯田鐵晶粒邊界上形成網狀析出,以降低材料的韌性。

    完全退火處理主要目的是要軟化鋼材、改善鋼材之切削性,其熱處理程序為加熱至A3點以上20~30℃(亞共析鋼)或A1點以上30~50℃持溫一段時間,使形成完全沃斯田體組織后(或沃斯田體加雪明碳體組織),在A1點下方50℃使充分發生波來體變態,獲至軟化的鋼材。另外應力消除退火則是在變態點以下450~650℃加熱一段時間后徐徐冷卻至室溫,可消除鋼材內部在切削、沖壓、鑄造、熔接過程所產生的殘留應力。

    如何消除工件之殘留應力?

    應力消除退火則是在變態點以下450~650℃加熱一段時間后徐徐冷卻至室溫,可消除鋼材內部在切削、沖壓、鑄造、熔接過程所產生的殘留應力。對碳鋼而言,參考的加熱溫度為625±25℃;對合金鋼而言,參考的加熱溫度為700±25℃。持溫時間亦會有所差異,對碳鋼而言,保持時間為每25mm厚度持溫1小時;對合金鋼而言,保持時間為每25mm厚度持溫2小時,冷卻速率為每后25mm以275℃/小時以下的冷卻速率冷卻之。

    如何預防加熱變形?

    預防加熱變形的發生,最好是緩慢加熱,并實施預熱處理。一般鋼材在選擇預熱溫度時,可依下列準則來選定預熱溫度:(1)以變態點以下作為預熱溫度,例如普通鋼約在650~700℃,高速鋼則在800~850℃左右。(2)以500℃左右作為預熱溫度。(3)二段式預熱,先在500℃左右作第一段預熱,保持一段時間充分預熱后,在將預熱溫度調高至A1變態點以下。(4)三段式預熱,針對含有高含量合金之大型鋼材,例如高速鋼,有時需要在1000~1050℃作第三段預熱。

     

    退火的種類和淬火

     

    一、退火的種類
    1. 完全退火和等溫退火
    完全退火又稱重結晶退火,一般簡稱為退火,這種退火主要用于亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼的鑄,鍛件及熱軋型材,有時也用于焊接結構。一般常作為一些不重工件的最終熱處理,或作為某些工件的預先熱處理。
    2. 球化退火
    球化退火主要用于過共析的碳鋼及合金工具鋼(如制造刃具,量具,模具所用的鋼種)。其主要目的在于降低硬度,改善切削加工性,并為以后淬火作好準備。
    3. 去應力退火
    去應力退火又稱低溫退火(或高溫回火),這種退火主要用來消除鑄件,鍛件,焊接件,熱軋件,冷拉件等的殘余應力。如果這些應力不予消除,將會引起鋼件在一定時間以后,或在隨后的切削加工過程中產生變形或裂紋。
    二.淬火時,最常用的冷卻介質是鹽水,水和油。鹽水淬火的工件,容易得到高的硬度和光潔的表面,不容易產生淬不硬的軟點,但卻易使工件變形嚴重,甚至發生開裂。而用油作淬火介質只適用于過冷奧氏體的穩定性比較大的一些合金鋼或小尺寸的碳鋼工件的淬火。

     

    退火與正火

     

        1.鋼的退火將鋼加熱到一定溫度并保溫一段時間,然后使它慢慢冷卻,稱為退火。鋼的退火是將鋼加熱到發生相變或部分相變的溫度,經過保溫后緩慢冷卻的熱處理方法。退火的目的,是為了消除組織缺陷,改善組織使成分均勻化以及細化晶粒,提高鋼的力學性能,減少殘余應力;同時可降低硬度,提高塑性和韌性,改善切削加工性能。所以退火既為了消除和改善前道工序遺留的組織缺陷和內應力,又為后續工序作好準備,故退火是屬于半成品熱處理,又稱預先熱處理。
        2.鋼的正火正火是將鋼加熱到臨界溫度以上,使鋼全部轉變為均勻的奧氏體,然后在空氣中自然冷卻的熱處理方法。它能消除過共析鋼的網狀滲碳體,對于亞共析鋼正火可細化晶格,提高綜合力學性能,對要求不高的零件用正火代替退火工藝是比較經濟的。

     

     

     

    完全退火處理

    完全退火處理係將亞共析鋼加熱至Ac3溫度以上30~50℃、過共析鋼加熱至Ac1溫度以上50℃左右的溫度范圍,在該溫度保持足夠時間,使成為沃斯田體單相組織(亞共析鋼)或沃斯田體加上雪明碳體混合組織后,在進行爐冷使鋼材軟化,以得到鋼材最佳之延展性及微細晶粒組織。

     

    鑄鐵之弛力退火處理

     

        幾乎所有的鑄件在冷卻過程中都會產生熱應力,在熱處理過程中,特別正常化處理和退火處理之后均會成內應力,內應力發生的主要原因在於鑄件的內部肉厚不同,在急速冷卻過程中由於熱降的差異發生,肉厚不同會使每一個不分的收縮各異,因而引起了所謂內應力,冷的部分具有較高的潛變長度,而熱的部分其長度較低,故熱的部分就會在冷的部分收縮后形成熱點造成部份的變形,變形部分之強度,隨著變形度的增加而提高,最后再不能進一步變形時,鑄件內部形成某種程的彈性應力,甚至塑性應變,即為內應力,此應力幾乎可高達與抗拉強度等值,一且由於任何外在的原因使局部應力超過抗拉強度的時候,此類鑄件很容易因而造成破裂,熱處理是消除內應力最重要的一種方法,主要程序是升高溫度,令所有鑄建在非常均勻而緩慢的情況下,加熱及冷卻。

