金属组织控制技术科技小论文

金属组织控制技术的现状与发展摘要：本书主要介绍三大类金属热处理工艺，及普通热处理，表面热处理和化学热处理，以及它们的工艺特点和工艺原理，此外还介绍了几种热处理的新技术和新工艺。另外，对我国热处理技术的的现状及发展作了分析。关键词：退火 正火淬火 回火 表面淬火 渗碳 渗氮 碳氮共渗引言众所周知，材料的性能取决于组织状态。为了使材料得到所希望的性能，我们必须在加工、制作等过程中控制材料的宏观与微观组织状态，组织控制的最优化目的，就是通过一定的方法和途径，合理安排材料中合金元素的存在形式与分布，获得所期望的组织结构及其状态，使材料的潜力得到充分的发挥 1。金属组织控制技术就是通过热处理的方法，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。金属组织控制原理揭示了金属在加热和冷却过程中的组织结果转变规律，为热处理提供了理论依据，而金属组织控制技术则是热处理的具体操作过程2。正文本文重点介绍三大类金属热处理工艺，即普通热处理，表面热处理和化学热处理，以及它们的工艺特点和工艺原理2。普通热处理包括退火、正火、淬火、回火退火 将组织偏离状态的钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却，以获得平衡状态组织的热处理工艺成为退火。常见的退火工艺方法分为扩散退火，完全退火，不完全退火，球化退火，再结晶退火。正火 正火是将钢加热到Ac3（或Ac cm）以上适当温度，保温一定时间，使之完全奥氏体化，然后在空气中冷却得到珠光体组织的热处理工艺。退火和正火是最近本的热处理工序，大部分机器零件、模具的毛坯经退火或正火后，不仅可以消除铸件、锻件和焊接件的内应力及成分和组织的不均匀性，而且也能改善和调整钢的力学性能和工艺性能。通常把退火和正火成为预备热处理。淬火 把钢加热到临界点Ac1 或Ac3 保温并随之以大于临界冷却速度冷却，以得到亚稳状态的马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺称为淬火2.实现淬火的必要条件：1加热温度必须大于临界点以上（亚共析钢Ac3 ，过共析钢Ac1）以获得奥氏体组织。2冷却速度必须大于临界冷却速度。3淬火得到的组织是马氏体或下贝氏体，后者是淬火的本质。回火 回火是指将淬火钢加热至Ac1 以下的温度，保温一段时间再冷到室温的工艺。回火根据加热温度的高低和回火目的的不同，可将回火分为低温回火，中温回火和高温回火。目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面，与工业发达国家的差距不大，但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距，还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。所以传统热处理是我国热处理的主要方式。在可以达到设备要求及可持续发展的生产技术中，在传统热处理中，淬火是比较具有研究和可持续发展。为了达到更好的淬火效果，可以从两方面着手，其一是寻找一种比较理想的淬火介质，其二是改进淬火的冷却方法。水淬和油淬，双液淬火，分级淬火是比较常见的生产工艺。至于在如何经济合理的选择和使用钢材，以及正确的对刚件进行热处理，钢的淬透性已成为选择钢种和生产商选择热处理工艺的主要依据之一。对于淬透性的的测试方法有U曲线法，临界直径法，端淬法。另外，在淬火应力、变形及开裂也有很深入的研究。但是，传统热处理只能满足传统工件的要求，随着科技的发展，工件的服役条件日益苛刻，对磨损和疲劳断裂抗力要求不断升级，这推动了表面技术的发展。表面热处理主要是指表面淬火。表面淬火是在工件表面有限深度范围内加热到相变点以上，然后迅速冷却，即在工件表面一定深度范围内得到马氏体，其心部仍保持着表面淬火前的组织状态（调质或正火），因此，表面淬火的目的就是使工件表面得到高硬度和耐磨性，而心部保持足够的塑性和韧性。应用 中碳钢及球墨铸铁最适合表面淬火。可以在保持心部有较高的综合性能，又能具有较高的硬度和耐磨性。高碳钢表面淬火后，尽管表面硬度提高了，但心部的塑性和韧性较低，低碳钢和高碳钢强化效果不明显。表面淬火的基本条件是提供高能量密度的热源迅速使工件表面加热达到相变点以上的温度，显然在普通加热炉内因能量太低，不能实现表面快速加热。表面淬火方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火，以及激光加热表面淬火和电子束加热表面淬火。我国目前生产上应用的比较广泛且成熟的是感应加热表面淬火，火焰加热表面淬火。以及新兴技术激光表面淬火。感应加热表面淬火感应加热：工件放到感应器内，感应器一般是输入中频或高频交流电 (300-300000Hz或更高)的空心铜管。