常見的熱處理方法

常見的熱處理方法常見的熱處理方法、目的和工序位置的安排由于熱處理工序安排對(duì)車削類工藝影響較大，更重要的是往往由于熱處理工序安排顛倒，使工件無法繼續(xù)加工，而且所產(chǎn)生的廢品往往是無法挽回的。為此對(duì)熱處理工序的安排要加以了解，并引起重視。下面將常見的熱處理方法、目的和工序位置的安排分別介紹如下：一、預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)和時(shí)效等。這類熱處理的目的是改善加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力和為最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。退火、正火、調(diào)質(zhì)工序多數(shù)在粗加工前后，時(shí)效處理一般安排在粗加工、半精加工以后，精加工之前。1.退火和正火目的是改善切削性能，消除毛坯內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，均勻組織；為以后熱處理作準(zhǔn)備。例如：含碳量大于0.7%的碳鋼和合金鋼，為降低硬度便于切削加工采用退火處理；含碳量低于0.3%的低碳鋼和低合金鋼，為避免硬度過低切削時(shí)粘刀，而采用正火適當(dāng)提高硬度。一般用于鍛件、鑄件和焊接件。退火一般安排在毛坯制造之后，粗加工之前進(jìn)行。2.調(diào)質(zhì)目的是使材料獲得較好的強(qiáng)度、塑性和韌性等方面的綜合機(jī)械性能，并為以后熱處理作準(zhǔn)備。用于各種中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金鋼。調(diào)質(zhì)一般安排在粗加工之后，半精加工之前。調(diào)質(zhì)是最常用的熱處理工藝。大部分的零件都是通過調(diào)質(zhì)處理來提高材料的綜合機(jī)械性能，即提高拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮率、延伸率、沖擊功。調(diào)質(zhì)處理能大大提高材料的拉伸和屈服強(qiáng)度，提高屈強(qiáng)比和沖擊功，使材料具有強(qiáng)度和塑韌性的良好配合。由于屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度的提高，在零件設(shè)計(jì)時(shí)就可以采用更小的材料截面，從而減少機(jī)械設(shè)備的整體重量，節(jié)省零件占用空問和能量消耗。因此在某些場(chǎng)合為了減少機(jī)械空間和機(jī)械重量在設(shè)計(jì)過程中要有意識(shí)地利用調(diào)質(zhì)工藝。需要強(qiáng)調(diào)的是，一般來講調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)該為中碳鋼(C=0．3％～0．6％)；碳鋼中像30、35、40、45、50等鋼種則既可以調(diào)質(zhì)處理又可以正回火使用；而對(duì)高碳鋼和低碳鋼則不宜采用調(diào)質(zhì)工藝調(diào)質(zhì)過程是淬火加高溫回火。首先需要將零件加熱到材料的Acl點(diǎn)以上30～50℃(800．950℃)，保溫一定時(shí)間，然后在油中或水中冷卻。冷卻后立即入爐進(jìn)行回火(500～650℃)，以降低淬火應(yīng)力、調(diào)整組織成份，進(jìn)而達(dá)到機(jī)械性能要求。而回火溫度的制定是根據(jù)硬度或性能高低而定的，硬度和強(qiáng)度越高，回火溫度越低。調(diào)質(zhì)工序后的任何高于回火溫度的加熱，都將降低已達(dá)到的強(qiáng)度。選擇調(diào)質(zhì)處理時(shí)應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：(1)圖紙中應(yīng)明確要求應(yīng)明確寫明“調(diào)質(zhì)”。若只寫“熱處理…HB”外協(xié)廠家可能采用其他熱處理工藝，比如正回火達(dá)到所要求的硬度。而正回火所達(dá)到的同樣硬度的材料其屈服強(qiáng)度和沖擊功會(huì)非常低。