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热处理简介及成本分析 2014 09 11 一 热处理基础知识 1 二 热处理分类 2 三 常见零部件热处理方法 3 四 热处理成本分析 4 目录 Page 2 5 一 热处理基础知识 热处理定义 热处理是将材料放在一定的介质内加热 保温 冷却 通过改变材料表面或内部的组织结构 来控制其性能的一种综合工艺过程 Page 3 一 热处理基础知识 热处理目的 为使金属工件具有所需要的力学性能 物理性能和化学性能 除合理选用材料和各种成形工艺外 热处理工艺往往是必不可少的 钢铁是机械工业中应用最广的材料 钢铁显微组织复杂 可以通过热处理予以控制 所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容 另外 铝 铜 镁 钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学 物理和化学性能 以获得不同的使用性能 Page 4 一 热处理基础知识 热处理名词 金属 具有不透明 金属光泽良好的导热和导电性并且其导电能力随温度的增高而减小 富有延性和展性等特性的物质 金属内部原子具有规律性排列的固体 即晶体 金相组织指金属组织中化学成分 晶体结构和物理性能相同的组成 其中包括固溶体 金属化合物及纯物质 合金 由两种或两种以上金属或金属与非金属组成 具有金属特性的物质 合金内部通常包含多种金相组织 Page 5 典型金相组织图 一 热处理基础知识 热处理名词 固溶体 是一个 或几个 组元的原子 化合物 溶入另一个组元的晶格中 而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体 固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种 化合物 合金组元间发生化合作用 生成一种具有金属性能的新的晶体固态结构 机械混合物 由两种晶体结构而组成的合金组成物 虽然是两面种晶体 却是一种组成成分 具有独立的机械性能 Page 6 一 热处理基础知识 热处理名词 常见金相组织铁素体 碳在a Fe 体心立方结构的铁 中的间隙固溶体 奥氏体 碳在g Fe 面心立方结构的铁 中的间隙固溶体 渗碳体 碳和铁形成的稳定化合物 Fe3c 珠光体 铁素体和渗碳体组成的机械混合物 F Fe3c含碳0 8 莱氏体 渗碳体和奥氏体组成的机械混合物 含碳4 3 贝氏体 过冷奥氏体在一定温度下的相变产物 马氏体 碳在a Fe中的过饱和固溶体 分为板条马氏体和片状马氏体 针状马氏体 两种 Page 7 一 热处理基础知识 Page 8 一 热处理基础知识 金属热处理的工艺热处理工艺一般包括加热 保温 冷却三个过程 有时只有加热和冷却两个过程 这些过程互相衔接 不可间断 加热是热处理的重要工序之一 金属热处理的加热方法很多 最早是采用木炭和煤作为热源 进而应用液体和气体燃料 电的应用使加热易于控制 且无环境污染 利用这些热源可以直接加热 也可以通过熔融的盐或金属 以至浮动粒子进行间接加热 金属加热时 工件暴露在空气中 常常发生氧化 脱碳 即钢铁零件表面碳含量降低 这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响 因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中 熔融盐中和真空中加热 也可用涂料或包装方法进行保护加热 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问题 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 以获得高温组织 Page 9 一 热处理基础知识 金属热处理的工艺另外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 采用高能密度加热和表面热处理时 加热速度极快 一般就没有保温时间 而化学热处理的保温时间往往较长 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 Page 10 二 热处理分类 金属热处理工艺大体可分为整体热处理 表面热处理和特殊热处理三大类 根据加热介质 加热温度和冷却方法的不同 