金属材料处理技术

金属材料处理技术[e-mail]2009.04.29目录第一节材料处理的发展简介第二节金属材料处理技术第三节热处理技术第四节表面处理技术第一节材料处理的发展简介早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。中国河北省易县燕下都出土的两把剑和一把戟，其显微组织中都有马氏体存在，说明是经过淬火的。中国出土的西汉(公元前206～公元24)中山靖王墓中的宝剑,心部含碳量为0.15～0.4%，而表面含碳量却达0.6%以上，说明已应用了渗碳工艺。但当时作为个人“手艺”的秘密，不肯外传，因而发展很慢。1863年，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯汀最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。20世纪60年代以来，热处理技术运用等离子场，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。在机械零件制造过程中，为了提高和获得金属材料的物理、化学以及机械性能，人们常常采取一定的工艺方法，通过对材料的表面或内部进行加工处理，从而获得与基体材料不同的各种特性，这就是材料处理技术。第二节金属材料处理技术一.金属材料处理技术的含义二.金属材料处理技术的方法常用的处理方法热处理和表面处理技术。一.热处理(HeatTreatment)将固态金属或合金，采用适当的方式进行加热、保温和冷却，改变材料内部组织结构，从而获得改善材料性能的工艺。其工艺过程通常可用温度—时间坐标的工艺曲线来表示。1.热处理的分类热处理工艺按其工序位置可分为预备热处理和最终热处理。预备热处理可以改善材料的加工工艺性能，为后续工序作好组织和性能的准备。第三节热处理技术热处理的分类如下图：最终热处理可以提高金属材料的使用性能，充分发挥其性能潜力。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。钢铁材料热处理是通过加热、保温和冷却方式借以改变合金的组织与性能的一种工艺方法，其基本内容包括热处理原理及热处理工艺两大方面。钢铁材料的强韧化主要有两个途径：一是对钢铁材料实施热处理；二是通过调整钢的化学成分，加入合金元素（亦即钢的合金化原理），以改善钢的性能。2.钢铁材料的热处理钢的热处理原理钢的热处理相变温度钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把加热时的临界温度标以字母“C”，如AC1、AC3、ACm等；把冷却时的临界温度标以字母“r”，如Ar1、Ar3、Arm等。加热时钢的组织转变奥氏体的形成过程钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以共析钢的奥氏体形成过程为例。F—铁素体A—奥氏体Fe3C—渗碳体钢的普通热处理退火(annealing)将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（随炉或埋在砂中或石灰中）的热处理工艺。各种退火和正火的一般加热范围名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒，消除铸造偏析，降低硬度，提高塑性加热到AC3＋20～50℃，炉冷至550℃左右空冷F＋P亚共析钢的铸、锻、轧件，焊接件球化退火降低硬度，改善切削性能，提高塑性韧性，为淬火作组织准备加热到AC1＋20～40℃，然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析、过共析钢及合金钢的锻件、轧件等扩散退火改善或消除枝晶偏析，使成分均匀化加热到Tm-100～200℃，先缓冷，后空冷粗大组织（组织严重过烧）合金钢铸锭及大型铸钢件或铸件再结晶退火消除加工硬化，提高塑性加热到再结晶温度，再空冷变形晶粒变成细小的等轴晶冷变形加工的制品去应力退火消除残余应力，提高尺寸稳定性加热到500～650℃缓冷至200℃空冷无变化铸、锻、焊、冷压件及机加工件常用退火工艺制度小结正火（Normalizing)正火是将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Acm（共析、过共析钢）以上30~50°C，保温一定时间后，在静止的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺方法。