實(shí)際工作中曾發(fā)生過地腳螺栓使用時(shí)發(fā)生早期斷裂的事故就是由此導(dǎo)致的。(2)調(diào)質(zhì)的硬度和硬度范圍要按材料標(biāo)準(zhǔn)選擇調(diào)質(zhì)的硬度和硬度范圍。這一方面有利于工廠配爐生產(chǎn)，另一方面過窄的硬度范圍要求在實(shí)際生產(chǎn)中根本無法滿足。(3)硬度要與所要求的強(qiáng)度相匹配布氏硬度HB與拉伸強(qiáng)度是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的。粗略計(jì)算HB=O.3σb(N／mm2或MPa)。在中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中都有對(duì)照表。設(shè)計(jì)師在工作中必須注意的另外一點(diǎn)是，圖紙中要求的強(qiáng)度與硬度一定要相互匹配，否則工藝將無法同時(shí)滿足。(4)采用布氏硬度驗(yàn)收日本企業(yè)有時(shí)也采用維氏或其他硬度驗(yàn)收調(diào)質(zhì)硬度，雖然各種硬度可以相互換算，但檢測(cè)調(diào)質(zhì)硬度時(shí)用布氏硬度是最準(zhǔn)確和方便的方法。(5)對(duì)調(diào)質(zhì)硬度的限制如前所述，調(diào)質(zhì)后任何高于調(diào)質(zhì)回火溫度的加熱都將降低已有強(qiáng)度，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零件變形甚至產(chǎn)生裂紋。所以對(duì)氮化件調(diào)質(zhì)硬度最好不應(yīng)超過300HB，而表面淬火件和焊接件調(diào)質(zhì)硬度應(yīng)控制在330HB以下。由于表面淬火和焊接時(shí)工件表面急劇加熱，將會(huì)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，而超過材料Acl點(diǎn)的加熱會(huì)使金屬組織急劇變化而產(chǎn)生附加的組織應(yīng)力。在以上兩種應(yīng)力疊加作用下，高硬度件不易緩和和釋放應(yīng)力，容易產(chǎn)生基體組織裂紋，最終將導(dǎo)致零件報(bào)廢。3.低溫時(shí)效(烘)用于各種精密零件消除切削加工應(yīng)力，保持尺寸的穩(wěn)定性。一般安排在半精車以后，或粗磨、半精磨以后，精磨以前。二、最終熱處理1.淬火目的是提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨性。用于中碳以上的結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼。2.高頻(中頻)表面淬火目的是提高零件表面的硬度和耐磨性，而心部保持良好的塑性和韌性。淬硬深度一般是：高頻淬火1～2mm；中頻淬火2～6mm。一般用于中碳以上結(jié)構(gòu)鋼和合金鋼主軸、齒輪等零件。當(dāng)工件淬火后，表面硬度高，除磨削外，一般不能進(jìn)行其它切削加工。因此工序應(yīng)盡量靠后，一般安排在半精加工之后，磨削加工之前。3.滲碳使低碳鋼的表面層含碳量增加到0.85～1.10%，然后再經(jīng)淬火、回火處理，使鋼件表面層具有高硬度(HRC≥59)，增加耐磨性及疲勞強(qiáng)度等。而心部仍保持原有的塑性和韌性。滲碳一般用于15Cr、20Cr等含碳量低的鋼種，滲碳層的深度是根據(jù)零件的要求不同，一般為0.2～2mm。滲碳還可以解決工件有的表面需要淬硬，有的不需要淬硬的工藝技術(shù)問題。如一般軸上的螺紋、鍵槽、中心孔等，為了保持精度，一般不需要淬硬。這時(shí)，可在不需要淬硬的表面留有2.5～3mm的去碳層，待滲碳后除去這一部分表面，由于含碳量沒有增高，在淬火時(shí)硬度不會(huì)增加。滲碳一般安排在半精加工之后，然后進(jìn)行淬火或部分去碳后再淬火。三.表面硬化方法極其選材和應(yīng)用設(shè)計(jì)中常常需要對(duì)金屬材料表面進(jìn)行硬化處理以提高耐磨性、耐蝕性、耐熱性和疲勞強(qiáng)度。常用的表面硬化方法有：滲碳淬火、氮化、表面淬火、表面堆焊、表面噴涂等。