【鉆頭熱處理工藝設(shè)計研究5700字（論文）】

熱處理的目的是為了改變金屬材料的顯微組織，從而提高鋼的性能。采用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，可明顯改善鋼材的機(jī)械性能，延長其使用壽命。該工藝既能強(qiáng)化鋼材，充分挖掘材料性能的潛力，降低結(jié)構(gòu)重量，節(jié)約原材料和能源，又能顯著延長零部件的使用壽命。所以，通過相關(guān)工藝試驗來確定鋼的最佳熱處理工藝具有重要意義。為此，本文對T10A鋼鉆頭熱處理工藝設(shè)計進(jìn)行研究，旨在為T10A鋼鉆頭熱處理工藝提供依據(jù)。1.前言由于T10A鋼具有良好的耐磨、抗熱裂、抗氧化等性能，已被廣泛應(yīng)用，但在鑄件的凝固過程中，易出現(xiàn)粗大網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致材料韌性下降。當(dāng)前，主要是通過合金化、變質(zhì)處理、熱處理等措施來改善基體形態(tài)和碳化物，從而提高合金鋼的性能[1]。常用的耐熱耐磨鋼主要是中碳高鉻高鎳鑄鋼，在冶金、礦山、電力等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如熱礦篩、熱軋機(jī)導(dǎo)板和火力發(fā)電機(jī)噴管等。盡管這種鋼有很好的耐熱性，但是它的硬度低，耐磨性差，使用壽命短，成本高。這類高鉻型鋼的鑄態(tài)組織較粗，硬度較低，為提高材料的耐磨性，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以改善組織，提高性能[2]。所以對T10A鋼的材料性能和常用熱處理工藝進(jìn)行研究是非常重要的，本文結(jié)合材料的組織性能等，分析熱處理工藝的合理性，為以后的學(xué)習(xí)和工作打下一定的基礎(chǔ)。2.T10A鋼相關(guān)概述2.1T10A鋼T10A鋼為碳素工具鋼，含碳量0.95%-1.04%，其生產(chǎn)成本較低，原材料來源方便，可加工性好。其在淬火加熱時不致過熱，淬火后鋼中有過剩未溶碳化物，比T8鋼具有更高的耐磨性，故在工具行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛"。水冷淬火+低溫回火的T10A鋼雖有較高的硬度和耐磨性,但其淬透性低、回火穩(wěn)定性差且淬火變形人。等溫淬火工藝可以明顯改善T10A鋼的熱處理缺陷，并日等溫淬火得到的下貝氏體具有高的硬切性。T10A鋼采用等溫淬火可以大大減少淬火變形開裂的危險，并且經(jīng)等溫淬火后可具有極高的綜合機(jī)械性能。2.2熱處理對于T10A鋼鉆頭性能的影響2.2.1熱處理對拋光質(zhì)量影響除拋光工藝外，材料的特性是影響拋光質(zhì)量的又一重要因素。一般認(rèn)為，T10A鋼鉆頭的鏡面拋光質(zhì)量受多方面影響。包括冶金過程鋼材成分的均均性、純凈度，夾雜物的分布、形態(tài)與含量。加工熱處理過程的組織致密度、晶粒度以及材料本身的硬度等因素。較高的硬度和較細(xì)的顯微組織，可提高模具鋼的拋光質(zhì)量。2.2.2熱處理對耐腐蝕性能影響腐蝕形態(tài)主要包括均勻腐蝕和局部腐蝕，均勻腐蝕一般不是關(guān)注的重點。局部腐蝕是指在T10A鋼鉆頭的某些局部產(chǎn)生的腐蝕，常見的有晶間腐蝕、刀狀腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕等。局部腐蝕，由于其突發(fā)性及不可預(yù)測性，危害最大。其中又以點蝕最為常見。