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【兆恒機械】熱處理工藝——表面淬火、退火工藝、正火工藝

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  • 添加日期:2020年08月26日

◆ 表面淬火

  鋼的表面淬火

  有些零件在工件時在受扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變負荷、沖擊負荷的作用下,它的表面層承受著比心部更高的應(yīng)力。在受摩擦的場合,表面層還不斷地被磨損,因此對一些零件表面層提出高強度、高硬度、高耐磨性和高疲勞極限等要求,只有表面強化才能滿足上述要求。由于表面淬火具有變形小、生產(chǎn)率高等優(yōu)點,因此在生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。 


  根據(jù)供熱方式不同,表面淬火主要有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火、電接觸加熱表面淬火等。

  感應(yīng)加熱表面淬火

  感應(yīng)加熱就是利用電磁感應(yīng)在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流而將工件進行加熱。感應(yīng)加熱表面淬火與普通淬火比具有如下優(yōu)點:

  1.熱源在工件表層,加熱速度快,熱效率高;

  2.工件因不是整體加熱,變形?。?/span>

  3.工件加熱時間短,表面氧化脫碳量少;

  4.工件表面硬度高,缺口敏感性小,沖擊韌性、疲勞強度以及耐磨性等均有很大提高。有利于發(fā)揮材料地潛力,節(jié)約材料消耗,提高零件使用壽命;

  5.設(shè)備緊湊,使用方便,勞動條件好;

  6.便于機械化和自動化;

  7.不僅用在表面淬火還可用在穿透加熱與化學熱處理等。

  感應(yīng)加熱的基本原理

  將工件放在感應(yīng)器中,當感應(yīng)器中通過交變電流時,在感應(yīng)器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場,在工件中相應(yīng)地產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢,在工件表面形成感應(yīng)電流,即渦流。這種渦流在工件的電阻的作用下,電能轉(zhuǎn)化為熱能,使工件表面溫度達到淬火加熱溫度,可實現(xiàn)表面淬火。

  感應(yīng)表面淬火后的性能

  1. 表面硬度:經(jīng)高、中頻感應(yīng)加熱表面淬火的工件,其表面硬度往往比普通淬火高 2~3 個單位(HRC)。

  2. 耐磨性:高頻淬火后的工件耐磨性比普通淬火要高。這主要是由于淬硬層馬氏體晶粒細小,碳化物彌散度高,以及硬度比較高,表面的高的壓應(yīng)力等綜合的結(jié)果。

  3. 疲勞強度:高、中頻表面淬火使疲勞強度大為提高,缺口敏感性下降。對同樣材料的工件,硬化層深度在一定范圍內(nèi),隨硬化層深度增加而疲勞強度增加,但硬化層深度過深時表層是壓應(yīng)力,因而硬化層深度增打疲勞強度反而下降,并使工件脆性增加。一般硬化層深δ=(10~20)%D。較為合適,其中D。為工件的有效直徑。

  ◆ 退火工藝

  退火是將金屬和合金加熱到適當溫度,保持一定時間,然后緩慢冷卻的熱處理工藝。退火后組織亞共析鋼是鐵素體加片狀珠光體;共析鋼或過共析鋼則是粒狀珠光體??傊嘶鸾M織是接近平衡狀態(tài)的組織。

  退火的目的

 ?、俳档弯摰挠捕龋岣咚苄?,以利于切削加工及冷變形加工。
 ?、诩毣Я?,消除因鑄、鍛、焊引起的組織缺陷,均勻鋼的組織和成分,改善鋼的性能或為以后的熱處理作組織準備。
 ?、巯撝械膬?nèi)應(yīng)力,以防止變形和開裂。

  退火工藝的種類

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均勻化退火是為了減少金屬鑄錠、鑄件或鍛坯的化學成分的偏析和組織的不均勻性,將其加熱到高溫,長時間保持,然后進行緩慢冷卻,以化學成分和組織均勻化為目的的退火工藝。

  均勻化退火的加熱溫度一般為Ac3+(150~200℃),即1050~1150℃,保溫時間一般為10~15h,以保證擴散充分進行,大道消除或減少成分或組織不均勻的目的。由于擴散退火的加熱溫度高,時間長,晶粒粗大,為此,擴散退火后再進行完全退火或正火,使組織重新細化。

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  完全退火又稱為重結(jié)晶退火,是將鐵碳合金完全奧氏體化,隨之緩慢冷卻,獲得接近平衡狀態(tài)組織的退火工藝。

  完全退火主要用于亞共析鋼,一般是中碳鋼及低、中碳合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件、鑄件及熱軋型材,有時也用于它們的焊接構(gòu)件。完全退火不適用于過共析鋼,因為過共析鋼完全退火需加熱到Acm以上,在緩慢冷卻時,滲碳體會沿奧氏體晶界析出,呈網(wǎng)狀分布,導致材料脆性增大,給最終熱處理留下隱患。

  完全退火的加熱溫度碳鋼一般為Ac3+(30~50℃);合金鋼為Ac3+(500~70℃);保溫時間則要依據(jù)鋼材的種類、工件的尺寸、裝爐量、所選用的設(shè)備型號等多種因素確定。為了保證過冷奧氏體完全進行珠光體轉(zhuǎn)變,完全退火的冷卻必須是緩慢的,隨爐冷卻到500℃左右出爐空冷。

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  不完全退火是將鐵碳合金加熱到Ac1~Ac3之間溫度,達到不完全奧氏體化,隨之緩慢冷卻的退火工藝。
  不完全退火主要適用于中、高碳鋼和低合金鋼鍛軋件等,其目的是細化組織和降低硬度,加熱溫度為Ac1+(40~60)℃,保溫后緩慢冷卻。

