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一文了解金属材料常见的热处理工艺

2023-04-06 阅读 1890

热处理是金属材料加工中非常重要的一步,热处理可以改变金属材料的物理和机械性质,提高其硬度、强度、韧性等性能。

 

为了保证产品设计的结构是安全、可靠、经济和每个,结构工程师一般都需要了解材料的力学性能,根据设计要求和材料特性选择合适的热处理工艺,提高其性能和寿命。以下是金属材料相关的13种热处理工艺,希望对大家有帮助。

 

1. 退火

 

指金属材料加热到适当的温度,保持一定的时间,然后缓慢冷却的热处理工艺。退火的目的:主要是降低金属材料的硬度,提高塑性,以利切削加工或压力加工,减少残余应力,提高组织和成分的均匀化,或为后道热处理作好组织准备等。常见的退火工艺有再结晶退火,完全退火,球化退火,去应力退火等。

 

  • 完全退火:细化晶粒,均匀组织,降低硬度,充分消除内应力完全退火适用于含碳量(质量分数)在0.8%以下的锻件或铸钢件。
  • 球化退火:降低钢的硬度,改善切削性能,并为以后淬火作好准备,以减少淬火后变形和开裂,球化退火适用于含碳量(质量分数)大于0.8%的碳素钢和合金工具钢。
  • 去应力退火:消除钢件焊接和冷校直时产生的内应力,消除精密零件切削加工时产生的内应力,以防止以后加工和用过程中发生变形,去应力退火适用于各种铸件、锻件、焊接件和冷挤压件等。

 



2. 正火

 

指将钢材或钢件加热到Ac3或Acm(钢的上临界点温度)以上30~50℃,保持适当时间后,在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的:主要是提高低碳钢的力学性能,改善切削加工性,细化晶粒,消除组织缺陷,为后道热处理作好组织准备等。

 

3. 淬火

 

指将钢件加热到Ac3或Ac1(钢的下临界点温度)以上某一温度,保持一定的时间,然后以适当的冷却速度,获得马氏体(或贝氏体)组织的热处理工艺。淬火的目的:使钢件获得所需的马氏体组织,提高工件的硬度,强度和耐磨性,为后道热处理作好组织准备等。

 

常见的淬火工艺有盐浴淬火,马氏体分级淬火,贝氏体等温淬火,表面淬火和局部淬火等。

 

  • 单液淬火:单液淬火只适用于形状比较简单,技术要求不太高的碳素钢及合金钢件。淬火时,对于直径或厚度大于5~8mm的碳素钢件,选用盐水或水冷却;合金钢件选用油冷却。
  • 双液淬火:将钢件加热到淬火温度,经过保温以后,先在水中快速冷却至300~400ºC,然后移人油中冷却。
  • 火焰表面淬火:火焰表面淬火适用于单件或小批生产、表面要求硬而耐磨,并能承受冲击载荷的大型中碳钢和中碳合金钢件,如曲轴、齿轮和导轨等。
  • 表面感应淬火:经表面感应淬火的零件,表面硬而耐磨,而心部保持着较好的强度和韧性。表面感应淬火适用于中碳钢和中等含碳量的合金钢件。



 

4. 回火

 

指钢件经淬硬后,再加热到Ac1以下的某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺。回火的目的:主要是消除钢件在淬火时所产生的应力,使钢件具有高的硬度和耐磨性外,并具有所需要的塑性和韧性等。常见的回火工艺有:低温回火,中温回火,高温回火等。

 

  • 低温回火:低温回火消除钢件因淬火而产生的内应力,多用于切削刀具、量具、模具、滚动轴承和渗碳零件等。
  • 中温回火:中温回火使钢件获得较高的弹性、一定的韧性和硬度,一般用于各类弹簧及热冲模等零件。
  • 高温回火:高温回火使钢件获得较好的综合力学性能,即较高的强度和韧性及足够的硬度,消除钢件因淬火而产生的内应力,主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件,如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等。


5. 调质

 

指将钢材或钢件进行淬火及回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。

 

6. 化学热处理

 

指金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保温,使一种或几种元素渗入它的表层,以改变其化学成分,组织和性能的热处理工艺。化学热处理的目的:主要是提高钢件表面的硬度,耐磨性,抗蚀性,抗疲劳强度和抗氧化性等。常见的化学热处理工艺有:渗碳,渗氮,碳氮共渗等。

 

  • 渗碳:使表面具有高的硬度(HRC60~65)和耐磨性,而中心仍保持高的韧性,常用于耐磨并受冲击的零件,如:轮、齿轮、轴、活塞销等。
  • 渗氮:提高钢件表层的硬度、耐磨性、耐蚀性,常用于重要的螺栓、螺母、销钉等零件。
  • 碳氮共渗:提高钢件表层的硬度和耐磨性,适用于低碳钢、中碳钢或合金钢零件,也可用于高速钢刀具。

 

7. 固溶处理

 

指将合金加热到高温单相区恒温保持,使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺。固溶处理的目的:主要是改善钢和合金的塑性和韧性,为沉淀硬化处理作好准备等。

 

8. 沉淀硬化(析出强化)

 

指金属在过饱和固溶体中溶质原子偏聚区和(或)由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化的一种热处理工艺。如奥氏体沉淀不锈钢在固溶处理后或经冷加工后,在400~500℃或700~800℃进行沉淀硬化处理,可获得很高的强度。

 

9. 时效处理

 

指合金工件经固溶处理,冷塑性变形或铸造,锻造后,在较高的温度放置或室温保持,其性能,形状,尺寸随时间而变化的热处理工艺。

 

若采用将工件加热到较高温度,并较长时间进行时效处理的时效处理工艺,称为人工时效处理;若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象,称为自然时效处理。时效处理的目的,消除工件的内应力,稳定组织和尺寸,改善机械性能等。

 

10. 淬透性

 

指在规定条件下,决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性。钢材淬透性好与差,常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大,则钢的淬透性越好。钢的淬透性主要取决于它的化学成分,特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度,加热温度和保温时间等因素有关。淬透性好的钢材,可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂,以减少变形和开裂。

 

11. 临界直径(临界淬透直径)

 

临界直径是指钢材在某种介质中淬冷后,心部得到全部马氏体或50%马氏体组织时的最大直径,一些钢的临界直径一般可以通过油中或水中的淬透性试验来获得。

 

12. 二次硬化

 

某些铁碳合金(如高速钢)须经多次回火后,才进一步提高其硬度。这种硬化现象,称为二次硬化,它是由于特殊碳化物析出和(或)由于参与奥氏体转变为马氏体或贝氏体所致。

 

13. 回火脆性

 

指淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象。回火脆性可分为第一类回火脆性和第二类回火脆性。

 

第一类回火脆性又称不可逆回火脆性,主要发生在回火温度为250~400℃时,在重新加热脆性消失后,重复在此区间回火,不再发生脆性

 

第二类回火脆性又称可逆回火脆性,发生的温度在400~650℃,当重新加热脆性消失后,应迅速冷却,不能在400~650℃区间长时间停留或缓冷,否则会再次发生催化现象。

 

回火脆性的发生与钢中所含合金元素有关,如锰,铬,硅,镍会产生回火脆性倾向,而钼,钨有减弱回火脆性倾向。

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