        退火溫度的高低,主要視鑄件的組成部分,以及必須消的強度量而定,甚至必須考慮組織的可能變化,最適合的退火溫度可大致歸納如下:對非合金性的鑄鐵而言,約在500~575℃之間,對於低筋性的鑄鐵而言,大約在550~600℃之間,對高合金鑄鐵而言則在600~650℃之間,爐內的溫度分布,必須儘可能的均勻以避免存在溫度梯度,不論任何情況下,用於退火的火焰或熱氣體,不能直接噴向鑄件,以避免在加熱的時候,薄壁的部分在次引起熱應力,而增加殘留應力的存在量,進而引起破裂,在到達退火溫度后的第一小時內大部分的內應力均會消除,則視鑄件的厚薄而定,一般而言鑄件厚度每增加25mm必須增加一小時的退火時間。

     

    鑄鐵之軟化退火處理

     

        灰鑄鐵與球狀石墨鑄鐵軟化退火,事實上是一種針對碳化物分解的熱處理,對非合金性及低合金鑄鐵而言,鐵碳所形成的碳化物并非是一種穩定相,在高溫中經過一段足夠長的時間,碳化物分解成為石墨、肥力鐵或沃斯田鐵,此類分解過程就是一般所謂的軟化熱處理,同時也是製造展性鑄鐵的主要程序,灰鑄鐵裡的碳化物主要分兩類,第一類是在凝固過程中形成的共晶碳化物(Eutectic Carbide),一般稱之為自由碳化物(Free Carbide)。軟化處理主要分成兩個步驟,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,波來鐵分解為肥力鐵與石墨之步驟為第二段石墨化。圖2-2所示為軟化處理時間-溫度曲線,如果波來鐵分解時予以非常緩慢的冷卻,則同時可達到弛力退火的效果。 

     第一段石墨化處理的目的在於消除共晶雪明碳鐵,因此當灰鑄鐵或者球狀石墨鑄鐵,再凝固過程中,石墨形成不完全,大部分都會形成共晶雪明碳鐵,在鑄件的角落和銳邊處,由於冷卻速率較快,或以金屬模鑄造時激冷效果均會產生共晶雪明碳鐵,另當硅的含量不夠,或接種的處理不良都會產生硬點,或形成碳化物,如果鑄鐵內具碳化物的穩定元素,儒Cr、V或太高之錳含量時,也會形成相同的結果,如果是由於成分的配合不恰當,晶界形成

    十、回火介紹

    1)鋼的回火
        回火是將淬火鋼重新加熱到A1以下某一溫度,保溫,然后冷卻的熱處理工藝。回火決定了鋼在使用狀態的組織和性能。回火的目的是為了穩定組織,消除淬火應力,提高鋼的塑性和韌性,獲得強度、硬度和塑性、韌性的適當配合,滿足各種工件不同的性能要求。
        根據回火溫度可將鋼的回火分為三類。

    1低溫回火(150~250℃)
        低溫回火后的組織為回火馬氏體,它是由過飽和的α相和與其共格的ε-Fe2.4C組成。其形態仍保留淬火馬氏體的片狀或板條狀。
        低溫回火的主要目的是保持淬火馬氏體的高硬度(58~62HRC)和高耐磨性,降低淬火應力和脆性。它主要用于各種高碳鋼的刃具、量具、冷沖模具、滾動軸承和滲碳工件。
    2中溫回火(350~500℃)
        中溫回火后的組織為回火托氏體,它是由尚未發生再結晶的針狀鐵素體和彌散分布的極細小的片狀或粒狀滲碳體組成,其形態仍為淬火馬氏體的片狀或板條狀。
    中溫回火的主要目的是為了獲得高的屈強比,高的彈性極限,高的韌性,回火托氏體的硬度為35~45HRC。中溫回火主要用于處理各種彈簧、鍛模。
    3高溫回火(500~650℃)
        高溫回火后的組織為回火索氏體,它是由已再結晶的鐵素體和均勻分布的細粒狀滲碳體組成。由于鐵素體發生了再結晶失去了原來淬火馬氏體的片狀或板條狀形態,呈現為多邊形顆粒狀,同時滲碳體聚集長大。

    2)回火常見問題和解決技巧

    100℃熱水回火之優點

    低溫回火常使用180℃至200℃左右來回火,使用油煮回火。其實若使用100℃的熱水來進行回火,會有許多優點,包括:100℃的回火可以減少磨裂的發生;100℃回火可使工件硬度稍增,改善耐磨性;100℃的熱水回火可降低急速加熱所產生裂痕的機會;進行深冷處理時,降低工件發生深冷裂痕的機率,對殘留沃斯田體有緩衝作用,增加材料強韌性;工件表面不會產生油焦,表面硬度稍低,適合磨床研磨加工,亦不會產生油煮過熱乾燒之現象。

     二次硬化之高溫回火處理

    對於工具鋼而言,殘留應力與殘留沃斯田體均對鋼材有著不良的影響,浴消除之就要進行高溫回火處理或低溫回火。高溫回火處理會有二次硬化現象,以SKD11而言,530℃回火所得鋼材硬度較200℃低溫回火稍低,但耐熱性佳,不會產生時效變形,且能改善鋼材耐熱性,更可防止放電加工之加工變形,益處甚多。

     在300℃左右進行回火處理,為何會產生脆化現象?