點蝕一般發(fā)生在鈍態(tài)金屬表面，鈍化膜在局部破裂，基體加速溶解形成孔狀蝕坑。楊德均等人提出了鈍化膜破裂和點蝕機(jī)理的三種模型，鈍化膜局部破裂模型、吸附模型及穿透模型，對鈍化膜的不同破壞行為進(jìn)行了解釋。3.T10A鋼鉆頭熱處理工藝研究3.1合金化合金化可以改善T10A鋼的組織及性能，通過向T10A鋼中加入鈦、釔、釩、鎳、鉬等合金元素，可以細(xì)化晶粒、改善碳化物形貌進(jìn)而改善淬火回火后的碳化物形態(tài)。夾雜物體積分?jǐn)?shù)隨稀土含量的增加而穩(wěn)定增加，但稀土含量為0.018%時，夾雜物體積分?jǐn)?shù)比不含稀土的T10A鋼小而分散，而稀土含量的不斷增加導(dǎo)致了夾雜物尺寸的增大趨勢和夾雜物分布的逐漸惡化。3.2變質(zhì)處理關(guān)于變質(zhì)處理的機(jī)理，張承甫等人將其歸納為界面能理論、界面共格對應(yīng)理論、偏析系數(shù)理論和Tashis參數(shù)等[16]。張景輝等人根據(jù)化學(xué)鍵理論，通過詳細(xì)的計算，推導(dǎo)出了鍵參數(shù)函數(shù)圖，并且指出：對于小平面方式生長的合金，Li、Na、K、Cs、Rb、Ba、Sr、Y、Ca、Ce、La、Sc、Mg等元素均有孕育或變質(zhì)的作用。3.3熱處理3.3.1預(yù)備熱處理由于T10A鋼的共晶碳化物較多，還有很多形狀不規(guī)則的碳化物，這些共晶碳化物的邊緣呈尖角狀，尖角的共晶碳化物會造成應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生淬火開裂的危害。因此，需要對T10A鋼進(jìn)行預(yù)備熱處理，預(yù)備熱處理一般有正火、退火、調(diào)質(zhì)、高溫回火、高溫固溶處理+高溫回火預(yù)處理工藝等，其目的是為了以獲得球狀珠光體，為后續(xù)的熱處理工藝做好組織準(zhǔn)備，降低硬度并改善鋼的切削加工性能。預(yù)先熱處理的一種是球化退火。球化退火工藝。球化退火后的組織為粒狀珠光體+粒狀碳化物，硬度為207～255HB。圖1.1T10A鋼退火工藝圖常規(guī)球化退火工藝效果不理想時，會考慮采用調(diào)質(zhì)處理。與球化退火相比，采用高溫調(diào)質(zhì)工藝使更多的共晶碳化物溶解。這是因為高溫調(diào)質(zhì)的加熱溫度較高，可以使共晶碳化物更好的溶解，原來在低溫下不能溶解的共晶碳化物可以進(jìn)一步溶解，大塊的共晶碳化物發(fā)生尖角微溶的鈍化現(xiàn)象。圖1.2T10A鋼調(diào)質(zhì)處理工藝圖文獻(xiàn)比較了球化退火和高溫調(diào)質(zhì)處理的球化效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)球化退火處理后，碳化物顆粒細(xì)小，分布均勻彌散，球化效果最好。3.3.2淬火處理淬火處理的過程決定了過冷奧氏體的晶粒度和碳化物的形態(tài)分布以及其合金元素含量，并且對馬氏體的形態(tài)及回火后鋼的力學(xué)性能都有很大的影響。當(dāng)加熱到Ac1溫度(約810℃)以上時，退火后的粒狀珠光體和共晶碳化物組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體和未溶共晶碳化物，隨著溫度升高，共晶碳化物不斷溶解，合金元素進(jìn)入奧氏體，增加了奧氏體中C和Cr的濃度；但如果淬火溫度太高，進(jìn)入奧氏體的合金元素增加，增加量奧氏體的穩(wěn)定性，使淬火組織中殘留奧氏體量增加，會導(dǎo)致硬度下降。