金屬材料熱處理新工藝
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yflwzj 發(fā)布時(shí)間：2012-05-09 08:45:44
金屬材料熱處理新工藝
金屬材料熱處理發(fā)展的主要趨勢是，不斷改革加熱和冷卻技術(shù)，發(fā)展真空熱處理，可控氣氛熱處理和形變熱處理等，以及創(chuàng)造新的表面熱處理工藝。
新工藝和技術(shù)的發(fā)展，主要是：
⑴為了提高零件的強(qiáng)度、韌性；增強(qiáng)零件的抗疲勞和耐磨損能力；
⑵減輕加熱過程中的氧化和脫碳；
⑶減少熱處理過程中零件的變形；
⑷節(jié)約能源，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；
⑸減少或防止環(huán)境污染等。
熱處理的新工藝很多，這里只簡介可控氣氛熱處理、真空熱處理和形變熱處理，以及表面氣相沉積技術(shù)。
㈠可控氣氛熱處理
在爐氣成分可以控制的爐內(nèi)進(jìn)行的熱處理稱為可控氣氛熱處理。爐氣分滲碳性、還原性和中性氣氛等。僅用于防止工件表面化學(xué)反應(yīng)的可控氣氛稱為保護(hù)氣氛。
可控氣氛熱處理的應(yīng)用有一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)：能減少和避免鋼件在加熱過程中氧化和脫碳，節(jié)約鋼材，提高工件質(zhì)量；可實(shí)現(xiàn)光亮熱處理，保證工件的尺寸精度；可進(jìn)行控制表面碳濃度的滲碳和氰化；可使已脫碳的工件表面復(fù)碳；可進(jìn)行穿透滲碳處理，例如，某些形狀復(fù)雜且要求高彈性或高強(qiáng)度的工件，用高碳鋼制造加工困難，可用低碳鋼沖壓成形，然后進(jìn)行穿透滲碳，以代替高碳鋼。這樣可以大大革新加工程序。
⒈吸熱式氣氛 燃料氣（天然氣、城市煤氣、丙烷、丁烷）按一定比例與空氣混合后，通入發(fā)生器進(jìn)行加熱，在觸媒的作用下，經(jīng)吸熱而制成的氣體稱為吸熱式氣氛，吸熱式氣氛主要用作滲碳?xì)夥蘸透咛间摰谋Ｗo(hù)氣氛。。
⒉放熱式氣氛 燃料氣（天然氣、乙烷、丙烷等）按一定比例與空氣混合后，靠自身的燃燒反應(yīng)而制成的氣體，由于反應(yīng)時(shí)放出大量的熱量，故稱為放熱式氣氛。它是所有制備氣氛中最便宜的一種，主要用于防止加熱時(shí)的氧化，如低碳鋼的光亮退火，中碳鋼小件的光亮淬火等。
⒊放熱-吸熱式氣氛 這種氣氛用放熱和吸熱兩種方式綜合制成。第一步，先將氣體燃料（如天然氣等）和空氣混合，在燃燒室中進(jìn)行放熱式燃燒；第二步，將燃燒室中的燃燒產(chǎn)物再次與少量燃料混合，在裝有催化劑的反應(yīng)罐內(nèi)進(jìn)行吸熱反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體經(jīng)冷卻即為放熱-吸熱式氣氛。它可用于吸熱式和放熱式氣氛原來使用的各個(gè)方面。也可做為滲碳和碳氮共滲的載流氣體。此種氣氛含氮量低，因而可減輕氫脆傾向。
⒋滴注式氣氛 用液體有機(jī)化合物（如甲醇、乙醇、丙酮、甲酰胺、三乙醇胺等）混合滴入或與空氣混合后噴入熱處理爐內(nèi)所得到的氣氛稱為滴注式氣氛。它主要用于滲碳、碳氮共滲、軟氮化、保護(hù)氣氛淬火和退火等。
㈡真空熱處理
在真空中進(jìn)行的熱處理稱為真空熱處理。它包括真空淬火、真空退火、真空回火和真空化學(xué)熱處理等。
⒈真空熱處理的效果
⑴可以減少變形—在真空中加熱，升溫速度很慢，工件截面溫差很小，所以處理時(shí)變形較小。
⑵可以減少和防止氧化—真空中氧的分壓很低，金屬的氧化受到抑制。實(shí)踐證明，在13.3Pa 的真空度下，金屬的氧化速度極慢。在1.33 × 10 -3Pa的真空度下。可以實(shí)現(xiàn)無氧化加熱。
⑶可以凈化表面—在高真空中，表面的氧化物發(fā)生分解，工件可得到光亮的表面。另外，工件表面的油污屬于碳?xì)溲醯幕衔?，在真空中加熱時(shí)分解為水蒸氣、二氧化碳等氣體，被真空泵排出。潔凈光亮的表面不僅美觀，而且對提高耐磨性、疲勞強(qiáng)度等都有明顯的效果。
⑷脫氣作用—溶解在金屬中的氣體。在真空中長時(shí)間加熱時(shí)，會不斷逸出并由真空泵排出。真空熱處理的去氣作用，有利于改善鋼的韌性，提高工件的使用壽命。
除了上述優(yōu)點(diǎn)以外，真空熱處理還可以減少或省去清洗和磨削加工工序，改善勞動條件，實(shí)現(xiàn)自動控制。
⒉真空熱處理的應(yīng)用
真空技術(shù)的發(fā)展，以及對重要零件的更高性能和使用可靠性的要求，使真空熱處理得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
⑴真空退火
真空退火有避免氧化、脫碳和去氣、脫脂的作用，除了鋼、銅及其合金外，還可用于處理一些與氣體親和力較強(qiáng)的金屬，如鈦、鉭、鈮、鋯等。
⑵真空淬火