    部分鋼材在約270℃至300℃左右進行回火處理時,會因殘留沃斯田體的分解,而在結晶粒邊界上析出碳化物,導致回火脆性。二次硬化工具鋼當加熱至500℃~600℃之間時才會引起分解,在300℃并不會引起殘留沃斯田體的分解,故無300℃脆化的現象產生。

     回火產生之回火裂痕

    以淬火之鋼鐵材料經回火處理時,因急冷、急熱或組織變化之故而產生之裂痕,稱之為回火裂痕。常見之高速鋼、SKD11模具鋼等回火硬化鋼在高溫回火后急冷也會產生。此類鋼材在第一次淬火時產生第一次麻田散體變態,回火時因淬火產生第二次麻田散體變態(殘留沃斯田體變態成麻田散體),而產生裂痕。因此要防止回火裂痕,最好是自回火溫度作徐徐冷卻,同時淬火再回火的作業中,亦應避免提早提出回火再急冷的熱處理方式。

      回火產生之回火脆性

    可分為300℃脆性及回火徐冷脆性兩種。所謂300℃脆性係指部分鋼材在約270℃至300℃左右進行回火處理時,會因殘留沃斯田體的分解,而在結晶粒邊界上析出碳化物,導致回火脆性。所謂回火徐冷脆性係指自回火溫度(500℃~600℃)徐冷時出現之脆性,Ni-Cr鋼頗為顯著。回火徐冷脆性,可自回火溫度急冷加以防止,根據多種實驗結果顯示,機械構造用合金鋼材,自回火溫度施行空冷,以10℃/min以上的冷卻速率,就不會產生回火徐冷脆性。

     高週波淬火常見之問題

    高週波淬火處理常見的缺陷有淬火裂痕、軟點及剝離三項。高週波淬火最忌諱加熱不均勻而產生局部區域的過熱現象,諸如工件銳角部位、鍵槽部位、孔之周圍等均十分容易引起過熱,而導致淬火裂痕的發生,上述情形可藉由填充銅片加以降低淬火裂痕發生的可能性。另外高週波淬火工件在淬火過程不均勻,會引起工件表面硬度低的缺點,稱之為軟點,此現象係由於高週波淬火溫度不均勻、噴水孔阻塞或孔的大小與數目不當所致。第三種會產生的缺失是表面剝離現象,主要原因為截面的硬度變化量大或硬化層太淺,因此常用預熱的方式來加深硬化層,可有效防止剝離現象。

     不銹鋼為何不能在500℃至650℃間進行回火處理?

    大部分的不銹鋼在固溶化處理后,若在475℃至500℃之間長時間持溫時,會產生硬度加大、脆性亦大增的現象,此稱之為475℃脆化,主要原因有多種說法,包括相分解、晶界上有含鉻碳化物的析出及Fe-Cr化合物形成等,使得常溫韌性大減,且耐蝕性亦甚差,一般不銹鋼的熱處理應避免常時間持溫在這個溫度范圍。另外在600℃至700℃之間長時間持溫,會產生s相的析出,此s相是Fe-Cr金屬間化合物,不但質地硬且脆,還會將鋼材內部的鉻元素大量耗盡,使不銹鋼的耐蝕性與韌性均降低。

     為何會產生回火變形?

    會產生回火變形的主要原因為回火淬火之際產生的殘留硬力或組織變化導致,亦即因回火使張應力消除而收縮、壓應力的消除而膨脹,包括回火初期析出e碳化物會有若干收縮、雪明碳鐵凝聚過程會大量收縮、殘留沃斯田鐵變態成麻田散鐵會膨脹、殘留沃斯田鐵變態成變韌鐵會膨脹等,導致回火后工件的變形。防止的方法包括:(1)實施加壓回火處理;(2)利用熱浴或空氣淬火等減少殘留應力;(3)用機械加工方式矯正及(4)預留變形量等方式。

     回火淬性的種類

    1、270℃~350℃脆化:又稱為低溫回火淬性,大多發生在碳鋼及低合金鋼。

    2、400℃~550℃脆化:通常構造用合金鋼再此溫度范圍易產生脆化現象。

    3、475℃脆化:特別指Cr含量超過13%的肥粒鐵系不銹鋼,在400℃至550℃間施以回火處理時,產生硬度增加而脆化的現象,在475℃左右特別顯著。

    4、500℃~570℃脆化:常見於加工工具鋼、高速鋼等材料,在此溫度會析出碳化物,造成二次硬化,但也會導致脆性的提高。

    3)合金元素對回火轉變的影響
    淬火合金鋼進行回火時,其組織轉變與碳鋼相似。但由于合金元素的加入,使其在回火轉變時具有如下特點:
    1、提高淬火鋼的回火穩定性 淬火鋼在回火時,抵抗強度、硬度下降的能力稱為回火穩定性。
    2、產生二次硬化 淬火合金鋼在500~600℃溫度范圍回火時,硬度升高的現象稱為二次硬化。
    3、產生回火脆性  淬火合金鋼在某一溫度范圍內回火時,出現沖擊韌度劇烈下降的現象,稱為回火脆性。

