熱處理設備

　　概述

　　金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時間后，又以不同速度冷卻，通過改變金屬材料表面或內部的組織結構來控制其性能的一種工藝。

　　原理

　　金屬熱處理是機械制造中的重要工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體的化學成分，而是通過改變工件內部的顯微組織，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。

　　熱處理設備是對工件進行退火、回火、淬火、加熱等熱處理工藝操作的設備。

　　常見概念

　　1.正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點Ac3(對于亞共析鋼)或Accm(過共析鋼)以上30℃—50℃,保溫適當時間后，在自由流動的空氣中均勻冷卻的熱處理工藝為正火.

　　正火后的組織:亞共析鋼為F+S,共析鋼為S，過共析鋼為S+Fe3CⅡ正火與完全退火的主要差別在于冷卻速度快些，目的是讓鋼組織正常化，亦稱常化處理。

　　2.退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至AC3以上20-40度，保溫一段時間后，隨爐緩慢冷卻(或埋在砂中或石灰中冷卻)至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝

　　3.固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝

　　4.時效：合金經固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時，其性能隨時間而變化的現象。

　　5.固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應力與軟化，以便繼續加工成型

　　6.時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度

　　7.淬火：將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝

　　8.回火：將經過淬火的工件加熱到臨界點AC1以下的適當溫度保持一定時間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝

　　9.鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時滲入碳和氮的過程。習慣上碳氮共滲又稱為氰化，以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體碳氮共滲(即氣體軟氮化)應用較為廣泛。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強度。低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。

　　10.調質處理quenchingand　tempering：一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。調質處理廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調質處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，一般在HB200-350之間。

　　11.釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝

　　基礎知識

　　加工處理

　　鈹青銅是一種用途極廣的沉淀硬化型合金。經固溶及時效處理后，強度可達1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其熱處理特點是：固溶處理后具有良好的塑性，可進行冷加工變形。但再進行時效處理后，卻具有極好的彈性極限，同時硬度、強度也得到提高。

　　(1)鈹青銅的固溶處理

　　一般固溶處理的加熱溫度在780-820℃之間，對用作彈性組件的材料，采用760-780℃，主要是防止晶粒粗大影響強度。固溶處理爐溫均勻度應嚴格控制在±5℃。保溫時間一般可按1小時/25mm計算，鈹青銅在空氣或氧化性氣氛中進行固溶加熱處理時，表面會形成氧化膜。雖然對時效強化后的力學性能影響不大，但會影響其冷加工時工模具的使用壽命。為避免氧化應在真空爐或氨分解、惰性氣體、還原性氣氛(如氫氣、一氧化碳等)中加熱，從而獲得光亮的熱處理效果。此外，還要注意盡量縮短轉移時間(此淬水時)，否則會影響時效后的機械性能。薄形材料不得超過3秒,一般零件不超過5秒。淬火介質一般采用水(無加熱的要求)，當然形狀復雜的零件為了避免變形也可采用油。

　　(2)鈹青銅的時效處理

　　鈹青銅的時效溫度與Be的含量有關，含Be小于2.1%的合金均宜進行時效處理。對于Be大于1.7%的合金，最佳時效溫度為300-330℃，保溫時間1-3小時(根據零件形狀及厚度)。Be低于0.5%的高導電性電極合金，由于溶點升高，最佳時效溫度為450-480℃，保溫時間1-3小時。還發展出了雙級和多級時效，即先在高溫短時時效，而后在低溫下長時間保溫時效，這樣做的優點是性能提高但變形量減小。為了提高鈹青銅時效后的尺寸精度，可采用夾具夾持進行時效，有時還可采用兩段分開時效處理。

　　(3)鈹青銅的去應力處理

　　鈹青銅去應力退火溫度為150-200℃，保溫時間1-1.5小時，可用于消除因金屬切削加工、校直處理、冷成形等產生的殘余應力，穩定零件在長期使用時的形狀及尺寸精度。