一般來說T10A鋼的晶粒越細(xì)小，其硬度和沖擊韌度越好。隨著淬火加熱溫度的升高，T10A鋼的晶粒變大。這是因為隨淬火加熱溫度的升高，共晶碳化物完全溶解，此時不再有共晶碳化物阻礙奧氏體的長大，并且高溫使奧氏體的形核率和長大速度均增大。3.3.3回火處理T10A鋼回火目的是消除淬火后產(chǎn)生的殘留應(yīng)力，調(diào)整組織和硬度。淬火后形成的淬火馬氏體屬于富鉻的過飽和間隙固溶體，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在回火時發(fā)生分解，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，使T10A鋼的硬度降低。淬火后鋼的硬度隨回火溫度的升高呈現(xiàn)先降低后增加的變化。當(dāng)回火溫度過高時，馬氏體中析出的碳化物粗化，會導(dǎo)致硬度下降。淬火后試樣在100℃-600℃回火時，受殘留奧氏體分解的影響，沖擊韌度呈先降低后升高的趨勢。這是因為回火過程中，隨溫度的升高，馬氏體大量分解，析出碳化物增多，導(dǎo)致材料的沖擊韌度降低，但回火溫度過高時，組織中的碳化物聚集，沖擊韌度升高。T10A鋼的回火一般分低溫回火與高溫回火，低溫回火一般是200℃×2h，硬度可達(dá)60～62HRC，高溫回火一般是500×2h，硬度可達(dá)到56～59HRC。如果回火溫度低，T10A鋼的硬度不會降低太多，但容易使回火不充分，導(dǎo)致殘留應(yīng)力沒有完全消除。適當(dāng)提高回火溫度，可保證T10A鋼在硬度降低不多的情況下獲得較好的韌度，消除殘余應(yīng)力，獲得良好的力學(xué)性能。回火溫度提高到500℃時仍能保證T10A鋼的硬度要求，是因為二次硬化效應(yīng)，此時T10A鋼獲得很好的紅硬性。4.T10A鋼鉆頭熱處理工藝設(shè)計4.1熱處理工藝流程的制定T10A鋼鉆頭采用高鉻、的設(shè)計，旨在提高硬度和耐磨性，但同時，由于組織中碳化物含量過高，將共晶碳化物連接成粗大的網(wǎng)狀組織。在軋輥使用過程中，這種網(wǎng)狀碳化物對基體有很大的破壞作用，導(dǎo)致T10A鋼的韌性和抗疲勞性能嚴(yán)重下降。通過高溫固溶處理，可使碳化物溶解，促進(jìn)碳原子的均勻擴(kuò)散，在高溫保溫過程中，碳化物發(fā)生?；潜厝滑F(xiàn)象，通過設(shè)計合適的熱處理工藝，可改變碳化物的析出方式，使T10A鋼形成網(wǎng)狀共晶碳化物網(wǎng)溶，使合金碳化物在晶粒內(nèi)析出，即能提高硬度，又能提高沖擊韌性。為此，本文對T10A鋼鉆頭的熱處理工藝進(jìn)行了研究，在變質(zhì)處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱處理，使T10A鋼中網(wǎng)狀碳化物的細(xì)弱和尖角溶解，形成塊狀和棒狀結(jié)構(gòu)。因此，解決了T10A鋼軋輥韌度低、熱疲勞穩(wěn)定性差的問題。因此所采用的具體熱出工藝是高溫固溶淬火+高溫回火。由于T10A鋼中含有多種合金元素，因此在制定熱處理工藝時就必須考慮合金元素對于鋼熱處理的影響。首先除Co元素以外，大多數(shù)合金元素都有穩(wěn)定過冷奧氏體的作用，特別是碳鋼在加入B、Mn、Mo、Cr、Ni、Si等合金元素后，會減緩?qiáng)W氏體向珠光體組織的轉(zhuǎn)變，這就使鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線（通常稱為“C曲線”）右移，這樣即使在較低的冷卻速度之下材料內(nèi)部也不會發(fā)生奧氏體向珠光體或其他非馬氏體組織的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高鋼的淬透性，也就是獲得馬氏體的能力。