    4)鑄鐵的回火與淬火

    所謂淬火是將材料自奧氏體區域的溫度非常快的速率將溫度降低以防止珠光體或索氏體的形成,自奧氏體區冷卻到Ms溫度由於時間太短碳元素不會發生擴散,基本直接轉變為馬氏體,此組織非常堅硬但也相當脆,可以回火方式令其變軟,以提高韌性,因此經過不同溫度回后,可以獲得不同硬度、強度及韌性的組合。而有所謂的恆溫淬火或熱溶淬火,即在鹽浴和金屬浴內進行淬火,造成中間相或變韌鐵的組織,在鑄鐵中常進行淬火和回火處理的是球狀石墨鑄鐵,對灰鑄鐵而言,較無特殊意義,最多在要提高灰鑄鐵的磨耗強度時才會考慮進行淬火處理,事實上此結果可藉表面處理達成。對球狀石墨鑄鐵而言,經過淬火回火的處理后,可以獲得與鑄造或正常化處理相同的強度,但具有更高的屈服強度,結果獲得較大彈性,特別是的得到較高韌性,因為經淬火、回火后,基地上含有較高碳,同時在這種情況下要比含有貝氏組織時容易進行表面硬化處理。

        若在空氣中冷卻,非合金性及低合金性鑄鐵之硬化能力不夠高,因此必須在某些液體中進行淬火,為了避免淬火時發生熱裂,使用的淬火液最好是油或某種懸浮液而應避免使用水,淬火時鑄件內部會形成溫度梯度,同時由于時間的差異,隨著馬氏體的形成所引起的體積變化率亦不相同,同時鑄件內部的內應力隨之增加,很容易形成熱裂或者在鑄件內形成很高的內應力,在這種情形下,應將油浴的溫度提高至50~100℃之間,藉此可以避免應力的形成,對於壁厚差較大的鑄件而言,特別要小心地將較厚的部分,首先伸向淬火液,如此可減少較薄部分所受的熱應力,同時油液內的油,必須加以攪拌,或令其流動,或將鑄件在淬火液內不停的晃動。

        鑄鐵的淬火溫度應在820~920℃之間,一般工廠最常使用的溫度是在850~900℃之間。當淬火溫度太低時,會造成含碳量較低之奧氏體,經過淬火后較軟,同時所形成馬氏體的強度亦較低,相反如果淬火溫度太高,奧氏體內含碳量過高,淬火時發生熱裂的危險性增高,形成殘留奧氏體的機會亦變大。

    淬火后之鑄鐵實際上脆性甚高,同時含過高之內應力,為了改進其硬性及韌性必須在經過回火處理,其處理程序與鋼相似,加熱速率應低於100℃/小時,回火溫地應在450~600℃之間,回火時間大約是4小時,回火時間太長或溫度過高,會是強度及硬度下降很多,但可提高彈性,在較低之溫度經較長的時間進行回火,可造成相當均勻之回火效果,同時整個鑄件之特性分布亦甚均勻,為了防止內應力的再發生,尤其對於復雜的鑄件,回火后應緩慢冷卻至200℃以下。

    十一、熱處理資料

    (1) 鋼的熱處理

    鋼的熱處理是將固態鋼采用適當的方式進行加熱、保溫和冷卻,以獲得所需組織結構與性能的一種工藝。
        熱處理的特點是改變零件或者毛坯的內部組織,而不改變其形狀和尺寸。
        能進行熱處理強化的材料必須滿足:有固態相變;經冷加工使組織結構處于熱力學不穩定狀態;表面能被活性介質的原子滲入從而改變表面化學成分
    鋼在加熱時的組織轉變
        鋼能進行熱處理強化,是由于鋼在固態下具有相變,在固態下不發生相變的純金屬或合金則不能用熱處理方法強化。
        在Fe-F3C相圖中,A1A3Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻時的相變溫度,是平衡臨界點。在實際生產中,加熱和冷卻不可能極緩慢,因此不可能在平衡臨界點進行組織轉變。由圖1-48所示,實際加熱時各臨界點的位置分別為圖中的Ac1Ac3 Accm線,而實際冷卻時各臨界點的位置分別為Ar1Ar2Arcm

    (2) 真空熱處理

    1真空熱處理的優越性  真空熱處理是和可控氣氛并駕齊驅的應用面很廣的無氧化熱處理技術,也是當前熱處理生產技術先進程度的主要標志之一。真空熱處理不僅可實現鋼件的無氧化、無脫碳,而且還可以實現生產的無污染和工件的少畸變,因而它還屬于清潔和精密生產技術范疇。目前它已成為工模具生產中不可替代的先進技術。