真空淬火已大量用于各種滲碳鋼、合金工具鋼、高速鋼和不銹鋼的淬火，以及各種時(shí)效合金、硬磁合金的固溶處理。設(shè)備也由周期作業(yè)式的密閉淬火爐發(fā)展到了連續(xù)作業(yè)式的大型淬火爐。
⑶真空滲碳
真空滲碳也叫低壓滲碳，是近年來在高溫滲碳和真空淬火的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新工藝。與普通滲碳相比有許多優(yōu)點(diǎn)：可顯著縮短滲碳周期，減少滲碳?xì)怏w的消耗，能精確控制工件表層的碳濃度、濃度梯度和有效滲碳層深度。不形成反常組織和發(fā)生晶間氧化，工件表面光亮，基本上不造成環(huán)境污染，并可顯著改善勞動條件，等等。
㈢形變熱處理
形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化都是金屬及合金最基本的強(qiáng)化方法。將塑性變形和熱處理有機(jī)結(jié)合起來，以提高材料機(jī)械性能的復(fù)合熱處理工藝，稱為形變熱處理。在金屬同時(shí)受到形變和相變時(shí)，奧氏體晶粒細(xì)化，位借密度增高，晶界發(fā)生畸變，碳化物彌散效果增強(qiáng)，從而可獲得單一強(qiáng)化方法不可能達(dá)到的綜合強(qiáng)韌化效果。根據(jù)形變與相變的關(guān)系，形變熱處理可分為三種基本類型：在相變前進(jìn)行形變；在相變中進(jìn)行形變；在相變后進(jìn)行形變。不管哪一種方法，都能獲得形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的綜合效果。
⒈高溫形變熱處理
高溫形變熱處理是將鋼加熱到穩(wěn)定的奧氏體區(qū)域，進(jìn)行塑性變形，然后立即進(jìn)行淬火和回火。這種工藝的要點(diǎn)是，在穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)下形變時(shí)，為了保留形變強(qiáng)化的效果，應(yīng)盡可能避免發(fā)生奧氏體再結(jié)晶的軟化過程，所以，形變后應(yīng)立即快速冷卻。
高溫形變熱處理和普通熱處理相比，不但能提高鋼的強(qiáng)度。而且能顯著提高鋼的塑性和韌性。使鋼的綜合機(jī)械性能得到明顯的改善。另外，由于鋼件表面有較大的殘余壓應(yīng)力，還可使疲勞強(qiáng)度顯著提高。
高溫形變熱處理對鋼材無特殊要求，可將鍛造和軋制同熱處理結(jié)合起來，省去重新加熱過程，從而節(jié)約能源，減少材料的氧化、脫碳和變形，且不要求大功率設(shè)備，生產(chǎn)上容易實(shí)現(xiàn)，所以這種處理得到了較快的發(fā)展。
⒉中溫形變熱處理
中溫形變熱處理是將鋼加熱到穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)后，迅速冷卻到過冷奧氏體的亞穩(wěn)區(qū)進(jìn)行塑性變形，然后淬火和回火。具體工藝參數(shù)根據(jù)鋼種和性能要求的不同有所差異。這種方法和普通熱處理相比，強(qiáng)化效果非常顯著。淬透性好的中碳合金鋼經(jīng)中溫形變熱處理后，可大大提高強(qiáng)度，而不降低塑性，甚至略有提高。此外，還可提高鋼的回火穩(wěn)定性和疲勞強(qiáng)度。
中溫形變熱處理要求鋼有高的淬透性（即過冷奧氏體的亞穩(wěn)區(qū)較大，較寬），以使在形變時(shí)不產(chǎn)生非馬氏體轉(zhuǎn)變。
中溫形變熱處理的形變溫度較低，因此形變速度要快，壓力加工設(shè)備的功率要大。這種方法的強(qiáng)化效果雖好，但因工藝實(shí)施較難，目前僅用于強(qiáng)度要求很高的彈簧鋼絲、軸承等小型零件及刀具等。
㈣表面氣相沉積
氣相沉積主要分化學(xué)氣相沉積（CVD ）和物理氣相沉積（ PVD ）兩種。
化學(xué)氣相沉積是使揮發(fā)性化合物氣體發(fā)生分解或化學(xué)反應(yīng)，并在工件上沉積成膜的方法。利用多種化學(xué)反應(yīng)，可得到不同的金屬、非金屬或化合物鍍層。
物理氣相沉積包括真空蒸發(fā)、濺射、離子鍍?nèi)N方法，因?yàn)樗鼈兌际窃谡婵諚l件下進(jìn)行，因此也稱為真空鍍膜法。
氣相沉積鍍層的特點(diǎn)是附著力強(qiáng)，均勻，快速，質(zhì)量好，公害小，選材廣，可以得到全包覆的鍍層。在滿足現(xiàn)代技術(shù)提出的越來越高的要求方面，這種方法比常規(guī)方法有許多優(yōu)越性。它能制備各種耐磨膜（如TiN 、TiC 、W C 2 、2 3 Al O 等）、耐蝕膜（如Al 、Cr 、Ni 及某些多層金屬等）、潤滑膜（如2 MoS 、2 WS 、石墨、2 CaF 等）、磁性膜、光學(xué)膜，以及其它功能性薄膜。因此在機(jī)械制造、航天、原子能、電器、輕工等部門得到了廣泛的應(yīng)用。
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