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除了熱處理的4把火外，機械零件常用的熱處理方式還有這些 -熱處理展-工業(yè)爐展-2024第二十四屆廣州國際熱處理、工業(yè)爐展覽會-巨浪展覽—The 24th China(Guangzhou)Int’l Heat Treatment, Industrial Furnace Exhibition
2023年12月18日 熱處理展-工業(yè)爐展-heat treatment expo-furnace expo |
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熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。根據(jù)加熱、冷卻方式的不同及組織、性能變化特點的不同，熱處理可以分為下列幾類：普通熱處理、表面熱處理及其它熱處理。
熱處理的發(fā)展歷史
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(fā)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(jīng)過淬火的。隨著淬火技術的發(fā)展，人們逐漸發(fā)現(xiàn)淬冷劑對淬火質(zhì)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(zhì)的冷卻能力了，同時也注意了油和水的冷卻能力。
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(fā)展很慢。１８６３年，英國金相學家和地質(zhì)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(nèi)部會發(fā)生組織改變，鋼中高溫時的相在急冷時轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N較硬的相。法國人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及英國人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)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(fā)展和其他新技術的移植應用，使金屬熱處理工藝得到更大發(fā)展。一個顯著的進展是１９０１——１９２５年，在工業(yè)生產(chǎn)中應用轉(zhuǎn)筒爐進行氣體滲碳；３０年代出現(xiàn)露點電位差計，使爐內(nèi)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(nèi)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(fā)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。
熱處理的4把火
回火：
高溫回火所得組織為回火索氏體。回火一般不單獨使用，在零件淬火處理后進行回火，主要目的是消除淬火應力，得到要求的組織，回火根據(jù)回火溫度的不同分為低溫、中溫和高溫回火。分別得到回火馬氏體、屈氏體和索氏體。
其中淬火后進行高溫回火相結(jié)合的熱處理稱為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200－330。
退火：
退火過程中發(fā)生的是珠光體轉(zhuǎn)變，退火的主要目的是使金屬內(nèi)部組織達到或接近平衡狀態(tài)，為后續(xù)加工和最終熱處理做準備。去應力退火是為了消除由于塑性形變加工、焊接等而造成的以及鑄件內(nèi)存在的殘余應力而進行的退火工藝。鍛造、鑄造、焊接以及切削加工后的工件內(nèi)部存在內(nèi)應力，如不及時消除，將使工件在加工和使用過程中發(fā)生變形，影響工件精度。
采用去應力退火消除加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力十分重要。去應力退火的加熱溫度低于相變溫度，因此，在整個熱處理過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。內(nèi)應力主要是通過工件在保溫和緩冷過程中自然消除的。
淬火：