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  等溫退火是將鋼件或毛坯件加熱到高于Ac3(或Ac1)溫度,保持適當時間后,較快地冷卻到珠光體溫度區(qū)間地某一溫度并等溫保持,使奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w型組織,然后在空氣中冷卻的退火工藝。
  等溫退火工藝應(yīng)用于中碳合金鋼和低合金鋼,其目的是細化組織和降低硬度。亞共析鋼加熱溫度為Ac3+(30~50)℃,過共析鋼加熱溫度為Ac3+(20~40)℃,保持一定時間,隨爐冷至稍低于Ar3溫度進行等溫轉(zhuǎn)變,然后出爐空冷。等溫退火組織與硬度比完全退火更為均勻。

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  球化退火是使鋼中碳化物球化而進行的退火工藝。將鋼加熱到Ac1以上20~30℃,保溫一段時間,然后緩慢冷卻,得到在鐵素體基體上均勻分布的球狀或顆粒狀碳化物的組織。

  球化退火主要適用于共析鋼和過共析鋼,如碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼等。這些鋼經(jīng)軋制、鍛造后空冷,所得組織是片層狀珠光體與網(wǎng)狀滲碳體,這種組織硬而脆,不僅難以切削加工,且在以后淬火過程中也容易變形和開裂。而經(jīng)球化退火得到的是球狀珠光體組織,其中的滲碳體呈球狀顆粒,彌散分布在鐵素體基體上,和片狀珠光體相比,不但硬度低,便于切削加工,而且在淬火加熱時,奧氏體晶粒不易長大,冷卻時工件變形和開裂傾向小。另外對于一些需要改善冷塑性變形(如沖壓、冷鐓等)的亞共析鋼有時也可采用球化退火。

  球化退火加熱溫度為Ac1+(20~40)℃或Acm-(20~30)℃,保溫后等溫冷卻或直接緩慢冷卻。在球化退火時奧氏化是“不完全”的,只是片狀珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體,及少量過剩碳化物溶解。因此,它不可能消除網(wǎng)狀碳化物,如過共析鋼有網(wǎng)狀碳化物存在,則在球化退火前須先進行正火,將其消除,才能保證球化退火正常進行。

  球化退火工藝方法很多,最常用的兩種工藝是普通球化退火和等溫球化退火。普通球化退火是將鋼加熱到Ac1以上20~30℃,保溫適當時間,然后隨爐緩慢冷卻,冷到500℃左右出爐空冷。等溫球化退火是與普通球化退火工藝同樣的加熱保溫后,隨爐冷卻到略低于Ar1的溫度進行等溫,等溫時間為其加熱保溫時間的1.5倍。等溫后隨爐冷至500℃左右出爐空冷。和普通球化退火相比,球化退火不僅可縮短周期,而且可使球化組織均勻,并能嚴格地控制退火后的硬度。

  ⑥再結(jié)晶退火(中間退火)

  再結(jié)晶退火是經(jīng)冷形變后的金屬加熱到再結(jié)晶溫度以上,保持適當時間,使形變晶粒重新結(jié)晶成均勻的等軸晶粒,以消除形變強化和殘余應(yīng)力的熱處理工藝。

 ?、呷?yīng)力退火

  去應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力退火消除加工過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力十分重要。

  去應(yīng)力退火的加熱溫度低于相變溫度A1,因此,在整個熱處理過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。內(nèi)應(yīng)力主要是通過工件在保溫和緩冷過程中消除的。為了使工件內(nèi)應(yīng)力消除得更徹底,在加熱時應(yīng)控制加熱溫度。一般是低溫進爐,然后以100℃/h左右得加熱速度加熱到規(guī)定溫度。焊接件得加熱溫度應(yīng)略高于600℃。保溫時間視情況而定,通常為2~4h。鑄件去應(yīng)力退火的保溫時間取上限,冷卻速度控制在(20~50)℃/h,冷至300℃以下才能出爐空冷。

  ◆ 正火工藝

  正火工藝是將鋼件加熱到Ac3(或Acm)以上30~50℃,保溫適當?shù)臅r間后,在靜止的空氣中冷卻的熱處理工藝。把鋼件加熱到Ac3以上100~150℃的正火則稱為高溫正火。

  對于中、低碳鋼的鑄、鍛件正火的主要目的是細化組織。與退火相比,正火后珠光體片層較細、鐵素體晶粒也比較細小,因而強度和硬度較高。

  低碳鋼由于退火后硬度太低,切削加工時產(chǎn)生粘刀的現(xiàn)象,切削性能差,通過正火提高硬度,可改善切削性能,某些中碳結(jié)構(gòu)鋼零件可用正火代替調(diào)質(zhì),簡化熱處理工藝。

  過共析鋼正火加熱刀Acm以上,使原先呈網(wǎng)狀的滲碳體全部溶入到奧氏體,然后用較快的速度冷卻,抑制滲碳體在奧氏體晶界的析出,從而能消除網(wǎng)狀碳化物,改善過共析鋼的組織。

  焊接件要求焊縫強度的零件用正火來改善焊縫組織,保證焊縫強度。

  在熱處理過程中返修零件必須正火處理,要求力學性能指標的結(jié)構(gòu)零件必須正火后進行調(diào)質(zhì)才能滿足力學性能要求。中、高合金鋼和大型鍛件正火后必須加高溫回火來消除正火時產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

  有些合金鋼在鍛造時產(chǎn)生部分馬氏體轉(zhuǎn)變,形成硬組織。為了消除這種不良組織采取正火時,比正常正火溫度高20℃左右加熱保溫進行正火。

  正火工藝比較簡便,有利于采用鍛造余熱正火,可節(jié)省能源和縮短生產(chǎn)周期。

  正火工藝與操作不當也產(chǎn)生組織缺陷,與退火相似,補救方法基本相同。