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设备热处理工艺知识 主讲人 李梦贤2011 10 20 2 热处理基本概念 定义将材料以适当的方式进行加热 保温和冷却 通过改变材料表面或内部组织结构 从而改善材料性能 工艺性能和使用性能 的一种工艺方法 不管是那种热处理 都是分这三个阶段 不同的是加热温度 保温时间和冷却速度不同 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 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 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 热处理与其它加工方法特点热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分 而是通过改变工件内部的显微组织 或改变工件表面的化学成分 赋予或改善工件的使用性能 其特点是改善工件的内在质量 热处理的作用日趋重要 因为现代机器制造对金属材料的性能不断提出更高的要求 如果完全依赖原材料的原始性能来满足这些要求 常常是不经济的 甚至是不可能的 热处理可提高零件的强度 硬度 韧性 弹性 同时 还可改善毛坯或原材料切削性能 使之易于加工 热处理是改善原材料或毛坯的工艺性能 保证产品质量 延长使用寿命 挖掘材料潜力不可缺少的工艺方法 热处理在机械制造业中的应用日益广泛 在机床制造中要进行热处理的零件占60 70 在汽车 拖拉机制造中占70 80 在各类工具 刃具 模具 量具等 和滚动轴承制造中 100 的需要进行热处理 焊接接头及设备的消应力热处理 消氢热处理等 8 钢的热处理分类 整体热处理 普通热处理 整体热处理是对工件整体加热 然后以适当的速度冷却 获得需要的金相组织 以改变其整体力学性能的金属热处理工艺 整体热处理主要有退火正火淬火回火 四种基本工艺 整体热处理 10 退火是将钢加热 A3或A1左右一定范围温度 保温 然后随炉缓冷 以获得接近平衡组织的热处理工艺 退火的目的1 降低硬度 提高塑性 2 细化晶粒 改善组织 3 消除残余应力 将钢加热到一定温度并保温一段时间 然后使它慢慢冷却 称为退火 钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度 经过保温后缓慢冷却的热处理方法 退火的目的 是为了消除组织缺陷 改善组织使成分均匀化以及细化晶粒 提高钢的力学性能 减少残余应力 同时可降低硬度 提高塑性和韧性 改善切削加工性能 所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力 又为后续工序作好准备 故退火是属于半成品热处理 又称预先热处理 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 然后进行缓慢冷却 目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态 获得良好的工艺性能和使用性能 或者为进一步淬火作组织准备 常见退火工艺方法 均匀化退火 完全退火 球化退火 去应力退火 10钢换热钢管光亮退火 完全退火又称重结晶退火 将工件加热Ac3以上30 50 保温一定时间后 随炉缓慢冷却 以获得接近平衡组织的热处理工艺 亚共析钢经完全退火后得到的组织是F P 完全退火主要适用于亚共析钢和合金钢的铸件 焊接件 锻件及热轧型材 目的是细化晶粒 均匀组织 降低硬度 便于切削加工并为加工后工件的淬火作好组织准备 过共析钢不进行完全退火 因为过共析钢自Acm缓慢冷却时会析出网状二次渗碳体 使钢脆性增大 去应力退火将工件加热至低于Ac1的某一温度 一般500 650 保温足够时间后 缓慢冷却 主要用于消除铸件 锻件 焊接件及冷变形零件的内应力 降低温度 稳定尺寸 减少和防止使用过程中变形 但不改变零件的内部组织 焊后热处理属于低温退火 将工件加热到600 640 保温一段时间 缓冷或空冷 主要是消除焊后残余应力 正火 将钢加热到临界温度A3或Acm以上30 50 使钢全部转变为均匀的奥氏体 然后在空气中自然冷却的热处理方法 目的 a 晶粒细小而均匀 综合力学性能好b 消除残余应力c 最终热处理 正火 