為了降低淬火冷卻時試樣內(nèi)部的應(yīng)力以及熱處理后的變形和開裂，合金鋼宜選用冷卻能力較弱的冷卻劑，本次模擬和實驗選用的是淬火油。需要指出的是加入到碳鋼中的合金元素必須完全進(jìn)入奧氏體中才能提升鋼的淬透性，未完全溶解的合金元素如果以碳化物的形式存在就會加速珠光體的形成進(jìn)而降低鋼的淬透性。因此在淬火時加熱到指定的溫度后要進(jìn)行一定時間的保溫，這樣做不僅是要減少工件的內(nèi)外溫差，降低工件內(nèi)部的熱應(yīng)力，使工件整體達(dá)到奧氏體化溫度，還可以使合金元素充分溶于奧氏體中，達(dá)到提高淬透性的作用。在回火過程中，合金元素可以延緩馬氏體的分解以及殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變進(jìn)而提升鋼對于回火軟化的抵抗能力，提升耐回火性，這類合金元素包括V、Si、Mo、W、Ni、Co等。對合金鋼進(jìn)行回火時要注意避免產(chǎn)生回火脆性，第一類回火脆性通常發(fā)生在250~350℃之間，它是不可逆的，因此需要采用低溫回火，在消除殘余應(yīng)力的前提下盡量防止出現(xiàn)晶界斷裂等脆性特征。針對T10A鋼Cr12的實際情況淬火時工件在890℃下保溫1h后油淬冷卻0.5h?；鼗饡r為了探究溫度對鋼各項力學(xué)性能的影響，對于淬火后的工件分別在200℃、250℃以及300℃下保溫2.5h后空冷。4.2工藝路線與工藝方法熱處理工藝設(shè)計是熱處理車間設(shè)計的中心環(huán)節(jié)，是設(shè)備選擇的主要依據(jù)。所確定的熱處理工藝必須先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)合理，并與車間生產(chǎn)規(guī)模相適應(yīng)。常規(guī)工藝應(yīng)力求工藝路線簡化，運(yùn)輸量最小，工序較小，節(jié)省能源及勞動量。采用先進(jìn)工藝應(yīng)經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證或?qū)嶒炑芯?，取得可信的試用效果?.2.1工藝路線產(chǎn)品零件從毛坯生產(chǎn)到完成成品，生產(chǎn)路線是確定熱處理車間任務(wù)的基礎(chǔ)，具體如下：（1）預(yù)備熱處理與鑄造之后進(jìn)行，包括正火、擴(kuò)散退火、等溫退火、球化退火、可鍛化退火、再結(jié)晶退火、消除應(yīng)力退火、人工時效（穩(wěn)化處理）等。（2）硬度要求在285HB（30HRC)以下的一般鑄件，可在機(jī)械加工前熱處理到要求硬度，包括正火、調(diào)質(zhì)（淬火及高溫回火）。加工余量大的鍛件，為保證其熱處理效果，應(yīng)在粗加工后進(jìn)行熱處理。（3）表面硬化，化學(xué)熱處理零件，硬度要求大于285HB(30HRC)的零件，應(yīng)在機(jī)械加工后進(jìn)行。一些精度要求高的零件，可使用特殊加工刀具的零件，也可在加工前進(jìn)行熱處理。（4）局部化學(xué)熱處理零件，生產(chǎn)批量大時，非處理部分應(yīng)鍍層保護(hù)，批量小時可采用機(jī)械保護(hù)，防滲涂層以及車去滲層等方法。（5）繞制彈簧、冷鐓、冷擠成形零件、應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火、再結(jié)晶退火、正火等工序。