    2真空熱處理工藝  工件畸變小是真空熱處理的一個非常重要的優點。據國內外經驗,工件真空熱處理的畸變量僅為鹽浴加熱淬火的三分之一。研究各種材料、不同復雜程度零件的真空加熱方式和各種冷卻條件下的畸變規律,并用計算機加以模擬,對于推廣真空熱處理技術具有重要意義。真空加熱、常壓或高壓氣冷淬火時氣流均勻性對零件淬硬效果和質量分散度有很大影響。采用計算機模擬手段研究爐中氣流循環規律,對于改進爐子結構變具有重要意義。真空滲碳是實現高溫滲碳的最可能的方式。但在高溫下長時間加熱會使大多數鋼種的奧氏體晶粒度長得很大,對于具體鋼材高溫滲碳,重新加熱淬火對材料和工件性能的影響規律加以研究,對優化真空滲碳、冷卻、加熱淬火工藝和設備是很有必要的。近幾年,國際上有研究開發使用氣體燃料的燃燒式真空爐的動向。在真空爐中采用氣體燃料加熱的困難太多,雖然有節約能源的說法,但不一定是一個重要的發展方向。

    3)化學熱處理

    化學熱處理是將工件置入含有活性原子的特定介質中加熱和保溫,使介質中一種或幾種元素(如C、N、Si、B、Al、Cr、W等)滲入工件表面,以改變表層的化學成分和組織,達到工件使用性能要求的熱處理工藝。其特點是既改變工件表面層的組織,又改變化學成分。它可比表面淬火獲得更高的硬度、耐磨性和疲勞強度,并可提高工件表層的耐蝕性和高溫抗氧化性。
    各種化學熱處理都是由以下三個基本過程組成的。
    1)分解  由介質中分解出滲入元素的活性原子。
    2)吸收 工件表面對活性原子進行吸收。吸收的方式有兩種,即活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格形成溶體,或與鋼中的某種元素形成化合物。
    3)擴散 已被工件表面吸收的原子,在一定溫度下,由表面往里遷移,形成一定厚度的擴散層。
    1、滲碳:
        滲層組織:淬火后為碳化物、馬氏體、殘余奧氏體。滲層厚度(mm),0.3~1.6,表面硬度,57~63HRC,作用與特點,提高表面硬度、耐磨性、疲勞強度,滲碳溫度(930℃)較高,工件畸變較大;應用,常用于低碳鋼、低碳合金鋼、熱作模具鋼制作的齒輪、軸、活塞、銷、鏈條。
    滲碳件滲碳后,都要進行淬火、低溫回火,回火溫度一般為150~200℃。
        經淬火和低溫回火后,滲碳件表面為細小片狀回火馬氏體及少量滲碳體,硬度可達58~64HRC,耐磨性能很好。心部組織決定于鋼的淬透性。普通低碳鋼如15、20鋼,心部組織為鐵素體和珠光體,硬度為10~15HRC。低碳合金鋼如20CrMnTi心部組織為回火低碳馬氏體、鐵素體及托氏體,硬度為35~45HRC,具有較高的強度、韌性及一定的塑性。
    2.液體氮化  也稱軟氮化,低溫氰化,或者氮碳共滲,在滲氮過程中,碳原子也參與,因而比一般的單一氣體滲氮具有更高的滲速,在滲層表面硬度相當的情況下,氮化層的脆性也比氣體氮化小,軟氮化因此得名。 氮化主要是往爐中加入純氨,在200℃以上氨分解為活性氮原子,在500~580℃時,活性氮原子往鋼件表面滲氮和擴散,得到0.3~0.5mm厚的高硬度、耐腐蝕、抗疲勞的氮化層。
     把含碳物質和氨同時通入爐內就是碳氮共滲,又叫氰化。它兼有滲碳和氮化的性能,氰化溫度低于滲碳,使工件變形小,而氰化速度比滲碳和氮化快,生產周期短。老的液體氮化法主要原料是氰化鈉,所以也有叫低溫氰化的,硬化層中的氮比碳的濃度高,因而氮碳共滲的稱法又被廣泛采用在氮化的過程中,當活性較大時,表面生成很薄的化合物層(10~30μm的ε相),隨后便是γ`和擴散層。當活性較小時,表面化合物相可以不出現,從而獲得得以彌散硬化為主的組織

    3.離子氮化  是利用輝光放電這一物理現象對金屬材料表面強化的氮化法。在低壓的氮氣或氨氣等氣氛中,爐體和被處理工件之間加以直流電壓,使產生輝光放電,在被處理表面數毫米處出現急劇的電壓降,氣體中的離子,向陰極移動,當接近工件表面時,由于電壓降劇降而被強烈加速,轟擊工件表面,離子具有的動能轉變為熱能,加熱了被處理的工件,同時一部分離子直接注入工件表面,一部分離子引起陰極濺射,從工件表面“濺射出”電子和原子,“濺出”的鐵原子和由于電子作用而形成的原子態氮相結合,形成FeN。FeN由于吸附和在表面上蒸發,因受到高溫和離子轟擊而很快地分解為低價氮化物而放出氮。一部分失去氮的鐵又被濺射到輝光等離子氣體中與新的氮原子相結合,促進氮化。