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 只是得到的组织更细 常用于改善材料的切削性能 也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理 它能消除过共析钢的网状渗碳体 对于亚共析钢正火可细化晶格 提高综合力学性能 对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的 淬火将中 高碳钢或合金钢加热到临界温度A1或A3以上30 70 保温后在淬火介质中快速冷却得到马氏体组织的热处理工艺 目的a 提高零件的硬度和耐磨性 强化材料 但淬火后 出现内应力 材料变脆 须回火 b 淬火目的是为了得到M 但M不是热处理所希望的最终组织 淬火必须与回火配合 才能达到预期的目的 c 钢的强度 硬度 耐磨性 弹性 韧性 疲劳强度等 都可利用淬火与回火使之大大提高 是强化钢件的主要手段之一 淬火 淬火是将钢加热到临界温度以上 保温一段时间 然后很快放入淬火剂中 使其温度骤然降低 以大于临界冷却速度的速度急速冷却 而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法 淬火能增加钢的强度和硬度 但要减少其塑性 淬火中常用的淬火剂有 水 油 碱水和盐类溶液等 淬火方法单液 双液 分级 等温 局部等 两个名词淬透性 在规定条件下 决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性 即钢淬火时得到淬硬层深度大小的能力 它表示钢接受淬火的能力 钢材淬透性好与差 常用淬硬层深度来表示 淬硬层深度越大 则钢的淬透性越好 钢的淬透性是钢材本身所固有的属性 它只取决于其本身的内部因素 而与外部因素无关 钢的淬透性主要取决于它的化学成分 特别是含增大淬透性的合金元素及晶粒度 加热温度和保温时间等因素有关 淬透性好的钢材 可使钢件整个截面获得均匀一致的力学性能以及可选用钢件淬火应力小的淬火剂 以减少变形和开裂 淬硬性 指钢在淬火时硬化能力 用淬成马氏体可能得到的最高硬度表示 主要取决于马氏体中的含碳量 碳含量越高 则钢的淬硬性越高 其他合金元素的影响比较小 23 24 回火 回火零件淬火后 加热至临界温度A1之下 保温 以一定速度冷却到室温 目的达到设计图纸要求的硬度 消除内应力 回火包括 低温回火 中温回火 高温回火 低温回火 150 250 低温回火所得组织为回火马氏体 其目的是在保持淬火钢的高硬度和高耐磨性的前提下 降低其淬火内应力和脆性 以免使用时崩裂或过早损坏 它主要用于各种高碳的切削刃具 量具 冷冲模具 滚动轴承以及渗碳件等 回火后硬度一般为HRC58 64 250 350回火会产生回火脆性 一般应避免 中温回火 350 500 中温回火所得组织为回火屈氏体 其目的是获得高的屈服强度 弹性极限和较高的韧性 因此 它主要用于各种弹簧和热作模具的处理 回火后硬度一般为HRC35 50 回火屈氏体 回火温度为350 500摄氏度 由奥氏体在低于珠光体形成温度时分解而得到铁素体基体与大量弥散分布的细粒状渗碳体的混合组织 叫做回火屈氏体 也叫极细珠光体 即碳化物和a 相的混合物 高温回火 500 650 高温回火所得组织为回火索氏体 是铁素体与粒状碳化物的混合物 习惯上将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理 其目的是获得强度 硬度和塑性 韧性都较好的综合机械性能 因此 广泛用于汽车 拖拉机 机床等的重要结构零件 如连杆 螺栓 齿轮及轴类 回火后硬度一般为HB200 330 将已经淬火的钢重新加热到一定温度 再用一定方法冷却称为回火 其目的是消除淬火产生的内应力 降低硬度和脆性 以取得预期的力学性能 回火分高温回火 中温回火和低温回火三类 回火多与淬火 正火配合使用 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 淬火后钢件变硬 但同时变脆 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 调质 调质热处理 淬火后再进行高温回火的复合热处理工艺 目的是提高钢材的综合力学性能 32 案例 GB150对热处理的要求 GB150 1998中焊后热处理方法 焊接中的预热 常用钢材推荐的最低预热温度见下表 