由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而,正火后强度、硬度较高。正火的应用：①用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。②亚共析钢采用正火来调整硬度，改切削加工性能。③过共析钢的正火可消除网状碳化物。淬火（quenching）1、定义：淬火是将钢加热到AC1或AC3以上温度并保温，出炉快速冷却，使奥氏体转变成为马氏体的热处理工艺。2、淬火的目的提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，并通过回火处理可获得既有较高的强度、硬度，又有一定弹性、韧性的具有优良综合机械性能的工件。3、淬火的冷却介质淬火的冷却介质称为淬火剂。常用的淬火剂有水和油两种。小注马氏体是碳在α—Fe中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。4、淬火工件浸入淬火剂的方式浸入方式的根本原则是保证工件最均匀地冷却，具体操作如图2—3所示。厚薄不匀的工件，厚的部分应先浸入淬火剂中；细长的工件，如钻头、挫刀、轴等，应垂直地浸入淬火剂中；薄而平的工件，如圆盘铣刀等，不能平着放入而必须立着放入淬火剂中；薄壁环状工件，必须沿其轴线垂直于液面方向浸入；截面不均匀的工件，应斜着浸入淬火剂中，使工件各部分的冷却速度接近。水：主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。油：一般用作合金钢和某些小型复杂碳素钢件的淬火。盐浴：为了减少零件淬火时的变形，盐浴也常用作淬火介质，主要用于分级淬火和等温淬火。5.淬火保温时间淬火保温时间主要根据钢的成分特点、加热介质和零件尺寸来确定。（a）含碳量越高，含合金元素越多，导热性越差，则保温时间就越长；（b）零件尺寸越大，保温时间越长；（c）生产中常根据经验确定保温时间。回火的目的是降低应力和脆性，获得回火马氏体组织，使钢具有高的硬度、强度和耐磨性。低温回火一般用来处理要求高硬度和高耐磨性的工件，如刀具、量具、滚动轴承和渗碳件等。（HRC≥60）1）低温回火（150～250℃）回火（tempering）回火是将淬火后的钢重新加热到Ac1以下某一温度范围(大大低于退火、正火和淬火时的加热温度)，保温后在空气中、油或水中冷却的热处理工艺。回火的目的是减小或消除工件在淬火时产生的内应力，降低淬火钢的脆性，使工件获得较好的强度、韧性、塑性、弹性等综合力学性能。根据回火温度的不同，回火分为低温回火、中温回火和高温回火。3）高温回火（500～650℃）回火的目的是具备良好的综合机械性能（较高的强度、塑性、韧性），得到回火索氏体组织。回火的目的是获得回火屈氏体，具备高的弹性极限和韧性，并保持一定的硬度，主要用于各种弹簧，锻模、压铸模等模具。（35≤HRC≤45）调质处理（quenchingandtempering）：一般习惯将淬火加高温回火相结合的热处理称为调质处理。调质处理广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。调质处理后得到回火索氏体组织，它的机械性能均比相同硬度的正火索氏体组织为优。它的硬度取决于高温回火温度并与钢的回火稳定性和工件截面尺寸有关，一般在HB200―350之间。2）中温回火（350～500℃）钢的表面热处理(steelsurfacetreatment)很多机器零件，如曲轴、齿轮、凸轮、机床导轨等，是在冲击载荷和强烈的摩擦条件下工作的，要求表面层坚硬耐磨，不易产生疲劳破坏，而心部则要求有足够的塑性和韧性。显然，采用整体热处理是难以达到上述要求的，这时可通过对工作表面采取强化热处理，即表面热处理(SurfaceHeatTreatment)的方法解决。