淬火是把金屬成材或零件加熱到相變溫度以上，保溫后，以大于臨界冷卻速度的急劇冷卻，以獲得馬氏體組織的熱處理工藝。淬火是為了得到馬氏體組織，再經(jīng)回火后，使工件獲得良好的使用性能，以充分發(fā)揮材料的潛力。其主要目的是：
1）提高金屬成材或零件的機械性能。例如：提高工具、軸承等的硬度和耐磨性，提高彈簧的彈性極限，提高軸類零件的綜合機械性能等。
2）改善某些特殊鋼的材料性能或化學性能。如提高不銹鋼的耐蝕性，增加磁鋼的永磁性等。
淬火冷卻時，除需合理選用淬火介質(zhì)外，還要有正確的淬火方法，常用的淬火方法，主要有單液淬火，雙液淬火，分級淬火、等溫淬火，局部淬火等。
正火：
正火的特點是空氣冷卻，因而環(huán)境氣溫、堆放方式、氣流及工件尺寸對正火后的組織和性能均有影響。正火組織還可作為合金鋼的一種分類方法。通常根據(jù)直徑為25毫米的試樣加熱到900℃后,空冷得到的組織，將合金鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼。
① 對亞共析鋼，正火用以消除鑄、鍛、焊件的過熱粗晶組織和魏氏組織，軋材中的帶狀組織；細化晶粒；并可作為淬火前的預先熱處理。
② 對過共析鋼，正火可以消除網(wǎng)狀二次滲碳體，并使珠光體細化，不但改善機械性能，而且有利于以后的球化退火。
③ 對低碳深沖薄鋼板，正火可以消除晶界的游離滲碳體，以改善其深沖性能。
④ 對低碳鋼和低碳低合金鋼，采用正火，可得到較多的細片狀珠光體組織，使硬度增高到HB140-190，避免切削時的“粘刀”現(xiàn)象，改善切削加工性。對中碳鋼，在既可用正火又可用退火的場合下，用正火更為經(jīng)濟和方便。
⑤ 對普通中碳結(jié)構(gòu)鋼，在力學性能要求不高的場合下，可用正火代替淬火加高溫回火，不僅操作簡便，而且使鋼材的組織和尺寸穩(wěn)定。
⑥ 高溫正火(Ac3以上150～200℃)由于高溫下擴散速度較高,可以減少鑄件和鍛件的成分偏析。高溫正火后的粗大晶粒可通過隨后第二次較低溫度的正火予以細化。
⑦ 對某些用于汽輪機和鍋爐的低、中碳合金鋼，常采用正火以獲得貝氏體組織，再經(jīng)高溫回火，用于400～550℃時具有良好的抗蠕變能力。
⑧ 除鋼件和鋼材以外，正火還廣泛用于球墨鑄鐵熱處理，使其獲得珠光體基體，提高球墨鑄鐵的強度。
機械零件為什么要進行熱處理？
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(yè)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(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、物理和化學性能，以獲得不同的使用性能。
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(nèi)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(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能看到的。熱處理的作用就是提高材料的機械性能、消除殘余應力和改善金屬的切削加工性。
常見零件的熱處理方式
化學熱處理
化學熱處理是利用化學反應、有時兼用物理方法，改變鋼件表層化學成分及組織結(jié)構(gòu)的金屬熱處理工藝。經(jīng)化學熱處理后的鋼件，實質(zhì)上可以認為是一種特殊復合材料，主要目的是提高零件耐磨性、疲勞強度、抗腐蝕性與抗高溫氧化性。化學熱處理主要有滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鉻、滲硅、碳氮共滲、氧氮化、硫氰共滲和碳、氮、硫、氧、硼五元共滲，及碳（氮）化鈦覆蓋等。
接觸電阻加熱淬火
接觸電阻加熱淬火的原理是將低壓電流通過電極與工件間的接觸電阻，使工件表面快速加熱，并借助其自身熱傳導實現(xiàn)快速冷卻而淬火。這一方法的優(yōu)點是設備簡單，操作方便，易于自動化，工件畸變極小，不需要回火，能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷能力，但淬硬層較薄（0.15——0.35mm）。顯微組織和硬度均勻性較差。這種方法多用于鑄鐵做的機床導軌的表面淬火，應用范圍不廣。
電子束熱處理