1.滲碳處理在滲碳爐中將低碳鋼表面碳含量增至規(guī)定范圍然后進(jìn)行淬火，使表面硬度達(dá)到HRc56～62，然后低溫回火以消除應(yīng)力和穩(wěn)定組織。滲碳采用的是專用滲碳鋼，如20Cr、20CrMnTi、20CrNiMo、20Cr2Mn2Mo、17Cr2Ni2Mo等，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)工件尺寸和心部強(qiáng)度要求來選擇材料和滲碳層深度；不應(yīng)過度使用材料和加大滲碳層深，否則將造成生產(chǎn)成本增加。通常情況下，有效截面尺寸小于50mm的零件，可選用20、20Cr；有效截面尺寸50～150且重量小于50kg的工件，可選用20CrMnTi；有效截面大于200mm，或心部強(qiáng)度要求大于1000MPa的零件可選用17Cr2Ni2Mo。滲碳層深的選擇要根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，以節(jié)約成本。層深的增加意味著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，齒輪一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)層深，現(xiàn)在，軋機(jī)齒輪基本上都采用17Cr2Ni2Mo滲碳淬火工藝，從而廢棄了傳統(tǒng)的表面淬火工藝。2．氮化處理原則上講任何鋼種都可以進(jìn)行氮化處理。但是最常用的氮化鋼是45(HV>300)、40Cr(HV>400)、42CrMo(HV>500)、38CrMoAl(HV>700)。氮化是在氮化爐中進(jìn)行，因此變形小。氮化后一般可不加工。氮化硬度要根據(jù)材質(zhì)而定。需要注意的是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能采用整體氮化處理，因?yàn)榈瘜颖旧韺?duì)使用來說只有益處，沒必要加工處理掉。對(duì)必須進(jìn)行局部氮化的零件需要做局部保護(hù)，氮化后去掉或加工掉保護(hù)層，但是如此一來，需要額外的工作很多，增加了制造的復(fù)雜性和成本。此外，氮化前必須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以提高心部的機(jī)械性能，為氮化做組織準(zhǔn)備。氮化工藝最大的特點(diǎn)是熱處理變形小，硬化層淺，特別適用于與調(diào)質(zhì)工藝相結(jié)合提高零件的疲勞強(qiáng)度、表面耐磨性、耐蝕性和改善零件的摩擦狀態(tài)，防止膠合。適用于在周期載荷下工作的零件，比如軸等。3．表面淬火是成本最低的表面硬化處理方法，工藝簡(jiǎn)單而靈活，適合局部處理，特別適合于提高耐磨性的場(chǎng)合。由于只加熱表面層，心部強(qiáng)度保持著表淬前的狀態(tài)。表面淬火一般工藝是高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱或火焰加熱，噴水冷卻，然后進(jìn)行低溫回火。表面淬火后零件表面將產(chǎn)生很大的殘余壓應(yīng)力，因而使材料的疲勞強(qiáng)度大大提高。但需要注意的是，表淬區(qū)域的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)處于殘余拉應(yīng)力狀態(tài)下，此處的疲勞強(qiáng)度因此大大降低。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮殘余拉應(yīng)力不可留在齒根處、軸的過渡圓角處等零件應(yīng)力集中部位，以免工作應(yīng)力與殘余拉應(yīng)力疊加造成零件裂紋或斷裂。細(xì)軸類和薄板類零件本身容易變形，表淬時(shí)由于加工應(yīng)力的釋放與表淬應(yīng)力的不平衡會(huì)產(chǎn)生很大變形，而淬硬后的零件矯形時(shí)容易發(fā)生斷裂。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮表淬應(yīng)力的平衡問題。比如將薄板類工件設(shè)計(jì)成雙面對(duì)稱淬火是一種有效解