（6）形變熱處理可簡化工藝路線，減少工序，節(jié)約能源。有些鑄、鍛件，特別是鍛件，可充分利用鍛造余熱進(jìn)行淬火、調(diào)質(zhì)等處理，使鍛造加工與熱處理結(jié)合起來。4.2.2工藝方法的選定（1）常規(guī)熱處理工藝熱處理零件的常規(guī)熱處理工藝，包括毛坯的預(yù)備熱處理和零件的最終熱處理，如退火、正火、去應(yīng)力退火、調(diào)質(zhì)（淬火及高溫回火）、時效及固溶處理等。從提高熱處理質(zhì)量考慮，如不許在加熱過程中發(fā)生氧化、脫碳，應(yīng)采用保護(hù)氣氛下加熱。（2）化學(xué)熱處理化學(xué)熱處理包括奧氏體狀態(tài)下滲碳、碳氮共滲，鐵素體狀態(tài)下的滲氮和氮碳共滲，以及滲硼、滲硅、滲鋁及各種滲金屬和多元共滲工藝?；瘜W(xué)熱處理可以在氣態(tài)、固態(tài)或液態(tài)介質(zhì)中完成，確定化學(xué)熱處理的工藝選用。有化學(xué)熱處理后需要淬火的，應(yīng)根據(jù)可能盡量采取滲后直接淬火工藝。（3）調(diào)質(zhì)熱處理調(diào)質(zhì)熱處理技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個方面。①爐型。由于振底爐長期使用中存在振底板變形零件在爐內(nèi)布料、加熱不均淬火質(zhì)量散差大同時振動噪聲大、環(huán)境差，振底爐已逐漸退出生產(chǎn)線，網(wǎng)帶爐、鑄鏈爐得到普遍應(yīng)用。②碳勢控制技術(shù)的應(yīng)用。碳勢控制技術(shù)在保護(hù)氣氛調(diào)質(zhì)生產(chǎn)線得到普遍應(yīng)用。有效的控制爐內(nèi)碳勢控制精度，保證了零件淬火后的表面質(zhì)量。③計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用。通過應(yīng)用計算機(jī)能夠按照工藝設(shè)定自動完成工件的生產(chǎn)全過程記錄、保存工件生產(chǎn)中的各種工藝參數(shù)具有完善的故障診斷、安全警示及連鎖功能。④快速淬火油和水基淬火介質(zhì)的應(yīng)用。快速淬火油的應(yīng)用保證了高強(qiáng)度螺栓件的熱處理內(nèi)在質(zhì)量。水基淬火介質(zhì)的應(yīng)用解決了零件淬油不硬、淬水開裂及零件淬火變形的質(zhì)量問題。（4）感應(yīng)加熱淬火感應(yīng)加熱可使用高頻、中頻、工頻、超音頻，以及雙頻及脈沖加熱工藝，根據(jù)零件鋼種、尺寸特點、要求硬化層深度、零件批量等確定工藝。感應(yīng)加熱淬火后可根據(jù)可能采用自然回火。（5）火焰表面淬火火焰表面淬火技術(shù)的發(fā)展，如采用先進(jìn)溫度檢測技術(shù)與自動化控制與操作，淬火質(zhì)量可保證。在單件小批量生產(chǎn)中部分采用火焰淬火工藝，生產(chǎn)靈活實用。（6）高密度能量表面處理高密度能量表面處理包括激光表面處理，電子束表面處理和物理及化學(xué)氣相沉積。一般適用某些特定的零件，選用這種工藝必須先進(jìn)行工藝實驗，試生產(chǎn)使用，用從熱處理質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益考慮。4.3熱處理工藝卡表4.1T10A鋼鉆頭熱處理工藝卡熱處理工藝卡產(chǎn)品型號T10A零（筋）件圖寫產(chǎn)&名稱T10A鋼鉆頭零（篩）件名稱鋼鉆頭簡圖：甘料牌號零件重量1kg工藝路線熱軋技術(shù)條件檢段方法硬化層深