常用的表面热处理方法有表面淬火和化学热处理两种。钢的表面热处理方法钢的表面淬火表面淬火是将工件表面快速加热到淬火温度，然后迅速冷却，仅使表面层获得高硬度的淬火马氏体，而心部仍保持淬火前组织的热处理方法。1、火焰表面淬火：火焰表面淬火是用氧炔焰等高温热源将工件表面迅速加热到形变温度以上，然后立即进行低温回火，或利用工件内部余热自身回火。这种方法可获得2～6mm的淬透深度，设备简单，成本低，适于单件或小批量生产。2、感应表面淬火：感应加热表面淬火的特点：①淬火温度高于一般淬火温度。②淬火后马氏体晶粒细化，表层硬度比普通淬火高2～3HRC。③表层存在很大的残余压应力。④不易产生变形和氧化脱碳。⑤易于实现机械化与自动化。感应加热淬火后，为了减小淬火应力和降低脆性，需进行170～200℃低温回火。感应加热是利用电磁感应原理，利用感应电流通过工件产生热效应（集肤效应），表层感应电流密度大，温度高；心部几乎不受热。化学热处理是将工件放在一定的介质中加热和保温，使介质中的某些元素渗入工件表层，从而改变表层的化学成分、组织和性能的热处理工艺。通过化学热处理可提高工件表面的硬度和耐磨性，也可提高工件表面的耐蚀性、耐热性等。常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗以及渗硼、铝、铬、硅等。钢的化学热处理基本过程：①钢件加热时，化学介质分解出渗入元素的活性原子；②活性原子被钢件表面吸附和溶解；③原子由表面向内部扩散，形成一定的扩散层。将钢放入渗碳的介质中加热并保温，使活性碳原子1、钢的渗碳：渗入钢的表层的工艺称为渗碳。其目的是通过渗碳及随后的淬火和低温回火，使表面获得高碳回火马氏体，具有高硬度、耐磨性和抗疲劳性能；而心部为低碳回火马氏体或索氏体，具有一定的强度和良好的韧性配合。气体渗碳示意图1）渗碳方法渗碳方法有气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳。目前广泛应用的是气体渗碳法。2）渗碳后的热处理渗碳后的热处理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。渗碳后的淬火和低温回火示意图2、钢的渗氮：渗氮俗称氮化，是指在一定温度下使活性氮原子渗入工件表面，在钢件表面获得一定深度的富氮硬化层的热处理工艺。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳强度、热硬性和耐蚀性等。常用的渗氮方法有气体渗氮、离子渗氮、氮碳共渗（软氮化）等。生产中应用较多的是气体渗氮。1）渗氮方法碳氮共渗新介质的研制是金属热处理研究的一个重要领域。早期使用的NaCN等氰盐均有剧毒，现已禁用。新一代碳氮共渗介质往往同时考虑工艺性能和环保两方面的因素。常用的介质是煤气和氨气的混合物。3、钢的碳氮共渗（氰化）：碳氮共渗是同时向钢件表面渗入碳和氮原子的化学热处理工艺，也俗称为氰化。碳氮共渗零件的性能介于渗碳与渗氮零件之间。钢的热处理新工艺介绍无氧化加热利用可控气氛，即通过精确计量和微机控制技术对炉内的气体组分加以控制。如含碳液体或气体的分解和裂解的碳浓度的控制。1、保护气氛加热：在真空炉中受真空气氛保护，可防止工件氧化、减小变形，但容易引起元素挥发。适于中小型零件的处理。2、真空热处理：目前，实际生产中还采用以下先进工艺：利用高能量密度对零件作超高速加热，然后自激淬火，具有不氧化、不脱碳、变形小、表面光洁，提高硬度、耐磨性和疲劳强度等的高频和超高频脉冲热处理和激光热处理以及电子束热处理。强韧化处理是指同时提高钢件强度和韧性的热处理。强韧化处理超细化处理：将钢在一定的温度条件下，通过数次快速加热和冷却等方法以获得极细组织，从而达到强韧化的目的。超高速加热钢的形变热处理：形变热处理是指将变形强化和热处理强化结合起来的工艺方法。形变热处理工艺示意图第四节表面处理技术一.金属表面处理的概念：在金属基体材料表面形成一层与基体的机械，物理，化学性能不同的工艺方法---Surfacetreatment。二.金属表面处理的目的：三.金属表面处理方法：表面处理的目的是满足产品的耐蚀性、耐磨性、装饰或其他特种功能要求。表面處理的目的可以分四大類:(1)美觀(appearance)