焊接中碳钢和低合金钢的最高预热温度和道间温度不宜大于300 奥氏体不锈钢最高道间温度不宜大于150 这是参照ASME 1 规定了最低预热温度和层间温度 焊接中的后热 后热对冷裂纹敏感性较大的低合金钢和拘束度较大的焊件应采取后热措施 后热应在焊后立即进行 后热温度一般为200 350 保温时间与后热温度 焊缝金属厚度有关 一般不少于30min 后热温度范围200 350 主要考虑大于或等于200 以后 氢在焊缝中已非常活跃 容易逸出 350 则考虑后热温度不应超过马氏体转变终结温度 若焊后立即进行热处理则可不做后热 容器的焊后热处理 焊后热处理是指为改善焊接区域的性能 消除焊接残余应力等有害影响 将焊接区域或其中部分在金属相变点以下加热到足够高的温度 并保持一定的时间 而后均匀冷却的热过程 称之为消除应力热处理 主要针对在金属相变点以下温度的焊后热处理 焊后热处理具有一次性作用特性 焊后热处理一旦发生质量事是不能返修 焊后热处理特别是现场焊后热处理已成为压力容器制造 如是现场安装也是工厂制造的继续 中最薄弱环节 主要表现在焊后热处理规范选用不合理 热处理方法错误 测温点连接不当 温度测量误差大 热处理记录模糊 甚至造假 而失去对压力容器焊后热处理的真实作用 不同厚度承压元件相焊时的 PWHT a 两相邻对接承压元件中取其较薄一侧母材厚度 b 筒体施焊内封头时 则取壳体厚度或角焊缝厚度中较大者 c 在壳体上焊接管板 平封头 盖板 凸缘或法兰时 取壳体厚度 d 接管 人孔等连接件与壳体 封头相焊时 在连接件颈部焊缝厚度 壳体焊缝厚度 封头焊缝厚度 或补强板 连接件角焊缝厚度之中的较大者 e 接管与法兰相焊时 取接管颈在接头处的焊缝厚度 f 当非承压元件与承压件相焊 取焊接处的焊缝厚度 g 管子与管板焊接时 取其焊缝厚度 h 焊接返修时 取其所填充的焊缝金属厚度 下列情况下 应按未经焊后热处理的压力容器或零部件中最大 PWHT 作为焊后热处理的计算厚度 a 压力容器整体焊后热处理 b 同炉内装入多台压力容器或零部件 焊后热处理规范 调质钢焊后热处理温度应低于调质处理时的回火温度 其差值至少为30 不同钢号钢材相焊时 焊后热处理温度应按焊后热处理温度较高的钢号执行 但温度不应超过两者中任一钢号的下临界点Ac1 非承压元件与承压元件相焊时 应按承压元件的焊后热处理规范执行 对有再热裂纹倾向的钢号 在焊后热处理时应防止产生再热裂纹 预防再热裂纹的措施 1 预热预热温度为200 450 若焊后能及时后热 可适当降低预热温度 例如 18MnMoNb钢焊后在180 热处理2h 预热温度可降低至180 2 应用低强度焊缝 使焊缝强度低于母材以增高其塑性变形能力 3 减少焊接应力 合理地安排焊接顺序 减少余高 避免咬边及根部未焊透等缺陷以减少焊接应力 奥氏体高合金钢制压力容器一般不推荐进行焊后热处理 不锈钢焊后热处理固溶处理 将不锈钢构件加热到1050 1100 保温后急冷 可提高不锈钢的耐腐蚀性 消除晶间腐蚀 软化不锈钢 原理 将合金加热至高温单相区恒温保持 使过剩相充分溶解到固溶体中 然后快速冷却 以得到过饱和固溶体的热处理工艺 使合金中各种相充分溶解 强化固溶体并提高韧性及抗蚀性能 消除应力与软化 以便继续加工成型 稳定化处理 含Ti Nb等元素的不锈钢固溶处理后 加热至850 900保温后空冷 可消除应力腐蚀和晶间腐蚀现象 含Ti Nb等稳定化元素的奥氏体不锈钢 为了提高其晶间腐蚀性能 其原理在于将晶间碳化物充分的固溶 以减少贫Cr区的存在 一般温度为850 950 保温2小时后水淬即可 稳定化热处理是含稳定化元素 Ti Nbect 的奥氏体不锈钢常用的一种热处理方法 其目的在于提高材料的抗晶间腐蚀性能 温度一般在900 左右 原理在于使晶界碳化物尽可能多的固溶 以减少晶界贫铬区的存在 焊后热处理应在压力试验前进行 焊后热处理用加热设施 应保证焊件受热处理各部位均匀受热 可以自动调节与控制各点温度 热处理炉 选用的热处理设备应在满足热处理工艺要求的基础上 应有较高的生产率 热效率和低能耗 通常中 当产品有足够批量时 选用专用设备有最好的节能效果 满载的连续式炉的热效率高于间隙式炉 加热炉应按GB T9452 2003 热处理炉有效加热区测定方法 进行加热区范围的测定 常见热处理炉 箱式炉 加热炉 渗碳炉 台车炉 回火炉 退火炉 井式炉 感应炉 盐浴炉 真空炉等 热电偶 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件 