热加工车间热处理工培训讲义03-03

1 热处理操作工培训讲义（热加工车间）-、热处理基础知识。1、铁、碳平衡图 ：用以温度为纵坐标，以碳含量为横坐标的图解方法，表示在接近平衡或亚稳条件下，以铁碳为单元组成的合金，在不同温度下相与相之间关系的图称为铁碳平衡图，也称铁碳相图。它是研究铁碳合金的基础，利用铁碳平衡图的基本知识，可以确定各种成分铁碳合金的组织、性能与温度的关系，也是制定热处理工艺的重要依据。2、钢的奥氏体连续冷却转变曲线钢的奥氏体连续冷却转变曲线，又称为 CCT 曲线，是用于描述在连续冷却过程中，过冷奥氏体所发生的各种转变时间、产物与转变量间的关系的曲线。大多数热处理工艺都是在连续冷却的情况下进行的，因此测定和了解钢的连续冷却转变曲线具有更重要的实际意义。3、什么是热处理：钢的热处理是将金属的半成品或成品加热到一定温度，并在此温度下保持一定时间，然后以不同的冷却速度冷却下来，以获得所需要的显微组织和性能的工艺过程。热处理过程一般都要经过加热、保温和冷却三个阶段。它不改变金属成材或零件的形状和尺寸，而是通过改变金属的内部组织，从而改善金属的性能，提高钢材的使用价值，满足各种使用要求，并因此而节省钢材及延长使用寿命。 钢的热处理按其目的和工艺过程的不同，通常分为普通热处理和表面热处理两大类。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火、调质、时效、固溶处理及冷处理等；表面热处理包括表面淬火和表面化学热处理等。4、钢的热处理基本工艺。退火：将钢加热到临界点以上 30-50，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却）的一种热处理操作称为退火，表示方法为 Th。它的主要目的是：1、降低硬度，提高塑性和韧性，改善加工性能；2、消除内应力；3、细化晶粒，提高钢的力学性能；4、改善内部组织，为淬火做准备。正火：把钢加热到 Ac3或 Acm 以上 30-50，使钢全部奥氏体化，并保温一段时间，然后在空气中冷却得到珠光体型组织的热处理操作称为正火。 （实质上是完全退火的变相形式，只不过把退火炉内缓冷改为空冷而言） 。正火表示方法为 Z。 它的主要目的是：1、提高低碳钢的硬度，改善切削加工性：2、细化晶粒，改善组织，使钢得到致密的结构组织，为最后热处理做组织准备;3、消除内应力，提高低碳钢性能，作为最终热处理。 淬火：将钢加热到临界温度以上保温一定时间，使之奥氏体化并均匀化后，放入水、盐水或油中（个别材料在空气中）急冷下来的一种热处理操作称为淬火。 （淬火后的钢一般都需进行回火，以降低或消除钢件的残余应力，使淬火组织趋于稳定） 。它的主要目的是：1、通过淬火和回火获得一定的综合力学性能;2、提高钢的硬度和强度；3、提高耐磨性；4、改善钢的某些物理化学性能；5、为下一步热处理做好组织准备。回火：把淬火后的钢重新加热到 Ac1（723）以下的温度，保温一段时间，然后在油中或空气中冷却的一种热处理操作称为回火。随着回火温度的升高，强度和硬度下降，塑性和韧性升高。回火时间一般为 1-4h，大型工件则要根据尺寸延长时间。回火是钢淬火后必须进行的一道工序，它的主要目的是：1、消除淬火时产生的脆性和内应力，2、提高塑性和韧性，使钢免于破裂；3、获得各种要求的力学性能；4、稳定零件的形状和尺寸。5、获得所要求的组织和性能。固溶处理：把钢加热到适当温度并经过相当一段时间的充分保温，使钢中的某些组成物溶解到基体里去形成均匀的固溶体，然后迅速冷却，使溶入的组成物保存在固溶体中，这2 种热处理工艺称为固溶处理。它的主要目的是：1、改善钢和合金的塑性和韧性，并为进一步进行沉淀硬化处理准备条件。2、提高奥氏体钢或合金的韧性和抗腐蚀性。奥氏体不锈钢一般采用的就是固溶处理技术，随着核电建设的发展，我公司将大量使用奥氏体不锈钢，固溶处理技术将是我们经常采用的处理手段。5、热处理工艺过程。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，这些过程互相衔接，不可间断。 加热：加热是热处理的重要步骤之一。金属在加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳、过烧，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响，操作上应尽量避免之。加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度 ，是保证热处理质量的主要手段。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得需要的组织。 保温：金属组织的转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。 