机加工常用的热处理知识

机加工常用的热处理知识

摘要:本文简单粗略地介绍了机械加工中常用到的一些基本热处理知识,并对热处理所要注意的几个问题作了简要解答。

关键词:热处理奥氏体铁素体马氏体退火正火淬火调质

从事机械加工,离不开钢铁。我们常说的铁丝,严格来说是含碳0.1%～0.2%的熟铁；生铁则是指炼钢用的铁,含碳量为3%～4.26%。特性是硬而脆。铸造件则是通过生铁二次加热到1200℃～1300℃并加入一定数量的废钢等方法降低溶液中的含碳量(2%～3%)浇铸于砂模中生产的。而钢则是炼出来的,要经过反复加热、锻打,也就是氧化脱碳而来。

在实际生产中,为了满足使用要求,经常要对钢材进行热处理,而热处理是在不改变钢材化学成分的情况下,充分利用钢铁奥氏体包晶特性,挖掘钢材潜在的优良性能而产生的一种工艺手段。

热处理工艺考虑的温度范围极其有限(主要是奥氏体区),是利用奥氏体能大量把碳溶于铁素体特性,快速或用适当的冷却速度把碳固定与铁素体内,起到提高强度作用的特性产生的。

铁-碳合金可以溶入三种形式的铁而形成固溶体:铁素体固溶体、奥氏体固溶体和在一定条件下铁-碳合金还可以以石墨状态独立存

在。以上各种固溶体、化合物和石墨都属于铁-碳合金的相。

先简单说一下奥氏体和马氏体。

1 奥氏体

奥氏体形成过程的规律:淬火、正火、退火加热到Ac1或Ac3以上30℃～50℃,组织转变产生。

钢加热到Ac1以上时,首先发生珠光体向奥氏体转变,随着转变完成开始长大,残余渗碳溶入奥氏体。随着温度的提高,奥氏体逐步长入铁素体,加热到Ac3以上铁素体全部消失,奥氏体成分继续均匀化。

加热温度、加热速度、碳含量、合金元素及原始组织都对奥氏体形成速度有影响。碳含量高,易长大,而合金元素大多有阻止长大倾向,晶粒粗大到一定程度就是过热,影响淬火后组织细化,严重影响综合性能。过烧就产生包晶现象,钢就废了。

2 马氏体

它的化学成分与奥氏体完全相同。它是由高温奥氏体在一定冷却速度下产生的。

它是体心正方,大部分碳原子(约80%)占间隙位置,提高强度。

(1)力学性能:马氏体其实就是过饱和铁素体,它的硬度随碳浓度提高单调上升,低于0.4%时,屈服强度随碳浓度提高而上升,超过后,不再增高。

(2)转变特点:只有使奥氏体浓度过冷到某一温度后才能发生马氏体转变。这个温度叫马氏体转变开始点,有产生“爆发性”的转变特性。冷至以下某一温度转变终止,这个温度叫做马氏体转变终止点。

热处理工艺都有一个共同的特点:都要经过加热和冷却两个基本过程。

热处理分为加热整体热处理、表面热处理、化学热处理三大类。其中整体热处理又分为:退火、正火、淬火、调质等。

退火及正火常用于毛坯的预备热处理,目的是使钢的成分均匀化,细化晶粒,改善组织,消除加工应力,降低硬度,改善切削性能等,为下一步工序作准备。对于性能要求不高的钢件,正火可作为最终热处理工序。

淬火的目的是获得某种过饱和固溶体或其它不平衡组织使金属具有特定的使用性能。配合回火消除淬火时产生的内应力。使金属具有特定的强韧性。

调质区别于淬火只是回火温度不同,一般在480℃～650℃,目的是达到钢的综合机械性能。

表面热处理的目的是:在调质处理、稳定时效处理后再进行表面处理,达到中心部具有一定强度和韧性、表面耐磨的工艺方法。

化学热处理的目的是:变形小的条件下具有高耐磨性、抗咬合性及耐腐蚀性和抗大气腐蚀性能。

为了保证经济的批量生产和产品的经久耐用,热处理工艺的选定必须与材料选择相结合,基本原则是:工艺过程稳定可靠,劳动条件较好,设备投资和生产成本较低,能耗较低,环境无污染或污染轻微。

热处理应该特别注意的三大问题。

(1)热处理工件在高温下长时间保温,并由高温迅速冷却,会使工件变形甚至开裂。

只要能达到工艺要求,加热温度越低越好,淬火介质的冷却速度越慢越好。热处理工艺还需要冷加工工艺的严密配合。

(2)热处理加热过程金属的氧化与脱碳是必须严格控制的课题。

高温下O2是一种非常活泼的气体,会使钢表面强烈氧化,并伴随着脱碳。加热温度越高,氧化脱碳速度越快。钢铁含碳越高,氧化脱碳程度越重。

解决方法:淬火件应该在盐浴和气体保护中加热减少氧化脱碳。精密件、表面高强度件还必须进行精加工以消除脱碳层。

(3)过热过烧的危害。

调质钢、工具钢、高合金钢等在固相时奥氏体及固化物在过热、过烧状况下冷凝下来产生组织结构粗大,化合物固溶温差大产生组织疏松,严重影响钢的韧性和强度,并产生脆性等。解决办法是通过轧制,锻造并正火、退火加回火消除。

淬火和调质的过热过烧因工艺问题是无法解决的,因此必须在生产过程中高度关注,避免发生。

常用淬火介质H值(冷却速度)如下。

(1)静止水为1；中等搅动1.1～1.3。

(2)空气0.02；强吹风0.05。

(3)矿物应力:0.25～0.3；强搅动0.4～0.8。

(4)盐水2,(40%以上0.50～0.8)与强搅差不多。

在实际工作中,应根据零件的使用性能、技术要求、材料、形状等因素合理地选择热处理工艺,这样才能最大限度地实现热处理的良好作用。