是由两种不同成分的导体两端接合成回路时 当两接合点热电偶温度不同时 就会在回路内产生热电流 如果热电偶的工作端与参比端存有温差时 显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值 对热电偶与热电阻的安装 应注意有利于测温准确 安全可考及维修方便 而且不影响设备运行和生产操作 正确使用热电偶不但可以准确得到温度的数值 保证产品合格 而且还可节省热电偶的材料消耗 既节省资金又能保证产品质量 常见热电偶类型铂铑10 铂 0 1600 镍铬 镍硅 0 1300 镍铬 康铜 0 800 温控自动仪表及定期检定 热处理过程中对温度的检测和记录非常重要 温度控制的不好对产品的影响十分的大 所以温度的检测十分重要 在整个过程的温度的变化趋势也显得十分重要 在热处理的过程中必须对温度的变化进行记录 可以方便以后进行数据分析 也可以查看到底是哪段时间温度没有达到要求 这样对以后的热处理进行改进起到非常大的作用 焊后热处理方式 焊后热处理方式有三种1 整体焊后热处理 将容器装入封闭炉的有效加热区内整体加热 应尽可能采用 在容器内部加热 外部保温 2 分段焊后热处理 将容器分段装入炉内加热 加热各段重叠部分长度至少为1500mm 炉外部分的容器采取保温措施 防止产生有害的温度梯度 3 局部焊后热处理 局部焊后热处理包括 环焊缝焊后热处理 焊接返修后热处理 壳体或封头上施焊接管 或其他受压件 后热处理等 局部焊后热处理的加热带应包括焊缝 热影响区及其相邻母材 加热带的最小宽度为焊缝最大宽度两侧各加 PWHT或50mm 取两者较小值 在焊缝端部方向上加 PWHT或50mm 取两者较小值 局部焊后热处理时 加热带应环绕包括返修焊缝 接管 或其他受压件 焊缝在内的筒体圆周 加热带内任意一点温度应不低于焊后热处理规定的温度 加热带以外部分应采取保温措施 防止产生有害的温度梯度 NB T47015 2011中确定的焊后热处理工艺 焊后热处理工艺 a 焊件进炉时 炉内温度不得高于400 b 焊件升温至400 后 加热区升温速度不应超过5500 PWHT c 焊件升温期间 加热区内任意长度为4600mm内的温差不得大于140 d 焊件保温期间 加热区内最高与最低温度之差不得大于80 e 升温和保温期间应控制加热区气氛 防止焊件表面过度氧化 f 焊件温度高于400 时 加热区降温速度不应超过7000 PWHT h 且不应超过280 h 最小不应低于38 h Fe 7和Fe 10类钢材 加热区温度高于650 时 冷却速度不应大于56 h 加热温度低于650 后 应迅速冷却防止脆化 g 焊件出炉时 炉温不得高于400 出炉后应在静止的空气中冷却 焊接返修后 重新进行焊后热处理的规定 下列情况下 焊接返修后 要求重新进行热处理 a 有应力腐蚀的压力容器 b 盛装毒性为极度或高度危害介质的压力容器 c 低温压力容器 下列情况下 焊接返修后 可不再重新进行热处理a 压力容器用钢材限于JB T47014中Fe 1和Fe 3两类 b 对于Fe 1类钢材 返修焊缝厚度不得大于38mm 对于Fe 3类钢材 返修焊缝厚度不得大于16mm c 焊接返修要得到业主的认可 返修部位应记录在产品质量证明书上 d 焊缝金属的焊接返修 1 返修焊缝坡口 要进行表面无损检测 确认无缺陷 2 采用低氢型药皮焊条 3 Fe 1类钢材 预热温度高于或等于100 Fe 3类钢材 预热温度高于或等于180 道间温度不超过230 4 焊道最大宽度为焊芯直径的4倍 5 对于Fe 3类钢 则需采用半焊道加回火焊道技术进行焊接返修 i采用最大直径为3 2mm的焊条在坡口表面上堆焊一层 ii在焊第二层之前 要将坡口表面层上的堆焊金属磨去一半厚度 iii采用最大直径为4mm的焊条继续施焊 iv在返修焊缝表面施焊回火焊道 v返修焊缝及回火焊道完成后进行后热处理 200 260 保温4h vi磨去回火焊道余高 使之与母材表面齐平 vii返修焊缝冷却到常温后进行表面无损检测 对于Fe 3类钢材 应在焊后至少48h才允许进行检测 返修焊缝厚度大于10mm时应进行射线检测 e 钢材表面的焊接修复 1 表面修复仅限于小面积 例如去除定位块时撕掉钢材表面的修复 2 可参照 d 中的规定 3 焊接修复的表面不能接触容器内介质 67 表面热处理 表面热处理对工件表面进行强化的金属热处理工艺 它不改变零件心部的组织和性能 广泛用于既要求表层具有高