    4)化學熱處理解釋

    化學熱處理是通過改變金屬和合金工件表層的化學成分、組織和性能的金屬熱處理。

        化學熱處理的工藝過程一般是:將工件置于含有特定介質的容器中,加熱到適當溫度后保溫,使容器中的介質(滲劑)分解或電離,產生的能滲入元素的活性原子或離子,在保溫過程中不斷地被工件表面吸附,并向工件內部擴散滲入,以改變工件表層的化學成分。通常,在工件表層獲得高硬度、耐磨損和高強度的同時,心部仍保持良好的韌性,使被處理工件具有抗沖擊載荷的能力。

        每一種化學熱處理工藝都各有其特點,如果需要分別或同時提高耐磨、減摩、抗咬死、耐蝕、抗高溫氧化和耐疲勞性能,則根據工件的材質和工作條件選擇相應的化學熱處理工藝。

        化學熱處理是古老的工藝之一,在中國可上溯到西漢時期。已出土的西漢中山靖王劉勝的佩劍,表面含碳量達O.6~0.7%,而心部為O.15~O.4%,具有明顯的滲碳特征。明代宋應星撰《天工開物》一書中,就記載有用豆豉、動物骨炭等作為滲碳劑的軟鋼滲碳工藝。

        明代方以智在《物理小識》“淬刀”一節中,還記載有“以醬同硝涂鏨口,煅赤淬火”。硝是含氮物質,當有一定的滲氮作用。這說明滲碳、滲氮或碳氮共滲等化學熱處理工藝,早在古代就已被勞動人民所掌握,并作為一種工藝廣泛用于兵器和農具的制作。

        隨著化學熱處理理論和工藝的逐步完善,自二十世紀初開始,化學熱處理已在工業中得到廣泛應用。隨著機械制造和軍事工業的迅速發展,對產品的各種性能指標也提出了越來越高的要求。除滲碳外,又研究和完善了滲氮、碳氮和氮碳共滲、滲鋁、滲鉻、滲硼、滲硫、硫氮和硫氮碳共滲,以及其他多元共滲工藝。

        電子計算機的問世,使化學熱處理過程的控制日臻完善,不僅生產過程的自動化程度越來越高,而且工藝參數和處理質量也得到更加可靠的控制。

        按滲入元素的性質,化學熱處理可分為滲非金屬和滲金屬兩大類。前者包括滲碳、滲氮、滲硼和多種非金屬元素共滲,如碳氮共滲、氮碳共滲、硫氮共滲、硫氮碳(硫氰)共滲等;后者主要有滲鋁、滲鉻、滲鋅,鈦、鈮、鉭、釩、鎢等也是常用的表面合金化元素,二元、多元滲金屬工藝,如鋁鉻共滲、鉭鉻共滲等均已用于生產。此外,金屬與非金屬元素的二元或多元共滲工藝也不斷涌現,例如鋁硅共滲、硼鉻共滲等。

        鋼鐵的化學熱處理可按進行擴散時的基本組織,區分為鐵素體化學熱處理和奧氏體化學熱處理。前者的擴散溫度低于鐵氮共析溫度,如滲氮、滲硫、硫氮共滲、氧氮共滲等,這些工藝又可稱為低溫化學熱處理;后者是在臨界溫度以上擴散,如滲碳、滲硼、滲鋁、碳氮共滲等,這些工藝均屬高溫化學熱處理范圍。

        滲碳是使碳原子滲入鋼制工件表層的化學熱處理工藝。滲碳后,工件表面含碳量一般高于0.8%。淬火并低溫回火后,在提高硬度和耐磨性的同時,心部能保持相當高的韌性,可承受沖擊載荷,疲勞強度較高。但缺點是處理溫度高,工件畸變大。

        滲碳工藝廣泛應用于飛機、汽車、機床等設備的重要零件中,如齒輪、軸和凸輪軸等。滲碳是應用最廣、發展得最全面的化學熱處理工藝。用微處理機可實現滲碳全過程的自動化,能控制表面含碳量和碳在滲層中的分布。

        滲氮是使氮原子向金屬工件表層擴散的化學熱處理工藝。鋼鐵滲氮后,可形成以氮化物為主的表層。當鋼中含有鉻、鋁、鉬等氮化物時,可獲得比滲碳層更高的硬度、更高的耐磨、耐蝕和抗疲勞性能。滲氮主要用于對精度、畸變量、疲勞強度和耐磨性要求都很高的工件,例如鏜床主軸、鏜桿,磨床主軸,氣缸套等。

        碳氮共滲和氮碳共滲是在金屬工件表層同時滲入碳、氮兩種元素的化學熱處理工藝。前者以滲碳為主,與滲碳相比,共滲件淬冷的畸變小,耐磨和耐蝕性高,抗疲勞性能優于滲碳,70年代以來,碳氮共滲工藝發展迅速,不僅可用在若干種汽車、拖拉機零件上,也比較廣泛地用于多種齒輪和軸類的表面強化;后者則以滲氮為主,它的主要特點是滲速較快,生產周期短,表面脆性小且對工件材質的要求不嚴,不足之處是工件滲層較薄,不宜在高載荷下工作。