每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺 Page 11 二 热处理分类 Page 12 二 热处理分类 整体热处理整体热处理是对工件整体加热 然后以适当的速度冷却 以改变其整体力学性能的金属热处理工艺 钢铁整体热处理大致有退火 正火 淬火和回火四种基本工艺 Page 13 二 热处理分类 整体热处理退火是将工件加热到适当温度 根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间 然后以适宜速度进行缓慢冷却的热处理工艺 退火目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态 完全奥氏体化 奥氏体转化为珠光体 二次渗碳体转化为球状渗碳体等 改善或消除钢铁在铸造 锻压 轧制和焊接过程中所造成的各种组织缺陷以及残余应力 防止工件变形 开裂 软化工件以便进行切削加工 细化晶粒 改善组织以提高工件的机械性能 或者为进一步淬火回火作组织准备 Page 14 二 热处理分类 Page 15 退火炉 二 热处理分类 整体热处理常用的退火工艺有 完全退火 用以细化中 低碳钢经铸造 锻压和焊接后出现的力学性能不佳的粗大过热组织 将工件加热到铁素体全部转变为奥氏体的温度以上30 50 保温一段时间 然后随炉缓慢冷却 在冷却过程中奥氏体再次发生转变 即可使钢的组织变细 球化退火 用以降低工具钢和轴承钢锻压后的偏高硬度 将工件加热到钢开始形成奥氏体的温度以上20 40 保温后缓慢冷却 在冷却过程中珠光体中的片层状渗碳体变为球状 从而降低了硬度 等温退火 用以降低某些镍 铬含量较高的合金结构钢的高硬度 以进行切削加工 一般先以较快速度冷却到奥氏体最不稳定的温度 保温适当时间 奥氏体转变为托氏体或索氏体 硬度即可降低 Page 16 二 热处理分类 整体热处理常用的退火工艺有 再结晶退火 用以消除金属线材 薄板在冷拔 冷轧过程中的硬化现象 硬度升高 塑性下降 加热温度一般为钢开始形成奥氏体的温度以下50 150 只有这样才能消除加工硬化效应使金属软化 石墨化退火 用以使含有大量渗碳体的铸铁变成塑性良好的可锻铸铁 工艺操作是将铸件加热到950 左右 保温一定时间后适当冷却 使渗碳体分解形成团絮状石墨 扩散退火 用以使合金铸件化学成分均匀化 提高其使用性能 方法是在不发生熔化的前提下 将铸件加热到尽可能高的温度 并长时间保温 待合金中各种元素扩散趋于均匀分布后缓冷 去应力退火 用以消除钢铁铸件和焊接件的内应力 对于钢铁制品加热后开始形成奥氏体的温度以下100 200 保温后在空气中冷却 即可消除内应力 Page 17 二 热处理分类 Page 18 碳钢各种退火和正火工艺规范示意图 二 热处理分类 整体热处理正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却 正火的效果同退火相似 正火冷却速度较大 得到的珠光体组织比较细 Page 19 2020 2 5 20 二 热处理分类 整体热处理正火目的 1 改善钢的切削加工性能 通过正火处理 可以减少自由铁素体 获得细片状珠光体 使硬度提高至140 190HB 可以改善钢的切削加工性 提高刀具的寿命和工件的表面光洁程度 2 消除热加工缺陷 中碳结构钢铸件 锻 轧件以及焊接件在热加工后易出现魏氏组织 粗大晶粒等过热缺陷和带状组织 通过正火处理可以消除这些缺陷组织 达到细化晶粒 均匀组织 消除内应力的目的 3 消除过共析钢的网状碳化物便于球化退火 过共析钢在淬火之前要迸行球化退火 以便于机械加工并为淬火作好组织准备 但当过共析钢中存在严重网状碳化物时 将达不到良好的球化效果 通过正火处理可以消除网状碳化物 4 提高普通结构零件的力学性能 些受力不大 性能要求不高的碳钢和合金钢零件采用正火处理 达到一定的综合力学性能 可以代替调质处理 作为零件的最终热处理 Page 21 二 热处理分类 Page 22 正火炉 二 热处理分类 整体热处理淬火是将工件加热保温后 在水 油或其它无机盐 有机水溶液等淬冷介质中快速冷却 淬火的目的是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 但钢件也变脆了 Page 23 二 热处理分类 整体热处理根据冷却方法 淬火工艺分为单液淬火 双介质淬火 马氏体分级淬火和贝氏体等温淬火4类 单液淬火是将奥氏体化工件浸入某一种淬火介质种 