冷却: 冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。 6、 钢的分类。钢是以铁、碳为主要成分的合金，它的含碳量一般小于 2.11% 。按钢材的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢：按含碳量又可分为低碳钢（含碳量0.25%）；中碳钢（0.25%含碳量0.6%）；高碳钢（含碳量0.6%）。我公司使用的 20、20G、20g、St45.8、SA106B、SA106C、A672B70CL32 等均属于低碳钢或中碳钢。合金钢：按合金元素含量又可分为低合金钢（合金元素总含量5%）；中合金钢（合金元素总含量=5%-10%）；高合金钢（合金元素总含量10%）。我公司经常使用的 P22、12Cr2MoG、10CrMo910、15NiCuMoNb5-6-4、WB36、12Cr1MoVG 等均属于低合金钢，P91、P92、1Cr18Ni9Ti、316S、0Cr17Ni12Mo2 等均属于高合金钢。二、我公司常用钢材的性能及热处理要求。蒸汽管道的工作条件及用钢要求：蒸汽管道包括主蒸汽管道、导汽管和再热蒸汽管道，其作用是输送高温、高压过热蒸汽。它要求钢材具有足够高的蠕变强度、持久强度和持久塑性；在高温下、长期运行过程中应具有相对稳定的组织；具有良好的工艺性能，特别是焊接工艺性能要好。选材原则主要取决于工作温度，工作温度愈高，所用钢的合金元素含量愈高。 我公司常用钢材的性能及热处理要求如下：1、碳钢：碳钢主要有 20、20G、20g、St45.8、SA106B、SA106C、A672B70CL32 等低碳钢，其基本性能相类似。以 20G 为例，一般在热轧状态下使用。按 GB5310 标准要求 20G 钢管应进行900-930正火处理，当热轧管的终轧温度900时，可以代替正火。为消除冷变形的影响，可进行 600-650回火处理。钢板以热轧状态供货，必要时可进行 890-920正火。2、P22、12Cr2MoG(10CrMo910、STBA24、STPA24、T22、15313):P22 为美国 ASTM 标准，与其相类似的钢号有我国的 12Cr2MoG ，联邦德国的10CrMo910 钢，属 2 1/4Cr -1Mo 低合金珠光体结构钢，被广泛用作锅炉钢管和蒸汽管道（多用于制造蒸汽管道） 。这种钢具有良好的加工工艺性能和较好的焊接性能，对热处理不太敏感，能在大截面上得到较均匀的性能，持久塑性好，运行开始阶段蠕变速度较快，但3 运行 1-2 万 h 后才进入正常蠕变，延伸率达到 3%-5%才开始蠕变第三阶段。该钢的淬透性大，有一定的焊接冷裂倾向，其热强性能比 12Cr1MoVG 钢低。以 12Cr2MoG 钢为例，GB5310-95 标准规定，12Cr2MoG 钢交货状态的热处理制度为 900-960正火，700-750回火，或加热至 900-960，炉冷至 700，保温 1h 以上，然后空冷。当热轧钢管的终轧温度符合规定的正火温度时，可用热轧代替正火。DIN17175-79 标准规定的热处理制度与 GB5310 标准相同，此外还规定，在 900-960正火时，如果管壁较厚时，可进行加速冷却，如油冷。联邦德国供货的 10CrMo910 钢管，由于不同钢厂的冶炼方法和热处理制度不尽相同，因而其组织和性能有一定的差异。3、合金钢 15NiCuMoNb5(WB36):15NiCuMoNb5(WB36)为德国梯森钢厂、曼内斯曼钢厂和日本住友金属株式会社生产的Ni-Cu-Mo 低合金钢。该钢的特点是具有较高的强度和良好的焊接性能，室温抗拉强度可达610MPa 以上，屈服强度440MPa，比 20 钢高 40%。用于高压锅炉给水管道时，可使壁厚大为减薄，从而有利于加工、制造和安装，常用作壁温500的大口径（76660）锅炉用厚壁钢管、集箱、汽包及压力容器等。钢中含 Cu 可增加钢的抗腐蚀性。含 Cu 钢有红脆性，但由于钢中加入了比 Cu 含量多 50%的 Ni，从而消除了红脆性。热处理要求：正火：正火温度 880-960，工件必须沿整个横截面达到规定温度，在空气、水或油中冷却。回火：回火温度 580-680，保温时间按 DIN17104 规定，最少为 30min，空冷。焊后消除应力热处理温度为 530-620。4、合金钢 12Cr1MoVG。12Cr1MoVG 钢属珠光体低合金热强钢，该钢具有较高的热强性能和持久塑性，580以下10 万 h 的持久强度比国外广泛采用的 2 1/4Cr -1Mo 钢高许多。该钢的生产工艺较为简单，且抗氧化性能和焊接性能良好，但其力学性能和金属组织对正火冷却速度比较敏感，只有严格执行热处理工艺，才能够得到满意的综合性能和热强性能。该钢用于制作壁温570的受热面管子，壁温555的集箱、蒸汽管道 以及锅炉大型锻件。 热处理要求：12Cr1MoVG 钢对热处理比较敏感，正火温度、保温时间、冷却速度和回火温度，对钢的组织和持久强度都有一定的影响。