        滲鵬是使硼原子滲入工件表層的化學熱處理工藝。硼在鋼中的溶解度很小,主要是與鐵和鋼中某些合金元素形成硼化物。滲硼件的耐磨性高于滲氮和滲碳層,而且有較高的熱穩定性和耐蝕性。滲硼層脆性較大,難以變形和加工,故工件應在滲硼前精加工。這種工藝主要用于中碳鋼、中碳合金結構鋼零件,也用于鈦等有色金屬和合金的表面強化。

        滲硼工藝已在承受磨損的磨具、受到磨粒磨損的石油鉆機的鉆頭、煤水泵零件、拖拉機履帶板、在腐蝕介質或較高溫度條件下工作的閥桿、閥座等上獲得應用。但滲硼工藝還存在處理溫度較高、畸變大、熔鹽滲硼件清洗較困難和滲層較脆等缺點。

        滲硫是通過硫與金屬工件表面反應而形成薄膜的化學熱處理工藝。經過滲硫處理的工件,其硬度較低,但減摩作用良好,能防止摩擦副表面接觸時因摩擦熱和塑性變形而引起的擦傷和咬死。

        硫氮共滲、硫氮碳共滲是將硫、氮或硫、氮、碳同時滲入金屬工件表層的化學熱處理工藝。采用滲硫工藝時,滲層減摩性好,但在載荷較高時滲層會很快破壞。采用滲氮或氮碳共滲工藝時,滲層有較好的耐磨、抗疲勞性能,但減摩性欠佳。硫氮或硫氮碳共滲工藝,可使工件表層兼具耐磨和減摩等性能。

        滲金屬是將一種或數種金屬元素,滲入金屬工件表層的化學熱處理工藝。金屬元素可同時或先后以不同方法滲入。在滲層中,它們大多以金屬間化合物的形式存在,能分別提高工件表層的耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等性能。常用的滲金屬工藝有滲鋁、滲鉻、滲鋅等。

    化學熱處理的發展將著重于擴大低溫化學熱處理的應用;提高滲層質量和加速化學熱處理過程;研制適應常用化學熱處理工藝的專用鋼;發展無污染化學熱處理工藝和復合滲工藝;用計算機控制多種化學熱處理過程,建立相應的數學模型,研制各種介質中適用的傳感器和外接儀表、設備等。

    5)合金元素對熱處理的影響

    1合金元素對鋼加熱轉變的影響
        除了鎳、鈷以外,大多數合金元素特別是強碳化物形成元素,使碳的擴散速度降低,奧氏體的形成過程減緩,因此奧氏體化加熱溫度提高,保溫時間延長。
    除了錳、硼以外,大多數合金元素阻礙奧氏體晶粒長大,淬火后獲得細小馬氏體組織。
    2合金元素對鋼冷卻轉變的影響
        除了Co以外,大多數合金元素溶入奧氏體中,不同程度地阻礙了鐵、碳原子的擴散,減緩了奧氏體的分解能力,使奧氏體穩定性提高,C曲線右移或形成珠光體和貝氏體兩個轉變區。除Co、Al外,大多數合金元素使Ms點、Mf點下移,如圖1-71所示,使鋼在淬火后殘余奧氏體量增多,如圖1-72所示。

    6)45鋼和40Cr鋼調質熱處理

    調質是淬火加高溫回火的雙重熱處理,其目的是使工件具有良好的綜合機械性能。
        調質鋼有碳素調質鋼和合金調質鋼二大類,不管是碳鋼還是合金鋼,其含碳量控制比較嚴格。如果含碳量過高,調質后工件的強度雖高,但韌性不夠,如含碳量過低,韌性提高而強度不足。為使調質件得到好的綜合性能,一般含碳量控制在0.30~0.50%。


        調質淬火時,要求工件整個截面淬透,使工件得到以細針狀淬火馬氏體為主的顯微組織。通過高溫回火,得到以均勻回火索氏體為主的顯微組織。小型工廠不可能每爐搞金相分析,一般只作硬度測試,這就是說,淬火后的硬度必須達到該材料的淬火硬度,回火后硬度按圖要求來檢查。

    工件調質處理的操作,必須嚴格按工藝文件執行,我們只是對操作過程中如何實施工藝提些看法。


       1、 45鋼的調質
       45鋼是中碳結構鋼,冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低、來源廣,所以應用廣泛。它的最大弱點是淬透性低,截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。


       45鋼淬火溫度在A3+(30~50) ℃,在實際操作中,一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快,表面氧化減少,且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化,就需要足夠的保溫時間。如果實際裝爐量大,就需適當延長保溫時間。不然,可能會出現因加熱不均勻造成硬度不足的現象。但保溫時間過長,也會也出現晶粒粗大,氧化脫碳嚴重的弊病,影響淬火質量。我們認為,如裝爐量大于工藝文件的規定,加熱保溫時間需延長1/5。


       因為45鋼淬透性低,故應采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后,應該淬透,但不是冷透,如果工件在鹽水中冷透,就有可能使工件開裂,這是因為當工件冷卻到180℃左右時,奧氏體迅速轉變為馬氏體造成過大的組織應力所致。因此,當淬火工件快冷到該溫度區域,就應采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握,須憑經驗操作,當水中的工件抖動停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。另外,工件入水宜動不宜靜,應按照工件的幾何形狀,作規則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件,導致硬度不均勻,應力不均勻而使工件變形大,甚至開裂。