　　應力

　　熱處理殘余力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力,對工件的形狀,&127;尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時,&127;便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,應當減少和消除。但在一定條件下控制應力使之合理分布,就可以提高零件的機械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應力的分布和變化規律,使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經引起了人們的廣泛重視。

　　一、鋼的熱處理應力

　　工件在加熱和冷卻過程中,由于表層和心部的冷卻速度和時間的不一致,形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生應力,即熱應力。在熱應力的作用下,由于表層開始溫度低于心部,收縮也大于心部而使心部受拉,當冷卻結束時，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓心部受拉。即在熱應力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當冷卻速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷卻過程中在熱應力作用下產生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘余應力就愈大。另一方面鋼在熱處理過程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉變時,因比容的增大會伴隨工件體積的膨脹,&127;工件各部位先后相變，造成體積長大不一致而產生組織應力。組織應力變化的最終結果是表層受拉應力,心部受壓應力,恰好與熱應力相反。組織應力的大小與工件在馬氏體相變區的冷卻速度,形狀，材料的化學成分等因素有關。

　　實踐證明,任何工件在熱處理過程中,&127;只要有相變,熱應力和組織應力都會發生。&127;只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的,在整個冷卻過程中,熱應力與組織應力綜合作用的結果,&127;就是工件中實際存在的應力。這兩種應力綜合作用的結果是十分復雜的,受著許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發展過程來說只有兩種類型,即熱應力和組織應力,作用方向相反時二者抵消,作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個應力應有一個占主導因素,熱應力占主導地位時的作用結果是工件心部受拉,表面受壓。&127;組織應力占主導地位時的作用結果是工件心部受壓表面受拉。

　　二、熱處理應力對淬火裂紋的影響

　　存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內),對淬火裂紋的產生都有促進作用,但只有在拉應力場內(&127;尤其是在最大拉應力下)才會表現出來,&127;若在壓應力場內并無促裂作用。

　　淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度,并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應力而論,這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值,故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且,在能淬透的情況下,截面尺寸越大的工件,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢,熱應力減小,&127;組織應力隨尺寸的增大而增加,最后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。對這類鋼件而言,在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只能產生在非淬透性件中的弧裂,雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因,卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉變區內)本身,而是淬火件局部位置(由幾何結構決定),在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩,因而沒有淬硬所致&127;。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈,是由以熱應力為主要成份的殘余拉應力作用在淬火件中心&127;,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋并由內往外擴展而造成的。為了避免這類裂紋產生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,&127;而從內應力的角度來看,這時快冷有害無益。其次,冷卻后期緩冷的目的,主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應力值,而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度,從而達到減小應力值和最終抑制淬裂的目的。

　　三、殘余壓應力對工件的影響

　　滲碳表面強化作為提高工件的疲勞強度的方法應用得很廣泛的原因。一方面是由于它能有效的增加工件表面的強度和硬度，提高工件的耐磨性，另一方面是滲碳能有效的改善工件的應力分布,在工件表面層獲得較大的殘余壓應力,&127;提高工件的疲勞強度。如果在滲碳后再進行等溫淬火將會增加表層殘余壓應力,使疲勞強度得到進一步的提高。有人對35SiMn2M0V鋼滲碳后進行等溫淬火與滲碳后淬火低溫回火的殘余應力進行過測試其

　　工藝

　　殘余應力值(kg/mm2)滲碳后880-900度鹽浴加熱，260度等溫40分鐘-65

　　滲碳后880-900度鹽浴加熱淬火，260度等溫90分鐘-18

　　滲碳后880-900度鹽浴加熱，260度等溫40分鐘，260度回火90分鐘-38

　　測試結果可以看出等溫淬火比通常的淬火低溫回火工藝具有更高的表面殘余壓應力。等溫淬火后即使進行低溫回火,其表面殘余壓應力，也比淬火后低溫回火高。因此可以得出這樣一個結論,即滲碳后等溫淬火比通常的滲碳淬火低溫回火獲得的表面殘余壓應力更高,從表面層殘余壓應力對疲勞。