GB5310-95 标准规定 12Cr1MoVG 钢的热处理制度为 980-1020正火，保温时间按壁厚每毫米 1 min 计，但不少于 20min；720-760回火。保温时间：周期式炉多于 2h.当热轧时的终轧温度为 980-1020时，可以热轧代替正火。5、合金钢 P91。10Cr9Mo1VNb(T91、P91)钢属改良型 9Cr -1Mo 高强度马氏体耐热钢，该钢是美国ORNL（Oak Ridge National Laboratory）首先开发研制的，我国也已研制出该钢种，并已纳入 GB5310-95 标准。该钢是在 T9 钢的基础上，通过降低碳含量，增加合金元素 V 和 Nb，控制 N 和 AL 含量，使钢不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而又稳定的持久塑性和热强性能。在使用温度低于 620时，该钢的许用应力高于奥氏体不锈钢，特别是与奥氏体不锈钢焊制的异种钢焊接接头，其热强性能可达到本身同种钢管焊接接头性能水平。主要用于制造亚临界、超临界锅炉壁温625的高温过热器，壁温650的高温再热器钢管，以及壁温600的高温集箱和蒸汽管道，也可用于核电设备热交换器以及石油裂化装置炉管等。化学成分如表所示：钢号 化学成分,4 C Mn Si Cr Mo S PV 0.18-0.25N 0.030-0.070Ni 0.40maxAl 0.04maxSA-335P910.08-0.120.30-0.600.20-0.508.00-9.500.85-1.05Nb 0.06-0.100.0100.020供货状态是（钢管）经正火(允许强制冷却)+回火或调质状态交货。P91 钢管的显微组织为回火马氏体（或回火索氏体） ，不得存在非马氏体回火组织。管件实际晶粒度应细于 4 级（包括 4 级） ，在同一视场中级别不大于 3 级。非金属夹杂物按GB/T10561 中的 ISO 评级图谱评级，其各类夹杂物级别分别不大于 2.5 级。热处理要求：按 GB5310-95 标准该钢供货状态为正火加回火。推荐的正火温度为 1040-1060，保温时间按壁厚每毫米 1.5min 计，但不少于 20min.回火温度为 770-790，保温时间：周期式炉大于 2h：连续炉大于 1 h。正火温度过高（如1140）会发生晶粒粗化现象。德国曼内斯曼钢管厂认为，对于壁厚大于 80的管子需要加速冷却，建议采用油或水喷冷。6、1Cr18Ni9Ti（12X18H10T、17246）1Cr18Ni9Ti 钢是一种应用广泛的 18-8 型奥氏体不锈钢，又是不锈耐酸钢，具有高的抗腐蚀性能。在不同温度和浓度的各种强腐蚀性介质（如硝酸、大部分有机酸和无机酸的水溶液、磷酸、碱和煤气等）中，均有良好的耐蚀性。在空气中具有高的热稳定性，抗大气氧化性，长期使用温度可达 800，强烈氧化开始温度为 850。从 2010 年开始，我公司将逐步进入核电领域，而核电站建设中将大量使用的就是奥氏体不锈钢，我们必须要提前熟悉和掌握这一类型钢种的基本性能和热处理要求。由于钢中含有钛元素，能形成稳定的碳化物 TiC，从而可避免在晶界上析出 Cr23C6 而引起晶间腐蚀，因此这种钢经固溶处理和稳定化处理后，可避免晶间腐蚀倾向，但也会因此而促使钢中出现氮化钛（TiN）夹杂物，特别是当 TiN 呈链状分布时，会使钢产生发裂。在我国 GB1220-92 标准中规定，1Cr18Ni9Ti 钢除专用外，一般情况下不推荐使用。热处理要求：一般在固溶状态下使用，固溶温度 1050-1150，水或空冷。此钢中虽然含有稳定碳化物元素钛，但固溶处理后，如在 500-800范围内受热时间较长，仍会出现晶间腐蚀倾向。对此， 建议进行稳定化处理： 850-8806h，空冷。淬火 1000-1100水冷：淬火时效：1130-1160水淬，800时效 10h。三、管件热处理工操作规范1 产前核对1.1 热处理操作工在热处理工艺师的指导下按热处理作业指导书作好产前准备工作。1.2 同时应按生产流程工艺卡规定内容对产品进行核对，包括产品材质、数量，确认无误后方可进行操作。2 生产准备2.1 检查 热处理设备及热电偶设备，自动记录仪表是否完好，记录纸是否安装。炉内无残留杂物。2.2 采用煤气炉进行热处理时，应遵守有关炉型司炉工安全操作规程。入炉工件、工具应干燥。5 2.3 台车式热处理炉是采用机械来输送工件的，使用前必须检查机械关键传动部件有无烧损、腐蚀，机械运行轨道上有无障碍物。2.4 按管件的规格和数量准备好工具、夹具，出炉后的摆放支架，冷却用的鼓风机及冷却水箱。检查抽风系统是否完好。3 装炉3.1 产品装炉时应按材料编号分别排放整齐，重的放在下面，防止热处理变形，装炉后封门。3.2 工件入炉前，炉内温度100。3.3 工件应放在炉内的有效加热区内。煤气热处理炉炉内管件摆放与炉门间距1000mm，与炉壁间距