        45鋼調質件淬火后的硬度應該達到HRC56~59,截面大的可能性低些,但不能低于HRC48,不然,就說明工件未得到完全淬火,組織中可能出現索氏體甚至鐵素體組織,這種組織通過回火,仍然保留在基體中,達不到調質的目的。


        45鋼淬火后的高溫回火,加熱溫度通常為560~600℃,硬度要求為HRC22~34。因為調質的目的是得到綜合機械性能,所以硬度范圍比較寬。但圖紙有硬度要求的,就要按圖紙要求調整回火溫度,以保證硬度。如有些軸類零件要求強度高,硬度要求就高;而有些齒輪、帶鍵槽的軸類零件,因調質后還要進行銑、插加工,硬度要求就低些。關于回火保溫時間,視硬度要求和工件大小而定,我們認為,回火后的硬度取決于回火溫度,與回火時間關系不大,但必須回透,一般工件回火保溫時間總在一小時以上。


       2、40Cr鋼的調質處理
       Cr能增加鋼的淬透性,提高鋼的強度和回火穩定性,具有優良的機械性能。截面尺寸大或重要的調質工件,應采用Cr鋼。但Cr鋼有第二類回火脆性。


       40Cr工件調質的淬回火,各種參數工藝卡片都有規定,我們在實際操作中體會是:
       1、40Cr工件淬火后應采用油冷,40Cr鋼的淬透性較好,在油中冷卻能淬硬,而且工件的變形、開裂傾向小。但是小型企業在供油緊張的情況下,對形狀不復雜的工件,可以在水中淬火,并未發現開裂,只是操作者要憑經驗嚴格掌握入水、出水的溫度。
       2、40Cr工件調質后硬度仍然偏高,第二次回火溫度就要增加20~50℃,不然,硬度降低困難。
       3、40Cr工件高溫回火后,形狀復雜的在油中冷卻,簡單的在水中冷卻,目的是避免第二類回火脆性的影響。回火快冷后的工件,必要時再施以消除應力處理。

    影響調質工件的質量,操作工的水平是個重要因素,同時,還有設備、材料和調質前加工等多方面的原因,我們認為:
       1工件從加熱爐轉移到冷卻槽速度緩慢,工件入水的溫度已降到低于Ar3臨界點,產生部分分解,工件得到不完全淬火組織,達不到硬度要求。所以小零件冷卻液要講究速度,大工件予冷要掌握時間。
      2、工件裝爐量要合理,以1~2層為宜,工件相互重疊造成加熱不均勻,導致硬度不勻。
      3、工件入水排列應保持一定距離,過密使工件近處蒸氣膜破裂受阻,造成工件接近面硬度偏低。
      4、開爐淬火,不能一口氣淬完,應視爐溫下降程度,中途閉爐重新升溫,以便前后工件淬后硬度一致。
      5、要注意冷卻液的溫度,10%鹽水的溫度如高于60℃,不能使用。冷卻液不能有油污、泥漿等雜質,不然,會出現硬度不足或不均勻現象。
      6、未經加工毛坯調質,硬度不會均勻,如要得到好的調質質量,毛坯應粗車,棒料要鍛打。
      7、嚴把質量關,淬火后硬度偏低1~3個單位,可以調整回火溫度來達到硬度要求。但淬火后工件硬度過低,有的甚至只有HRC25~35,必須重新淬火,絕不能只施以中溫或低溫回火以達到圖紙要求完事,不然,失去了調質的意義,并有可能產生嚴重的后果。

    7)常用鋼熱處理回火計算

    鋼的回火硬度(H)取決于回火溫度(T)和回火時間(t),三者之間存在著一定的函數關系,即H = f(T,t)。當 t為定值時,H和T的函數關系可劃分為四種類型:(1)直線型;(2)拋物線型;(3)冪函數型;(4)直線和冪函數的復合型。因后兩種類型在使用時,計算和作圖極為不便,故大多數情況下,將其簡化為直線和拋物線型,用經驗方程可表示為:H = a1 + k1 T  H = a2 + k2 T
    其中,a1、a2、k1、k2為特定系數。
    依據實際工藝試驗和有關參考文獻的數據,運用數理統計方法計算和修正,得出部分常用鋼種的回火方程。實踐證明,這些經驗公式具有重要的適用價值。
     號     淬火溫度/淬火介質  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
    使用說明:
    1)要求原材料化學成分及力學性能符合國家技術標準(GB、YB等),最大外經(或相對厚度)接近或小于淬火臨界直徑。
    2)在淬火溫度、回火時間為定值的條件下,回火方程僅適用于常規淬火、回火工藝;不可用于亞溫淬火、復合熱處理、形變熱處理等工藝。
    3)在熱處理過程中,還應選擇正確的淬火介質,使冷卻能力滿足工藝要求;鋼材按要求進行預備熱處理;
    4)考慮到隨機因素的影響,鋼材熱處理后,回火實際硬度和溫度與計算所得數允許有5%的誤差。

     

    上一條:不銹鋼無縫管發生氧化現象有三大原因 下一條:氯離子對應不銹鋼腐蝕濃度應該選用什么材質不銹鋼管?
    日韩午夜无码A级毛片,一级特黄片,一级黄片看看,大香蕉电影在线播放