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金屬熱處理基礎知識(一)

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金屬熱處理基礎知識(一)

發布日期:2018-07-26 作者: 點擊:

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  金屬熱處理是将金屬工件放在一定的介質中加熱到适宜的溫度,并在此溫度中保持一定時間後,又以不同速度冷卻的一種工藝。 
1.金屬組織
  金屬:具有不透明、金屬光澤良好的導熱和導電性并且其導電能力随溫度的增高而減小,富有延性和展性等特性的物質。金屬内部原子具有規律性排列的固體(即晶體)。
  合金:由兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬組成,具有金屬特性的物質。
  相:合金中成份、結構、性能相同的組成部分。
  固溶體:是一個(或幾個)組元的原子(化合物)溶入另一個組元的晶格中,而仍保持另一組元的晶格類型的固态金屬晶體,固溶體分間隙固溶體和置換固溶體兩種。
  固溶強化:由于溶質原子進入溶劑晶格的間隙或結點,使晶格發生畸變,使固溶體硬度和強度升高,這種現象叫固溶強化現象。
  化合物:合金組元間發生化合作用,生成一種具有金屬性能的新的晶體固态結構。
  機械混合物:由兩種晶體結構而組成的合金組成物,雖然是兩面種晶體,卻是一種組成成分,具有獨立的機械性能。
鐵素體:碳在a-Fe(體心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。
奧氏體:碳在g-Fe(面心立方結構的鐵)中的間隙固溶體。
滲碳體:碳和鐵形成的穩定化合物(Fe3c)。
珠光體:鐵素體和滲碳體組成的機械混合物(F+Fe3c 含碳0.8%)
萊氏體:滲碳體和奧氏體組成的機械混合物(含碳4.3%)
  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,而是通過改變工件内部的顯微組織,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内在質量,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,鋼鐵顯微組織複雜,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内容。另外,鋁、銅、鎂、钛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,中國人在生産實踐中就已發現,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。 
  随着淬火技術的發展,人們逐漸發現淬冷劑對淬火質量的影響。三國蜀人蒲元曾在今陝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0.15~0.4%,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,内部會發生組織改變,鋼中高溫時的相在急冷時轉變為一種較硬的相。法國人奧斯蒙德确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。 
  1850~1880年,對于應用各種氣體(諸如氫氣、煤氣、一氧化碳等)進行保護加熱曾有一系列專利。1889~1890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1901~1925年,在工業生産中應用轉筒爐進行氣體滲碳 ;30年代出現露點電位差計,使爐内氣氛的碳勢達到可控,以後又研究出用二氧化碳紅外儀、氧探頭等進一步控制爐内氣氛碳勢的方法;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,有時隻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),這對于熱處理後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,也可用塗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。加熱溫度随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,以獲得高溫組織。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,使内外溫度一緻,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,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、表面熱處理和化學熱處理三大類。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幹不同的熱處理工藝。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複雜,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,然後以适當的速度冷卻,以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大緻有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。 
  退火是将工件加熱到适當溫度,根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間,然後進行緩慢冷卻,目的是使金屬内部組織達到或接近平衡狀态,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。正火是将工件加熱到适宜的溫度後在空氣中冷卻,正火的效果同退火相似,隻是得到的組織更細,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。
  淬火是将工件加熱保溫後,在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火後鋼件變硬,但同時變脆。為了降低鋼件的脆性,将淬火後的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一适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”随着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後,将其置于室溫或稍高的适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,保持處理後工件表面光潔,提高工件的性能,還可以通入滲劑進行化學熱處理。 
  表面熱處理是隻加熱工件表層,以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了隻加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件内部,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後者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是将工件放在含碳、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。滲入元素後,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。 
  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态,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 ;齒輪采用正确的熱處理工藝,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、不鏽鋼;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、矽、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。但随着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,為了便于生産、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,可将鋼分為許多類: 
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。 
  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。 
  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。 
  特殊性能鋼:是具有特殊物理化學性能的鋼。可分為不鏽鋼、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、鉻錳钛鋼等。

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