電子束技術已經(jīng)存在20多年了，廣泛應用于金屬焊接和切割等加工工業(yè)中。電子束熱處理是利用高能量密度的電子束加熱，進行表面淬火的新技術。電子束是由電子槍呢熱陰極（燈絲）發(fā)出的電子，通過高壓環(huán)形陽極加速，并聚焦成束使電子束流打擊金屬表面，達到加熱的效果。被處理零件的加熱深度，是加熱加速電壓和金屬密度的函數(shù)，當功率為150kw時，在鐵中的理論加熱深度為0.076mm，而在鋁中的則為0.178。電子束熱處理加熱速度快，奧氏體化的時間僅零點幾秒甚至更短，因而工件表面晶粒很細，硬度比一般熱處理高，并具有良好的力學性能。
電解加熱淬火
電解加熱淬火通過對鋼件表面的加熱、冷卻而改變表層力學性能的金屬熱處理工藝。表面淬火是表面熱處理的主要內(nèi)容，其目的是獲得高硬度的表面層和有利的內(nèi)應力分布，以提高工件的耐磨性能和抗疲勞性能。電解液加熱表面淬火是向電解液通入較高電壓（150——300V）的直流電，因電離作用而發(fā)生導電現(xiàn)象，于負極放出氫，正極放出氧。氫氣圍繞負極周圍形成氣膜，電阻較大，電流通過時產(chǎn)生大量的熱使負極加熱。淬火時，將沒入電解液的工件接負極，液槽接正極，工件的沒入部分當接通電源時便被加熱（5——10s 可達到淬火溫度）。斷電后在電解液中冷卻，也可取出放入另設的淬火槽中冷卻。適用于進行表面淬火用的電解液很多，其中以w （碳酸鈉） 5%——18%水溶液使用最廣，使用溫度不得超過60℃，否則氫氣膜不穩(wěn)定，影響加熱效果。
激光熱處理
激光淬火是利用激光將材料表面加熱到相變點以上，隨著材料自身冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而使材料表面硬化的淬火技術。采用激光淬火齒面，其加熱冷卻速度很高，工藝周期短，不需要外部淬火介質(zhì)。具有工件變形小，工作環(huán)境潔凈，處理后不需要磨齒等精加工，且被處理齒輪尺寸不受熱處理設備尺寸的限制等獨特優(yōu)點。激光淬火的功率密度高，冷卻速度快，因此在很多工業(yè)領域中正逐步取代感應淬火和化學熱處理等傳統(tǒng)工藝，特別適合高精度要求的零件表面處理。
真空熱處理
鹽浴淬火受環(huán)境的限制，已呈夕陽之勢。真空熱處理是真空技術與熱處理技術相結(jié)合的新型熱處理技術，真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理技術應用和發(fā)展得到進一步的完善和推廣，它具有無氧化、無脫碳、淬火后工件表面清潔光亮、耐磨性高、無污染、自動化程度高等特點。工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用了真空退火、真空除氣、真空油淬、真空水淬、真空氣淬、真空回火及真空滲碳等熱處理技術，成為熱處理車間最普及的最主要的技術之一。
感應熱處理和離子氮化熱處理技術
感應熱處理以高效、節(jié)能、清潔、靈活性等優(yōu)勢廣泛應用于汽車工業(yè),工程機械,石油化工等行業(yè)，近40%的汽車零部件可采用感應熱處理，如曲軸、齒輪、萬向節(jié)、半軸等。采用感應加熱,許多產(chǎn)品加工可建成全自動或半自動生產(chǎn)線，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，減輕勞動強度,美化工作環(huán)境。國內(nèi)發(fā)展最快的是感應加熱電源，老式的電子震蕩管已完成了其歷史使命，取而代之的是全晶體管。采用微機控制晶體管調(diào)節(jié)電源，調(diào)節(jié)穩(wěn)定方便，精度高，對電網(wǎng)諧波的干擾大大減少。國內(nèi)發(fā)展最快的是感應加熱電源，老式的電子振蕩管已完成了其歷史使命，取而代之的是全晶體管。采用微機控制晶體管調(diào)節(jié)電源，調(diào)節(jié)穩(wěn)定方便、精度高，對電網(wǎng)諧波的干擾大大減少。
采用新的表面強化技術和推廣氮基氣氛的熱處理
原有的工具表面處理方法僅限于蒸汽處理、氧氮化等陳舊方法，一般只能提高工具壽命30%——50%。自80年代以來，我國先后獨立開發(fā)和從國外引進了QPQ鹽浴復合處理技術和PVD氧化鈦物理涂層技術。前者可以穩(wěn)定提高工具壽命2——3倍，設備簡單，成本低廉，特別適合于普通刀具；后者可以提高刀具壽命3——5倍，適合于各種精密貴重的齒輪刀具。氮基氣氛用于保護熱處理和化學熱處理，可以實現(xiàn)無氧化脫碳熱處理，并可以避免熱處理氮脆，氮基氣氛的化學熱處理，可以減少內(nèi)氧化等缺陷，提高化學熱處理質(zhì)量。
來源：Easy建造師，科技智能制造，沖壓行業(yè)聯(lián)盟，數(shù)控研究生
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