一直冷却到室温的淬火操作方法 单液淬火介质有水 盐水 碱水 油及专门配制的淬火剂等 一般情况下碳素钢淬火 合金钢淬油 双介质淬火是将奥氏体化工件先浸入一种冷却能力强的介质 在钢件还未达到该淬火介质温度之间即取出 马上浸入另一种冷却能力弱的介质中冷却 如先水后油 先水后空气等 Page 24 二 热处理分类 整体热处理淬火工艺马氏体分级淬火是将奥氏体化工件先浸入温度稍高或稍低于钢的马氏体点的液态介质 盐浴或碱浴 中 保持适当的时间 待钢件的内 外层都达到介质温度后取出空冷 以获得马氏体组织的淬火工艺 也称分级淬火 贝氏体等温淬火是将钢件奥氏体化 使之快冷到贝氏体转变温度区间 260 400 等温保持 使奥氏体转变为贝氏体的淬火工艺 有时也叫等温淬火 一般保温时间为30 60min Page 25 二 热处理分类 整体热处理常用的淬火介质有水 水溶液 矿物油 熔盐 熔碱等 水是冷却能力较强的淬火介质 适用于截面尺寸不大 形状简单的碳素钢工件的淬火冷却 在水中加入适量的食盐和碱 可以提高介质在高温区的冷却能力 可用作碳钢及低合金结构钢工件的淬火介质 使用温度不应超过60 淬火后应及时清洗并进行防锈处理 油介质一般有机油 变压器油和柴油等矿物油 机油一般采用10号 20号 30号机油 油的号越大 黏度越大 闪点越高 冷却能力越低 使用温度相应提高 Page 26 二 热处理分类 整体热处理 Page 27 淬火 二 热处理分类 整体热处理为了降低钢件的脆性 将淬火后的钢件在高于室温而低于650 的某一适当温度进行长时间的保温 再进行冷却 这种工艺称为回火 回火的目的主要是消除钢件在淬火时所产生的应力 淬火马氏体内部析出碳化物薄片 加粗碳化物等 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 Page 28 二 热处理分类 整体热处理根据温度的不同 回火工艺分为低温回火 中温回火和高温回火 1 低温回火回火温度为150 250 C 低温回火可以部分消除淬火造成的内应力 降低钢的脆性 提高韧性 同时保持较高的硬度 故广泛应用于要求硬度高 耐磨性好的零件 如量具 刃具 冷变形模具及表面淬火件等 2 中温回火回火温度为300 450 C 中温回火可以消除大部分内应力 硬度有显著的下降 但仍有一定的韧性和弹性 中温回火主要应用于各类弹簧 高强度的轴 轴套及热锻模具等工件 2 中温回火回火温度为300 450 C 中温回火可以消除大部分内应力 硬度有显著的下降 但仍有一定的韧性和弹性 中温回火主要应用于各类弹簧 高强度的轴 轴套及热锻模具等工件 Page 29 二 热处理分类 整体热处理 Page 30 井式回火电阻炉 二 热处理分类 整体热处理为了获得一定的强度和韧性 把淬火和高温回火结合起来的工艺 称为调质 调质的目的是能得到强度和韧性均较高的回火索氏体组织 使工件具有良好的综合机械性能 常用于承受动载荷和冲击载荷的中碳钢机械零件以及低碳调质钢 中碳调质钢等高强度焊接结构的焊后热处理 Page 31 二 热处理分类 表面热处理表面热处理是只加热工件表层 以改变其表层力学性能的金属热处理工艺 表面热处理包括表面淬火和化学热处理两种 Page 32 二 热处理分类 表面热处理表面淬火原理与整体淬火基本相同 但是只对表面进行加热 表面加热主要方法有火焰加热和感应加热 常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰 感应电流 激光和电子束等 化学热处理与表面热处理不同之处是前者改变了工件表层的化学成分 化学热处理是将工件放在含碳 氮或其它合金元素的介质 气体 液体 固体 中加热 保温较长时间 从而使工件表层渗入碳 氮 硼和铬等元素 以改变钢表层的化学成分和组织 渗入元素后 有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火 化学热处理的主要方法有渗碳 渗氮 渗金属 Page 33 二 热处理分类 Page 34 渗碳炉 低压渗氮炉 三 常见零部件热处理方法 1 焊接加工通常都要进行退火出来 消除变形和应力2 齿轮除了正火 退火处理 齿表面通常还要进行淬火 回火处理 有些还要求表面渗碳 渗氮处理3 轴类零件通常要求整体正火或者调质处理 轴颈或者装配部位一般要求表面淬火 还有些轴颈部要求渗碳 渗氮处理4 涡轮蜗杆通常要求淬火 回火处理5 弹簧类零件通常要求油淬和回火处理 并且要求淬透 Page 35 三