产生交变磁场在工件中产生出同频率的感应电流，这种感应电流在工件的分布是不均匀的，在表面强，而在内部很弱，到心部接近于0，利用这个集肤效应，可使工件表面迅速加热，在几秒钟内表面温度上升到800-1000，而心部温度升高很小。感应加热表面淬火是利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷的淬火方法。火焰加热表面淬火 火焰加热是一种用乙炔一氧火焰(最高温度达3100)或煤气一氧火焰(最高温度达2000)将工件表面快速加热，随后喷液（水或有机冷却液）冷却的一种表面淬火方法。一般常用乙炔-氧火焰表面淬火。该技术设备要求低，操作简单，但具有一定危险性。激光加热表面淬火 激光淬火技术及应用激光淬火技术，是利用聚焦后的激光束快速加热钢铁材料表面，使其发生相变，形成马氏体淬硬层的过程。激光淬火的功率密度高，冷却速度快，不需要水或油等冷却介质，是清洁、快速的淬火工艺。与感应淬火、火焰淬火、渗碳淬火工艺相比，激光淬火淬硬层均匀，硬度高（一般比感应淬火高1-3HRC），工件变形小，加热层深度和加热轨迹容易控制，易于实现自动化，不需要象感应淬火那样根据不同的零件尺寸设计相应的感应线圈，对大型零件的加工也无须受到渗碳淬火等化学热处理时炉膛尺寸的限制。尤其重要的是激光淬火前后工件的变形几乎可以忽略，因此特别适合高精度要求的零件表面处理。激光淬硬层的深度依照零件成分、尺寸与形状以及激光工艺参数的不同，一般在0.32.0mm范围之间。对大型齿轮的齿面、大型轴类零件的轴颈进行淬火，表面粗糙度基本不变，不需要后续机械加工就可以满足实际工况的需求。表面技术的另一方面发展是化学热处理，金属的化学热处理是将工件置于一定温度的活性介质保温，使一种或几种元素渗入工件表层，以改变其表层化学成分、组织和性能的热处理工艺。与表面淬火相比，虽然存在周期长的缺点，但它有一系列优点。1. 不受工件外形的限制，都可以获得较均匀的硬化层。2由于表面成分和组织同时发生变化，所以耐磨性和疲劳强度更高。3表面过热现象可以在随后的热处理过程中给以消除。化学热处理的作用主要是强化表面和保护工件表面。可分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、氮碳共渗等。渗碳 渗碳是将低碳钢置于具有足够碳势的介质中加热到奥氏体状态保温，使活性碳原子渗入工件，获得高含碳量的渗层，随后淬火并低温回火的热处理工艺。根据渗碳剂的不同，可分为气体渗碳，液体渗碳、固体渗碳。它的目的是保持心部良好的韧性的同时，表层具有高的硬度、耐磨性和疲劳强度。渗氮 渗氮是在一定温度下，使活性氮原子渗入到工件表面的一种化学热处理方法，通常也成为氮化。渗碳剂为气体，工艺方法分两种，一种是提高工件表面硬度，耐磨性和疲劳强度为主的强化渗氮，另一种是以提高工件表面耐腐蚀性的防腐渗氮。碳氮共渗 在奥氏体状态下，同时将碳氮两种元素渗入工件表面层，并以渗碳为主的化学热处理工艺。他的目的是在保持工件内部具有较高的韧性的条件下，得到高硬度、高强度的表面层，以提高工件的耐磨性和疲劳强度，延长工件使用寿命。氮碳共渗 工件表面同时渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理成为氮碳共渗，也叫软氮化。其目的是为了提高钢铁工件表面硬度、耐磨性、抗疲劳性能、耐腐蚀性能及抗咬合性能等。在这个领域，稀土在化学热处理中的应用(即与稀土共渗)，能显著提高渗速，缩短处理周期，并可提高渗层的耐磨性和耐腐蚀性，这是我国的一大特色。此外，固溶化学热处理也是一个值得注意的动向，内蒙农机研究所黄建洪等人开发了含氮马氏体化处理(N*M处理)工艺，这是第一个以获得固溶N的含氮马氏体为目的的渗氮工艺，已成功地应用于剪毛机刀片生产4。金属组织控制技术发展1 采用新的加热源和新的加热方式在表面加热方面，感应加热具有加热速度快、工件表面氧化脱碳少、变形小、节能、公害小、生产率高、易实现机械化和自动化等优点，是一种经济节能的表面加热手段，主要用于工件的表面加热淬火。高能率加热具有加热速度快、表面质量好、变形小、能耗低、无污染等优点，也是一种极为有效的表面加热方式。2 采用新的淬火介质和改进淬火方法无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是新型淬火介质的发展重点，特别是有机聚合物淬火剂的研究和应用尤为引人注目，其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、工件淬硬均匀、可明显减少淬火变形和开裂倾向。3发展化学热处理这是一种附加成分的多参数热处理。普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理